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青岛科技大学研究生学位论文
大，因此必须使用冷却效率高的挤出机。此外，机筒和螺杆的温度要保持在40~60℃之间，而机头温度则可升至90~95℃的范围。
口型温度和混炼胶的种类、硬度和挤出制品的形状尺寸等有关。但对于硬度为60~65度的胶料，口型温度约在120℃左右为宜。胶料硬度高以及挤出制品的截面积较大时，口型温度也需设定得高一些。
挤出成型制品的硫化体系一般选择硫磺硫化体系。通常情况下通过改变促进剂的品种、用量以及并用等来优化硫化体系，得到能够与硫化速度、焦烧时间匹配的硫化体系。如果挤出时采用过氧化物硫化体系，得到的制品一般为无压硫化，此时产生气泡的原因一般是硫化时过氧化物分解产生的气体聚集在胶料内部。
对于HNBR来说，一般高填充的胶料其挤出膨胀率较小，更容易挤出加工。
5 HNBR在螺杆钻具橡胶定子产品中的应用
橡胶定子是一种衬在无缝钢管内壁上的一层特殊的螺旋状橡胶材料，广泛应用于石油钻采设备及各种用途的螺杆泵中。螺杆泵[49]橡胶定子材料受多方面因素共同作用，引起橡胶的物理机械性能发生变化，使橡胶过早老化，缩短了螺杆泵的使用寿命，限制了螺杆泵的应用范围。因此，螺杆泵定子橡胶材料的选择及其性能优化，是提高螺杆泵工作效率中至关重要的一步[50]。 5.1 螺杆钻具的结构及工作原理
螺杆钻具是一种容积式井底马达。其主要结构见图1-7。
图1-7 螺杆钻具结构示意图
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氢化丁腈橡胶的配方设计与性能研究 Fig.1-7 the structure of downhole motors
它的主要作用是当高压钻井泥浆进入螺杆钻具后，利用液体的压力将动力从转子传达到钻头，从而迫使钻头前进，达到钻井的目的。它主要由以下部件组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成。其中马达总成是螺杆钻具核心部分，由转子和定子组成。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，由钢制外壳和橡胶内衬粘结而成。下图为部分型号的马达截面图：
从上图中可以看出，转子的瓣数比定子的瓣数始终少一个，这样保证了二者的轴线始终不会重合，在定子的内螺旋面和转子表面之间形成了一个一个的封闭腔室，当定子-转子中靠近吸入端的第一个腔室的容积增加时，在它和吸入端的压力差作用下，油流便进入第一个腔室并随着转子的转动，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，在此过程中压力不断升高，而且排量是非常均匀的[51]。 5.2 螺杆钻具生产工艺
根据螺杆钻具定子产品的结构与性能，一般选用注射生产，具体工艺流程见图1-8。
不同型号的产品，对于工艺条件的要求也不尽相同，硫化的温度、时间等条件要根据实际产品的性能来确定。
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图1-8 螺杆钻具定子橡胶的生产工艺流程图
Fig.1-8 Process direction of stator rubber in downhole motors
5.3影响螺杆钻具工作寿命的因素[52]
（1）磨耗的影响
磨耗一般有三种形式：磨损磨耗、卷曲磨耗和疲劳磨耗。磨损磨耗是橡胶在粗糙表面上摩擦时，由于摩擦表面上凸出的尖锐粗糙物不断切割、刮擦，致使橡胶表面局部接触点被切割、扯断成微小的颗粒，从橡胶表面上脱落下来。定子橡胶在进行原油抽提时，原油中携带的油井泥沙就会形成磨损磨耗；卷曲磨耗是因为橡胶与光滑表面接触时，由于摩擦力的作用，硫化胶表面的微凸不平的地方发生形变，并被撕裂破坏，成卷地脱落表面；疲劳磨耗是因为与摩擦面相接触的硫化胶表面在反复的摩擦过程中受周期性压缩、剪切、拉伸等形变作用，使橡胶表面发生疲劳并逐步生成微裂纹，这些裂纹发展导致材料表面微观剥落。
在定子橡胶的使用过程中，三种形式的磨耗共同存在，但是最为重要的是疲劳磨耗。定转子之间的状态见图1-9。由于定转子间存在过盈，转子周期性地对不同位置的定子橡胶进行压缩/回复作用，因此使定子橡胶产生疲劳，进而导致老化，使橡胶性能下降，同时又会产生磨损磨耗和卷曲磨耗。因此定子橡胶的耐磨耗性对其使用寿命是非常重要的，特别应注意控制因疲劳磨耗而导致的老化。
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氢化丁腈橡胶的配方设计与性能研究
图1-9 定转子之间的状态 Fig.1-9 the state of stator and rotor
（2）过盈值的影响
对于不同的橡胶材料，或者相同的橡胶材料应用在不同的工作环境条件下，应根据材料和使用条件来选择适合的过盈值。适当的过盈量，可以降低摩擦、减小磨耗，从而延长螺杆钻具的使用寿命。
通常来讲，过盈值大，会使转子对定子橡胶的磨耗加剧，同时也会使摩擦生热量大，加剧橡胶老化；过盈值过小，会造成泵的举升液漏失；过盈值过大，则容易出现卡泵的现象，无法实现举升功能。因此，应当合理选择过盈值。
（3）高温影响
在较高的温度下，所有的橡胶都会降解，力学性能降低。中等温度会引发新的交联键的形成，使橡胶有一定程度的增硬。高温下，分子链的断裂多于生成，伴随着橡胶的结构破坏和网络的软化。在非常高的温度下，主链裂解，橡胶炭化或脆化。
油田井下泵温度受到多种因素影响，变化不一。一般来说，井下泵温度处于丁腈橡胶使用的中低温度范围，但是由于受不同的腐蚀性的介质作用，会加剧橡胶的老化。
（4）流体环境的影响
定子橡胶工作环境中的流体环境是十分复杂的。部分有机流体仅通过物理方式削弱橡胶的机械性能，而腐蚀性流体如酸和碱则会造成化学侵蚀。化学侵蚀通过破坏分子结构导致更进一步的破坏。
油井中的砂子具有相当大的磨砺性，对泵、杆柱和油管均会造成磨损；同时原油中含有相当数量的芳香族(饱和烃、芳烃等)、少量的硫化氢和二氧化碳气体。芳香族化合物会使定子橡胶膨胀，硫化氢和二氧化碳气体会使定子橡胶脆化、硬化，以致破坏。
（5）橡胶-金属结合的耐久性
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