螺杆泵定子用丁腈基橡胶的摩擦磨损性能研究

【摘要】螺杆泵采油技术适宜于高粘度、高含砂量原油开采，广泛应用于斜井、水平井、沼泽地区以及海上平台采油作业，具有不存在断杆和管漏故障，相同采油量下能耗低等特点，因此与柱塞式抽油机、电潜离心泵等采油技术相比，适用性更加广泛。近年来在我国辽河、胜利、渤海等油田的应用迅速扩大，为国家的能源开发做出突出贡献。螺杆泵主要是由转子（镀有耐腐蚀层的螺旋状金属杆）和定子（内部衬有橡胶的金属管）部件组成。工作过程中定子橡胶要受到金属转子的冲击以及摩擦。螺杆泵定子橡胶在腐蚀性原油介质中常出现脱胶、撕裂、胶溶等现象，磨损抗力降低，致使设备整体失效。目前，国内外对定子橡胶材料的使役性能研究已经取得了一定的进展，但有关采油井况下橡胶摩擦磨损行为的研究鲜有报道，还处于理论分析阶段。开展这方面的研究工作，一方面可以为不同工况下合理选择螺杆泵定子橡胶材料提供帮助，另一方面也为橡胶摩擦学的发展做出贡献。应用于定子的橡胶多种多样，对比分析材料的物理化学性能、性价比、工作油井的井况等综合因素，主要采用丁腈橡胶（NBR）。丁腈橡胶的性能主要受丙烯腈含量以及炭黑份数的影响。为此，本文将基于不同的采油工况，研究丙烯腈含量、炭黑份数对橡胶耐磨性能的影响，分析其摩擦磨损机理，为不同工况下合理选择定子橡胶材料、提高螺杆泵的使用寿命提供重要依据。论文通过对试验结果的比对分析，归纳出不同工况下丁腈橡胶的摩擦磨损规律。干摩擦下，炭黑份数越高、分散程度越好丁腈橡胶的耐磨性越好。但炭黑份数过高，母胶成分下降，丁腈橡胶的理化性能降低，耐磨性不再随炭黑份数的增加而提高。由于丙烯腈含量的增加，增大了分子链间的极性，丙烯腈含量越高，丁腈橡胶的耐磨性越好。干摩擦下丁腈橡胶的磨损机制以黏着磨损和滞后磨损为主；清水介质下，由于水的冷却作用，降低了温度对摩擦磨损的影响，炭黑份数对磨损量的影响甚微。硬度较小的丁腈橡胶，丙烯腈含量越高，极性越强，耐磨性越好；丙烯腈含量低的丁腈橡胶，若炭黑份数较大，由于-C≡N键少导致分子间作用力小，炭黑更容易分散进入晶格形成柔性网络结构，丁腈橡胶的耐磨性显著增强，丁腈橡胶在水中的磨损机制为磨粒磨损。原油介质下的磨损量略大于水中的磨损量，炭黑份数越高，丁腈橡胶耐磨性越好。低载荷时，由于油膜较厚，磨损主要发生在橡胶与原油之间，因此炭黑份数对丁腈橡胶的磨损性能影响不大；高载荷时，丁腈橡胶与金属轮之间形成动压润滑，磨损量随炭黑份数的增加而减小。硬度较小的丁腈橡胶，丙烯腈含量越高，极性越强，耐磨性越好，丙烯腈对磨损量的影响与水中的磨损规律一致，原油介质中其磨损机制主要是腐蚀磨损。论文通过对干摩擦条件下丁腈橡胶的摩擦磨损行为研究，提出炭黑作用于丁腈橡胶与金属轮摩擦副的摩擦磨损机理。磨损过程中，在剪切力的作用下，炭黑颗粒克服分子间作用力从橡胶基体中脱落，受到挤压在摩擦表面形成润滑膜，减小了基体与对偶面的直接接触，使对偶面的摩擦由橡胶与金属对磨转化为炭黑润滑膜与金属的摩擦，摩擦系数减小，降低了橡胶的磨损。然而，这层润滑膜结合不牢固，非常容易被磨损破坏，橡胶再次受到磨损，炭黑又从内部的基体脱粘重新形成润滑膜，周而复始形成循环。螺杆泵实际工作过程中，定子橡胶的选择需要根据工况的变化而变化，论文实现了基于采油工况的橡胶丙烯腈含量及炭黑份数的最优选择。基于不同炭黑份数下丁腈橡胶摩擦磨损试验结果，确定采油工况、丙烯腈含量、炭黑份数与橡胶耐磨性之间的定性关系，为螺杆泵的橡胶材料选择提供了理论支持。
【作者】杨凤艳；
【导师】王世杰；吕晓仁；
【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；炭黑；丙烯腈；丁腈橡胶；摩擦磨损；溶胀；

【参考文献】
[1]潘源虎.川大黄抑制慢性肾功能衰竭有效成份研究[D].湖北中医学院,中药学,2004,硕士.
[2]曾小龙.企业人才流失分析攀钢人才流失的原因及对策[D].西南交通大学,工商管理,2013,硕士.
[3]杨庆道,王伟锋,尹以东,赵玉生,李继白.弯线地震勘探技术应用中的若干问题[J].石油地球物理勘探,2011,03:364-369+500+324.
[4]刘珊珊.农民资金互助组织的使命漂移识别[D].南京农业大学,会计,2013,硕士.
[5]记者王小龙.超薄二硫化钼强力挑战石墨烯[N].科技日报,2014-09-25001.
[6]孙君.农村高中英语教师听力策略训练的信念调查[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[7]李春凤.十一届三中全会以来我国农村基层组织改革研究[D].河北师范大学,马克思主义基本原理,2012,硕士.
[8]杨鑫.我国开征遗产税的立法研究[D].湖南师范大学,经济法,2014,硕士.
[9]潘爽,赵国荣,高超,刘涛.测量数据丢失的随机不确定系统鲁棒滤波递推算法[J].控制与决策,2011,02:280-284.
[10]康健.初中物理学习兴趣培养的实践研究[D].东北师范大学,教育,2012,硕士.
[11]李阳.云计算中数据访问控制方法的研究[D].南京邮电大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[12]丁骏.重燃多级低反动度压气机设计及相关技术应用[D].哈尔滨工业大学,动力工程,2013,硕士.
[13]张倩.金丝桃苷对Nrf2-ARE途径的影响及其对肝细胞氧化应激损伤的保护作用[D].西南大学,植物学,2014,硕士.
[14]孙修贵.中国气象系统卫星通信专用网[J].世界电信.1998(02)
[15]苏晓斌.典型车用壳体零件温塑性成形摩擦润滑特性研究[D].上海工程技术大学,材料加工工程,2014,硕士.
[16]杨峰.预警管理思想在科技管理中的运用[D].武汉理工大学,科学技术哲学,2004,硕士.
[17]王慧生.非自治主方程解的全局渐近稳定性[D].中国科学技术大学,应用数学,2014,硕士.
[18]程川生.Web挖掘技术及其应用[D].山东大学,2005.
[19]许程洁.基于事故理论的建筑施工项目安全管理研究[D].哈尔滨工业大学,2008.
[20]刘明兰,王运梅,李京兵.Bang-Bang大林算法在炉温微机控制系统中的应用[J].冶金自动化,1990,05:13-15+8.
[21]田青.藏式建筑外墙布品装饰艺术研究[D].苏州大学,设计艺术学,2013,硕士.
[22]张碧莹.不同腧穴配伍缓解功能性腹泻症状疗效初步比较[D].北京中医药大学,针灸推拿,2014,硕士.
[23]吴振中.WC-Co硬质合金与钢电子束熔钎焊研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[24]余瑾.文化普同性和差异性在政经类演讲汉英翻译中的处理[D].对外经济贸易大学,英语,2004,硕士.
[25]杨树人.PDMS/PVDF中空纤维复合膜渗透蒸发回收处理煤化工废水中酚[D].哈尔滨工业大学,环境科学与工程,2013,硕士.
[26]王岩.唐古特大黄种质资源与药材质量评价[D].西南交通大学,中药学,2012,硕士.
[27]吴彩霞.南通大学附属医院临床教师绩效管理方案研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[28]沙艳.网络空间与现实社会中自我呈现的差异性[D].吉林大学,社会学,2014,硕士.
[29]张令标.基于高光谱成像技术的红枣表面农药残留无损检测的研究[D].宁夏大学,食品加工与安全（专业学位）,2014,硕士.
[30]郑炳坤.体位干预对早产儿胃食管反流和胃肠功能影响的研究[D].吉林大学,护理学,2014,硕士.
[31]杨晓明.建立区域教育资源数据仓库的研究[J].教育信息化,2002,06:32.
[32]崔林,罗涛.岩性探测资料与地震资料综合应用[J].石油地球物理勘探,1995,S1:174-176+186.
[33]汪政严.常州市地税局绩效管理现状分析及对策研究[D].安徽大学,公共管理,2014,硕士.
[34]靳增雪.轻带电粒子谱仪的研制与测试[D].中国科学院研究生院（近代物理研究所）,粒子物理与原子核物理,2014,硕士.
[35]王延.液冷冷板流动及传热特性的数值研究[D].西安电子科技大学,机械设计及理论,2012,硕士.
[36]林小瑜.Sorangium cellulosum So0157-2纤维素降解酶的性质与功能分析[D].山东大学,微生物学,2013,硕士.
[37]陈虹桥.A企业危化品运输风险管理研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[38]刘浩.农村初中生数学学业不良的成因分析与转化策略的研究[D].山东师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[39]王林林.颈椎病发病的中医理论探讨及文献整理研究[D].福建中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2013,硕士.
[40]马义斌.叶天士久病入络学说及其在慢性萎缩性胃炎中的应用研究[D].甘肃中医学院,方剂学,2014,硕士.
[41]熊雄.基于N455运动控制器的折弯机数控系统关键技术研究[D].厦门大学,机械工程,2014,硕士.
[42]张治伟.城市轨道交通网络拓扑建模及其动力学分析[D].东华大学,电子与通信工程（专业学位）,2014,硕士.
[43]陈淑芳.生活饮用水处理工艺优化对水质的影响[D].华侨大学,化学工程（专业学位）,2014,硕士.
[44]王晓敏.手术患者出院后延续护理服务模式的建立与应用[D].山东大学,护理学（专业学位）,2013,硕士.
[45]钱叶明.我国B2C企业基于体验经济的商品展示研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[46]杨国文.基于产业链整合的三网融合商务模式及实施策略研究[D].重庆大学,工业工程,2014,硕士.
[47]顾忠婷,刘炜,宋昱.足球中超联赛微博营销分析[J].体育文化导刊,2014,04:110-112+115.
[48]李东星.浅谈中国人物画写意精神的当代性体现[D].中国艺术研究院,美术学,2014,硕士.
[49]周传德.武进烟草公司营销渠道研究[D].南京理工大学,2003.
[50]魏婧妍.创业板上市公司股权资本成本对公司绩效的影响[D].河北经贸大学,会计,2014,硕士.