浅谈长寿命螺杆钻具定子橡胶配方设计

1、第二届全茸橡胶制品技术研讨会论文集浅谈长寿命螺杆钻具定子橡胶配方设计邢长星(天津市大港油田中成公司螺杆钻具制造厂技术部天津300280)摘要本文深入浅出地探讨了有关长寿命螺杆钻具定子马达橡胶的设计思路，从提高耐油性、耐热性 拉伸强度、抗撕裂性、抗疲劳性、抗老化性几个方面进行了详细分析，以此来指导橡胶配方设计。关键词螺杆钻具；定子是达；橡譬；耐油擎；耐萤性；拉伸强度；抗撕裂性；抗疲劳性：抗老化性弹性体并用x螺杆钻具定子橡胶是整套钻具中最易损坏的部件之一，它的寿命长短直接影响到钻具的使用寿命。 目前，国内钻具的设计制造水平与发达国家还有较大差距，使用寿命远低于发达国家。这其中主要原 因多是因定子橡

2、胶过早发生掉块、脱胶所至因此，研究开发长寿命螺杆钻具定子用橡胶在我国目前 这种形势下，就显得尤为重要。定予橡胶工作在高温、高压，高扭矩环境下，并受到频繁屈挠应力作用和酸性气体的腐蚀，工作 状况十分恶劣。鉴于此，定子橡胶在耐油性、耐热氧老化性、耐疲劳性、抗撕裂性、动态性能等方面 要求较高。所以，要提高使用寿命，必须围绕这些方面进行研究。1提高橡胶耐油性 定子橡胶如果耐油性达不到指标，工作时橡胶遇油会很快发生溶胀，各项力学机械性能急剧下降，定子在周期性应力作用下，很快遭到破坏。因此如果耐油性不合格，其它性能无从谈起。在通用橡胶中，丁腈橡胶的耐油性最好。所以，它也就理所当然地成为定子橡胶的首选胶种。

3、11丙烯腑cc吣含量的影响 丁腈橡胶的耐油性与丙烯腈(acn)含量密切相关。见图l“。 由图中曲线可以看出。随着acn含量增高，溶胀率显著下降。因此。欲提高橡胶 耐油性，可选择acn含量较高的牌号的胶 种，并且，随着acn含量的增大。丁腈橡 胶极性增大，大分子链柔性下降，分子间作譬井用力增大，大分子链上双键减少，不饱和度避袖下降。宏观上各项性能就会表现出一系列变*化，见表1。 呈上述指标中。耐热性、耐臭氧老化性、看耐油性、强度、耐磨性、密度等上升对提高翟堪定子橡胶的使用寿命是有利的。但硬度、弹性、耐屈挠性的变化却是不利的。因此。选择牌号时应注意并不是acn含量越高越好。含量 根据有关资料并结合

4、我们多年的工作经验。图1 acn含量对溶胀率的影响 如果耐油性能够满足要求，应尽量使用acn含量低于40的品种，如3446、3945、丁腈40等。329刑长照浅淡长寿龠杆钻具定子橡胶配方设计 表1 acn含量对性能的影响acn耐耐臭溶解耐绝 强耐密耐压常温弹 自加工 包耐 古量热轭老 度参油缘度磨度缩永硬度性粘生热辊屈 性化性数 性性性久变性量 性挠形性性高t ff ffl f f f l f lltil底12软化剂的影响 配合体系中。应选用不被油类抽出的软化剂，如低分子聚乙烯、氧化聚乙烯、聚酯类增塑剂。极性大、分子量大的软化剂对耐油有较好的作用，如dop、dbp、g25，wb212等。13交

5、联密度的影响 适当提高交联密度，硫黄用量可适当增加，控制在225份。高丙烯腈含量的硫黄用量可适当少些 丙烯腈低的硫黄用量可适当多一些。交联密度增大后，分子问作用力增大，油类扩散时阻力增加，耐 油性提高。2提高橡胶耐热性 耐热性与橡胶选择有很大关系。定予通常所用的丁腈橡胶具有中下等的耐热性。长时间使用温度为100c，120(3下使用40天，150c仅能使用3天以上为静态制品指标。螺杆钻具定子橡胶工作在动态恶劣环境下所以使用寿命就要大打折扣。为此。我们就要在配方上进行研究，力求使实际使用 寿命接近实验室寿命，这就是我们研究的目标21硫化体系的影响 胶种选定后，影响耐热性的最大因素就是硫化体系。常用

6、硫黄硫化体系有：普通硫黄硫化体系(cv)、半有效硫黄硫化体系(sev)、有效硫黄硫化体系(ev)。这三种硫化体系的硫化胶结构如图2、图3“4、图4“l。蕊sx sxs2sxsxl 2 f：。：11 一： l ；e：i。l1二lvi一、，图2 cv少)、l，-弋帆、一喇一v ：v叫生成的交联键类型及数量如下表交联类塑 cvsevbvsiolo o20 4050s290100 80100 5060由上表可以看出，普通硫黄硫化体系生成较多的多硫键和双硫键，有效硫黄硫化体系生产了较多 的单硫键，半有效硫黄硫化体系生成的键的类型及数量界与二者之间。329第二届全嚣橡胶铹品技术研讨会论文集单、双硫交联键键

7、短，键能高，热稳定性好。主链改性程度低，氧化攻击可能性降低，但动态性 能下降。多硫交联键键长，热稳定性差，受氧攻击概率高，但动态性能好。因此，应该根据钻具的工 作温度合理地选择硫化体系，在动态性能与耐热性两方面进行权衡，争取双优。普通钻具可以选择sev 硫化体系，促进剂硫黄-i6比较合适。在硫化体系方面，也可以考虑采用dtdm、dcp或金属氧化物与硫黄并用硫化体系。前者多生 成cc键，具有较高的耐热氧稳定性，但动态性能差。可以通过调整它们与硫黄的比例，从而达到耐 热性能有所提高，动态性能又不致下降太多的目的。22填料的影响 填料方面对胶料耐热性也有一定影响，一般配方中zno用作活性剂有23份即

8、可，但在耐热配方中，可咀增大到10份，此外。nbr中加入甲基丙烯酸锌(镁)、mgo等对提高耐热性也有一定效果。23软化剂的影响 软化荆对耐热性影响也很大，较低分子量的软化剂在高温下很容易迁移渗出或挥发，导致硫化胶硬度增加。伸长率降低，使硫化胶逐渐变硬。所以耐热配方中应选用在使用温度下具有热稳定性和 不挥发的品种。例如高闪点的石油系油类，分子量大、软化点商的聚酯类增塑剂，如dop、dbp，g25 等。在硫化时能起聚合作用的软化剂则更为适用，如古马隆、低分子高聚物等。24采用新品胶 丁腈橡胶是丁二烯与丙烯腈的聚合物，由于丁=烯含有双键，无论采用何种硫化体系都无法避免氧在双键处进行反应。所以人们就研

9、制出了改性的丁腈橡胶，它采用了在双键处进行加氢或加进羧基，使之达到饱和或半饱和状态。经过改性的丁腈橡胶各项物理机械性能与普通丁腈橡胶相比都有显著 提高。目前商品化的产品有完全氢化的丁腈橡胶(hnbpo、不完全氢化的丁腈橡胶(hsnbpo、羧基t 腈橡胶(xnbr)等。他们的价格都较贵，在设计耐高温高质量产品配方时可选用。25采用新塾助剂目前国外生产的品种有-its、pk900、akt73等。当橡胶处于高温硫化或使用期间，如果橡胶 分子发生断链，这类产品能迅速生成新的交联键进行补充，维持硫化网格的稳定，从而保持产品的物 理与动态性能。同时也能够提高硫化胶的定伸应力及撕裂强度，提高耐热性，降低动态

10、生热。3提高橡胶的拉伸强度 拉伸强度用来表征制品能够抵抗拉伸破坏的极限能力，是评价硫化橡胶质量的重要指标之一。31交联密度的影响 通过实验发现橡胶的拉伸强度随着交联密度的增加而增大，并出现一个极大值，然后髓交联密度的进 一步增加拉伸强度急剧下降，如右图5”。交联密度适度时，强度出现极大值，橡胶近似理想 网格，单位面积上承载的网联数随交联密度而增加，并田5交联剂用量与拉伸强度的关系在断裂前每一丽链都能够均匀承载，抗张强度随之上升而在交联密度过高时，网链不能够均匀承载，易集中于局部网链上，使有效网链数减少，因此拉伸强 度随之减少。所以欲获得有效的拉伸强度，必须适当选择交联剂用量，控制交联密度与拉伸

11、强度的平 衡关系。 732交联键类型的影响 硫化胶拉伸强度随交联键链能的增加而降低。多硫键具有较高的拉伸强度。单硫键、双硫键拉伸强度下降。因此当考虑用调整硫化体系来提高拉伸强度时，可首先考虑适当提高硫磺用量，使硫化 胶以多硫键为主，促进剂选用噻唑类与呱类并用或次磺酰胺类与秋兰姆类并用，促进剂总量可适当 增加。330刑长星浅佚长寿龠轷怙定子橡跤配方设计33其它影响拉伸强度的因素 补强荆也是影响拉伸强度的重要因素之一。选择粒径小、表面活性大、结构度高的补强剂，能显著提高拉伸强度。软化剂是定子橡胶必要的加工助剂，能改善胶料的硬度及流动性，但软化剂的加入 将损失拉伸强度，因此软化剂的选择更应该注意。在

12、丁腈胶中，古马隆与dbp(或dop)并用硫化胶 的拉伸性能较好。此外还有一些新型加工助剂，如某些醇溶树脂、氧化聚乙烯及某些高分子的无规则 低聚物，都兼有易于加工和提高性能的作用。4提高定子橡胶的抗撕裂性 橡胶的撕裂是由于材料中的裂纹或裂口受力时迅速扩大开裂而导致破坏的现象。定子橡胶工作时，在周期性交变应力作用下。由于疲劳而产生龟裂，如果抗撕裂性能不够，就会被旋转的转子迅速 撕裂而产生掉块。41交联键类型的影响撕裂性与交联键类型有密切关系。多硫键具有较高的撕裂强度，故在选用硫化体系时，要尽量 考虑常用硫化体系，硫磺用量以225份为宜，促进剂选用中等活性且有平坦硫化性能的品种，如矗dm、cz等。4

13、2其它影响因素2各种填料的加入都会影响到撕裂性能。如用高分子改；一性剂改型的cac03、氢氧化铝都能改善橡胶的撕裂强度。使罐2用各向同性填料如cb、zno等抗撕裂效果较好。炭黑的粒径，_也是影响撕裂强度的因素之一。随炭黑粒径减小。抗撕裂强1度增加。在粒径相同情况下，能赋予高伸长率的炭黑亦能提nr二一rl高抗撕裂强度。cv sevev c-c圈6备种硫化体系耐疲劳寿命比较5提高橡胶的耐疲劳性一-一l 00老化7天当橡胶受到反复交变应力(或应变)作用时。材料的cv-普通硫磺硫化体系 结构或性能发生变化的现象叫疲劳。机理是橡胶在往复变形sev一半有效硫磺硫化体系 下，材料中产生的应力松弛过程在形变周

14、期内来不及完成， ev-有效硫磺硫化体系cc过氧化物硫化体系结果内部产生的应力来不及分散，便集中在某些缺陷处(如裂纹、弱健等)，从而引起断裂破坏。定子橡胶在交变应力 作用下，产生反复变形，如果抗疲劳性能不足，势必过早 产生龟裂现象，进而发展的捧块，导致钻具失效。因此， 疲劳性也是定子橡胶一项不容忽视的重要指标。51硫化体系的影响 能够形成多硫键的交联系统。就能够提高耐疲劳破坏性能。在设计耐疲劳寿命配方时，硫化体系一般可用m、 om做主促进剂、d做副促进剂、硫磺用量适量增加。各种 硫化体系对疲劳寿命的影响见图6“。52填充体系的髟晌 不强型号。结构度高的炭黑。耐疲劳性较好，故应优先选用高结构炭黑

15、以提高耐疲劳破坏性。图7”1列出了炭黑用量与疲劳寿命的关系。由此可见。炭黑用量存在一 图7炭黑用量对疲劳寿命的影响个晟佳值。卜负荷一定的条件下53软化剂的影响2-盅麦一定的条件下软化荆的加入有损橡胶的耐疲劳性能。应尽可能选33i第二届垒胃椽陂翻品技术研讨会论文集用稀释作用小的粘稠性软化剂或选用能增加橡胶松弛特性的反应性软化剂。一般来说，应尽可能减少 软化剂用量。6提高橡胶耐老化性 丁膀橡胶所用的高效耐热性防老剂主要为ble、d、rd、4010、425wx等。由于防老剂d、4010有致癌作用，并且4010份具有水抽出性，在井下工作时，易被水抽出溶解于泥浆中而降低防老效果。可采用防老剂4020与rd并用效果较好，总量2份左右即可。4020是一种新型缓释反应型高效防 老剂，具有极强的抗臭氧及抗氧化性能，并赋予橡胶极好的抗高温疲劳和抗届挠性能。7弹性体并用 近年来对定子橡胶性能的要求越来越复杂，单用一种橡胶很难满足要求。于是出现了橡胶与橡胶、橡胶与塑料共混的配方技术，取长补短，获得优良性能。适用于定子橡胶的共混体系目前主要有丁腈与pvc、丁腈与氯化聚醚。并用后，胶料的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性、耐热氧老化性、耐溶 剂性及耐臭氧龟裂性都有明显改善。用其做螺杆钻具定子橡胶是完全合适的。但并用后的