壓力表彈簧管破裂原因分析及應(yīng)對措施
用于高壓天然氣生產(chǎn)的壓力表彈簧管發(fā)生破裂后，帶來較大的安全風(fēng)險。為了找出導(dǎo) 致壓力表彈簧管破裂的根本原因，結(jié)合天然氣屬性,采用外觀形貌觀察、滲透檢測、金相組織分析、微觀形貌觀察和能譜分析等方法對壓力表彈簧管破裂處裂紋進(jìn)行分析，結(jié)果表明：壓力表彈簧管 有一處滲透性的縱向裂紋；彈簧管末端封焊處不存在裂紋或氣孔等焊接缺陷；滲透性的裂紋以沿 晶方式擴(kuò)展；斷裂面主要是基體材質(zhì)；裂紋擴(kuò)展的斷裂面上存在少量的腐蝕產(chǎn)物和雜物；在晶粒表 面檢測到汞的存在。通過分析認(rèn)為：壓力表彈簧管發(fā)生刺漏并非制造缺陷導(dǎo)致，而是由于彈簧管 材質(zhì)Monel合金中的合金元素Al和Cu與天然氣中的汞形成汞齊,進(jìn)而發(fā)生汞腐蝕,使得彈簧管材 質(zhì)強(qiáng)度急劇下降,在內(nèi)壓作用下發(fā)生開裂。提出了五項預(yù)防措施：采用抗汞、CO2和Cl—腐蝕的合 金材質(zhì)壓力表；更換壓力檢測方式；將汞從天然氣中脫出；定期開展設(shè)備檢測’清理積汞;在設(shè)計選 型階段開展系統(tǒng)分析，確保風(fēng)險受控。
新疆某氣田一口高壓氣井井口壓力表在生產(chǎn) 過程中突然發(fā)生刺漏’造成壓力表表盤崩裂，該氣 田立即緊急關(guān)井處理，并對刺漏的壓力表進(jìn)行拆 檢，發(fā)現(xiàn)壓力表彈簧管破裂，該井當(dāng)時生產(chǎn)工況:井 口壓力90.48 MPa,溫度83.9 °C，地層水氯離子質(zhì) 量濃度9 590 mg/L，束質(zhì)量濃度1. 12 mg/m3 。
壓力表廠家為STEWARTS4JSA (斯圖爾特-美 國），壓力表量程為0~137.4 MPa，彈簧管材質(zhì)為 Monel合金。
井口壓力表一般安裝在采氣樹的頂部，當(dāng)發(fā) 生刺漏后，天然氣（密度比空氣輕）在露天環(huán)境下 不易聚積，但如刺漏的速度快、時間長，且泄漏量 足夠，有可能達(dá)到爆炸極限，形成爆炸云團(tuán)，存在 爆炸和火災(zāi)的風(fēng)險。
1.檢測與分析
1.1壓力表內(nèi)部情況
壓力表內(nèi)部主要是有一段外徑7 mm、壁厚 1.5 mm的中部旋轉(zhuǎn)兩圈半的Monel合金鋼管，其 末端采取封焊密封，在末端管側(cè)通過焊接連接到拉桿，拉桿與一個齒輪結(jié)構(gòu)相連，齒輪與表盤上的 指針相聯(lián)動，彈簧管段進(jìn)口端與一固定樁相連，在固定樁標(biāo)明了其材質(zhì)是M(即Monel合金鋼）彈簧管的材質(zhì)與其一致。該壓力表的工作原理是：管線中的氣體通過進(jìn)口端到達(dá)該合金彈簧管段，利用氣體的壓力引起彈簧管的膨脹，從而導(dǎo)致拉 桿拉動表盤指針轉(zhuǎn)動，由表盤上的指針位置讀得 氣體的壓力數(shù)據(jù)。
壓力表彈簧管中部旋轉(zhuǎn)兩圈半的彈簧管外表 面可以看到長約5 mm滲透性溝槽。
1.2滲透法無損檢測
為了確定這個溝槽是否滲透，隨后對彈簧管 段進(jìn)行滲透法檢測[3]。結(jié)果表明，滲透性溝槽確 實存在裂紋，其長度為4 mm左右（見圖1)。對 彈簧管段其他部位包括末端封焊部位的無損滲透 檢測，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。
1.3金相組織分析
采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對 彈簧管段滲透性裂紋及其附近的顯微組織、裂紋 擴(kuò)展晶界特征進(jìn)行分析，分析方法參考相關(guān)文 獻(xiàn)，結(jié)果見圖2和圖3。
從金相組織的分析來看，彈簧管中裂紋是沿 軸向延伸，裂紋斷口的金相組織為奧氏體，試樣腐 蝕后內(nèi)壁晶界明顯，說明受管內(nèi)的介質(zhì)腐蝕和內(nèi) 壓影響，裂紋是沿晶擴(kuò)展的。
1.4裂紋斷口表面微觀形貌
采用TESCAN VEGA II掃描電子顯微鏡對彈 簧管裂紋斷口表面的微觀形貌進(jìn)行觀察，以確定 裂紋擴(kuò)展的斷裂形式。圖4是該彈簧管裂紋尖端 附近的組織，具有沿晶斷裂的特征。圖5和圖6 分別是彈簧管裂紋的壁厚中心和內(nèi)壁表面的斷口 形貌，可見，其擴(kuò)展機(jī)理是沿晶斷裂，這一結(jié)果與 金相組織分析的結(jié)果一致。、
1.5腐蝕產(chǎn)物能譜分析
采用TESCAN VEGA II掃描電子顯微鏡及其 附帶XFORD INCA350能譜分析儀對裂紋處表面和截面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌觀察和元素分析。
首先對壁厚中心裂紋斷口的晶界夾雜處進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果見表1。由表1可見，壁厚中心 晶界夾雜物處含有汞和其他金屬基體元素，其中 碳元素屬于基體中的碳化物。汞元素不屬于基體 金屬元素，應(yīng)是其接觸的天然氣含的汞。
對裂紋斷口的晶粒表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果 見表2?？梢姡荚赝?，其他元素的含量與基 體相近，未檢測到汞的存在。
分別對彈簧管內(nèi)壁裂紋斷面晶界夾雜處、裂 紋斷面內(nèi)壁的晶粒表面、裂紋斷面外壁的晶界夾 雜處及裂紋斷面外壁的晶粒表面進(jìn)行電鏡掃描和 能譜分析M，結(jié)果見表3至表6?？梢?，彈簧管內(nèi) 壁裂紋斷面晶界夾雜處檢測到汞，并含有一些腐 蝕產(chǎn)物及0和Si元素;裂紋斷面內(nèi)壁的晶粒表面 未檢測到汞，同樣含有一些腐蝕產(chǎn)物和雜物;裂紋 斷面外壁的晶界夾雜處檢測到汞的存在，并含有 一些腐蝕產(chǎn)物和雜物;裂紋斷面外壁的晶粒表面 也檢測到汞，并含有一些腐蝕產(chǎn)物和雜物。
2.分析與討論
從掃描電鏡、金相分析和能譜分析結(jié)果可以 看出：①滲透法檢出壓力表彈簧管中部兩圈半圓 形管段中有一處滲透性的縱向裂紋，彈簧管末端 封焊處不存在裂紋、氣孔等焊接缺陷;②滲透性的 裂紋以沿晶方式擴(kuò)展;③裂紋斷面的元素主要是 金屬基本元素，部分晶粒表面檢測到汞的存在，多 處晶界夾雜處也檢測到了汞的存在，說明汞在晶 界夾雜處更容易聚集。同時因為檢測到氧元素，所以裂紋斷裂面上存在少量的腐蝕產(chǎn)物。
該壓力表接觸到天然氣和地層水，其中天然 氣不含H2SXO2摩爾分?jǐn)?shù)為0. 679% ( CO2分壓 為0.614 MPa)。對Monel耐蝕合金來說，裂紋斷 口表面能譜分析檢測到氧元素的存在說明在其表 面發(fā)生了 CO:腐蝕。地層水中的Cl_的質(zhì)量濃度 為9 590 mg/L，那么輸送天然氣的管道和采油樹 中水蒸氣和凝析水含Cl -將會更少，CO2和Cl_的 腐蝕作用不會造成彈簧管開裂。
天然氣中束的質(zhì)量濃度為1. 12 mg/m3，在上 述的能譜分析中也檢測到了汞的存在，說明汞參 與了腐蝕過程。在油氣中汞主要以單質(zhì)汞為主， 并含有少量的氯化高汞和痕量的二甲基汞，對油 氣處理設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性_。具有高揮發(fā) 性和高毒性的汞的腐蝕性或破壞性體現(xiàn)在它可與 其他金屬結(jié)合成汞的化合物（汞齊），由于汞齊的 脆性遠(yuǎn)大于被腐蝕的金屬材料，從而對設(shè)備造成 較大的破壞。但是不同金屬元素與汞形成汞 齊的活潑性是不同的，50 °C時活潑性順序為：鋁 (最容易形成鋁汞齊）、銅（加熱條件下可形成銅 汞齊）、鐵、鎳、鉻、錳（后四者很難與汞形成汞 齊）。汞與銅形成銅汞齊后的腐蝕機(jī)理如下：
銅汞齊反應(yīng):Cu + Hg ^ CuHg
銅汞齊與水反應(yīng)：
CuHg + 2H2O ^ Cu( OH) 2 + H2 + Hg
這一反應(yīng)過程需要在加熱的情況才能進(jìn)行， 有文獻(xiàn)報道需要加熱到80 C以上。Monel合 金是一種高鎳銅耐蝕材質(zhì)，目前主要產(chǎn)品有蒙耐 爾 M400 ( UNS: No4400)、蒙耐爾 K500 ( UNS: No5500)和蒙耐爾R405 ( UNS: No4405)等，其組成 中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)63% ~ 70%，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)27% ~ 34%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.3%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過 0.06%，其余合金元素有錳、鐵、鈦和鋁，其中錳、鐵 和鈦三元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5% ~3.15% 。
3.結(jié)論與建議
（1）壓力表彈簧管有滲透性的裂紋存在，滲 透性裂紋的斷口為沿晶擴(kuò)展，并在晶界夾雜處檢 測到汞及少量的腐蝕產(chǎn)物。
（2）壓力表彈簧管發(fā)生刺漏是由于彈簧管材 質(zhì)Monel合金中的合金元素Cu與天然氣中的汞 形成汞齊，進(jìn)而發(fā)生汞腐蝕，使得彈簧管材質(zhì)強(qiáng)度急劇下降，在內(nèi)壓作用下發(fā)生開裂而導(dǎo)致的。
（3）對目前該氣田所使用的壓力表進(jìn)行檢 查，將彈簧管材質(zhì)是Monel合金的壓力表更換為 非Monel合金彈簧管壓力表，同時考慮抗CO】和 Cl-腐蝕，如使用哈氏合金的壓力表。
（4）考慮選擇其他結(jié)構(gòu)的壓力表和壓力檢測 儀器，將腐蝕介質(zhì)與壓力表接管隔離，如使用哈氏 合金膜片的隔膜壓力表和壓力變送器。
（5）防止汞腐蝕設(shè)備和管道最根本的措施是 將汞從天然氣中脫除，或使用防汞腐蝕涂層，杜絕 汞與金屬設(shè)備表面接觸。
（6）定期檢測管道和設(shè)備的汞腐蝕情況，并 及時對產(chǎn)生汞聚積的管道和設(shè)備進(jìn)行清汞處理。
（7）在壓力表選型時必須掌握足夠的基礎(chǔ)數(shù) 據(jù)和信息，并開展工藝安全分析，確保在設(shè)計選型 時控制各種風(fēng)險。
