采油螺杆泵定子橡胶失效分析与检验

左庆辉

（大庆油田装备制造集团采油装备制造分公司，黑龙江大庆 163000）

0 引言

螺杆泵采油技术具有占地面积小、结构简单、效率高等优点，已经广泛应用于国内各大油田。螺杆泵核心部件为橡胶定子和金属转子，两者配合运行时形成用于举升原油的密封腔室，但受到高温高压、强腐蚀性介质等油井极端复杂工况环境的影响，定子橡胶材料易产生膨胀，出现硬度下降、材料变软和摩损加剧等现象，橡胶老化加快了定子失效速度，导致螺标泵的使用寿命较短，制约着运行效率，在使用过程中时常出现运行故障。这就需要对定子橡胶失效进行分析与研究，为选择满足油井工况要求的橡胶材料提供参考。

1 油田螺杆泵定子橡胶失效分析

1.1 溶胀失效

螺杆泵定子橡胶出现溶胀，会在承压端产生突起，橡胶材料受到溶胀作用影响会导致体积变大，多出的体积会在承压端显现出来，这就是承端端突起的根本原因。定子弹性体上也会存在一定程度的裂纹损伤，使定子表面变脆、变硬。溶胀引起的定子橡胶失效，原因是受井下高温高压环境影响，橡胶材料的物理性能、化学性能等会不断变差，螺杆泵运行时存在机械磨损，橡胶体积的变大会使定子与转子间存在配合干涉，严重情况下会发生轴颈坏或转子断裂等问题。

溶胀是有机高分子聚合物吸收某种溶剂后出现的体积膨胀现象，原油中含有链烷烃、卤代烃、含硫化物等有机溶剂，定子橡胶可以被有机溶剂溶解，橡胶材料在硫化成型时存在分子间的交联，与有机溶剂共存相同环境时会吸附有机溶剂分子，橡胶材料体积的变大会诱发溶胀。为降低溶胀对定子橡胶的负面影响，应该尽可能采用选用与原油成分相容的橡胶材料。

1.2 化学侵蚀失效

原油化学成分复杂，会稀释定子弹性体软化剂，橡胶分子结构会发生变化，在化学侵蚀下失去弹性。同时，定子、转子运行时会形成热量，也会导致弹性体结构失去稳定性。原油中酸性化学成分会对定子橡胶造成腐蚀与破坏，从表面开始逐层对弹性体进行侵蚀。原油存在的硫化氢、二氧化碳等气体，还具有矿物溶液、无机盐等，上述成分与螺杆泵定子接触，会导致橡胶化学成分变化，如硫化氢与有机溶液会使橡胶变硬、弹性变差等，并伴随着裂纹，该类化学物质浓度越大，橡胶体积膨胀率、拉伸强度等下降程度越严重。二氧化碳会使橡胶出现软化和溶胀问题，螺杆磁吸入口存在游离状的二氧化碳等气体，渗入橡胶会导致体积增大，如橡胶内充满了气体，如果外部环境压力变小时会受到压差作用而出现气体外渗，当压差在短时内不能释放，会使橡胶鼓泡而出现脱层、破坏。需要根据原油成分来配制有针对性的配方，以提升定子橡胶耐腐蚀性能。

1.3 机械磨损

螺杆泵橡胶定子长时期运行于高背压条件下，如果承压端的压力大于极限应力或存在材料疲劳，弹性体会受到一定程度的损坏。螺杆泵运行摩擦形成的热量会使弹性体结构失稳，受到转子转动等机械因素影响会受到损伤，再加上原油内固形物进入定子对橡胶材料造成损伤，会加快定子橡胶的磨损。干摩擦会导致定子橡胶形成摩擦热，随着软化和硬度下降，出现大面粘着与摩擦副转移，会存在脱胶、撕裂等问题。定子吸入端残留油液可以使其长时期运行于润滑状态，定子承压端经常在干摩擦条件下运行，会存在干摩擦磨损问题，在含气较高的油井环境下，为防止螺杆泵出现干运行，可选用具有良好耐磨性的橡胶。

机械磨损影响着螺杆泵使寿命，在螺杆泵投运初期存在过盈配合，会导致定子转子间产生干摩擦，进入到稳定运行期间以后，磨损量的变大和过盈量的变小，油液会渗透至摩擦副缝缝而提供润滑，进入到后期会使定子摩损量变大，定子转子转变为间隙配合，形成的油膜会分隔开摩擦副，依赖油膜压力来形成润滑摩擦，该阶段的螺杆泵运行效率会变小，定子临近失效边缘。

2 试验与验证

2.1 仪器设备与材料制备

干摩擦试验采用MPV-600 型环块试验机，金属轮为45#钢；40 mm×25 mm×6 mm 的橡胶试样，材料为NBR 及FKM 的混炼胶；NBR 配方主要成分为NBR N41、硬脂酸、软化剂、硫磺；FKM配方主要成分为氟橡胶FKM2462、氢化钙、炭黑；丁腈橡胶为一段硫化，氟橡胶为两段硫化，硫化后的邵氏硬度为（75±2）HD；试件1～试件7 的NBR/FKM 配比值分别为10∶0、8∶2、7∶3、5∶5、3∶7、2∶8、0∶10。

2.2 干摩擦试验

干运行条件下的机械磨损会使定子橡胶快效失效，为研究干摩擦状态下橡胶磨损机理，对多种橡胶进行磨扣试验。试验参数：运行转速为200 r/min，施加载荷为200 N，持续时间为900 s。试件置于超声发生器，采用酒精对试件表面进行清洁处理，再转移至恒温箱以100 ℃持续烘烤1 h，再采用体式显微镜对混炼胶磨损情况进行观察。

（1）NBR 磨损。丁腈橡胶磨损痕迹较为明显，表明橡胶材料存在着较为严重的磨损，符合定子干摩擦状态下的磨损形式。对实验过程进行分析，摩擦时会使摩擦副间形成热量，强度与硬度也会跟着热量增加而变小，软化橡胶粘在金属轮表面，运行时会被部分甩下来，导致橡胶材料出现裂痕，存在着严重的磨损现象。这说明NBR 材料并不适合应用于该实验。

（2）FKM 磨损。显微镜观察氟橡胶材料中存在磨粒磨损痕迹，由于犁沟宽度不大则表明磨损现象并不严重，存在着磨粒磨损是耐热性及硬度性能要优于丁腈橡胶，对温度条件并不敏感，不存在粘着磨损痕迹，该橡胶材料更适合应用于干摩擦状态。

图1 为1～7 号试件在干摩擦状态下橡胶试件失重曲线，3 号试件混炼胶失重量最小，表明该试件具有很好的耐干摩擦性能。该试件与其他试件磨损机理不同，表现为疲劳磨损。在相同井下运行环境情况下，不同类型橡胶表现出不同的机理，表明橡胶材料引起磨损机理的改变，做好材料选型对提升定子橡胶寿命有着重要作用。

图1 干摩擦状态下的橡胶试件失重量曲线

2.3 水润滑条件下磨损

水溶胀为螺标泵失效的主要原因，将水为作介质开展溶胀试验，在水润状态下对没有进行溶胀和溶胀后试件进行试验，分析研究溶胀对耐磨性能的影响。

2.3.1 溶胀试验

BNR、FKM 试件各取5 块，对试件表面进行清洁处理，测量并记录试件质量与硬度，分别置于去离子水中72 h，取出采用酒精等清面表面，空气环境下风干3～4 h，测量试件溶胀后质量与表面硬度，对比分析溶胀前后的质量与硬度改变情况。

实验结果：NBR、FKM 在溶胀后质量改变均值分别为34.14 mg、24.32 mg，硬度变化均值分别为-1 HD、-1.8 HD。

在溶胀质量改变情况来看，FKM 比BNR 的溶胀量大，NBR溶胀质量增长为FKM 的1.4 倍，FKM 耐溶胀性优于NBR。

2.3.2 摩擦磨损

磨损时间为720 s、装载荷分别设置为10 N、20 N、30 N和45 N，转速为200 r/min，试验完成后对试件进行清洗，置于恒温箱中持续烘烧1 h，取出试件后在室内冷却至室温，测量记录质量及磨损表面硬度，对比分析磨损前后失重量和表面硬度。

试验结果：在不同载荷情况下，NBR 的质量改变量为4.01 mg、7.48 mg、13.55 mg、24.71 mg，FKM 的为1.22 mg、2.1 mg、3.65 mg和5.33 mg；两者失重量均呈现出线性，随着载荷变大而增长，NBR 失重量均超过FKM，表明NBR 受到载荷产生的变化更大；FKM 并不对荷载改变敏感，耐磨性要优于NBR。

2.3.3 浸泡后摩擦磨损

将浸泡处置以后试件提出，对表面进行清洁处理，置于空气持续风干3～4 h，采集试验数据以后开展摩擦磨损试验，试验参数、试验条件与没浸泡试件相同，分析浸泡对磨损性能的影响。

试验结果：在设置的载荷情况下，溶胀后NBR 质量变化分别为9.06 mg、14.55 mg、26.53 mg、42.77 mg，FKM 质量变化分别为1.41 mg、2.35 mg、4.4 mg、6.12 mg。从显微镜中观察发现，溶胀导致磨损更为严重，对NBR 影响大，存在着更重的磨痕，FKM 在溶胀作用下也存在磨损加剧现象但磨痕并不明显，表明FKM 在耐溶胀与水润耐磨性能方面具有更好的性能。

2.4 油润滑磨损

原油化学成分对螺杆泵定子橡胶会产生一定程度的腐蚀，会加快定子橡胶磨损，模拟油井环境并采用原油作为润滑材料进行分析与研究。磨损时间9 h、载荷200 N、转速200 r/min。试件置于超声发生器内，采用试剂过行清洗，再置于恒温箱中以100 ℃持续烘1 h，测量记录磨损前后质量和硬度。

采用显微镜对NBR 材料在原油及纯水中磨损的表面图橡过行观察，发现原油有纯水中磨损量差别较小，却有着不同的磨损机理，原油化学成分对材料表面造成侵蚀，表面存在着氧化现象，分子链已经被破坏，原油介质使材料表面存在腐蚀磨损痕迹，纯水中为磨粒磨损痕迹。原油润滑效果好于溶液，但水溶液对橡胶具有溶胀作用，NBR 在两种介质间磨损量差别不大，这是由于原油中化学成分产生的腐蚀引起腐蚀磨损。

3 结语

综上所述，螺杆泵定子橡胶损坏是由于溶胀、化学侵蚀和机械磨损导致，机械磨损多伴随着溶胀、化学侵蚀，多种因素共同作用与影响，加快了定子橡胶的失效速度。从干摩擦、水润滑和油润滑实验结果来看，同样油井环境下橡胶材料磨损会引起机理变化，溶胀导致硬度、耐磨性下降，油液化学成分会侵蚀橡胶表面而改变分子链结构，因此，选择合适的材料对提升定子橡胶寿命有着重要作用。