馮穎亮， 周 琴,2， 秦 坤,2， 汪 偉

(1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京 100083； 2.國土資源部深部地質鉆探技術重點實驗室，北京 100083； 3.中國地質科學院，北京 100037)

1 概述

在井下旋轉動密封件會受到高溫、泥漿等的影響，導致密封件壽命降低。隨著國內鉆井技術的發(fā)展，國內鉆井的深度從1000～7000 m不等[1-3]。深井中的溫度會嚴重影響密封件的密封性能，而且鉆井液、巖屑等中的顆粒會進入密封界面，當密封界面旋轉時，顆粒充當磨粒形成三體摩擦，對密封界面產生嚴重的破壞，降低密封性能。氟橡膠是一種在分子上碳原子與氟原子鏈接合成的高分子彈性體[4]，氟橡膠圈有著良好的耐高溫、高壓、抗腐蝕能力，并且廣泛應用在井下密封[5]。

研究磨粒對于橡膠密封件的影響有十分重要的作用，因此大量學者進行了磨粒對橡膠性能影響的分析[6-11]。沈明學等[7]采用球盤試驗裝置研究了丁腈橡膠(NBR)對316L不銹鋼的摩擦磨損性能，主要評估了Al2O3顆粒尺寸和法向載荷對摩擦學行為的影響，得出顆粒的存在對摩擦系數(shù)有著影響。G.B. Stachowiak等[11]研究了不同銳度的顆粒存在時密封界面的三體摩擦磨損，研究結果表明，球的表面粗糙度影響金屬的磨損率和磨損機制，并且顆粒的銳度對球的表面粗糙度有影響。

在井下環(huán)境中，密封件不僅受到磨粒影響，也會受到溫度的影響，降低橡膠圈密封力學性能，從而使密封失效，因此研究溫度對氟橡膠性能的變化也有重要意義[12-21]。C.L. Dong等[12]研究得出高溫處理后氟橡膠圈的拉伸強度和撕裂強度都會比未高溫處理的橡膠降低，同時其耐磨性變差。T. Rey等[13]研究了溫度對硅橡膠的力學性能的影響，結果顯示硅橡膠的穩(wěn)定行為取決于溫度的準線性。Mostafa A等[15]研究發(fā)現(xiàn)時效溫度對改變橡膠力學性能起著重要作用。因此溫度對于橡膠的力學性能有著重要的影響。

由于井下的橡膠圈，不僅受到高溫的影響，還會受到磨粒的影響，因此將橡膠用高溫處理并在磨粒條件下進行摩擦磨損實驗有著重要的研究意義。本文進行了在磨粒環(huán)境下不同溫度處理的氟橡膠圈與304不銹鋼的摩擦磨損實驗。分析了摩擦系數(shù)隨橡膠加熱溫度的變化趨勢、橡膠表面的磨損形貌變化、304不銹鋼表面的磨損以及摩擦磨損機理。本文所做實驗雖然未完全模擬井下的環(huán)境，但旨在為井下密封件的失效機理研究提供理論依據(jù)和實驗基礎。

2 實驗部分

2.1 磨損試驗臺

采用MMW-1微機控制立式萬能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損實驗，試驗機示意如圖1所示。圖1的上試樣是304不銹鋼，下試樣是氟橡膠圈。該設備的工作形式是，試驗機底部的工作臺施加載荷Fn來達到密封效果，上部件旋轉，實現(xiàn)試驗機的摩擦磨損。

圖1 摩擦磨損試驗機示意圖

2.2 實驗材料及制備

2.2.1 上試樣制備

氟橡膠/304不銹鋼的摩擦磨損實驗能夠表明流體密封的密封形式[22]。上式樣304不銹鋼的尺寸直徑為55 mm，厚度為8 mm。用拋光機對上試樣304不銹鋼表面進行拋光處理，拋光后表面粗糙度Ra為0.05～0.08 mm，其物理性能為：屈服強度≥205 N/mm2，硬度≤200 HV，密度7.93 g/cm3。

2.2.2 下試樣制備

用超聲波清洗儀清洗氟橡膠圈10 min，去除表面雜質，將清洗后的氟橡膠(圖2)放入箱式電阻爐中(圖3)進行高溫加熱處理，加熱時間為5 h，加熱溫度分別為100、150和200 ℃。當達到加熱時間后，自然冷卻至室溫。其中氟橡膠圈的直徑是40 mm，截面直徑為3.55 mm，如圖3所示。

圖2 氟橡膠典型圖形

圖3 箱式電阻爐裝置

2.3 測試條件

將上試樣304不銹鋼與上試樣夾具固定，并與MMW-1摩擦磨損試驗機的上部件連接，將氟橡膠圈3安裝在下試樣夾具上，將SiO2磨粒均勻的灑在橡膠上，磨粒的粒度為250 μm，幾何形狀如圖4所示，將下試樣夾具安裝在試驗機的下部件，根據(jù)不同類型的密封采用不同的壓縮率，而回轉式的密封結構壓縮率在5%～10%之間[23]，因此選取壓縮率為8%，對應施加的法向載荷Fn=180 N，施加的轉速為200 r/min模擬井下的鉆桿轉速。實驗時間為2 h，整個實驗過程在室溫下進行。采用金相顯微鏡(OLYMPUS BX51M 顯微鏡)來觀察橡膠與金屬表面的磨損形貌。

圖4 實驗用SiO2顆粒典型形貌

3 結果與討論

3.1 不同溫度的摩擦系數(shù)分析

摩擦系數(shù)曲線能夠很好地體現(xiàn)出橡膠與金屬摩擦磨損的變化規(guī)律。本節(jié)重點分析了加熱溫度100、150和200 ℃與未加熱處理的橡膠圈摩擦系數(shù)與摩擦時間的關系。

圖5中顯示了未加熱處理時氟橡膠的摩擦系數(shù)，在實驗初期摩擦系數(shù)達到一個峰值點，隨后摩擦系數(shù)開始平穩(wěn)緩慢地下降，在3000 s時摩擦系數(shù)快速降至約0.19，并在隨后緩慢上升至約0.2，而在4000～5000 s期間摩擦系數(shù)有較大的波動，并在5000 s時穩(wěn)定在0.2左右。認為摩擦系數(shù)產生二次波動的原因可能是在磨損初期破裂的磨粒，在載荷的作用下發(fā)生二次破裂，使摩擦系數(shù)開始產生波動。觀察到100 ℃條件的摩擦系數(shù)曲線與未加熱處理的摩擦系數(shù)曲線十分相似，但處理溫度為100 ℃時試驗中期并沒有較大波動。在加熱溫度較高(150 ℃，200 ℃)時，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的峰值，只是有較高的過渡值，但200 ℃時摩擦系數(shù)穩(wěn)定的時間比150 ℃時摩擦系數(shù)穩(wěn)定的時間提前近1000s。觀察4組摩擦系數(shù)曲線得出，曲線的變化形式為先上升后緩慢下降，最終保持平穩(wěn)，摩擦系數(shù)最終穩(wěn)定在0.2左右。

圖5 摩擦系數(shù)與時間的關系

由圖5還可以看出，未加熱處理和100 ℃處理的摩擦系數(shù)曲線都有一個較高的峰值。磨粒在摩擦初期會在載荷的作用下，摩擦系數(shù)會從一個較高值突然下降。磨粒在摩擦界面中受到摩擦力和載荷的作用開始破裂，破裂后的磨粒在摩擦界面中對橡膠和304不銹鋼表面磨損。磨粒破裂后對摩擦界面的影響降低，使摩擦系數(shù)到達最高值后開始下降。因此摩擦系數(shù)在試驗初期會有一個較高值，并在較短時間下降。

與未加熱和加熱100 ℃處理的摩擦系數(shù)曲線比，高溫加熱150和200 ℃處理的摩擦系數(shù)曲線并沒有一個較高的峰值，而是較高的過渡值。這是因為溫度影響橡膠的力學性能，用高溫處理橡膠時，當溫度超過某一溫度后橡膠的力學性能將發(fā)生較大改變。即當加熱溫度超過某一值時，氟橡膠之間的分子鍵發(fā)生改變，降低了氟橡膠的硬度，使得磨粒能夠更好地嵌入橡膠內，從而降低了摩擦系數(shù)。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著加熱溫度升高，摩擦系數(shù)曲線的波動情況越來越平緩，而且隨著加熱溫度的升高，摩擦系數(shù)平衡所需要的時間會越來越少，主要由于加熱溫度高，氟橡膠的硬度降低大，硬度降低使橡膠表面變軟，硬度降低越多橡膠軟化的越嚴重。橡膠圈表面的硬度降低后，磨粒容易嵌入，從而減少摩擦系數(shù)平衡所需要的時間。

3.2 氟橡膠表面磨痕分析

圖6為實驗后橡膠表面的磨損形貌，其中圖6(a)是未高溫加熱處理的橡膠圈磨損表面，可以發(fā)現(xiàn)橡膠表面有犁溝和磨粒的嵌入。觀察不同的溫度處理后氟橡膠的磨損表面發(fā)現(xiàn)，在100 ℃條件下處理的橡膠表面犁溝的磨損形式開始減少，當加熱溫度達到150℃時，橡膠表面的磨損形式主要以凹坑為主，并且在200 ℃時磨損產生的凹坑更多，因此加熱溫度的增加使橡膠表面的磨損形式發(fā)生改變。

圖6 不同溫度的氟橡膠磨損表面

在加熱150和200 ℃處理的橡膠磨損表面難以發(fā)現(xiàn)犁溝，表面凹坑的磨損形式逐漸增加。在200 ℃加熱條件下的橡膠磨損表面，凹坑的磨損形式多于150 ℃處理的橡膠表面，認為是橡膠表面硬度降低，使得磨粒容易嵌入氟橡膠表面，而加熱溫度越高，橡膠表面的硬度降低越大，因此磨粒越容易嵌入氟橡膠表面，摩擦系數(shù)穩(wěn)定所需時間越短。嵌入氟橡膠表面的顆粒會產生“砂輪效應”，會使金屬表面的磨損變得嚴重[7]，橡膠表面嵌入的磨粒越多對金屬表面的磨損越嚴重。

3.3 金屬表面磨痕分析

圖7顯示了與氟橡膠摩擦后304不銹鋼表面的磨損形貌。在圖7(a)中304不銹鋼中心磨損部分有明顯的犁溝，在與高溫加熱處理后的氟橡膠摩擦后(圖7b、圖7c、圖7d)，304不銹鋼中犁溝的磨損形式逐漸減少，并有凹坑這種新的磨損形式出現(xiàn)。由于高溫加熱處理使磨粒嵌入氟橡膠表面，形成了“砂輪效應”，隨著對氟橡膠加熱處理的溫度升高，氟橡膠圈表面嵌入的磨粒增加，加劇了金屬表面的磨損，這與圖6中氟橡膠表面的磨損情況相對應，磨損嚴重的氟橡膠相對應磨損嚴重的金屬。

圖7 不銹鋼磨損表面

通過觀察304不銹鋼表面的磨損情況還可以發(fā)現(xiàn)，未高溫處理的金屬內側磨損情況比中心的磨損情況嚴重。隨著橡膠的加熱處理的溫度增加，金屬內側的磨損形式發(fā)生轉變，由較多凹坑的磨損形式轉變成犁溝的磨損形式。由于對橡膠進行不同高溫處理，使磨粒在橡膠與金屬的摩擦磨損中有著不同的影響，磨損嚴重的區(qū)域由內側向中心區(qū)域轉移。

3.4 磨損機理分析

從圖6(a)中可以看出，未加熱處理的氟橡膠表面以與滑動方向平行的犁溝為主，并在表面發(fā)現(xiàn)有少量凹坑，這些凹坑中可以觀察到一些SiO2顆粒鑲嵌在其中。因此發(fā)現(xiàn)橡膠的磨損形式以三體磨損為主。由圖7(a)觀察到，304不銹鋼中心區(qū)域的表面磨損形式主要以犁溝為主。

在高溫加熱處理后的氟橡膠表面觀察到，隨著加熱溫度的升高，氟橡膠表面的犁溝逐漸減少，并且氟橡膠表面存在一種膠粘層，形成油性磨粒磨損。摩擦力的微切削作用使氟橡膠大量的大分子斷裂，由此產生了自由基，在自由基的相互作用下引起氟橡膠的力化學降解，最終在橡膠表面形成膠粘層，并且由于摩擦力的作用產生粘性變形[24]。隨著氟橡膠加熱處理的溫度升高，橡膠表面嵌入的磨粒增加，中心區(qū)域金屬表面的磨損越來越嚴重。

4 結論

本文分析了溫度對氟橡膠摩擦系數(shù)的影響以及磨損機理?？梢缘贸鲆韵陆Y論：

(1)加熱溫度對摩擦系數(shù)的影響在于摩擦系數(shù)建立平衡的階段，未加熱處理與加熱溫度在100 ℃時有峰值，而加熱溫度較高(150、200 ℃)時則沒有峰值，原因可能是較高的溫度使橡膠表面硬度降低，磨粒能更好地嵌入氟橡膠體中，從而消除了峰值。加熱溫度越高，橡膠表面硬度越低，磨粒越容易嵌入橡膠表面，摩擦系數(shù)建立平衡所需的時間越短。

(2)氟橡膠的表面磨損情況會隨著橡膠加熱溫度的增加而變得嚴重。未高溫處理的氟橡膠表面的磨損形式是以犁溝為主，隨著加熱溫度的增加，表面的磨損形式開始發(fā)生變化，100 ℃時表面的犁溝開始減少，等到200 ℃時表面的磨損形式以凹坑為主。

(3)觀察304不銹鋼表面發(fā)現(xiàn)，在與未加熱的橡膠摩擦時中心區(qū)域的磨損以犁溝為主，隨著橡膠加熱溫度的增加，中心區(qū)域的磨損形式以凹坑為主，并且越來越嚴重。而金屬內側的磨損形式為，隨著橡膠加熱溫度的增加，從凹坑的磨損形式向犁溝轉變。