耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆及其制备装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆及其制备装置。主要由沿杆体轴向的碳纤维增强层、高模量玻璃纤维缠绕层、沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层三层组成，内层的沿杆体轴向的碳纤维增强层采用连续丙烯腈基碳纤维，高模量玻璃纤维缠绕层为高模量玻璃纤维缠绕层，沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层为耐磨高模量玻璃纤维，树脂基体为多官能团环氧树脂体系，有益效果是：本实用新型的抽油杆，增加了缠绕层，内部的波纹结构，三层结构一次固化成型，增加了碳纤维与玻璃纤维之间的接触面积，提高了层间结合力，避免了同心圆结构导致的杆体扭转时不同增强材料之间的分层，同时增加了径向和轴向抗压强度，降低了弯曲直径。
【专利说明】
耐偏磨碳纤维増强复合材料连续抽油杆及其制备装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种石油工业采油设备及制备装置，特别涉及一种耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆及其制备装置。
【背景技术】
[0002]由于开发的油藏类型越来越复杂，同时井深的不断增加和井矿环境的不断恶化，腐蚀和偏磨问题成为油田采油工艺亟待解决的问题。因为具备轻质高强耐腐蚀的特点，所以复合材料抽油杆已开始逐步取代传统的金属抽油杆。目前采用的复合材料抽油杆主要包括玻璃钢抽油杆和碳纤维增强复合材料连续抽油杆两大类。玻璃钢抽油杆采用玻璃纤维增强热固性树脂的拉挤工艺一次成型制备，已广泛应用，但随着现代采油的可靠性要求不断提高，玻璃钢抽油杆已不能满足要求，主要存在以下问题，1、抽油杆耐偏磨性不好;2、疲劳强度不够;3、玻璃钢抽油杆均定长，两端各有一个金属接头，根与根之间采用金属抽油杆应用的金属接箍进行连接，由于结构复杂，加工难度大，价格昂贵。每一根玻璃钢抽油杆用两个金属接头，这两个金属接头的成本远高于一根玻璃钢杆体的成本;另外与传统金属抽油杆相比较，除了杆体部分更换了材质，整个抽油杆柱的其他部分并无改变，传统金属抽油杆柱接头多，断脱几率高，活塞效应明显，接箍与油管偏磨严重的问题并未得到解决。中国专利CNl 417449公开了一种防磨抽油杆的制备方法，该方法是在已成型的抽油杆本体上二次注塑成型尼龙等材质的防磨块，减少使用的包覆材料，降低连续包覆成本和工艺复杂性，但其注塑防磨块尺寸较小，相对独立的分布于杆体，经常发生防磨块与杆体脱离，出现“糖葫芦”现象。另外，其杆体定长，不能解决传统金属抽油杆接头多，断脱事故率大，活塞效应大等缺陷;而且尺寸较小的杆体上加装防偏磨块是不能解决金属接头和接箍与油管之间的偏磨问题的，而这才是抽油杆、管偏磨需要解决的重点。CN101396874公开了一种防偏磨复合材料抽油杆的制备方法及装置，其制备方法是在已成型的复合材料抽油杆杆体上，利用浸渍过树脂胶液的芳纶、高分子量聚乙烯等耐磨纤维连续缠绕成型螺旋筋状的防偏磨层，以达到防偏磨效果。其螺旋筋状的防偏磨层，由于是以耐磨纤维增强热固性树脂，因此虽然纤维是具有耐磨特性的，但与热固性树脂形成复合材料后，其耐磨性能下降很多，寿命并不能延长多少。除了其具备螺旋筋状的防偏磨层之外，其缺点与普通的玻璃钢抽油杆一样。中国专利CN1461870公开了一种碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备方法，采用碳纤维为增强材料，并由横向排列的芳纶或超高分子量聚乙烯纤维束和纵向的玻璃纤维组成整体包覆复合，主要解决增强抽油杆横向层间剪切强度，从而避免抽油杆在油井中发生纵向劈裂的问题，同时也提高了杆体的耐偏磨性和强度。但是该抽油杆采用拉挤、包覆的一次整体加工方法(包括放丝-浸树脂胶-包覆层包覆-预成型-固化-盘绕工序)，包覆层为纤维织物增强热固性树脂，不仅加大了材料成本，而且纤维织物包覆层的耐偏磨性不够理想。另外，由于该碳纤维增强复合材料连续抽油杆截面形状为矩形或椭圆形，且其厚度只有3?5mm，在应用专用设备起下井作业时，夹持部分的材料几乎无法选择，而且只能采用两片式夹持，左右方向无法限位，很容易发生杆体偏出夹持部分的现象。因此其专用下井作业设备夹持部分结构及材料开发难度较大，成为碳纤维增强复合材料连续抽油杆应用中的技术瓶颈，限制了该产品大规模推广应用。实用新型专利CN200910272324.X公开了一种连续抽油杆，使用单向增强纤维拉挤、包覆热塑性耐磨层的方法，其结构存在径向压缩性能较差，收卷直径大，作业困难等问题。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆及其制备装置。
[0004]本实用新型提到的一种耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆，主要由沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)、高模量玻璃纤维缠绕层(B)、沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层(C)三层组成，内层的沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)采用纵向拉伸模量230GPa以上的连续丙烯腈基碳纤维，高模量玻璃纤维缠绕层(B)为纵向拉伸模量88GPa以上的高模量玻璃纤维缠绕层，沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层(C)为耐磨高模量玻璃纤维，树脂基体为多官能团环氧树脂体系，产品Tg值在130 °C?210 °C之间，制成的杆体的连续长度为300m?7500m。
[0005]上述的杆体的截面形状为圆形，直径为14mm?30mm，沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)占截面积比例大于40%。
[0006]上述的沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)为闭环连续波形结构，波形数量在4?20之间，波峰半径与波谷半径差为0.1mm?2mm;高模量玻璃纤维缠绕层(B)与沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)形状相同，厚度为0.3mm~l.5_。
[0007]上述的高模量玻璃纤维缠绕层(B)与沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)的闭环连续波形结构，可替代为对称或不规则波纹形状、多角星形、多边形和多齿形结构及以上形状的组合结构。
[0008]上述的杆体的表层可分段或者连续包覆厚度为1.5mm?3.5mm热塑性耐磨层(D)形成四层增强耐磨结构。
[0009]本实用新型提到的一种纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆的制备装置，包括纱架(1)、预热系统(2)、碳纤维树脂浸润设备(3-1)、外层玻璃纤维树脂浸润设备(3-2)、缠绕机(4)、预成型(5)、模口调温装置(6)、拉挤模具(7)、模具加热装置(8)、后固化加热炉(10)、牵引装置(11)、挤塑设备(12)、收卷设备(13)，且控制系统(9)安装在一侧;所述的纱架(I)上的纤维使用外抽方式，张力可以调节;纱架(I)的一侧设有预热系统(2)，预热系统(2)的右侧依次安装碳纤维树脂浸润设备(3-1)、缠绕机(4)、外层玻璃纤维树脂浸润设备(3-2)和预成型(5)，内层碳纤维在碳纤维树脂浸润设备(3-1)浸润树脂，经过缠绕机(4)正反向缠绕两层高模量玻璃纤维，之后与经过玻璃纤维树脂浸润设备(3-2)的外层耐磨高模量玻璃纤维一起，经过预成型(5)进入模具(7)进行固化;所述的预成型(5)的右侧依次安装模口调温装置(6)、拉挤模具(7)、模具加热装置(8)和后固化加热炉(10)，固化后的杆体经过后固化加热炉(10)，完全固化成型；固化成型的连续抽油杆在外侧的牵引装置(11)的牵引下，经过挤塑设备(12)，包覆热塑性耐磨层(D)，之后在收卷设备(13)上收卷。
[0010]本实用新型的有益效果是:本实用新型的抽油杆，在碳纤维连续抽油杆拉挤工艺基础上增加了缠绕层，内部的波纹结构，三层结构一次固化成型，增加了碳纤维与玻璃纤维之间的接触面积，提高了层间结合力，避免了同心圆结构导致的杆体扭转时不同增强材料之间的分层，同时增加了径向和轴向抗压强度，降低了弯曲直径;产品最小弯曲直径小于产品截面直径的100倍;长期保存弯曲直径为产品截面直径的150倍;外层使用耐磨高模量玻璃纤维，提高了杆体的耐磨性能。表层分段或者连续包覆热塑性耐磨层形成四层增强耐磨结构，在偏磨严重区域使用可进一步延长使用寿命；
[0011]利用本实用新型提供的制备方法，采用缠绕、拉挤、挤塑组合成型工艺，可以大幅提高耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆体生产的连续稳定性，保证了一次成型，生产效率高，层间结合强度大，避免了分层、剥落现象的发生。模口调温装置的使用，可有效增加胶液的流动性，改善浸润效果，同时避免树脂过早凝胶。后固化加热炉与模具出口密闭连接，避免了温度骤变引起的杆体应力裂痕，有效提高生产速度和固化度；
[0012]本实用新型的装置实现了本实用新型的方法，并且生产效率高，操作简便。
【附图说明】
[0013]附图1是本实用新型的耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆的三层结构示意图；
[0014]附图2是本实用新型的耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆的四层结构示意图；
[0015]附图3是是本实用新型的制备装置的流程示意图；
[0016]附图4是本实用新型的预成型的结构示意图；
[0017]附图5是本实用新型的预成型的轴向剖视图；
[0018]上图中:A为沿杆体轴向的碳纤维增强层，B为高模量玻璃纤维缠绕层;C为沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层，D为热塑性耐磨层；
[0019]纱架1、预热系统2、碳纤维树脂浸润设备3-1、外层玻璃纤维树脂浸润设备3-2、缠绕机4，预成型5、模口调温装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、控制部分9、后固化加热炉10、牵引装置11、挤塑设备12、卷绕装置13，力矩电机13a、排杆器13b。
[°02°]内过纱孔5a，夕卜过纱孔5b，孔圆角5c。
【具体实施方式】
[0021 ]结合附图，对本实用新型作进一步的描述:
[0022]本实用新型提到的一种耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆，主要由沿杆体轴向的碳纤维增强层A、高模量玻璃纤维缠绕层B、沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层C三层组成，内层的沿杆体轴向的碳纤维增强层A采用纵向拉伸模量230GPa以上的连续丙烯腈基碳纤维，高模量玻璃纤维缠绕层B为纵向拉伸模量88GPa以上的高模量玻璃纤维缠绕层，沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层C为耐磨高模量玻璃纤维，树脂基体为多官能团环氧树脂体系，产品Tg值在130 °0210 °C之间，制成的杆体的连续长度为300m?7500m。
[0023]其中，杆体的截面形状为圆形，直径为14mm?30mm，沿杆体轴向的碳纤维增强层A占截面积比例大于40%。
[0024]另外，沿杆体轴向的碳纤维增强层A为闭环连续波形结构，波形数量在4?20之间，波峰半径与波谷半径差为0.1mm?2mm;高模量玻璃纤维缠绕层B与沿杆体轴向的碳纤维增强层A形状相同，厚度为0.3mm~l.5mm。
[0025]高模量玻璃纤维缠绕层B与沿杆体轴向的碳纤维增强层A可使用对称或不规则波纹形状、多角星形、多边形和多齿形结构及以上形状的组合结构。
[0026]上述的杆体的表层可分段或者连续包覆厚度为1.5mm?3.5mm热塑性耐磨层D形成四层增强耐磨结构。
[0027]本实用新型提到的一种纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆的制备装置，包括纱架1、预热系统2、碳纤维树脂浸润设备3-1、外层玻璃纤维树脂浸润设备3-2、缠绕机4、预成型5、模口调温装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、后固化加热炉10、牵引装置11、挤塑设备12、收卷设备13，且控制系统9安装在一侧;所述的纱架I上的纤维使用外抽方式，张力可以调节;纱架I的一侧设有预热系统2，预热系统2的右侧依次安装碳纤维树脂浸润设备3-1、缠绕机4、外层玻璃纤维树脂浸润设备3-2和预成型5，内层碳纤维在碳纤维树脂浸润设备3-1浸润树脂，经过缠绕机4正反向缠绕两层高模量玻璃纤维，之后与经过玻璃纤维树脂浸润设备3-2的外层耐磨高模量玻璃纤维一起，经过预成型5进入模具7进行固化;所述的预成型5的右侧依次安装模口调温装置6、拉挤模具7、模具加热装置8和后固化加热炉10，固化后的杆体经过后固化加热炉10，完全固化成型；固化成型的连续抽油杆在外侧的牵引装置11的牵引下，经过挤塑设备12，包覆热塑性耐磨层D，之后在收卷设备13上收卷，且收卷设备13上设有力矩电机13a、排杆器13b。
[0028]本实用新型提到的一种纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆的制备方法，包括以下步骤制成:
[0029](a)从纱架I引出多束碳纤维，在牵引装置11的牵引下经过碳纤维树脂浸润设备3-1，浸润树脂基体胶液，树脂基体为多官能团环氧树脂体系；
[°03°] (b)在内层碳纤维之外，使用缠绕机4正反向缠绕两层0.3?1.5mm厚度，交叉角度为50°?80°的高模量玻璃纤维缠绕层;经过预成型5中的内孔5a;从纱架I引出的耐磨高模量玻璃纤维经过玻璃纤维树脂浸润设备3-2，进入预成型5中的外层均布外过纱孔5b，将内两层均匀包覆，进入拉挤模具7;
[0031](c)三层浸润树脂的纤维在拉挤模具7固化成型；在拉挤模具7周围分布有模具加热装置8，分3段加热，固化温度在150?230°C之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.15m/min?0.50 m/min之间，拉挤出复合材料杆体;拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉10进行热应力处理及后固化；
[0032](d)后固化完成后的复合材料杆体，通过牵引装置11，进入挤塑设备12，分段或连续包覆热塑性耐磨层D，之后收卷设备13将其卷绕在直径为2.5m?3.5m的圆盘上。
[0033]上述的拉挤模具7的前部设有模口调温装置6，所述的模口调温装置6采用导热油循环，可调整模具入口温度，温度调整范围为50°0150°C。
[0034]预成型5的内过纱孔5a为连续波形形状，内过纱孔5a周围均布两圈或多圈直径为3mm?6mm的外过纱孔5 b，预成型板的内过纱孔和外过纱孔的出入口均有2mm?5mm的圆角过渡。
[0035]上述的后固化加热炉10与模具出口密闭连接，加热炉第一段温度与模具出口温度相同。
[0036]以上所述，仅是本实用新型的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本实用新型的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本实用新型要求保护的范围。
【主权项】
1.一种耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征是:主要由沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)、高模量玻璃纤维缠绕层(B)、沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层(C)三层组成，内层的沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)采用纵向拉伸模量230GPa以上的连续丙烯腈基碳纤维，高模量玻璃纤维缠绕层(B)为纵向拉伸模量88GPa以上的高模量玻璃纤维缠绕层，沿杆体轴向耐磨高模量玻璃纤维增强层(C)为耐磨高模量玻璃纤维，树脂基体为多官能团环氧树脂体系，产品Tg值在130 °0210 °C之间，制成的杆体的连续长度为300m?7500m。2.根据权利要求1所述的耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征是:所述的杆体的截面形状为圆形，直径为14_?30_，沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)占截面积比例大于 40%。3.根据权利要求1所述的耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征是:所述的沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)为闭环连续波形结构，波形数量在4?20之间，波峰半径与波谷半径差为0.1mm?2mm;高模量玻璃纤维缠绕层(B)与沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)形状相同，厚度为0.3謹?1.5謹。4.根据权利要求1所述的耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征是:所述的高模量玻璃纤维缠绕层(B)与沿杆体轴向的碳纤维增强层(A)的闭环连续波形结构，或者可替代为对称或多角星形、多边形和多齿形结构及以上形状的组合结构。5.根据权利要求1所述的耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征是:所述的杆体的表层可分段或者连续包覆厚度为1.5mm?3.5mm热塑性耐磨层(D)形成四层增强耐磨结构。6.—种如权利要求1-5中任一项所述的纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆的制备装置，其特征是:包括纱架(I)、预热系统(2)、碳纤维树脂浸润设备(3-1)、外层玻璃纤维树脂浸润设备(3-2)、缠绕机(4)、预成型(5)、模口调温装置(6)、拉挤模具(7)、模具加热装置(8)、后固化加热炉(10)、牵引装置(11)、挤塑设备(12)、收卷设备(13)，且控制系统(9)安装在一侧;所述的纱架(I)上的纤维使用外抽方式，张力可以调节;纱架(I)的一侧设有预热系统(2)，预热系统(2)的右侧依次安装碳纤维树脂浸润设备(3-1)、缠绕机(4)、外层玻璃纤维树脂浸润设备(3-2)和预成型(5)，内层碳纤维在碳纤维树脂浸润设备(3-1)浸润树脂，经过缠绕机(4)正反向缠绕两层高模量玻璃纤维，之后与经过玻璃纤维树脂浸润设备(3-2)的外层耐磨高模量玻璃纤维一起，经过预成型(5)进入模具(7)进行固化;所述的预成型(5)的右侧依次安装模口调温装置(6)、拉挤模具(7)、模具加热装置(8)和后固化加热炉(10)，固化后的杆体经过后固化加热炉(10)，完全固化成型；固化成型的连续抽油杆在外侧的牵引装置(11)的牵引下，经过挤塑设备(12)，包覆热塑性耐磨层(D)，之后在收卷设备(13)上收卷。
【文档编号】B29C70/52GK205477401SQ201620149783
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月29日
【发明人】王瑞星, 李强
【申请人】胜利油田新大管业科技发展有限责任公司