一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿及其制備裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)采油的抽油桿，特別涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽 油桿及其制備裝置和方法，屬于石油工業(yè)采油設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油工業(yè)生產(chǎn)中，腐蝕問(wèn)題是油田采油工藝亟待解決的問(wèn)題。抽油桿是連接抽油 機(jī)和抽油栗的關(guān)鍵部件，其受力復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，易因受腐蝕而嚴(yán)重影響自身使用壽 命，給油田生產(chǎn)造成極大的成本浪費(fèi)。由于具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的特點(diǎn)，復(fù)合材料抽油桿 已開(kāi)始逐步取代傳統(tǒng)的金屬抽油桿，目前采用的復(fù)合材料抽油桿主要包括玻璃鋼抽油桿和 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿兩大類。
[0003] 玻璃鋼抽油桿采用玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂的拉擠工藝一次成型制備，已廣泛應(yīng) 用，但隨著現(xiàn)代采油的可靠性要求不斷提高，玻璃鋼抽油桿已不能滿足要求，主要存在以下 問(wèn)題：1)抽油桿耐偏磨性不好；2)軸向拉伸模量低，變形大，導(dǎo)致抽油栗有效行程大幅減 少，采油效率降低明顯；3)玻璃鋼抽油桿均定長(zhǎng)，兩端各有一個(gè)金屬接頭，根與根之間采用 金屬抽油桿應(yīng)用的金屬接箍進(jìn)行連接，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致加工難度大，同時(shí)每一根玻璃鋼 抽油桿用兩個(gè)金屬接頭，成本昂貴；另外與傳統(tǒng)金屬抽油桿相比，玻璃鋼抽油桿除了桿體部 分更換了材質(zhì)，整個(gè)抽油桿柱的其他部分并無(wú)改變，傳統(tǒng)金屬抽油桿中存在的柱接頭多，斷 脫幾率高，活塞效應(yīng)明顯等問(wèn)題并未得到解決。
[0004] 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的研究也有很多，如中國(guó)專利CN1461870公開(kāi)了 一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿及制備方法，采用碳纖維為增強(qiáng)材料，并由橫向排列 的芳綸或超高分子量聚乙烯纖維束和縱向的玻璃纖維組成整體包覆復(fù)合，試圖增加抽油桿 橫向?qū)娱g剪切強(qiáng)度，同時(shí)也提高桿體的耐偏磨性和強(qiáng)度。但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該抽油桿采用 拉擠、包覆的一次整體加工方法（包括放絲-浸樹(shù)脂膠-包覆層包覆-預(yù)成型-固化-盤 繞工序），包覆層為纖維織物增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂，不僅加大了材料成本，而且纖維織物包覆層 的耐偏磨性不夠理想；包覆層為纖維織物，看似完整包裹桿體一周，但一直存在織物接縫問(wèn) 題，接縫處存在搭接寬度不均勻，擠壓內(nèi)部單向纖維，橫向強(qiáng)度低等問(wèn)題；另外，由于該碳纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿截面形狀為矩形或橢圓形，且其厚度只有3~5_，在應(yīng)用專用 設(shè)備起下井作業(yè)時(shí)，夾持部分的材料幾乎無(wú)法選擇，而且只能采用兩片式夾持，左右方向無(wú) 法限位，很容易發(fā)生桿體偏出夾持部分的現(xiàn)象。因此其專用下井作業(yè)設(shè)備夾持部分結(jié)構(gòu)及 材料開(kāi)發(fā)難度較大，成為應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸，限制了該產(chǎn)品大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0005] 另外還有中國(guó)發(fā)明專利CN201210501186.X公開(kāi)了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防偏磨 連續(xù)抽油桿及其制備裝置和方法，使用單向增強(qiáng)纖維拉擠、包覆熱塑性耐磨層的方法，采用 的纖維只為玻璃纖維、碳纖維或玄武巖纖維的一種，未明確桿體截面形狀及尺寸，因?yàn)橹徊?用單一縱向纖維，其橫向強(qiáng)度低，存在徑向壓縮、彎曲性能差等問(wèn)題；采用單一玻璃纖維或 玄武巖纖維，其軸向拉伸模量低，變形大，類似玻璃鋼抽油桿，會(huì)導(dǎo)致抽油栗有效行程大幅 減少，采油效率降低明顯；采用單一碳纖維，其桿體材料成本非常高，增大軸向拉伸模量的 同時(shí)，彎曲模量也變大，導(dǎo)致彎曲困難，不能滿足道路運(yùn)輸要求及作業(yè)要求，限制了其推廣 應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿， 該抽油桿耐腐蝕性能好，使用接頭少，成本低，斷脫幾率小，同時(shí)活塞效應(yīng)小，且模量適中、 便于卷繞，運(yùn)輸及作業(yè)使用方便。另外，本發(fā)明還提供了一種該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油 桿的制備裝置和方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，該抽油桿 桿體截面為圓形，采用依次層疊的三層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外依次為內(nèi)碳纖維層、中間玻璃纖維層 和外玻璃纖維層，所述內(nèi)碳纖維層采用沿桿體軸向設(shè)置的單向碳纖維，所述中間玻璃纖維 層采用沿桿體橫向設(shè)置的H級(jí)玻璃纖維，中間玻璃纖維層雙向纏繞或編織在所述內(nèi)碳纖維 層上，所述外玻璃纖維層采用沿桿體軸向設(shè)置的單向H級(jí)玻璃纖維，該抽油桿采用的樹(shù)脂 基體為環(huán)氧樹(shù)脂體系，通過(guò)碳纖維和H級(jí)玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，制成的抽油桿桿體直徑 為16~32_，連續(xù)長(zhǎng)度彡5000m。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的制備裝置，包括放絲架、預(yù) 處理加熱爐、注射模具、注射機(jī)、模具冷卻裝置、拉擠模具、模具加熱裝置、控制裝置、后固化 加熱爐、牽引裝置、卷繞裝置，還包括纏繞機(jī)或編織機(jī)，所述纏繞機(jī)或編織機(jī)設(shè)置在注射模 具前方；
[0009] 通過(guò)控制裝置控制，從放絲架中引出多束碳纖維和H級(jí)玻璃纖維，在牽引裝置的 牽引下經(jīng)過(guò)注射模具，注射模具內(nèi)充滿注射機(jī)注入的環(huán)氧樹(shù)脂基體膠液，在內(nèi)層的單向碳 纖維和外層的單向H級(jí)玻璃纖維之間，使用纏繞機(jī)或編織機(jī)在內(nèi)外層纖維間纏繞或編織中 間層，經(jīng)注射模具內(nèi)膠液浸漬的纖維束再經(jīng)拉擠模具固化成型，拉擠模具的入口處設(shè)有用 于模具降溫的模具冷卻裝置，所述模具冷卻裝置后側(cè)位于拉擠模具周圍分布有三段模具加 熱裝置，固化成型后纖維束經(jīng)模具加熱裝置加熱后制成復(fù)合材料桿體，該復(fù)合材料桿體進(jìn) 入后固化加熱爐進(jìn)行熱應(yīng)力處理及后固化后，通過(guò)牽引裝置將其卷繞在卷繞裝置的圓盤 上。
[0010] 作為改進(jìn)，所述注射模具包括靜態(tài)混料器、注膠孔、過(guò)濾板、樹(shù)脂腔、放膠孔、保溫 加熱器；
[0011] 所述靜態(tài)混料器與注膠孔連接，注膠孔的下端通過(guò)過(guò)濾板與樹(shù)脂腔連通，所述注 膠孔的外側(cè)設(shè)有保溫加熱器，所述樹(shù)脂腔的下端設(shè)有放膠孔，靜態(tài)混料器將經(jīng)注膠孔注入 樹(shù)脂腔內(nèi)的環(huán)氧樹(shù)脂基體膠液混合，配合注膠孔外側(cè)的保溫加熱器，膠液經(jīng)過(guò)濾板落入樹(shù) 脂腔內(nèi)，經(jīng)樹(shù)脂腔內(nèi)纖維充分浸潤(rùn)后，膠液最終經(jīng)放膠孔流出。
[0012] 作為改進(jìn)，所述編織機(jī)包括控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)、減速機(jī)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、纖維軸驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)、張緊裝置、纖維放置軸；
[0013] 通過(guò)控制系統(tǒng)控制，所述伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)連接主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述主軸驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)與纖維軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接，所述纖維軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)張緊裝置與用于放置纖維的纖維放 置軸連接。
[0014] 另外，本發(fā)明還提供了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的制備方法，包括以下 步驟：
[0015] 1)從放絲架引出多束碳纖維和H級(jí)玻璃纖維，在牽引裝置的牽引下經(jīng)過(guò)注射模 具，所述注射模具內(nèi)預(yù)先充滿注射機(jī)注入的環(huán)氧樹(shù)脂基體膠液；
[0016] 2)在內(nèi)層的內(nèi)單向碳纖維和外層的外玻璃纖維層之間，使用纏繞機(jī)或編織機(jī)纏繞 或編織中間玻璃纖維層，所述中間玻璃纖維層的厚度為1~2mm，纏繞或編織為雙向纏繞或 編織，纏繞或編織的兩個(gè)方向交叉角度為15~85° ;纏繞或編織的中間玻璃纖維層與內(nèi)單 向碳纖維和外玻璃纖維層同步進(jìn)入注射模具；
[0017] 3)經(jīng)注射模具內(nèi)膠液浸漬的纖維束再經(jīng)過(guò)拉擠模具固化成型，拉擠模具的入口 處設(shè)有模具冷卻裝置，用于降低模具入口溫度，避免模具溫度傳導(dǎo)至注射模具；在拉擠模 具周圍、模具冷卻裝置的后面，分布有三段模具加熱裝置，所述模具加熱裝置的加熱溫度 在95~230°C之間，三段呈梯度升溫方式，牽引速度在0. 05~0. 5米/分鐘之間，制出 復(fù)合材料桿體；復(fù)合材料桿體進(jìn)入后固化加熱爐進(jìn)行熱應(yīng)力處理及后固化，處理溫度為 150~250°C之間，后固化結(jié)束，通過(guò)牽引裝置，將其卷繞在卷繞裝置的圓盤上，圓盤直徑為 1. 5m~ 3. 5m〇
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，在單一縱向纖維連續(xù) 抽油桿拉擠工藝基礎(chǔ)上增加了橫向纏繞或編織層，增加了徑向強(qiáng)度和軸向抗壓強(qiáng)度；碳纖 維與玻璃纖維混合使用，提供了適中的模量，既保證其軸向變形不大，又有效降低了彎曲直 徑，減少?gòu)澢鷮?duì)桿體的性能影響，便于作業(yè)和運(yùn)輸，并且減少了碳纖維使用量，大幅降低材 料成本，提高了產(chǎn)品性價(jià)比，更易于推廣；另外，該連續(xù)抽油桿僅兩端有兩個(gè)接頭，極大的減 少了接頭數(shù)量，降低了斷脫幾率和活塞效應(yīng)。
[0019]利用本發(fā)明提供的制備裝置及方法，采用纏繞或編織與拉擠組合成型工藝，提供 了穩(wěn)定科學(xué)的纖維層分布，保證橫向纏繞或編織層纖維有效的提供橫向強(qiáng)度；同時(shí)該橫向 層在中間，避免了橫向纖維進(jìn)入固化模具時(shí)，與模具產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致纖維方向發(fā)生變化的可 能；三層結(jié)構(gòu)同時(shí)固化成型，保證纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿桿體生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定性，保 證了一次成型，生產(chǎn)效率高，結(jié)合強(qiáng)度大，避免了分層、脫落現(xiàn)象的發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明的制備裝置的流程示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明的注射拉擠工藝中注射模具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明的編織拉擠工藝中編織機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明中編織機(jī)的正面視圖；
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