承压状态下氟橡胶O型密封圈耐酸性介质腐蚀性能

2014-09-27曾德智雷正义重兴成施太和

机械工程材料 2014年8期

曾德智，李坛，雷正义，重兴成，张智，施太和

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2.中国石油吉林油田公司，松原 138000；3.中国航天科技集团公司川南机械厂，泸州 646000）

0 引言

橡胶密封制品广泛应用于油气田中，O型密封圈是最常见的一种，主要用于液压与气压传动系统中的静密封和往复运动密封［1］。在油气田作业中，橡胶密封制品的密封性能和使用寿命与油气田的作业环境（温度、压力、化学流体）密切相关［2－4］。随着油气开采的不断深入，作业环境也愈发恶劣，这就对橡胶密封制品的性能和质量提出了更高的要求。

氟橡胶是橡胶密封制品最常用的材料之一，主要应用于高温环境中［5］。在高温高压及含腐蚀性流体的油气井环境中作业时，密封制品常会因性能下降引起密封失效，使得密封制品与钻采设备之间的接触应力被释放，腐蚀介质泄漏，窜入油套环空，形成井筒环空带压，影响生产安全［6－9］。目前，对于橡胶O型密封圈的性能研究仅限于自由状态，而在实际工况下的O型密封圈通常处于压应力状态（简称承压状态），且现今大部分测试是在原始状态下开展的［10－14］。因此，研究承压状态下O型密封圈在高温、高压腐蚀环境中的腐蚀损伤行为及可靠性具有重要意义，但目前有关此方面的研究报道并不多。

为此，作者对自由状态及承压状态下三种氟橡胶O型密封圈在高温、高压、高含酸性介质环境中腐蚀前后的性能进行了研究，为氟橡胶密封制品在油气田井筒密封件中的应用提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验采用氟碳橡胶、氟硅橡胶（国内生产）和V0709-90氟硅橡胶（国外生产）三种材料的O型密封圈作为试样，每种材料各30件平行样，设计尺寸为φ47.2mm×3.6mm，实际尺寸均在公差允许范围内，试样表面平整光滑。

按照以下步骤进行腐蚀试验。

（1）将每种氟橡胶O型圈试样都分成5组，每组6个，分别按表1所示方案进行腐蚀试验。其中，第1组用于初始状态（即不进行腐蚀试验）下的测试，其余4组分别用于模拟在四种不同环境中服役后的测试。

表1 氟橡胶O型密封圈在酸性介质中腐蚀试验的方案Tab.1 Acid medium corrosion test scheme of fluorine rubber O-rings

（2）承压状态腐蚀试验采用自主设计的密封组件，如图1所示。装配时，先将橡胶密封件装配在密封盖上的U型凹槽内，在密封本体内放入显像剂（通过显像剂在腐蚀试验前后的变化可以帮助判断橡胶密封件密封性能的优劣），然后用扳手借沉孔旋转加力，将密封盖通过螺纹与密封本体连接组装完成密封组件。各部件均按照设计尺寸在公差允许范围内精密制造以确保检验装置的密封性。

图1 承压状态试验密封组件Fig.1 Seal assembly for test on load

橡胶密封件安装在密封盖上，与密封本体装配后，其压缩率约为10%，由此实现橡胶密封件的承压状态。通过密封盖与密封本体的间隙大小控制橡胶密封件承压应力的大小。试验采用公差配合同等水平的密封组件，使得各橡胶密封件的承压应力大致相近，同时，采取设置6个平行试样以减小试验误差。

（3）将自由状态试样和密封组件置于高温高压釜内的指定位置，并倒入配置好的模拟地层水至要求的气液相界面，将釜密封，即为液相环境。模拟地层水水型NaHCO3，成分如表2所示。

表2 模拟地层水的主要离子成分Tab.2 The main ion components in simulated formation water

图2 腐蚀试验装置Fig.2 Corrosion test device

（4）向釜内通入N2除氧、试压，然后对釜体升温，待温度到达175℃，依次通入体积分数为20%H2S、5%CO2、75%CH4气体，压力为60MPa的，待釜内参数稳定后关闭阀门，即为气相环境。

（5）试验保持168h后，降温泄压，开启高压釜釜盖，取出试样。在釜内温度、压力、介质等条件的作用下服役一定周期后，通过试样性能的损伤程度即可判断其耐腐蚀性能的好坏。打开密封组件的密封盖，取下橡胶O型圈，观察显像剂的变化，判断各密封组件的密封效果。观察各组试样的形貌，测试各个试样的几何尺寸和力学性能。

橡胶O型圈的拉伸性能参照GB/T 5720－2008《O型橡胶密封圈试验方法》在JWL-2500N型电子拉力试验机上进行；硬度测定采用LX-A型橡胶硬度计。其中拉伸性能、硬度结果均为3个试样的平均值。将初始状态和腐蚀后的测试数据进行对比分析，后4组试样试验后几何尺寸和力学性能的变化分析均以第1组初始状态下的测试数据作为参照。

按照GB/T 2941－2006《橡胶物理试验方法试样制备和调节通用程序》测量腐蚀前后各O型圈试样的截面直径d2和体积V，然后计算不同环境中各组试样的平均截面直径和平均体积，进而计算截面积变化率和体积变化率。单个O型圈的截面直径采用其三个不同位置测试结果的平均值。腐蚀前后O型圈的截面均假定为理想圆形截面，则其截面积A；截面积变化率ΔA；体积变化率ΔV，计算如下。

2 试验结果与讨论

2.1 几何尺寸

由图3，4可见，腐蚀试验后，三种氟橡胶O型圈的截面积和体积在各种环境中均有不同程度的变化；无论是自由状态下还是承压状态下，O型圈的截面积和体积在气相环境中的变化率都比在液相环境中的大。

图3 腐蚀试验后不同O型密封圈的截面积变化率Fig.3 Sectional area changes of O-rings after corrosion test

O型密封圈几何尺寸的变化是橡胶在腐蚀环境中发生溶胀、溶解或塑性变形等多种原因共同造成的，其原因较为复杂。因此，不建议将几何尺寸作为橡胶密封件腐蚀损伤的主要参考指标。但是，O型密封圈的几何尺寸和其密封性能有密切关系，几何尺寸发生变化将会影响其密封性能。经高温、高压腐蚀后O型密封圈的几何尺寸产生了变化，不能恢复至初始状态，三种氟橡胶O型密封圈在该腐蚀环境下服役后均不能重复使用。

图4 腐蚀试验后不同O型密封圈的体积变化率Fig.4 Volume changes of O-rings after corrosion test

2.2 力学性能

2.2.1 拉伸性能

由图5，6可见，三种氟橡胶O型密封圈腐蚀后，其拉伸性能均有不同程度的下降；在同相态环境中，承压状态下的O型密封圈的拉伸强度和拉断伸长率比自由状态下的高，说明O型密封圈在承压状态下的腐蚀程度比在自由状态下的轻。此外，在自由状态下，O型密封圈在液相环境中的拉伸强度和拉断伸长率比在气相环境中的低，说明在自由状态下，O型密封圈在液相环境中的腐蚀程度比在气相环境中严重，而承压状态下的则相反。

图5 腐蚀前后不同O型密封圈的拉伸强度Fig.5 Tensile strengths of O-rings before and after corrosion

图6 腐蚀前后不同O型密封圈的拉断伸长率Fig.6 Elongations at break of O-rings before and after corrosion

2.2.2 硬度

由图7可见，腐蚀试验后，三种氟橡胶O型密封圈的硬度在各种环境中均有不同程度的减小；相同相态环境中，氟橡胶O型密封圈在承压状态下的硬度均比在自由状态下的大，说明O型密封圈在承压状态下的腐蚀程度比在自由状态下的轻。此外，在自由状态或承压状态下，O型圈在两相环境中的硬度差异与拉伸性能的差异趋势相近，但幅度不大。

图7 腐蚀前后不同氟橡胶O型密封圈的硬度Fig.7 Hardness of O-rings before and after corrosion

2.3 腐蚀形貌

2.3.1 氟橡胶O型密封圈

试验后各组内平行试样的腐蚀形貌相近。由图8可见，在自由状态气相环境中，O型密封圈膨胀并发生了严重的塑性变形；在自由状态液相环境中，O型密封圈的形貌变化较大，不仅发生了严重的塑性变形，而且还出现了鼓泡和溶胀；在承压状态气相环境中，O型密封圈发生了断裂现象；在承压状态液相环境中，O型密封圈无明显变化；此外，所有O型密封圈还有软化、发粘等现象。

对比发现，在承压状态下，O型密封圈在气相环境中腐蚀后的损伤比在液相环境中的大；在自由状态下，O型密封圈在气相环境中腐蚀后的损伤比在液相环境中的稍小；O型圈在自由状态下腐蚀后的损伤比在承压状态下大。以上现象和O型圈的力学性能测试结果相符。

图8 V0709-90氟硅橡胶O型密封圈腐蚀后的形貌Fig.8 Morphology of V0709-90fluoro-silicone rubber O-rings after corrosion

在自由状态和承压状态下，三种氟橡胶O型密封圈腐蚀后几何参数和力学性能的试验结果均存在一定差异，而实际工况下橡胶密封件通常处于承压状态。因此，对橡胶密封件进行腐蚀测试及对材料的适用性进行评估时建议以承压状态下的测试结果为主要参考。

2.3.2 密封组件

从图9（a）可见，旋开密封组件的密封盖时，部分O型密封圈会变形鼓出，同时还会听到气体喷出的声音。这是因为，在高温、高压环境中，气体在橡胶中溶解扩散，进入密封本体的密封腔内。当密封盖打开时，渗透到橡胶密封件内部的气体压力、密封腔内的气体压力和外界大气压产生了较大压差，在此压差作用下，气体快速逸出；同时，溶解在橡胶内的气体从橡胶中爆出的过程易使橡胶密封件鼓胀变形、起泡，甚至开裂。

从图9（b）可见，密封盖打开后，一部分O型密封圈外径涨大，脱离密封盖的U型凹槽。检查密封组件密封本体，发现里面有液滴存在，显像剂也发生了变化，说明密封件出现渗漏，密封失效。