丁腈橡膠襯套產品的壽命預測方法探討

宋 建，羅西超，劉欣欣，郭添鳴，孫曉亮，張一帆

（北京石油機械有限公司，北京 102206）

丁腈橡膠（NBR）作為高分子彈性體，憑借其優異的耐溫、耐油和高彈性，在油田鉆井作業工具中得到廣泛應用[1-2]。NBR是螺桿鉆具發動機中定子橡膠襯套的主體材料，定子注膠成型后內部形成螺旋形橡膠空腔，其與螺旋形轉子合理配合（一般是過盈配合）形成有效密封[2]。作業時，橡膠襯套受到復雜工況作用，即井溫的階梯上升、高溫介質的長期腐蝕、轉子的高頻剪切壓縮、轉子波峰峰頂與鉆井液共同產生的旋轉力作用，導致定子橡膠襯套發生熱膨脹、介質浸泡溶脹、壓縮永久變形和磨耗損失，其尺寸發生變化[3]。

本工作以常規型號的定子為例，結合NBR膠料的物理性能檢測，初步建立定子NBR襯套的配合尺寸在時間效應下的變化模型，從而預測在定轉子的設計配合尺寸下螺桿鉆具發動機的壽命[4]。

1 實驗

1.1 影響因素

172螺桿鉆具的初始定子小徑是選擇轉子中徑的主要參考數據，在螺桿鉆具下井作業時，定子小徑發生變化，初始定轉子過盈配合關系變化。探究NBR襯套的尺寸變化情況，需要從NBR膠料的溫升線膨脹、熱介質浸泡溶脹、壓縮永久變形和磨耗損失4個方面進行疊加計算[5-9]。

1.2 試驗設備

低溫膨脹系數測定儀、高溫滾子加熱爐、磨耗試驗機。

1.3 測試分析

（1）線膨脹系數采用GB/T 1036—2008《塑料－30～30 ℃線膨脹系數的測定 石英膨脹計法》測定。試樣尺寸為50 mm×6.3 mm×6.3 mm，硫化條件為175 ℃×15 min，硫化試樣室溫停放24 h后進行測試，試驗溫度范圍0～150 ℃，記錄溫度間隔為1 ℃。

試樣的膨脹量按式（1）計算：

式中 ΔH——試樣在各溫度點的膨脹量，μm；

Ht——試樣在加熱膨脹后的高度，μm；

H0——試樣在室溫下的原始高度，μm。

試樣的線膨脹系數按式（2）計算：

式中α——試樣的平均每攝氏度的線膨脹系數，℃-1；

ΔT——試驗溫度＋1.8 ℃。

試樣的體膨脹系數按式（3）計算：

式中β——試樣的平均每攝氏度的體膨脹系數，℃-1；

ΔS——試樣的底面積膨脹倍數。

試樣的膨脹率按式（4）計算

式中γ——試樣在某一溫度下的膨脹率，%。

（2）熱介質浸泡溶脹試驗按照GB/T 1690—2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐液體試驗方法》進行。試樣尺寸為20 mm×20 mm×2 mm，硫化條件為175 ℃×15 min，硫化試樣室溫停放24 h后進行測試，試樣在鉆井液中完成48 h的熱介質浸泡溶脹。

（3）壓縮永久變形采用GB/T 7759.1—2015《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓縮永久變形的測定 第1部分：在常溫及高溫條件下》測定。試樣為直徑29 mm、高12.5 mm的圓柱體，硫化條件為175℃×10 min，硫化試樣室溫停放24 h后分別進行室溫、70 ℃和150 ℃下的壓縮永久變形測試，壓縮率為10%～25%。

（4）阿克隆磨耗量采用GB/T 1689—2014《硫化橡膠耐磨性能的測定（用阿克隆磨耗試驗機）》測定。試樣尺寸為233.6 mm×12.7 mm×6 mm，硫化條件為175 ℃×10 min，硫化試樣室溫停放24 h后進行測試，磨耗時間為98 min。

2 結果與討論

2.1 NBR膠料性能

2.1.1 溫升線膨脹性

NBR膠料的溫升線膨脹性試驗結果如表1所示。

由表1可知：隨著溫度的升高，NBR膠料的線膨脹量和線膨脹率基本呈線性增大趨勢；線膨脹系數先增大，溫度升至45 ℃時線膨脹系數達到最大值，然后變化不大。分析認為，在溫度升至45 ℃后，NBR膠料的彈性模量變小，NBR膠料變軟[10]，受壓力影響，橡膠分子間運動增長幅度與溫度不呈線性變化[11]。

表1 NBR膠料的溫升線膨脹性試驗結果Tab.1 Temperature rise linear expansion test results of NBR compound

2.1.2 在熱介質浸泡溶脹性

NBR膠料的熱介質浸泡溶脹性試驗結果如表2所示。

表2 NBR膠料的熱介質浸泡溶脹性試驗結果Tab.2 Thermal medium immersion swelling test results of NBR compound

由表2可知：NBR膠料在90 ℃以上的介質中浸泡48 h，溶脹達到平衡；隨著介質溫度的升高，NBR膠料的溶脹率呈小幅上漲趨勢[12]。分析認為：介質溫度升高一方面促使介質粘度降低，流動性增強，更多的介質小分子溶劑滲入NBR膠料表面并向內部擴散；另一方面橡膠分子的活動能力增強，促使NBR膠料內部網絡結構增大，可以容納更多的介質小分子[13]。

2.1.3 壓縮永久變形

NBR膠料的壓縮永久變形試驗結果如表3所示。

表3 NBR膠料壓縮永久變形試驗結果Tab.3 Compression set test results of NBR compound

由表3可知：在相同壓縮時間下，NBR膠料的壓縮永久變形隨著試驗溫度的升高而增大；在相同溫度下，不同壓縮率的NBR膠料的壓縮永久變形變化小，即壓縮率對同一溫度下NBR膠料的永久變形影響不大[14-16]。分析認為，在高溫下，NBR膠料達到一定壓縮永久變形所需的時間縮短，因此在同一壓縮時間下，NBR膠料的壓縮永久變形與溫度密切相關，溫度高，壓縮永久變形大，反之溫度低，壓縮永久變形小。

2.1.4 磨耗性能

NBR膠料的阿克隆磨耗量如表4所示，預磨前試樣需在雙頭磨片機上打磨出粗糙面，打磨后試樣厚度變小。

表4 NBR膠料的阿克隆磨耗量Tab.4 Akron abrasions of NBR compound

從表4可以看出，NBR的阿克隆磨耗量平均值為0.048 g。

2.2 定轉子的配合尺寸變化規律

定子用橡膠襯套在井下主要受高溫、高頻剪切、鉆井液腐蝕等作用，發生熱膨脹、介質浸泡溶脹、壓縮永久變形和磨耗損失，以一個直徑為172 mm的定子為例，通過實驗室數據推測在特定井下的定子NBR襯套的配合尺寸變化規律，如表5所示。NBR襯套的配合尺寸與時間關系模型是按照以下規定建立的。

表5 不同鉆井時間的定子NBR襯套尺寸Tab.5 Sizes of NBR bushing for stator with different drilling time

（1）設定定子的初次下井井溫為90 ℃，初次下井井底溫度不高于150 ℃時，垂直深度每增大100 m，鉆井液溫度升高3 ℃；井底溫度高于150 ℃時，鉆井液溫度恒定。

（2）鉆井液溫度梯度與時間公式如下：

式中tn——完成鉆井時間；

tn-1——開始鉆井時間；

Tn——完成鉆井時鉆井液溫度；

Tn-1——開始鉆井時鉆井液溫度；

Vn-1——開始鉆井速度。

（3）NBR 襯套磨耗試片的密度為1.18 Mg·m-3，長度為233.6 mm，寬度為12.7 mm，磨耗時間規為98 min。NBR襯套磨耗試片每小時的磨耗厚度＝磨耗體積×60/（長度×寬度×98）＝（磨耗前質量－磨耗后質量）×60/（長度×寬度×98×密度）＝損耗質量×60/（長度×寬度×98×密度）。磨耗厚度是在一定壓力下室溫無介質滾動摩擦理想值。NBR膠料的每小時線磨耗率理想值為0.000 002 710 164。

（4）不考慮轉子的熱膨脹。

（5）NBR襯套的溫升線膨脹量為無介質下的純溫升線膨脹量。

（6）NBR襯套介質浸泡溶脹的理想情況為在每個溫度階段（浸泡48 h）均達到溶脹平衡，在48 h內NBR襯套的尺寸設定為勻速變化。

（7）理想的NBR襯套的尺寸變化順序為：初始鉆井尺寸-熱膨脹、介質浸泡溶脹尺寸-壓變尺寸-磨耗尺寸。

（8）NBR襯套的壓縮永久變形在溫度低于30℃時視作標準樣固定值的20.3%，溫度不低于30℃時視作標準樣固定值的88.2%，不考慮壓縮率、溫度和介質的影響。

（9）定轉子出現間隙配合時，視作發動機密封失效。

由表5可知：在鉆井2 d內，發動機定子NBR襯套受剪切熱膨脹和介質浸泡溶脹影響大，表現出厚度增大；之后，熱膨脹和介質浸泡溶脹基本達到飽和，此時摩擦和壓變逐步成為NBR襯套的尺寸變化主導因素，NBR襯套的厚度變小；在鉆井8 d左右，NBR襯套的壓變量也基本穩定，NBR襯套以磨耗為主；在鉆井20 d后，終過盈量為負數，定轉子出現間隙配合，密封失效[17-18]，發動機喪失功能。

3 結論

（1）螺桿鉆具發動機定轉子出廠前的尺寸配合直接影響其壽命。

（2）在井下使用中，螺桿鉆具發動機定子NBR襯套受復雜的地質因素影響，這些影響因素有物理力、溫升、介質、壓變和磨耗。

（3）通過測定NBR膠料的物理性能，結合油田實際打井數據，可以預測出廠螺桿鉆具在定轉子的設計配合尺寸下發動機的壽命。