CN106761441A - 一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油田采油设备领域，尤其涉及一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，包括由内至外设置的碳纤维芯体、玻璃纤维层、超高强度聚乙烯纤维层和环氧树脂层,所述的碳纤维芯体由碳纤维束组成，各碳纤维束之间通过环氧树脂粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂中掺有玄武岩短纤维，每束碳纤维由12K‑150K碳纤维单丝组成，碳纤维单丝在加工过程中已进行加捻，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂中掺有玄武岩短纤维，碳纤维束由至少三股碳纤维捻成。本发明对碳纤维芯体的结构进行了重新设计，采用捻制而成碳纤维束结构，明确了有效增加碳纤维抽油杆性能的捻度范围，有效增强碳纤维单丝之间及纤维束之间的抱合力，从而有效避免碳纤维芯体劈裂。
Description
技术领域
本发明属于油田采油设备领域，尤其涉及一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆。
背景技术
抽油杆是石油生产过程中常用的一种设备，采油时，通过抽油杆带动井下的抽油泵泵杆上下往复运动，从而将地层内的石油等液体泵送至地面。在使用过程中，通常要将抽油杆连接至上千米，在此种情况下，抽油杆要承受的自身悬重和抽油泵的负荷，因此承受的拉力比较大。现有的抽油杆多由钢材制成，但钢材存在重量大、易腐蚀、易磨损等物理缺陷，使得抽油杆的损耗居高不下。另外，现有的抽油杆大多为分段式结构，施工时需要逐段安装，因此施工效率比较低。
为克服上述缺陷，科研人员发明了碳纤维连续抽油杆，这种抽油杆利用碳纤维质量轻、韧性好、抗拉强度高等优越的物理性能。现有的碳纤维抽油杆通常包括三层结构，由内至外分别是碳纤维芯体、玻璃纤维层和环氧树脂层，实际使用过程中发现这种结构存在两个明显的缺陷：一方面，在长期承受不稳定的扭矩或扭矩过大时，上述结构的抽油杆容易发生劈裂，导致抽油杆损坏失效；另一方面，现有的抽油杆主要依靠环氧树脂和玻璃纤维这两种材料来保证抽油杆的耐磨性能，但上述两种材料的耐磨性能比较普通，寿命较短；目前抽油杆强度较高，韧性较差，在受到较大剪切力的作用下，容易造成抽油杆不可逆的损坏，因此需要对抽油杆的结构和材质进行优化，以改善其抗剪切、抗劈裂和提高耐磨的性能。
发明内容
目前，在现有技术中从抽油杆的结构、碳纤维的选择、玻璃纤维的缠绕方式等方面进行了改进，以改善抽油杆的各种性能，但是，随着采油难度的不断增加以及采油地质条件的不断复杂化，也使得对抽油杆性能提出了更高的要求，例如由于井下地质的原因导致抽油过程中出现硬质砂砾和杂质；当含蜡原油流经井筒时由于温度和压力的降低从而形成了较为严重的结蜡；当复杂井矿的条件下，拐点的弯曲度较大等等，这些问题都导致了现有技术中的碳纤维抽油杆在耐磨、抗剪切以及抗劈裂无法满足上述要求。在此基础上，发明人提出了一种耐磨、抗剪切以及抗劈裂碳纤维抽油杆，以满足上述复杂恶劣的地质和井矿条件下抽油杆性能的要求。
作为本发明的具体实施方案之一，发明人提出了在抽油杆的制造过程中首先对碳纤维进行预处理，预处理具体方法为：将碳纤维单丝在加工过程已进行加捻。
纤维加捻是现有技术中为增强改善纤维织品性能对纤维进行加工处理的一种方式。
广义上讲，通常把纤维须条、纱、线、丝等纤维材料绕轴线加以扭转、搓动或轴向缠绕都称为加捻，换句话说，加捻实质上就是纤维绕其轴线加以扭转搓动或轴向回绕，使纱条获得捻回或包缠。
加捻通常包括对纤维两个基本方面的改变：一、是使得纤维或纤维条捻合成为有一定品质的纤维束；二、是改变纱条、线、丝束的几何纳构，使之具有所需要的几何状态或性质。如果概括起来，也可以说加捻的基本任务是使纤维或纱条、线、丝等论成具有一定结构和品质的纱线或相应的集合体。
从纤维加捻的力学角度分析，由于几何状态和性质的变化，加捻使纤维在形成纤维束的过程中在各个方向上产生了不同大小应力，外侧部分的纤维在承受张力作用的同时对内侧的纤维产生向心压力，促进纤维互相抱紧挤压，增加了纤维间的滑动阻力和紧密度，使纤维强力获得一定程度的提高。
但是，随着捻度的增大，纤维的承力在纱线轴向上的分力减小，影响纤维强力的有效利用，而且在纤维的变形、缠绕的过程中使纤维单丝内分子链间受到剪切作用，导致了沿纤维轴向承受力明显减弱。而且对于碳纤维抽油杆而言，捻度较大时则直接增加了抽油杆的加工成本。
本发明的加捻的方法采用空气加捻工艺对碳纤维单丝进行加捻，空气加捻是用空气动力与机械组件联动工作，将两根纤维丝头先退捻、后捻接，即将上下两根纤维头引入加捻机并夹紧，将多余纤维头剪断，用空气产生的一股旋转气流使两根纤维头退捻呈松散纤维后，再用加捻腔的一股气流将其捻接起来，完成加捻动作。同时本发明也并不限于上述加捻方法，也可以采用自由端加捻、环锭加捻等工艺。
发明人通过对碳纤维加捻的不同捻度对于抽油杆性能的影响，进行了相关的研究，研究的目的在于两个方面：第一、能否彻底排除碳纤维加捻改善抽油杆性能的途径；第二、如果有改善则确定合适的捻度范围。在此基础上，申请人通过实验研究发现，碳纤维加捻对抽油杆性能具有一定的影响，同时确定了在一定条件下可以有效提升抽油杆性能的捻度范围，从而解决了在复杂恶劣的地质条件下同时满足抗剪切和抗劈裂的要求。
在此基础上，发明人提出了如下技术方案：
一种抗剪耐磨防劈裂的抽油杆，包括了最内层的碳纤维芯体，由至少三根碳纤维束组成，各碳纤维束之间通过环氧树脂粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂中掺有玄武岩短纤维，每束碳纤维由12K-150K碳纤维单丝组成，碳纤维单丝首先经过预处理，预处理方法具体为对碳纤维单丝进行加捻，捻度为2-14T/inch，优选为6-8T/inch。玄武岩短纤维长度为11-20mm，优选为7-15mm。
作为本发明的另外一个具体实施方式，发明人提出了在碳纤维芯体外层采用双层玻璃纤维层的技术方案。
双层玻璃纤维层的设计，在抽油杆径向上的抗剪切力得到了明显的增强，同时，在抽油杆的外侧受到磨损时，可以有效的防止劈裂的发生，延长了抽油杆的使用寿命。
双层玻璃纤维层的具体技术方案如下：
在碳纤维芯体的外侧是玻璃纤维层，其包括两层玻璃纤维，分别为缠绕玻璃纤维层和玻璃纤维织物层，缠绕玻璃纤维径向缠绕在碳纤维芯体的外侧，玻璃纤维织物层通过环氧树脂螺旋粘结在缠绕玻璃纤维层的外侧；所述玻璃纤维织物层为平纹、斜纹、缎纹织物中的一种，宽度为5-50mm，优选为10-20mm。本发明另外一个具体实施方式是，提出了由高强度聚乙烯纤维在玻璃纤维织物层的外侧，超高强度聚乙烯纤维层的聚乙烯的分子量为300-1000万。超高强度分子量聚乙烯纤维具有质量轻，化学稳定性好，耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能和抗切割性能强等特点，可以显著提高抽油杆的抗剪切、耐磨、抗冲击性能。
另外，为增强抽油杆的耐磨性能，在超高强度聚乙烯纤维层的外侧的环氧树脂层，环氧树脂层内掺有耐磨颗粒；环氧树脂层的最薄处的厚度为2-3mm。耐磨颗粒可以是碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硼、金刚石中的一种或多种的混合物。同时，在环氧树脂层及各层间都添加了玄武岩短纤维，玄武岩短纤维长度为11-20mm，优选为7-15mm。玄武岩短纤维的加入，提高了环氧树脂层的耐磨性能，并增加了个层间的粘合性。
由此可见，本发明中抽油杆由内至外分别为，碳纤维芯体、缠绕玻璃纤维层、玻璃纤维织物层、超高强度聚乙烯层、环氧树脂层。
本发明抽油杆中，碳纤维的含量为29.2－35.4wt％，玻璃纤维含量(包括玻璃纤维织物和缠绕玻璃纤维)为30.3－35.8wt％，环氧树脂的含量为22.4－26.7wt％，超高强度聚乙烯纤维的含量为7.0－9.3wt％，耐磨材料的含量为0.6－1.4wt％，玄武岩短纤维的含量为0.4－1.0wt％。
本发明的有益效果为：
1、本发明对碳纤维芯体的结构进行了重新设计，采用捻制而成碳纤维束结构，明确了有效增加碳纤维抽油杆性能的捻度范围，有效增强碳纤维单丝之间及纤维束之间的抱合力，从而有效避免碳纤维芯体劈裂。
2、本发明在碳纤维芯体外侧设置了缠绕玻璃纤维层和玻璃纤维织物层，这两个环绕在碳纤维芯体周围的环绕层产生的包覆作用可进一步防止抽油杆劈裂。
3、本发明在环氧树脂层内添加了耐磨颗粒和玄武岩短纤维，可有效增强环氧树脂层的耐磨性能，另外，各层间及环氧树脂层内的玄武岩短纤维还能增强抽油杆的结构强度，起到防止开裂的作用。
4、超高强度聚乙烯纤维具有极好的耐冲击性和耐磨性能，因此，采用这种材料制成的超高强度聚乙烯纤维层可有效改善抽油杆的耐磨性能和耐冲击性能，从而减缓抽油杆磨损失效，同时降低抽油杆在受到剪切力时断裂的几率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是一束碳纤维束的截面图。
图中：1-环氧树脂层，2-超高强度聚乙烯纤维层，3-玻璃纤维织物层，4-缠绕玻璃纤维层，5-环氧树脂，6-碳纤维，7-玄武岩短纤维。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
本实施例包括由内至外设置的碳纤维芯体、玻璃纤维层、超高强度聚乙烯纤维层2和环氧树脂层1。
所述的碳纤维芯体至少包括三根碳纤维束，各碳纤维束之间通过环氧树脂5粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂5中掺有玄武岩短纤维7，碳纤维束由12K-150K碳纤维6单丝捻成。
现有技术中，碳纤维芯体是由多股相互平行排布的碳纤维直接粘结而成的，由于碳纤维之间的抱合力不足，在承受弯矩或扭矩时，碳纤维与环氧树脂之间容易脱开，进而产生抽油杆劈裂失效的问题。
而本发明对碳纤维芯体的结构进行了重新设计，一方面，通过捻线机将12K-150K碳纤维6进行加捻，使得碳纤维之间的抱合力增加防止碳纤维束内部及纤维束之间的劈裂。与现有技术相比，多股加捻碳纤维束采用了添加玄武岩短纤维7的环氧树脂进行粘合，可有效防止碳纤维束间发生劈裂，通过加捻和在环氧树脂中添加玄武岩短纤维能够从两个方面避免碳纤维芯体造成劈裂。
所述的玻璃纤维层包括两层玻璃纤维，分别为缠绕玻璃纤维层4和玻璃纤维织物层3，缠绕玻璃纤维螺旋缠绕在碳纤维芯体的外侧，玻璃纤维织物层通过环氧树脂粘结在缠绕玻璃纤维层4的外侧。缠绕玻璃纤维层4的作用是在碳纤维芯体的外侧形成束缚力，从而遏制碳纤维芯体的开裂趋势。玻璃纤维织物层3对碳纤维芯体进行螺旋缠绕，能够从防止碳纤维芯体开裂和轴向增加强度两个方面提高抽油杆的性能，同时，设置玻璃纤维缠绕可减少碳纤维使用量，大幅降低材料成本，提高了产品性价比，更易于推广。
所述的玻璃纤维织物层3的外侧设置有超高强度聚乙烯纤维层2。
超高强度聚乙烯纤维2是一种性能良好技术又相对成熟的高强度的高分子纤维材料，同时又具有极好的抗冲击性能，在防弹防刺制品中应用广泛。在本发明中使用这种材料，可有效改善抽油杆的耐磨性能，并有效改善抽油杆的抗冲击性能和抗剪切性能，从而对承受载荷的碳纤维芯体形成更有效的保护。需要注意的是，本发明中，构成超高强度聚乙烯纤维层2的聚乙烯的分子量控制在300-1000万范围内，若聚乙烯的分子量过低，难以充分保证耐磨性能和抗冲击性能，若聚乙烯的分子量过高，生产成本显著升高，从而是经济效益大打折扣。
所述的环氧树脂层1设置在超高强度聚乙烯纤维层2的外侧，环氧树脂层1内掺有耐磨颗粒和玄武岩短纤维7，耐磨颗粒的耐磨性能可有效减缓环氧树脂层1的磨损。玄武岩纤维是一种高强度且耐磨的纤维材料，本发明中，在环氧树脂层1中添加玄武岩短纤维7可有效增强环氧树脂层1的结构强度，防止环氧树脂开裂，同时，玄武岩短纤维7较好的耐磨性能可进一步改善抽油杆的耐磨性能。所述的耐磨颗粒可以是碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硼、金刚石中的一种或多种的混合物。
所述的玄武岩短纤维7的长度为10-15mm。如果玄武岩短纤维7的长度过长，会使玄武岩短纤维7与环氧树脂混合均匀的难度增大，如果玄武岩短纤维7的长度过短，则难以保证玄武岩短纤维7与环氧树脂之间的附着强度，从而难以保证玄武岩短纤维7对环氧树脂的结构强度的改善作用。
本发明所采用的碳纤维性能指标如表1所示：
表1
| 指标名称 | 单位 | 数值 |
| 纤维强度 | MPa | 3500－4000 |
| 规格 | K | 12-150 |
| 线密度偏差 | Tex | 1000±40 |
| 拉伸弹性模量 | GPa | 230－250 |
| 断裂伸长率 | ％ | 1.5-2.5 |
| 密度 | g/cm3 | 1.76-1.82 |
本发明所采用的环氧树脂的性能指标如表2所示：
表2
| 指标名称 | 单位 | 数值 |
| 混合粘度(25℃) | mPa.s | 100-200 |
| 凝胶时间(25℃) | h | 24－48 |
| 拉伸强度 | MPa | 60-85 |
| 拉伸模量 | GPa | 2.3-3.0 |
| 伸长率 | ％ | 3.0-5.0 |
| 弯曲强度 | MPa | 100-135 |
| 弯曲模量 | GPa | 2.5-3.5 |
| 玻璃转化温度 | ℃ | ≥120,160,190三个级别 |
本发明所采用的玻璃纤维的性能指标如表3所示：
表3
| 指标名称 | 单位 | 数值 |
| 纤维强度 | MPa | 2500－2800 |
| 线密度 | Tex | 2400±5％ |
| 拉伸弹性模量 | GPa | 88－100 |
| 含水量 | wt％ | ≤0.1 |
碳纤维选用土耳其阿克萨公司的市售产品，环氧树脂采用惠柏新材料科技(上海)股份有限公司的市售产品，玻璃纤维选用欧文斯克宁公司的市售产品。
在本发明中超高强度分子量聚乙烯纤维的选择，其分子量在300万到1000万即可。
本发明中的玄武岩短纤维选择纤维长度在10－15mm即可。
在本发明的具体实施方式中，只要满足上述碳纤维、环氧树脂、玻璃纤维、玄武岩短纤维即可实施本发明的技术方案。同时，本领域技术人员可以理解的是，如果各项性能指标均高于上述的范围，也同样适用于本发明，并不作为实施本发明技术方案的限制。
碳纤维预处理，将碳纤维单丝引入加捻机的加捻腔，加捻腔可以采用平行式或交叉式；由夹持器对两根或者多根碳纤维单丝夹住定位；将碳纤维单丝剪切成长度(剪切定长)为10－60cm的两个或多个碳纤维单丝，然后将两个或者多个端头吸入退捻器，在压缩空气的作用下，被退捻开松成平行的纤维束进入加捻腔；将吸入退捻器内的碳纤维单丝引出到所需长度，该长度(引出长度)可以根据需要设置在50－120cm；将经过过滤的压缩空气引入加捻腔，将两根或者多根碳纤维单丝进行喷射缠绕或回旋加捻，捻度范围控制在1-14T/inch，优选为6-8T/inch。
将经过预处理加捻后的至少三根碳纤维束，经牵引机牵引进入环氧树脂浸渍装置，此时加入一定量的玄武岩短纤维，浸渍后形成碳纤维芯体；在芯体之外采用缠绕机将缠绕玻璃纤维和玻璃纤维织物进行双层缠绕，缠绕的角度为45度，再经过玻璃纤维树脂进行浸渍；浸渍后再经过另一个缠绕机将超高强度聚乙烯纤维进行再次缠绕，缠绕角度不限；将经过上述处理过的四层纤维引入拉挤模具，在拉挤模具中设置加热装置进行加热固化，固化温度为160－190℃，拉挤速度为0.45－0.6m/min。将拉挤出的四层纤维杆体进行热应力处理后，再通过牵引机的牵引进入挤塑机，将添加了玄武岩短纤维的环氧树脂加热包覆到上述四层纤维杆体上，最后经过收卷机进行收卷。
实施例
实施例1
碳纤维：
玻璃纤维：
| 纤维强度 | 线密度 | 拉伸弹性模量 | 含水量 | 含量 |
| 2562MPa | 2215Tex | 88GPa | 0.07％ | 35.8wt％ |
环氧树脂：
超高强度聚乙烯纤维的分子量为350万，含量为8.2wt％，耐磨材料为氧化铝，含量为1.4wt％，玄武岩短纤维的长度为12mm，含量为1.0wt％。
具体制备方法如下：
碳纤维加捻预处理，如上述具体实施方式所述，采用平行式空气加捻，剪切定长为20cm，引出长度为50cm，捻度为2T/inch，固化温度为160℃，拉挤速度为0.45m/min。
实施例得到的抽油杆的性能如下：
实施例2
碳纤维：
玻璃纤维：
| 纤维强度 | 线密度 | 拉伸弹性模量 | 含水量 | 含量 |
| 2562MPa | 2342Tex | 92GPa | 0.05％ | 35.6wt％ |
环氧树脂：
超高强度聚乙烯纤维的分子量为400万，含量7.5wt％，耐磨颗粒为氧化铝，含量为0.8wt％，玄武岩短纤维的长度为12mm，含量为0.6wt％。
具体制备方法如下：
碳纤维加捻预处理，如上述具体实施方式所述，采用平行式空气加捻，剪切定长为20cm，引出长度为50cm，捻度为4T/inch，固化温度为160℃，拉挤速度为0.45m/min。
实施例得到的抽油杆的性能如下：
实施例3
碳纤维：
玻璃纤维：
| 纤维强度 | 线密度 | 拉伸弹性模量 | 含水量 | 含量 |
| 2646MPa | 2278Tex | 95GPa | 0.07％ | 32.3wt％ |
环氧树脂：
超高强度聚乙烯纤维的分子量为500万，含量为7.0wt％，耐磨颗粒为氧化铝，含量为1.2wt％，玄武岩短纤维的长度为15mm，含量为0.4wt％。
具体制备方法如下：
碳纤维加捻预处理，如上述具体实施方式所述，采用平行式空气加捻，剪切定长为20cm，引出长度为50cm，捻度为6T/inch，固化温度为160℃，拉挤速度为0.5m/min。
实施例得到的抽油杆的性能如下：
实施例4
碳纤维：
玻璃纤维：
| 纤维强度 | 线密度 | 拉伸弹性模量 | 含水量 | 含量 |
| 2712MPa | 2307Tex | 98GPa | 0.06％ | 31.5wt％ |
环氧树脂：
超高强度聚乙烯纤维的分子量为600万，含量为8.1wt％，耐磨颗粒为氧化铝，含量为0.7wt％，玄武岩短纤维的长度为15mm，含量为0.8wt％。
具体制备方法如下：
碳纤维加捻预处理，如上述具体实施方式所述，采用平行式空气加捻，剪切定长为20cm，引出长度为50cm，捻度为8T/inch，固化温度为190℃，拉挤速度为0.5m/min。
实施例得到的抽油杆的性能如下：
实施例5
碳纤维：
玻璃纤维：
| 纤维强度 | 线密度 | 拉伸弹性模量 | 含水量 | 含量 |
| 2746MPa | 2436Tex | 96GPa | 0.05％ | 33.3wt％ |
环氧树脂：
超高强度聚乙烯纤维的分子量为800万，含量为8.5wt％，耐磨颗粒为碳化硅，含量为0.7wt％，玄武岩短纤维的长度为15mm，含量为0.6wt％。
具体制备方法如下：
碳纤维加捻预处理，如上述具体实施方式所述，采用平行式空气加捻，剪切定长为50cm，引出长度为100cm，捻度为10T/inch，固化温度为190℃，拉挤速度为0.5m/min。
实施例得到的抽油杆的性能如下：
实施例6
碳纤维：
玻璃纤维：
| 纤维强度 | 线密度 | 拉伸弹性模量 | 含水量 | 含量 |
| 2775MPa | 2359Tex | 99GPa | 0.07％ | 31.8wt％ |
环氧树脂：
超高强度聚乙烯纤维的分子量为1000万，含量为8.6wt％，耐磨颗粒为碳化硅，含量为0.6wt％，玄武岩短纤维的长度为15mm，含量为0.5wt％。
具体制备方法如下：
碳纤维加捻预处理，如上述具体实施方式所述，采用平行式空气加捻，剪切定长为50cm，引出长度为100cm，捻度为12T/inch，固化温度为190℃，拉挤速度为0.55m/min。
实施例得到的抽油杆的性能如下：
实施例7
碳纤维：
玻璃纤维：
| 纤维强度 | 线密度 | 拉伸弹性模量 | 含水量 | 含量 |
| 2806MPa | 2437Tex | 101GPa | 0.04％ | 30.3wt％ |
环氧树脂：
超高强度聚乙烯纤维的分子量为1000万，含量为9.3wt％，耐磨颗粒为碳化硅，含量为0.9wt％，玄武岩短纤维的长度为15mm，含量为0.6wt％。
具体制备方法如下：
碳纤维加捻预处理，如上述具体实施方式所述，采用平行式空气加捻，剪切定长为50cm，引出长度为100cm，捻度为14T/inch，固化温度为190℃，拉挤速度为0.6m/min。
实施例得到的抽油杆的性能如下：
对比例
从本发明实施例1－7的抽油杆性能指标可以看出，实施例4的抽油杆的性能指标最好，采用与实施例4相同的条件，但是不进行碳纤维加捻预处理，得到如下的抽油杆性能指标：
尽管目前对于纤维加捻的加工以及机理已经是比较成熟的，但是，对于碳纤维抽油杆而言，加捻后的碳纤维要与环氧树脂粘结同时要与其它纤维层共同作用以形成碳纤维抽油杆，同时最终形成的碳纤维抽油杆的性能还会受到加工工艺的影响。由此多种多样的因素都会影响碳纤维抽油杆的性能，尽管如此，从本发明的数据来看，随着捻度的增加拉伸弹性模量在8T/inch时达到最大，表明随着捻度的增加，碳纤维之间的抱合力增加，但捻度过大时抱合力增加不在是主要的趋势，捻度过大会造成碳纤维强度的下降并且使碳纤维能够承受较大轴向形变，造成拉伸模量下降；弯曲模量与拉伸模量数据的变化趋势相同，原因与拉伸模量相同；弯曲强度随着捻度的增加出现极大值后下降，说明捻度增加碳纤维间的抱合力增加，但捻度过大会对破坏碳纤维的强度，表观水平剪切力的数据也说明了同样的机理。
通过实施例1－7可以排除在捻度超过14T/inch以后，抽油杆的弯曲强度和完全弹性模量已经不符合抽油杆的性能指标，同时可以确定在2－8T/inch，整体的抽油杆性能得到了提升，尤其是在6－8T/inch的捻度性能提升比较明显。由此，当未加捻碳纤维抽油杆无法满足恶劣地质工矿的情况下，可以通过加捻来解决上述技术问题。
Claims (10)
1.一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，包括：
碳纤维芯体，由至少三根碳纤维束组成，各碳纤维束之间通过环氧树脂(5)粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂(5)中掺有玄武岩短纤维(7)，每束碳纤维由12K-150K碳纤维单丝组成，碳纤维单丝在加工过程中进行加捻，捻度为2-14T/inch；
玻璃纤维层，包括两层玻璃纤维，分别为缠绕玻璃纤维层(4)和玻璃纤维织物层(3)，缠绕玻璃纤维螺旋缠绕在碳纤维芯体的外侧，玻璃纤维织物层(3)通过环氧树脂(5)螺旋粘结在缠绕玻璃纤维层(4)的外侧；
超高强度聚乙烯纤维层(2)，高强度聚乙烯纤维在玻璃纤维织物层(3)的外侧；
环氧树脂层(1)，在超高强度聚乙烯纤维层(2)的外侧，环氧树脂层(1)内掺有耐磨颗粒；
所述抽油杆由内至外分别为，碳纤维芯体、玻璃纤维层、超高强度聚乙烯纤维层(2)、环氧树脂层(1)。
2.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：所述碳纤维加捻的捻度为为6-8T/inch。
3.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：构成超高强度聚乙烯纤维层(2)的聚乙烯的分子量为300-1000万。
4.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：所述的环氧树脂层(1)的最薄处的厚度为2-3mm。
5.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：玄武岩短纤维(7)长度为7-15mm。
6.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：耐磨颗粒是碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硼、金刚石中的一种或多种的混合物。
7.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：所述玻璃纤维织物层(3)为平纹、斜纹、缎纹织物中的一种，宽度为10-20mm。
8.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：所述缠绕玻璃纤维层(4)沿碳纤维芯体按照一定的角度轴向缠绕。
9.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：碳纤维(6)的含量为29.2－35.4wt％，玻璃纤维织物和缠绕玻璃纤维玻璃纤维含量为30.3－35.8wt％，环氧树脂的含量为22.4－26.7wt％，超高强度聚乙烯纤维的含量为7.0－9.3wt％，耐磨材料的含量为0.6－1.4wt％，玄武岩短纤维(7)的含量为0.4－1.0wt％。
10.根据权利要求1－9任意一项所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆的制备方法，其特征在于：
将碳纤维单丝引入加捻机的加捻腔，加捻腔可以采用平行式或交叉式；由夹持器对两根或者多根碳纤维单丝夹住定位；将碳纤维单丝剪切成长度为10－60cm的两个或多个碳纤维单丝，然后将两个或者多个端头吸入退捻器，在压缩空气的作用下，被退捻开松成平行的纤维束进入加捻腔；将吸入退捻器内的碳纤维单丝引出到所需长度，该长度可以根据需要设置在50－120cm；将经过过滤的压缩空气引入加捻腔，将两根或者多根碳纤维单丝进行喷射缠绕或回旋加捻，捻度范围控制在1-14T/inch；
将经过预处理加捻后的至少三根碳纤维束，经牵引机牵引进入环氧树脂浸渍装置，此时加入一定量的玄武岩短纤维(7)，浸渍后形成碳纤维芯体；在芯体之外采用缠绕机将缠绕玻璃纤维和玻璃纤维织物进行双层缠绕，缠绕的角度为45度，再经过玻璃纤维树脂进行浸渍；浸渍后再经过另一个缠绕机将超高强度聚乙烯纤维进行再次缠绕，缠绕角度不限；将经过上述处理过的四层纤维引入拉挤模具，在拉挤模具中设置加热装置进行加热固化，固化温度为160－190℃，拉挤速度为0.45－0.6m/min。将拉挤出的四层纤维杆体进行热应力处理后，再通过牵引机的牵引进入挤塑机，将添加了玄武岩短纤维的环氧树脂加热包覆到上述四层纤维杆体上，最后经过收卷机进行收卷。
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