Page 31 - 《橡塑智造与节能环保》2023年8期

综述与专论

改进型低温密封件在石油和天然气领域的

应用

对低温 O 形圈失效造成的灾难进行文献检索，通 2020 年 12 月 的 AMI 演讲中对常见的低温测试方法进
常只发现一个事件。1986 年 1 月 28 日发生的“挑战者” 行了比较。
号航天飞机灾难让人们关注到了低温对密封件发挥预 低温测试测量不同的特性，包括玻璃转化温度(
期效能的灾难性影响。然而，石油和天然气行业成功 Tg DSC 测量[参见 ASTM D3418/D7426]) 和 Tg 动态
地密封了碳氢化合物、精炼燃料、润滑油和气体，即 机械分析测量； 回缩温度(10% [TR10]，参见 ASTM
使在寒冷的早晨，其温度也比佛罗里达东部地区低得 D1329) ； 脆性温度或脆点、参考 ASTM D2137；低
多。如何将材料、设计和测试结合起来，以确保在油 温O形圈泄漏测试，参考 SAE 技术文件系列 2001-01-
田应用中有效密封油、燃料、润滑剂和气体？密封行 2974 和 AMS7273。
业为汽车、卡车、轮船和火车提供密封件，这些密封 玻璃化转变温度(Tg) 被广泛应用于弹性体和塑料
件在阿拉斯加北部不会泄漏，并能在零下 54℃或更低 中，科学家可以借此快速比较不同材料的预期低温性
的温度下有效密封飞机中的燃料。 能。 人们通常将玻璃化温度(Tg) 作为弹性体在冷却到
本文将介绍一些常见和推荐的低温测试，并将标 该温度以下时开始像塑料一样发挥作用的温度。
准弹性体化合物与新型低温弹性体进行比较。文章还 当材料处于弹性阶段并被冷却时，在一个狭窄的
将介绍改进 HNBR、FKM 和 FFKM 弹性体低温性能 温度范围内，不同特性的变化率会发生显著变化。其
的一 些聚合物化学成分。石油和天然气低温密封领域 中一个确定弹性体 Tg 的早期方法是测量材料体积与温
面临的挑战包括如何在极高压力下考虑密封材料的玻 度的函数关系。在 Tg 值下，体积变化率会有明显不
璃化转变，同时在低温下保持足够的密封性。用于液 同。还有其他一些确定弹性体 Tg 的方法，但目前广泛
化天然气、纯氢和氢/甲烷混合物的低温密封件需要最 使用的是差示扫描量热法(DSC)（图1）。
好的可用材料、最好的可用设计和最先进的技术以及 动态机械分析 (DMA) 也用于测量 Tg。在 DSC 中
验证测试的最佳方法。 使用的是热性能，而在 DMA 中则使用机械性能变化
来确定 Tg。DMA 中的温度扫描对于比较两种或多种
1 石油和天然气用橡胶和塑料密封件的低温 材料在整个温度使用范围内的性能非常有用。典型的
测试 仪器如 TA RSA-G2，可在 -70℃至 450℃的温度范围
了解低温密封材料的低温试验和设计注意事项 内测试橡胶或塑料，拉伸或压缩应力可达 35 N。静态
的最佳起点之一是SAE的航空航天信息报告（AIR） 应变通常较低，约为 10%。典型的动态测试频率为 1
1387修订版D，标题为“在接近或低于玻璃化转变的低 Hz。图2 显示了弹性体的典型 DMA 扫描。
温下使用弹性体进行设计”。该文件包含57篇参考文 与典型的物理性质(如室温下拉伸时的拉力和模
献和一份按弹性体类型划分的典型玻璃化转变表，该 量)相比，DMA 可在很宽的温度范围内快速提供丰富
表作为选择特定密封应用的弹性体类型的起点非常有 的拉伸或压缩数据，包括
用。AIR 1387 Rev D强调了使用先前成功的低温密封 • 存储模量，E'
经验的价值。当聚合物上的分子链在变形(压缩) 后重 • 损耗模量，E"
新排列，并通过熵变储存能量时，弹性体就形成了有 • Tan(δ), E"/E'
效的密封。 除了通过 DSC 和 DMA 测得的玻璃化转变温度
在比较不同弹性体和塑料的低温特性之前，需 外， 10% 的回缩温度 (TR10) 也是一种广泛使用的弹
要了解一些常见低温测试的测量方法。D. De先生 在 性体测试方法，尤其适用于密封应用。该测试是对拉

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