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高含硫化氢油气田开发工程需要使用大量橡胶密封材料,这些密封制品往往是油气装备的核心部件。在硫化氢存在的条件下,密封制品可能会与其发生反应导致重大安全事故。在众多的橡胶密封材料中,四丙氟橡胶具有一定的耐热、耐硫化氢性能,通常用作高含硫油气田井下装备的密封材料。目前,四丙氟橡胶在高温硫化氢环境中的腐蚀实验报道较少,在硫化氢中的失效机理不明确,使得高温高含H2S工况下橡胶密封材料的老化问题非常突出,已经成为制约含硫气藏开发的技术瓶颈之一。
本文首先研究了温度、气相中的二氧化碳和硫化氢浓度和总压对四丙氟橡胶的拉伸强度、断裂伸长率、硬度及质量、体积变化率的影响,并用红外光谱、SEM、EDS和XPS对腐蚀前后的四丙氟橡胶进行了表征。结果表明:与腐蚀前相比,腐蚀后四丙氟橡胶的拉伸强度与硬度均有很大程度的下降,腐蚀后随温度升高,拉伸强度变化不大,断裂伸长率有所增大;二氧化碳浓度增加,胶料的拉伸强度与断裂伸长率有所提高;硫化氢对四丙氟橡胶的腐蚀比二氧化碳的腐蚀严重,强度降低断裂伸长率增大;随着总压升高氟橡胶试样的质量、体积变化率逐渐升高,拉伸强度基本不变而断裂伸长率增高。通过表征分析可以发现在硫化氢腐蚀后四丙氟橡胶的主链与交联网络发生部分断裂,这是导致力学性能损失的主要原因。
其次,本文考察了主交联剂(DCP和双二五)和助交联剂(TAC、TAIC和HVA-2)的种类、用量对四丙氟橡胶在盐酸和硫化氢腐蚀后拉伸强度、断裂伸长率、硬度及质量、体积变化率的影响。结果表明:DCP与TAIC并用硫化体系可以较好的硫化四丙氟橡胶;当DCP:TAIC=3:6时,四丙氟硫化胶的耐硫化氢与盐酸性能最好。
再次,本文考察了补强填料碳黑的种类及用量和粘土的用量对四丙氟橡胶的耐盐酸和硫化氢性能的影响。结果表明:炭黑550填充的四丙氟橡胶耐硫化氢性能好于炭黑330、炭黑774、炭黑990填充的胶料;炭黑550用量为35份时,四丙氟橡胶的综合性能及耐硫化氢性能最佳;炭黑550与粘土并用填充的四丙氟橡胶耐腐蚀性能优良:炭黑550为35份粘土10份时,硫化胶经过硫化氢腐蚀后,强度保持率能达到77%,断裂伸长率保持率能达到111%。