石油机械密封件新型橡胶材料性能与应用

引言

石油工业的勘探开发已向深井、超深井及高含硫油气田延伸，机械密封件长期处于 150℃以上高温、20MPa 以上高压及 H₂S、 CO₂ 等强腐蚀介质的复杂环境中，传统丁腈橡胶、天然橡胶等材料因耐温上限低、化学稳定性不足，频繁引发密封失效，导致设备停机、油气泄漏等安全隐患。新型橡胶材料通过分子结构设计与改性技术，突破了传统材料的性能局限，成为提升密封件可靠性的关键。

一、石油机械密封件对橡胶材料的性能要求

（一）极端环境耐受性

石油钻采设备中的密封件需同时承受多重极端条件：在深井钻井场景中，钻井液循环系统的密封件需耐受 180-250℃的高温与 15-30MPa 的压力，且需抵御钻井液中黏土颗粒的磨蚀；在高含硫油气处理环节，密封件需长期接触浓度达 1000ppm 以上的 H₂S 介质，避免材料发生化学降解。此外，昼夜温差引发的热胀冷缩及介质渗透会导致材料溶胀，要求橡胶材料具备极低的体积膨胀率（通常需低于5% ）。

（二）力学性能稳定性

密封件的密封效果依赖于材料持续的弹性回复能力，在长期压缩状态下需保持低压缩永久变形率（高温下 24h 压缩永久变形应小于 20% ）。同时，旋转轴密封等动态密封场景中，材料需具备优异的耐磨性与抗撕裂强度，以应对线速度达 5m/s 以上的动态摩擦，避免因材料磨损导致密封间隙扩大。

（三）兼容性与长效性

橡胶材料需与石油介质（原油、柴油、液压油等）、化学处理剂（缓蚀剂、破乳剂等）保持良好兼容性，无溶胀、溶解或萃取现象。在海上石油平台等潮湿环境中，还需具备抗霉菌侵蚀能力，确保密封件在 10000h 以上的服役周期内性能衰减不超过 15% 。

二、传统橡胶材料的性能瓶颈与局限性

（一）丁腈橡胶（NBR）

丁腈橡胶因含丙烯腈基团而具备一定耐油性，但其分子链中不饱和双键易被氧化，耐温上限仅为120℃，在高温油气环境中 1000h 后拉伸强度下降幅度超过 40%₉₀ 同时，其对 H₂S、Cl⁻等腐蚀性介质的抵御能力薄弱，在高含硫工况下易发生硫化物应力开裂，密封失效周期通常不足 3000h。

（二）氟橡胶（FKM）

传统氟橡胶虽提升了耐温性（耐温上限 180^∘C ）与耐油性，但分子链中的醚键易被强极性介质破坏，在含胺类缓蚀剂的环境中体积膨胀率可达 15%以上。此外，其低温弹性差（玻璃化转变温度约- ∇⋅20^∘C ），在寒区油田冬季作业时易发生脆裂，无法满足宽温域密封需求。

（三）乙丙橡胶（EPDM）

乙丙橡胶具备优异的耐候性与耐水性，但极性基团缺失导致其耐油性极差，在原油中浸泡 72h 后溶胀率超过 30% ，且高温下力学性能衰减迅速， 150^∘C 时拉伸强度不足常温状态的 50% ，难以适用于石油介质密封场景。

三、新型橡胶材料的性能特性与改性机

（一）氢化丁腈橡胶（HNBR）

氢化丁腈橡胶通过对丁腈橡胶分子链中的不饱和双键进行选择性氢化，保留丙烯腈基团的耐油性，同时引入饱和结构提升热稳定性与化学惰性。其耐温上限可达 175^∘C ，在 150℃高温下长期服役后压缩永久变形率仅为 15% ，较丁腈橡胶降低 50% 以上。在含 10% 原油的介质中浸泡 72h，体积膨胀率低于 3% ，且对 H₂S 的抗渗透能力较传统 FKM 提升 3 倍。通过炭黑/白炭黑复合增强改性，氢化丁腈橡胶的拉伸强度可从原始的 18MPa 提升至 25MPa，撕裂强度突破 50kN/m ，满足动态密封的耐磨需求。采用过氧化交联体系替代传统硫磺交联，可使材料的耐介质溶胀性进一步提升，在含醇类混合油中的体积膨胀率控制在 2%以内。

（二）全氟醚橡胶（FFKM）

全氟醚橡胶分子链由 C-F 键构成，无任何不饱和键与极性基团，C-F 键的键能高达 485kJ/mol，赋予材料极致的化学稳定性。其耐温上限可达 320^∘C ，在 280℃高温下连续运行 5000h 后，力学性能衰减不足 10% ；对 H₂S、 .CO₂ 、浓盐酸等强腐蚀介质具有“零渗透”特性，在 10000ppmHzS 环境中服役 10000h无开裂现象。全氟醚橡胶分子链刚性大，传统加工流动性差，通过引入全氟烷基乙烯基醚共聚单体，可降低熔体黏度，使门尼黏度（ MLl+l0，121^∘C ）从 100 降至 60，实现模压成型与注射成型的工业化应用。同时，采用纳米氮化硅填充改性，可在不降低弹性的前提下，将材料的耐磨性提升 40% 。

（三）氟硅橡胶（FSR）

氟硅橡胶结合了氟橡胶的耐油性与硅橡胶的宽温域弹性，其玻璃化转变温度低至- .60^∘C ，耐温上限达 200^∘C ，可在-50℃至 180℃的宽温范围内保持良好弹性。在航空煤油与原油的混合介质中，体积膨胀率仅为 4% ，较硅橡胶降低 80% ，解决了传统材料“耐油与宽温不可兼得”的难题。通过引入三氟丙基甲基硅氧烷链节与苯基硅氧烷链节共聚，氟硅橡胶的耐 γ 辐射剂量从 10kGy 提升至 50kGy，在核辐射油田作业场景中，密封性能保持率超过 90% ，拓展了其在特殊石油开采领域的应用。

（四）乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）改性橡胶

采用 ETFE 微粉（粒径 5-10|μm ）与橡胶基体共混，ETFE 微粉在材料内部形成“刚性支撑网络”，可使橡胶的压缩永久变形率降低 30% ，同时 ETFE 的化学惰性赋予材料优异的耐酸碱性，在 pH值 1-13的介质中性能稳定。ETFE 改性橡胶的拉伸强度可达 28MPa ，断裂伸长率保持在 300% 以上，实现了力学强度与弹性的协同提升。在含沙原油输送场景中，其耐磨性较纯氟橡胶提升 60% ，密封寿命延长至15000h 以上。

四、新型橡胶材料在石油机械密封件中的应用实践

（一）钻井泵密封系统

钻井泵的活塞密封与阀杆密封需承受高压钻井液的冲刷与高温侵蚀，采用氢化丁腈橡胶制备的密封件，在 180^∘C 、25MPa 工况下，密封失效周期从传统 NBR 的 200h 延长至 1200h，钻井液泄漏量降低至 0.5L/h 以下。某油田应用表明，采用炭黑增强 HNBR 密封件后，钻井泵的维护频次减少 60% ，单井作业成本降低 8 万元。

（二）输油管道旋转接头密封

输油管道旋转接头需实现动态密封与介质隔离，采用全氟醚橡胶密封件，在 200^∘C 、10MPa 及含500ppm H₂S 的原油输送中，旋转线速度达 4m/s 时，密封寿命突破 8000h，较传统 FKM 密封件提升 3倍。其“零渗透”特性避免了 H₂S 泄漏引发的设备腐蚀，管道维护成本降低 40‰

（三）油气分离设备静密封

油气分离设备的法兰密封面临多介质交替侵蚀，氟硅橡胶密封垫片在-40℃至 160℃的温度波动下，压缩永久变形率始终低于 12% ，在原油、水、缓蚀剂的混合介质中浸泡 3000h 后，密封比压保持率达95% ，解决了寒区油田冬季密封失效的难题。某海上平台应用后，设备泄漏率从 0.3% 降至 0.05% 。

（四）井下工具密封组件

深井井下工具的密封件需耐受 250^∘C 高温与 30MPa 压力，采用 ETFE 改性全氟醚橡胶制备的密封环，在含 15%黏土颗粒的钻井液中，服役 600h 后磨损量仅为 0.1mm ，密封间隙控制在 0.02mm 以内，确保了井下工具的正常工作，单井勘探效率提升 20‰

结论

氢化丁腈橡胶、全氟醚橡胶等新型橡胶材料通过分子结构优化与改性技术，突破了传统材料在耐温、耐蚀、力学稳定性等方面的局限，实现了石油机械密封件在极端工况下的长效可靠运行。在钻井泵、输油管道等典型场景的应用表明，新型材料可使密封寿命延长 3-5 倍，设备维护成本降低 40%% 1上。未来需通过加强高端单体国产化、完善协同设计理论、建立标准化选型体系，推动新型橡胶材料在石油机械密封领域的规模化应用，为石油工业的安全高效发展提供材料保障。

参考文献

[1]刘洋. 高压气井芯轴式悬挂器全金属密封设计机理及试验研究[D]. 西南石油大学， 2020.

[2]陈晓杰. NBR 耐油密封橡胶配方体系研究[D]. 青岛科技大学， 2020.

[3]曾昭安. 牙轮钻头耐高温新型橡胶密封性能研究[D]. 西南石油大学， 2019.