CN117307835A - 一种超耐磨高压复合软管及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合软管技术领域，具体涉及一种超耐磨高压复合软管及其生产方法。其包括耐磨复合芯层、减震缓冲层、承压层、复合物内护层以及橡胶外护层；耐磨复合芯层由HNBR基体橡胶制成，根据配比组分差异，其由内至外依次为耐磨内胶层、黄色预警层和红色极限层，耐磨复合芯层的外部设置芳纶缠绕层，或者耐磨复合芯层内部各层之间设置芳纶缠绕布；减震缓冲层为多层涤纶或锦纶丝纤维布；承压层采用多层钢丝或复合材料编织布缠绕成型，其层间具有中胶粘合层；复合物内护层为多层浸胶复合材料织布。该复合软管具有多层级的耐磨内芯，抗磨损性能强并便于监测识别磨损情况且通过多层增强承压结构提高抗高压性能，特别适用于油井压裂技术使用条件。

Description

一种超耐磨高压复合软管及其生产方法

技术领域

本发明属于复合软管技术领域，具体的讲涉及一种超耐磨高压复合软管及其生产方法。

背景技术

目前我国石油钻采、化工、油气等输送用管道多为钢材管道或玻璃钢等硬质管道，不但重量重、造价高，而且连接不便，稳定性差，为克服以上这些问题，重量轻、柔韧性好、耐腐蚀的橡胶软管得到了广泛应用。但是，随着钻采技术，特别是压裂技术的迅猛发展，油井现场应用的管道需要满足超高压、高流速、高耐磨等严苛使用条件，就目前来讲，增强橡胶软管的耐磨性成了复合软管使用中的卡脖子问题。

现有的复合胶管的管体结构一般由多层功能性聚合物膜及合成纤维织物加强层构成，内外两层螺旋金属线缠绕坚固，其综合了金属和塑料的两方面的优点，具有良好的阻隔性、耐腐蚀性、耐破裂性，但是并不适合油井钻采使用场景，由于现在的钻井工况正面临着地层高压力、高含硫、地质状况恶劣等因素，循环出的岩屑量大、不规则、硬度高，这对循环管线的耐磨性能提出了严峻的考验；同时新的压裂技术正在推广应用，连续高压力持续的泵入高磨耗支撑物质，这也要求提高压裂软管的综合性能，特别是增强耐磨性，不能因此中断作业。面对复杂的使用情况，一般的软管生产制造企业仅仅在内胶密封层里面加了塑料或不锈钢内衬层的做法远远不能达到使用要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有多层级的耐磨内芯，抗磨损性能强并便于监测识别磨损情况且通过多层增强承压结构提高抗高压性能的复合软管以其生产方法，特别适用于油井压裂技术使用条件。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种超耐磨高压复合软管，其特征在于：包括耐磨复合芯层、减震缓冲层、承压层、复合物内护层以及橡胶外护层；其中，所述耐磨复合芯层由HNBR基体橡胶制成，根据配比组分差异，其由内至外依次为耐磨内胶层、黄色预警层和红色极限层，所述耐磨复合芯层的外部设置芳纶缠绕层，或者所述耐磨复合芯层内部各层之间设置芳纶缠绕布；所述减震缓冲层为多层涤纶或锦纶丝纤维布；所述承压层采用多层钢丝或复合材料编织布缠绕成型，其层间具有中胶粘合层；所述复合物内护层为多层浸胶复合材料织布。

构成上述一种超耐磨高压复合软管附加技术特征还包括：

——构成所述耐磨复合芯层的原料及其重量份组成包括：40-50的半饱和HNBR1020；3-5的葵二酸二辛脂DOS；3-5的氧化锌；3-5的硬脂酸；2-4的古马隆；0.5-1.5的分散流动助剂ADD-212；1-3的防老剂MD/RD；1-2的过氧化硫化剂二乙丙苯；3-4的促进剂；0.5-2的硫磺S-60；其中，所述耐磨复合芯层的耐磨内胶层还包括25-35的卡博特炭黑330/660，所述耐磨复合芯层的黄色预警层还包括25-35的白炭黑L700、1-2的永固黄颜料，所述耐磨复合芯层的红色极限层还包括25-35的白炭黑L700、1-2的中国红颜料；

——构成所述橡胶外护层的原料及其重量份组成包括：20-30的氯丁橡胶CR-322；10-15的天然橡胶NR-N41；10-15的丁苯SBR1502；3-4的氧化锌；0.5-1.5的氧化镁：2-3的硬脂酸SA；10-13的炭黑N330；0.5-2的二氧化硅；0.5-2的陶土；8-12的白炭黑；1-3的二丁酯（DBP）；2-3的防甲；1-3的防老剂4010NA；1-2的促进剂CZ；0.5-2的硫磺S-60。

本发明还提供了一种用于制造上述超耐磨高压复合软管的生产方法，包括如下步骤：

a、所述耐磨复合芯层的密炼挤出：按照重量份称取HNBR基体橡胶的各组分；先将半饱和HNBR1020料置于密炼机中，在110-120℃条件下密炼0.5-3分钟后；再加入卡博特炭黑330/660或者白炭黑L700和永固黄颜料或者白炭黑L700和中国红颜料、葵二酸二辛脂DOS、氧化锌、硬脂酸、古马隆、分散流动助剂ADD-212、防老剂、过氧化硫化剂二乙丙苯，110-120℃密炼3分钟后，加入余下的1／2卡博特炭黑330/660，在110-120℃条件下密炼0.5-3分钟，停放后加入硫磺S-60和促进剂混炼过滤；通过口型分别挤出所述耐磨内胶层、黄色预警层和红色极限层，引出软管经过水冷、辊压使所述耐磨复合芯层管体成型；

b、所述减震缓冲层的包覆：将涤纶/锦纶丝纤维置于编织机或缠绕机上，在所述耐磨复合芯层的外部编织或缠绕，各层间涂覆粘接剂并排净空气；

c、所述承压层以及复合物内护层的包覆：在所述减震缓冲层的外部缠覆一层或多层复合材料编织布，其层间缠绕钢丝网或钢丝绳，各层间涂覆粘接剂，所述承压层的外部缠绕浸胶复合材料织布；

d、所述橡胶外护层的密炼挤出，按照重量份称取橡胶外护层的各组分，将氯丁橡胶CR-322、天然橡胶NR-N41、丁苯SBR1502、氧化锌、氧化镁、硬脂酸SA、炭黑N330、二氧化硅、陶土、白炭黑、二丁酯（DBP）、防老剂4010NA以及防甲置于密炼机中，在110-120℃的条件下密炼2-5分钟；停放后加入促进剂CZ、硫磺S-60混炼后过滤挤出下片，并覆于复合物内护层的外部，压覆成型，整体硫化。

本发明所提供的一种超耐磨高压复合软管同现有技术相比，具有以下优点：由于该复合软管用于直接接触输送物料的内芯为耐磨复合芯层，整体由HNBR基体橡胶制成，但根据特定配比组分差异，其由内至外依次为耐磨内胶层、黄色预警层和红色极限层，既能有效增强耐磨性能，延长使用周期，又便于检测设备实时了解管内磨损情况，提前维护检修，增强了油井钻采的安全和效率；其次是，在耐磨复合芯层的外部设置芳纶缠绕层，或者耐磨复合芯层内部各层之间设置芳纶缠绕布；减震缓冲层为多层涤纶或锦纶丝纤维布；承压层采用多层钢丝或复合材料编织布缠绕成型，其层间具有中胶粘合层；复合物内护层为多层浸胶复合材料织布，即在耐磨复合芯层外部依次包覆减震缓冲层、承压层、复合物内护层以及橡胶外护层后，软管形成多层级、多功能区域的承压增强复合结构，显著增强了复合软管的抗压性能，特别适用于输送油井钻采压裂技术带来的岩屑量大、不规则、硬度高等物料，很好的满足了超高压、高流速、高耐磨等严苛使用条件，推广应用的经济效益突出。

附图说明

图1为本发明一种超耐磨高压复合软管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的一种超耐磨高压复合软管的结构和工作原理作进一步的详细说明。

参见图1，为本发明所提供的一种超耐磨高压复合软管的结构示意图。构成该新型超耐磨高压复合软管的结构包括耐磨复合芯层1、减震缓冲层2、承压层3、复合物内护层4以及橡胶外护层5；其中，耐磨复合芯层1由HNBR基体橡胶制成，根据配比组分差异，其由内至外依次为耐磨内胶层11、黄色预警层12和红色极限层13，耐磨复合芯层1的外部设置芳纶缠绕层，或者耐磨复合芯层1内部各层之间设置芳纶缠绕布；减震缓冲层2为多层涤纶或锦纶丝纤维布；所述承压层3采用多层钢丝或复合材料编织布缠绕成型，其层间具有中胶粘合层；复合物内护层4为多层浸胶复合材料织布。

复合物内护层4的浸胶复合材料织布由高分子复合材料制成，其结构包括基体材料和增强剂，基体材料主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂，增强剂比如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维及以上纤维的织物，具有高强度高模量、耐高温耐腐蚀等综合性能，

其工作原理为：该复合软管的耐磨复合芯层1由HNBR基体橡胶制成，根据配比组分差异，其由内至外依次为耐磨内胶层11、黄色预警层12和红色极限层13， 多层复合结构耐磨性极强，更能抵抗酸、碱及腐蚀性气体的腐蚀，其外部包覆减震缓冲层2、承压层3、复合物内护层4以及橡胶外护层5，层间胶层与复合材料编织布，复合材料编织布与钢丝加强层、中胶粘合层与钢丝加强层以及外胶防护层粘合紧密，管体整体性更强，特别耐磨耐高温，承压抗压能力优异，输送安全稳定，使用寿命大大延长稳定性好，尤其是耐磨复合芯层1外的芳纶布层大大提高了软管的抗冲击力，增加软管的强度和柔软性。有效提高了软管的使用寿命50％以上，同时增加了黄色预警层12和红色极限层13，在使用过程中可以及时监测获知软管的磨损程度，避免因更换不及时造成的损失，避免事故的发生。

在构成上述新型超耐磨高压复合软管的结构中，

——构成上述耐磨复合芯层1的原料及其重量份组成包括：40-50的半饱和HNBR1020；3-5的葵二酸二辛脂DOS；3-5的氧化锌；3-5的硬脂酸；2-4的古马隆；0.5-1.5的分散流动助剂ADD-212；1-3的防老剂MD/RD；1-2的过氧化硫化剂二乙丙苯；3-4的促进剂；0.5-2的硫磺S-60；

除了上述组分外，用于制造耐磨复合芯层1的耐磨内胶层11还包括25-35的卡博特炭黑330/660；用于制造耐磨复合芯层1的黄色预警层12还包括25-35的白炭黑L700、1-2的永固黄颜料；用于制造耐磨复合芯层1的红色极限层13还包括25-35的白炭黑L700、1-2的中国红颜料；

该特定配比的组分，便于形成不同功能层级的耐磨结构，既能有效延长耐磨周期，又便于及时监测使用状况，在生产中具有多种技术改进，比如，HNBR基体橡胶可以用改性HNBR代替，在橡胶中加入15至30份二硫化钼和碳纤维以及超细石墨等耐磨润滑剂；或者在橡胶中混入20至35份聚丙烯或聚乙烯，橡塑共混；或者在HNBR胶料表面喷涂含氟涂料，通过化学或物理方法对橡胶制品表面改性；

——构成所述橡胶外护层5的原料及其重量份组成包括：20-30的氯丁橡胶CR-322；10-15的天然橡胶NR-N41；10-15的丁苯SBR1502；3-4的氧化锌；0.5-1.5的氧化镁：2-3的硬脂酸SA；10-13的炭黑N330；0.5-2的二氧化硅；0.5-2的陶土；8-12的白炭黑；1-3的二丁酯（DBP）；2-3的防甲；1-3的防老剂4010NA；1-2的促进剂CZ；0.5-2的硫磺S-60。

上述氯丁橡胶基体也可以通过改性获得更好的耐磨性能，比如增加0.1-4份的石墨烯和或者5至10份的陶瓷颗粒以及相应的改性剂，利用石墨烯大尺寸片层结构吸附硫化剂，延长焦烧时间，改善氯丁橡胶的加工安全性，同时具有较低的压缩永久变形性能和良好的力学性能。

上述超耐磨高压复合软管生产过程的具体实施方式如下：

实施例一

1、按照重量份称取HNBR基体橡胶的各组分：42份半饱和HNBR1020；3份葵二酸二辛脂DOS；3份氧化锌；5份硬脂酸；3份古马隆；1份分散流动助剂ADD-212；2份防老剂MD/RD；1份过氧化硫化剂二乙丙苯；4份促进剂；1份硫磺S-60；除上述组分外，用于制备耐磨内胶层11还包括30份卡博特炭黑330/660；用于制备黄色预警层12还包括30份白炭黑L700、1份永固黄颜料；用于制备红色极限层13还包括30份白炭黑L700、1份中国红颜料；

先将半饱和HNBR1020料置于密炼机中，在110-120℃条件下密炼1分钟后；加入1/2卡博特炭黑330/660或者白炭黑L700和永固黄颜料或者白炭黑L700和中国红颜料（用于分别单独制备耐磨内胶层11、黄色预警层12和红色极限层13）、葵二酸二辛脂DOS、氧化锌、硬脂酸、古马隆、分散流动助剂ADD-212、防老剂、过氧化硫化剂二乙丙苯，110-120℃密炼3分钟后，加入余下的1／2卡博特炭黑330/660或者白炭黑L700和永固黄颜料或者白炭黑L700和中国红颜料，在120℃条件下密炼1分钟，停放后加入硫磺S-60和促进剂混炼过滤；通过口型分别挤出耐磨内胶层11、黄色预警层12和红色极限层13，引出软管经过水冷、辊压使耐磨复合芯层1管体成型；

2、减震缓冲层2的包覆：将涤纶/锦纶丝纤维置于编织机或缠绕机上，在耐磨复合芯层1的外部编织或缠绕，各层间涂覆粘接剂并排净空气；

3、承压层3以及复合物内护层4的包覆：在减震缓冲层2的外部缠覆一层或多层复合材料编织布，其层间缠绕钢丝网或钢丝绳，各层间涂覆粘接剂，承压层3的外部缠绕浸胶复合材料织布；

4、橡胶外护层5的密炼挤出，按照重量份称取橡胶外护层5的各组分，25份氯丁橡胶CR-322；12份天然橡胶NR-N41；10份丁苯SBR1502；3份氧化锌；1份氧化镁：3份硬脂酸SA；11份炭黑N330；1.5份二氧化硅；1.5份陶土；10份白炭黑；2份二丁酯（DBP）；1份防甲；1防老剂4010NA；2份促进剂CZ；1.5份硫磺S-60；

将氯丁橡胶CR-322、天然橡胶NR-N41、丁苯SBR1502、氧化锌、氧化镁、硬脂酸SA、炭黑N330、二氧化硅、陶土、白炭黑、二丁酯（DBP）、防老剂4010NA以及防甲置于密炼机中，在110℃的条件下密炼2分钟；停放后加入促进剂CZ、硫磺S-60混炼后过滤挤出下片，并覆于复合物内护层4的外部，压覆成型，粘贴标识条、缠水布、硫化。

实施例二

与实施例一不同的是，50份半饱和HNBR1020；4份葵二酸二辛脂DOS；3份氧化锌；5份硬脂酸；4份古马隆；1份分散流动助剂ADD-212；1份防老剂MD/RD；2份过氧化硫化剂二乙丙苯；3份促进剂；1份硫磺S-60；除上述组分外，用于制备耐磨内胶层11还包括25份卡博特炭黑330/660；用于制备黄色预警层12还包括30份白炭黑L700、1份永固黄颜料；用于制备红色极限层13还包括30份白炭黑L700、1份中国红颜料；

实施例三

与实施例一不同的是，45份半饱和HNBR1020；3份葵二酸二辛脂DOS；4份氧化锌；4份硬脂酸；4份古马隆；1.2份分散流动助剂ADD-212；2份防老剂MD/RD；1份过氧化硫化剂二乙丙苯；4份促进剂；1.5份硫磺S-60；除上述组分外，用于制备耐磨内胶层11还包括25份卡博特炭黑330/660；用于制备黄色预警层12还包括25份白炭黑L700、1份永固黄颜料；用于制备红色极限层13还包括25份白炭黑L700、1份中国红颜料；

将上述实施例一至三所得复合软管进行性能试验，得到检测数据如下：1、耐磨性能：相对体积磨耗量≤25mm³，优于GB∕T 9867-2008 （方法A及1号标准参照胶）；

2、压力级别：额定工作压力≤138MPa，试验压力≥1.5倍，爆破压力≥2.25倍；

3、耐介质程度：抗硫符合NACE MR0175-2003的规定；耐酸碱，耐油性能优于GB/T1690（方法2、ASTMD471/125℃/7d、2号标准油）；

4、环境温度-29～＋121℃范围内可以保持工作性能不变；

5、弹性模量MPa：≥15。

Claims (4)

1.一种超耐磨高压复合软管，其特征在于：包括耐磨复合芯层、减震缓冲层、承压层、复合物内护层以及橡胶外护层；其中，所述耐磨复合芯层由HNBR基体橡胶制成，根据配比组分差异，其由内至外依次为耐磨内胶层、黄色预警层和红色极限层，所述耐磨复合芯层的外部设置芳纶缠绕层，或者所述耐磨复合芯层内部各层之间设置芳纶缠绕布；所述减震缓冲层为多层涤纶或锦纶丝纤维布；所述承压层采用多层钢丝或复合材料编织布缠绕成型，其层间具有中胶粘合层；所述复合物内护层为多层浸胶复合材料织布。

2.根据权利要求1所述的一种超耐磨高压复合软管，其特征在于：构成所述耐磨复合芯层的原料及其重量份组成包括：40-50的半饱和HNBR1020；3-5的葵二酸二辛脂DOS；3-5的氧化锌；3-5的硬脂酸；2-4的古马隆；0.5-1.5的分散流动助剂ADD-212；1-3的防老剂MD/RD；1-2的过氧化硫化剂二乙丙苯；3-4的促进剂；0.5-2的硫磺S-60；其中，所述耐磨复合芯层的耐磨内胶层还包括25-35的卡博特炭黑330/660，所述耐磨复合芯层的黄色预警层还包括25-35的白炭黑L700、1-2的永固黄颜料，所述耐磨复合芯层的红色极限层还包括25-35的白炭黑L700、1-2的中国红颜料。

3.根据权利要求1所述的一种超耐磨高压复合软管，其特征在于：构成所述橡胶外护层的原料及其重量份组成包括：20-30的氯丁橡胶CR-322；10-15的天然橡胶NR-N41；10-15的丁苯SBR1502；3-4的氧化锌；0.5-1.5的氧化镁：2-3的硬脂酸SA；10-13的炭黑N330；0.5-2的二氧化硅；0.5-2的陶土；8-12的白炭黑；1-3的二丁酯（DBP）；2-3的防甲；1-3的防老剂4010NA；1-2的促进剂CZ；0.5-2的硫磺S-60。

4.一种超耐磨高压复合软管的生产方法，用于制造权利要求1至3所述的超耐磨高压复合软管，其特征在于，包括如下步骤：

a、所述耐磨复合芯层的密炼挤出：按照重量份称取HNBR基体橡胶的各组分；先将半饱和HNBR1020料置于密炼机中，在110-120℃条件下密炼0.5-3分钟后；再加入卡博特炭黑330/660或者白炭黑L700和永固黄颜料或者白炭黑L700和中国红颜料、葵二酸二辛脂DOS、氧化锌、硬脂酸、古马隆、分散流动助剂ADD-212、防老剂、过氧化硫化剂二乙丙苯，110-120℃密炼3分钟后，加入余下的1／2卡博特炭黑330/660，在110-120℃条件下密炼0.5-3分钟，停放后加入硫磺S-60和促进剂混炼过滤；通过口型分别挤出所述耐磨内胶层、黄色预警层和红色极限层，引出软管经过水冷、辊压使所述耐磨复合芯层管体成型；

b、所述减震缓冲层的包覆：将涤纶/锦纶丝纤维置于编织机或缠绕机上，在所述耐磨复合芯层的外部编织或缠绕，各层间涂覆粘接剂并排净空气；

c、所述承压层以及复合物内护层的包覆：在所述减震缓冲层的外部缠覆一层或多层复合材料编织布，其层间缠绕钢丝网或钢丝绳，各层间涂覆粘接剂，所述承压层的外部缠绕浸胶复合材料织布；

d、所述橡胶外护层的密炼挤出，按照重量份称取橡胶外护层的各组分，将氯丁橡胶CR-322、天然橡胶NR-N41、丁苯SBR1502、氧化锌、氧化镁、硬脂酸SA、炭黑N330、二氧化硅、陶土、白炭黑、二丁酯（DBP）、防老剂4010NA以及防甲置于密炼机中，在110-120℃的条件下密炼2-5分钟；停放后加入促进剂CZ、硫磺S-60混炼后过滤挤出下片，并覆于复合物内护层的外部，压覆成型。