【正文】 得 特 種 彈 性 體 復(fù) 合 材 料 配 合 的 基 本 規(guī) 律 ， 獲 取 最 佳 的 配 合 和 制 備 工 藝參 數(shù) 。 進(jìn) 而 ， 對(duì) 實(shí) 驗(yàn) 室 規(guī) 模 產(chǎn) 生 的 復(fù) 合 材 料 （ 10 公 斤 級(jí) 別 ） ， 制 備 封 隔 器膠 筒 樣 品 ， 研 究 最 佳 的 加 工 工 藝 條 件 ， 對(duì) 膠 筒 的 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 等 。 然 后 ，制 備 樣 品 進(jìn) 行 模 擬 試 驗(yàn) ， 通 過(guò) 性 能 反 饋 來(lái) 優(yōu) 化 復(fù) 合 材 料 的 配 合 及 制 備 工 藝 ，優(yōu) 化 膠 筒 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 、 模 具 設(shè) 計(jì) 、 成 型 工 藝 等 內(nèi) 容 。 使 膠 筒 性 能 達(dá) 到 要 求 的指 標(biāo) 。加工工藝合理選擇原材料配方試驗(yàn)試制膠筒樣品膠筒的工作條件分析油浸模擬試驗(yàn)，產(chǎn)品性能達(dá)到規(guī)定要求結(jié)構(gòu)及模具設(shè)計(jì)3 配 方 實(shí) 驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 原材料選擇（此 處 內(nèi) 容 略 ） 儀器設(shè)備主 要 包 括 Φ 230mm 開(kāi) 煉 機(jī) ， 100t、 50t 平 板 硫 化 機(jī) ， MDR100E 硫 化測(cè) 定 儀 ， 老 化 測(cè) 定 儀 ， 沖 片 機(jī) 1 臺(tái) ， 電 子 拉 力 試 驗(yàn) 機(jī) ， 油 浸 模 擬 試驗(yàn) 裝 置 。 實(shí)驗(yàn)方案進(jìn) 行 補(bǔ) 強(qiáng) 和 防 老 化 兩 個(gè) 方 面 的 性 能 試 驗(yàn) 。 補(bǔ)強(qiáng)性能采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行配方設(shè)計(jì)考 慮 到 多 因 素 變 量 ， 選 定 相 應(yīng) 的 變 量 及 變 量 水 平 見(jiàn) 表 。表 變 量 及 水 平 表（表 格 略 ）不 考 慮 因 素 之 間 的 相 互 作 用 ， 并 且 因 素 的 變 化 水 平 都 是 三 個(gè) ， 因 此 ,采 用 L9（ 34） 正 交 試 驗(yàn) 表 ,可 以 安 排 三 個(gè) 系 列 實(shí) 驗(yàn) 元 素 ， 對(duì) 三 個(gè) 系 列 試 驗(yàn) 的具 體 安 排 如 下 表 。表 丁 腈 橡 膠 L9（ 34）（表 格 略 ） 防老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)考 慮 到 油 田 井 下 的 實(shí) 際 工 況 ， 存 在 油 、 水 、 氧 、 硫 化 氫 等 介 質(zhì) ， 選 擇 了幾 種 防 老 劑 進(jìn) 行 并 用 ， 具 體 設(shè) 計(jì) 見(jiàn) 表 。表 防 護(hù) 體 系 設(shè) 計(jì) 表（表 格 略 ） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 混煉針 對(duì) 丁 腈 膠 的 特 點(diǎn) ， 選 擇 合 理 的 混 煉 工 藝 ：（以 下 內(nèi) 容 略 ） 硫化正 硫 化 點(diǎn) 的 確 定 利 用 硫 化 儀 測(cè) 定 出 各 試 驗(yàn) 配 方 ， 計(jì) 算 正 硫 化 時(shí) 間 （ 表） 。表 各 配 方 正 硫 化 時(shí) 間 表（表 格 略 ） 物化性能測(cè)試按 照 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) ， 壓 片 測(cè) 試 ， 各 配 方 的 強(qiáng) 度 、 伸 長(zhǎng) 率 、 硬 度 、 老 化 系 數(shù) 等主 要 性 能 指 標(biāo) 測(cè) 試 結(jié) 果 見(jiàn) 表 。表 硫 化 膠 性 能 表配 方 拉 伸 強(qiáng) 度（ MPa） 扯 斷 伸 長(zhǎng) 率(%) 硬 度(邵 A) 老 化 系 數(shù)N4101 260 72 N4102 270 80 N4103 280 86 N4104 280 87 N4105 270 72 N4106 250 81 N4107 260 85 N4108 270 90 N4109 260 80 各 防 護(hù) 體 系 耐 熱 氧 老 化 性 能 見(jiàn) 表 。表 各 防 護(hù) 體 系 耐 熱 氧 老 化 性 能 對(duì) 比（表 格 略 ）耐 水 井 介 質(zhì) 性 能 對(duì) 比 見(jiàn) 表 。表 各 防 護(hù) 體 系 耐 水 井 介 質(zhì) 性 能 對(duì) 比（表 格 略 ） 結(jié)果分析 補(bǔ)強(qiáng)性能分析按 L9（ 34） 正 交 法 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 分 析 ， 計(jì) 算 各 因 素 的 水 平 數(shù) 據(jù) 和 ， 并 求 出最 大 偏 差 R， 表 列 出 了 試 驗(yàn) 的 結(jié) 果 。由 表 中 數(shù) 據(jù) 可 以 看 出 ， 對(duì) 拉 伸 強(qiáng) 度 的 影 響 因 素 D﹥ A﹥ B﹥ C， 最 佳 組 合為 A3B2C2D3； 對(duì) 扯 斷 伸 長(zhǎng) 率 的 影 響 D=C﹥ A﹥ B， 最 佳 組 合 為 A1B2C2D3；對(duì) 老 化 因 素 的 影 響 D﹥ B=C﹥ A， 最 佳 組 合 為 A1B2C2D3。（以 下 內(nèi) 容 略 ）表 丁 腈 橡 膠 試 驗(yàn) 結(jié) 果（表 格 略 ） 防老化性能分析從 表 、 中 可 以 看 出 ， 防 護(hù) 體 系 的 加 入 可 以 大 大 提 高 橡 膠 材 料 的耐 老 化 和 耐 水 井 介 質(zhì) 性 能 ， 平 均 提 高 一 倍 以 上 。 在 三 種 防 護(hù) 體 系 的 對(duì) 比 中 ，MB/BLE/硬 脂 酸 防 護(hù) 體 系 （ ） 的 橡 膠 材 料 性 能 最 優(yōu) 。 小結(jié)（ 1） 適 的 配 合 體 系 可 以 使 膠 料 的 綜 合 性 能 達(dá) 到 最 佳 ， 拉 伸 強(qiáng) 度 提 高5～ 7MPa； 伸 長(zhǎng) 率 高 出 50%； 老 化 系 數(shù) 提 高 10%～ 15%。（ 2） 特 殊 補(bǔ) 強(qiáng) 劑 甲 基 丙 稀 酸 鎂 （ MMg） 的 應(yīng) 用 可 以 有 效 提 高 膠 料 的 物理 機(jī) 械 性 能 ， 同 等 條 件 下 ， 10 份 甲 基 丙 稀 酸 鎂 可 以 提 高 拉 伸 強(qiáng) 度 5 在MPa 以 上 ， 提 高 伸 長(zhǎng) 率 30%～ 50%。 這 一 點(diǎn) ,對(duì) 大 變 形 量 的 小 直 徑 膠 筒 是 很 重要 的 。經(jīng) 過(guò) 以 上 的 配 方 試 驗(yàn) ， 確 定 了 最 佳 配 方 見(jiàn) 表 。表 優(yōu) 化 配 方 及 性 能 表（表 格 略 ）4 結(jié) 構(gòu) 形 狀 優(yōu) 化 尺寸設(shè)計(jì)（ 1） 51/2〞 膠 筒 內(nèi) 、 外 徑 分 別 確 定 為 Φ 60mm 和 Φ 104mm（ 與 封 隔 器 鋼體 配 套 ） ， 根 據(jù) 資 料 介 紹 ， 膠 筒 高 度 可 以 用 下 式 近 似 計(jì) 算 ：⊿P（ Rt2－ R12）2R1[I]＋ 2 RtfP0μ/(1－ μ) （ ）Rt—套 管 內(nèi) 半 徑 ， mm； R1—膠 筒 外 半 徑 ， mm；⊿ P—工 作 壓 差 ， MPa； [I]—膠 筒 許 用 剪 切 應(yīng) 力 ， MPa；f—膠 筒 與 套 管 壁 的 摩 擦 系 數(shù) ， 一 般 取 ；P0—預(yù) 壓 載 荷 ， MPa； μ —波 松 系 數(shù) ， 一 般 取 。（以 下 內(nèi) 容 略 ）（2）4〞膠筒內(nèi)外徑設(shè)計(jì)為 60mm 和 80mm，高度采用式 計(jì)算。（以 下 內(nèi) 容 略 ） 端部形狀設(shè)計(jì)根 據(jù) 資 料 介 紹 和 實(shí) 際 試 驗(yàn) 得 到 ， 膠 筒 在 長(zhǎng) 時(shí) 間 的 大 壓 縮 負(fù) 荷 和 介 質(zhì) 的 物理 化 學(xué) 作 用 下 ， 膠 筒 肩 部 應(yīng) 力 集 中 ， 產(chǎn) 生 很 大 的 殘 余 變 形 將 導(dǎo) 致 膠 筒 破 壞 。桶 形 膠 筒 的 變 形 與 應(yīng) 力 關(guān) 系 見(jiàn) 圖 ：（圖 略 ）圖 桶 形 膠 筒 的 變 形 與 應(yīng) 力 關(guān) 系根 據(jù) 這 個(gè) 原 理 ， 設(shè) 計(jì) 了 新 型 膠 筒 端 部 形 狀 如 下 圖 ， 并 通 過(guò) 模 擬 試 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn) ，新 的 結(jié) 構(gòu) 形 狀 可 以 有 效 改 善 膠 筒 的 抗 破 壞 性 能 ， 耐 壓 差 性 能 平 均 提 高5Mpa（ 詳 見(jiàn) 圖 ） 。 (a) 改變前形狀 (b) 改變后形狀圖 膠 筒 形 狀 對(duì) 比 圖 h ＝5 加 工 工 藝 研 究 填料方式采 用 手 工 填 料 和 注 壓 移 模 兩 種 方 式 并 改 變 硫 化 的 壓 力 進(jìn) 行 試 驗(yàn) ， 檢 驗(yàn) 膠筒 的 外 觀 、 斷 面 性 質(zhì) 、 硫 化 膠 密 度 。 表 中 列 出 了 對(duì) 比 的 結(jié) 果 ：表 填 料 方 式 對(duì) 性 能 的 影 響（表 格 略 ）從 表 中 可 以 看 出 ， 注 壓 移 模 明 顯 優(yōu) 于 手 工 填 料 ， 而 且 隨 著 硫 化 壓 力 的 增加 ， 膠 料 的 流 動(dòng) 性 增 加 ， 外 觀 及 致 密 度 有 明 顯 改 善 ， 產(chǎn) 品 性 能 提 高 。 綜 合 考慮 選 用 注 壓 移 模 方 式 進(jìn) 行 填 料 ， 硫 化 壓 力 定 為 15 MPa—20MPa。 膠筒壁厚對(duì)硫化時(shí)間及溫度的影響橡 膠 的 硫 化 溫 度 和 硫 化 時(shí) 間 是 相 互 制 約 的 ， 它 們 之 間 的 關(guān) 系 可 以 用 下 式表 示 ：t1/t2 = K(T2T1)/10 （ ）t1溫 度 為 T1 時(shí) 所 需 的 硫 化 時(shí) 間 ；t2溫 度 為 T2 時(shí) 所 需 的 硫 化 時(shí) 間 ；K硫 化 溫 度 系 數(shù) ， 一 般 取 K=2。從 式 說(shuō) 明 ， 硫 化 溫 度 提 高 10℃ ， 硫 化 時(shí) 間 可 縮 短 一 倍 ， 溫 度 的 提高 可 以 有 效 的 提 高 生 產(chǎn) 效 率 。 但 橡 膠 的 傳 導(dǎo) 系 數(shù) 很 低 ， 傳 熱 速 度 很 慢 ， 對(duì) 于象 膠 筒 的 厚 壁 制 品 ， 內(nèi) 層 的 溫 度 達(dá) 到 規(guī) 定 的 硫 化 溫 度 需 要 一 定 的 時(shí) 間 ， 硫 化溫 度 過(guò) 高 ， 就 會(huì) 導(dǎo) 致 內(nèi) 外 層 硫 化 不 均 ， 要 么 外 層 正 硫 化 內(nèi) 層 欠 硫 化 ， 要 么 內(nèi)層 正 硫 化 外 層 過(guò) 硫 化 ， 影 響 膠 筒 的 性 能 。（以 下 內(nèi) 容 略 ）6 封 隔 器 膠 筒 模 擬 試 驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)備（ 1） 模 擬 試 驗(yàn) 裝 置 ：模 擬 試 驗(yàn) 裝 置 是 膠 筒 室 內(nèi) 試 驗(yàn) 的 主 要 設(shè) 備 ， 由 試 壓 泵 、 套 加 熱 裝 置 和 控溫 儀 等 組 成 。技 術(shù) 指 標(biāo) 為 ： 試 驗(yàn) 溫 度 ： 室 溫 ～ 180℃ 試 驗(yàn) 壓 差 ： 0～ 120MPa 套 管 內(nèi) 徑 ： 86 mm 、 125mm（ 2） 試 驗(yàn) 工 具 ：膠 筒 試 驗(yàn) 工 具 主 要 由 活 塞 、 液 缸 、 蘿 卜 頭 、 中 心 管 和 外 鎖 緊 機(jī) 構(gòu) 組 成 。利 用 試 驗(yàn) 工 具 模 擬 封 隔 器 膠 筒 的 工 作 狀 態(tài) ， 可 以 進(jìn) 行 膠 筒 的 座 封 性 能 、 密 封性 能 的 測(cè) 試 。 試驗(yàn)記錄表 、 列 出 了 部 分 試 驗(yàn) 原 始 記 錄 。 試驗(yàn)結(jié)果分析 結(jié)構(gòu)形狀對(duì)膠筒性能的影響在 膠 筒 內(nèi) 外 徑 一 定 的 條 件 下 ， 膠 筒 高 度 對(duì) 性 能 有 較 大 的 影 響 ， 表 列 出 了 相 同 條 件 下 不 同 高 度 膠 筒 所 達(dá) 到 耐 壓 指 標(biāo) ：表 51/2〞 套 管 膠 筒 模 擬 試 驗(yàn) 記 錄（表 格 略 ）表 4〞 套 管 膠 筒 模 擬 試 驗(yàn) 記 錄（表 格 略 ）表 膠 筒 高 度 與 工 作 壓 差 關(guān) 系（表 格 略 ）可 見(jiàn) 膠 筒 太 長(zhǎng) 和 太 短 都 不 能 取 得 最 好 的 性 能 ， 分 析 其 原 因 ， 膠 筒 太 短 ，座 封 時(shí) 肩 部 變 形 量 大 ， 易 剪 切 破 壞 ， 座 封 后 與 套 管 壁 的 有 效 接 觸 面 積 小 ， 也不 利 于 長(zhǎng) 久 密 封 ； 膠 筒 太 長(zhǎng) ， 座 封 過(guò) 程 容 易 出 現(xiàn) 雙 峰 現(xiàn) 象 ， 降 低 與 套 管 壁 的接 觸 應(yīng) 力 ， 也 就 降 低 了 所 能 密 封 的 工 作 壓 差 。 所 以 ， 合 理 的 膠 筒 高 度 可 以 有效 提 高 耐 壓 指 標(biāo) 。通 過(guò) 試 驗(yàn) 得 出 ： 51/2〞 小 直 徑 膠 筒 的 合 理 高 度 為 100mm， 4〞 膠 筒 的 合理 高 度 為 50mm， 與 理 論 計(jì) 算 值 基 本 相 同 。 但 內(nèi) 外 徑 的 改 變 也 會(huì) 引 起 合 理 高度 的 改 變 。 初始密封的座封力測(cè)定在 地 面 上 用 4〞 套 管 膠 筒 加 壓 ， 泵 壓 為 時(shí) ， 膠 筒 開(kāi) 始 貼 緊 套 管壁 ， 經(jīng) 計(jì) 算 此 時(shí) 座 封 力 為 12kN， 達(dá) 到 性 能 指 標(biāo) 要 求 。 座封載荷和密封壓差的關(guān)系 根 據(jù) 資 料 介 紹 ， 座 封 載 荷 F 和 密 封 壓 差 ⊿ P 具 有 下 面 的 關(guān) 系 ：π⊿P（ Rt2－ R02） （ R12－ R02）4f R0h（ 1－ εz）2Rt(Rt－ R12)（ Rt2－ R02） （ ）Rt—套 管 內(nèi) 半 徑 ， mm；R1—膠 筒 外 半 徑 ， mm； R0—中 心 管 外 半 徑 ， mm； h—膠 筒 高 度 ， mm；f—膠 筒 與 套 管 壁 的 摩 擦 系 數(shù) ， 一 般 取 ；由 以 上 公 式 計(jì) 算 和 實(shí) 際 測(cè) 試 的 結(jié) 果 見(jiàn) 表 ：表 座 封 載 荷 與 密 封 壓 差 的 關(guān) 系（表 格 略 ）從 表 中 可 以 看 出 ， 實(shí)際試驗(yàn)的座封載荷高于理論計(jì)算值，這在實(shí)際應(yīng)用中是必要的。（以 下 內(nèi) 容 略 ） F＝ε z＝ － 結(jié) 論（ 1） 在 過(guò) 氧 化 物 硫 化 體 系 條 件 下 ， 甲 基 丙 稀 酸 鎂 （ MMg） 的 應(yīng) 用 可 以有 效 提 高 膠 料 的 物 理 機(jī) 械 性 能 。