某油田普通压力表密封失效原因分析

2018-04-09胡继林李光辉姬丙寅吕庆钢史交齐史学芳

石油工业技术监督 2018年1期

胡继林，刘　彦，李光辉，王　磊，姬丙寅，吕庆钢，史交齐，史学芳，3

1.中国石化西北油田分公司物资供应管理中心（新疆轮台 841600）

2.西安三维应力工程技术有限公司（陕西西安 710075）

3.西安电子科技大学（陕西西安 710071）

弹簧管式压力表是以弹簧管为敏感元件的压力测量仪。弹簧管在压力和真空的作用下，产生弹性形变，引起管端位移，其位移通过扇形齿轮传动机构进行放大，传递给指示装置，显示被测压力[1-2]。油田采油树上的油压压力表用来监测油井中油管的压力，给操作人员和技术人员提供重要的参数信息。某油田巡井人员在巡检时发现井场大面积污染，经检查确认油污是由采油树上型号为Y-100的压力表密封失效导致，表内全部是油污，表盘破裂。该压力表失效形貌如图1所示。油田后来又发生几起压力表失效事故均为同期购入的型号Y-100压力表，这给该油田安全生产活动带来极大的损失。为找出该类压力表失效原因，避免此类事故再次发生，对该起压力表失效事故进行了调查分析。通过对失效压力表宏观、微观形貌的研究以及化学成分分析，阐明了该压力表失效原因，提出了相应的预防措施。

1　试验分析

1.1　宏观形貌分析

该失效压力表弹簧管完全脱落，分解弹簧管后看到弹簧管与封口塞连接端约1 cm段内有油污，更深的部位没有油污。用酒精清洗弹簧管与封口塞连接端部。可看到弹簧管上锡焊面料填充不均匀。焊接处可目测到焊接气孔缺陷，如图2（a）所示。将与之对应的封口塞焊接处用线切割对剖，观测到焊锡铺展面不均匀，有效连接区域不到连接面的50%，如图2（b）所示。

图1　失效形貌

1.2　微观形貌与化学元素分析

对弹簧管的金相进行分析，采用三氯化铁盐酸溶液腐蚀剂，利用型号为AX10的金相显微镜对弹簧管显微组织进行观察，如图3所示。

由图3可以看出，弹簧管显微组织为单相α黄铜，显微组织未检查到明显夹杂。依据GB/T 6394—2002标准对弹簧管晶粒度进行评定，结果为11级。

图2　弹簧管焊接失效处宏观形貌

图3　弹簧管显微组织照片

将该压力表弹簧管脱落端在扫描电子显微镜下进行微观形貌与元素分析，观察到焊接区域焊料铺展不均匀，弹簧管焊接部分靠近端面处有大片区域没有焊锡，如图4（a）和（b）所示。切取弹簧管焊接截面，观察到弹簧管表面有部分虚焊段及焊接脱落段，如图4（c）和（d）所示。焊接接头存在裂纹、夹渣、气孔等缺陷，对接头的静力学性能的影响一般不明显，但是对焊接结构的疲劳性能影响却十分显著[3]。压力表弹簧管在工作时受到波动压力的作用，焊接缺陷就会引发弹簧管的疲劳失效。

对焊接处进行微区能谱分析，如图5所示。其中弹簧管为纯铜制造，焊料主要成分为Pb和Sn，有微量的Al、Co杂质元素。杂质元素明显会影响焊料的润湿性和流动性，加之封口塞的几何外形容易有气隙和裂纹，使焊接点的强度下降。

图4　微观形貌分析图

2　综合讨论

分析上述试验结果可以看出，焊接质量差是引起此次压力表失效事故的主要原因。该压力表弹簧管与封口塞之间采用锡焊连接，即利用低熔点的锡焊料加热溶化后，渗入并填充金属件连接处间隙。良好的锡焊焊点应该具有牢固的机械固定性，焊锡应完全浸润，焊件的轮廓清楚，锡焊面光亮润泽。从弹簧管与封口塞的对剖面可以看出，有效的焊接连接面积不到50%，焊接处有目测可见的气孔缺陷;从弹簧管与封口塞焊接处微观形貌可以看出，焊接处锡焊面不均匀，渣而不实，锡焊面并未填充到整个区域；焊接点的EDS元素分布图中可看出有微量的Al元素杂质。锡焊质量与焊接件表面洁净程度、焊接温度、焊接时间、焊接手法等多方面因素有关，焊接缺陷对弹簧管与封口塞焊接连接处的疲劳性能有很大的影响。另外，焊接后的冷却过程中，焊缝金属体积变化使得焊接连接处产生组织应力，也会影响弹簧管的疲劳性能[4]。

弹簧管工作时处于悬臂状态，受疲劳应力作用，在持续工作过程中有可能导致弹簧管产生疲劳开裂[5]。弹簧管焊接位置属于应力集中部位，裂纹会优先在该位置产生，加之该压力表弹簧管焊接处存在缺陷，因此加速了失效。对有焊接缺陷的压力表可以进行补焊处理，以免再次发生失效事故。