某油田普通壓力表密封失效原因分析

胡繼林，劉　彥，李光輝，王　磊，姬丙寅，呂慶鋼，史交齊，史學(xué)芳，3

1.中國(guó)石化西北油田分公司物資供應(yīng)管理中心 （新疆 輪臺(tái) 841600）

2.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司 （陜西 西安 710075）

3.西安電子科技大學(xué) （陜西 西安 710071）

彈簧管式壓力表是以彈簧管為敏感元件的壓力測(cè)量?jī)x。彈簧管在壓力和真空的作用下，產(chǎn)生彈性形變，引起管端位移，其位移通過(guò)扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行放大，傳遞給指示裝置，顯示被測(cè)壓力[1-2]。油田采油樹(shù)上的油壓壓力表用來(lái)監(jiān)測(cè)油井中油管的壓力，給操作人員和技術(shù)人員提供重要的參數(shù)信息。某油田巡井人員在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)井場(chǎng)大面積污染，經(jīng)檢查確認(rèn)油污是由采油樹(shù)上型號(hào)為Y-100的壓力表密封失效導(dǎo)致，表內(nèi)全部是油污，表盤(pán)破裂。該壓力表失效形貌如圖1所示。油田后來(lái)又發(fā)生幾起壓力表失效事故均為同期購(gòu)入的型號(hào)Y-100壓力表，這給該油田安全生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)極大的損失。為找出該類(lèi)壓力表失效原因，避免此類(lèi)事故再次發(fā)生，對(duì)該起壓力表失效事故進(jìn)行了調(diào)查分析。通過(guò)對(duì)失效壓力表宏觀、微觀形貌的研究以及化學(xué)成分分析，闡明了該壓力表失效原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1　試驗(yàn)分析

1.1　宏觀形貌分析

該失效壓力表彈簧管完全脫落，分解彈簧管后看到彈簧管與封口塞連接端約1 cm段內(nèi)有油污，更深的部位沒(méi)有油污。用酒精清洗彈簧管與封口塞連接端部?？煽吹綇椈晒苌襄a焊面料填充不均勻。焊接處可目測(cè)到焊接氣孔缺陷，如圖2（a）所示。將與之對(duì)應(yīng)的封口塞焊接處用線切割對(duì)剖，觀測(cè)到焊錫鋪展面不均勻，有效連接區(qū)域不到連接面的50%，如圖2（b）所示。

圖1　失效形貌

1.2　微觀形貌與化學(xué)元素分析

對(duì)彈簧管的金相進(jìn)行分析，采用三氯化鐵鹽酸溶液腐蝕劑，利用型號(hào)為AX10的金相顯微鏡對(duì)彈簧管顯微組織進(jìn)行觀察，如圖3所示。

由圖3可以看出，彈簧管顯微組織為單相α黃銅，顯微組織未檢查到明顯夾雜。依據(jù)GB/T 6394—2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彈簧管晶粒度進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果為11級(jí)。

圖2　彈簧管焊接失效處宏觀形貌

圖3　彈簧管顯微組織照片

將該壓力表彈簧管脫落端在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行微觀形貌與元素分析，觀察到焊接區(qū)域焊料鋪展不均勻，彈簧管焊接部分靠近端面處有大片區(qū)域沒(méi)有焊錫，如圖4（a）和（b）所示。切取彈簧管焊接截面，觀察到彈簧管表面有部分虛焊段及焊接脫落段，如圖4（c）和（d）所示。焊接接頭存在裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，對(duì)接頭的靜力學(xué)性能的影響一般不明顯，但是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響卻十分顯著[3]。壓力表彈簧管在工作時(shí)受到波動(dòng)壓力的作用，焊接缺陷就會(huì)引發(fā)彈簧管的疲勞失效。

對(duì)焊接處進(jìn)行微區(qū)能譜分析，如圖5所示。其中彈簧管為純銅制造，焊料主要成分為Pb和Sn，有微量的Al、Co雜質(zhì)元素。雜質(zhì)元素明顯會(huì)影響焊料的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，加之封口塞的幾何外形容易有氣隙和裂紋，使焊接點(diǎn)的強(qiáng)度下降。

圖4　微觀形貌分析圖

2　綜合討論

分析上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接質(zhì)量差是引起此次壓力表失效事故的主要原因。該壓力表彈簧管與封口塞之間采用錫焊連接，即利用低熔點(diǎn)的錫焊料加熱溶化后，滲入并填充金屬件連接處間隙。良好的錫焊焊點(diǎn)應(yīng)該具有牢固的機(jī)械固定性，焊錫應(yīng)完全浸潤(rùn)，焊件的輪廓清楚，錫焊面光亮潤(rùn)澤。從彈簧管與封口塞的對(duì)剖面可以看出，有效的焊接連接面積不到50%，焊接處有目測(cè)可見(jiàn)的氣孔缺陷;從彈簧管與封口塞焊接處微觀形貌可以看出，焊接處錫焊面不均勻，渣而不實(shí)，錫焊面并未填充到整個(gè)區(qū)域；焊接點(diǎn)的EDS元素分布圖中可看出有微量的Al元素雜質(zhì)。錫焊質(zhì)量與焊接件表面潔凈程度、焊接溫度、焊接時(shí)間、焊接手法等多方面因素有關(guān)，焊接缺陷對(duì)彈簧管與封口塞焊接連接處的疲勞性能有很大的影響。另外，焊接后的冷卻過(guò)程中，焊縫金屬體積變化使得焊接連接處產(chǎn)生組織應(yīng)力，也會(huì)影響彈簧管的疲勞性能[4]。

彈簧管工作時(shí)處于懸臂狀態(tài)，受疲勞應(yīng)力作用，在持續(xù)工作過(guò)程中有可能導(dǎo)致彈簧管產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂[5]。彈簧管焊接位置屬于應(yīng)力集中部位，裂紋會(huì)優(yōu)先在該位置產(chǎn)生，加之該壓力表彈簧管焊接處存在缺陷，因此加速了失效。對(duì)有焊接缺陷的壓力表可以進(jìn)行補(bǔ)焊處理，以免再次發(fā)生失效事故。

圖5　焊接處EDS元素分析

3　結(jié)論和建議

1）造成壓力表密封失效事故的主要原因是彈簧管與封口塞、連桿焊接部位存在焊接質(zhì)量缺陷。

2）建議對(duì)該油田庫(kù)存以及正在使用的同型號(hào)壓力表仔細(xì)檢查，對(duì)有焊接缺陷的壓力表進(jìn)行補(bǔ)焊處理，以免再次發(fā)生失效事故。

3）建議壓力表制作過(guò)程中對(duì)焊接后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞測(cè)試試驗(yàn)，以保證壓力表滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]胡效東,姜 迪,李亞江.工業(yè)純鋯焊縫金相組織和力學(xué)性能[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,49(5):862-868.

[3]劉新靈,彭 凱,白明遠(yuǎn),等.電液伺服閥彈簧管失效分析[J].材料工程,2012(8):10-13.

[4]馬桂芝.彈簧管式一般壓力表的故障分析及維護(hù)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2014,11(15):51-52.

[5]劉艷超.彈簧式壓力表日常檢查及故障處理[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(1):126-127,130.