FKM/NBR螺杆泵定子共混胶摩擦磨损行为研究

【摘要】螺杆泵采油是一种新型的人工举升方式，具有结构简单、适用性强、安装方便、占地小、投资少、泵效高等特点，已经在国内外的油田生产中普遍使用。特别是目前较多油田已进入三次采油阶段，开采原油的难度不断加大，该技术的应用正呈明显上升趋势。螺杆泵的主要工作部件是由螺杆（金属转子）和衬套（橡胶定子）组成，定子橡胶衬套的性能直接影响整个采油螺杆泵系统的工作性能，其中螺杆泵的定子橡胶衬套的磨损是导致螺杆泵失效的主要原因之一。定子橡胶在工作过程中受多种因素的影响，引起橡胶的物理、化学性质发生变化，加速其老化和磨损进程，导致其使用寿命缩短，严重限制了螺杆泵的应用。螺杆泵定子橡胶材料的选择及进一步改进，对于提高采油螺杆泵性能，发挥螺杆泵在稠油井、携砂井、斜井中的作用，以及延长螺杆泵的工作寿命至关重要。目前，国内外已经有研究人员采用工程塑料或各种高性能填料与丁腈橡胶共混，以提高定子橡胶材料的性能，但是至今为止，研究人员没有考虑到针对采油需求引入性能更加优良的橡胶对螺杆泵常用定子橡胶进行共混改性，使定子橡胶进一步满足对强度、耐磨性、抗老化性等各种性能的要求，也没有对如何选择不同橡胶共混配比的问题进行深入研究。本文以不同性能的定子橡胶的共混为手段，为了能够根据实际工况选择最佳共混橡胶的配比，进一步实现在不同工况下提高定子橡胶衬套寿命及定子橡胶性价比的目标，将氟橡胶和丁腈橡胶进行了共混，开展其配方设计的试验研究和摩擦磨损机理分析。考虑到采油螺杆泵定子橡胶的磨损受制于高温、高压、溶胀、转速等因素交互耦合作用，且各因素与磨损量之间的关系无法用精确的数学表达式进行描述。因此，本文对多种不同配比的丁腈基和氟基螺杆泵定子橡胶的耐磨性在MPV-600及MLS-225摩擦磨损试验机上进行了试验研究，分析了各种因素对磨损量的影响，确定了其间的影响关系；设计了能够模拟实际工况中高温、液体溶胀、气体溶胀等因素的专门试验装置，研究温度、溶胀对橡胶性能的影响，使实验数据及结果更加准确；整理了不同配比共混胶的实验数据并进行了对比分析，找到了与某种实际采油工况相匹配的性能优异的螺杆泵定子共混胶；采用扫描电镜和红外光谱分析等方式对不同配比的共混胶在不同工况下磨损试验前后的本构关系进行分析，确定了其在不同工况下的磨损机理。在螺杆泵采油系统的实际工作过程中，定子橡胶的配方、共混胶的配比需要根据实际工况的变化而变化。为保证螺杆泵定子橡胶适应实际工况，自行开发了不同工况（温度、气体及液体溶胀等因素的影响）下的实验装置并结合磨损试验机，分析不同配方及配比的定子橡胶在不同工况下（干摩擦、水润滑、原油润滑条件下）的耐磨性。形成了考虑螺杆泵实际工况的载荷、温度、溶胀、转速等因素对定子橡胶耐磨性影响的一整套实验研究方法。通过磨损前后共混胶的实验数据、红外光谱和扫描照片的对比分析，验证了该实验方法的有效性和实用性。通过上述实验方法的研究和试验设备的研制，本文构建了一个融合多因素于一体并针对螺杆泵定子橡胶性能进行分析的综合实验平台，该平台可以结合实际工况对不同配方及配比的定子橡胶进行相关试验分析，最终确定适应不同工况的最优定子橡胶配方及配比。
【作者】张育增；
【导师】王世杰；吕晓仁；闫明印；
【作者基本信息】沈阳工业大学，机械设计及理论，2014，博士
【关键词】采油螺杆泵；定子橡胶；FKM/NBR共混胶；配方设计；摩擦磨损行为；

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