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(lái)較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)、金相組織分析、微觀形貌觀察和能譜分析等方法對(duì)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(cè)到汞的存在。通過(guò)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(kāi)裂。提出了五項(xiàng)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(cè)方式；將汞從天然氣中脫出；定期開(kāi)展設(shè)備檢測(cè)’清理積汞在設(shè)計(jì)選型階段開(kāi)展系統(tǒng)分析，確保風(fēng)險(xiǎn)受控。

新疆某氣田一口高壓氣井井口壓力表在生產(chǎn)過(guò)程中突然發(fā)生刺漏’造成壓力表表盤(pán)崩裂，該氣田立即緊急關(guān)井處理，并對(duì)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(shí)生產(chǎn)工況:井口壓力90.48MPa,溫度83.9°C，地層水氯離子質(zhì)量濃度9590mg/L，束質(zhì)量濃度1.12mg/m3。

壓力表廠家為STEWARTS4JSA(斯圖爾特-美國(guó)），壓力表量程為0~137.4MPa，彈簧管材質(zhì)為Monel合金。

井口壓力表一般安裝在采氣樹(shù)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(shí)間長(zhǎng)，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(xiǎn)。

1.檢測(cè)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7mm、壁厚1.5mm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(guò)焊接連接到拉桿，拉桿與一個(gè)齒輪結(jié)構(gòu)相連，齒輪與表盤(pán)上的指針相聯(lián)動(dòng)，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(guò)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(dòng)表盤(pán)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，由表盤(pán)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(zhǎng)約5mm滲透性溝槽。

1.2滲透法無(wú)損檢測(cè)

為了確定這個(gè)溝槽是否滲透，隨后對(duì)彈簧管段進(jìn)行滲透法檢測(cè)[3]。結(jié)果表明，滲透性溝槽確實(shí)存在裂紋，其長(zhǎng)度為4mm左右（見(jiàn)圖1)。對(duì)彈簧管段其他部位包括末端封焊部位的無(wú)損滲透檢測(cè)，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(duì)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(jiàn)圖2和圖3。

從金相組織的分析來(lái)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(shuō)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TESCANVEGAII掃描電子顯微鏡對(duì)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(jiàn)，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TESCANVEGAII掃描電子顯微鏡及其附帶XFORDINCA350能譜分析儀對(duì)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(duì)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(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，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(duì)裂紋斷口的晶粒表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)，除碳元素外，其他元素的含量與基體相近，未檢測(cè)到汞的存在。

分別對(duì)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(jiàn)表3至表6�？梢�(jiàn)，彈簧管內(nèi)壁裂紋斷面晶界夾雜處檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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?jī)扇Π雸A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(cè)到汞的存在，多處晶界夾雜處也檢測(cè)到了汞的存在，說(shuō)明汞在晶界夾雜處更容易聚集。同時(shí)因?yàn)闄z測(cè)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0.614MPa)。對(duì)Monel耐蝕合金來(lái)說(shuō)，裂紋斷口表面能譜分析檢測(cè)到氧元素的存在說(shuō)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9590mg/L，那么輸送天然氣的管道和采油樹(shù)中水蒸氣和凝析水含Cl-將會(huì)更少，CO2和Cl_的腐蝕作用不會(huì)造成彈簧管開(kāi)裂。

天然氣中束的質(zhì)量濃度為1.12mg/m3，在上述的能譜分析中也檢測(cè)到了汞的存在，說(shuō)明汞參與了腐蝕過(guò)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(duì)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(duì)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(shí)活潑性順序?yàn)椋轰X(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+HgCuHg

銅汞齊與水反應(yīng)：

CuHg+2H2OCu(OH)2+H2+Hg

這一反應(yīng)過(guò)程需要在加熱的情況才能進(jìn)行，有文獻(xiàn)報(bào)道需要加熱到80C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(guò)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(cè)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(kāi)裂而導(dǎo)致的。

（3）對(duì)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(shí)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(cè)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(cè)管道和設(shè)備的汞腐蝕情況，并及時(shí)對(duì)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(shí)必須掌握足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，并開(kāi)展工藝安全分析，確保在設(shè)計(jì)選型時(shí)控制各種風(fēng)險(xiǎn)。