定子橡胶经环己烷混合液溶胀后的力学及磨损行为研究

发布时间：2020-08-23 21:50

【摘要】：随着螺杆泵在石油开采工程中被广泛的应用,橡胶定子的寿命与性能越来越受到关注。橡胶定子工作时,被金属转子不断挤压,还受到高温、高压、腐蚀性液体气体及高含砂等复杂工况的影响,橡胶性能及耐磨性减低,影响整个螺杆泵系统的寿命。螺杆泵的运行过程中,橡胶定子不断地受到挤压(拉伸和压缩)和回弹。拉伸和压缩的多次作用将使得橡胶的组织结构发生变化,进而影响其使役性能。目前人们还很少关注拉伸对橡胶在液体介质中溶胀老化的影响,而这将为摩擦运行过程中液体介质对定子橡胶的溶胀老化提供理论支持。此外定子橡胶的磨损,关系到螺杆泵的使用寿命和可靠性。许多文献已报道了橡胶密封件在腐蚀性液体介质中的摩擦磨损问题,虽然人们关注到了腐蚀性液体介质对橡胶磨损存在加速作用,但还没有深入研究两者之间的交互作用。为此,本文选择丁腈橡胶(NBR)和氟橡胶(FPM)两种螺杆泵常用橡胶作为研究对象,以环己烷和基础油的混合溶液为介质,自制了对橡胶进行预拉伸的拉伸夹具装置,分析拉伸作用对橡胶在溶液介质中的溶胀老化和力学性能的影响。在溶胀试验的基础上进行了摩擦磨损测试,找出环己烷浓度、载荷大小与定子橡胶磨损之间的规律,分析溶胀老化后的橡胶磨损机理,重点关注溶胀老化与磨损之间的交互作用,给出环己烷对定子橡胶磨损的作用机理。通过对上述问题的研究,得到了一些主要的结论:溶胀后的丁腈橡胶质量增量要高于氟橡胶的质量增量,在硬度及弹性模量方面的性能低于氟橡胶。预拉伸的橡胶溶胀拉断后,丁腈橡胶拉伸试样断裂强度表现为上升趋势,数值较氟橡胶偏低,断裂伸长率表现为下降趋势,数值较氟橡胶偏高,两者的力学性能变化趋势相同。两种橡胶在磨损过程中磨损量和摩擦系数增大,并随载荷和环己烷浓度的增大呈上升趋势,丁腈橡胶在同等条件下的磨损表面较氟橡胶更为严重。本课题的研究,将会为在腐蚀性液体环境下工作的螺杆泵橡胶定子的选择提供理论依据,对如潜油螺杆泵及其他在此条件下工作的液体输送装备使用寿命的提高具有现实意义,同时对橡胶摩擦学理论的完善和发展产生一定的帮助。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE933.3
【图文】：

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沈阳工业大学硕士学位论文定子橡胶研究现状杆泵的介绍标准 IOS15136-1：2009 对螺杆泵采油技术的定义为：一种举升原油的方式，靠其核心部件橡胶定子与金属转子在配螺旋型动态、独立的密封腔室举升原油[4]。和金属转子是螺杆泵最为重要的部件，如图 1.1 所示。橡胶同，定子导程和偏心距分别为转子的 2 倍，两者之间形成橡胶定子保持不动，两者之间形成多个密封腔。由于压强第一个密封腔。当转子继续旋转一周后，第一个密封腔逐出端移动一个导程，进入第二个密封腔。以此类推，液体终被举升到地面。工作过程如图 1.2 所示[5]。

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定子导程和偏心距分别为转子的 2 倍，两者之间形成橡胶定子保持不动，两者之间形成多个密封腔。由于压强第一个密封腔。当转子继续旋转一周后，第一个密封腔逐出端移动一个导程，进入第二个密封腔。以此类推，液体终被举升到地面。工作过程如图 1.2 所示[5]。图 1.1 单螺杆泵系统示意图Fig. 1.1 Progressive cavity pump (PCP)

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图 1.3 螺杆泵定子实物图Fig. 1.3 Physical drawing of screw pump stator人收集了大量会对定子橡胶产生影响的相关因素，经仔细考虑采油环境、油质理化指标的定子橡胶材料选择方法[7]。工研究中心开发出牌号为 LH-9901 和 LH-9902 的两种氢岛科技大学最先成功研制了比硅橡胶和氟橡胶耐油性更强的性羧基丁腈橡胶[8]。它可以在高温、高压环境下起到卓越的耐橡胶材料的新行列。2013 年，哈尔滨工业大学和大庆油田了“耐腐蚀螺杆泵定子橡胶研究”项目，并成功研发了耐泵定子橡胶材料，有效地提高了定子橡胶耐腐蚀老化性能工作提供了全新的动力[9]。生产厂商在为客户提供采油螺杆泵时，会要求客户提供需要工况，据此提供与之最匹配的橡胶材料及配方。为了避免

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