油田常用橡膠部件斷裂韌性的測定研究

姜興國(新疆耶路高特工貿有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

油田常用橡膠部件斷裂韌性的測定研究

姜興國(新疆耶路高特工貿有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

一般情況下油田的橡膠零件發生斷裂的判斷依據是J≥ JC，通過對標準橡膠進行實驗得出的結論發現，試件在拉斷時的最大載荷與裂紋剛開始時的啟裂時的臨界載荷,都與裂紋的深度存在著線性關系,具體表現為隨著裂紋的相對深度變大而減小。本文通過模擬載荷位移曲線上的裂紋啟裂點，設計出了裂紋啟裂跡線,并且通過裂紋啟裂跡線法拉力測量油田常用橡膠的臨界J積分值。

橡膠斷裂韌性；油田；實驗研究

1 檢測臨界J積分的具體方法

首先，需要一塊帶有裂紋的橡膠零件，衡量其抗破壞的性能可以通過常用的橡膠材料的斷裂韌性。我們通常所說的斷裂韌性是指當裂紋擴大到單位面積時需要的能量，這些數值都是材料常數，可以采用實驗的方式測量獲得，并根據得到的數值的基礎上建立帶裂紋橡膠零件的斷裂判據為：

J≥ JC

式中：JC為橡膠材料的臨界J積分值；J為帶裂紋橡膠零件的

實際J積分值。

如果得出來的結論是J≥ JC，那么就說明裂紋已經開始啟裂并且正在逐步向外擴展，如果得出的結論是JC≥ J，那么就說明裂紋并沒有向外擴展。

J積分在物理中指的是如果裂紋開始起裂并且擴展到單位面積的時候，在裂尖附近的區域內所吸收的能量[1]，它的具體計算表達式為：

J=∫T(Wdy- TuxdS)

式中：W為應變能密度；T為作用在閉合曲線Γ上的力矢量；

u為位移矢量。

當有外力對試件開始發生作用力時，其中部分轉化為試件的應變力，其余的被裂縫向外擴展時所吸收。所以，J積分又可以表示成勢能U對裂紋長度a的一階導數J=-dUda，如果是在兩個相同的受載情況下時，裂紋深度可以分別表示成a和a+ da的試件之間的勢能差，而勢能U就能夠通過帶裂紋試件的載荷位移曲線所覆蓋的面積來確定。如果是在線性彈性的情況下，那么J積分就相當于應變能的釋放率，其也能夠在非線性彈性以及塑性中應用。然而，因為距離裂尖較遠的部分僅能吸收很少的一部分能量，并沒有對裂紋的擴展作出貢獻，如果把J積分作為橡膠的斷裂韌性的時候，那么就一定要去掉離裂尖較遠的區域被裂縫吸收的能量，我們通常將其稱之為偽勢能項。去掉這項能量的方法就是通過使用去除的裂紋啟裂跡線法，選取兩塊形狀相同的帶有裂紋的橡膠材料，并且要保證尺寸也相同，用兩個尺寸和形狀相同，將這兩塊橡膠材料的裂紋分別設為a以及a+Δa，并用其進行實驗測試，這兩塊橡膠材料的載荷位移曲線制成圖表，點C1和C2是兩個橡膠材料的裂紋啟裂點，點C1和C2之間的連線叫做裂紋啟裂跡線，由這三條曲線圍成的面積就是由裂紋擴展而形成的面積Δa，裂紋啟裂時吸收的能量表示為ΔUC，所以可以將其表示為：

ΔUC=- JCBΔa也可表示為：JC=-dUCBda

式中：B為橡膠材料的厚度；UC為在裂紋的深度發生變化時，

相應的曲線斜率的負值。

在本次試驗中，所使用的制作油井封隔器膠筒的橡膠材料分別是813號、814號、802號和240號四種，通過采用制作膠筒時所用的工藝將這四種膠筒硫化模壓成標準試件，并對著四種橡膠材料的主要力學性能進行測試，并記錄下所測得的數值。其次，就要測量橡膠的斷裂韌性的試件的尺寸以及形狀，選取一把鋒利的單刃刀片，在試件上割出一道裂痕，用一鋒利的單刃刀片在試件的中部割一道裂痕，將這道裂痕的深度設為a，再將這道裂紋向垂直的方向拉伸，這道裂紋的相對深度a/ w設為恰好是所需要的指定尺寸。再把試件放在實驗裝置的夾頭上，通過膠帶傳動和蝸輪蝸桿傳動來控制加載速度。在正常室溫的條件下，夾頭向下運動的速度為每分鐘5mm，位移信號通過位移傳感器送入X- Y記錄儀。載荷信號通過力傳感器、電橋盒和動態應變儀送入X- Y記錄儀。在這種情況下，加載后X-Y記錄儀就能夠自動記錄帶裂紋試件拉伸的載荷位移曲線。觀察并記錄好裂紋啟裂的位置，用光源將裂尖及其附近的區域照亮，為了更好觀察裂尖，可以將其用鮮明的顏色標注出來。在整個實驗中，使用圖像處理工作站攝像頭把試件在裂尖及其附近區域發生過的變化記錄下來。再通過視頻回放，找到準確的啟裂位置。為了提高本次實驗的準確性以及普遍性，可以將具有同樣裂縫深度的試件做三個，再求取其平均值來作為本次實驗的結果，最終確定JC值。

2 實驗結果與分析

通過本次實驗來獲得橡膠材料試件的載荷位移曲線，將三個試件按比例取點，并求得平均值，這個值就是裂紋深度的載荷位移曲線數據。通過實驗的結果可以得知，當試件被拉斷的時候，其最大載荷與最大位移都是隨著裂紋的相對深度a/ w的增加而下降。這就說明韌帶越寬，在發生斷裂前的形狀變化就越大，因此，所吸收的能量也就越多。從橡膠試件的整個形變的過程可以看出，裂紋尖端開始的時候會變成橢圓形，隨著裂縫的向外擴展，一直到發生斷裂，通常情況下，裂紋的擴展方向與裂紋的方向是相同的。橡膠試件最大載荷與裂紋相對深度之間是一種線性關系，也就是說隨著裂紋越來越深，它的數值越來越小。

3 結語

總而言之，油井中有一些零件是由橡膠材質制作而成，在具體的使用的過程中，存在著一定的缺陷，通過對橡膠材質零件的缺點進行研究，并通過實驗證明在橡膠發生裂縫時的抗破壞能力以及裂縫的向外拓展時的方向來對油井的橡膠材質的零件做相應的防護工作。

[1]楊曉翔,張永弘,羅敏,閻樂好.油田常用橡膠斷裂韌性的實驗測定[J].石油機械,1999，(10):15-17.