CN103499854B - 一种长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤及其制备方法，它包括不锈钢管光纤单元（1），包覆在不锈钢管光纤单元（1）外周的高强度纤维复合材料（2）和包覆在高强度纤维复合材料（2）外周的高断裂延伸率纤维复合材料（3），不锈钢管光纤单元（1）包括不锈钢管（1-2）和光纤束（1-1）；所述的不锈钢管光纤单元（1）的根数大于等于1。本发明提供的复合材料光纤，具有强度高，模量高，耐疲劳，耐腐蚀，韧性好等优点；光纤数据传导同时也具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、电绝缘性好、无火花、耐高温、化学性能稳定等优点，尤其特别适用于长距离穿弯曲管道应用。
Description
技术领域
本发明涉一种光纤，具体涉及一种可穿长距离弯管的高强度复合材料光纤及其制备方法。
背景技术
随着现代经济的发展，地球陆地所存储的石油资源日渐枯竭，为了扩大开采范围，在日益强大的科技技术支持下，人类的触角已经涉及到海洋，由于海水的存在，对海底深井各种情况的测量难度很大。由于光纤分布式温度监测系统（DTS）的发明和逐渐被推广使用，可以实现对深海油井的实时监测，然而，作为数据传输介质的光纤，起到重要的作用，但是现有技术的光纤结构，由于结构上设计不够合理，强度低，耐海水腐蚀性较差，尤其是不能长距离穿弯管，不能满足光纤分布式温度监测系统的海下安装和灵活应用，限制了其复杂海下环境的应用。
另外，陆地直井或侧井采油，陆地侧井采油勘探及采油时需要将光纤伸到油层，而通道有一定弯度，需要高强度高、高韧性，能长距离穿弯管的光纤，现有技术中的光纤结构上设计不够合理，耐弯曲性能差，不能长距离穿越弯曲管道。
因此，很有必要在现有技术的基础之上，设计研发一种结构设计合理，具有高强度，高耐腐蚀物理性能，可长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种高强度，耐腐蚀性强，尤其是可长距离穿弯曲管道的高强度复合材料光纤；本发明另一个目的是提供该高强度复合材料光纤的制备方法。本发明提供的该种长距离穿弯曲管道用高强度复合材料保护的光纤具备较强的抗冲击、弯曲、耐腐蚀等机械性能，可广泛应用与海下的光纤分布式温度监测系统中。
技术方案：为了实现本发明的目的，本发明采取如下技术方案：
一种长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤，它包括不锈钢管光纤单元，包覆在不锈钢管光纤单元外周的高强度纤维复合材料和包覆在高强度纤维复合材料外周的高断裂延伸率纤维复合材料，所述的不锈钢管光纤单元包括不锈钢管和包在不锈钢管内的光纤束；所述的不锈钢管光纤单元的根数大于等于1。
作为优选方案，所述的不锈钢管光纤单元的根数为1只10根。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤，高强度纤维复合材料由预浸热固性树脂或热塑性树脂的碳纤维(Carbonfiber:Torayca)、石墨纤维(M40)、碳化硅纤维，超高强聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(POB)纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，有聚苯二甲酰对苯二胺纤维(Kevlar)、芳香族聚酰胺共聚纤维(HM-50)、杂环族聚酰胺纤维(СΒΜ)等高强度纤维的一种或几种制成。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤，所述的高断裂延伸率纤维复合材料由预浸热固性树脂或热塑性树脂的玻璃纤维、芳纶纤维，有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维(Spandex)、聚丙烯酸酯类纤维(Anidex)、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维(Fibre-L)等高断裂延伸率纤维的一种或几种制成。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用高强度复合材料的光纤，其中不锈钢管可优选为304或306不锈钢管，所述的热固性树脂如环氧树脂，聚酯树脂，酚醛树脂等，热塑性树脂如PP，PVC，PE等。
本发明提供的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，其包括以下步骤：
a、首先测量高强度纤维和高断裂延伸率纤维的张力，保证每根高强度纤维和每根高断裂延伸率纤维的张力分别相同，然后分别对高强度纤维和高断裂延伸率纤维进行除湿，得到干燥的高强度纤维和高断裂延伸率纤维，备用；（本发明测量高强度纤维和高断裂延伸率纤维的张力，保证各纤维张力一致，可保证纤维复合材料密度相对稳定，防止后续拉挤生产过程中出现纤维断裂情况；并且本发明通过大量实验和研究证明，干燥的纤维能够保证外表层的高强度纤维和高断裂延伸率纤维的强度和耐腐蚀效果，提高产品质量；）
b、使不锈钢管光纤单元维持0.3至0.4kg的张力，调整好高强度纤维导纱板、第一固化模具、高断裂延伸率纤维导纱板和第二固化模具之间的位置，保证同心位置；该步骤可保证光纤外表层的高强度纤维和高断裂延伸率纤维的密度相对均匀，各保护层之间能保证同心，提高强度等机械性能。
c、将步骤a除湿的干燥高强度纤维和高断裂延伸率纤维在恒温树脂槽中分别进行充分浸树脂；
d、在牵引机的作用下，将不锈钢管光纤单元在高强度纤维的牵引下进入第一固化模具，浸胶后的高强度纤维穿过高强度纤维导纱板后包裹在不锈钢管光纤单元外周，然后进入第一固化模具中进行固化得到半成品，浸胶后高断裂延伸率纤维穿过高断裂延伸率纤维导纱板后，包裹在第一固化模具完成的半成品外周，并在牵引力作用下进入第二固化模具，浸胶后的高断裂延伸率纤维与第一固化模具完成的半成品在第二固化模具中固化，得到直线度和圆度好的高强度复合材料光纤。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，高强度纤维为碳纤维(Carbonfiber:Torayca)、石墨纤维(M40)、碳化硅纤维，超高强聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(POB)纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，有聚苯二甲酰对苯二胺纤维(Kevlar)、芳香族聚酰胺共聚纤维(HM-50)、杂环族聚酰胺纤维(СΒΜ)等；高断裂延伸率纤维为玻璃纤维、芳纶纤维，有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维(Spandex)、聚丙烯酸酯类纤维(Anidex)、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维(Fibre-L)等纤维。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，步骤c所述的树脂为热固性树脂（如环氧树脂，聚酯树脂，酚醛树脂等）或热塑性树脂（如PP，PVC，PE等）。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，步骤d所述高强度纤维和高断裂延伸率纤维牵引速度为0.3至1.0m/min。本发明经过大量实验筛选证明，采用不同的牵引速度下实验，实验结果表明，牵引速度为0.3至1.0m/min，尤其是牵引速度为0.4m/min时，高强度纤维和高断裂延伸率纤维能够依次紧密的包覆在不锈钢管外层，具有最好的强度，抗拉，耐腐蚀等性能。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，所述的高强度纤维导纱板为均布有同心孔的两层板；所述的高断裂延伸率纤维导纱板为均布有同心孔的三层板。本发明分别将浸胶后的高强度纤维和高断裂延伸率纤维穿过导纱板，能够保证浸胶后的高强度纤维致密，均匀的包覆在不锈钢管光纤单元（1）外周，形成半成品后，浸胶后的高断裂延伸率纤维能够致密、均匀的包覆在高强度纤维外周，并且能够保证圆度，因此，为了在不锈钢管光纤单元（1）外周包覆致密，均匀的高强度复合材料和高断裂延伸率纤维，本发明通过大量实验筛选制备工艺，优选出导纱板的结构，经过本发明优选的导纱板制备得到的高强度复合材料光纤具有强度高，抗拉性能强，耐腐蚀性能强的优点。
作为优选方案，以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，其步骤c所述的高强度纤维导纱板、第一固化模具、高断裂延伸率纤维导纱板和第二固化模具之间的距离分别为活动可调节结构。浸有胶的高强度纤维和高断裂延伸率纤维具有一定重量，为防止出现下垂等现象，本发明提供的制备装置，制备得到的高强度复合材料光纤具有优异的综合力学性能，并具有耐高温和耐腐性能，并且具有直线度好、无偏心的优点。
有益效果：本发明提供的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤及其制作方法具有以下优点：
(1)本发明提供的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料的光纤，结构设计合理，综合力学性能良好，具有强度高，模量高，耐疲劳，耐腐蚀，韧性好等一系列优点，并且具有直线度好、无偏心的优点，能长距离穿弯曲管道，具有强度高，耐腐蚀性能强，可广泛应用与光纤DTS系统，光纤测量技术与永久井下传感器结合使用，采集的数据可使操作者实时了解油井动态，还可优化油井的设计和消除一些费用昂贵的各种采油修理作业，并且制备得到的光纤数据传导同时也具有许多突出的优点：具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、电绝缘性好、无火花、耐高温、化学性能稳定等等。
(2)本发明提供的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤制备方法，可操作性强，本发明通过大量的实验优选出最佳的制备工艺，通过对导纱板的创新设计或改造，可节省大量的人力和物力，并且可保证制备得到的复合材料光纤具有优异的强度，耐腐蚀性能，并且无偏心，直线度好，能够应用于海下光纤分布式温度监测等设备的安装。
附图说明
图1为本发明长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的结构示意图。
图2为长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料纤的制备工艺图。
图3为本发明长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
1、一种长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤，它包括不锈钢管光纤单元（1），包覆在不锈钢管光纤单元（1）外周的高强度纤维复合材料（2）和包覆在高强度纤维复合材料（2）外周的高断裂延伸率纤维复合材料（3），所述的不锈钢管光纤单元（1）包括不锈钢管（1-2）和包在不锈钢管（1-2）内的光纤束（1-1）；所述的不锈钢管光纤单元（1）的根数为1。
以上所述的高强度纤维复合材料（2）由预浸环氧树脂的碳纤维或墨纤维制成。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤，所述的断裂延伸率纤维复合材料（3）由预浸聚酯树脂的玻璃纤维或芳纶纤维制成。
2、如图2所示，本发明所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，其包括以下步骤：
a、首先测量高强度纤维和高断裂延伸率纤维的张力，保证每根高强度纤维和每根高断裂延伸率纤维的张力分别相同，然后分别对高强度纤维和高断裂延伸率纤维进行除湿，得到干燥的高强度纤维和高断裂延伸率纤维，备用；
b、使不锈钢管光纤单元（1）维持0.3至0.4kg的张力，调整好高强度纤维导纱板（4）、第一固化模具（5）、高断裂延伸率纤维导纱板（6）和第二固化模具（7）之间的位置，保证同心位置；
c、将步骤a除湿的干燥高强度纤维和高断裂延伸率纤维在恒温胶槽中分别进行充分浸热固性树脂，如环氧树脂；
d、在牵引机的作用下，将不锈钢管光纤单元（1）在高强度纤维的牵引下进入第一固化模具（5），浸胶后的高强度纤维穿过高强度纤维导纱板（7）后包裹在不锈钢管光纤单元（1）外周，然后进入第一固化模具（5）中进行固化得到半成品，浸胶后高断裂延伸率纤维穿过高断裂延伸率纤维导纱板（8）后，包裹在第一固化模具（6）完成的半成品外周，并在牵引力作用下进入第二固化模具（6），浸胶后的高断裂延伸率纤维与第一固化模具完成的半成品在第二固化模具（6）中固化，得到直线度和圆度好的高强度复合材料光纤。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，所述的高强度纤维为碳纤维或石墨纤维；；
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，所述的高断裂延伸率纤维为玻璃纤维或芳纶纤维。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，步骤d所述高强度纤维和高断裂延伸率纤维牵引速度为04m/min。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，所述的高强度纤维导纱板（4）为均布有同心孔的两层板；所述的高断裂延伸率纤维导纱板（6）为均布有同心孔的三层板。
实施例2
1、如图3所示，一种长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤，它包括不锈钢管光纤单元（1），包覆在不锈钢管光纤单元（1）外周的高强度纤维复合材料（2）和包覆在高强度纤维复合材料（2）外周的高断裂延伸率纤维复合材料（3），所述的不锈钢管光纤单元（1）包括不锈钢管（1-2）和包在不锈钢管（1-2）内的光纤束（1-1）；所述的不锈钢管光纤单元（1）的根数为3。
以上所述的高强度纤维复合材料（2）由预浸环氧树脂的碳化硅纤维或超高强聚乙烯纤维制成；所述的断裂延伸率纤维复合材料（3）由预浸聚酯树脂的有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维制成。
2、本发明所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，其包括以下步骤：
a、首先测量高强度纤维和高断裂延伸率纤维的张力，保证每根高强度纤维和每根高断裂延伸率纤维的张力分别相同，然后分别对高强度纤维和高断裂延伸率纤维进行除湿，得到干燥的高强度纤维和高断裂延伸率纤维，备用；
b、使不锈钢管光纤单元（1）维持0.3至0.4kg的张力，调整好高强度纤维导纱板（4）、第一固化模具（5）、高断裂延伸率纤维导纱板（6）和第二固化模具（7）之间的位置，保证同心位置；
c、将步骤a除湿的干燥高强度纤维和高断裂延伸率纤维在恒温胶槽中分别进行充分浸聚氯乙烯树脂；
d、在牵引机的作用下，将3根不锈钢管光纤单元（1）在高强度纤维的牵引下进入第一固化模具（5），浸胶后的高强度纤维穿过高强度纤维导纱板（7）后包裹在不锈钢管光纤单元（1）外周，然后进入第一固化模具（5）中进行固化得到半成品，浸胶后高断裂延伸率纤维穿过高断裂延伸率纤维导纱板（8）后，包裹在第一固化模具（6）完成的半成品外周，并在牵引力作用下进入第二固化模具（6），浸胶后的高断裂延伸率纤维与第一固化模具完成的半成品在第二固化模具（6）中固化，得到直线度和圆度好的高强度复合材料光纤。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，所述的高强度纤维为碳纤维或超高强聚乙烯纤维；
所述的高断裂延伸率纤维玻璃纤维、聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，步骤d所述高强度纤维和高断裂延伸率纤维牵引速度为04m/min。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，所述的高强度纤维导纱板（4）为均布有同心孔的两层板；所述的高断裂延伸率纤维导纱板（6）为均布有同心孔的三层板。
实施例3
1、一种长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤，它包括不锈钢管光纤单元（1），包覆在不锈钢管光纤单元（1）外周的高强度纤维复合材料（2）和包覆在高强度纤维复合材料（2）外周的高断裂延伸率纤维复合材料（3），所述的不锈钢管光纤单元（1）包括不锈钢管（1-2）和包在不锈钢管（1-2）内的光纤束（1-1）；所述的不锈钢管光纤单元（1）的根数为6。
以上所述的高强度纤维复合材料（2）由预浸酚醛树脂的聚对苯撑苯并双恶唑(POB)纤维或有聚苯二甲酰对苯二胺纤维(Kevlar)制成；所述的断裂延伸率纤维复合材料（3）由预浸聚酯树脂的聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维(Fibre-L)制成。
2、本发明所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，其包括以下步骤：
a、首先测量高强度纤维和高断裂延伸率纤维的张力，保证每根高强度纤维和每根高断裂延伸率纤维的张力分别相同，然后分别对高强度纤维和高断裂延伸率纤维进行除湿，得到干燥的高强度纤维和高断裂延伸率纤维，备用；
b、使不锈钢管光纤单元（1）维持0.3至0.4kg的张力，调整好高强度纤维导纱板（4）、第一固化模具（5）、高断裂延伸率纤维导纱板（6）和第二固化模具（7）之间的位置，保证同心位置；
c、将步骤a除湿的干燥高强度纤维和高断裂延伸率纤维在恒温胶槽中分别进行充分浸聚氯乙烯树脂；
d、在牵引机的作用下，将3根不锈钢管光纤单元（1）在高强度纤维的牵引下进入第一固化模具（5），浸胶后的高强度纤维穿过高强度纤维导纱板（7）后包裹在不锈钢管光纤单元（1）外周，然后进入第一固化模具（5）中进行固化得到半成品，浸胶后高断裂延伸率纤维穿过高断裂延伸率纤维导纱板（8）后，包裹在第一固化模具（6）完成的半成品外周，并在牵引力作用下进入第二固化模具（6），浸胶后的高断裂延伸率纤维与第一固化模具完成的半成品在第二固化模具（6）中固化，得到直线度和圆度好的高强度复合材料光纤。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，所述的高强度纤维为聚对苯撑苯并双恶唑(POB)纤维或有聚苯二甲酰对苯二胺纤维(Kevlar)；所述的断裂延伸率纤维复合材料（3）为聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维(Fibre-L)。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，步骤d所述高强度纤维和高断裂延伸率纤维牵引速度为04m/min。
以上所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制作方法，所述的高强度纤维导纱板（4）为均布有同心孔的两层板；所述的高断裂延伸率纤维导纱板（6）为均布有同心孔的三层板。
实施例4性能检测
1、取本发明实施例1至3制备得到的高强度复合材料光纤，海底长距离穿弯曲管道3000米，具有稳定，高速，准确的数据传输功能，能很好的满足光纤分布式温度监测系统的海下安装和灵活应用。
2、取本发明实施例1至3制备得到的高强度复合材料光纤，模拟海水高盐环境，进行验证实验，实验结果表明，本发明实施例1至3制备得到的高强度复合材料光纤在12个月的耐腐蚀性能测试结果表明，具有优异的耐腐蚀性能。
3、取本发明实施例1至3制备得到的高强度复合材料光纤，分别进行陆地直井或侧井穿管实验，将本发明提供的高强度复合材料光纤穿越多个弯道后伸在井下2500米以下的油层，检测结果表明，仍然具有稳定，高速，准确的数据传输功能，能很好的满足光纤在直井或侧井下的安装和灵活应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、首先测量高强度纤维和高断裂延伸率纤维的张力，保证每根高强度纤维和每根高断裂延伸率纤维的张力分别相同，然后分别对高强度纤维和高断裂延伸率纤维进行除湿，得到干燥的高强度纤维和高断裂延伸率纤维，备用；
b、使不锈钢管光纤单元(1)维持0.3至0.4kg的张力，调整好高强度纤维导纱板(4)、第一固化模具(5)、高断裂延伸率纤维导纱板(6)和第二固化模具(7)之间的位置，保证同心位置；
c、将步骤a除湿的干燥高强度纤维和高断裂延伸率纤维在恒温树脂槽中分别进行充分浸树脂；
d、在牵引机的作用下，将不锈钢管光纤单元(1)在高强度纤维的牵引下进入第一固化模具(5)，浸胶后的高强度纤维穿过高强度纤维导纱板(7)后包裹在不锈钢管光纤单元(1)外周，然后进入第一固化模具(5)中进行固化得到半成品，浸胶后高断裂延伸率纤维穿过高断裂延伸率纤维导纱板(8)后，包裹在第一固化模具(6)完成的半成品外周，并在牵引力作用下进入第二固化模具(6)，浸胶后的高断裂延伸率纤维与第一固化模具完成的半成品在第二固化模具(6)中固化，得到直线度和圆度好的高强度复合材料光纤。
2.根据权利要求1所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，其特征在于，所述的高强度纤维为碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维，超高强聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双恶唑纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，有聚苯二甲酰对苯二胺纤维、芳香族聚酰胺共聚纤维或杂环族聚酰胺纤维中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，其特征在于，所述的高断裂延伸率纤维为玻璃纤维、芳纶纤维，有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维、聚丙烯酸酯类纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，其特征在于，步骤c所述的树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
5.根据权利要求1所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，其特征在于，步骤d所述高强度纤维和高断裂延伸率纤维牵引速度为0.3至1.0m/min。
6.根据权利要求1所述的长距离穿弯曲管道用的高强度复合材料光纤的制备方法，其特征在于，所述的高强度纤维导纱板(4)为均布有同心孔的两层板；所述的高断裂延伸率纤维导纱板(6)为均布有同心孔的三层板。
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