橡膠O型圈耐CO₂腐蝕測(cè)試及適用性研究

王明春

摘要：將橡膠O型圈應(yīng)用到富含CO2油氣田作業(yè)中對(duì)油氣田的安全生產(chǎn)有著十分積極作用。據(jù)調(diào)查顯示，雖然以往橡膠O型圈研究較為自由，但實(shí)際應(yīng)用卻常常處于壓力狀態(tài)下。對(duì)此需積極設(shè)計(jì)出一種不受壓力約束的橡膠密封性能較強(qiáng)且耐腐蝕裝置，在相對(duì)環(huán)境下開(kāi)展橡膠材料耐腐蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)形狀外貌和使用性能的綜合比較做出合理性評(píng)價(jià)。本文主要對(duì)橡膠O型圈耐CO2腐蝕測(cè)試和適用性分析進(jìn)行深入交流探索。

關(guān)鍵詞：橡膠O型圈；CO2腐蝕測(cè)試；適用性

基于橡膠產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展背景下，越來(lái)越多類型橡膠材料是層出不窮，逐漸在石油開(kāi)采工程中取得廣泛使用。一般可將橡膠材料劃分到非線性領(lǐng)域內(nèi)，只要受到較小壓力影響便會(huì)出現(xiàn)變形情況，其中O型圈作為一種最常見(jiàn)密封件，具有適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前我國(guó)使用的橡膠制品大多是丁腈橡膠和氟橡膠，但若是處于腐蝕環(huán)境下則容易出現(xiàn)密封件失效問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)腐蝕滲透現(xiàn)象。對(duì)此需對(duì)橡膠O型圈在高溫環(huán)境下的應(yīng)用狀態(tài)深入分析，根據(jù)橡膠密封件在自由狀態(tài)下的性能測(cè)試總結(jié)得出橡膠O型圈的適用性特征。

一、橡膠O型圈耐CO2腐蝕測(cè)試的必要性

對(duì)于現(xiàn)階段的油田開(kāi)采來(lái)說(shuō)，多數(shù)油氣井中均含有濃度較高的CO2氣體，在溫度和壓力均超出標(biāo)準(zhǔn)限定時(shí)就會(huì)形成臨界CO2氣體，致使密封件出現(xiàn)氣泡、溶脹等腐蝕現(xiàn)象，油田開(kāi)采工作將無(wú)法正常推進(jìn)。在此需不斷創(chuàng)新研發(fā)耐CO2腐蝕的橡膠材料，便于為油氣田開(kāi)采提供滿足CO2要求的橡膠密封制品，具體可將創(chuàng)新內(nèi)容分為兩項(xiàng)：第一，借助防老體系、補(bǔ)強(qiáng)體系及生膠體系等進(jìn)行配合設(shè)計(jì)，并通過(guò)CO2試驗(yàn)操作做好分析工作，最終得到相對(duì)完善CO2橡膠配方；第二，工作人員需將研發(fā)成功的橡膠密封制品放入到CO2井中開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試。同時(shí)創(chuàng)新研發(fā)的耐CO2橡膠性能還要滿足以下指標(biāo)：伸長(zhǎng)率大于等于100%；體積膨脹率小于等于50%；抗拉強(qiáng)度大約等于12MPa等，并且僅僅適用于CO2濃度在35%以下的油氣井。除此之外，橡膠配方中可適當(dāng)添加短切纖維、納米材料等，進(jìn)一步提高耐CO2物理性能水平。

二、橡膠O型圈耐CO2腐蝕測(cè)試操作

（一）實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)使用到的試件主要有氟硅橡膠、氟碳橡膠、氫化丁腈橡膠及四丙氟橡膠等，每種材料均為45件，且尺寸為Φ47.2mm×3.6mm，表面較為平整光滑。

（二）實(shí)驗(yàn)方案

需對(duì)上述提出的幾種橡膠材料分別進(jìn)行耐CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)操作，將各種橡膠材料的O型圈均分成五組結(jié)構(gòu)，其中第一組暴露在空氣中，而剩余四組則在不同環(huán)境下進(jìn)行物理性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試。首先對(duì)第一組橡膠材料進(jìn)行硬度、壓縮性及抗拉伸性能測(cè)試工作，隨后對(duì)其他四組進(jìn)行物理性能測(cè)試觀察，仔細(xì)觀察前后變化。最后還要最開(kāi)始的形狀外貌和物理性能與腐蝕后的形狀外貌、物理性能展開(kāi)比較，從而做出適用性評(píng)價(jià)分析。

（三）實(shí)驗(yàn)裝置

為確保得到較為準(zhǔn)確的橡膠材料密封件耐腐蝕程度，相關(guān)工作人員自行設(shè)計(jì)了夾具裝置。使用過(guò)程如下：首先將橡膠密封件安放在密封蓋的U槽內(nèi)，將密封體放置在顯像劑下，隨后根據(jù)扳手適當(dāng)旋轉(zhuǎn)加力，使密封蓋能夠借助螺紋連接完成密封組件工作。并且此期間涉及到的所有部件均應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行，借此提高實(shí)驗(yàn)裝置密封性能。

（四）實(shí)驗(yàn)步驟

具體可就以下幾點(diǎn)展開(kāi)詳細(xì)介紹：第一，選取某種類型橡膠O型圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案要求將其分組，仔細(xì)觀察原來(lái)形貌并做好物理性能檢測(cè)工作；第二，順利完成耐腐蝕狀態(tài)下的橡膠密封組件裝配工作；第三，將各組實(shí)驗(yàn)樣本分別放置到明確位置，并向其中倒入適量溶液隨后將其密封；第四，實(shí)驗(yàn)全過(guò)程控制在165小時(shí)內(nèi)，需在溫度降低后取出實(shí)驗(yàn)樣本；第五，打開(kāi)密封組件的密封蓋，從中取出橡膠O型圈，認(rèn)真觀察顯像劑變化情況，從而明確密封組件的實(shí)際密封成效；第六，觀察各組橡膠O型圈形貌和物理性能，進(jìn)行腐蝕前后的對(duì)比分析。

三、橡膠O型圈耐CO2腐蝕測(cè)試適用性分析

（一）物理性能

據(jù)調(diào)查了解到，氫化丁腈橡膠O型圈材料的抗拉伸性能要明顯比其他三種材料要好。根據(jù)耐CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同環(huán)境下四種橡膠O型圈抗拉伸性能都發(fā)生了一定程度變化，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自由狀態(tài)下的抗拉伸強(qiáng)度，這代表著壓力作用下O型圈的腐蝕程度要明顯弱于自由狀態(tài)下。同時(shí)自由狀態(tài)下液體環(huán)境下的O型圈抗拉伸性能要低于氣體環(huán)境下的抗拉伸能力，這表示液體腐蝕程度超出氣體腐蝕程度。除此之外，空氣環(huán)境下氫化丁腈橡膠材料和四丙氟橡膠材料適用性也要超出其他兩種，腐蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)四種O型圈在不同環(huán)境下都出現(xiàn)了降低情況，并且自由環(huán)境下O型圈伸長(zhǎng)率下降率要超出壓力環(huán)境下，這代表O型圈在自由狀態(tài)下的腐蝕程度超出壓力狀態(tài)下。總體來(lái)說(shuō)，四種橡膠O型圈在進(jìn)行腐蝕測(cè)試后拉伸性能都會(huì)下降，其中氫化丁腈橡膠O型圈拉伸性能最強(qiáng)。

（二）形貌和失效機(jī)理

通過(guò)耐CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)還可以了解到，腐蝕前后的氟硅橡膠O型圈形貌發(fā)生了一定變化，如變形、膨脹、氣泡等，并且還伴隨著發(fā)粘、軟化等現(xiàn)象，需仔細(xì)檢查密封組件，一旦發(fā)現(xiàn)存在液滴，顯像劑也會(huì)出現(xiàn)變化，這代表著密封組件出現(xiàn)滲漏隱患，密封成效完全失去意義。同時(shí)耐腐蝕實(shí)驗(yàn)后存在的O型圈變形、軟化及裂紋等情況還說(shuō)明橡膠老化，即為橡膠分子鏈發(fā)生降解反應(yīng)，致使橡膠物理性能大幅度下降。而導(dǎo)致橡膠老化的影響因素包括眾多，如溫度因素，在相對(duì)較高溫度下橡膠容易出現(xiàn)熱裂解現(xiàn)象，甚至?xí)铀傧鹉z的分解。腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還可對(duì)液體環(huán)境下的橡膠O型圈膨脹現(xiàn)象觀察，在O型圈融入到溶液中后，溶液會(huì)與其中包含的硫化橡膠接觸，致使溶液分子會(huì)吸收到橡膠內(nèi)部致使體積迅速擴(kuò)大。或者橡膠材料的網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)會(huì)向三維空間拓展，因過(guò)度變形造成較大彈性損失，這時(shí)橡膠回彈性也會(huì)大幅度下降，對(duì)密封性能提升非常不利。除此之外，橡膠O型圈發(fā)泡出現(xiàn)頻率也是較高，導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因在于高壓環(huán)境下，碳?xì)浠衔锖虲O2等物質(zhì)在橡膠材料中的溶解程度明顯低于正常壓力下。如果壓力迅速下降，那么溶解氣體也會(huì)從橡膠材料中快速流出，致使橡膠密封件出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象，密封性能降低。總而言之，容易致使橡膠密封件失效的幾項(xiàng)因素分別是壓力、介質(zhì)及溫度等，需隨時(shí)關(guān)注橡膠密封件的使用情況，盡可能選擇較恰當(dāng)橡膠材料，提出可行性預(yù)防改進(jìn)措施，避免因受橡膠密封件失效影響造成較大損失。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，處于相對(duì)高溫高壓環(huán)境下橡膠O型圈的物理性能會(huì)大幅度下降，并且抗拉伸能力和伸長(zhǎng)率也會(huì)降低，容易使橡膠材料出現(xiàn)變形等隱患問(wèn)題。同時(shí)壓力作用下橡膠O型圈的腐蝕程度也要低于自由狀態(tài)下，而同樣情況下的液體腐蝕也弱于氣體腐蝕，致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在著一定差距，在此需將壓力狀態(tài)下的分析結(jié)果看作是主要參考依據(jù)，盡可能選擇較恰當(dāng)橡膠材料，避免出現(xiàn)變形、膨脹、發(fā)泡、軟化等不利現(xiàn)象，切實(shí)提高橡膠O型圈耐CO2腐蝕性能和適用性，便于為油氣田開(kāi)采提供便利性幫助。

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