CN107443774A - 一种柔性连续碳纤维自发热元件及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层结构且内填充耐热绝缘物的柔性碳纤维自发热元件，该元件由外到内包括：碳纤维编织复合材料外层、耐热绝缘层、多根并行的碳纤维柔性发热缆线。其中多根柔性碳纤维发热缆线也采用表面耐热绝缘层和内部的连续碳纤维发热线的多层结构。利用本发明结构制备的柔性连续碳纤维自发热元件具有稳定的发热温度，且长度可根据需求灵活截取，可广泛应用于石油开采领域的稠油降粘或者输油管道的保温，通电发热温度可达到100‑150℃。步骤简单、操作方便、实用性强。
Description
技术领域
本发明属于石油开采领域的稠油降粘或者输油管道的保温领域，特别涉及一种柔性连续碳纤维自发热元件及其结构。
背景技术
随着目前石油开采及运输领域的不断发展，对采油输油的效率及复杂油井的高效开采利用成为目前技术人员不断研究的重点，随着对采油量的需求提高，各种类型油井所面临的施工问题也多种多样，特别是高集油田的井下环境非常棘手，由于此种油田原有的凝固点高，含蜡较高，油井下结蜡现象严重，给油田的开采和运输带来了极大的困难，因此对稠油降粘，提高运输效率，保证在高寒、冰冻环境下原油的输送速度等技术问题非常重要。
目前国内解决采油过程的稠油降粘问题和原油输送问题的普遍做法是用新型材质的复合材料抽油杆，这种抽油杆在制备过程中嵌入带有可电加热的元件，一般采用导电纤维，如碳纤维、金属纤维在复合材料连续抽油杆制备过程中随着增强织物同时引入，虽然该方案能够使得抽油杆带有加温特性，但是连续长度的导电纤维在与增强体的复合过程中，存在加热通电过程的不稳定问题，造成杆体的发热温度不均匀。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供了一种具有多层结构的、内填充绝缘耐热填料的柔性连续自加热碳纤维发热元件，柔性碳纤维发热元件采用多层结构，其中表面的编织碳纤维热固性树脂基复合材料外层可有效保护内部的碳纤维发热线，提高整体柔性发热元件的使用寿命，在不存在冲击等其它力学损伤的情况下，其使用寿命可达到20年以上。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性连续碳纤维自发热元件，所述元件由外到内依次为：碳纤维编织复合材料外层、耐高温绝缘层、多根并行的碳纤维发热缆线；其中，所述碳纤维发热缆线为双层结构，包括：表面耐热绝缘层和内部的连续碳纤维柔性发热线，所述表面耐热绝缘层和内部的连续碳纤维柔性发热线之间填充有耐高温无机粉体填料。
优选的，所述碳纤维编织复合材料外层由碳纤维织物与树脂基体复合固化而成；其中，碳纤维为T300、T700、M40、M60、T800等高强或高模量碳纤维中的任意一种或多种组合，组合纤维的比例根据使用要求灵活调整；碳纤维增强织物的编织结构为单向排布、单向螺旋缠绕、二维平纹编织、二维斜纹编织、二维缎纹编织、三维四向编织、三维五向编织、三维六向编织、三维七向编织等多种编织结构中的任意一种或多种组合，组合方案根据发热元件的柔性及刚性要求灵活掌握。
优选的，所述的碳纤维复合材料外层的树脂基体为耐热性热固性树脂，所用的树脂基体质量为碳纤维复合材料外层总质量的30-60％，根据外层的刚性要求灵活调整。
优选的，所述碳纤维编织复合材料外层的长度为连续长度，厚度根据柔性发热线的应用场合可在0.5-5mm之间灵活调整。
优选的，所述耐高温绝缘层的材质为聚四氟乙烯耐高温塑料，绝缘层为碳纤维复合材料外层的纤维织物编织骨架，在耐热绝缘层的表面进行上述碳纤维增强织物的编织，之后再与树脂基体复合固化成型。厚度根据柔性发热线的应用场合可在0.5-5mm之间灵活调整。
优选的，所述的柔性多层结构碳纤维自发热元件的碳纤维编织复合材料外层与耐高温绝缘层套管结构的内部为多根按圆心排布的多层结构碳纤维柔性发热线，该发热线采用连续长度的碳纤维长丝或长丝织物作为主发热体，外部由耐热绝缘层组成，所用的柔性发热线根数根据发热要求灵活调整。
优选的，所述碳纤维长丝或长丝织物为T300、T700、T800、M40、M60等高强度或高模量碳纤维的任意一种或多种组合，组合碳纤维的比例根据发热要求和导电要求灵活调整。
优选的，所述碳纤维柔性发热线的结构为单向碳纤维、二维平纹、斜纹、缎纹编织碳纤维，具体结构根据发热均一性及发热功率要求灵活调整；
优选的，所述表面耐热绝缘层的材质为耐热聚四氟乙烯，其中内部的柔性发热线的直径根据发热要求灵活选择，外层绝缘层的厚度在0.1-2mm范围灵活调整。
优选的，所述的多根柔性发热线和中间的耐热绝缘层之间采用耐高温填充物将其密实填充，所用的填充物为耐高温无机粉体填料，可选用氧化镁、氧化铝、氧化锆、氮化硼等一种的任意一种，所用的粉体填料的粒径在10nm-5μm范围灵活调整。
本发明还提供了一种复合材料抽油杆，包括：任一上述的元件。
本发明的有益效果
第一，柔性碳纤维发热元件采用多层结构，其中表面的编织碳纤维热固性树脂基复合材料外层可有效保护内部的碳纤维发热线，提高整体柔性发热元件的使用寿命，在不存在冲击等其它力学损伤的情况下，其使用寿命可达到20年以上。
第二，在柔性碳纤维发热线的表面以及表面复合材料层内部均采用耐热四氟乙烯塑料绝缘层，可有效的提高内部发热线表面与外层碳纤维复合材料层的隔绝，保证通电自发热过程中不存在短路问题。
第三，在碳纤维复合材料表面层与多根柔性发热线的并行线路腔体内部填充耐高温无机分体绝缘物，可有效提高整体的发热均匀性和多层结构厚度尺寸方向上的绝缘性能。
第四，利用该多层结构的碳纤维柔性自发热元件可直接与抽油杆并行引入油井下进行稠油加热降粘，或者可直接引入输油管道的内壁中提高管壁温度，其电路采用两端连接，多根并行发热线可进行三相电路连接，最高发热温度可达到100-150℃。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是柔性碳纤维自发热元件的结构示意图，其中，最外表面为碳纤维编织复合材料外层1、之后为耐高温聚四氟乙烯绝缘层2、在2的内部是多根并行的柔性碳纤维发热线，发热线由外表面的耐热四氟乙烯绝缘层3和柔性碳纤维发热体4组成，在柔性碳纤维发热线和耐高温聚四氟乙烯绝缘层2之间的空隙由耐高温无机粉体填料5填充。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
利用本发明图1的多层结构填充耐热绝缘填料的柔性碳纤维发热元件，其具体实施例如下：
实施例1
在厚度为1mm聚四氟乙烯绝缘层表面进行T300增强纤维的单向螺旋缠绕编织，之后将织物浸渍环氧树脂，最终制备含胶量为40％、厚度为1mm的碳纤维复合材料外层1。
碳纤维复合材料编织外层的内部为聚四氟乙烯绝缘层2，绝缘层内部为3根按圆心排布的柔性碳纤维发热线。其中发热线的表面为厚度0.1-2mm的聚四氟乙烯绝缘层3，绝缘层3内部为单向碳纤维、二维平纹、斜纹、缎纹编织的T300、T700、T800、M40、M60碳纤维发热线4。在3根圆心排布的并行发热线与表面绝缘层2之间填充粒径在10nm的氧化镁粉体填料5，最终制备的多层结构碳纤维柔性发热线的发热温度在100℃，长度为连续长度。
实施例2
在厚度为0.5mm聚四氟乙烯绝缘层表面进行T700增强纤维的二维平纹织物编织，之后将织物浸渍酚醛树脂，最终制备含胶量为50％、厚度为1mm的碳纤维复合材料外层1。
碳纤维复合材料编织外层的内部为聚四氟乙烯绝缘层2，绝缘层内部为4根按圆心排布的柔性碳纤维发热线。其中发热线的表面为厚度0.7mm的聚四氟乙烯绝缘层3，绝缘层3内部为二维缎纹编织的T800碳纤维发热线4。在4根圆心排布的并行发热线与表面绝缘层2之间填充粒径在1μm范围的氧化铝粉体填料5，最终制备的多层结构碳纤维柔性发热线的发热温度在110℃，长度为连续长度。
实施例3
在厚度为0.9mm聚四氟乙烯绝缘层表面进T800增强纤维的二维缎纹编织，之后将织物浸渍不饱和聚酯树脂，最终制备含胶量为40％、厚度为2mm的碳纤维复合材料外层1。
碳纤维复合材料编织外层的内部为聚四氟乙烯绝缘层2，绝缘层内部为6根按圆心排布的柔性碳纤维发热线。其中发热线的表面为厚度0.2mm的聚四氟乙烯绝缘层3，绝缘层3内部为单向T700碳纤维发热线4。在6根圆心排布的并行发热线与表面绝缘层2之间填充粒径在2μm范围的氧化锆粉体填料5，最终制备的多层结构碳纤维柔性发热线的发热温度在108℃，长度为连续长度。
实施例4
在厚度为3mm聚四氟乙烯绝缘层表面进行M40增强纤维的三维五向结构的织物编织，之后将织物浸渍热固性聚氨酯，最终制备含胶量为60％、厚度为2mm的碳纤维复合材料外层1。
碳纤维复合材料编织外层的内部为聚四氟乙烯绝缘层2，绝缘层2内部为3根按圆心排布的柔性碳纤维发热线。其中发热线的表面为厚度0.5mm的聚四氟乙烯绝缘层3，绝缘层3内部为二维斜纹编织的T300碳纤维发热线4。在3根圆心排布的并行发热线与表面绝缘层2之间填充粒径在5μm范围的氧化镁粉体填料5，最终制备的多层结构碳纤维柔性发热线的发热温度在150℃，长度为连续长度。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性连续碳纤维自发热元件，其特征在于，所述元件由外到内依次为：碳纤维编织复合材料外层、耐高温绝缘层、多根并行的碳纤维发热缆线；其中，所述碳纤维发热缆线为双层结构，包括：表面耐热绝缘层和内部的连续碳纤维柔性发热线，所述表面耐热绝缘层和内部的连续碳纤维柔性发热线之间填充有耐高温无机粉体填料。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述碳纤维编织复合材料外层由碳纤维织物与树脂基体复合固化而成；其中，碳纤维为T300、T700、M40、M60、T800等高强或高模量碳纤维中的任意一种或多种组合；碳纤维增强织物的编织结构为单向排布、单向螺旋缠绕、二维平纹编织、二维斜纹编织、二维缎纹编织、三维四向编织、三维五向编织、三维六向编织、三维七向编织等多种编织结构中的任意一种或多种组合。
3.如权利要求2所述的元件，其特征在于，所述的碳纤维复合材料外层的树脂基体为耐热性热固性树脂，所用的树脂基体质量为碳纤维复合材料外层总质量的30-60％。
4.如权利要求1-3任一项所述的元件，其特征在于，所述碳纤维编织复合材料外层的长度为连续长度，厚度为0.5-5mm。
5.如权利要求1-4所述的元件，其特征在于，所述耐高温绝缘层的材质为聚四氟乙烯耐高温塑料，厚度为0.5-5mm。
6.如权利要求1-5所述的元件，其特征在于，所述碳纤维发热缆线按圆心并行排布，所述连续碳纤维柔性发热线为连续长度的碳纤维长丝或长丝织物。
7.如权利要求6所述的元件，其特征在于，所述碳纤维长丝或长丝织物为T300、T700、T800、M40、M60等高强度或高模量碳纤维的任意一种或多种组合。
8.如权利要求1-7任一项所述的元件，其特征在于，所述碳纤维柔性发热线的结构为单向碳纤维、二维平纹、斜纹、缎纹编织碳纤维；
或所述表面耐热绝缘层的材质为耐热聚四氟乙烯，厚度在0.1-2mm。
9.如权利要求1-8任一项所述的元件，其特征在于，所述多根并行的碳纤维发热缆线与所述耐热绝缘层之间为耐高温填充物，所述耐高温填充物为氧化镁、氧化铝、氧化锆、氮化硼等中的任意一种，所用的粉体填料的粒径在10nm-5μm。
10.一种复合材料抽油杆，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的元件。
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