CO₂驅(qū)封隔器膠件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

摘要：文章通過(guò)測(cè)試四種橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和不同溫度、不同壓力及不同CO2含量下的彈性模量和泊松比，進(jìn)而計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)條件下的壓縮模量，分析四種橡膠的力學(xué)性能參數(shù)隨溫度、壓力和CO2含量的變化規(guī)律。結(jié)合橡膠腐蝕實(shí)驗(yàn)，得出四種橡膠的彈性模量和壓縮模量隨腐蝕程度的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：CO2驅(qū)封隔器；橡膠力學(xué)；壓縮模量；彈性模量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）15-0014-03

封隔器膠件材料性能的好壞決定了封隔器的密封性能。一般來(lái)說(shuō)，如果膠筒力學(xué)性能降低，膠件的密封性能就會(huì)降低，甚至喪失工作能力。因此，對(duì)封隔器膠件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試是非常有必要的。封隔器膠件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試了丁腈橡膠（NBR）、氫化丁腈橡膠（HNBR）、氟橡膠（FKM）、聚四氟乙烯（PTFE）四種橡膠的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，從總體上認(rèn)識(shí)橡膠材料的力學(xué)性能。然后對(duì)四種橡膠在不同腐蝕程度下的彈性模量、泊松比進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算橡膠在不同腐蝕程度下的壓縮模量，分析這些力學(xué)參數(shù)隨溫度、壓力和CO2含量的變化規(guī)律，進(jìn)而分析膠件的力學(xué)性能隨腐蝕程度的變化關(guān)系，為現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系測(cè)試

橡膠不同于其他材料，從開(kāi)始加載就呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，稱(chēng)為非線性彈性材料。橡膠不存在塑性變形，都是彈性變形，能夠完全恢復(fù)原狀。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)步驟

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：封隔器膠件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系測(cè)定使用橡膠材料實(shí)驗(yàn)機(jī)TH-5000。橡膠材料實(shí)驗(yàn)機(jī)可對(duì)橡膠進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、撕裂延伸伸長(zhǎng)等實(shí)驗(yàn)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟：使用TH-5000橡膠材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)橡膠應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）試樣分組：將實(shí)驗(yàn)用的四種橡膠，按照不同溫度、不同壓力和不同CO2含量將試件分為三大組，分別做不同影響下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)；（2）開(kāi)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)橡膠從

0.5N/mm2加載，逐漸增加0.5N/mm2，直至加載到8.0N/mm2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（3）記錄在不同載荷下橡膠的應(yīng)變；（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠和聚四氟乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為非線性圓滑曲線，在相同應(yīng)力條件下，丁腈橡膠的應(yīng)變最大，其次是氫化丁腈橡膠，再次是氟橡膠，聚四氟乙烯的應(yīng)變最小。

2 彈性模量測(cè)試

彈性模量反映了彈性變形能力，其值越大，材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大。彈性模量的計(jì)算公式為：

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)步驟

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：彈性模量實(shí)驗(yàn)使用的是彈性模量實(shí)驗(yàn)機(jī)，可以做10000N以?xún)?nèi)整個(gè)材料中拉伸、壓縮、彎曲、剝離、刺破等實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟。使用彈性模量實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)橡膠彈性模量進(jìn)行測(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）試樣分組：將實(shí)驗(yàn)用的四種橡膠，按照不同溫度、不同壓力和不同CO2含量將試件分為三大組，分別做不同影響下的彈性模量實(shí)驗(yàn)；（2）控制載荷，每施加一個(gè)載荷穩(wěn)定后記錄其變形量；（3）加載速度為10mm/min，最大載荷以試件達(dá)到25%～30%的變形為最大值，分別記錄5個(gè)不同載荷下的變形量；（4）根據(jù)式（1），對(duì)不同載荷下的彈性模量進(jìn)行計(jì)算，取其平均值，即為該外部條件下這種橡膠的彈性模量。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)于彈性模量測(cè)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的力與變形的大小計(jì)算出每個(gè)試件在不同條件下的應(yīng)力、應(yīng)變值，做出曲線變化圖。在變形不超過(guò)30%的情況下，得到每個(gè)橡膠試件的彈性模量，計(jì)算出所有溫度、壓力及CO2含量下的彈性模量值后做出彈性模量的變化。見(jiàn)表1、表2、表3。

2.2.1 溫度對(duì)橡膠彈性模量的影響。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的彈性模量隨溫度的升高而降低。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高，丁腈橡膠的彈性模量下降幅度最大，其次是氫化丁腈橡膠，再次是氟橡膠，最后是聚四氟乙烯。

2.2.2 壓力對(duì)橡膠彈性模量的影響。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的彈性模量隨壓力的升高呈下降的趨勢(shì)，下降的幅度由大到小的順序依次是：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯。

2.2.3 CO2含量對(duì)橡膠彈性模量的影響。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的彈性模量隨CO2含量升高而降低。下降的幅度由大到小的順序依次是：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯。

3 泊松比測(cè)試

受拉或受壓時(shí)，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。泊松比的計(jì)算公式為：

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)步驟

3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

封隔器膠筒橡膠泊松比測(cè)定使用橡膠材料實(shí)驗(yàn)機(jī)TH-5000。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟。

使用TH-5000橡膠材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)橡膠泊松比進(jìn)行測(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）試樣分組；（2）然后調(diào)好壓縮速度（以50±10mm/min的速度運(yùn)行）開(kāi)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，即可對(duì)試樣施加一個(gè)逐漸增加的牽引力；（3）記錄在不同載荷下橡膠的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變；（4）根據(jù)式（2）計(jì)算橡膠試件在不同載荷下的泊松比，取平均值為橡膠的泊松比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的試樣在縱向作用力下的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變，由式（2）計(jì)算試件的泊松比。計(jì)算四種橡膠在不同溫度、壓力和CO2含量下的泊松比，做出曲線圖，分析泊松比隨這些因素的變化規(guī)律。

3.2.1 溫度對(duì)橡膠泊松比的影響。

壓力35MPa、CO2含量90%、不同腐蝕溫度條件下四種橡膠的泊松比。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的泊松比隨溫度的升高而降低。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高，橡膠的泊松比的減小幅度由大到小的順序是：聚四氟乙烯、氟橡膠、氫化丁腈橡膠和丁腈橡膠。

3.2.2 壓力對(duì)橡膠泊松比的影響。

溫度120℃、CO2含量90%、不同壓力條件下四種橡膠的泊松比。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的泊松比隨壓力的升高而降低。在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，隨壓力的升高，橡膠泊松比的下降幅度由大到小的順序依次是：聚四氟乙烯、氟橡膠、氫化丁腈橡膠和丁腈橡膠。

3.2.3 CO2含量對(duì)橡膠泊松比的影響。

溫度120℃、壓力35MPa、不同CO2含量條件下四種橡膠的泊松比。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果可知：在實(shí)驗(yàn)CO2含量范圍內(nèi)，隨CO2含量的升高，四種橡膠的泊松比都表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，下降幅度由大到小的順序是：聚四氟乙烯、氟橡膠、氫化丁腈橡膠和丁腈橡膠。

4 壓縮模量計(jì)算

材料在無(wú)側(cè)向膨脹的條件下，材料壓縮時(shí)垂直壓力增量與垂直應(yīng)變?cè)隽康谋戎导礊閴嚎s模量。

壓縮模量的計(jì)算公式如下：

4.1 壓縮模量計(jì)算

在材料的彈性階段，壓縮模量可根據(jù)彈性模量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)測(cè)出的四種橡膠的彈性模量和泊松比，由式（4）計(jì)算四種橡膠在不同溫度、壓力和CO2含量下的壓縮模量，并分析壓縮模量隨這些因素的變化規(guī)律。

4.2 溫度對(duì)橡膠壓縮模量的影響

壓力35MPa、CO2含量90%、不同溫度條件下四種橡膠的壓縮模量（MPa），由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的壓縮模量隨溫度的升高而降低。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高，丁腈橡膠的壓縮模量下降幅度最大，其次是氫化丁腈橡膠，再次是氟橡膠，最后是聚四氟乙烯。

4.3 壓力對(duì)橡膠壓縮模量的影響

溫度120℃、CO2含量90%、不同壓力條件下四種橡膠的壓縮模量（MPa），由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的壓縮模量隨壓力的升高呈下降的趨勢(shì)，下降的幅度由大到小的順序依次是：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯。

4.4 CO2含量對(duì)橡膠壓縮模量的影響

溫度120℃、壓力35MPa、不同CO2含量條件下四種橡膠的壓縮模量（MPa），由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果可知：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯四種橡膠的壓縮模量隨CO2含量升高而降低。下降的幅度由大到小的順序依次是：丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)封隔器膠件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，可以得出以下

結(jié)論。

（1）不同腐蝕程度下膠件力學(xué)性能變化規(guī)律。在特定溫度、壓力和CO2含量下，橡膠會(huì)發(fā)生腐蝕，橡膠的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生改變，彈性模量隨腐蝕程度的變化規(guī)律是丁腈橡膠易與CO2發(fā)生腐蝕，腐蝕最嚴(yán)重，彈性模量變化最大；氫化丁腈橡膠和氟橡膠的彈性模量隨腐蝕程度的變化相對(duì)較小；聚四氟乙烯基本上不發(fā)生腐蝕，因而彈性模量變化很小。壓縮模量和腐蝕程度的關(guān)系是丁腈橡膠的壓縮模量變化最大，氫化丁腈橡膠次之，氟橡膠再次之，聚四氟乙烯的壓縮模量隨腐蝕程度的變化最小。

（2）在高溫高壓條件下，CO2會(huì)對(duì)橡膠產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而影響橡膠的力學(xué)性能，通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：NBR、HNBR、FKM和PTFE四種橡膠隨著溫度、壓力和CO2含量的升高，彈性模量、泊松比和壓縮模量都逐漸減小。

綜合高溫高壓條件下橡膠的腐蝕程度與力學(xué)性能，可知HNBR最適合作為封隔器膠筒的材料。雖然PTFE和FKM的抗腐蝕性能最好，但是其彈性很差，不易加工，不能起到密封的效果，雖然HNBR的抗腐蝕性能不如PTFE和FKM，但是也能達(dá)到井下條件的抗腐蝕要求，而且易加工，密封性能很好。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）