一种耐磨耐高温的复合密封材料及密封件的制作方法

1.本技术涉及密封材料领域，特别是涉及一种耐磨耐高的复合温密封材料以及由该密封材料制成的密封件。


背景技术：

2.如何解决高温极端工况的密封问题，是密封材料的一个主要发展方向。全氟醚橡胶可以耐325℃的高温，但由于其本身不耐磨，非常容易因磨损而发生密封件缺损的情况，导致密封失效。例如，在油田采油过程中，抽油杆做轴向往复运动来将地底的油抽到地面，为能顺利实现高效率抽油，要求光杆外径与盘根盒内的盘根内径要有良好的径向接触压力来实现密封。油井中油气混合物因高温和高压会对盘根产生腐蚀，密封间隙会逐渐增大而产生泄漏，需经常更换盘根盒或盒内的盘根来防止地底油气混合物喷出以保证作业人员安全。因盘根频繁损坏，在更换盘根过程中地底油气混合物也可能喷出，作业人员的安全存在隐患。
3.为了减少盘根的更换时间，cn2007201519389公开了一种《弹簧式螺旋抽油杆盘根》的技术方案，该弹簧式螺旋抽油杆盘根包括盘根体及盘根体侧壁上设置的螺旋形切口，盘根为一整体的弹簧形状，使其可压缩性增大，这样当磨损严重时可从其上端从抽油杆旋出，减少更换时间。为了提高盘根的耐磨性，cn2014200044467公开了一种《氢化丁晴采油树抽油杆盘根盒密封圈》，该方案的背景技术指出：密封件失效的首要原因在于目前普通盘根的耐磨性和对温度差的敏感，安装条件又差，故对因冲次提高引起的冲击、震动较为敏感，易损件的寿命短且突然，容易失效造成安全事故。故而采取了将盘根的材料替换为氢化丁腈橡胶的技术方案，且采用整体螺旋结构并在前端设有锥形环面，并设有倒角防止密封圈应力集中且保护密封件，提高密封性。采用氢化丁腈橡胶作为主要密封材料，具有耐高压30mpa以上、耐高温180℃以上、提高使用寿命的特点，同时磨耗量为0.2cc，耐磨性好。现实工况下，当注气温度达到180℃时，无论是普通丁腈橡胶盘根还是氢化丁晴盘根的密封不超过2天就会失效。
4.尽管技术人员研发了各种各样的盘根，但随着抽油机带动光杆上下往复运动，光杆与起密封作用的盘根处于长期动态磨损状态。随着磨损的继续发生，需再一次拧紧盘根压帽。当盘根压帽拧紧到一定程度后，再一次拧紧盘根压帽后已经不起作用，这时就需要将抽油机停机断电，关闭其下部的防喷装置。在这一切准备工作均完成后，旋转拧松盘根压帽，用专用钩子取出旧盘根，装入新盘根。在装入新盘根前，需将新盘根表面涂上润滑脂，然后将新盘根装入盘根盒中。之后装入盘根压套，拧紧盘根压帽。更换盘根盒的盘根，不仅增加了工人的工作量，更主要的是，在停机过程中，油管内的产出油中的砂子会下沉，当更换好盘根盒中的盘根后，往往会出现砂卡或蜡卡事故，整个油井就需要检修，维护费用也会进一步加大。
5.因此，亟需研制出一种耐磨耐高温的复合密封材料以及由该密封材料制成的密封件。


技术实现要素：

6.现实工况下，当注气温度达到180℃时，无论是普通丁腈橡胶盘根还是氢化丁晴盘根的密封不超过2天就会失效。发明人经研究发现：一方面，长期采油导致抽油杆表面变得粗糙，在大量往复运动中对抽油杆盘根磨损非常大，盘根磨损处密封失效；另一方面，高温工况下抽油杆盘根变软耐磨性降低，进一步增加了磨损程度；再一方面，高温工况下抽油杆盘根的弹性下降，无法在磨损处回弹密封；又一方面，从井口注入的蒸汽温度高达350℃，从普通井的井底返到井口的油气混合物的温度因注气时长、闷井时长的而不同，在sagd井则因注气时间不同而从普通井的井底返到井口的油气混合物的温度不同，返到井口的油气混合物的温度甚至可以达到300℃。但现有的普通丁腈橡胶盘根及氢化丁晴盘根的极限温度是177℃无法耐受180℃的高温。基于此，本技术的一个目的在于提供一种耐磨、耐高温的密封材料及密封件来满足磨损大、温度高的密封需要；本申的又一个目的在于提供一种耐磨、耐高温的密封件来提高盘根盒的密封时长。
7.根据本技术的一个方面，提供了一种耐磨耐高温的复合密封材料，用于密封待密封器件，包括：
8.耐高温弹性体，作为芯层，配置成耐高温且具有弹性；和
9.耐高温抗磨层，采用非金属材料制成，包覆在所述耐高温弹性体的外部，配置成耐高温且抗磨；
10.其中，在待密封器件挤压所述耐高温抗磨层时，所述耐高温抗磨层及所述耐高温弹性体因该挤压依次产生形变，所述耐高温弹性体因该形变产生回弹力；非金属的耐高温抗磨层配置成在所述待密封器件远离所述耐高温抗磨层时，耐高温弹性体的回弹力足以驱动所述耐高温抗磨层朝向所述待密封器件运动，来保持所述待密封器件与所述耐高温抗磨层相接触并密封；在所述待密封器件与所述复合密封材料摩擦时，所述耐高温抗磨层直接与所述待密封器件相接触发生摩擦，防止该摩擦直接作用于所述耐高温弹性体上，以减少或阻止所述耐高温弹性体产生摩擦损伤。
11.可选地，所述耐高温弹性体与的截面积与所述耐高温抗磨层的截面积的百分比大于35％，小于85％，以根据所述待密封器件的粗糙程度延长所述耐高温抗磨层与所述待密封器件的密封时长。
12.可选地，所述耐高温弹性体采用氟橡胶制成，或采用td350密封材料制成。
13.可选地，所述耐高温抗磨层采用芳纶纤维制成。
14.可选地，所述耐高温抗磨层浸渍高燃点润滑材料，以使所述耐高温抗磨层具有自润滑性。
15.可选地，所述耐高温弹性体的截面形状为圆形，所述耐高温抗磨层的截面形状为正方形或圆形。
16.根据本技术的另一个方面，提供了一种密封件，由所述的耐磨耐高温的复合密封材料制成。
17.可选地，所述密封件由所述复合密封材料螺旋状盘旋而成。
18.所述耐高温抗磨层的截面为正方形或圆形，优选地，所述密封件为圆柱状或圆锥状。
19.可选地，所述待密封器件为光杆，所述密封件的上端设有密封环，所述密封环采用
所述耐高温弹性体制成，且所述密封环的硬度大于所述密封件的硬度，用于阻止轴向压力直接作用于所述密封件造成所述密封件损伤，且在光杆出现轴向跳动及偏心时，所述密封环因硬度较大具有一定的纠偏补偿性。
20.本技术的耐磨耐高温的复合密封材料及密封件，复合密封材料包括作为芯层的耐高温弹性体，包覆在耐高温弹性体外部的耐高温抗磨层。由于耐高温弹性体而具有弹性，耐高温抗磨层而具有耐磨性，因此，耐磨耐高温的复合密封材料达到耐高温、耐磨且有弹性的效果。密封件由所述的耐磨耐高温的复合密封材料制成。故密封件也能达到耐高温、耐磨且有弹性的效果，进而提高了密封件的密封时长。
21.根据下文结合附图对本技术的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
22.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
23.图1是根据本技术一个实施例的耐磨耐高温的复合密封材料的示意性截面剖视图；
24.图2是根据本技术另一个实施例的耐磨耐高温的复合密封材料的示意性截面剖视图；
25.图3a是根据本技术一个实施例的密封件的示意性主视图；
26.图3b是图3a的示意性仰视图；
27.图4是根据本技术另一个实施例的密封件的示意性结构图；
28.图5a是根据本技术再一个实施例的密封件的示意性主视图；
29.图5b是图5a的示意性仰视图；
30.图5c是图5a中密封环的示意性后视图；
31.图6是测试本技术的密封件的试验装置的示意性结构图。
32.图中各符号表示含义如下：
33.100密封件，
34.10复合密封材料，
35.1耐高温弹性体，2耐高温抗磨层，
36.20密封环，
37.a压套，b压帽，c第一盘根，d第二盘根，4光杆，6盘根盒。
具体实施方式
38.实施例1
39.图1是根据本技术一个实施例的耐磨耐高温的复合密封材料的示意性截面剖视图。图2是根据本技术另一个实施例的耐磨耐高温的复合密封材料的示意性截面剖视图。
40.如图1所示，还可参见图2，本实施例提供了一种耐磨耐高温的复合密封材料10，用于密封待密封器件，一般性可以包括：耐高温弹性体1和耐高温抗磨层2。耐高温弹性，作为
芯层，配置成耐高温且具有弹性。耐高温抗磨层2采用非金属材料制成，包覆在所述耐高温弹性体1的外部，配置成耐高温且抗磨。本实施例中，外部包覆抗高温耐磨层，但该层本身弹性效果不佳，需要通过耐高温弹性体1使其保持一定的弹性，通过内部增加高温弹性体使其具有一定的弹性。其中，在待密封器件挤压所述耐高温抗磨层2时，所述耐高温抗磨层2及所述耐高温弹性体1因该挤压依次产生形变，所述耐高温弹性体1因该形变产生回弹力；非金属的耐高温抗磨层2配置成在所述待密封器件远离所述耐高温抗磨层2时，耐高温弹性体的回弹力足以驱动所述耐高温抗磨层2朝向所述待密封器件运动，来保持所述待密封器件与所述耐高温抗磨层2相接触并密封；在所述待密封器件与所述复合密封材料10摩擦时，所述耐高温抗磨层2直接与所述待密封器件相接触发生摩擦，防止该摩擦直接作用于不耐磨损的耐高温弹性体1上，以减少或阻止该耐高温弹性体1产生摩擦损伤。
41.本实施例中的耐高温指依据耐高温弹性体与耐高温抗磨层所选材料而使复合密封材料保持耐磨的120℃
‑
350℃的高温。
42.本技术的耐磨耐高温的复合密封材料10包括作为芯层的耐高温弹性体1，包覆在耐高温弹性体1外部的耐高温抗磨层2。由于耐高温弹性体1而具有弹性，耐高温抗磨层2而具有耐磨性，因此，耐磨耐高温的复合密封材料10达到耐高温、耐磨且有弹性的效果。
43.本实施例中，所述耐高温弹性体1采用氟橡胶制成，或采用天鼎联创公司研制的td350密封材料制成。优选地，所述耐高温弹性体1为全氟醚橡胶。
44.本实施例中，所述耐高温抗磨层2采用芳纶纤维制成。芳纶纤维具有高耐磨性、高耐化学物质性、高耐热降解性。芳纶纤维全称为"芳香族聚酰胺纤维"，英文为aramid fiber。杜邦公司的商品名为kevlar是芳纶纤维的一种，即对位芳纶纤维。对位芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。
45.本实施例中，所述耐高温抗磨层2浸渍高燃点润滑材料，以使所述耐高温抗磨层2具有自润滑性。具体实施时，所述耐高温抗磨层2为浸渍高燃点润滑材料的芳纶编织层。高燃点润滑材料可采用石墨乳而形成石墨层，石墨具有润滑作用且耐高温附着于所述耐高温抗磨层2上，使所述耐高温抗磨层2具有自润滑性。当所述耐高温抗磨层2待密封器件挤压时，石墨乳被挤出，所述耐高温抗磨层2表面的石墨乳增多，进一步增加润滑作用。
46.进一步地，本实施例中内部的耐高温弹性体1及外部包覆耐高温抗磨层2材料的截面积比是控制适用条件和寿命的关键。耐高温弹性体1和耐高温抗磨层2的截面积比，当耐高温弹性体1截面积大，适用于低磨耗工况，且耐高温抗磨层2消耗后，内部耐高温弹性体1依然具有一定的抗磨性能；对于所述待密封器件较粗糙的高磨耗工况，则提高耐高温抗磨层2的截面积，使其耐磨性持久，但同时需要考虑所述耐高温弹性体的截面积，内部耐高温弹性体1截面积过小，会导致外部包覆的耐高温抗磨层2无法提供足够的回弹力促使所述耐高温抗磨层与所述待密封器件密封。因此需要根据实际情况，提高耐磨性能，同时保证本身具有弹性体特征。例如，内部采用耐高温弹性材料，在350℃条件下依旧保持弹性。外包覆浸渍高燃点润滑材料的抗磨耐温材料，且具备一定的自润滑性。
47.如图1所示，还可参见图2，所述耐高温弹性体1与的截面积与所述耐高温抗磨层2
的截面积的百分比大于35％，小于85％，以根据所述待密封器件的粗糙程度延长所述耐高温抗磨层与所述待密封器件的密封时长。具体实施时，耐高温抗磨层2为浸渍石墨乳的芳纶编织层，耐高温弹性体1由耐高温td350密封材料制成。在工况温度为350℃时，所述耐高温弹性体1与的截面积与所述耐高温抗磨层2的截面积的百分比为35％。在工况温度为260℃，所述耐高温弹性体1与的截面积与所述耐高温抗磨层2的截面积的百分比为51％。在工况温度为180℃时，所述耐高温弹性体1与的截面积与所述耐高温抗磨层2的截面积的百分比为70％。在工况温度为120℃时，所述耐高温弹性体1与的截面积与所述耐高温抗磨层2的截面积的百分比为85％。
48.如图1所示，所述耐高温弹性体1的截面形状为圆形，所述耐高温抗磨层2的截面形状为正方形。如图2所示，所述耐高温弹性体1的截面形状为圆形，所述耐高温抗磨层2的截面形状为圆形。其中，所述耐高温弹性体1截面为圆形，圆形可以更好防止自身受力破损。
49.实施例2
50.图3a是根据本技术一个实施例的密封件的示意性主视图；图3b是图3a的示意性仰视图。图4是根据本技术另一个实施例的密封件的示意性结构图。图5a是根据本技术再一个实施例的密封件的示意性主视图；图5b是图5a的示意性仰视图；图5c是图5a中密封环的示意性后视图。
51.如图3a
‑
3b，还可参见图4，以及参见图5a、5b、5c，本实施例还提供了一种密封件100，由实施例1所述的耐磨耐高温的复合密封材料10制成。
52.本实施例的密封件100由所述的耐磨耐高温的复合密封材料10制成，故密封件100也有复合密封材料10的所有优点，故而密封件100能达到耐高温、耐磨且有弹性的效果，进而提高了密封件100的密封时长。
53.更具体地，如图3a
‑
3b，还可参见图4，以及参见图5a、5b、5c，所述密封件100由所述复合密封材料10螺旋状盘旋而成。
54.进一步地，参见图1所述耐高温抗磨层2的截面为正方形，在受到所述待密封器件挤压时更均匀的对所述耐高温弹性体1施加压力，且内表面能全部覆盖于光杆上，增加密封性。
55.参见图2，所述耐高温抗磨层2的截面为圆形。
56.如图3a
‑
3b，所述密封件100可以是盘根，具体为螺旋状盘旋而成的圆柱状。
57.在实施过程中，发明人发现，如果所述密封件100的形状是圆柱状，则压缩后上端因变形过大与光杆压的太紧，摩擦会变大，不但导致上端部磨损大，而且因下端部与光杆压的不紧，影响密封。基于此，
58.如图4，所述密封件100可以是盘根，具体为螺旋状盘旋而成的圆锥状。所述密封件100的形状为圆锥状，在上端部受到挤压后产生轴向压缩径向扩张，而受压部分的变化最为明显。
59.本实施例中，所述待密封器件为光杆，如图5a、5b、5c，所述密封件100的上端设有密封环20，所述密封环20采用所述耐高温弹性体1制成，所述密封环20的外径与所述密封件100的外径基本相同，且所述密封环20的硬度大于所述密封件100的硬度，用于阻止轴向压力直接作用于所述密封件100造成所述密封件100损伤，且在光杆出现轴向跳动及偏心时，所述密封环20因硬度较大具有一定的纠偏补偿性。并且，因两者均与光杆密封，所述密封件
100的热膨胀系数大于密封环20，在高温下首先密封件100因膨胀导致与光杆之间的摩擦力过大被磨损，此时密封环20仍能继续密封，增加了整个装备的密封时长。
60.实际采油过程中，通过旋转压帽来带动压套向下移动给予盘根持续向下的轴向压力，在受到持续向下轴向压力的作用下：1)盘根轴向尺寸变小，从而使盘根外径尺寸变大与油管内壁密实接触来阻止介质外漏；2)盘根内径尺寸变小，使盘根内径紧密接触光杆外径来实现轴向动密封。发明人发现：由于光杆的运动轨迹不是上下一条直线，而是时刻伴随振动和摆动，也就是有横向运动分量，如果盘根盒起密封作用的盘根内径与光杆外径由于受温度升高的影响，盘根径向体积膨胀过大，使盘根使内径进一步缩小，这将造成盘根内径与光杆外径接触过紧，使接触摩擦力过大，在径向及横向摩擦力的同时作用下，盘根内表面偏磨过快，使原油从光杆处泄漏，这不仅影响了密封效果，还造成了环境污染。
61.为抵御盘根磨损后密封性能下降的问题，组成盘根的密封材料要具有一定的合理高温热膨胀性才能保证光杆与组合盘根之间在摩擦阻力不增加的前提下，实现动态密封性能良好，这就对组成盘根的材料分别有了不同的要求，也就是要求组成盘根的材料不能是单一的，需由几种不同的材料组和起来的组合盘根才能达到经济合理的密封效果。
62.组合盘根由第一盘根和第二盘根组成，其中第一盘根的热膨胀系数大于第二盘根的热膨胀系数。组合盘根的第一盘根和第二盘根的数量多少可根据不同油田油井的工艺技术条件进行组合。第二盘根硬度大于第一盘根，用于阻止轴向压力直接作用于第一盘根造成损伤，且当光杆出现轴向跳动及偏心时，第二盘根因硬度较大具有一定的纠偏补偿性。并且，因两者均与光杆密封，两种材料热胀冷缩不同，即使一个被高温磨损密封失效，另一个还能继续密封，增加了整个装备的密封时长。
63.更具体地，参见图5a、5b、5c，所述密封件100为组合盘根，本实施例中，上部为密封环20即第二盘根，下部为圆柱状盘根、也可以为圆锥状盘根即第一盘根。
64.具体实施时：
65.第一盘根：是由一定长度的、外观矩形长条缠绕而成。第一盘根采用耐磨耐高温的复合密封材料10制成，参见图1，耐磨耐高温的复合密封材料10由圆形的td350或全氟醚橡胶即耐高温橡胶体填充在外截面为矩形15*15mm的、材质为芳纶纤维浸渍高燃点的润滑材料编织而成的包裹层内即耐高温抗磨层1内。润滑材料可以为耐高温的石墨乳，这样减少了光杆在上下移动过程中其外径与第一盘根内径的摩擦阻力，不仅减少了做无用功的损耗，提高了采油效率，同时还延长了组合盘根的使用寿命。
66.第二盘根：参见图5c，由td350或全氟醚橡胶制成，开45
°
贯通斜切约45
°
斜切口的密封环20制成，便于套设在光杆上或拆卸。
67.图6是测试本技术的密封件的试验装置的示意性结构图。试验装置是由压套a、压帽b、第一盘根c、第二盘根d、盘根盒6组成。油田在更换第一盘根c、第二盘根d时，由于光杆4是不脱离盘根盒6的，为能实现第一盘根c、第二盘根d在光杆4上的安装及拆卸，在第一盘根c上斜切贯通约45
°
的斜切口。由于盘根整体具有弹性，安装时，将盘根的底端或顶端套在光杆4上，旋转盘根，将其余部分旋进套在光杆4上。盘根损坏后，将盘根的底端或顶端向远离光杆4的方向拉动，旋转盘根，将其余部分从光杆4旋出。
68.在组合盘根装入盘根盒后，因压帽b的内螺纹与盘根盒d上部的外螺纹是通过螺纹旋合在一起的。当顺时针旋转压帽b时，压帽b将带动压套a轴向向下移动的同时，对由第一
盘根c、第二盘根d构成的组合盘根产生向下压的轴向力。在此向下压的轴向力的作用下，由于组合盘根的塑性使它产生径向力，并分别与油管内径和光杆外径紧密接触。与此同时，在高温、高压油气混合介质的作用及挤压下，第二盘根d外部耐磨、耐高温的芳纶编织层浸渍的高燃点润滑材料、芯部td260材料(天鼎联创公司的td260)和第二盘根的td260材料中融入的润滑剂核基石墨被挤出，这样就使组合盘根具有了自润滑的特性，在接触面之间分别形成了润滑面接触。
69.首先要将抽油机停在接近下死点处，刹车，断电，再关闭其下部的防喷装置。由于盘根盒6上部的外螺纹为右旋且第二盘根d本身是截面为正方形的条状带，详见图6，则第二盘根d需按顺时针方向把第二盘根d从盘根盒6上端向下围绕光杆4旋入盘根盒6中。之后，将第一盘根c从盘根盒6上端装入。将压套a装在盘根盒6的上部。把压帽b通过盘根盒6上部的螺纹配合顺时针向下旋合，这样就使压套a在与压帽b螺纹顺时针旋合所产生的向下轴向力的作用下向下移动，这就使第一盘根c、第二盘根d的轴向高度被压缩，外径尺寸变大，内径尺寸变小，这样就实现了盘根盒6与光杆4之间的环形空间的密封。之后将盘根盒6的下部进油口及上部回油口分别与液压油泵及其连接管路(图中未画)进行连接。连接后即可进行密封试验工作了。高温、高压油气工况可由温控箱、液压泵来实现。组合盘根拆装时的顺序与安装时的顺序相反即可实现。
70.260℃工况有效密封时间≥240h。
71.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域技术人员所理解的通常意义。
72.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
73.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
74.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
75.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
76.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。