曹大勇 鐘 洋 曾德智 趙 鵬 付團(tuán)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(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500;3. 中國石油集團(tuán)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(chǎn)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(huán)境因素影響,在高溫高壓高含酸的儲層酸化工況下服役時(shí),極易發(fā)生性能下降,導(dǎo)致密封失效,威脅井場安全作業(yè)[4-5]。

目前,桂強(qiáng)、侯學(xué)勤、田帥承等已對橡膠密封制品在高溫高壓環(huán)境、高含CO2環(huán)境、酸性環(huán)境下的耐蝕性能進(jìn)行了研究[6-10]。高溫高壓環(huán)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(huán)境下會在橡膠中大量溶解,破壞橡膠分子鏈結(jié)構(gòu),引起橡膠密封件鼓泡,甚至爆破;酸性環(huán)境可能導(dǎo)致密封失效,影響作業(yè)安全。而關(guān)于橡膠密封制品在酸液中腐蝕損傷的研究鮮見報(bào)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(shí)際工況,對其在酸壓條件下的腐蝕損傷進(jìn)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(yàn)方案

試驗(yàn)采用氫化丁腈橡膠O型圈作為試樣。試驗(yàn)共設(shè)置15件試樣,尺寸為Φ 47.2 mm×3.6 mm,實(shí)際尺寸在公差允許范圍內(nèi),試樣表面平整光滑。

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

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

2)使用自主設(shè)計(jì)的密封組件[11]進(jìn)行承壓狀態(tài)試驗(yàn),見圖1。以pH試紙為顯像劑,裝配時(shí)放入清潔干凈的裝置空腔內(nèi),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(shí)現(xiàn)試樣的承壓狀態(tài)。試驗(yàn)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(yīng)力大致相近,同時(shí),平行設(shè)置5具裝配HNBR O型圈的密封圈夾具以減小試驗(yàn)誤差[12])。

3)將裝配好的密封圈夾具和用于自由狀態(tài)下試驗(yàn)測試的試樣放入高溫高壓釜內(nèi)指定位置,倒入預(yù)配好的溶液(現(xiàn)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(huán)境,將釜密封,連續(xù)通入2 h的N2以除凈釜內(nèi)O2,升溫至預(yù)定溫度后(120 ℃),通N2至70 MPa,待釜內(nèi)參數(shù)穩(wěn)定后關(guān)閉閥門。

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

圖1 密封圈夾具圖Fig.1 The sealing device

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 截面積變化率對比

測量腐蝕前后各試樣的截徑,計(jì)算出截面積變化率，見表1。腐蝕試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為最終測試結(jié)果)。可以看出,兩種狀態(tài)下腐蝕后,O型圈截面積均發(fā)生了不同程度的增大,且為不可恢復(fù)的塑性變形,服役后不可重復(fù)使用。自由狀態(tài)下截面積增大程度大于承壓狀態(tài),說明氫化丁腈橡膠O型圈在自由狀態(tài)下腐蝕相對更為嚴(yán)重[13-14]。

表1 腐蝕試驗(yàn)前后O型圈截面積變化率表

圖2 腐蝕試驗(yàn)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(shí)際使用中,橡膠O型圈服役狀態(tài)一般均為承壓狀態(tài),因此應(yīng)以承壓狀態(tài)下的測試結(jié)果作為其應(yīng)用時(shí)的主要參考依據(jù)[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(yàn)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(jié)果見圖3～5[15-19]?？梢钥闯?腐蝕試驗(yàn)后,試樣拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、硬度均下降。與自由狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果對比,承壓狀態(tài)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(tài)下表現(xiàn)出更好的耐酸液腐蝕性能。

表2 腐蝕試驗(yàn)前后O型圈拉伸性能變化表

表3 腐蝕試驗(yàn)前后O型圈硬度變化數(shù)據(jù)表

圖3 腐蝕試驗(yàn)前后O型圈平均拉伸強(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(tài)下試驗(yàn)后O型圈的壓變均增大。承壓狀態(tài)下增大程度略低于自由狀態(tài)下增大程度,但增幅仍達(dá)到50%左右,腐蝕程度嚴(yán)重。

表4 腐蝕試驗(yàn)前后O型圈壓縮永久變形變化

圖6 腐蝕試驗(yàn)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(yàn)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(tài)下腐蝕后,O型圈發(fā)生了變形、鼓脹、表面破損的現(xiàn)象。而在承壓狀態(tài)下腐蝕后,O型圈同樣發(fā)生了變形和一定程度上的鼓脹現(xiàn)象,但表面保持光滑,無破損,腐蝕程度比自由狀態(tài)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(nèi)部無液體,同時(shí)O型圈與密封蓋上的溝槽保持貼合,說明在試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi),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(xiàn)一定程度的下降,該工況下長時(shí)間服役時(shí),存在腐蝕損傷導(dǎo)致密封失效的風(fēng)險(xiǎn)[20-21]。

圖7 橡膠圈自由狀態(tài)下腐蝕試驗(yàn)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(jié)論

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

密封試驗(yàn)結(jié)果表明,氫化丁腈橡膠O型圈在試驗(yàn)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(shí)存在密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。

建議繼續(xù)進(jìn)行其余性能更優(yōu)異的橡膠材質(zhì)在該酸壓工況下的腐蝕損傷研究,或?qū)ΜF(xiàn)有氫化丁腈橡膠的制造工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。