CN205000906U - 纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，属于石油工业采油设备技术领域，该制备装置包括放丝架(1)、预处理加热炉(2)、注射模具(4)、注射机(5)、模具冷却装置(6)、拉挤模具(7)、模具加热装置(8)、控制装置(9)、后固化加热炉(10)、牵引装置(11)、卷绕装置(12)，还包括缠绕机或编织机(3)，缠绕机或编织机(3)设置在注射模具(4)前方。本实用新型的制备装置采用缠绕或编织与拉挤组合成型工艺制备抽油杆，提供了稳定科学的纤维层分布，保证横向缠绕或编织层纤维有效的提供横向强度，避免了横向纤维进入固化模具时，与模具产生摩擦导致纤维方向发生变化的可能，一次成型，生产效率高。

Description

纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置

技术领域

本实用新型涉及一种制备装置，特别涉及一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，属于石油工业采油设备技术领域。

背景技术

石油工业生产中，腐蚀问题是油田采油工艺亟待解决的问题。抽油杆是连接抽油机和抽油泵的关键部件，其受力复杂，工作环境恶劣，易因受腐蚀而严重影响自身使用寿命，给油田生产造成极大的成本浪费。由于具备轻质、高强、耐腐蚀的特点，复合材料抽油杆已开始逐步取代传统的金属抽油杆，目前采用的复合材料抽油杆主要包括玻璃钢抽油杆和碳纤维增强复合材料连续抽油杆两大类。

玻璃钢抽油杆采用玻璃纤维增强热固性树脂的拉挤工艺一次成型制备，已广泛应用，但随着现代采油的可靠性要求不断提高，玻璃钢抽油杆已不能满足要求，主要存在以下问题：1)抽油杆耐偏磨性不好；2)轴向拉伸模量低，变形大，导致抽油泵有效行程大幅减少，采油效率降低明显；3)玻璃钢抽油杆均定长，两端各有一个金属接头，根与根之间采用金属抽油杆应用的金属接箍进行连接，由于结构复杂，导致加工难度大，同时每一根玻璃钢抽油杆用两个金属接头，成本昂贵；另外与传统金属抽油杆相比，玻璃钢抽油杆除了杆体部分更换了材质，整个抽油杆柱的其他部分并无改变，传统金属抽油杆中存在的柱接头多，断脱几率高，活塞效应明显等问题并未得到解决。

碳纤维增强复合材料连续抽油杆的研究也有很多，如中国专利CN1461870公开了一种碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备方法，采用碳纤维为增强材料，并由横向排列的芳纶或超高分子量聚乙烯纤维束和纵向的玻璃纤维组成整体包覆复合，试图增加抽油杆横向层间剪切强度，同时也提高杆体的耐偏磨性和强度。但实际应用中发现，该抽油杆采用拉挤、包覆的一次整体加工方法(包括放丝-浸树脂胶-包覆层包覆-预成型-固化-盘绕工序)，包覆层为纤维织物增强热固性树脂，不仅加大了材料成本，而且纤维织物包覆层的耐偏磨性不够理想；包覆层为纤维织物，看似完整包裹杆体一周，但一直存在织物接缝问题，接缝处存在搭接宽度不均匀，挤压内部单向纤维，横向强度低等问题；另外，由于该碳纤维增强复合材料连续抽油杆截面形状为矩形或椭圆形，且其厚度只有3～5mm，在应用专用设备起下井作业时，夹持部分的材料几乎无法选择，而且只能采用两片式夹持，左右方向无法限位，很容易发生杆体偏出夹持部分的现象。因此其专用下井作业设备夹持部分结构及材料开发难度较大，成为应用中的技术瓶颈，限制了该产品大规模推广应用。

另外还有中国发明专利CN201210501186.X公开了一种纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆及其制备装置和方法，使用单向增强纤维拉挤、包覆热塑性耐磨层的方法，采用的纤维只为玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维的一种，未明确杆体截面形状及尺寸，因为只采用单一纵向纤维，其横向强度低，存在径向压缩、弯曲性能差等问题；采用单一玻璃纤维或玄武岩纤维，其轴向拉伸模量低，变形大，类似玻璃钢抽油杆，会导致抽油泵有效行程大幅减少，采油效率降低明显；采用单一碳纤维，其杆体材料成本非常高，增大轴向拉伸模量的同时，弯曲模量也变大，导致弯曲困难，不能满足道路运输要求及作业要求，限制了其推广应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，通过该装置保证纤维增强复合材料连续抽油杆杆体生产的连续稳定性，保证了一次成型，生产效率高，结合强度大，避免了分层、脱落现象的发生。

为了实现上述目的，本实用新型采用的一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，该抽油杆采用依次层叠的三层结构，由内到外依次为内碳纤维层、中间玻璃纤维层和外玻璃纤维层，所述内碳纤维层采用沿杆体轴向设置的单向碳纤维，所述中间玻璃纤维层采用沿杆体横向设置的H级玻璃纤维，中间玻璃纤维层双向缠绕或编织在所述内碳纤维层上，所述外玻璃纤维层采用沿杆体轴向设置的单向H级玻璃纤维；

该制备装置包括放丝架、预处理加热炉、注射模具、注射机、模具冷却装置、拉挤模具、模具加热装置、控制装置、后固化加热炉、牵引装置、卷绕装置，还包括缠绕机或编织机，所述缠绕机或编织机设置在注射模具前方；

通过控制装置控制，从放丝架中引出多束碳纤维和H级玻璃纤维，在牵引装置的牵引下经过注射模具，注射模具内充满注射机注入的环氧树脂基体胶液，在内层的单向碳纤维和外层的单向H级玻璃纤维之间，使用缠绕机或编织机在内外层纤维间缠绕或编织中间层，经注射模具内胶液浸渍的纤维束再经拉挤模具固化成型，拉挤模具的入口处设有用于模具降温的模具冷却装置，所述模具冷却装置后侧位于拉挤模具周围分布有三段模具加热装置，固化成型后纤维束经模具加热装置加热后制成复合材料杆体，该复合材料杆体进入后固化加热炉进行热应力处理及后固化后，通过牵引装置将其卷绕在卷绕装置的圆盘上。

作为改进，所述注射模具包括静态混料器、注胶孔、过滤板、树脂腔、放胶孔、保温加热器；

所述静态混料器与注胶孔连接，注胶孔的下端通过过滤板与树脂腔连通，所述注胶孔的外侧设有保温加热器，所述树脂腔的下端设有放胶孔，静态混料器将经注胶孔注入树脂腔内的环氧树脂基体胶液混合，配合注胶孔外侧的保温加热器，胶液经过滤板落入树脂腔内，经树脂腔内纤维充分浸润后，胶液最终经放胶孔流出。

作为改进，所述编织机包括控制系统、伺服电机、减速机、主轴驱动系统、纤维轴驱动系统、张紧装置、纤维放置轴；

通过控制系统控制，所述伺服电机通过减速机连接主轴驱动系统，所述主轴驱动系统与纤维轴驱动系统连接，所述纤维轴驱动系统通过张紧装置与用于放置纤维的纤维放置轴连接。

与现有技术相比，本实用新型的制备装置采用缠绕或编织与拉挤组合成型工艺制备抽油杆，提供了稳定科学的纤维层分布，保证横向缠绕或编织层纤维有效的提供横向强度；同时制备的抽油杆的横向层在中间，避免了横向纤维进入固化模具时，与模具产生摩擦导致纤维方向发生变化的可能；抽油杆的三层结构同时固化成型，保证纤维增强复合材料连续抽油杆杆体生产的连续稳定性，保证了一次成型，生产效率高，结合强度大，避免了分层、脱落现象的发生。

附图说明

图1为本实用新型的纤维增强复合材料连续抽油杆的结构示意图；

图2为本实用新型的制备装置的流程示意图；

图3为本实用新型的注射拉挤工艺中注射模具的结构示意图；

图4为本实用新型的编织拉挤工艺中编织机的结构示意图；

图5为本实用新型中编织机的正面视图；

图中：A、内碳纤维层，B、中间玻璃纤维层，C、外玻璃纤维层；

1、放丝架，2、预处理加热炉，3、编织机，3a、控制系统，3b、伺服电机，3c、减速机，3d、主轴驱动系统，3e、纤维轴驱动系统，3f、张紧装置，3g、纤维放置轴，3h、纤维轴运行轨迹槽，4、注射模具，4a、静态混料器，4b、注胶孔，4c、过滤板，4d、树脂腔，4e、纤维，4f、放胶孔，4g、保温加热器，5、注射机，6、模具冷却装置，7、拉挤模具，8、模具加热装置，9、控制装置，10、后固化加热炉，11、牵引装置，12、卷绕装置。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型的范围。

如图1、图2所示，一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，该抽油杆采用依次层叠的三层结构，由内到外依次为内碳纤维层A、中间玻璃纤维层B和外玻璃纤维层C，所述内碳纤维层A采用沿杆体轴向设置的单向碳纤维，所述中间玻璃纤维层B采用沿杆体横向设置的H级玻璃纤维，中间玻璃纤维层B双向缠绕或编织在所述内碳纤维层A上，所述外玻璃纤维层C采用沿杆体轴向设置的单向H级玻璃纤维；

该制备装置包括放丝架1、预处理加热炉2、注射模具4、注射机5、模具冷却装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、控制装置9、后固化加热炉10、牵引装置11、卷绕装置12，还包括缠绕机或编织机3，所述缠绕机或编织机3设置在注射模具4前方；

通过控制装置9控制，从放丝架1中引出多束碳纤维和H级玻璃纤维，在牵引装置11的牵引下经过注射模具4，注射模具4内充满注射机5注入的环氧树脂基体胶液，在内层的单向碳纤维和外层的单向H级玻璃纤维之间，使用缠绕机或编织机3在内外层纤维间缠绕或编织中间层，经注射模具4内胶液浸渍的纤维束再经拉挤模具7固化成型，拉挤模具7的入口处设有用于模具降温的模具冷却装置6，所述模具冷却装置6后侧位于拉挤模具7周围分布有三段模具加热装置8，固化成型后纤维束经模具加热装置8加热后制成复合材料杆体，该复合材料杆体进入后固化加热炉10进行热应力处理及后固化后，通过牵引装置11将其卷绕在卷绕装置12的圆盘上。

作为改进，如图3所示，所述注射模具4包括静态混料器4a、注胶孔4b、过滤板4c、树脂腔4d、放胶孔4f、保温加热器4g；

所述静态混料器4a与注胶孔4b连接，注胶孔4b的下端通过过滤板4c与树脂腔4d连通，所述注胶孔4b的外侧设有保温加热器4g，所述树脂腔4d的下端设有放胶孔4f，静态混料器4a将经注胶孔4b注入树脂腔4d内的环氧树脂基体胶液混合，配合注胶孔4b外侧的保温加热器4g，胶液经过滤板4c落入树脂腔4d内，经树脂腔4d内纤维4e充分浸润后，胶液最终经放胶孔4f流出。

作为改进，如图4、图5所示，所述编织机3包括控制系统3a、伺服电机3b、减速机3c、主轴驱动系统3d、纤维轴驱动系统3e、张紧装置3f、纤维放置轴3g；

通过控制系统3a控制，所述伺服电机3b通过减速机3c连接主轴驱动系统3d，所述主轴驱动系统3d与纤维轴驱动系统3e连接，所述纤维轴驱动系统3e通过张紧装置3f与用于放置纤维的纤维放置轴3g连接。使用编织机3时，按照纤维轴运行轨迹槽3h的运动轨迹对纤维进行编织作业。

使用时，通过控制装置9控制操作，将170根T300-12K碳纤维丝和130根线密度为24TEX的H级玻璃纤维分别经过放丝架1的排丝孔进入到预处理加热炉2，炉温为120℃，牵引速度为0.15米/分钟，热处理后的170根T300-12K碳纤维被集束成直径为12mm的正圆形，经过两台缠绕机中间的芯孔；

两台缠绕机的旋转方向相反(面对碳纤维束运动方向，第一台缠绕机为顺时针旋转，第二台缠绕机为逆时针旋转)，每台缠绕机上有8根线密度为24TEX的H级玻璃纤维，8根H级玻璃纤维依次引出，穿过缠绕机中间的排丝孔，形成一条4mm宽的玻璃纤维带，4mm宽的玻璃纤维带均匀缠绕在直径为12mm的正圆形碳纤维束外表面，调整两台缠绕机的旋转速度，保证两台缠绕机的4mm宽玻璃纤维带与碳纤维束轴向分别成﹢55°夹角和﹣55°夹角，且在碳纤维束表面排布紧密、均匀，没有缝隙，没有叠加；

热处理后的130根线密度为24TEX的H级玻璃纤维被集束成10束，每束13根，均匀分布在缠绕上两层玻璃纤维的正圆形碳纤维束的外边，一起被集束成直径为19.2mm的正圆形，进入注射模具4，注射模具4内充满注射机5注入的环氧树脂胶液；

充分浸胶后的纤维束进入直径为19mm的正圆形拉挤模具7，拉挤模具7入口处通过模具冷却装置6利用循环水冷方式保持在室温，但水冷后面，利用模具加热装置8，将模具三段加热，温度为110℃、160℃、155℃，纤维束从拉挤模具7中出来，即固化成型；

成型后的复合材料杆继续以0.1米/分钟的速度前进，通过长度为6米，温度为150℃的后固化加热炉10后固化处理，后固化结束，杆体被空气充分冷却后，经过牵引装置11后，依靠卷绕装置12将制得抽油杆体卷绕至直径为2.8m的圆盘上，根据采油井需要，生产至长度为1500m时，将杆体截断，一根长度为1500m，截面为正圆形，直径为19mm，碳纤维和H级玻璃纤维混合使用，三层复合结构的纤维增强复合材料连续抽油杆生产完成。

通过本实用新型提供的方法装置得到纤维增强复合材料连续抽油杆，为了分析该抽油杆性能，选定截面形状均为正圆形，直径均为19mm的单一纵向玻璃纤维、单一纵向碳纤维作为对照组，与本实用新型制得的纵向碳纤维+玻纤横向缠绕或编织+纵向玻纤三种不同的纤维铺层结构制备的杆体进行性能对比，结果如下表：

对比可知，相对于单一纵向玻璃纤维或碳纤维，本实用新型采用的纵向碳纤维+玻纤横向缠绕或编织+纵向玻纤的三层结构、混杂纤维的抽油杆，达到了以下效果：

1)适中的模量。本实用新型采用的三层结构，模量为112.2Gpa，介于单一纵向玻璃纤维的75Gpa与单一纵向碳纤维的150.4Gpa之间，既保证自身轴向变形不大，又有效降低了弯曲直径，减少弯曲对杆体的性能影响，便于作业和运输；

2)提高了杆体抗挤压、抗冲击性能，有效控制裂纹延展，提高产品使用寿命；

3)减少了碳纤维使用量，降低材料成本，提高了产品性价比，更易于推广。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征在于，该抽油杆采用依次层叠的三层结构，由内到外依次为内碳纤维层(A)、中间玻璃纤维层(B)和外玻璃纤维层(C)，所述内碳纤维层(A)采用沿杆体轴向设置的单向碳纤维，所述中间玻璃纤维层(B)采用沿杆体横向设置的H级玻璃纤维，中间玻璃纤维层(B)双向缠绕或编织在所述内碳纤维层(A)上，所述外玻璃纤维层(C)采用沿杆体轴向设置的单向H级玻璃纤维；

该制备装置包括放丝架(1)、预处理加热炉(2)、注射模具(4)、注射机(5)、模具冷却装置(6)、拉挤模具(7)、模具加热装置(8)、控制装置(9)、后固化加热炉(10)、牵引装置(11)、卷绕装置(12)，还包括缠绕机或编织机(3)，所述缠绕机或编织机(3)设置在注射模具(4)前方；

通过控制装置(9)控制，从放丝架(1)中引出多束碳纤维和H级玻璃纤维，在牵引装置(11)的牵引下经过注射模具(4)，注射模具(4)内充满注射机(5)注入的环氧树脂基体胶液，在内层的单向碳纤维和外层的单向H级玻璃纤维之间，使用缠绕机或编织机(3)在内外层纤维间缠绕或编织中间层，经注射模具(4)内胶液浸渍的纤维束再经拉挤模具(7)固化成型，拉挤模具(7)的入口处设有用于模具降温的模具冷却装置(6)，所述模具冷却装置(6)后侧位于拉挤模具(7)周围分布有三段模具加热装置(8)，固化成型后纤维束经模具加热装置(8)加热后制成复合材料杆体，该复合材料杆体进入后固化加热炉(10)进行热应力处理及后固化后，通过牵引装置(11)将其卷绕在卷绕装置(12)的圆盘上。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征在于，所述注射模具(4)包括静态混料器(4a)、注胶孔(4b)、过滤板(4c)、树脂腔(4d)、放胶孔(4f)、保温加热器(4g)；

所述静态混料器(4a)与注胶孔(4b)连接，注胶孔(4b)的下端通过过滤板(4c)与树脂腔(4d)连通，所述注胶孔(4b)的外侧设有保温加热器(4g)，所述树脂腔(4d)的下端设有放胶孔(4f)，静态混料器(4a)将经注胶孔(4b)注入树脂腔(4d)内的环氧树脂基体胶液混合，配合注胶孔(4b)外侧的保温加热器(4g)，胶液经过滤板(4c)落入树脂腔(4d)内，经树脂腔(4d)内纤维(4e)充分浸润后，胶液最终经放胶孔(4f)流出。

3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征在于，所述编织机(3)包括控制系统(3a)、伺服电机(3b)、减速机(3c)、主轴驱动系统(3d)、纤维轴驱动系统(3e)、张紧装置(3f)、纤维放置轴(3g)；

通过控制系统(3a)控制，所述伺服电机(3b)通过减速机(3c)连接主轴驱动系统(3d)，所述主轴驱动系统(3d)与纤维轴驱动系统(3e)连接，所述纤维轴驱动系统(3e)通过张紧装置(3f)与用于放置纤维的纤维放置轴(3g)连接。