CN109134987B - 一种用于压裂泵的夹布橡胶v型圈及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈及其制备方法，该夹布橡胶V型圈由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述HNBR胶料由以下质量份的组分组成：HNBR原胶：100份；氧化锌：3～10份；白炭黑：50～100份；陶土：20～80份；丙烯酸锌或/和丙烯酸镁：5～20份；硬脂酸：0.5～2份；防老剂：2～5份；活性剂：2～3份；钛白粉：0～6份；加工助剂：1.5～4份；硫化剂：3～6份；架桥助剂：3～5份；色粉：适量。其制备方法如下：1)混炼胶的制备；2)胶浆的制备；3)夹布橡胶的制备；4)V型圈的制备。本发明的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的硬度高、抗高压性能好、耐酸性好、耐磨性好、使用寿命长，制备工艺简单。

Description

一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈及其制备方法。
背景技术
压裂泵是油田进行压裂、酸化作业的重要设备，对油气井产量有很大影响。而柱塞密封圈是压裂泵的关键零部件之一，也是主要的易损部件，其密封性能的好坏和使用寿命的长短会直接影响压裂、酸化作业，特别是在高频高冲击压裂泵中，其内部压力超过105MPa，柱塞的往复运动速度高达400～500冲/分, 对压裂泵柱塞密封圈的要求很高。压裂泵柱塞密封圈一般由A环、B环和C环组成（见图1），通常A环为橡胶材质，B环为夹布橡胶，C环为塑料，A环和C环的制备难度较低，主要的难点在B环，而B环的性能是影响压裂泵整体性能的主要因素。目前，B环夹布橡胶普遍存在以下问题：1）硬度、刚性不足，导致密封件的抗高压性能差；2）耐酸性差；3）耐磨性差。
因此，有必要开发一种抗高压性能好、耐酸性好、耐磨性好的夹布橡胶V型圈（截面为V形的密封圈）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述HNBR胶料由以下质量份的组分组成：HNBR原胶：100份；氧化锌：3～10份；白炭黑：50～100份；陶土：20～80份；丙烯酸锌或/和丙烯酸镁：5～20份；硬脂酸：0.5～2份；防老剂：2～5份；活性剂：2～3份；钛白粉：0～6份；加工助剂：1.5～4份；硫化剂：3～6份；架桥助剂：3～5份；色粉：适量。
所述HNBR胶料在夹布上的附胶量为220～260g/m2。
所述夹布由聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的至少两种混合编织而成。
所述HNBR原胶的ACN含量为33%～44%，100℃下门尼黏度ML1+4≥80。
所述防老剂为二苯胺取代衍生物、2-硫醇基苯并咪唑锌盐、2-硫醇基苯并咪唑中的至少一种。
所述活性剂为聚乙二醇、二甘醇中的至少一种。
所述加工助剂为棕榈蜡、脂肪酸盐、脂肪酸、金属皂基混合物、有机硅化合物中的至少一种。
所述硫化剂为过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化二异丙基苯中的至少一种。
所述架桥助剂为2,4,6-三(烯丙氧基)-1,3,5-三嗪、1,3,5-三烯丙基-均三嗪-2,4,6-三酮、N,N′-间苯撑双马来酰亚胺中的至少一种。
上述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，包括以下步骤：
1) 将HNBR原胶加入开炼机，塑炼，再加入氧化锌、硬脂酸和防老剂进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、活性剂、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入色粉进行混炼，再加入硫化剂和架桥助剂进行混炼，出片，得到HNBR胶片；
或者，将HNBR原胶加入密炼机，塑炼，再加入一部分氧化锌、硬脂酸、防老剂、活性剂、白炭黑、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、陶土、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入剩余的氧化锌、硬脂酸、防老剂、活性剂、白炭黑、丙烯酸锌或丙烯酸镁、陶土、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入色粉进行混炼，再将胶料转入开炼机中，进行翻炼，再加入硫化剂和架桥助剂进行混炼，出片，得到HNBR胶片；
2) 将HNBR胶片切成条状，分散在溶剂中，得到HNBR胶浆；
3) 将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4) 将HNBR夹布橡胶切成环状的片，再将多个环状片层叠放入模具中，在160～180℃、15～25MPa的条件下进行高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈。
本发明的有益效果是：本发明的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的硬度高、抗高压性能好、耐酸性好、耐磨性好、使用寿命长，制备工艺简单。
1）本发明的HNBR胶料制备得到的混炼胶的硬度高（邵氏硬度≥95）；
2）本发明通过填料、溶剂的不同组合，解决了胶料制备胶浆难溶解的问题；
3）本发明的夹布由聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的至少两种混合编织而成，耐酸性好、强度高、耐磨性好；
4）本发明先将HNBR夹布橡胶切成环状的片，再将多个环状片层叠（层数根据产品的高度而定）放入模具，进行高温高压成型，使得夹布橡胶V型圈中夹布层次分明，均匀一致，解决了传统卷布工艺存在的夹布分布不均的问题，提高了夹布橡胶V型圈的可靠性和使用寿命。
附图说明
图1为压裂泵柱塞密封圈的结构示意图（横截面）。
图2为实施例1的夹布橡胶V型圈在压裂22口油气井后的照片；
图3为市售夹布橡胶V型圈1在压裂6口油气井后的照片。
具体实施方式
一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述HNBR胶料由以下质量份的组分组成：HNBR原胶：100份；氧化锌：3～10份；白炭黑：50～100份；陶土：20～80份；丙烯酸锌或/和丙烯酸镁：5～20份；硬脂酸：0.5～2份；防老剂：2～5份；活性剂：2～3份；钛白粉：0～6份；加工助剂：1.5～4份；硫化剂：3～6份；架桥助剂：3～5份；色粉：适量。
优选的，所述HNBR胶料在夹布上的附胶量为220～260g/m2。
优选的，所述夹布由聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的至少两种混合编织而成。
优选的，所述夹布的面密度为200～220g/m2。
优选的，所述夹布中纤维的强度≥130LB，经纬数量100～120根/100mm。
优选的，所述HNBR原胶的ACN含量为33%～44%，100℃下门尼黏度ML1+4≥80。
优选的，所述防老剂为二苯胺取代衍生物、2-硫醇基苯并咪唑锌盐、2-硫醇基苯并咪唑中的至少一种。
优选的，所述活性剂为聚乙二醇、二甘醇中的至少一种。
优选的，所述加工助剂为棕榈蜡、脂肪酸盐、脂肪酸、金属皂基混合物、有机硅化合物中的至少一种。
优选的，所述硫化剂为过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化二异丙基苯中的至少一种。
优选的，所述架桥助剂为2,4,6-三(烯丙氧基)-1,3,5-三嗪、1,3,5-三烯丙基-均三嗪-2,4,6-三酮、N,N′-间苯撑双马来酰亚胺中的至少一种。
上述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，包括以下步骤：
1) 将HNBR原胶加入开炼机，塑炼，再加入氧化锌、硬脂酸和防老剂进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、活性剂、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入色粉进行混炼，再加入硫化剂和架桥助剂进行混炼，出片，得到HNBR胶片；
或者，将HNBR原胶加入密炼机，塑炼，再加入一部分氧化锌、硬脂酸、防老剂、活性剂、白炭黑、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、陶土、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入剩余的氧化锌、硬脂酸、防老剂、活性剂、白炭黑、丙烯酸锌或丙烯酸镁、陶土、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入色粉进行混炼，再将胶料转入开炼机中，进行翻炼，再加入硫化剂和架桥助剂进行混炼，出片，得到HNBR胶片；
2) 将HNBR胶片切成条状，分散在溶剂中，得到HNBR胶浆；
3) 将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4) 将HNBR夹布橡胶切成环状的片，再将多个环状片层叠放入模具中，在160～180℃、15～25MPa的条件下进行高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈。
优选的，上述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，包括以下步骤：
1) 将HNBR原胶加入开炼机，控制辊距1～2mm，薄通塑炼3～5次，再调节辊距至2～5mm，加入氧化锌、硬脂酸和防老剂进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、活性剂、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入色粉进行混炼，再加入硫化剂和架桥助剂，打三角包2～4次，再调节辊距至0.5～2mm，薄通5～8次，出片，静置10h以上，得到HNBR胶片；
或者，将HNBR原胶加入密炼机，50℃以下塑炼1～3min，再加入1/2的氧化锌、硬脂酸、防老剂、活性剂、白炭黑、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、陶土、钛白粉和加工助剂的预混合物，混炼2～5min，再加入剩余的氧化锌、硬脂酸、防老剂、活性剂、白炭黑、丙烯酸锌或丙烯酸镁、陶土、钛白粉和加工助剂的预混合物，混炼3～6min，再加入色粉，120～130℃排胶，再将胶料转入开炼机中，翻炼2～4min，再加入硫化剂和架桥助剂进行混炼，打三角包2～4次，再调节开炼机辊距至0.5～2mm，薄通5～8次，出片，静置10h以上，得到HNBR胶片；
2) 将HNBR胶片切成条状，浸泡在溶剂中，搅拌5～6h，得到HNBR胶浆；
3) 将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4) 将HNBR夹布橡胶冲切成环状的片，再将多个环状片层叠放入模具中，在160～180℃、15～25MPa的条件下进行高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈。
优选的，步骤2）所述溶剂由丙酮、丁酮、乙酸乙酯按照体积比1：（2～3）：（0.5～1）混合而成。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述夹布由质量比为1:1的聚酯纤维和芳纶纤维混合编织而成；
所述HNBR胶料的组成如下表所示：
表1 HNBR胶料的组成表
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 465878DEST_PATH_IMAGE002
上述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，包括以下步骤：
1）将HNBR原胶加入开炼机，控制辊距2mm，薄通塑炼5次，再调节辊距至5mm，加入氧化锌、硬脂酸、二苯胺取代衍生物和2-硫醇基苯并咪唑锌盐进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌、聚乙二醇和棕榈蜡的预混合物进行混炼，再加入黑色色粉进行混炼，再加入过氧化二异丙苯和2,4,6-三(烯丙氧基)-1,3,5-三嗪，打三角包3次，再调节辊距至1mm，薄通5次，出片，静置12h，得到HNBR胶片；
2）将HNBR胶片切成条状，浸泡在溶剂（由丙酮、丁酮、乙酸乙酯按照体积比1:2:0.5混合而成）中，搅拌5h，得到HNBR胶浆；
3）将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，附胶量为240g/m2，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4）将HNBR夹布橡胶冲切成环状的片，再将25个环状片层叠放入模具中，在160℃、20MPa的条件下进行25min高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈（内径63.5mm、外径88.9mm、高度19mm）。
实施例2：
一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述夹布由质量比为1:1的聚酯纤维和玻璃纤维混合编织而成；
所述HNBR胶料的组成如下表所示：
表2 HNBR胶料的组成表
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure 55122DEST_PATH_IMAGE004
上述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，包括以下步骤：
1）将HNBR原胶加入开炼机，控制辊距2mm，薄通塑炼5次，再调节辊距至5mm，加入氧化锌、硬脂酸和二苯胺取代衍生物、2-硫醇基苯并咪唑锌盐进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌、聚乙二醇、二甘醇、钛白粉和硬质酸锌的预混合物进行混炼，再加入黄色色粉进行混炼，再加入双叔丁基过氧化二异丙基苯和N,N′-间苯撑双马来酰亚胺，打三角包3次，再调节辊距至1mm，薄通5次，出片，静置12h，得到HNBR胶片；
2）将HNBR胶片切成条状，浸泡在溶剂（由丙酮和丁酮、乙酸乙酯按照体积比1:3:1混合而成）中，搅拌5h，得到HNBR胶浆；
3）将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，附胶量为220g/m2，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4）将HNBR夹布橡胶冲切成环状的片，再将25个环状片层叠放入模具中，在170℃、25MPa的条件下进行20min高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈（规格：内径63.5mm、外径88.9mm、高度19mm）。
实施例3：
一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述夹布由质量比为1:1的聚酯纤维和玻璃纤维混合编织而成；
所述HNBR胶料的组成如下表所示：
表3 HNBR胶料的组成表
Figure DEST_PATH_IMAGE005
上述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，包括以下步骤：
1）将HNBR原胶加入开炼机，控制辊距2mm，薄通塑炼5次，再调节辊距至5mm，加入氧化锌、硬脂酸和二苯胺取代衍生物、2-硫醇基苯并咪唑锌盐进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌、聚乙二醇、钛白粉和硬质酸锌的预混合物进行混炼，再加入棕色色粉进行混炼，再加入双叔丁基过氧化二异丙基苯和N,N′-间苯撑双马来酰亚胺，打三角包3次，再调节辊距至1mm，薄通5次，出片，静置12h，得到HNBR胶片；
2）将HNBR胶片切成条状，浸泡在溶剂（由丙酮和丁酮、乙酸乙酯按照体积比1:2.5:0.75混合而成）中，搅拌5h，得到HNBR胶浆；
3）将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，附胶量为260g/m2，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4）将HNBR夹布橡胶冲切成环状的片，再将25个环状片层叠放入模具中，在180℃、15MPa的条件下进行15min高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈（规格：内径63.5mm、外径88.9mm、高度19mm）。
实施例4：
一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述夹布由质量比为1:1的聚酯纤维和玻璃纤维混合编织而成；
所述HNBR胶料的组成如下表所示：
表4 HNBR胶料的组成表
Figure 772542DEST_PATH_IMAGE006
上述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，包括以下步骤：
1）将HNBR原胶加入开炼机，控制辊距2mm，薄通塑炼5次，再调节辊距至5mm，加入氧化锌、硬脂酸和二苯胺取代衍生物、2-硫醇基苯并咪唑锌盐进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌、丙烯酸镁、聚乙二醇、钛白粉和硬质酸锌的预混合物进行混炼，再加入棕色色粉进行混炼，再加入双叔丁基过氧化二异丙基苯、过氧化二异丙苯和N,N′-间苯撑双马来酰亚胺，打三角包3次，再调节辊距至1mm，薄通5次，出片，静置12h，得到HNBR胶片；
2）将HNBR胶片切成条状，浸泡在溶剂（由丙酮和丁酮、乙酸乙酯按照体积比1:3:0.5混合而成）中，搅拌5h，得到HNBR胶浆；
3）将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，附胶量为250g/m2，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4）将HNBR夹布橡胶冲切成环状的片，再将25个环状片层叠放入模具中，在170℃、20MPa的条件下进行20min高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈（规格：内径63.5mm、外径88.9mm、高度19mm）。
测试例：
1）对实施例1～4制备的夹布橡胶V型圈、市售夹布橡胶V型圈1（对比例1）和市售夹布橡胶V型圈2（对比例2）分别进行性能测试，测试结果如下表所示：
表5 实施例1～4的夹布橡胶V型圈的性能测试数据
Figure DEST_PATH_IMAGE007
注：压裂层数是指夹布橡胶V型圈从完好至破损所能压裂的地层数。
2）将实施例1制备的夹布橡胶V型圈和市售夹布橡胶V型圈1安装在2500型压裂车的5缸压裂泵上，再在压力86MPa、酸性腐蚀环境下进行压裂操作，压裂22口油气井后实施例1的夹布橡胶V型圈的照片如图2所示，而压裂 6口油气井后市售夹布橡胶V型圈1的照片如图3所示。
由图2和图3可知：实施例1的夹布橡胶V型圈在压裂 22口油气井后仍保持完好，未发生损坏，而市售夹布橡胶V型圈1在压裂 6口油气井后便严重破损。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，其特征在于：由夹布和涂覆在夹布上的HNBR胶料组成；所述HNBR胶料由以下质量份的组分组成：HNBR原胶：100份；氧化锌：3～10份；白炭黑：50～100份；陶土：20～80份；丙烯酸锌或/和丙烯酸镁：5～20份；硬脂酸：0.5～2份；防老剂：2～5份；活性剂：2～3份；钛白粉：0～6份；加工助剂：1.5～4份；硫化剂：3～6份；架桥助剂：3～5份；色粉：适量；
所述夹布由聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的至少两种混合编织而成；
所述活性剂为聚乙二醇、二甘醇中的至少一种；
所述加工助剂为棕榈蜡或硬脂酸锌；
所述用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法包括以下步骤：
1）将HNBR原胶加入开炼机，塑炼，再加入氧化锌、硬脂酸和防老剂进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、活性剂、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入色粉进行混炼，再加入硫化剂和架桥助剂进行混炼，出片，得到HNBR胶片；
2）将HNBR胶片切成条状，分散在溶剂中，得到HNBR胶浆；
3）将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4）将HNBR夹布橡胶切成环状的片，再将多个环状片层叠放入模具中，在160～180℃、15～25MPa的条件下进行高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈；
步骤2）所述溶剂由丙酮、丁酮、乙酸乙酯按照体积比1：（2～3）：（0.5～1）混合而成。
2.根据权利要求1所述的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，其特征在于：所述HNBR胶料在夹布上的附胶量为220～260g/m2。
3.根据权利要求1所述的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，其特征在于：所述HNBR原胶的ACN含量为33%～44%，100℃下门尼黏度ML1+4≥80。
4.根据权利要求1所述的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，其特征在于：所述防老剂为二苯胺取代衍生物、2-硫醇基苯并咪唑锌盐、2-硫醇基苯并咪唑中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，其特征在于：所述硫化剂为过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化二异丙基苯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈，其特征在于：所述架桥助剂为2,4,6-三(烯丙氧基)-1,3,5-三嗪、1,3,5-三烯丙基-均三嗪-2,4,6-三酮、N,N′-间苯撑双马来酰亚胺中的至少一种。
7.权利要求1～6中任意一项所述的用于压裂泵的夹布橡胶V型圈的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将HNBR原胶加入开炼机，塑炼，再加入氧化锌、硬脂酸和防老剂进行混炼，再加入白炭黑、陶土、丙烯酸锌或/和丙烯酸镁、活性剂、钛白粉和加工助剂的预混合物进行混炼，再加入色粉进行混炼，再加入硫化剂和架桥助剂进行混炼，出片，得到HNBR胶片；
2)将HNBR胶片切成条状，分散在溶剂中，得到HNBR胶浆；
3)将HNBR胶浆均匀涂覆于夹布上，干燥，得到HNBR夹布橡胶；
4)将HNBR夹布橡胶切成环状的片，再将多个环状片层叠放入模具中，在160～180℃、15～25MPa的条件下进行高温高压成型，得到用于压裂泵的夹布橡胶V型圈。
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