油田常用橡膠部件斷裂韌性的測(cè)定研究

姜興國(guó)(新疆耶路高特工貿(mào)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

油田常用橡膠部件斷裂韌性的測(cè)定研究

姜興國(guó)(新疆耶路高特工貿(mào)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

一般情況下油田的橡膠零件發(fā)生斷裂的判斷依據(jù)是J≥ JC，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橡膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論發(fā)現(xiàn)，試件在拉斷時(shí)的最大載荷與裂紋剛開始時(shí)的啟裂時(shí)的臨界載荷,都與裂紋的深度存在著線性關(guān)系,具體表現(xiàn)為隨著裂紋的相對(duì)深度變大而減小。本文通過模擬載荷位移曲線上的裂紋啟裂點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了裂紋啟裂跡線,并且通過裂紋啟裂跡線法拉力測(cè)量油田常用橡膠的臨界J積分值。

橡膠斷裂韌性；油田；實(shí)驗(yàn)研究

1 檢測(cè)臨界J積分的具體方法

首先，需要一塊帶有裂紋的橡膠零件，衡量其抗破壞的性能可以通過常用的橡膠材料的斷裂韌性。我們通常所說的斷裂韌性是指當(dāng)裂紋擴(kuò)大到單位面積時(shí)需要的能量，這些數(shù)值都是材料常數(shù)，可以采用實(shí)驗(yàn)的方式測(cè)量獲得，并根據(jù)得到的數(shù)值的基礎(chǔ)上建立帶裂紋橡膠零件的斷裂判據(jù)為：

J≥ JC

式中：JC為橡膠材料的臨界J積分值；J為帶裂紋橡膠零件的

實(shí)際J積分值。

如果得出來的結(jié)論是J≥ JC，那么就說明裂紋已經(jīng)開始啟裂并且正在逐步向外擴(kuò)展，如果得出的結(jié)論是JC≥ J，那么就說明裂紋并沒有向外擴(kuò)展。

J積分在物理中指的是如果裂紋開始起裂并且擴(kuò)展到單位面積的時(shí)候，在裂尖附近的區(qū)域內(nèi)所吸收的能量[1]，它的具體計(jì)算表達(dá)式為：

J=∫T(Wdy- TuxdS)

式中：W為應(yīng)變能密度；T為作用在閉合曲線Γ上的力矢量；

u為位移矢量。

當(dāng)有外力對(duì)試件開始發(fā)生作用力時(shí)，其中部分轉(zhuǎn)化為試件的應(yīng)變力，其余的被裂縫向外擴(kuò)展時(shí)所吸收。所以，J積分又可以表示成勢(shì)能U對(duì)裂紋長(zhǎng)度a的一階導(dǎo)數(shù)J=-dUda，如果是在兩個(gè)相同的受載情況下時(shí)，裂紋深度可以分別表示成a和a+ da的試件之間的勢(shì)能差，而勢(shì)能U就能夠通過帶裂紋試件的載荷位移曲線所覆蓋的面積來確定。如果是在線性彈性的情況下，那么J積分就相當(dāng)于應(yīng)變能的釋放率，其也能夠在非線性彈性以及塑性中應(yīng)用。然而，因?yàn)榫嚯x裂尖較遠(yuǎn)的部分僅能吸收很少的一部分能量，并沒有對(duì)裂紋的擴(kuò)展作出貢獻(xiàn)，如果把J積分作為橡膠的斷裂韌性的時(shí)候，那么就一定要去掉離裂尖較遠(yuǎn)的區(qū)域被裂縫吸收的能量，我們通常將其稱之為偽勢(shì)能項(xiàng)。去掉這項(xiàng)能量的方法就是通過使用去除的裂紋啟裂跡線法，選取兩塊形狀相同的帶有裂紋的橡膠材料，并且要保證尺寸也相同，用兩個(gè)尺寸和形狀相同，將這兩塊橡膠材料的裂紋分別設(shè)為a以及a+Δa，并用其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這兩塊橡膠材料的載荷位移曲線制成圖表，點(diǎn)C1和C2是兩個(gè)橡膠材料的裂紋啟裂點(diǎn)，點(diǎn)C1和C2之間的連線叫做裂紋啟裂跡線，由這三條曲線圍成的面積就是由裂紋擴(kuò)展而形成的面積Δa，裂紋啟裂時(shí)吸收的能量表示為ΔUC，所以可以將其表示為：

ΔUC=- JCBΔa也可表示為：JC=-dUCBda

式中：B為橡膠材料的厚度；UC為在裂紋的深度發(fā)生變化時(shí)，

相應(yīng)的曲線斜率的負(fù)值。

在本次試驗(yàn)中，所使用的制作油井封隔器膠筒的橡膠材料分別是813號(hào)、814號(hào)、802號(hào)和240號(hào)四種，通過采用制作膠筒時(shí)所用的工藝將這四種膠筒硫化模壓成標(biāo)準(zhǔn)試件，并對(duì)著四種橡膠材料的主要力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并記錄下所測(cè)得的數(shù)值。其次，就要測(cè)量橡膠的斷裂韌性的試件的尺寸以及形狀，選取一把鋒利的單刃刀片，在試件上割出一道裂痕，用一鋒利的單刃刀片在試件的中部割一道裂痕，將這道裂痕的深度設(shè)為a，再將這道裂紋向垂直的方向拉伸，這道裂紋的相對(duì)深度a/ w設(shè)為恰好是所需要的指定尺寸。再把試件放在實(shí)驗(yàn)裝置的夾頭上，通過膠帶傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)來控制加載速度。在正常室溫的條件下，夾頭向下運(yùn)動(dòng)的速度為每分鐘5mm，位移信號(hào)通過位移傳感器送入X- Y記錄儀。載荷信號(hào)通過力傳感器、電橋盒和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀送入X- Y記錄儀。在這種情況下，加載后X-Y記錄儀就能夠自動(dòng)記錄帶裂紋試件拉伸的載荷位移曲線。觀察并記錄好裂紋啟裂的位置，用光源將裂尖及其附近的區(qū)域照亮，為了更好觀察裂尖，可以將其用鮮明的顏色標(biāo)注出來。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用圖像處理工作站攝像頭把試件在裂尖及其附近區(qū)域發(fā)生過的變化記錄下來。再通過視頻回放，找到準(zhǔn)確的啟裂位置。為了提高本次實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性以及普遍性，可以將具有同樣裂縫深度的試件做三個(gè)，再求取其平均值來作為本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，最終確定JC值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過本次實(shí)驗(yàn)來獲得橡膠材料試件的載荷位移曲線，將三個(gè)試件按比例取點(diǎn)，并求得平均值，這個(gè)值就是裂紋深度的載荷位移曲線數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得知，當(dāng)試件被拉斷的時(shí)候，其最大載荷與最大位移都是隨著裂紋的相對(duì)深度a/ w的增加而下降。這就說明韌帶越寬，在發(fā)生斷裂前的形狀變化就越大，因此，所吸收的能量也就越多。從橡膠試件的整個(gè)形變的過程可以看出，裂紋尖端開始的時(shí)候會(huì)變成橢圓形，隨著裂縫的向外擴(kuò)展，一直到發(fā)生斷裂，通常情況下，裂紋的擴(kuò)展方向與裂紋的方向是相同的。橡膠試件最大載荷與裂紋相對(duì)深度之間是一種線性關(guān)系，也就是說隨著裂紋越來越深，它的數(shù)值越來越小。

3 結(jié)語

總而言之，油井中有一些零件是由橡膠材質(zhì)制作而成，在具體的使用的過程中，存在著一定的缺陷，通過對(duì)橡膠材質(zhì)零件的缺點(diǎn)進(jìn)行研究，并通過實(shí)驗(yàn)證明在橡膠發(fā)生裂縫時(shí)的抗破壞能力以及裂縫的向外拓展時(shí)的方向來對(duì)油井的橡膠材質(zhì)的零件做相應(yīng)的防護(hù)工作。

[1]楊曉翔,張永弘,羅敏,閻樂好.油田常用橡膠斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定[J].石油機(jī)械,1999，(10):15-17.