CN105003209B - 一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆及制备装置和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆及制备装置和制备方法，所述抽油杆表面包覆有纤维增强热塑性树脂基复合材料耐磨层，所述耐磨层的增强纤维为芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维，所述耐磨层的树脂基体为聚乙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一种；增强纤维采用二维织物的窄带缠绕形式缠绕在抽油杆的表面。这种结构赋予了抽油杆优异的耐偏磨性，同时使得表面耐磨层具有一定的韧性和强度，避免了单纯热塑性树脂的力学性能较差而出现的抽油杆卷绕过程中的裂纹问题，同时该热塑性复合材料自防护层与抽油杆体也形成了微孔啮合结构的强界面结合，防止了自防护耐磨层从抽油杆表面的滑脱和分层。
Description
技术领域
本发明涉及石油工业的采油设备和制造技术，特别涉及一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆及制备装置和制备方法。
背景技术
由于目前国内油井类型复杂多样，随着开采规模的提高，油井深度和井下环境也都不断恶化，因此尽管传统钢质抽油杆已经逐渐被复合材料抽油杆所取代，但是这种高性能材料的抽油杆又不可避免的面临着腐蚀和偏磨的问题。目前国内采用的复合材料抽油杆主要包括玻璃纤维增强树脂基复合材料抽油杆和碳纤维增强复合材料抽油杆两大类。目前，玻璃钢抽油杆的疲劳强度较低，且容易断裂，因此不能适应腐蚀性较强的井下环境，同时对于抽油深度较深以及抽油泵强度较大的条件也不能满足。为了克服玻璃钢材质的缺陷，新型碳纤维复合材料抽油杆开始逐渐被应用，尽管碳纤维复合材料抽油杆具备优于玻纤抽油杆的高强度、抗腐蚀等特性，但是仍然没有解决抽油杆柱与油管接触所造成的偏磨问题；再者碳纤维复合材料抽油杆一般要在定长杆体的两端加装金属接头，这种金属接头要大大增加复合材料抽油杆的成本。
针对以上种种问题，研究者在碳纤维复合材料抽油杆的耐磨性改善方面进行了不断的探讨和尝试，中国专利CN1461870公开了一种碳纤维复合材料连续抽油杆的制备方法，采用碳纤维为增强材料，表面包覆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，提高了杆体的耐偏磨性和强度，但是包覆层选用的树脂为热固性树脂，加大了成本的同时却没有带来理想的耐偏磨优势。中国专利CN101396874公开了一种防偏磨复合材料抽油杆的制备方法，该专利主要是在复合材料抽油杆杆体上利用浸胶后的芳纶或超高分子量聚乙烯纤维连续螺旋缠绕形成表面防偏磨层以实现耐磨特性，但是其耐磨纤维增强的基体仍然为热固性基体，所以尽管纤维具备耐磨性，表面复合材料层的整体耐磨性受到热固性树脂的极大影响而削弱了主要特性。中国专利CN103075112A公开了一种纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆的制备装置和方法，其采用的表面防护层为热塑性材料，杆体采用的玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的一种或多种构成，该专利所提供的技术为热塑性塑料耐磨层包覆的纤维复合材料连续抽油杆，该发明避免了表面热固性树脂的耐磨特性较差的问题，降低了短脱几率，但是该抽油杆表面层为单纯注射成型的塑料树脂基体，该层状结构与复合材料抽油杆杆体的界面结合强度不够，在连续生产和后续卷绕工艺中存在表面层受力缺陷的问题较大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆及制备装置和制备方法，以解决目前油田采油中碳纤维复合材料抽油杆的偏磨问题，所制备的碳纤维复合材料抽油杆具备连续长度，并且表面螺旋缠绕结构的热塑性复合材料耐磨层改善了纯热塑性树脂基体的韧性和强度不足的问题，耐磨持久度高，寿命较长。
一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆，所述抽油杆包括抽油杆杆体和包覆在抽油杆杆体表面的耐磨层，所述耐磨层的增强纤维为芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维，所述耐磨层的树脂基体为聚乙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一种；增强纤维的螺旋缠绕厚度为1-4mm。其中，超高分子量聚乙烯纤维为分子量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。种结构赋予了抽油杆优异的耐偏磨性，增强纤维使得表面耐磨层具有一定的韧性和强度，避免了单纯热塑性树脂的力学性能较差而出现的抽油杆卷绕过程中的裂纹问题，同时该热塑性复合材料自防护耐磨层与抽油杆杆体也形成了微孔啮合结构的强界面结合，防止了自防护耐磨层从抽油杆表面的滑脱和分层。
优选的，所述抽油杆杆体包括包覆层和杆体主体，杆体主体采用的增强纤维为高强型碳纤维，采用的树脂基体为环氧树脂、聚氨酯树脂或乙烯基酯树酚醛树脂中的一种，所述抽油杆杆体的连续长度为1-5000m。其中，高强型碳纤维是指拉伸强度在3500MPa以上的碳纤维。抽油杆的杆体也采用纤维增强树脂基体制成，使得抽油杆杆体具有优质的强度、韧性以及优良的抗腐蚀性能。
进一步优选的，所述抽油杆杆体的直径为8-13mm，所述包覆层为玻璃纤维层。玻璃纤维层增强了抽油杆杆体表面的摩擦力，使耐磨层与抽油杆杆体更加紧密地啮合在一起，防止了耐磨层从抽油杆表面的滑脱和分层。
一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆的制备装置，包括放丝架、浸胶槽、包覆装置、抽油杆杆体成型模具、二次固化炉、热塑性预浸带缠绕装置、耐磨层固化装置、冷却装置、牵引装置以及卷绕装置，上述装置依次连接；所述热塑性预浸带缠绕装置包括缠绕盘、预浸带放丝架和旋转驱动装置，其中，所述预浸带放丝架安装在缠绕盘上，所述旋转驱动装置驱动缠绕盘以抽油杆杆体为轴心进行旋转。
该装置采用塑性复合材料表面螺旋缠绕层的成型技术制备抽油杆，可以在碳纤维复合材料抽油杆杆体表面进行热塑性复合耐磨层的连续缠绕生产，在碳纤维抽油杆杆体连续生产的基础上保证了耐磨层的连续性，二者可同时完成在线匹配，生产效率高，结合强度大，避免了分层和脱落现象发生。
优选的，所述缠绕盘为双向缠绕盘，采用双反向缠绕模式。双反向缠绕模式用以保证抽油杆杆体被均匀完全包覆，保证耐磨层的强度的均匀。
一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维丝束浸渍树脂胶液，碳纤维丝束的运行速度为300-1000mm/分钟；
(2)在浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束的表面进行包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束初次固化，预成型；
(3)经过初次固化的抽油杆进行二次固化；
(4)经过两次固化的抽油杆进行热塑性预浸带的螺旋缠绕；
(5)将抽油杆缠绕的热塑性预浸带上的树脂进行真空加热熔融，完成树脂的热熔包覆固化，得到带有复合螺旋耐磨层的抽油杆；
(6)将步骤(5)中得到的带有复合螺旋耐磨层的抽油杆快速冷却后，进行收集。
优选的，步骤(2)中，所述浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束表面包覆的物质为玻璃纤维窄带。玻璃纤维层增强了抽油杆杆体表面的摩擦力，使耐磨层与抽油杆杆体更加紧密地啮合在一起，防止了耐磨层从抽油杆表面的滑脱和分层。
优选的，步骤(2)中，所述初次固化步骤包括三个处理温度，第一处理温度为140-160℃，处理时间为0.3-1min，第二处理温度为160-180℃，处理时间为0.4-1min，第三处理温度为200-220℃，处理时间为0.3-1min。依次采用三个温度对包覆好的碳纤维丝束进行固化，可以使树脂胶液均匀浸润碳纤维丝束后固化，保证了抽油杆的均匀性。
优选的，步骤(3)中，二次固化的温度为160-180℃，固化时间为5-10min。在该温度下的二次固化过程可以使碳纤维丝束与树脂之间以及包覆层与杆体主体之间结合更为密实。
优选的，步骤(4)中，所述热塑性预浸带的缠绕厚度为2-6mm，缠绕速度为1-5圈/分钟。以此工艺得到的耐磨层在保证了良好的耐磨效果和增强效果的基础上，使抽油杆保持了一定的韧性，使其整体不累赘，防止了一味追求耐磨性而导致抽油杆自重增加而使用不方便和费力的问题。
优选的，步骤(5)中，所述真空加热熔融的真空度为0.06-0.1MPa，得到的耐磨层的厚度为1-4mm。在该工艺条件下得到的耐磨层的树脂基体与增强纤维之间贴合紧密，且在合理的厚度的基础上，使耐磨层的耐磨性能和增强增韧性能都较好。
在碳纤维复合材料抽油杆杆体的拉挤成型设备的牵引装置和卷绕装置之间设有热塑性预浸带缠绕装置和表面防护层固化装置，将喷涂热塑性树脂粉末的柔性二维纤维表面层织物均匀缠绕在杆体表面后，通过表面防护层固化装置完成热塑性复合预浸带在杆体表面的固化成型，然后经过冷却装置冷却处理，形成带有螺旋缠绕复合防护层的碳纤维复合材料连续抽油杆。
本发明的有益效果是：
1、带有自防护热塑性复合缠绕层的碳纤维抽油杆，在碳纤维复合材料杆体表面通过螺旋缠绕工艺制备了内部带有纤维增强的热塑性复材耐磨层，这种结构赋予了抽油杆优异的耐偏磨性，同时螺旋缠绕自防护层内部含有增强纤维，使得表面耐磨层具有一定的韧性和强度，避免了单纯热塑性树脂的力学性能较差而出现的抽油杆卷绕过程中的裂纹问题，同时该热塑性复合材料自防护耐磨层与抽油杆杆体也形成了微孔啮合结构的强界面结合，防止了自防护耐磨层从抽油杆表面的滑脱和分层。
2、利用本发明提供的热塑性复合材料表面螺旋缠绕层的成型技术，可以在碳纤维复合材料抽油杆杆体表面进行热塑性复合耐磨层的连续缠绕生产，在碳纤维抽油杆杆体连续生产的基础上保证了耐磨层的连续性，二者可同时完成在线匹配，生产效率高，结合强度大，避免了分层和脱落现象发生。之前的热塑性自防护耐磨层采用的是纯热塑性树脂的注射成型制备，注射过程对压力和温度的控制较为苛刻，而且纯树脂层的熔融及包覆需要有严格的温度区间，可调性有限。本发明采用了热塑性粉末预浸料型的二维纤维窄带，保证了热塑性粉末基材的含量同时有保留了纤维织物的柔性，可以实现在抽油杆杆体表面的连续螺旋缠绕，保证了耐磨层包覆的均匀性，提高了生产稳定性。
附图说明
图1是本发明的制备装置结构示意图；
图2是本发明的抽油杆的截面结构示意图。
其中，1、放丝架，2、浸胶槽，3、包覆装置，4、抽油杆杆体成型模具，5、二次固化炉，6、热塑性预浸带缠绕装置，7、耐磨层固化装置，8、冷却装置，9、牵引装置，10、卷绕装置，11、抽油杆杆体，12、玻璃纤维层，13为耐磨层。
具体实施例
利用本发明图1中的生产装备可进行带有复合螺旋自防护层的高耐磨连续碳纤维抽油杆的制备，通过下面的实施例对本发明的产品进行详细说明，但本发明不限于这些实施例。
如图1所示，一种带有复合螺旋耐磨层13的抽油杆的制备装置，包括放丝架1、浸胶槽2、包覆装置3、抽油杆杆体成型模具4、二次固化炉5、热塑性预浸带缠绕装置6、耐磨层固化装置7、冷却装置8、牵引装置9以及卷绕装置10，上述装置依次连接。
由图2可知，所述抽油杆杆体11包括包覆层和杆体主体，所述包覆层为玻璃纤维层12。
实施例1
从放丝架1上将多个12K束状T300碳纤维长丝引出，在牵引装置9的牵引驱动下，T300碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍胶液，牵引装置的牵引速度在1000mm/分钟。充分浸渍环氧树脂胶液的T300碳纤维丝束表面在玻纤带包覆装置3的作用下，包覆玻璃纤维窄带，在牵引装置的动力下，一并进入抽油杆杆体成型模具4进行初次固化，固化成型温度按进入和走出模具顺序依次为：140℃\160℃\200℃，成型时间2分钟，最终成型后的碳纤维复合材料抽油杆杆体直径为8mm。经过初次固化的成型碳纤维复合材料连续抽油杆进入二次固化炉5进行二次固化成型，固化炉的温度在180℃，固化时间范围在5分钟。经过两次固化的碳纤维复合材料连续抽油杆杆体通过热塑性预浸带缠绕装置6进行热塑性复合材料表面防护层窄带的螺旋缠绕，窄带二维织物所用纤维为芳纶纤维，表面喷涂树脂粉末为聚酰胺树脂，粉末预浸带缠绕厚度为6mm，缠绕速度保证与牵引装置9的驱动速度成比例同步，缠绕速度为2圈/分钟。经过表面热塑性树脂复合材料防护层缠绕包覆后的碳纤维复合材料抽油杆进入耐磨层固化装置7完成表面层的树脂热熔包覆固化，整个热熔固化在固化装置的模腔内进行，热熔固化温度为180℃，时间为10分钟，整个热熔固化装置的真空度控制在0.06MPa，最终固化的自防护层厚度在4mm。表面层热熔固化之后，在牵引装置9的牵引下进入冷却装置8快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置10将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
实施例2
从放丝架1上将多个12K束状T700碳纤维长丝引出，在牵引装置9的牵引驱动下，T700碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍胶液，牵引装置的牵引速度在600mm/分钟。充分浸渍环氧树脂胶液的T700碳纤维丝束表面在玻纤带包覆装置3的作用下，包覆玻璃纤维窄带，在牵引装置的动力下，一并进入抽油杆杆体成型模具4进行初次固化，固化成型温度按进入和走出模具顺序依次为：150℃\170℃\210℃，成型时间3分钟，最终成型后的碳纤维复合材料抽油杆杆体直径为9mm。经过初次固化的成型碳纤维复合材料连续抽油杆进入二次固化炉5进行二次固化成型，固化炉的温度在160℃，固化时间范围在10分钟。经过两次固化的碳纤维复合材料连续抽油杆杆体通过热塑性预浸带缠绕装置6进行热塑性复合材料表面防护层窄带的螺旋缠绕，窄带二维织物所用纤维为超高分子量聚乙烯纤维，表面喷涂树脂粉末为聚酰胺树脂，粉末预浸带缠绕厚度为5mm，缠绕速度保证与牵引装置9的驱动速度成比例同步，缠绕速度为1圈/分钟。经过表面热塑性树脂复合材料防护层缠绕包覆后的碳纤维复合材料抽油杆进入耐磨层固化装置7完成表面层的树脂热熔包覆固化，整个热熔固化在固化装置的模腔内进行，热熔固化温度为150℃，时间为8分钟，整个热熔固化装置的真空度控制在0.1MPa，最终固化的自防护层厚度在3mm。表面层热熔固化之后，在牵引装置9的牵引下进入冷却装置8快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置10将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
实施例3
从放丝架1上将多个6K束状T700碳纤维长丝引出，在牵引装置9的牵引驱动下，T700碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍胶液，牵引装置的牵引速度在300mm/分钟。充分浸渍聚氨酯树脂胶液的T700碳纤维丝束表面在玻纤带包覆装置3的作用下，包覆玻璃纤维窄带，在牵引装置的动力下，一并进入抽油杆杆体成型模具4进行初次固化，固化成型温度按进入和走出模具顺序依次为：155℃\175℃\200℃，成型时间2.5分钟，最终成型后的碳纤维复合材料抽油杆杆体直径为8mm。经过初次固化的成型碳纤维复合材料连续抽油杆进入二次固化炉5进行二次固化成型，固化炉的温度在165℃，固化时间范围在7分钟。经过两次固化的碳纤维复合材料连续抽油杆杆体通过热塑性预浸带缠绕装置6进行热塑性复合材料表面防护层窄带的螺旋缠绕，窄带二维织物所用纤维为超高分子量聚乙烯纤维，表面喷涂树脂粉末为低密度聚乙烯树脂，粉末预浸带缠绕厚度为2mm，缠绕速度保证与牵引装置9的驱动速度成比例同步，缠绕速度为1.5圈/分钟。经过表面热塑性树脂复合材料防护层缠绕包覆后的碳纤维复合材料抽油杆进入耐磨层固化装置7完成表面层的树脂热熔包覆固化，整个热熔固化在固化装置的模腔内进行，热熔固化温度为145℃，时间为10分钟，整个热熔固化装置的真空度控制在0.08MPa，最终固化的自防护层厚度在1mm。表面层热熔固化之后，在牵引装置9的牵引下进入冷却装置8快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置10将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
实施例4
从放丝架1上将多个12K束状T800碳纤维长丝引出，在牵引装置9的牵引驱动下，T800碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍胶液，牵引装置的牵引速度在520mm/分钟。充分浸渍聚氨酯树脂胶液的T800碳纤维丝束表面在玻纤带包覆装置3的作用下，包覆玻璃纤维窄带，在牵引装置的动力下，一并进入抽油杆杆体成型模具4进行初次固化，固化成型温度按进入和走出模具顺序依次为：153℃\171℃\203℃，成型时间3分钟，最终成型后的碳纤维复合材料抽油杆杆体直径为9mm。经过初次固化的成型碳纤维复合材料连续抽油杆进入二次固化炉5进行二次固化成型，固化炉的温度在174℃，固化时间范围在6分钟。经过两次固化的碳纤维复合材料连续抽油杆杆体通过热塑性预浸带缠绕装置6进行热塑性复合材料表面防护层窄带的螺旋缠绕，窄带二维织物所用纤维为超高分子量聚乙烯纤维，表面喷涂树脂粉末为聚苯醚树脂，粉末预浸带缠绕厚度为3mm，缠绕速度保证与牵引装置9的驱动速度成比例同步，缠绕速度为2圈/分钟。经过表面热塑性树脂复合材料防护层缠绕包覆后的碳纤维复合材料抽油杆进入耐磨层固化装置7完成表面层的树脂热熔包覆固化，整个热熔固化在固化装置的模腔内进行，热熔固化温度为145℃，时间为10分钟，整个热熔固化装置的真空度控制在0.09MPa，最终固化的自防护层厚度在2mm。表面层热熔固化之后，在牵引装置9的牵引下进入冷却装置8快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置10将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种带有复合螺旋耐磨层的抽油杆，其特征在于：所述抽油杆包括抽油杆杆体和包覆在抽油杆杆体表面的耐磨层，所述耐磨层的增强纤维为芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维，所述耐磨层的树脂基体为聚乙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一种；增强纤维的螺旋缠绕厚度为1-4mm；所述抽油杆杆体包括包覆层和杆体主体，杆体主体采用的增强纤维为高强型碳纤维，采用的树脂基体为环氧树脂、聚氨酯树脂或乙烯基酯树酚醛树脂中的一种，所述抽油杆杆体的连续长度为1-5000m；所述抽油杆杆体的直径为8-13mm，所述包覆层为玻璃纤维层；所述复合螺旋耐磨层的抽油杆的制备方法，包括如下步骤：(1)将碳纤维丝束浸渍树脂胶液，碳纤维丝束以设定的速度运行；(2)在浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束的表面进行包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束初次固化，预成型；(3)经过初次固化的抽油杆进行二次固化；(4)经过两次固化的抽油杆进行热塑性预浸带的螺旋缠绕；(5)将抽油杆缠绕的热塑性预浸带上的树脂进行真空加热熔融，完成树脂的热熔包覆固化，得到带有复合螺旋耐磨层的抽油杆；(6)将步骤(5)中得到的带有复合螺旋耐磨层的抽油杆快速冷却后，进行收集。
2.根据权利要求1所述的带有复合螺旋耐磨层的抽油杆，其特征在于：步骤(1)中，碳纤维丝束的运行速度为300-1000mm/分钟。
3.根据权利要求2所述的带有复合螺旋耐磨层的抽油杆，其特征在于：步骤(2)中，所述初次固化步骤包括三个处理温度，第一处理温度为140-160℃，处理时间为0.3-1min，第二处理温度为160-180℃，处理时间为0.4-1min，第三处理温度200-220℃，处理时间为0.3-1min。
4.根据权利要求2所述的带有复合螺旋耐磨层的抽油杆，其特征在于：步骤(3)中，二次固化的温度为160-180℃，固化时间为5-10min。
5.根据权利要求2所述的带有复合螺旋耐磨层的抽油杆，其特征在于：步骤(5)中，所述真空加热熔融的真空度为0.06-0.1MPa，得到的耐磨层的厚度为1-4mm。
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