CN104048116A - 一种油田用玻璃钢复合管及其制备方法 - Google Patents

一种油田用玻璃钢复合管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种高性能的油田用玻璃钢复合钢及其制备方法，包括内衬管和外管，内衬管外径上设置有止动层结构，内衬管外缠绕玻璃钢外管并固化定型，其中所述内衬管和止动层均采用聚丙烯材质，外管采用丙氧基双酚A型树脂或环氧基双酚A酯乙烯基酯树脂基复合材料。本发明将通用聚丙烯材料高性能化，使其耐高温性、耐溶剂性及力学性能得以大幅度提升，解决了原有普通塑料内衬管存在的耐环境应力差、易溶胀、使用温度低、使用寿命短的缺陷，大大提高了复合管的使用压力、使用寿命和爆破压力，使其能长期用于输送温度高达110℃以上、压力大于2.5兆帕的油、水及无机盐混合压力液体。

Description

一种油田用玻璃钢复合管及其制备方法
技术领域
本发明属于树脂基复合材料及其制备技术领域，具体涉及一种油田用玻璃钢复合管及其制备方法。
背景技术
目前油田用于输送高温的油、水及无机盐混合液体的金属管存在耐腐蚀性差、使用寿命短的缺陷。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高性能的油田用玻璃钢复合钢管，该技术将通用聚烯烃材料高性能化，使其耐高温性、耐溶剂性及力学性能得以大幅度提升，解决了原有普通塑料内衬管存在的耐环境应力差、易溶胀、使用温度低、使用寿命短的缺陷，大大提高了复合管的使用压力、使用寿命和爆破压力，使其能长期用于输送温度高达110℃以上、压力大于2.5兆帕的油、水及无机盐混合压力液体。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种油田用玻璃钢复合管，其特征在于，包括内衬管和外管，内衬管外径上设置有止动层结构，外管缠绕内衬管并固化定型，其中所述内衬管和止动层均采用聚丙烯材质，外管采用丙氧基双酚A型树脂或环氧基双酚A酯乙烯基酯树脂基复合材料材质。
进一步的，一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备内衬管；
(2)内衬管外径上焊接止动层；
(3)外管缠绕成型。
更进一步的，步骤(1)还包括以下步骤：
(1.1)添加对基体树脂进行聚集态结构改性的助剂，并混合均匀；
(1.2)添加复合抗氧剂和界面改性剂并高速搅拌30-60s至均匀；
(1.3)出料，喂入双螺杆挤出机混炼并造粒；
(1.4)对(1.3)的挤出机中段进行树脂增强改性。
作为优选，步骤(1.1)的助剂为结晶性能改性剂。
作为优选，步骤(1.3)中双螺杆挤出机料筒各段温度控制在60-240℃，螺杆转速在120-180转。
作为优选，步骤(1.4)增强性改性为添加纤维增强材料和接枝物相容剂。
更进一步的，步骤(2)还包括以下步骤：
(2.1)制备止动层料条；
(2.2)在内衬管外径上焊接料条。
作为优选，步骤(2.1)料条宽0-10mm；厚0-10mm，为亚铃形状，与外管接触面的形状为锚固结构。
作为优选，步骤(2.2)焊接间距为8-120cm。
更进一步的，步骤(3)还包括以下步骤：
(3.1)玻璃钢外管缠绕成型；
(3.2)固化；
(3.3)磨头；
(3.4)粘头；
(3.5)翻边；
(3.6)发泡复合。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
本发明技术性能指标优良，综合成本低，具有内外抗腐蚀性能强，适用温度范围广、工作压力大、比重轻、接头牢固、安装方便、使用寿命长、以塑代钢等优点。
本发明将热塑性复合材料的易成型性和耐溶剂性，与热固性塑料高强、高模有机结合，赋予产品优异的耐溶剂性、耐高温性及高温下的耐压性。不但可以完全取代目前油田用的金属管，而且克服了金属管存在的耐腐蚀性差、使用寿命短的缺陷，寿命可达30-50年(金属管的使用寿命为2-3年)。
本发明选用合适链结构的聚丙烯树脂，将其改性，形成新颖的聚集态结构。这种聚集态结构能有效抵抗溶剂的侵蚀和破坏，彻底解决了聚丙烯树脂原有聚集态结构存在的耐环境应力差、易溶胀、使用温度低、使用寿命短的缺陷，使管材不但具有突出的耐溶剂性，而且强度与韧性并集，克服了材料改性领域通常遇到的强度和韧性二者不可兼得的瓶颈问题，可以同时使材料的强度、模量和韧性得以明显提高。
本发明对基体树脂进行聚集态结构改性的同时，引入增强结构，使材料的强度、刚度大幅提高，维卡软化点比原产品提高50-60℃，达160-180℃，呈现出优异的耐高温性和耐压性。
本发明止动层的设计，有效缓解了由内外管热膨胀系数不一带来的诸如内衬管膨胀、接口爆裂等问题。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例进一步进行说明：
本发明所说的油田用玻璃钢复合管，包括内衬管和外管，内衬管外径上设置有止动层结构，内衬管外缠绕成型玻璃钢外层管。
1、内衬管专用料配方
本发明公开的油田用玻璃钢增强塑料合金复合管的耐高温性和耐油性从根本上取决于内衬管的耐高温性和耐油性，而内衬管的性能既决定于其配方组成又强烈依赖于成型过程中所形成的聚集态结构。因此，对内衬管专用料配方及其生产工艺进行设计是项目产品的关键技术。
鉴于该内衬管需要长期接触高温的油、水及无机盐混合压力液体，聚丙烯为首选内衬材料。但通用聚丙烯耐环境应力差、易溶胀、长期使用温度难以超过90℃。若用于连续输送110℃以上的油、水及无机盐混合压力液体，在实际应用过程中不超过3000小时就会发生溶胀开裂。
本发明选用适当型号的均聚聚丙烯树脂，将聚丙烯采用结晶性能改性剂进行耐溶剂性改性，使聚丙烯在加工过程中形成独特的聚集态结构。这种聚集态结构一方面能够与增强结构紧密结合形成良好的界面粘结，共同贡献于材料的耐高温性；更重要的是，它在基体中就像一张密实的网，形成三维网络结构，将整个材料紧密结合为一体。这种紧密结构能有效抵抗溶剂的侵蚀和破坏，彻底解决了聚丙烯原有聚集态结构存在的耐环境应力差、易溶胀、使用温度低、使用寿命短的缺陷。同时，引入纤维和接枝物进行耐高温及增强改性，使材料的高温强度和刚度大幅提高，呈现出优异的耐高温性和耐压性。
此外，项目对聚丙烯的耐热氧老化性能进行改性，使其满足高温、高湿、高油、高盐的使用条件。
2、内衬管生产工艺设计
内衬管的性能直接决定着项目产品的耐高温性和耐油性，也决定着项目产品能否长期用于输送高温的油、水、无机盐混合压力液体。而内衬管的性能不但取决于内衬管专用料的组成与性能，更取决于管线的生产工艺能否在加工过程中形成预定的聚集态结构。
因此，项目攻关小组在项目研究和项目试生产阶段针对“材料配方-工艺控制-加工过程中形成的聚集态结构-产品性能”之间的关系做了系统详实的研究工作，并由此进行配方筛选及工艺优化，以及如何在成型过程中对材料的多层次结构进行稳定控制以形成所需的聚集态结构。
在以上系统研究工作和生产工艺控制的基础上，本项目确立了内衬管的生产工艺，并将树脂改性造粒和挤出管线设备采用双接机技术，可连续挤出生产内衬管，其生产步骤如下：
(1)添加对基体树脂进行聚集态结构改性的助剂，并混合均匀；
(2)添加复合抗氧剂和界面改性剂并高速搅拌30-60s至均匀；
(3)出料，喂入双螺杆挤出机混炼并造粒；
(4)对(3)的挤出机中段进行树脂增强改性。
应当注明的是，第一，配料时，作为聚集态结构改性剂的助剂要先与树脂混合均匀后再加入复合抗氧剂和界面改性剂等助剂混合均匀，以保证树脂在加工过程中形成均匀的预定聚集态结构。第二，采用定量侧喂料机在挤出机的中段喂入纤维增强材料，以减少增强材料在加工过程中的脆损，并确保其在基体中的均匀分散。第三，挤出机各段的温度控制和螺杆转速是关键工艺参数，它们关系到：(a)增强材料能否在基体中分布，并尽量减少损伤；(b)停留时间是否能确保增强材料与基体树脂形成良好的界面粘结；(c)基体树脂在加工过程中能否形成均匀的、预定的聚集态结构。因此中双螺杆挤出机的温度控制在60-240℃，螺杆转速在120-180转。
3、止动层生产工艺设计
本发明的内衬管为热塑性树脂基复合材料，而外层管为热固性树脂基复合材料。内外管材料的热膨胀系数存在明显差异，且聚烯烃与聚酯玻璃钢的粘结问题迄今仍为业界难题。本发明应用于中国北方地区的野外环境，使用过程中要承受环境温差和内外温差，因此，产品的使用过程及安装过程均对内外管的热膨胀系数有严格要求。若产品的内外管不能良好粘合，则复合管在安装后的使用过程中会由于内外管热膨胀系数的显著差异而导致内管膨胀，影响液体输送和管材使用寿命，且在接头处易发生接口爆裂。
本发明采用“嵌合”技术，根据内外管材料在常温及使用温度下的热膨胀系数差异，在内衬管外径上进行止动层的分布设计，止动层料条宽0-10mm；厚0-10mm，为亚铃形状，与外管接触面的形状为锚固结构。将特殊结构设计的聚丙烯止动层以间距为8-120cm焊接分布于内衬管外径上。止动层在外层玻璃钢管缠绕成型时会嵌合进玻璃钢层中，一方面将内外管牢固结合在一起；另一方面，这些止动层就像一些“应力分散中心”，将内管的膨胀压力均匀分散，使得复合管在使用过程中内外层在宏观上既不会脱合，也不会在管材接头处产生明显的膨胀压力。
4、玻璃钢外管缠绕工艺设计
针对复合管材的应用环境，对高性能的复合管选用高性能、耐腐蚀性强的丙氧基双酚A型树脂或环氧基双酚A酯乙烯基酯树脂等代替原来的间苯型树脂，同时，采用数控缠绕机对玻璃钢的结构进行设计，使之耐热性与以前相比大大提高(热变形温度提高40-60℃)，耐压性也显著提高。
其生产步骤如下：
(1)玻璃钢外层缠绕成型；
(2)固化；
(3)磨头；
(4)粘头；
(5)翻边；
(6)发泡复合。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种油田用玻璃钢复合管，其特征在于，包括内衬管和外管，内衬管外径上设置有止动层结构，外管缠绕内衬管并固化定型，其中所述内衬管和止动层均采用聚丙烯材质，外管采用丙氧基双酚A型树脂或环氧基双酚A酯乙烯基酯树脂基复合材料材质。
2.如权利要求1所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备内衬管；
(2)内衬管外径上焊接止动层；
(3)外管缠绕成型。
3.如权利要求2所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(1)还包括以下步骤：
(1.1)添加对基体树脂进行聚集态结构改性的助剂，并混合均匀；
(1.2)添加复合抗氧剂和界面改性剂并高速搅拌30-60s至均匀；
(1.3)出料，喂入双螺杆挤出机混炼并造粒；
(1.4)对(1.3)的挤出机中段进行树脂增强改性。
4.如权利要求3所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(1.1)的助剂为结晶性能改性剂。
5.如权利要求3所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(1.3)中双螺杆挤出机料筒各段温度控制在60-240℃，螺杆转速在120-180转。
6.如权利要求3所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(1.4)增强性改性为添加纤维增强材料和接枝物相容剂。
7.如权利要求2所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(2)还包括以下步骤：
(2.1)制备止动层料条；
(2.2)在内衬管外径上焊接料条。
8.如权利要求7所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(2.1)料条宽0-10mm；厚0-10mm，为亚铃形状，与外管接触面的形状为锚固结构。
9.如权利要求7所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(2.2)焊接间距为8-120cm。
10.如权利要求2所述的一种油田用玻璃钢复合管的制备方法，其特征在于，步骤(3)还包括以下步骤：
(3.1)玻璃钢外管缠绕成型；
(3.2)固化；
(3.3)磨头；
(3.4)粘头；
(3.5)翻边；
(3.6)发泡复合。
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