某氣井彈簧管壓力表泄漏原因分析

2023-08-08 07:52:02寧長春蔣麗維張盈盈豐勁松陳慶國夏曉暉林冠發(fā)

石油管材與儀器 2023年4期

王帥,寧長春,蔣麗維,張盈盈,豐勁松,陳慶國,夏曉暉,林冠發(fā)

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室陜西西安 710077; 2.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院湖北荊州 434023;3.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司新疆庫爾勒 841000;4.中國石油勘探開發(fā)研究院北京 100083; 5.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司天津 300451)

0 引言

壓力表是油田最常用的計量器具之一,為油氣輸送提供重要的壓力數(shù)據(jù),在油氣田廣泛應(yīng)用[1-2]。彈簧管壓力表是油氣田常用的壓力表類型,主要由彈簧管、傳動機構(gòu)、指示機構(gòu)和表殼四大部分組成。

彈簧管壓力表的工作原理為:彈簧管與接頭相通,另一端封閉,可以自由活動。當(dāng)壓力從接頭引入彈簧管后,產(chǎn)生彈性形變,引起管端位移,其位移通過扇形齒輪傳動機構(gòu)進行放大,傳遞給指示裝置,顯示被測壓力。彈簧管壓力表在油氣田現(xiàn)場使用過程中,會出現(xiàn)由于介質(zhì)腐蝕等原因失效導(dǎo)致油氣泄漏的情況。因此分析掌握彈簧管壓力表泄漏失效的原因,可避免此類事故的再次發(fā)生,從而保障油田的安全生產(chǎn)[3-5]。

1 失效概況

2022年1月,某氣田的一口氣井管線壓力表發(fā)生泄漏,泄漏位置為壓力表銅質(zhì)彈簧管彎曲部位,如圖1所示。該氣井于2021年6月9日開始運行,日產(chǎn)氣為36×104m3、日產(chǎn)油為100 t,該壓力表顯示的壓力為19.65 MPa,該壓力表部位的溫度為61 ℃。該壓力表運行了6個月后發(fā)生了泄漏事故。該氣井天然氣的成分試驗結(jié)果見表1。從表1可見,該氣井管線所輸送介質(zhì)CO2含量為0.308 2%,不含有H2S。該氣井地層水中Cl-含量為32 000 mg/L,該區(qū)塊天然氣中汞含量約為243.00 μg/m3。

表1 天然氣成分

圖1 壓力表泄漏失效部位

2 試驗分析與結(jié)果

2.1 宏觀檢測

從壓力表盒中取出失效的彈簧管,經(jīng)過測量,彈簧管外徑為5.65 mm,壁厚為0.8 mm,螺旋一周半的壓力表彈簧管中部的另一面可以觀察到螺旋部分外表面沿螺旋圓周方向有長約25 mm的裂紋,如圖2所示。

圖2 彈簧管開裂處宏觀形貌

2.2 無損檢測

采用著色滲透法,根據(jù)QJ 1268—87《著色滲透探傷方法》標準,對失效的彈簧管進行無損檢測。圖3是失效彈簧管滲透探傷后的裂紋形貌。

圖3 失效彈簧管滲透探傷后裂紋形貌

從圖3可見,失效彈簧管上的裂紋為貫穿裂紋,裂紋長度約為35 mm,其他部位未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

2.3 化學(xué)成分分析

從失效彈簧管的裂紋附近截取彈簧管管段,用800#砂紙輕微打磨,以除去表面氧化層,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)分析其化學(xué)成分,結(jié)果見表2。從表2可見,失效彈簧管為紫銅,主要成分為Cu和少量Sn,其它為微量元素,符合GB/T 5231—2022標準的要求。

表2 壓力表彈簧管化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

2.4 金相組織

在失效彈簧管裂紋附近取樣,對其金相組織和裂紋擴展形貌進行分析,結(jié)果如圖4所示。從圖4可見,銅管基體組織為α單相,開裂區(qū)存在裂紋,裂紋沿彈簧管的軸向延伸,該裂紋呈現(xiàn)沿晶界擴展特征。

圖4 彈簧管及裂紋尖端金相顯微組織

2.5 體視顯微形貌(OM形貌)

用體視顯微鏡對失效彈簧管壁裂紋表面、斷面及尖端形貌進行顯微形貌(OM)分析。圖5是采用體視顯微鏡觀察的裂紋形貌。從圖5可見,該彈簧管貫穿裂紋最寬處位于裂紋中間處,寬度為0.18 mm。

圖5 彈簧管裂紋OM顯微形貌

為了進一步觀察失效彈簧管裂紋表面和內(nèi)壁形貌,將裂紋段彈簧管沿環(huán)向和與裂紋對面管壁軸向剖開。采用體視顯微鏡觀察裂紋斷口和裂紋附近彈簧管的內(nèi)壁形貌,結(jié)果如圖6所示。從圖6可見,裂紋表面可見明顯的腐蝕痕跡。由內(nèi)壁OM顯微形貌可見,彈簧管裂紋表面可以明顯看到放射狀擴展特征,而彈簧管內(nèi)壁則密集分布多條平行的裂紋。

圖6 彈簧管樣品剖開后裂紋與內(nèi)壁形貌

2.6 裂紋表面的SEM形貌及EDS能譜分析

1)裂紋表面SEM形貌及EDS能譜

用掃描電鏡進行彈簧管裂紋表面的SEM形貌及EDS能譜進行分析,結(jié)果如圖7所示,裂紋表面的化學(xué)成分見表3。從圖7可見,彈簧管裂紋表面堆積了一些腐蝕產(chǎn)物,該裂紋表面形貌為沿晶形貌。

表3 裂紋表面及內(nèi)壁化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

圖7 彈簧管裂紋斷面SEM形貌及EDS能譜

從表3可見,裂紋表面的晶界處及晶粒表面主要元素為Cu、O、Sn和少量Cl、Ti、汞元素,其中Cu、Sn和Ti為基體元素,O、Cl來源于天然氣中水蒸汽或沉積物,汞元素應(yīng)來源于管內(nèi)輸送的天然氣。

2) 裂紋附近內(nèi)壁SEM形貌及EDS能譜

對彈簧管裂紋附近內(nèi)壁的SEM形貌及EDS能譜進行分析,為了驗證管體開裂是否與彈簧管螺旋工藝有關(guān),對螺旋內(nèi)側(cè)和外側(cè)內(nèi)壁均進行了分析,分析部位如圖8所示。

圖8 彈簧管內(nèi)壁SEM觀察區(qū)域

表3是彈簧管裂紋表面及內(nèi)壁化學(xué)成分分析結(jié)果。彈簧管裂紋附近內(nèi)壁SEM形貌及EDS能譜分析結(jié)果如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可見,彈簧管裂紋附近內(nèi)壁附著零星腐蝕產(chǎn)物或沉積物,彈簧管螺旋內(nèi)側(cè)和外側(cè)均出現(xiàn)了多條裂紋,由滲透探傷結(jié)果可以推斷,內(nèi)壁這些裂紋均未貫穿彈簧管管壁。因而,螺旋工藝應(yīng)不是造成彈簧管開裂的主要原因。

圖9 彈簧管螺旋外側(cè)內(nèi)壁SEM形貌及EDS能譜

圖10 彈簧管螺旋內(nèi)側(cè)內(nèi)壁SEM形貌及EDS能譜

3 泄漏失效原因綜合分析

理化性能試驗結(jié)果表明,失效壓力表彈簧管的主要成分為Cu,含有少量的Sn,金相組織為α單相,屬于銅合金的紫銅。彈簧管開裂區(qū)可見明顯裂紋,裂紋沿軸向及沿晶擴展。

彈簧管裂紋附近內(nèi)壁SEM形貌及EDS能譜結(jié)果顯示,彈簧管螺旋內(nèi)側(cè)和外側(cè)均出現(xiàn)了多條裂紋,滲透探傷確定內(nèi)壁這些裂紋均未貫穿彈簧管管壁。根據(jù)彈簧管裂紋形貌,這些裂紋既不是表面折疊,也不是機械劃傷,因此這些裂紋不是產(chǎn)生于彈簧管螺旋的生產(chǎn)過程中。

由于該壓力表所在的氣井管線天然氣中組成含有0.308 2 mol%的CO2,沒有O2,因此發(fā)生銅的CO2腐蝕反應(yīng),銅原子會發(fā)生失去電子反應(yīng),氫離子得到電子而釋放出氫氣。但銅的電極電位高于氫的電極電位[6],所以上述反應(yīng)不可能發(fā)生,也就是說銅在不含氧的CO2環(huán)境中不會發(fā)生CO2腐蝕。

由于該彈簧管接觸的介質(zhì)含有243.00 μg/m3的汞,所以有可能產(chǎn)生汞腐蝕。根據(jù)裂紋表面及內(nèi)壁的元素能譜分析結(jié)果,彈簧管裂紋晶界處及部分晶粒表面主要元素為Cu、O和Sn,僅在裂紋晶面上發(fā)現(xiàn)少量的Hg元素,這說明該紫銅可能發(fā)生汞齊化但未發(fā)生汞齊腐蝕。

研究表明,液態(tài)汞或汞蒸氣對不同金屬或合金產(chǎn)生不同的腐蝕作用,一般腐蝕機理主要有3種:汞齊化、汞齊腐蝕和液態(tài)金屬脆化[7-8]。作為銅合金中的銅元素,與汞可以形成銅汞齊,進而在水或水蒸汽的條件下發(fā)生汞齊腐蝕,但汞齊腐蝕常溫情況不會發(fā)生,需要加熱到80 ℃以上才可發(fā)生汞齊腐蝕[9]。該彈簧管壓力表的溫度為61 ℃,所以紫銅在該氣井管線環(huán)境中不會發(fā)生汞齊腐蝕。

由于Hg對Cu的溶解度較高和有較強粘附作用,形成的銅汞齊會降低Cu的穩(wěn)定性[10],同時研究表明Hg對銅有致脆作用,其機理是Hg或其蒸氣在拉應(yīng)力造成的缺陷部位進入,通過物理或化學(xué)作用與原來的組織生成強度低的新相[11],這就是汞對銅的金屬液化脆化機制[12-13]。

因此該氣井壓力表紫銅彈簧管發(fā)生開裂失效的原因是由于在含有汞的天然氣中,汞與紫銅發(fā)生汞齊化以及金屬液化脆化作用,使紫銅彈簧管的強度大幅度下降,在管線內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生了裂紋,該裂紋在彈簧管的使用中逐漸擴展并穿透了其管壁,最后導(dǎo)致該彈簧管泄漏失效。彈簧管裂紋表面上少量的汞可能就是汞齊化和因汞滲入紫銅導(dǎo)致金屬液化脆化作用而遺留下來的,也可能是裂紋產(chǎn)生后天然氣中的汞滲入到裂紋表面。