承壓狀態下氟橡膠O型密封圈耐酸性介質腐蝕性能

曾德智，李 壇，雷正義，重興成，張 智，施太和

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油吉林油田公司，松原 138000；3.中國航天科技集團公司川南機械廠，瀘州 646000）

0 引 言

橡膠密封制品廣泛應用于油氣田中，O型密封圈是最常見的一種，主要用于液壓與氣壓傳動系統中的靜密封和往復運動密封［1］。在油氣田作業中，橡膠密封制品的密封性能和使用壽命與油氣田的作業環境（溫度、壓力、化學流體）密切相關［2－4］。隨著油氣開采的不斷深入，作業環境也愈發惡劣，這就對橡膠密封制品的性能和質量提出了更高的要求。

氟橡膠是橡膠密封制品最常用的材料之一，主要應用于高溫環境中［5］。在高溫高壓及含腐蝕性流體的油氣井環境中作業時，密封制品常會因性能下降引起密封失效，使得密封制品與鉆采設備之間的接觸應力被釋放，腐蝕介質泄漏，竄入油套環空，形成井筒環空帶壓，影響生產安全［6－9］。目前，對于橡膠O型密封圈的性能研究僅限于自由狀態，而在實際工況下的O型密封圈通常處于壓應力狀態（簡稱承壓狀態），且現今大部分測試是在原始狀態下開展的［10－14］。因此，研究承壓狀態下O型密封圈在高溫、高壓腐蝕環境中的腐蝕損傷行為及可靠性具有重要意義，但目前有關此方面的研究報道并不多。

為此，作者對自由狀態及承壓狀態下三種氟橡膠O型密封圈在高溫、高壓、高含酸性介質環境中腐蝕前后的性能進行了研究，為氟橡膠密封制品在油氣田井筒密封件中的應用提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗采用氟碳橡膠、氟硅橡膠（國內生產）和V0709-90氟硅橡膠（國外生產）三種材料的O型密封圈作為試樣，每種材料各30件平行樣，設計尺寸為φ47.2mm×3.6mm，實際尺寸均在公差允許范圍內，試樣表面平整光滑。

按照以下步驟進行腐蝕試驗。

（1）將每種氟橡膠O型圈試樣都分成5組，每組6個，分別按表1所示方案進行腐蝕試驗。其中，第1組用于初始狀態（即不進行腐蝕試驗）下的測試，其余4組分別用于模擬在四種不同環境中服役后的測試。

表1 氟橡膠O型密封圈在酸性介質中腐蝕試驗的方案Tab.1 Acid medium corrosion test scheme of fluorine rubber O-rings

（2）承壓狀態腐蝕試驗采用自主設計的密封組件，如圖1所示。裝配時，先將橡膠密封件裝配在密封蓋上的U型凹槽內，在密封本體內放入顯像劑（通過顯像劑在腐蝕試驗前后的變化可以幫助判斷橡膠密封件密封性能的優劣），然后用扳手借沉孔旋轉加力，將密封蓋通過螺紋與密封本體連接組裝完成密封組件。各部件均按照設計尺寸在公差允許范圍內精密制造以確保檢驗裝置的密封性。

圖1 承壓狀態試驗密封組件Fig.1 Seal assembly for test on load

橡膠密封件安裝在密封蓋上，與密封本體裝配后，其壓縮率約為10%，由此實現橡膠密封件的承壓狀態。通過密封蓋與密封本體的間隙大小控制橡膠密封件承壓應力的大小。試驗采用公差配合同等水平的密封組件，使得各橡膠密封件的承壓應力大致相近，同時，采取設置6個平行試樣以減小試驗誤差。

（3）將自由狀態試樣和密封組件置于高溫高壓釜內的指定位置，并倒入配置好的模擬地層水至要求的氣液相界面，將釜密封，即為液相環境。模擬地層水水型NaHCO3，成分如表2所示。

表2 模擬地層水的主要離子成分Tab.2 The main ion components in simulated formation water

圖2 腐蝕試驗裝置Fig.2 Corrosion test device

（4）向釜內通入N2除氧、試壓，然后對釜體升溫，待溫度到達175℃，依次通入體積分數為20%H2S、5%CO2、75%CH4氣體，壓力為60MPa的，待釜內參數穩定后關閉閥門，即為氣相環境。

（5）試驗保持168h后，降溫泄壓，開啟高壓釜釜蓋，取出試樣。在釜內溫度、壓力、介質等條件的作用下服役一定周期后，通過試樣性能的損傷程度即可判斷其耐腐蝕性能的好壞。打開密封組件的密封蓋，取下橡膠O型圈，觀察顯像劑的變化，判斷各密封組件的密封效果。觀察各組試樣的形貌，測試各個試樣的幾何尺寸和力學性能。

橡膠O型圈的拉伸性能參照GB/T 5720－2008《O型橡膠密封圈試驗方法》在JWL-2500N型電子拉力試驗機上進行；硬度測定采用LX-A型橡膠硬度計。其中拉伸性能、硬度結果均為3個試樣的平均值。將初始狀態和腐蝕后的測試數據進行對比分析，后4組試樣試驗后幾何尺寸和力學性能的變化分析均以第1組初始狀態下的測試數據作為參照。

按照GB/T 2941－2006《橡膠物理試驗方法試樣制備和調節通用程序》測量腐蝕前后各O型圈試樣的截面直徑d2和體積V，然后計算不同環境中各組試樣的平均截面直徑和平均體積，進而計算截面積變化率和體積變化率。單個O型圈的截面直徑采用其三個不同位置測試結果的平均值。腐蝕前后O型圈的截面均假定為理想圓形截面，則其截面積A；截面積變化率ΔA；體積變化率ΔV，計算如下。

2 試驗結果與討論

2.1 幾何尺寸

由圖3，4可見，腐蝕試驗后，三種氟橡膠O型圈的截面積和體積在各種環境中均有不同程度的變化；無論是自由狀態下還是承壓狀態下，O型圈的截面積和體積在氣相環境中的變化率都比在液相環境中的大。

圖3 腐蝕試驗后不同O型密封圈的截面積變化率Fig.3 Sectional area changes of O-rings after corrosion test

O型密封圈幾何尺寸的變化是橡膠在腐蝕環境中發生溶脹、溶解或塑性變形等多種原因共同造成的，其原因較為復雜。因此，不建議將幾何尺寸作為橡膠密封件腐蝕損傷的主要參考指標。但是，O型密封圈的幾何尺寸和其密封性能有密切關系，幾何尺寸發生變化將會影響其密封性能。經高溫、高壓腐蝕后O型密封圈的幾何尺寸產生了變化，不能恢復至初始狀態，三種氟橡膠O型密封圈在該腐蝕環境下服役后均不能重復使用。

圖4 腐蝕試驗后不同O型密封圈的體積變化率Fig.4 Volume changes of O-rings after corrosion test

2.2 力學性能

2.2.1 拉伸性能

由圖5，6可見，三種氟橡膠O型密封圈腐蝕后，其拉伸性能均有不同程度的下降；在同相態環境中，承壓狀態下的O型密封圈的拉伸強度和拉斷伸長率比自由狀態下的高，說明O型密封圈在承壓狀態下的腐蝕程度比在自由狀態下的輕。此外，在自由狀態下，O型密封圈在液相環境中的拉伸強度和拉斷伸長率比在氣相環境中的低，說明在自由狀態下，O型密封圈在液相環境中的腐蝕程度比在氣相環境中嚴重，而承壓狀態下的則相反。

圖5 腐蝕前后不同O型密封圈的拉伸強度Fig.5 Tensile strengths of O-rings before and after corrosion

圖6 腐蝕前后不同O型密封圈的拉斷伸長率Fig.6 Elongations at break of O-rings before and after corrosion

2.2.2 硬 度

由圖7可見，腐蝕試驗后，三種氟橡膠O型密封圈的硬度在各種環境中均有不同程度的減小；相同相態環境中，氟橡膠O型密封圈在承壓狀態下的硬度均比在自由狀態下的大，說明O型密封圈在承壓狀態下的腐蝕程度比在自由狀態下的輕。此外，在自由狀態或承壓狀態下，O型圈在兩相環境中的硬度差異與拉伸性能的差異趨勢相近，但幅度不大。

圖7 腐蝕前后不同氟橡膠O型密封圈的硬度Fig.7 Hardness of O-rings before and after corrosion

2.3 腐蝕形貌

2.3.1 氟橡膠O型密封圈

試驗后各組內平行試樣的腐蝕形貌相近。由圖8可見，在自由狀態氣相環境中，O型密封圈膨脹并發生了嚴重的塑性變形；在自由狀態液相環境中，O型密封圈的形貌變化較大，不僅發生了嚴重的塑性變形，而且還出現了鼓泡和溶脹；在承壓狀態氣相環境中，O型密封圈發生了斷裂現象；在承壓狀態液相環境中，O型密封圈無明顯變化；此外，所有O型密封圈還有軟化、發粘等現象。

對比發現，在承壓狀態下，O型密封圈在氣相環境中腐蝕后的損傷比在液相環境中的大；在自由狀態下，O型密封圈在氣相環境中腐蝕后的損傷比在液相環境中的稍小；O型圈在自由狀態下腐蝕后的損傷比在承壓狀態下大。以上現象和O型圈的力學性能測試結果相符。

圖8 V0709-90氟硅橡膠O型密封圈腐蝕后的形貌Fig.8 Morphology of V0709-90fluoro-silicone rubber O-rings after corrosion

在自由狀態和承壓狀態下，三種氟橡膠O型密封圈腐蝕后幾何參數和力學性能的試驗結果均存在一定差異，而實際工況下橡膠密封件通常處于承壓狀態。因此，對橡膠密封件進行腐蝕測試及對材料的適用性進行評估時建議以承壓狀態下的測試結果為主要參考。

2.3.2 密封組件

從圖9（a）可見，旋開密封組件的密封蓋時，部分O型密封圈會變形鼓出，同時還會聽到氣體噴出的聲音。這是因為，在高溫、高壓環境中，氣體在橡膠中溶解擴散，進入密封本體的密封腔內。當密封蓋打開時，滲透到橡膠密封件內部的氣體壓力、密封腔內的氣體壓力和外界大氣壓產生了較大壓差，在此壓差作用下，氣體快速逸出；同時，溶解在橡膠內的氣體從橡膠中爆出的過程易使橡膠密封件鼓脹變形、起泡，甚至開裂。

從圖9（b）可見，密封蓋打開后，一部分O型密封圈外徑漲大，脫離密封蓋的U型凹槽。檢查密封組件密封本體，發現里面有液滴存在，顯像劑也發生了變化，說明密封件出現滲漏，密封失效。

3 結 論

（1）氟橡膠O型密封圈在高溫、高壓、高酸性介質環境中腐蝕后，拉伸強度和拉斷伸長率降低，硬度減小，幾何尺寸發生變化；因O型密封圈幾何尺寸變化的原因復雜，不建議將其作為橡膠密封件腐蝕評價的主要性能指標，拉伸、硬度等力學性能參數可作為腐蝕損傷的參考指標。

（2）氟橡膠O型密封圈在承壓狀態下的腐蝕程度比自由狀態下的輕；在承壓狀態下，液相腐蝕比氣相腐蝕輕，而自由狀態下的則相反；應以承壓狀態下的腐蝕測試結果為依據進行密封件可靠性及材料適用性的評估。

（3）在苛刻服役環境中，氟橡膠O型密封圈腐蝕后會出現軟化、發粘、變形、鼓脹、發泡、開裂等損傷形式，從而引起密封失效，影響密封性能。

圖9 腐蝕試驗后的密封組件Fig.9 Seal assembly after corrosion test：（a）opening and（b）opened

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