油田常用橡胶部件断裂韧性的测定研究

姜兴国(新疆耶路高特工贸有限公司， 新疆 克拉玛依 834000)

油田常用橡胶部件断裂韧性的测定研究

姜兴国(新疆耶路高特工贸有限公司， 新疆 克拉玛依 834000)

一般情况下油田的橡胶零件发生断裂的判断依据是J≥ JC，通过对标准橡胶进行实验得出的结论发现，试件在拉断时的最大载荷与裂纹刚开始时的启裂时的临界载荷,都与裂纹的深度存在着线性关系,具体表现为随着裂纹的相对深度变大而减小。本文通过模拟载荷位移曲线上的裂纹启裂点，设计出了裂纹启裂迹线,并且通过裂纹启裂迹线法拉力测量油田常用橡胶的临界J积分值。

橡胶断裂韧性；油田；实验研究

1 检测临界J积分的具体方法

首先，需要一块带有裂纹的橡胶零件，衡量其抗破坏的性能可以通过常用的橡胶材料的断裂韧性。我们通常所说的断裂韧性是指当裂纹扩大到单位面积时需要的能量，这些数值都是材料常数，可以采用实验的方式测量获得，并根据得到的数值的基础上建立带裂纹橡胶零件的断裂判据为：

J≥ JC

式中：JC为橡胶材料的临界J积分值；J为带裂纹橡胶零件的

实际J积分值。

如果得出来的结论是J≥ JC，那么就说明裂纹已经开始启裂并且正在逐步向外扩展，如果得出的结论是JC≥ J，那么就说明裂纹并没有向外扩展。

J积分在物理中指的是如果裂纹开始起裂并且扩展到单位面积的时候，在裂尖附近的区域内所吸收的能量[1]，它的具体计算表达式为：

J=∫T(Wdy- TuxdS)

式中：W为应变能密度；T为作用在闭合曲线Γ上的力矢量；

u为位移矢量。

当有外力对试件开始发生作用力时，其中部分转化为试件的应变力，其余的被裂缝向外扩展时所吸收。所以，J积分又可以表示成势能U对裂纹长度a的一阶导数J=-dUda，如果是在两个相同的受载情况下时，裂纹深度可以分别表示成a和a+ da的试件之间的势能差，而势能U就能够通过带裂纹试件的载荷位移曲线所覆盖的面积来确定。如果是在线性弹性的情况下，那么J积分就相当于应变能的释放率，其也能够在非线性弹性以及塑性中应用。然而，因为距离裂尖较远的部分仅能吸收很少的一部分能量，并没有对裂纹的扩展作出贡献，如果把J积分作为橡胶的断裂韧性的时候，那么就一定要去掉离裂尖较远的区域被裂缝吸收的能量，我们通常将其称之为伪势能项。去掉这项能量的方法就是通过使用去除的裂纹启裂迹线法，选取两块形状相同的带有裂纹的橡胶材料，并且要保证尺寸也相同，用两个尺寸和形状相同，将这两块橡胶材料的裂纹分别设为a以及a+Δa，并用其进行实验测试，这两块橡胶材料的载荷位移曲线制成图表，点C1和C2是两个橡胶材料的裂纹启裂点，点C1和C2之间的连线叫做裂纹启裂迹线，由这三条曲线围成的面积就是由裂纹扩展而形成的面积Δa，裂纹启裂时吸收的能量表示为ΔUC，所以可以将其表示为：

ΔUC=- JCBΔa也可表示为：JC=-dUCBda

式中：B为橡胶材料的厚度；UC为在裂纹的深度发生变化时，

相应的曲线斜率的负值。

在本次试验中，所使用的制作油井封隔器胶筒的橡胶材料分别是813号、814号、802号和240号四种，通过采用制作胶筒时所用的工艺将这四种胶筒硫化模压成标准试件，并对着四种橡胶材料的主要力学性能进行测试，并记录下所测得的数值。其次，就要测量橡胶的断裂韧性的试件的尺寸以及形状，选取一把锋利的单刃刀片，在试件上割出一道裂痕，用一锋利的单刃刀片在试件的中部割一道裂痕，将这道裂痕的深度设为a，再将这道裂纹向垂直的方向拉伸，这道裂纹的相对深度a/ w设为恰好是所需要的指定尺寸。再把试件放在实验装置的夹头上，通过胶带传动和蜗轮蜗杆传动来控制加载速度。在正常室温的条件下，夹头向下运动的速度为每分钟5mm，位移信号通过位移传感器送入X- Y记录仪。载荷信号通过力传感器、电桥盒和动态应变仪送入X- Y记录仪。在这种情况下，加载后X-Y记录仪就能够自动记录带裂纹试件拉伸的载荷位移曲线。观察并记录好裂纹启裂的位置，用光源将裂尖及其附近的区域照亮，为了更好观察裂尖，可以将其用鲜明的颜色标注出来。在整个实验中，使用图像处理工作站摄像头把试件在裂尖及其附近区域发生过的变化记录下来。再通过视频回放，找到准确的启裂位置。为了提高本次实验的准确性以及普遍性，可以将具有同样裂缝深度的试件做三个，再求取其平均值来作为本次实验的结果，最终确定JC值。

2 实验结果与分析

通过本次实验来获得橡胶材料试件的载荷位移曲线，将三个试件按比例取点，并求得平均值，这个值就是裂纹深度的载荷位移曲线数据。通过实验的结果可以得知，当试件被拉断的时候，其最大载荷与最大位移都是随着裂纹的相对深度a/ w的增加而下降。这就说明韧带越宽，在发生断裂前的形状变化就越大，因此，所吸收的能量也就越多。从橡胶试件的整个形变的过程可以看出，裂纹尖端开始的时候会变成椭圆形，随着裂缝的向外扩展，一直到发生断裂，通常情况下，裂纹的扩展方向与裂纹的方向是相同的。橡胶试件最大载荷与裂纹相对深度之间是一种线性关系，也就是说随着裂纹越来越深，它的数值越来越小。

3 结语

总而言之，油井中有一些零件是由橡胶材质制作而成，在具体的使用的过程中，存在着一定的缺陷，通过对橡胶材质零件的缺点进行研究，并通过实验证明在橡胶发生裂缝时的抗破坏能力以及裂缝的向外拓展时的方向来对油井的橡胶材质的零件做相应的防护工作。

[1]杨晓翔,张永弘,罗敏,阎乐好.油田常用橡胶断裂韧性的实验测定[J].石油机械,1999，(10):15-17.