CN104074470B - 一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆，抽油杆外圆周面上设有耐高温耐磨防腐层，所述耐高温耐磨防腐层为聚酰亚胺材料，所述的抽油杆和所述聚酰亚胺之间通过偶联剂和胶粘剂粘结，其具有粘接强度高，不容易剥离，不结垢不结蜡，能够耐受200℃～300℃的高温，并可保障长期使用，可以大幅度降低高温条件下管杆偏磨的可能性，提高抽油杆的使用寿命。

Description

一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆及制备方法
技术领域
本发明涉及油田采油作业技术领域和石油机械领域，特别涉及金属抽油杆表面耐高温耐磨防腐技术，本发明还涉及耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法。
背景技术
目前，在国内各油田使用的采油设备仍以游梁式抽油机为主，抽油杆是游梁式抽油机的重要部件之一，在造斜井抽油的过程中，抽油杆面临严重的腐蚀和偏磨问题，尤其是采用蒸汽加热的高温斜井中，抽油杆在高温条件下(200～300℃)的耐腐蚀性和耐磨性能是提高高温油井抽油杆使用寿命的关键指标。传统工艺抽油杆表面电镀镍来提高防腐蚀性能，但电镀镍层中不可避免存在砂眼，砂眼部位会加剧腐蚀引起局部破坏。
CN201110348506.8装有超高分子量聚乙烯保护层的抽油杆将具有形状记忆功能的超高分子量聚乙烯塑料管材，套在抽油杆上并使其受热，所述管材在热刺激下恢复原来形状，使得抽油杆具有超高分子量聚乙烯保护层。高分子封闭防腐耐磨抽油杆是在钨合金抽油杆的基础上再在其外壁进行高分子封闭，使该产品在拥有钨合金抽油杆的性能条件下，再进行一次防腐耐磨的高分子封闭处理。高分子封闭材料一般采用环氧树脂为主体的材料，使用过程中很容易从抽油杆上脱落下来，影响抽油杆的使用质量。超高分子量聚乙烯保护层与抽油杆通过物理作用连接于抽油杆外表面，容易在间隙中形成渗液，造成局部腐蚀。
发明内容
为了解决现有技术中抽油杆与防腐层形成间隙发生渗液而造成局部腐蚀的问题，本发明提供了一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆，其具有粘接强度高，不容易剥离，不结垢不结蜡，可以大幅度降低管杆偏磨的可能性，提高抽油杆的使用寿命。
所述技术方案如下：
一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆，抽油杆外圆周面上设有耐高温耐磨防腐层，所述耐高温耐磨防腐层为聚酰亚胺材料，所述的抽油杆和所述聚酰亚胺之间通过偶联剂和胶粘剂粘结。
所述的聚酰亚胺为均苯型聚酰亚胺、氟酐型聚酰亚胺、酮酐型聚酰亚胺、NA基封端聚酰亚胺、乙炔基封端聚酰亚胺、聚苯并咪唑聚酰亚胺中的一种。
所述的耐高温耐磨防腐层厚度为0.3mm-3mm。
所述的偶联粘结剂为(RO)3SiCH2CH2CH2OR’，其中：
一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法，包括下述步骤：
S1、去除金属抽油杆表面油污、锈迹，并清洗干净；
S2、金属抽油杆表面均匀涂刷偶联剂，晾干后涂覆胶粘剂，晾干；
S3、将聚酰亚胺溶液涂覆在抽油杆表面，一边旋转一边挥发溶剂；待溶剂基本挥发完全后涂覆下一层聚酰亚胺溶液，依次进行多层聚酰亚胺溶液的涂覆，直至达到需要的厚度，加热固化，即得。
所述步骤S1为：将金属抽油杆表面进行喷砂处理，去除表面油污、锈迹后采用有机溶剂将抽油杆表面清洗干净。所述的有机溶剂为酒精或丙酮。
所述步骤S2为：采用偶联剂粘结剂(RO)3SiCH2CH2CH2OR’的酒精溶液处理金属表面，晾干溶剂后涂覆胶粘剂。
所述步骤S3为：所述步骤S3中的加热固化是将涂覆好的抽油杆在加热炉中180-200℃条件下预固化3-4小时，调整加热炉的温度至300-320℃，保温2-3小时至聚酰亚胺固化；调整加热炉的温度为150-180℃条件下后处理5-8小时，300-350℃条件下后处理16-20小时，350-380℃条件下后处理2-5小时，即得。
所述步骤S3为中的聚酰亚胺溶溶液的溶剂为：氟酐型聚酰亚胺溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮与乙醇的混合物，酮酐型聚酰亚胺的溶剂为丙酮，NA封端的聚酰亚胺溶液为二苯基甲酮四羧酸二乙酯和4,4’二氨基二苯甲烷2:3的混合物，乙炔基封端的聚酰亚胺溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)耐温性能好
本发明所述的耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆能够耐受200℃～300℃的高温，并可保障长期使用，可以大幅度降低高温条件下管杆偏磨的可能性，提高抽油杆的使用寿命。
(2)耐磨性能好
本发明所述的耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆所使用的聚酰亚胺在高温条件下还具有良好的自润滑性能、低摩擦性及难挥发性，具有优异的耐磨性能。
(3)耐酸性介质性能好
本发明所述的耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆所使用的聚酰亚胺在高温条件下耐大多数溶剂、油脂、耐臭氧、耐细菌侵蚀等，满足油井酸性介质的使用要求。
(4)与金属抽油杆附着力好
由于本发明所述的耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆通过多步法形成的聚酰亚胺保护层，界面上硅烷偶联剂水解生成3个硅羟基中只有1个与基材表面键合，剩下的2个硅羟基或与其他硅烷中的Si-OH缩合，或呈游离状态，游离态的Si-OH与胶粘剂的界面产生键合，在高温条件下与金属的粘接强度高，附着力好，不容易与金属抽油杆剥离，满足高温井的使用要求。胶粘剂主要成份为聚酰亚胺，与聚酰亚胺因相似相容原理粘接强度较高，因此钢表面与聚酰亚胺之间的粘接强度可以进一步得到有效保证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是涂敷聚酰亚胺耐高温耐磨防腐涂层的抽油杆；
图2是抽油杆表面涂覆聚酰亚胺耐高温耐磨防腐涂层的工艺过程示意图。
图中：
1-金属抽油杆，2-粘合界面层，3-耐高温耐磨防腐层，4-喷枪，5-料腔，6-进料管，7-喷嘴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明所提供的耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆结构示意图。其结构包括：金属抽油杆1、金属抽油杆1外圆周面上设有厚度为0.3mm-3mm耐高温耐磨防腐层3，所述的抽油杆和所述聚酰亚胺之间通过粘合界面层2粘结，所述的粘合界面层2包括偶联剂和胶粘剂。其中的金属抽油杆1包括主体部分和位于两端的连接部分，其中的主体部分包括直径为19mm、20mm、25mm的圆杆，连接部分为带有连接螺纹的端头，端头与圆杆间还设有方杆，方杆为工具作用区，其中的耐高温耐磨防腐层3设置于金属抽油杆1的主体部分上。耐磨防腐层3为聚酰亚胺材料，所述的耐磨防腐层厚度为0.3mm-3mm。其中粘合界面层2的厚度控制在100μm-600μm之间。
图2所示为金属抽油杆表面涂覆聚酰亚胺耐高温耐磨防腐涂层的工艺过程示意图，包括下述步骤：
S1、将金属抽油杆1表面进行喷砂处理，去除表面油污、锈迹后采用酒精或丙酮等有机溶剂将抽油杆表面清洗干净；
S2、金属抽油杆表面均匀涂刷偶联剂的酒精溶液处理金属表面，晾干后涂覆胶粘剂，晾干；
S3、聚酰亚胺溶液通过进料管6进入料腔5中，然后通过喷枪4的喷嘴7涂覆在金属抽油杆表面，一边旋转一边挥发溶剂；待溶剂基本挥发完全后涂覆下一层聚酰亚胺溶液，依次进行多层聚酰亚胺溶液的涂覆，直至达到需要的厚度，加热固化，即得。其中所述的加热固化是将涂覆好的抽油杆在加热炉中180-200℃条件下预固化3-4小时，调整加热炉的温度至300-320℃，保温2-3小时至聚酰亚胺固化；调整加热炉的温度为150-180℃条件下后处理5-8小时，300-350℃条件下后处理16-20小时，350-380℃条件下后处理2-5小时，即得。
除另有说明，本实施方式中的化合物均从市场购买，具体为：
均苯型聚酰亚胺购自天津绝缘材料厂，牌号为TJ1050；
氟酐型聚酰亚胺购自美国杜邦公司，牌号NR-150；
酮酐型聚酰亚胺购自美国孟山都公司，牌号为skybond702；
NA基封端聚酰亚胺购自中科院化学所PMR15 Ⅱ型；
乙炔基封端聚酰亚胺购自美国海湾石油化学公司，牌号为HR650；
偶联剂(RO)3SiCH2CH2CH2OR’购自南京大学化工厂，牌号为南大-42；
聚酰亚胺胶粘剂购自瑞华泰薄膜有限公司，牌号为TPI-20。
实施例1
S1、将金属抽油杆表面采用100目的沙粒采用喷砂机进行喷砂处理，采用酒精或丙酮清除抽油杆表面污物；
S2、金属抽油杆表面均匀涂刷偶联剂的酒精(其中偶联剂与酒精的质量比为2:98)溶液均匀涂刷金属抽油杆表面，晾干溶剂后涂覆聚酰亚胺胶粘剂TPI20对金属抽油杆进行二次处理，晾干溶剂，晾干后胶粘剂厚度达500μm。
S3、将氟酐型聚酰亚胺保护涂层分层涂覆在处理好的金属抽油杆表面，在旋转设备上旋转处理好的金属抽油杆，在其表面涂覆0.25mm氟酐型聚酰亚胺溶液，一边旋转一边挥发溶剂；待溶剂基本挥发完全后涂覆下一层氟酐型聚酰亚胺溶液，每一层涂覆厚度为0.25mm，依次进行四层氟酐型聚酰亚胺溶液的涂覆，直至达到1.0mm的厚度。
将涂覆好氟酐型聚酰亚胺涂层的抽油杆在加热炉中200℃条件下预固化3小时，调整加热炉的温度至300℃，保温2小时至氟酐型聚酰亚胺固化；调整加热炉的温度为150℃条件下后处理5小时，300℃条件下后处理16小时，350℃条件下后处理2小时，即为成品。
实施例2
S1、将金属抽油杆表面采用100目的沙粒采用喷砂机进行喷砂处理，采用酒精或丙酮清除抽油杆表面污物；
S2、金属抽油杆表面均匀涂刷南大42偶联剂3％的酒精溶液均匀涂刷金属抽油杆表面，晾干溶剂后涂覆聚酰亚胺胶粘剂TPI-20对金属抽油杆进行二次处理，晾干溶剂，胶粘剂的厚度达400μm。
S3、将酮酐型聚酰亚胺保护涂层分层涂覆在处理好的金属抽油杆表面，在旋转设备上旋转处理好的金属抽油杆，在其表面涂覆3mm酮酐型聚酰亚胺溶液，一边旋转一边挥发溶剂；待溶剂基本挥发完全后涂覆下一层酮酐型聚酰亚胺溶液，每一层涂覆厚度为0.5mm，依次进行多层酮酐型聚酰亚胺溶液的涂覆，直至达到1.5mm的厚度。
将涂覆好酮酐型聚酰亚胺涂层的抽油杆在加热炉中180℃条件下预固化4小时，调整加热炉的温度至320℃，保温3小时至酮酐型聚酰亚胺固化；调整加热炉的温度为180℃条件下后处理8小时，350℃条件下后处理20小时，380℃条件下后处理5小时，即为成品。
实施例3
S1、将金属抽油杆表面采用100目的沙粒采用喷砂机进行喷砂处理，采用酒精或丙酮清除抽油杆表面污物；
S2、采用聚酰亚胺南大42偶联剂的4％酒精溶液均匀涂刷金属抽油杆表面，晾干溶剂后涂覆聚酰亚胺胶粘剂TPI-20对金属抽油杆进行二次处理，晾干溶剂，胶粘剂厚度达300μm。
S3、将NA基封端聚酰亚胺保护涂层分层涂覆在处理好的金属抽油杆表面，在旋转设备上旋转处理好的金属抽油杆，在其表面涂覆1mmNA基封端聚酰亚胺溶液，一边旋转一边挥发溶剂；待溶剂基本挥发完全后涂覆下一层NA基封端聚酰亚胺溶液，每一层涂覆厚度为0.25mm，依次进行多层NA基封端聚酰亚胺溶液的涂覆，直至达到2.0mm的厚度。
将涂覆好NA基封端聚酰亚胺涂层的抽油杆在加热炉中190℃条件下预固化3.5小时，调整加热炉的温度至310℃，保温2小时至NA基封端聚酰亚胺固化；调整加热炉的温度为170℃条件下后处理6小时，320℃条件下后处理18小时，370℃条件下后处理4小时，即为成品。
实施例4
本实施例中耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法同实施例3，其中聚酰亚胺材料为乙炔基封端聚酰亚胺，胶粘剂厚度为200μm，其中耐高温耐磨防腐层的厚度为2.5mm。
实施例5
本实施例中耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法同实施例3，其中聚酰亚胺材料为均苯型聚酰亚胺，胶粘剂厚度为600μm，其中耐高温耐磨防腐层的厚度为0.3mm。
实施例6
本实施例中耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法同实施例3，其中聚酰亚胺材料为聚苯并咪唑聚酰亚胺，胶粘剂厚度为100μm，其中耐高温耐磨防腐层的厚度为3.0mm。
当然，上述实施例中的胶粘剂也可以使用氟酐型聚酰亚胺胶粘剂、酮酐型聚酰亚胺胶粘剂、NA基封端聚酰亚胺胶粘剂、乙炔基封端聚酰亚胺胶粘剂中的一种。作为优选地方式，所述的胶粘剂使用时最好与聚酰亚胺一一对应，即氟酐型聚酰亚胺与氟酐型聚酰亚胺胶粘剂配合使用，酮酐型聚酰亚胺与酮酐型聚酰亚胺胶粘剂配合使用，NA基封端聚酰亚胺与NA基封端聚酰亚胺胶粘剂配合使用，乙炔基封端聚酰亚胺乙炔基封端聚酰亚胺胶粘剂配合使用。
表1 实施例1-6的耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆测试数据。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆，抽油杆外圆周面上设有耐高温耐磨防腐层，其特征在于：所述耐高温耐磨防腐层为聚酰亚胺材料，所述的抽油杆和所述聚酰亚胺之间通过偶联剂和胶粘剂粘结；所述耐高温耐磨防腐层厚度为0.3mm-3mm；
所述的聚酰亚胺为均苯型聚酰亚胺、氟酐型聚酰亚胺、酮酐型聚酰亚胺、NA基封端聚酰亚胺、乙炔基封端聚酰亚胺、聚苯并咪唑聚酰亚胺中的一种；
所述的偶联剂为(RO)3SiCH2CH2CH2OR’，其中：
2.一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法，包括下述步骤：
S1、将金属抽油杆表面进行喷砂处理，去除表面油污、锈迹后采用有机溶剂将抽油杆表面清洗干净；
S2、金属抽油杆表面均匀涂刷偶联剂，晾干后涂覆胶粘剂，晾干；
S3、将聚酰亚胺溶液涂覆在抽油杆表面，一边旋转一边挥发溶剂；待溶剂基本挥发完全后涂覆下一层聚酰亚胺溶液，依次进行多层聚酰亚胺溶液的涂覆，直至达到需要的厚度，加热固化，即得；
所述加热固化是将涂覆好的抽油杆在加热炉中180-200℃条件下预固化3-4小时，调整加热炉的温度至300-320℃，保温2-3小时至聚酰亚胺固化；调整加热炉的温度为150-180℃条件下后处理5-8小时，300-350℃条件下后处理16-20小时，350-380℃条件下后处理2-5小时。
3.根据权利要求2所述的一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法，其特征在于：所述的有机溶剂为酒精或丙酮。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法，其特征在于：所述步骤S2为：采用偶联剂粘结剂(RO)3SiCH2CH2CH2OR’的酒精溶液处理金属表面，晾干溶剂后涂覆TPI-20胶粘剂。
5.根据权利要求4所述的一种耐高温耐磨防腐复合材料抽油杆的制备方法，其特征在于：所述步骤S3为中的聚酰亚胺溶液的溶剂为：氟酐型聚酰亚胺溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮与乙醇的混合物，酮酐型聚酰亚胺的溶剂为丙酮，NA封端的聚酰亚胺溶液为二苯基甲酮四羧酸二乙酯和4,4’二氨基二苯甲烷2:3的混合物，乙炔基封端的聚酰亚胺溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
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