酸壓工況對氫化丁腈橡膠O型圈的損傷評價

曹大勇 鐘 洋 曾德智 趙 鵬 付團輝

1. 川南航天能源科技有限公司, 四川 瀘州 646000;2. 西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 四川 成都 610500;3. 中國石油集團測井有限公司天津分公司, 天津 300280

0 前言

橡膠是典型的非線性材料,很小力的作用即可使其產生較大變形,適合制為密封件使用[1-3]。但另一方面,橡膠作為高分子材料,其物理性能易受外界環境因素影響,在高溫高壓高含酸的儲層酸化工況下服役時,極易發生性能下降,導致密封失效,威脅井場安全作業[4-5]。

目前,桂強、侯學勤、田帥承等已對橡膠密封制品在高溫高壓環境、高含CO2環境、酸性環境下的耐蝕性能進行了研究[6-10]。高溫高壓環境會加速橡膠的老化過程,加速其物理性能的下降;CO2具有較高的溶解性,在高壓環境下會在橡膠中大量溶解,破壞橡膠分子鏈結構,引起橡膠密封件鼓泡,甚至爆破;酸性環境可能導致密封失效,影響作業安全。而關于橡膠密封制品在酸液中腐蝕損傷的研究鮮見報道。

對此,本文以氫化丁腈橡膠為對象,采用高溫高壓釜模擬井場實際工況,對其在酸壓條件下的腐蝕損傷進行研究,為橡膠密封制品在該工況下的使用提供參考。

1 試驗方案

試驗采用氫化丁腈橡膠O型圈作為試樣。試驗共設置15件試樣,尺寸為Φ 47.2 mm×3.6 mm,實際尺寸在公差允許范圍內,試樣表面平整光滑。

按GB/T 5720-2008《O型橡膠密封圈試驗方法》制備物理性能測試用試樣，并按照以下步驟進行試驗。

1)將試樣分為三組,第一組用于初始狀態(即不進行腐蝕試驗)下的試驗測試;第二組用于自由狀態下的試驗測試;第三組用于承壓狀態下的試驗測試,每組各5件。依據GB/T 5720-2008《O型橡膠密封圈試驗方法》進行測試。

2)使用自主設計的密封組件[11]進行承壓狀態試驗,見圖1。以pH試紙為顯像劑,裝配時放入清潔干凈的裝置空腔內,在密封蓋的凹槽中裝配O型圈后,擰緊密封蓋(試樣安裝于密封蓋上,與密封本體裝配后,其壓縮率約為10%,由此實現試樣的承壓狀態。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,平行設置5具裝配HNBR O型圈的密封圈夾具以減小試驗誤差[12])。

3)將裝配好的密封圈夾具和用于自由狀態下試驗測試的試樣放入高溫高壓釜內指定位置,倒入預配好的溶液(現場使用的酸化壓裂液,其中,HCl含量為15%)。至完全淹沒試樣,形成液相環境,將釜密封,連續通入2 h的N2以除凈釜內O2,升溫至預定溫度后(120 ℃),通N2至70 MPa,待釜內參數穩定后關閉閥門。

4)試驗保持168 h后,降溫泄壓,取出試樣,觀察試樣形貌,測試試驗前后試樣物理性能。

圖1 密封圈夾具圖Fig.1 The sealing device

2 試驗結果

2.1 截面積變化率對比

測量腐蝕前后各試樣的截徑,計算出截面積變化率，見表1。腐蝕試驗前后各組試樣平均截面積變化率對比，見圖2(均以各組試樣試驗數據的算數平均值作為最終測試結果)。可以看出,兩種狀態下腐蝕后,O型圈截面積均發生了不同程度的增大,且為不可恢復的塑性變形,服役后不可重復使用。自由狀態下截面積增大程度大于承壓狀態,說明氫化丁腈橡膠O型圈在自由狀態下腐蝕相對更為嚴重[13-14]。

表1 腐蝕試驗前后O型圈截面積變化率表

圖2 腐蝕試驗前后O型圈平均截面積變化率對比圖Fig.2 Change rate comparison of O-type ring average cross-sectional area before and after the corrosion test

實際使用中,橡膠O型圈服役狀態一般均為承壓狀態,因此應以承壓狀態下的測試結果作為其應用時的主要參考依據[15-19]。

2.2 物理性能分析

2.2.1 拉伸性能和硬度分析

腐蝕試驗前后O型圈的拉伸性能變化見表2，硬度變化見表3，拉伸性能和硬度的測試結果見圖3～5[15-19]。可以看出,腐蝕試驗后,試樣拉伸強度、拉斷伸長率、硬度均下降。與自由狀態下試驗結果對比,承壓狀態下腐蝕后橡膠材料的三種性能下降程度均更小,說明其在承壓狀態下表現出更好的耐酸液腐蝕性能。

表2 腐蝕試驗前后O型圈拉伸性能變化表

表3 腐蝕試驗前后O型圈硬度變化數據表

圖3 腐蝕試驗前后O型圈平均拉伸強度對比圖Fig.3 Comparison of the average tensile strength of O-type ring before and after the corrosion test

圖4 腐蝕試驗前后O型圈平均拉斷伸長率對比圖Fig.4 Comparison of the average elongation at break of O-type ring before and after the corrosion test

圖5 腐蝕試驗前后O型圈平均硬度對比圖Fig.5 Comparison of the average hardness of O-type ring before and after the corrosion test

2.2.2 壓縮永久變形

腐蝕前后橡膠O型圈的壓縮永久變形見表4及圖6,兩種狀態下試驗后O型圈的壓變均增大。承壓狀態下增大程度略低于自由狀態下增大程度,但增幅仍達到50%左右,腐蝕程度嚴重。

表4 腐蝕試驗前后O型圈壓縮永久變形變化

圖6 腐蝕試驗前后O型圈平均壓縮永久變形對比圖Fig.6 Comparison of the average compression permanent deformation of O-type ring before and after the corrosion test

2.3 腐蝕后形貌變化及密封情況

氫化丁腈橡膠O型圈腐蝕試驗后的宏觀及顯微鏡下觀察(25倍)的形貌見圖7。從圖7可以看出,自由狀態下腐蝕后,O型圈發生了變形、鼓脹、表面破損的現象。而在承壓狀態下腐蝕后,O型圈同樣發生了變形和一定程度上的鼓脹現象,但表面保持光滑,無破損,腐蝕程度比自由狀態下的腐蝕程度較低。

密封裝置中的顯像劑變化情況見圖8。從圖8可以看出,密封裝置打開后,顯像劑(pH試紙)未變色,內部無液體,同時O型圈與密封蓋上的溝槽保持貼合,說明在試驗持續時間內,氫化丁腈橡膠O型圈密封性能保持良好,但考慮到其物理性能出現一定程度的下降,該工況下長時間服役時,存在腐蝕損傷導致密封失效的風險[20-21]。

圖7 橡膠圈自由狀態下腐蝕試驗后形貌圖Fig.7 Morphology of O-type ring under free state after corrosion test

a)密封裝置1#a)Sealing device 1#

b)密封裝置2#b)Sealing device 2#

3 結論

氫化丁腈橡膠O型圈在模擬高溫高壓酸液環境中服役后,截面積變大,拉伸強度和硬度下降,壓縮永久變形增大,試樣表面出現破損,服役后不可重復使用。

密封試驗結果表明,氫化丁腈橡膠O型圈在試驗周期范圍具有一定的密封性能,但因其物理性能下降,長期服役時存在密封失效的風險。

建議繼續進行其余性能更優異的橡膠材質在該酸壓工況下的腐蝕損傷研究,或對現有氫化丁腈橡膠的制造工藝進行優化研究。