CN103574187A - 柔性超高分子量聚乙烯复合管及其制备方法与生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性超高分子量聚乙烯复合管及其制备方法与生产系统，该复合管的内管为超高分子量聚乙烯、中间层为双向缠绕的玻璃纤维复合带、外包覆层为聚乙烯。其中，超高分子量聚乙烯内管、玻璃纤维复合带和聚乙烯分别在表面软化或熔融状态下进行复合，使得其各复合层之间结构致密并完全融合成一体。其制备方法主要包括，超高分子量聚乙烯内管挤出成型、玻璃纤维复合带缠绕、加热复合、再在外壁上将熔融态的聚乙烯包覆等步骤。本发明的超高分子量聚乙烯复合管，其内管不开裂、复合层不剥离，可盘卷，制造成本低、耐压强度高且各处耐压值均匀、稳定，适用于陆地油田的抽油管、集输管和海上采油的水下油气输送管道。

Description

柔性超高分子量聚乙烯复合管及其制备方法与生产系统

技术领域

本发明涉及一种复合管及其制备方法与生产系统，尤其涉及一种柔性超高分子量聚乙烯复合管及其制备方法与生产系统。

背景技术

在石油开采过程中需要使用大量的各种油气管材，如油井管，一般油井在钻达油层后，下入油层套管，并在套管与井壁间的环形空间注入油井水泥，以维护井壁和封闭油、气、水层，后按油田开发的要求用射孔枪射开油层，形成通道，下入油管，用适宜的诱流方法，将石油由油井井底上升到井口。

现有技术中，油井管主要采用连续轧管方式生产，或者通过采用双面埋弧焊直缝焊接钢管和高频电阻焊方法进行直缝焊接钢管生产。钢质油井管的长度主要分为定尺和不定尺，这主要根据具体的要求生产，长度一般在6-14米。

油气管材的使用工况条件要求其具有很高的耐压能力，因此钢质油井管的壁厚设计标准高、壁厚较厚，实际壁厚还要求其保留一定的冗余量，这更加加重了油井管的重量。石油开采过程中，需要使用大量的油井管，因而油井管的运输作业量十分巨大。

在油井管的现场使用中，油井管的焊接要求高、焊接难度大、焊接工作量十分繁重。

在石油开采过程中，特别是海上石油开采作业过程中，油井管漏点的产生主要出现在焊接部位处，而油井管一旦出现损坏造成原油泄漏很难进行补救。

综上所述，钢质油气管材不可避免地存在诸多天生的缺陷。

超高分子量聚乙烯是一种线性结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，其具有优异的耐磨性、高抗冲击性、耐疲劳性、低温韧性以及耐腐蚀、不结垢、自润滑、不结蜡、无毒环保等性能。而上述这些优异的特性正是油井管所需要的理想的性能。但是，由于单纯的超高分子量聚乙烯管耐压强度尚无法满足油井管的使用工况条件。近年来，在超高分子量聚乙烯管用于油井管技术领域中，围绕如何提高超高分子量聚乙烯管耐压强度的专题研究和应用研究成为热门。

中国专利申请201210584568.3公开了一种纤维缠绕增强管材的制备方法，虽然的得到复合管材具有耐磨、防腐、承压强度高等优点，但其将玻璃纤维直接缠绕在内管上，玻璃纤维增强层均匀性不足，其在受到径向应力和侧向应力疲劳时会产生剥离，出现失稳现象，影响复合管的性能。

中国专利申请201220685626.7公开了一种超高分子量聚乙烯复合管，以超高分子量聚乙烯为内管，纤维材料或者碳钢材料等其他材料作增强层。但该类超高分子量聚乙烯复合管不可卷绕、使其长度受到限制，在使用过程中大大增加接头的数量，影响复合管的性能，并且增加工作量。

而且，对于以上两类采用纤维材料作为增强层的超高分子量聚乙烯复合管，由于传统的纤维材料其纤维束中的各单根纤维无法保持相同的张力，采用这种材料制得的复合管，其外壁各处的耐压强度无法保持严格的均匀性和一致性。实践证明，当复合管受压时，往往在其耐压能力最薄弱处首先出现纤维层中纤维断裂，从而出现渐进式纤维层中的纤维不断断裂，直至造成整个复合管的损坏。

发明内容

本发明的目的之一是，提供的一种内管不开裂、复合层不剥离，可盘卷，制造成本低、耐压强度高且各处耐压值均匀、稳定，适用于陆地油田的抽油管、集输管和海上采油的水下油气输送管道。

本发明要解决技术问题是，柔性超高分子量聚乙烯复合管的耐压，以及各管壁处耐压均匀与稳定的技术问题。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是，一种柔性超高分子量聚乙烯复合管，为复合层结构，所述复合层从里向外以依次为超高分子量聚乙烯内管、玻璃纤维复合带层、聚乙烯层，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯内管壁厚为3～6mm，所述玻璃纤维复合带层所用的玻璃纤维复合带可承受拉力为2500-20000N，所述玻璃纤维复合带按一正一反的方向，并以接近平衡角的缠绕角度的缠绕方式缠绕在所述超高分子量聚乙烯内管上，并将缠绕后所得到的缠绕管通过加热进行复合；

所述聚乙烯层是由熔融态的聚乙烯均匀包覆在所述玻璃纤维复合带上形成的；

所述柔性超高分子量聚乙烯复合管的工作压力为13-17MPa。

上述技术方案产生的技术效果是，采用上述技术方案生产出的柔性超高分子量聚乙烯复合管，其内层超高分子量聚乙烯内管与玻璃纤维复合带均在加热至软化或熔融状态下进行复合，再通过挤出机将熔融态的聚乙烯挤出，均匀包覆在玻璃纤维复合带上，使得柔性超高分子量聚乙烯复合管各复合层之间结构致密并完全融合成一体，因而复合层不剥离；采用壁厚为3～6mm的超高分子量聚乙烯内管进行复合，可降低主要原料成本，因而其制造成本低；耐压强度高，工作压力为13-17MPa。

作为优选，上述玻璃纤维复合带是按下述方式制备的：

制备原料为玻璃纤维、活化剂和聚合物；

所述玻璃纤维拉伸强度为1000～2000MPa、直径为9-24μm；所述玻璃纤维通过恒张力器使每束玻璃纤维张紧度达到一致；

所述活化剂为硅烷偶联剂，活化温度为50℃，所述玻璃纤维在所述活化剂中浸润时间为20min；

所述聚合物为聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺；

所述经过活化剂浸润的玻璃纤维，由通过加热至熔融态的聚合物均匀包覆，再经过冷却、牵引、卷取成卷，得到玻璃纤维增强复合带。

上述优选技术方案直接产生的技术效果是，采用硅烷偶联剂作为活化剂对玻璃纤维进行活化处理，形成间距均匀的玻璃纤维束，且每根玻璃纤维的拉力均匀一致；采用的玻璃纤维增强带经上述方法处理后，玻璃纤维增强带与超高分子聚乙烯管之间的结合牢度更好，玻璃纤维增强带中每根/每束玻璃纤维的张紧力恒定、一致，因而生产出的柔性超高分子量聚乙烯复合管其管壁各处耐压值均匀、稳定。

还可以优选，上述玻璃纤维复合带的制备原料为玻璃纤维、活化剂和聚合物，其中：

所述玻璃纤维拉伸强度为1000～2000MPa、直径为9-24μm；通过恒张力器使每束玻璃纤维张紧度一致。

所述活化剂为硅烷偶联剂，活化温度为50℃，所述玻璃纤维在所述活化剂中浸润时间为20min；

所述聚合物为聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺；

所述经过活化剂浸润的玻璃纤维，由通过加热至熔融态的聚合物均匀包覆，再经过冷却、牵引、卷取成卷，得到玻璃纤维增强复合带。

该优选技术方案带来的技术效果是，包覆有活化剂的玻璃纤维束的间距均匀，每根玻璃纤维的拉力均匀一致，生产出的柔性超高分子量聚乙烯复合管其管壁各处耐压值均匀、稳定。

进一步优选，上述柔性超高分子量聚乙烯复合管的长度为200-2000m，其规格为2英寸、3英寸、4英寸或6英寸。

上述优选技术方案产生的技术效果是，柔性超高分子量聚乙烯复合管可制成多种不同管径规格，以满足不同的使用需求。

综上所述，本发明的柔性超高分子量聚乙烯复合管，其复合层不剥离、耐高压、管壁各处耐压值均匀、稳定；耐环境应力开裂、可盘卷，制造成本低，全面保留了超高分子量聚乙烯管本身具有的优异的耐磨性、高抗冲击性、耐疲劳性、低温韧性以及耐腐蚀、不结垢、自润滑、不结蜡、无毒环保等性能。

最重要的是，由于本发明采用超高分子量聚乙烯薄壁管材的生产技术得到的复合管可盘卷，其长度可根据需要切断为200-2000m。由于其长度长，因而使用过程中，可以不用或者少用接头，相应地减低了泄露事故产生的概率，提高了使用过程的安全性、便捷性，且盘卷后的超高分子量聚乙烯复合管运输方便。

本发明的目的之二是，提供一种上述柔性超高分子量聚乙烯复合管的制备方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是，一种上述柔性超高分子量聚乙烯复合管的制备方法，包括以下步骤：

第一挤出机将经塑化后的超高分子量聚乙烯原料挤出到内管模具中，得到3～6mm壁厚的超高分子量聚乙烯内管，并在第一冷却喷淋箱中进行喷淋冷却的步骤；

将玻璃纤维复合带经第一缠绕机和第二缠绕机分别按一正一反的方向缠绕到所述超高分子量聚乙烯内管上，缠绕角度接近平衡角，得到缠绕管的步骤；

上述缠绕管经第一加热套加热后由第一牵伸机拖拽进入到复合模具，由第二挤出机将聚乙烯加热至熔融并挤出到复合装置中，并在复合装置中将熔融的聚乙烯与由第二加热套将其表面层加热到软化状态的缠绕管进行复合制得复合管，并在第二喷淋冷却箱中进行复合管喷淋冷却的步骤；

经喷淋冷却后的复合管由第二牵伸机拖拽进入卷取机，经卷曲成卷后得到柔性超高分子量聚乙烯复合管成品的步骤。

本发明的柔性超高分子量聚乙烯复合管制备方法，直接带来的技术效果是，柔性超高分子量聚乙烯复合管各复合层结合紧密、牢固，最内层的超高分子量聚乙烯与最外层的聚乙烯能过形成一定程度的融合。即，最外层的聚乙烯经过熔融，能够与玻璃纤维复合带中间层熔融的聚乙烯以及超高分子量聚乙烯层表面融合在一起，形成分子之间的连接。因而，解决了复合层分层、剥离甚至是脱落的技术问题；同时复合层的层与层之间形成结构致密的一体结构，保证了最终产品的可盘卷的特殊性能。

本发明的目的之三是，提供一种用于上述柔性超高分子量聚乙烯复合管的生产系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种用于上述柔性超高分子量聚乙烯复合管的制备方法的生产系统，其特征在于，包括内管成型装置，复合带缠绕装置，外层包覆装置和卷曲成型装置；其中，

所述内管成型装置包括第一挤出机，内管模具，第一冷却喷淋箱和第一牵引机；所述第一挤出机将经塑化后的超高分子量聚乙烯原料挤出到所述内管模具中，制得3～6mm壁厚的超高分子量聚乙烯内管；所述第一牵引机将所述超高分子量聚乙烯内管拖拽至所述第一冷却喷淋箱中进行喷淋冷却；

所述复合带缠绕装置包括有第一缠绕机和第二缠绕机，所述第一缠绕机和第二缠绕机将玻璃纤维复合带分别按一正一反的方向缠绕到所述超高分子量聚乙烯内管上，缠绕角度接近平衡角，得到缠绕管；

所述外层包覆装置包括第二加热套，复合装置，第二挤出机，第二喷淋冷却箱和第二牵引机；

所述第二加热套将所述缠绕管加热，使其表面层达到软化状态；

所述第二挤出机，将聚乙烯加热至熔融并挤出到所述复合装置中；

所述第二牵引机将表面层达到软化状态的缠绕管拖拽至所述复合装置中与熔融态的聚乙烯进行复合成型成复合管，所述复合管在第二牵引机的牵伸下进入所述第二喷淋冷却箱，在第二喷淋冷却箱中进行喷淋冷却；

所述第二牵引机将在第二喷淋冷却箱中喷淋冷却后的复合管拖拽至所述卷曲成型装置，由所述卷取机将所述复合管卷曲成卷，得到柔性超高分子量聚乙烯复合管成品。

上述技术方案带来的技术效果是，工艺流程简单、设备配备合理。

附图说明

图1为柔性超高分子量聚乙烯复合管截面结构示意图；

图2为柔性超高分子量聚乙烯复合管生产系统各设备安装顺序示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的柔性超高分子量聚乙烯复合管结构作详细说明。

图1为柔性超高分子量聚乙烯复合管截面结构示意图。

如图1所示，柔性超高分子量聚乙烯复合管为复合层结构，其以超高分子量聚乙烯为内管1、双向缠绕的玻璃纤维复合带为中间层2、耐环境应力开裂的外包覆层为聚乙烯3。

图2为柔性超高分子量聚乙烯复合管生产系统各设备安装顺序示意图。

如图2所示，本发明的柔性超高分子量聚乙烯复合管生产系统各设备按以下顺序依次安装：第一挤出机4、内管模具5、第一冷却喷淋箱6、第一牵引机7、第一加热套8、第一缠绕机9、第二缠绕机10、第二加热套11、第二挤出机12、复合模具13、第二冷却喷淋箱14、第二牵引机15、卷取机16。

以下结合具体实施例1-3对本发明作进一步的说明。

实施例1-3的柔性超高分子量聚乙烯复合管都是按照如下方法生产的：

第一挤出机4将经塑化后的超高分子量聚乙烯原料挤出到内管模具5中，得到3～6mm壁厚的超高分子量聚乙烯内管，并在第一冷却喷淋箱6中进行喷淋冷却；

将玻璃纤维复合带经第一缠绕机9和第二缠绕机10分别按一正一反的方向缠绕到所述超高分子量聚乙烯内管上，缠绕角度接近平衡角，得到缠绕管；

上述缠绕管经第一加热套8加热后由第一牵伸机7拖拽进入到复合模具13，由第二挤出机12将聚乙烯加热至熔融并挤出到复合装置中，并在复合装置中将熔融的聚乙烯与由第二加热套11将其表面层加热到软化状态的缠绕管进行复合制得复合管，并在第二喷淋冷却箱14中进行复合管喷淋冷却；

复合管经喷淋冷却后，由第二牵伸机15拖拽进入卷取机16，经卷曲成卷后得到柔性超高分子量聚乙烯复合管成品。

实施例1-实施例3，其中玻璃纤维复合带都是按下述方式制备的：

制备原料为玻璃纤维、活化剂和聚合物；

所述玻璃纤维拉伸强度为1000～2000MPa、直径为9-24μm；所述玻璃纤维通过恒张力器使每束玻璃纤维张紧度达到一致；

所述活化剂为硅烷偶联剂，活化温度为50℃，所述玻璃纤维在所述活化剂中浸润时间为20min；

所述聚合物为聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺；

所述经过活化剂浸润的玻璃纤维，由通过加热至熔融态的聚合物均匀包覆，再经过冷却、牵引、卷取成卷，得到玻璃纤维增强复合带。

实施例1

超高分子量聚乙烯内管壁厚为3mm、直径为2英寸、工作压力为17Mpa，长度切断为2000m。

实施例2

超高分子量聚乙烯内管壁厚为3.5mm、直径为3英寸，工作压力为15Mpa，长度切断为1500m。

实施例3

超高分子量聚乙烯内管壁厚为4.5mm、直径为5英寸，工作压力为13Mpa，长度切断为1000m。

Claims (5)

1.一种柔性超高分子量聚乙烯复合管，为复合层结构，所述复合层从里向外以依次为超高分子量聚乙烯内管、玻璃纤维复合带层、聚乙烯层，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯内管壁厚为3～6mm，所述玻璃纤维复合带层所用的玻璃纤维复合带可承受拉力为2500-20000N，所述玻璃纤维复合带按一正一反的方向，并以接近平衡角的缠绕角度的缠绕方式缠绕在所述超高分子量聚乙烯内管上，并将缠绕后所得到的缠绕管通过加热进行复合；

所述聚乙烯层是由熔融态的聚乙烯均匀包覆在所述玻璃纤维复合带上形成的；

所述柔性超高分子量聚乙烯复合管的工作压力为13-17MPa。

2.根据权利要求1所述的柔性超高分子量聚乙烯复合管，其特征在于，所述玻璃纤维复合带是按下述方式制备的：

制备原料为玻璃纤维、活化剂和聚合物；

所述玻璃纤维拉伸强度为1000～2000MPa、直径为9-24μm；所述玻璃纤维通过恒张力器使每束玻璃纤维张紧度达到一致；

所述活化剂为硅烷偶联剂，活化温度为50℃，所述玻璃纤维在所述活化剂中浸润时间为20min；

所述聚合物为聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺；

所述经过活化剂浸润的玻璃纤维，由通过加热至熔融态的聚合物均匀包覆，再经过冷却、牵引、卷取成卷，得到玻璃纤维增强复合带。

3.根据权利要求1或2所述的柔性超高分子量聚乙烯复合管，其特征在于，所述柔性超高分子量聚乙烯复合管的长度为200-2000m，其规格为2英寸、3英寸、4英寸或6英寸。

4.一种权利要求1所述的柔性超高分子量聚乙烯复合管的制备方法，包括以下步骤：

第一挤出机将经塑化后的超高分子量聚乙烯原料挤出到内管模具中，得到3～6mm壁厚的超高分子量聚乙烯内管，并在第一冷却喷淋箱中进行喷淋冷却的步骤；

将玻璃纤维复合带经第一缠绕机和第二缠绕机分别按一正一反的方向缠绕到所述超高分子量聚乙烯内管上，缠绕角度接近平衡角，得到缠绕管的步骤；

上述缠绕管经第一加热套加热后由第一牵伸机拖拽进入到复合模具，由第二挤出机将聚乙烯加热至熔融并挤出到复合装置中，并在复合装置中将熔融的聚乙烯与由第二加热套将其表面层加热到软化状态的缠绕管进行复合制得复合管，并在第二喷淋冷却箱中进行复合管喷淋冷却的步骤；

经喷淋冷却后的复合管由第二牵伸机拖拽进入卷取机，经卷曲成卷后得到柔性超高分子量聚乙烯复合管成品的步骤。

5.一种权利要求1所述的柔性超高分子量聚乙烯复合管的生产系统，其特征在于，包括内管成型装置，复合带缠绕装置，外层包覆装置和卷曲成型装置；其中，

所述内管成型装置包括第一挤出机，内管模具，第一冷却喷淋箱和第一牵引机；所述第一挤出机将经塑化后的超高分子量聚乙烯原料挤出到所述内管模具中，制得3～6mm壁厚的超高分子量聚乙烯内管；所述第一牵引机将所述超高分子量聚乙烯内管拖拽至所述第一冷却喷淋箱中进行喷淋冷却；

所述复合带缠绕装置包括有第一缠绕机和第二缠绕机，所述第一缠绕机和第二缠绕机将玻璃纤维复合带分别按一正一反的方向缠绕到所述超高分子量聚乙烯内管上，缠绕角度接近平衡角，得到缠绕管；

所述外层包覆装置包括第二加热套，复合装置，第二挤出机，第二喷淋冷却箱和第二牵引机；

所述第二加热套将所述缠绕管加热，使其表面层达到软化状态；

所述第二挤出机，将聚乙烯加热至熔融并挤出到所述复合装置中；

所述第一牵引机将表面层达到软化状态的缠绕管拖拽至所述复合装置中与熔融态的聚乙烯进行复合成型成复合管，所述复合管在第二牵引机的牵伸下进入所述第二喷淋冷却箱，在第二喷淋冷却箱中进行喷淋冷却；

所述第二牵引机将在第二喷淋冷却箱中喷淋冷却后的复合管拖拽至所述卷曲成型装置，由所述卷取机将所述复合管卷曲成卷，得到柔性超高分子量聚乙烯复合管成品。

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