【摘 要】
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北极地区油气资源丰富,开发极地海洋油气是世界能源可持续发展的需求,未来我国将更多的参与北极油气开发。极地低温环境一方面造成橡胶等密封材料逐渐变硬,严重时丧失原有的弹性,导致钻井泵、防喷器等关键钻井设备出现密封失效、停机维修等事故;另一方面造成润滑油脂的粘度、稠度增加,严重时丧失润滑性能,导致转盘、天车出现润滑失效事故,阻碍正常生产。本文按照国家标准GB/T528-2009中橡胶拉伸应力应变的测定要
【基金项目】
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国家重点研发计划“新型极地冰区半潜式钻井平台关键技术研究”（项目编号:2016YFC0303400）2016-2019； 教育部长江学者创新团队奖励计划（IRT＿14R58）； 国家优秀青年科学基金（51622405）； 山东省自然科学基金（ZR2016EEM30）；
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北极地区油气资源丰富,开发极地海洋油气是世界能源可持续发展的需求,未来我国将更多的参与北极油气开发。极地低温环境一方面造成橡胶等密封材料逐渐变硬,严重时丧失原有的弹性,导致钻井泵、防喷器等关键钻井设备出现密封失效、停机维修等事故;另一方面造成润滑油脂的粘度、稠度增加,严重时丧失润滑性能,导致转盘、天车出现润滑失效事故,阻碍正常生产。本文按照国家标准GB/T528-2009中橡胶拉伸应力应变的测定要求和GB/T7759.2-2014中橡胶压缩永久变形的测定要求,在低温条件下对橡胶进行单轴拉伸实验和压缩永久变形实验。将橡胶实验数据与多种超弹性本构模型进行拟合得到了模型参数,并讨论了不同橡胶超弹性本构模型在低温条件下的适用性,同时使用ABAQUS模拟分析了极地钻井设备的密封情况。研究结果表明:在低温、小变形条件下,Polynomial（N=2）模型和Ogden模型更能准确地描述橡胶力学性能,密封设备容易发生损伤破坏的位置位于密封圈和密封槽间隙部位,硅橡胶、聚四氟乙烯、气相胶、丁腈橡胶在极地环境下依然保持优越的密封性能。本文按照标准ASTM D445-2015中润滑油运动粘度的测定要求和SH/T 0338-1992润滑脂低温转矩的测定要求,在低温条件下进行润滑油运动粘度和润滑脂低温转矩测定实验。通过实验数据对比分析认为SHC系列的润滑油,COMPLEX-SHD系列的润滑脂能满足极地关键钻井设备润滑要求。综合考虑到密封材料的拉伸强度、拉断伸长率、压缩永久变形和极地低温钻井工况,给出了极地钻井关键设备密封材料的优选方案;综合考虑到润滑材料的低温运动粘度、启动扭矩、运行扭矩和极地低温钻井工况,给出了极地钻井关键设备润滑材料的优选方案。低温橡胶超弹性本构模型的分析和密封润滑材料的优选,为我国后续极地钻井生产设备密封润滑材料优选提供了理论指导与参考。
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