橡胶O型圈耐CO2腐蚀测试及适用性研究

王明春

摘要：将橡胶O型圈应用到富含CO2油气田作业中对油气田的安全生产有着十分积极作用。据调查显示，虽然以往橡胶O型圈研究较为自由，但实际应用却常常处于压力状态下。对此需积极设计出一种不受压力约束的橡胶密封性能较强且耐腐蚀装置，在相对环境下开展橡胶材料耐腐蚀实验测试，通过形状外貌和使用性能的综合比较做出合理性评价。本文主要对橡胶O型圈耐CO2腐蚀测试和适用性分析进行深入交流探索。

关键词：橡胶O型圈；CO2腐蚀测试；适用性

基于橡胶产业迅速发展背景下，越来越多类型橡胶材料是层出不穷，逐渐在石油开采工程中取得广泛使用。一般可将橡胶材料划分到非线性领域内，只要受到较小压力影响便会出现变形情况，其中O型圈作为一种最常见密封件，具有适用范围广、操作简单等特点，目前我国使用的橡胶制品大多是丁腈橡胶和氟橡胶，但若是处于腐蚀环境下则容易出现密封件失效问题，进而引发腐蚀渗透现象。对此需对橡胶O型圈在高温环境下的应用状态深入分析，根据橡胶密封件在自由状态下的性能测试总结得出橡胶O型圈的适用性特征。

一、橡胶O型圈耐CO2腐蚀测试的必要性

对于现阶段的油田开采来说，多数油气井中均含有浓度较高的CO2气体，在温度和压力均超出标准限定时就会形成临界CO2气体，致使密封件出现气泡、溶胀等腐蚀现象，油田开采工作将无法正常推进。在此需不断创新研发耐CO2腐蚀的橡胶材料，便于为油气田开采提供满足CO2要求的橡胶密封制品，具体可将创新内容分为两项：第一，借助防老体系、补强体系及生胶体系等进行配合设计，并通过CO2试验操作做好分析工作，最终得到相对完善CO2橡胶配方；第二，工作人员需将研发成功的橡胶密封制品放入到CO2井中开展现场试验测试。同时创新研发的耐CO2橡胶性能还要满足以下指标：伸长率大于等于100%；体积膨胀率小于等于50%；抗拉强度大约等于12MPa等，并且仅仅适用于CO2浓度在35%以下的油气井。除此之外，橡胶配方中可适当添加短切纤维、纳米材料等，进一步提高耐CO2物理性能水平。

二、橡胶O型圈耐CO2腐蚀测试操作

（一）实验材料

本次实验使用到的试件主要有氟硅橡胶、氟碳橡胶、氢化丁腈橡胶及四丙氟橡胶等，每种材料均为45件，且尺寸为Φ47.2mm×3.6mm，表面较为平整光滑。

（二）实验方案

需对上述提出的几种橡胶材料分别进行耐CO2腐蚀实验操作，将各种橡胶材料的O型圈均分成五组结构，其中第一组暴露在空气中，而剩余四组则在不同环境下进行物理性能实验测试。首先对第一组橡胶材料进行硬度、压缩性及抗拉伸性能测试工作，随后对其他四组进行物理性能测试观察，仔细观察前后变化。最后还要最开始的形状外貌和物理性能与腐蚀后的形状外貌、物理性能展开比较，从而做出适用性评价分析。

（三）实验装置

为确保得到较为准确的橡胶材料密封件耐腐蚀程度，相关工作人员自行设计了夹具装置。使用过程如下：首先将橡胶密封件安放在密封盖的U槽内，将密封体放置在显像剂下，随后根据扳手适当旋转加力，使密封盖能够借助螺纹连接完成密封组件工作。并且此期间涉及到的所有部件均应按照标准规范执行，借此提高實验装置密封性能。

（四）实验步骤

具体可就以下几点展开详细介绍：第一，选取某种类型橡胶O型圈进行实验操作，根据实验方案要求将其分组，仔细观察原来形貌并做好物理性能检测工作；第二，顺利完成耐腐蚀状态下的橡胶密封组件装配工作；第三，将各组实验样本分别放置到明确位置，并向其中倒入适量溶液随后将其密封；第四，实验全过程控制在165小时内，需在温度降低后取出实验样本；第五，打开密封组件的密封盖，从中取出橡胶O型圈，认真观察显像剂变化情况，从而明确密封组件的实际密封成效；第六，观察各组橡胶O型圈形貌和物理性能，进行腐蚀前后的对比分析。

三、橡胶O型圈耐CO2腐蚀测试适用性分析

（一）物理性能

据调查了解到，氢化丁腈橡胶O型圈材料的抗拉伸性能要明显比其他三种材料要好。根据耐CO2腐蚀实验结果显示，不同环境下四种橡胶O型圈抗拉伸性能都发生了一定程度变化，但都远远超出自由状态下的抗拉伸强度，这代表着压力作用下O型圈的腐蚀程度要明显弱于自由状态下。同时自由状态下液体环境下的O型圈抗拉伸性能要低于气体环境下的抗拉伸能力，这表示液体腐蚀程度超出气体腐蚀程度。除此之外，空气环境下氢化丁腈橡胶材料和四丙氟橡胶材料适用性也要超出其他两种，腐蚀实验测试后发现四种O型圈在不同环境下都出现了降低情况，并且自由环境下O型圈伸长率下降率要超出压力环境下，这代表O型圈在自由状态下的腐蚀程度超出压力状态下。总体来说，四种橡胶O型圈在进行腐蚀测试后拉伸性能都会下降，其中氢化丁腈橡胶O型圈拉伸性能最强。

（二）形貌和失效机理

通过耐CO2腐蚀实验还可以了解到，腐蚀前后的氟硅橡胶O型圈形貌发生了一定变化，如变形、膨胀、气泡等，并且还伴随着发粘、软化等现象，需仔细检查密封组件，一旦发现存在液滴，显像剂也会出现变化，这代表着密封组件出现渗漏隐患，密封成效完全失去意义。同时耐腐蚀实验后存在的O型圈变形、软化及裂纹等情况还说明橡胶老化，即为橡胶分子链发生降解反应，致使橡胶物理性能大幅度下降。而导致橡胶老化的影响因素包括众多，如温度因素，在相对较高温度下橡胶容易出现热裂解现象，甚至会加速橡胶的分解。腐蚀实验结束后还可对液体环境下的橡胶O型圈膨胀现象观察，在O型圈融入到溶液中后，溶液会与其中包含的硫化橡胶接触，致使溶液分子会吸收到橡胶内部致使体积迅速扩大。或者橡胶材料的网状分子结构会向三维空间拓展，因过度变形造成较大弹性损失，这时橡胶回弹性也会大幅度下降，对密封性能提升非常不利。除此之外，橡胶O型圈发泡出现频率也是较高，导致这种现象出现的根本原因在于高压环境下，碳氢化合物和CO2等物质在橡胶材料中的溶解程度明显低于正常压力下。如果压力迅速下降，那么溶解气体也会从橡胶材料中快速流出，致使橡胶密封件出现发泡现象，密封性能降低。总而言之，容易致使橡胶密封件失效的几项因素分别是压力、介质及温度等，需随时关注橡胶密封件的使用情况，尽可能选择较恰当橡胶材料，提出可行性预防改进措施，避免因受橡胶密封件失效影响造成较大损失。

结束语：

综上所述，处于相对高温高压环境下橡胶O型圈的物理性能会大幅度下降，并且抗拉伸能力和伸长率也会降低，容易使橡胶材料出现变形等隐患问题。同时压力作用下橡胶O型圈的腐蚀程度也要低于自由状态下，而同样情况下的液体腐蚀也弱于气体腐蚀，致使实验结果存在着一定差距，在此需将压力状态下的分析结果看作是主要参考依据，尽可能选择较恰当橡胶材料，避免出现变形、膨胀、发泡、软化等不利现象，切实提高橡胶O型圈耐CO2腐蚀性能和适用性，便于为油气田开采提供便利性帮助。

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