探讨CO2驱封隔器胶件力学性能实验

探讨CO2驱封隔器胶件力学性能实验
封隔器胶件材料性能的好坏决定了封隔器的密封性能。

一般来说，如果胶筒力学性能降低，胶件的密封性能就会降低，甚至丧失工作能力。

因此，对封隔器胶件进行力学性能测试是非常有必要的。

封隔器胶件力学性能实验测试了丁腈橡胶（NBR）、氢化丁腈橡胶（HNBR）、氟橡胶（FKM）、聚四氟乙烯（PTFE）四种橡胶的应力与应变关系，从总体上认识橡胶材料的力学性能。

然后对四种橡胶在不同腐蚀程度下的弹性模量、泊松比进行测试，计算橡胶在不同腐蚀程度下的压缩模量，分析这些力学参数随温度、压力和CO2含量的变化规律，进而分析胶件的力学性能随腐蚀程度的变化关系，为现场的安全生产提供理论依据。

1 应力与应变关系测试
橡胶不同于其他材料，从开始加载就呈现明显的非线性关系，称为非线性弹性材料。

橡胶不存在塑性变形，都是弹性变形，能够完全恢复原状。

1.1 实验设备和实验步骤
1.1.1 实验设备：封隔器胶件应力-应变关系测定使用橡胶材料实验机TH-5000。

橡胶材料实验机可对橡胶进行拉伸、压缩、弯曲、撕裂延伸伸长等实验。

1.1.2 实验步骤：使用TH-5000橡胶材料实验机对橡胶应力应变关系进行测试，具体实验步骤如下：（1）试样分组：将实验用的四种橡胶，按照不同温度、不同压力和不同CO2含量将试件分为三大组，分别做不同影响下的应力-应变关系实验；（2）开动实验机，对橡胶从
0.5N/mm2加载，逐渐增加0.5N/mm2，直至加载到8.0N/mm2进行实验；（3）记录在不同载荷下橡胶的应变；（4）根据实验数据绘制应力-应变曲线图。

1.2 实验结果
丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶和聚四氟乙烯的应力-应变曲线均为非线性圆滑曲线，在相同应力条件下，丁腈橡胶的应变最大，其次是氢化丁腈橡胶，再次是氟橡胶，聚四氟乙烯的应变最小。

2 弹性模量测试
弹性模量反映了弹性变形能力，其值越大，材料发生一定弹性变形的应力也越大。

弹性模量的计算公式为：
2.1 实验设备和实验步骤
2.1.1 实验设备：弹性模量实验使用的是弹性模量实验机，可以做10000N 以内整个材料中拉伸、压缩、弯曲、剥离、刺破等实验。

2.1.2 实验步骤。

使用弹性模量实验机对橡胶弹性模量进行测试，具体实验步骤如下：
（1）试样分组：将实验用的四种橡胶，按照不同温度、不同压力和不同CO2含量将试件分为三大组，分别做不同影响下的弹性模量实验；（2）控制载荷，每施加一个载荷稳定后记录其变形量；（3）加载速度为10mm/min，最大载荷以试件达到25%～30%的变形为最大值，分别记录5个不同载荷下的变形量；（4）根据式（1），对不同载荷下的弹性模量进行计算，取其平均值，即为该外部条件下这种橡胶的弹性模量。

2.2 实验数据分析
对于弹性模量测试，根据实验得出的力与变形的大小计算出每个试件在不同条件下的应力、应变值，做出曲线变化图。

在变形不超过30%的情况下，得到每个橡胶试件的弹性模量，计算出所有温度、压力及CO2含量下的弹性模量值后做出弹性模量的变化。

见表1、表2、表3。

2.2.1 温度对橡胶弹性模量的影响。

由实验数据及处理结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四种橡胶的弹性模量随温度的升高而降低。

在实验温度范围内，随温度的升高，丁腈橡胶的弹性模量下降幅度最大，其次是氢化丁腈橡胶，再次是氟橡胶，最后是聚四氟乙烯。

2.2.2 压力对橡胶弹性模量的影响。

由实验数据及处理结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四种橡胶的弹性模量随压力的升高呈下降的趋势，下降的幅度由大到小的顺序依次是：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯。

2.2.3 CO2含量对橡胶弹性模量的影响。

由实验数据及处理结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四种橡胶的弹性模量随CO2含量升高而降低。

下降的幅度由大到小的顺序依次是：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯。

3 泊松比测试
受拉或受压时，横向应变与轴向应变之比的绝对值。

泊松比的计算公式为：
3.1 实验设备和实验步骤
3.1.1 实验设备。

封隔器胶筒橡胶泊松比测定使用橡胶材料实验机TH-5000。

3.1.2 实验步骤。

使用TH-5000橡胶材料实验机对橡胶泊松比进行测试，具体实验步骤如下：（1）试样分组；（2）然后调好压缩速度（以50±10mm/min的速度运行）开动实验机，即可对试样施加一个逐渐增加的牵引力；（3）记录在不同载荷下橡胶的横向应变和纵向应变；（4）根据式（2）计算橡胶试件在不同载荷下的泊松比，取平均值为橡胶的泊松比。

3.2 实验结果
根据实验测出的试样在纵向作用力下的横向应变和纵向应变，由式（2）计算试件的泊松比。

计算四种橡胶在不同温度、压力和CO2含量下的泊松比，做出曲线图，分析泊松比随这些因素的变化规律。

3.2.1 温度对橡胶泊松比的影响。

压力35MPa、CO2含量90%、不同腐蚀温度条件下四种橡胶的泊松比。

由实验数据及处理结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四种橡胶的泊松比随温度的升高而降低。

在实验温度范围内，随温度的升高，橡胶的泊松比的减小幅度由大到小的顺序是：聚四氟乙烯、氟橡胶、氢化丁腈橡胶和丁腈橡胶。

3.2.2 压力对橡胶泊松比的影响。

温度120℃、CO2含量90%、不同压力条件下四种橡胶的泊松比。

由实验数据及处理结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四种橡胶的泊松比随压力的升高而降低。

在实验压力范围内，随压力的升高，橡胶泊松比的下降幅度由大到小的顺序依次是：聚四氟乙烯、氟橡胶、氢化丁腈橡胶和丁腈橡胶。

3.2.3 CO2含量对橡胶泊松比的影响。

温度120℃、压力35MPa、不同CO2含量条件下四种橡胶的泊松比。

由实验数据及处理结果可知：在实验CO2含量范围内，随CO2含量的升高，四种橡胶的泊松比都表现为下降的趋势，下降幅度由大到小的顺序是：聚四氟乙烯、氟橡胶、氢化丁腈橡胶和丁腈橡胶。

4 压缩模量计算
材料在无侧向膨胀的条件下，材料压缩时垂直压力增量与垂直应变增量的比值即为压缩模量。

压缩模量的计算公式如下：
4.1 压缩模量计算
在材料的弹性阶段，压缩模量可根据弹性模量进行计算，计算公式如下：根据前面实验测出的四种橡胶的弹性模量和泊松比，由式（4）计算四种橡胶在不同温度、压力和CO2含量下的压缩模量，并分析压缩模量随这些因素的变化规律。

4.2 温度对橡胶压缩模量的影响
压力35MPa、CO2含量90%、不同温度条件下四种橡胶的压缩模量（MPa），由实验数据及计算结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四种橡胶的压缩模量随温度的升高而降低。

在实验温度范围内，随温度的升高，丁腈橡胶的压缩模量下降幅度最大，其次是氢化丁腈橡胶，再次是氟橡胶，最后是聚四氟乙烯。

4.3 压力对橡胶压缩模量的影响
温度120℃、CO2含量90%、不同压力条件下四种橡胶的压缩模量（MPa），由实验数据及计算结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四种橡胶的压缩模量随压力的升高呈下降的趋势，下降的幅度由大到小的顺序依次是：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯。

4.4 CO2含量对橡胶压缩模量的影响
温度120℃、压力35MPa、不同CO2含量条件下四种橡胶的压缩模量（MPa），由实验数据及计算结果可知：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯四
种橡胶的压缩模量随CO2含量升高而降低。

下降的幅度由大到小的顺序依次是：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯。

5 结语
通过对封隔器胶件力学性能实验，可以得出以下
结论。

（1）不同腐蚀程度下胶件力学性能变化规律。

在特定温度、压力和CO2含量下，橡胶会发生腐蚀，橡胶的力学性能会发生改变，弹性模量随腐蚀程度的变化规律是丁腈橡胶易与CO2发生腐蚀，腐蚀最严重，弹性模量变化最大；氢化丁腈橡胶和氟橡胶的弹性模量随腐蚀程度的变化相对较小；聚四氟乙烯基本上不发生腐蚀，因而弹性模量变化很小。

压缩模量和腐蚀程度的关系是丁腈橡胶的压缩模量变化最大，氢化丁腈橡胶次之，氟橡胶再次之，聚四氟乙烯的压缩模量随腐蚀程度的变化最小。

（2）在高温高压条件下，CO2会对橡胶产生腐蚀，进而影响橡胶的力学性能，通过力学性能测试，可以得出以下结论：NBR、HNBR、FKM和PTFE四种橡胶随着温度、压力和CO2含量的升高，弹性模量、泊松比和压缩模量都逐渐减小。

综合高温高压条件下橡胶的腐蚀程度与力学性能，可知HNBR最适合作为封隔器胶筒的材料。

虽然PTFE和FKM的抗腐蚀性能最好，但是其弹性很差，不易加工，不能起到密封的效果，虽然HNBR的抗腐蚀性能不如PTFE和FKM，但是也能达到井下条件的抗腐蚀要求，而且易加工，密封性能很好。