原油溫度對丁腈橡膠溶脹及耐磨損性能的影響

　　隨著開采深度的增加，原油的溫度逐漸上升，必然影響螺桿泵定子橡膠的溶脹及磨損行為。研究3 種丙烯腈結合量的丁腈橡膠(N18、N26、N41) 在不同溫度原油介質中溶脹行為，并采用MPV-600 環塊試驗機研究溶脹后丁腈橡膠磨損行為，初步探討溫度對橡膠溶脹及磨損行為的影響。結果表明：隨溫度的升高原油浸泡后N18 及N26 質量變化率基本成線性增加，而N41質量變化率卻略有下降；N18 和N26 硬度隨著原油浸泡溫度的升高逐漸下降，而N41橡膠的硬度基本維持不變；丁腈橡膠隨著原油浸泡溫度的增加磨損量增加，而摩擦因數卻逐漸下降；隨著丁腈橡膠中丙烯腈結合量的增加，分子鍵間作用力增強，具有較好的耐溶脹和耐磨性能。

　　作為新型采油舉升設備，采油螺桿泵因在開采高黏稠油、高含蠟油、高含砂油等油井時具有獨特優勢，而得到快速發展與應用。定子橡膠襯套是采油螺桿泵的關鍵部件之一，它在原油介質中的耐油氣浸性能、耐溫性能、抗磨損性能以及抗疲勞老化性能直接決定了螺桿泵的壽命。由于各油田甚至同一油田的不同區塊的原油物性相差較大，因此橡膠配方與原油介質的配伍性，是螺桿泵采油能否成功的關鍵技術。

　　采油螺桿泵定子橡膠，一方面在運行過程中周期性承受著擠壓及剪切發生磨損，另一方面長期浸泡在原油介質中，不可避免地出現溶脹現象。磨損與溶脹的共同作用影響著定子橡膠的使用壽命。隨著開采深度的增加，井下原油溫度逐漸升高，溫度的升高必然對橡膠的溶脹、磨損產生影響。因此，真空技術網(http://www.empirehealthwellness.com/)認為研究溫度對橡膠溶脹、磨損的作用機制對延長采油螺桿泵的使用壽命具有十分重要的意義，但目前有關這方面的研究還鮮有報道。

　　本文作者選用常用的螺桿泵定子橡膠材料丁腈硫化膠(NBR) 為試驗材料，研究不同溫度的原油對NBR溶脹、磨損行為的影響，揭示溫度與橡膠溶脹、磨損間的關系，為螺桿泵定子橡膠襯套材料的選取及配方的研發提供依據。

1、試驗材料及方法

　　1.1、試驗材料

　　選用丙烯腈結合量分別為18%、26%和41%(質量分數)的3種丁腈硫化膠(簡稱為N18、N26和N41) ，其配方主要成分為(質量份數) ：母膠100，氧化鋅2.5，硬脂酸2，炭黑50，增塑劑(DOP) 10，硫化劑1.5，促進劑2。采用青島亞東機械有限公司生產的開放式混煉機和平板硫化機進行試樣的制備。硫化后的3 種丁腈硫化膠邵氏硬度均在Shore A70左右。

　　1.2、試驗方法

　　按GB/T1690-2006，在常壓下對3 種不同烯腈結合量的NBR進行不同溫度下的原油靜態溶脹浸泡試驗，溫度分別為25、50、80 和120 ℃，浸泡時間為7天。橡膠試樣尺寸為40 mm×20 mm×5 mm，浸泡試驗采用遼河油田曙光采油廠開采的高凝點、高含蠟、低硫、低膠質的原油。浸泡后取出試樣，在超聲發生器中分別采用煤油、丙酮、乙醇溶液和去離子水清洗后，用濾紙吸干后進行測量。浸泡前后樣品的硬度利用精度為Shore A 0.1 的LX-A 型橡膠硬度計測量，浸泡前后樣品的質量利用精度為0.1 mg 的電子天平稱量。用溶脹前后的質量變化率(Rm) 表征橡膠在不同溫度原油中的耐溶脹特性。溶脹前后的質量變化率(Rm) 計算公式為

　　式中：m1為橡膠溶脹前的質量(mg)；m2為橡膠溶脹后的質量(mg) 。

　　摩擦環材質為表面鍍鉻的45# 鋼，尺寸為178mm×12.7 mm。參數設置為轉速200 r/min、載荷200N，磨損時間7200 s。穩態磨損時記錄橡膠試樣的摩擦因數。磨損后的試件采用與溶脹試樣相同的清洗方法，用濾紙吸干后用天平測量質量。上述所有試驗的結果均為3 次試驗的平均值。

　　利用日本電子株式會社JSM-6360 掃描電子顯微鏡觀察溶脹及磨損后樣品的表面。

　　采用MPV-600 微機控制磨粒磨損試驗機對經不同溫度原油浸泡7 天后的橡膠試樣進行對應原油溫度下的潤滑磨損試驗，試驗裝置如圖1 所示。

圖1 MPV-600 磨損試驗機結構示意圖

2、結論

　　(1) 隨原油浸泡溫度的增加N18及N26質量變化率基本成線性增加，而N41質量變化率卻略有下降。N18和N26硬度隨著原油浸泡溫度的升高逐漸下降，而N41 橡膠的硬度基本維持不變。

　　(2) 丁腈橡膠隨著原油浸泡溫度的增加磨損量增加，而摩擦因數卻逐漸下降。

　　(3) 隨著丁腈橡膠中丙烯腈結合量得增加，分子鍵間作用力增強，具有較好的耐溶脹和耐磨性能。