石油化工管道接头橡胶防腐密封材料研究

孟广伟，骆 青，钟 声，孟广福

（1.中国石油天然气管道工程有限公司 天津分公司，天津 300457；2.天津市睿明环境监测有限责任公司，天津 300457）

引 言

石油化工行业经常通过铸铁管传输水或其他油质品[1]，该类铁管在连接过程中采用承插连接接头[2]，为保障接头的密封性，通常采用橡胶密封皮碗对接头进行密封处理[3]。在石油化工行业工作环境日益复杂的大环境下，管道接头密封材料的性能优化成为相关领域研究的热点问题之一，研究出一种耐高温、耐腐蚀、力学性能好的石油化工管道接头密封材料刻不容缓[4,5]。

贺秋云[6]等人针对高压井下管道密封所使用的橡胶材料进行研究，并测试了所研究材料的耐温性与耐压性。赵耀洪[7]等人研究不同橡胶的透气性差异以及老化后的气密性，结果显示在不同类型的橡胶材料中，透气性最好的是氟橡胶。张子新[8]等人利用模型试验以及有限元模拟等方式分析管道接头橡胶密封材料的防水性能，结果显示所研究的橡胶密封材料具有较高的耐水压性能，可有效改善管道接头漏水问题。本文研究一种新的石油化工管道接头橡胶防腐密封材料，并分析所研究材料的各项性能。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

石油化工管道接头橡胶防腐密封材料制备过程中使用的原材料与相关仪器如下：

1）原材料

氟橡胶F E2601（工业级），上海景营物资有限公司；乙丙橡胶EPM-50（工业级），上海景营物资有限公司；炭黑（工业级），温州市金百彩颜料科技有限公司；硬脂酸（分析纯），无锡光灿昌裕新材料科技有限公司；氧化镁（分析纯），河北镁神科技股份有限公司；氧化锌（分析纯），河北镁神科技股份有限公司；无碱玻纤，山东浩森新材料有限公司；芳纶，山东浩森新材料有限公司；三烯丙基异三聚氰酸酯（工业级），杭州杰西卡化工有限公司；过氧化二异丙苯（工业级），杭州杰西卡化工有限公司；双酚A F（工业级），杭州杰西卡化工有限公司；苄基三苯基氯化磷（工业级），杭州杰西卡化工有限公司。

2）相关仪器

双行星式动力搅拌机（DHL-100L），上海运锐机电设备工程技术有限公司；开放式炼胶机（XK160-320），厦门莱斯德科学仪器有限公司；液压平板硫化机（QLB型），厦门莱斯德科学仪器有限公司；压延机（X -401），东莞市大和田机械设备有限公司；微控电子万能试验机（MZ2000B），沧州中亚试验仪器有限公司；A数显硬度计（HPEII），上海双旭电子有限公司；电热鼓风恒温老化箱（TST1101A-2B），上海柏欣仪器设备厂；冲片机（MZ-4102），上海皆准仪器设备有限公司；阿克隆磨耗试验机（MZ-4061），江苏拓达精诚测试仪器有限公司。

1.2 制备方法

在制备石油化工管道接头橡胶防腐密封材料时选取压延成张法[9]，该方法的主要优势为生产效率高、成品综合性能好。利用压延成张法制备石油化工管道接头橡胶防腐密封材料试件的具体过程如图1所示。

图1 试件制备的具体过程Fig.1 The specific process of specimen preparation

利用开放式塑炼机对氟橡胶生胶塑炼处理，在其包辊后，将乙丙橡胶与硬脂酸加入塑炼机内与氟橡胶生胶混合，进行溶胶处理[10]。利用三烯丙基异三聚氰酸酯对玻纤与芳纶实施浸渍处理，然后进行烘干处理，结合氧化镁、氧化锌以及炭黑等填料进行开松处理[11]。将处理后的各原料依照相应顺序放入搅拌机内，通过搅拌获取均匀的料团。取出料团室温环境下静止处理2h后，置于压延机内压延成张，并通过平板硫化机硫化处理[12]，设定硫化温度、压力与时间。石油化工管道接头橡胶防腐密封材料试件制备过程中，搅拌、压延与硫化三个过程对于试件的制备最为关键。

1.3 性能测试

1.3.1 表干时间测试

依照密封材料的相关要求检测试件的表干时间，检测人员通过手指接触试件各个区域，获取手指上无黏附胶体所需试件。

1.3.2 邵氏A硬度

依照橡胶密封材料硬度测试的相关规定[13]，选取邵氏硬度测试方法，通过邵氏A硬度测量仪确定所制备试件6个不同区域的硬度值，取均值作为最终测试结果。

1.3.3 耐腐蚀性测试

将所制备试件分别浸泡在煤油溶液、酸性溶液以及碱性溶液内[14]，设定环境温度为45℃，浸泡时间均为24h。满足相应条件后，取出试件，清洗表面，检测其力学性能与质量波动情况。

1.3.4 老化性能测试

准备一个350mL的塑料管，将所制备试件置入其中并实施密封处理，将塑料管置于鼓风烘箱内进行恒温保存，设定温度与时间分别为70℃与7d。7d后取出试件，将其置于恒湿环境下，确保室温稳定，待试件温度降至室温后，观察试件外观是否产生凝胶现象，同时比较试件老化性能测试前后表干时间等性能。

1.3.5 拉伸强度与断裂伸长率测试

将所制备试件裁剪成工字形状或哑铃形状，依照橡胶拉伸应力应变性能检测的相关规定[15]，将裁剪后的试件置于万能拉力测试机上，检测其拉伸强度与断裂伸长率。

2 结果

2.1 搅拌处理

试件制备过程中，各原料搅拌处理时的投料顺序对于最终试件的性能产生直接影响，分析不同投料顺序下，所制备试件的横向抗拉强度，所得结果如表1所示。

表1 投料顺序对试件横向抗拉强度的影响Table 1 The effect of feeding sequence on the transverse tensile strength of specimens

分析表1得到，利用方案1的投料顺序制备所得料团与方案2、3、4相比，质地最为柔软，纤维分布最为均匀。并且利用料团制备出的试件表层颜色均匀统一，不存在白色斑点现象，横向抗拉强度最大达到9.99/MPa，显著高于方案2、3、4。同时方案1在开松过程中就线性分散处理了芳纶与玻纤，降低了搅拌过程所需时间，能够提升试件制备效率。

2.2 压延处理

压延处理过程中不同辊筒线速度的比值可通过辊筒线速比描述，不同线速比条件下，所制备试件的性能也存在显著差异。试件制备过程中所使用的压延机辊径一致，经由改变不同辊筒的速度比能够令辊筒线速比发生改变。不同辊筒线速比条件下所制备的试件横向抗拉强度与表层外观对比情况如表2所示。

表2 不同辊筒线速比对试件性能的影响Table 2 The effect of different roller linear speed ratio on the properties of specimen

分析表2得到，在试件成张过程中，辊筒线速比较小（1.00）的条件下，试件压延工艺性较差，导致试件表层中纤维附着取向较为模糊；辊筒线速比较大（1.06及以上）的条件下，受压延机不同滚辊间摩擦力与剪切力影响，试件表层将产生毛刺现象，严重时会产生破损，对试件质量产生消极影响。同时分析表4还能够得到，随着压延机辊筒线速比的提升，试件横向抗拉强度表现出先上升再下降的波动趋势。结合试件的表层外观得到，在制备试件过程中，压延机最优的辊筒线速比应设置为1.03。

2.3 硫化处理

硫化处理是石油化工管道接头橡胶防腐密封材料试件制备的关键环节，硫化工艺对于试件质量的影响较为显著。在不同硫化工艺（温度、压力与时间）下，利用三因素两水平正交设计获取最优硫化工作参数，并获取不同硫化工艺下的试件的横向抗拉强度，所得结果如表3所示。

表3 硫化工艺对试件性能的影响Table 3 The effect of vulcanization process on the properties of specimens

分析表3得到，硫化处理工艺中，对试件性能影响最显著的是硫化压力，相比之下，对试件性能影响最微弱的是硫化时间。硫化处理最优参数为：温度、压力和时间分别为155℃、12MPa和25min。

2.4 氟橡胶与乙丙橡胶配比对试件的影响

石油化工管道接头橡胶防腐密封材料试件制备过程中，在氟橡胶内添加乙丙橡胶能够优化氟橡胶在低温环境下的使用性能，且成本有所下降，但在一定程度上将对试件的使用性能产生抑制作用。表4所示为氟橡胶与乙丙橡胶不同配比条件下试件的各项性能测试结果。

表4 氟橡胶与乙丙橡胶的配比对试件性能的影响Table 4 The effect of the ratio of fluorine rubber to ethylene propylene rubber on the properties of specimens

分析表4得到，在氟橡胶与乙丙橡胶的配比为4∶2的条件下，所制备试件的拉伸强度高于其他配比条件，热老化处理前后分别达到11.65MPa和11.03MPa；在乙丙橡胶含量提升的条件下，所制备试件的耐磨性、耐油性、耐热老化性等性能均呈现不同程度的下降，产生这种现象的主要原因是乙丙橡胶极性较低，其在试件内的含量提升导致试件极性降低，因此所制备的试件耐油性下降；乙丙橡胶具有较高的分子链柔性，其在试件内含量提升也将导致试件的耐磨性下降；而乙丙橡胶的双键分子链是导致试件耐老化性能降低的主要原因。由上述分析内容得到，在氟橡胶与乙丙橡胶的配比4∶2的条件下所制备的试件综合性能较优。

2.5 双酚A F含量对试件性能的影响

试件制备过程中双酚A F的含量对试件的硫化速度与耐热性、拉伸性能等均产生一定影响。表5为试件制备过程不同的双酚A F含量对于试件性能的影响。

分析表5得到，未进行耐腐蚀性测试前，随双酚A F含量提升，试件拉伸强度呈现先显著上升后小幅下降的趋势，而断裂伸长率与硬度则分别呈现下降与上升趋势。产生这种现象的主要原因在于，在试件内双酚A F含量逐渐提升的条件下，试件交联密度提升，分子链间的交联点数量与影响力提升，运动能力衰弱，由此造成试件的伸长率降低，而硬度提升。同时随着双酚A F含量提升，试件在不同性质溶液内浸泡后的质量变化率整体表现出先下降后略上升的趋势，在含量为3%的条件下达到下限值。

表5 双酚AF含量对试件性能的影响Table 5 The effect of bisphenol AF content on the properties of specimens

图2所示为双酚A F用量对试件拉伸强度与质量的影响。

分析图2（a）可以看出，在试件内双酚A F含量逐渐增加的情况下，在煤油中浸泡的试件拉伸强度保持不变；在酸性溶液与碱性溶液内浸泡的试件拉伸强度在整体上都表现出先上升后降低的趋势，说明试件内双酚A F含量的提升可在一定程度内提高试件的抗拉伸能力。

分析图2（b）可以看出，在试件内双酚A F含量逐渐增加的情况下，不同性质溶液内的试件的质量变化率先下降后增加，这主要是由于双酚A F含量提升令试件内交联密度提升，因此耐腐蚀性能得以提升。但含量过高将导致试件内部交联过度，抑制分子链活性，提高试件脆性。综合考虑下，试件内双酚A F含量为3%较为合适。

图2 双酚AF用量对试件拉伸强度与质量的影响Fig.2 The effect of bisphenol AF dosage on tensile strength and mass of specimens

3 结论

本文研究了石油化工管道接头橡胶防腐密封材料的制备与性能，利用氟橡胶与乙丙橡胶等原料制备出石油化工管道接头橡胶防腐密封材料试件，对其进行性能测试结果显示：（1）试件制备过程中投料顺序应为：橡胶液→填料→芳纶→玻纤；（2）在试件成张过程中，压延机最优的辊筒线速比应设置为1.03；（3）硫化处理最优参数为：温度、压力和时间分别为155℃、12MPa和25min；（4）在氟橡胶与乙丙橡胶的配比4∶2的条件下所制备的试件综合性能最优；（5）试件内双酚A F含量为3%较为合适。