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表 # 活化纳米橡胶性能比较表
橡胶 项 目 活化纳米橡胶 抗拉强度 :;<+ 羧基丁腈橡胶 通用丁腈橡胶
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:;89<5= 系列 # 加拿大 4>?7@59 公司 的 :>9=5A 系列
和日本 B8>= 公司的 B8CD>? 系列/"0" 据 报 道 /-0! 国 内 吉 林 化 学 工 业 公 司 研 究 院 利 用 钯 胶 体 催 化 剂 开 发 了 #)*+6E# ! 达 到 日 本
B8>= 公司的 B8CD>? $1$1 性能水平 "
良好的力学性能和工作性能 ! 对延长定子橡胶使 用寿命也起到积极作用 #$%"
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等壁厚定子螺杆泵 常规定子是将橡胶模压到等内径环形外钢
管上的 ! 橡胶层的厚度是变 化的 & 波峰处 厚 ! 波谷 处薄 ’! 如图 ! 所示 " 这种结构容易导致定子过早 失效 " 螺杆泵工作时 ! 转子与定子摩擦和冲击机 械能转变成热能 ! 产生的热量主要聚集在橡胶最 厚的部分 ! 使摩擦面的自动升温值比介质温度高 几十度 !使橡胶老化 " 热效应会使定子内腔变小 ! 增 大 了 摩 擦 损 失 ! 降 低 了 机 械 效 率 #(%! 从 而 使 定 # 转子间的过盈配合增大 ! 使螺杆泵静止后的启动 力 矩 非 常 大 !可 造 成 螺 杆 泵 启 动 困 难 !导 致 螺 杆 泵损坏 " 等壁厚定子螺杆泵的定子橡胶层厚度相等 # 较 薄 !橡 胶 层 与 定 子 管 内 部 轮 廓 一 致 !如 图 " 所 示 " 与常规定子的厚橡胶相比 ! 新型等壁厚定子 螺杆泵的定子结构和定子管的钢轮廓能够抵抗 液 压 力!即 使 在 高 压 差 下!空 腔 之 间 也 能 保 持 密 封 " 因此 !在大负荷情况下体积效率也很高 ! 提高 了 螺 杆 泵 的 性 能 $橡 胶 用 量 大 大 减 少 !定 子 对 由 温度和钻井液中的化学物质引起的轮廓变形不 再敏感$薄的 橡胶层产生 很少的迟 滞 热 量 !减 少 了 热 量 损 失 !提 高 了 机 械 效 率$薄 的 橡 胶 层 产 生 的 热 量 少!而 且 热 量 扩 散 也 快!螺 杆 泵 在 高 温 下 操作更可靠 " 加拿大 )*+,-*./0.1 公 司 开 发 了 一 种 等 壁 厚
增大 ! 橡胶更易疲劳和老化 " 这时对定子橡胶性 能的要求主要为耐高温和尺寸稳定性好 ! 应使橡 胶 的 温 度 膨 胀 率 低 !以 免 造 成 定 #转 子 配 合 更 紧 后 ! 因制动扭矩大大增加而扭断螺杆泵的转动部 件" 氢化高饱和丁腈橡胶是国外 21 年代开发的 新型饱和耐油橡胶 " 通过对丁腈橡胶链段上的丁 二烯单元进行选择氢化 ! 将不饱和双键加氢反应 生成饱和碳 6 碳单键 /!0" 氢化高饱和丁腈橡胶分子 链中的氢化丁二烯单元 ! 可使其具有良好的耐热 和耐老化性能 # 耐腐蚀性能 # 耐低温性能 ! 以及具 有能在高温下仍保持与常温相当的物理机械性 能 的 品 质 " 目 前 主 要 品 种 有 德 国 *5789 公 司 的
!
目前国外主要的橡胶定子材料
螺杆泵弹性定子材料要求具有良好的耐磨 #
耐冲 击#耐热和耐 腐蚀等性 能!传统的 定 子 材 料 为丁腈橡胶 " 因采油用螺杆泵的工作条件恶劣 ! 例如 高 温 # 高 压 # 工 作 时 间 长 # 腐 蚀 性 介 质 # 周 期 性挤压等! 使传统的橡胶材料已临近其性能极 限 " 为适应井下严酷的工作条件 ! 迫切需要开发 新的橡胶定子材料 " 另外 ! 螺杆泵使用的工况不 同 !对 定 子 橡 胶 的 要 求 也 不 相 同!同 一 种 定 子 橡 胶难以适应各种工况需求 " 应考虑针对不同工况 条件采用不同类型的橡胶定子材料 " 国内的定子橡胶材料主要是 )*+ ! 配合一些 添加剂 !耐油性能差 ! 浸油膨胀率达 ,-. "
"
活化的硅酸盐矿物纳米复合橡胶材料 的性能
针对采油用螺杆泵定子橡胶材料的使用环境
复杂 # 使用工况恶劣而使材料寿命低的状况 ! 正 在开展硅酸盐矿物活化方法及对所形成的纳米 复合橡胶性能影响的研究 " 初步研究结果表明 ! 活化的硅酸盐矿物与以丁腈橡胶为主要成分的 材料复合 ! 制备出高性能的活化硅酸盐矿物纳米 复合材料 " 该纳米橡胶复合材料的性能比羧基丁腈橡胶 的性能提高了许多H 见表 ,G " 后续进行的研究试验 将可望获得性能优异 # 成本低廉的采油用螺杆泵 定子材料 "
689 789 386 $97 782 6! 58$
377= 定伸强度 :;<+ ’(() 定伸强度 :;<+
伸长率 := 撕裂强度 :;<+ 邵氏硬度 浸泡原油体积变化率 :=
!
螺杆泵结构对定子橡胶材料的影响
进行螺杆泵结构参数的优化设计 ! 使其具有
定 子 螺 杆 泵 !该 泵 的 应 用 表 明 !其 工 作 扭 矩 非 常 低 !对电动机功率需求低 " 该型泵具有以下优点 % 散 热 效 率 高 $单 级 泵 压 差 增 大 !可 以 缩 短 泵 的 长 度 #减 小 扭 矩 和 功 率 $橡 胶 溶 胀 #热 胀 均 匀 $适 应 范围更广 $ 结构更加优化 $ 转子不需抛光 $ 泵体质 量更轻#2%"
摘要 ! 介绍了采油螺杆泵的结构和工作原理 " 针对提高采油螺杆泵工作寿命的问题 # 通过对螺杆泵工作原 理和工作寿命影响因素的分析 $ 框述了近年来国内外螺杆泵定子橡胶新材料的特点和螺杆泵结构的优化设计 方法 $ 研 究 并 采 用 了 活 化 的 硅 酸 盐 矿 物 与 以 丁 腈 橡 胶 为 主 要 成 分 的 复 合 材 料 $ 来 制 备 出 高 性 能 的 活 化 硅 酸 盐 复合材料 % 该材料的各项性能均高于羧基丁腈橡胶及通用丁腈橡胶 " 关键词 ! 螺杆泵 & 定子橡胶 & 使用寿命 & 结构 & 纳米材料 中图分类号 ! !"#$$%$ 文献标识码 ! ! 文章编号 ! &’()*+,)- ’,(() ((-*(((+*(-
!
引言
采油螺杆泵作为一种广泛用于高产稠油井
它和吸入端的压力差作用下 $ 油流便进入第一个 腔室 " 随着转子的转动 $这个腔室开始封闭 $并向 排出端移动 " 就这样 $ 油液通过一个一个封闭的 腔室从吸入端推挤到排出端 $ 压力不断升高 $ 排 量非常均匀 "
开采的采油机械已有 !( 多年的历史 " 螺杆泵的 结构简单 $ 特别适合于高粘度 , 高含砂量的油井 $ 并且有较高的工作效率 " 目前国内已经具备独立 生 产 各 型 螺 杆 泵 的 条 件 $由 于 材 料 缺 陷 $其 最 大 扬程 , 寿命均与同型号的国外产品存在差距 " 螺 杆泵定子材料受多种因素的影响 $ 引起橡胶的物 理 性 质 发 生 变 化 $使 橡 胶 过 早 老 化 $缩 短 了 螺 杆 泵的工作寿命 $ 限制了螺杆泵的使用范围 " 螺杆 泵定子橡胶材料的改进和螺杆泵结构的优化设 计 $ 是提高采油螺杆泵性能和工作寿命的重要途 径"
基金项目 ! 中国博士后科学基金资助项目 ) 提高稠油开发冷采泵寿命的纳米改性材料研究 *%!((*("’#*), &) 油气藏地质及开发工程 * 国 家重点实验室开放基金资助项目 ) 出砂冷采螺杆泵定子转子纳米材料的研究与应用 *%-./(*(’, 作者简介 ! 陈玉祥 %#+’’0, $ 男 $ 副教授 $ 博士后 $ 在西南石油学院 1 材料学院从事科研教学工作 +
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影响螺杆泵工作寿命的因素
橡胶弹性内衬材料承受的负荷有转子对它
的 挤 压 ,定 子 和 转 子 之 间 的 高 速 滑 动 摩 擦 ,转 子 绕定子轴线行星回转时产生的离心力对定子内 衬 的 冲 击&摩 擦 和 冲 击 机 械 能 产 生 的 热 能 $使 内 衬橡胶温度升高 " 由于橡胶为绝缘体 $ 热量不能 有 效 扩 散$再 加 上 井 下 温 度 的 作 用$热 能 最 终 影
"
螺杆泵的结构和工作原理
螺杆泵是一种螺旋杆齿轮泵 $ 其基本构件是
转子和定子 $ 如图 # 所示 " 转子是一个有平滑螺 纹 槽 的 单 头 螺 杆 $其 横 截 面 为 圆 形 $圆 心 与 螺 杆 的回转中心存在偏心距" 转子一般由结构钢制 造 $ 并镀铬 " 定子是一个有平滑螺纹槽的双头螺 母 $由 钢 制 外 壳 和 耐 油 ,耐 磨 的 橡 胶 内 衬 粘 结 而 成 $其 内 径 与 转 子 外 径 相 等 $导 程 和 偏 心 距 都 是 转子的 ! 倍 " 这样 $ 在定子的内螺旋面和转子表 面间就形成一个一个的封闭腔室 " 当定子 0 转子 副中靠近吸入端的第一个腔室的容积增加时 $ 在
氢 化 高 饱 和 丁 腈 橡 胶 能 长 期 耐 ,-1$ 高 温 ! 具有良好的耐油性和耐磨性 ! 能较好地适应二氧 化碳 # 硫化氢和甲烷的环境 F#$% 和 &’$ 含量可达
$.G! 且能保持较好的机械性能 ( 是一种有较好力