左慶輝

（大慶油田裝備制造集團(tuán)采油裝備制造分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

螺桿泵采油技術(shù)具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各大油田。螺桿泵核心部件為橡膠定子和金屬轉(zhuǎn)子，兩者配合運行時形成用于舉升原油的密封腔室，但受到高溫高壓、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)等油井極端復(fù)雜工況環(huán)境的影響，定子橡膠材料易產(chǎn)生膨脹，出現(xiàn)硬度下降、材料變軟和摩損加劇等現(xiàn)象，橡膠老化加快了定子失效速度，導(dǎo)致螺標(biāo)泵的使用壽命較短，制約著運行效率，在使用過程中時常出現(xiàn)運行故障。這就需要對定子橡膠失效進(jìn)行分析與研究，為選擇滿足油井工況要求的橡膠材料提供參考。

1 油田螺桿泵定子橡膠失效分析

1.1 溶脹失效

螺桿泵定子橡膠出現(xiàn)溶脹，會在承壓端產(chǎn)生突起，橡膠材料受到溶脹作用影響會導(dǎo)致體積變大，多出的體積會在承壓端顯現(xiàn)出來，這就是承端端突起的根本原因。定子彈性體上也會存在一定程度的裂紋損傷，使定子表面變脆、變硬。溶脹引起的定子橡膠失效，原因是受井下高溫高壓環(huán)境影響，橡膠材料的物理性能、化學(xué)性能等會不斷變差，螺桿泵運行時存在機(jī)械磨損，橡膠體積的變大會使定子與轉(zhuǎn)子間存在配合干涉，嚴(yán)重情況下會發(fā)生軸頸壞或轉(zhuǎn)子斷裂等問題。

溶脹是有機(jī)高分子聚合物吸收某種溶劑后出現(xiàn)的體積膨脹現(xiàn)象，原油中含有鏈烷烴、鹵代烴、含硫化物等有機(jī)溶劑，定子橡膠可以被有機(jī)溶劑溶解，橡膠材料在硫化成型時存在分子間的交聯(lián)，與有機(jī)溶劑共存相同環(huán)境時會吸附有機(jī)溶劑分子，橡膠材料體積的變大會誘發(fā)溶脹。為降低溶脹對定子橡膠的負(fù)面影響，應(yīng)該盡可能采用選用與原油成分相容的橡膠材料。

1.2 化學(xué)侵蝕失效

原油化學(xué)成分復(fù)雜，會稀釋定子彈性體軟化劑，橡膠分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，在化學(xué)侵蝕下失去彈性。同時，定子、轉(zhuǎn)子運行時會形成熱量，也會導(dǎo)致彈性體結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。原油中酸性化學(xué)成分會對定子橡膠造成腐蝕與破壞，從表面開始逐層對彈性體進(jìn)行侵蝕。原油存在的硫化氫、二氧化碳等氣體，還具有礦物溶液、無機(jī)鹽等，上述成分與螺桿泵定子接觸，會導(dǎo)致橡膠化學(xué)成分變化，如硫化氫與有機(jī)溶液會使橡膠變硬、彈性變差等，并伴隨著裂紋，該類化學(xué)物質(zhì)濃度越大，橡膠體積膨脹率、拉伸強(qiáng)度等下降程度越嚴(yán)重。二氧化碳會使橡膠出現(xiàn)軟化和溶脹問題，螺桿磁吸入口存在游離狀的二氧化碳等氣體，滲入橡膠會導(dǎo)致體積增大，如橡膠內(nèi)充滿了氣體，如果外部環(huán)境壓力變小時會受到壓差作用而出現(xiàn)氣體外滲，當(dāng)壓差在短時內(nèi)不能釋放，會使橡膠鼓泡而出現(xiàn)脫層、破壞。需要根據(jù)原油成分來配制有針對性的配方，以提升定子橡膠耐腐蝕性能。

1.3 機(jī)械磨損

螺桿泵橡膠定子長時期運行于高背壓條件下，如果承壓端的壓力大于極限應(yīng)力或存在材料疲勞，彈性體會受到一定程度的損壞。螺桿泵運行摩擦形成的熱量會使彈性體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動等機(jī)械因素影響會受到損傷，再加上原油內(nèi)固形物進(jìn)入定子對橡膠材料造成損傷，會加快定子橡膠的磨損。干摩擦?xí)?dǎo)致定子橡膠形成摩擦熱，隨著軟化和硬度下降，出現(xiàn)大面粘著與摩擦副轉(zhuǎn)移，會存在脫膠、撕裂等問題。定子吸入端殘留油液可以使其長時期運行于潤滑狀態(tài)，定子承壓端經(jīng)常在干摩擦條件下運行，會存在干摩擦磨損問題，在含氣較高的油井環(huán)境下，為防止螺桿泵出現(xiàn)干運行，可選用具有良好耐磨性的橡膠。

機(jī)械磨損影響著螺桿泵使壽命，在螺桿泵投運初期存在過盈配合，會導(dǎo)致定子轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生干摩擦，進(jìn)入到穩(wěn)定運行期間以后，磨損量的變大和過盈量的變小，油液會滲透至摩擦副縫縫而提供潤滑，進(jìn)入到后期會使定子摩損量變大，定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙配合，形成的油膜會分隔開摩擦副，依賴油膜壓力來形成潤滑摩擦，該階段的螺桿泵運行效率會變小，定子臨近失效邊緣。

2 試驗與驗證

2.1 儀器設(shè)備與材料制備

干摩擦試驗采用MPV-600 型環(huán)塊試驗機(jī)，金屬輪為45#鋼；40 mm×25 mm×6 mm 的橡膠試樣，材料為NBR 及FKM 的混煉膠；NBR 配方主要成分為NBR N41、硬脂酸、軟化劑、硫磺；FKM配方主要成分為氟橡膠FKM2462、氫化鈣、炭黑；丁腈橡膠為一段硫化，氟橡膠為兩段硫化，硫化后的邵氏硬度為（75±2）HD；試件1～試件7 的NBR/FKM 配比值分別為10∶0、8∶2、7∶3、5∶5、3∶7、2∶8、0∶10。

2.2 干摩擦試驗

干運行條件下的機(jī)械磨損會使定子橡膠快效失效，為研究干摩擦狀態(tài)下橡膠磨損機(jī)理，對多種橡膠進(jìn)行磨扣試驗。試驗參數(shù)：運行轉(zhuǎn)速為200 r/min，施加載荷為200 N，持續(xù)時間為900 s。試件置于超聲發(fā)生器，采用酒精對試件表面進(jìn)行清潔處理，再轉(zhuǎn)移至恒溫箱以100 ℃持續(xù)烘烤1 h，再采用體式顯微鏡對混煉膠磨損情況進(jìn)行觀察。

（1）NBR 磨損。丁腈橡膠磨損痕跡較為明顯，表明橡膠材料存在著較為嚴(yán)重的磨損，符合定子干摩擦狀態(tài)下的磨損形式。對實驗過程進(jìn)行分析，摩擦?xí)r會使摩擦副間形成熱量，強(qiáng)度與硬度也會跟著熱量增加而變小，軟化橡膠粘在金屬輪表面，運行時會被部分甩下來，導(dǎo)致橡膠材料出現(xiàn)裂痕，存在著嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象。這說明NBR 材料并不適合應(yīng)用于該實驗。

（2）FKM 磨損。顯微鏡觀察氟橡膠材料中存在磨粒磨損痕跡，由于犁溝寬度不大則表明磨損現(xiàn)象并不嚴(yán)重，存在著磨粒磨損是耐熱性及硬度性能要優(yōu)于丁腈橡膠，對溫度條件并不敏感，不存在粘著磨損痕跡，該橡膠材料更適合應(yīng)用于干摩擦狀態(tài)。

圖1 為1～7 號試件在干摩擦狀態(tài)下橡膠試件失重曲線，3 號試件混煉膠失重量最小，表明該試件具有很好的耐干摩擦性能。該試件與其他試件磨損機(jī)理不同，表現(xiàn)為疲勞磨損。在相同井下運行環(huán)境情況下，不同類型橡膠表現(xiàn)出不同的機(jī)理，表明橡膠材料引起磨損機(jī)理的改變，做好材料選型對提升定子橡膠壽命有著重要作用。

圖1 干摩擦狀態(tài)下的橡膠試件失重量曲線

2.3 水潤滑條件下磨損

水溶脹為螺標(biāo)泵失效的主要原因，將水為作介質(zhì)開展溶脹試驗，在水潤狀態(tài)下對沒有進(jìn)行溶脹和溶脹后試件進(jìn)行試驗，分析研究溶脹對耐磨性能的影響。

2.3.1 溶脹試驗

BNR、FKM 試件各取5 塊，對試件表面進(jìn)行清潔處理，測量并記錄試件質(zhì)量與硬度，分別置于去離子水中72 h，取出采用酒精等清面表面，空氣環(huán)境下風(fēng)干3～4 h，測量試件溶脹后質(zhì)量與表面硬度，對比分析溶脹前后的質(zhì)量與硬度改變情況。

實驗結(jié)果：NBR、FKM 在溶脹后質(zhì)量改變均值分別為34.14 mg、24.32 mg，硬度變化均值分別為-1 HD、-1.8 HD。

在溶脹質(zhì)量改變情況來看，F(xiàn)KM 比BNR 的溶脹量大，NBR溶脹質(zhì)量增長為FKM 的1.4 倍，F(xiàn)KM 耐溶脹性優(yōu)于NBR。

2.3.2 摩擦磨損

磨損時間為720 s、裝載荷分別設(shè)置為10 N、20 N、30 N和45 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，試驗完成后對試件進(jìn)行清洗，置于恒溫箱中持續(xù)烘燒1 h，取出試件后在室內(nèi)冷卻至室溫，測量記錄質(zhì)量及磨損表面硬度，對比分析磨損前后失重量和表面硬度。

試驗結(jié)果：在不同載荷情況下，NBR 的質(zhì)量改變量為4.01 mg、7.48 mg、13.55 mg、24.71 mg，F(xiàn)KM 的為1.22 mg、2.1 mg、3.65 mg和5.33 mg；兩者失重量均呈現(xiàn)出線性，隨著載荷變大而增長，NBR 失重量均超過FKM，表明NBR 受到載荷產(chǎn)生的變化更大；FKM 并不對荷載改變敏感，耐磨性要優(yōu)于NBR。

2.3.3 浸泡后摩擦磨損

將浸泡處置以后試件提出，對表面進(jìn)行清潔處理，置于空氣持續(xù)風(fēng)干3～4 h，采集試驗數(shù)據(jù)以后開展摩擦磨損試驗，試驗參數(shù)、試驗條件與沒浸泡試件相同，分析浸泡對磨損性能的影響。

試驗結(jié)果：在設(shè)置的載荷情況下，溶脹后NBR 質(zhì)量變化分別為9.06 mg、14.55 mg、26.53 mg、42.77 mg，F(xiàn)KM 質(zhì)量變化分別為1.41 mg、2.35 mg、4.4 mg、6.12 mg。從顯微鏡中觀察發(fā)現(xiàn)，溶脹導(dǎo)致磨損更為嚴(yán)重，對NBR 影響大，存在著更重的磨痕，F(xiàn)KM 在溶脹作用下也存在磨損加劇現(xiàn)象但磨痕并不明顯，表明FKM 在耐溶脹與水潤耐磨性能方面具有更好的性能。

2.4 油潤滑磨損

原油化學(xué)成分對螺桿泵定子橡膠會產(chǎn)生一定程度的腐蝕，會加快定子橡膠磨損，模擬油井環(huán)境并采用原油作為潤滑材料進(jìn)行分析與研究。磨損時間9 h、載荷200 N、轉(zhuǎn)速200 r/min。試件置于超聲發(fā)生器內(nèi)，采用試劑過行清洗，再置于恒溫箱中以100 ℃持續(xù)烘1 h，測量記錄磨損前后質(zhì)量和硬度。

采用顯微鏡對NBR 材料在原油及純水中磨損的表面圖橡過行觀察，發(fā)現(xiàn)原油有純水中磨損量差別較小，卻有著不同的磨損機(jī)理，原油化學(xué)成分對材料表面造成侵蝕，表面存在著氧化現(xiàn)象，分子鏈已經(jīng)被破壞，原油介質(zhì)使材料表面存在腐蝕磨損痕跡，純水中為磨粒磨損痕跡。原油潤滑效果好于溶液，但水溶液對橡膠具有溶脹作用，NBR 在兩種介質(zhì)間磨損量差別不大，這是由于原油中化學(xué)成分產(chǎn)生的腐蝕引起腐蝕磨損。

3 結(jié)語

綜上所述，螺桿泵定子橡膠損壞是由于溶脹、化學(xué)侵蝕和機(jī)械磨損導(dǎo)致，機(jī)械磨損多伴隨著溶脹、化學(xué)侵蝕，多種因素共同作用與影響，加快了定子橡膠的失效速度。從干摩擦、水潤滑和油潤滑實驗結(jié)果來看，同樣油井環(huán)境下橡膠材料磨損會引起機(jī)理變化，溶脹導(dǎo)致硬度、耐磨性下降，油液化學(xué)成分會侵蝕橡膠表面而改變分子鏈結(jié)構(gòu)，因此，選擇合適的材料對提升定子橡膠壽命有著重要作用。