專利名稱：一種防偏磨抽油桿的制備方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種油田機械采油用抽油桿的制備方法和裝置，特別涉及拉擠 和纏繞工藝制備高強度防偏磨復合材料抽油桿的方法和裝置。
背景技術：
由于開發(fā)的油藏類型越來越復雜，同時井深的不斷增加和井礦環(huán)境的不斷 惡化，復合材料抽油桿已開始逐步取代傳統(tǒng)的金屬抽油桿。目前采用的復合材 料抽油桿主要包括傳統(tǒng)的玻璃鋼抽油桿和碳纖維增強復合材料連續(xù)抽油桿兩 大類。傳統(tǒng)的玻璃鋼抽油桿采用玻璃纖維增強熱固性樹脂的拉擠工藝一次成型 制備，己廣泛應用，但隨著現代采油的可靠性要求不斷提高，這種傳統(tǒng)的玻璃鋼抽油桿不能滿足要求，主要存在以下問題，1、抽油桿耐偏磨性不好；2、疲 勞強度不夠；3、和桿體連接的金屬接頭一般采用整體結構，接頭加工難度大， 受加工難度影響粘接面積較小；且膠接注膠時接頭與桿體間空腔內的空氣不易 排出，導致注膠不滿或固化物內有大量氣泡，使得連接部分耐疲勞性不好，容 易脫落，可靠性差，由此影響與抽油桿的壽命同步。中國專利CN1461870公 開了一種碳纖維增強復合材料連續(xù)抽油桿及制備方法，采用碳纖維為增強材 料，并由橫向排列的芳綸或超高分子量聚乙烯纖維束和縱向的玻璃纖維組成整 體包覆復合，主要解決增強抽油桿橫向層間剪切強度，從而避免抽油桿在油井 中發(fā)生縱向劈裂的問題，同時也提高了桿體的耐偏磨性和強度。但是該抽油桿 采用拉擠、包覆的一次整體加工方法，(包括放絲-在線表面處理-浸樹脂膠-包 覆層包覆-預成型-固化-后固化-盤繞工序)包覆層為織物，不僅加大材料成本， 而且整體織物包覆層的耐偏磨性還不夠理想。并且對于碳纖維增強復合材料的 連續(xù)抽油桿，在應用時必須采用專用下井作業(yè)設備，而專用下井作業(yè)設備開發(fā)
難度較大，成為碳纖維增強復合材料連續(xù)抽油桿應用中的技術瓶頸，特別是近 年來隨著碳纖維價格飚升，原材料成本大幅上升，因此限制了該產品大規(guī)模推廣應用。CN1417449A公開了一種防磨抽油桿的制備方法，該方法是在已成型 的抽油桿本體上二次注塑成型尼龍等材質的防磨塊，減少使用的包覆材料，降 低連續(xù)包覆成本和工藝復雜性，但二次注塑加工以及不同材料的特性差異導致 抽油桿與防磨塊間的粘結強度較低，無法滿足抽油桿長壽命的使用要求。 發(fā)明內容本發(fā)明提出一種耐偏磨抽油桿的加工制備方法，以提高抽油桿整體的耐偏 磨性、降低綜合成本為主要目的，制備出耐偏磨性高、與金屬接頭連接可靠、 整體性能好，能提高復合材料抽油桿的壽命、作業(yè)使用方便、成本低的抽油桿。 本發(fā)明還提供了制備該抽油桿的裝置。本發(fā)明提出的防偏磨抽油桿的制備方法由拉擠和纏繞工藝組合，其中包 括-將玻璃纖維或其混雜纖維，浸漬樹脂基體后，通過拉擠固化成型工藝制備 復合材料抽油桿桿體，在桿體表面連續(xù)纏繞浸漬過樹脂基體膠液的耐磨纖維，連續(xù)纏繞時纏繞角為15 75°之間，纏繞的速虔為0.5 20圈/分鐘，纏繞纖維 浸漬樹脂與拉擠工藝所用浸漬樹脂基體膠液相同，纏繞纖維后的桿體經固化工 藝，制成表面有螺旋筋狀防偏磨層的抽油桿桿體，將抽油桿桿體切割成定長， 與金屬接頭膠接成復合材料抽油桿，然后置于接頭固化爐中在120 180'C下處 理兩個小時；將抽油桿整體采用拉伸預應力處理，拉力大小為100 250千牛。 上述方法的拉擠固化成型是公知的工藝方法，所用的樹脂基體為常用的環(huán) 氧樹脂、乙烯基酯樹脂或不飽和樹脂的一種或者其混合樹脂。上述方法的纏繞工藝中，在桿體上纏繞一束或多束耐磨纖維，形成一道或 多道螺旋狀的筋。纏繞角度優(yōu)選15 45°、速度優(yōu)選0.5 5圈/分鐘，厚度優(yōu)選 0.5 1.5mm。纏繞后經過紅外加熱固化，固化溫度在95 180'C之間，采用梯
上述方法中所述的耐磨纖維為公知的芳綸纖維、PBO纖維或超高分子量聚 乙烯纖維?；蚱浣M合混雜纖維上述方法中抽油桿體與金屬接頭膠接，采用的膠粘劑為高剪切強度環(huán)氧型 膠粘劑，剪切強度為》22N/mm2, 25"C粘度為12 20Pa S。注膠方式采用壓 力注膠，壓力范圍為0.2 1Mpa。所述的抽油桿體截面可以是圓形、方形或其它異形面。所述的金屬接頭為內腔呈五級倒錐結構分體式金屬接頭，桿體從倒錐的小 尺寸端插入腔體注膠連接。上述方法中，所述的預應力處理后的抽油桿桿整體長度符合API標準。本發(fā)明提供的制備防偏磨復合材料抽油桿的裝置，包括放絲架、預處理 加熱爐、浸膠裝置、預成型加熱爐、拉擠模具、模具加熱裝置、控制部分、牽 引裝置組成連續(xù)拉擠成型設備，其特征在于，在拉擠成型設備后，設置有單頭 或多頭的纏繞機、加熱固化裝置和切割裝置，還包括桿體與金屬接頭膠接用的 壓力注膠機和接頭固化爐，其中壓力注膠機的注膠口一端與金屬接頭注膠孔連 接，另一端由壓縮空氣控制活塞推動膠液進入充滿已經插入抽油桿桿體的金屬 接頭內部空腔，接頭固化爐下爐門固定，上爐門為自動升降式，上下爐門各有 互相對應的一組開口半圓孔，其直徑大于抽油桿桿體直徑，上下爐門閉合后， 各半圓孔與下爐門的相吻合，保證將每一根抽油桿體卡在圓孔內。所述的金屬接頭采用倒錐型分體式結構，即內腔由多個倒錐連成，桿體從 倒錐小尺寸端插入內腔中，分體式接頭使得加工簡單，內部結構尺寸精確，而 且可以根據需要增加長度，保證了與桿體的連接面積，上述裝置中，所述的拉擠及纏繞設備為公知有售的設備。本發(fā)明的裝置還包括臥式液壓拉伸機構預應力處理檢測設備。 本發(fā)明的效果采用拉擠和纏繞組合成型工藝，在抽油桿表面纏繞浸漬相 同樹脂基體膠液的耐磨纖維成型固化工藝，通過控制纏繞速度、角度在桿體表 面形成螺旋筋狀防偏磨層，使抽油桿既有優(yōu)異的防偏磨的性能，又保證了抽油 桿的高強度；同時抽油桿桿體與纏繞層二者之間的界面粘接性高，避免了在油 井中防偏磨層從抽油桿表面的滑脫與分層；此外纏繞工藝可以采用纖維束代替 包覆工藝中的織物，大大降低了材料成本；壓力注膠保證了膠液充滿接頭內部 空間，并且減少了膠液內的氣泡含量，保證了l^粘劑固化的強度；金屬接頭的 分體式倒錐結構使得加工變的簡單，而且使得粘接面積大大增加，保證接頭連 接部分具備了高強、耐疲勞的特性，并符合API標準，與復合材料桿體的壽命 保持統(tǒng)一，最大程度的發(fā)揮復合材料桿體的優(yōu)異性能；另外本發(fā)明的方法可以 切割加工長度符合API標準的抽袖桿，不僅使得其應用時的作業(yè)方式、設備與 普通金屬抽油桿完全相同，無需開發(fā)專用作業(yè)設備，而且對整體抽油桿可以進 行預應力處理及檢測，在受力作用后，消除了因桿體與金屬接頭連接膠粘劑的 彈性變形導致桿體與金屬接頭產生的相對位移，保證了產品性能的完整性，實 現了復合材料抽油桿的在線檢測，杜絕了偶然事故的發(fā)生，大大提高了產品的 可靠性。特別是用本發(fā)明的方法，可以大大提高普通玻璃纖維復合材料抽油桿 的性能，使低成本的傳統(tǒng)復合材料抽油桿繼續(xù)廣泛使用。本發(fā)明的裝置實現了 本發(fā)明的方法，并且接頭固化效率高，操作簡便。


圖1是本發(fā)明制備方法工藝流程示意圖；圖2是金屬接頭結構示意圖；圖3是壓力注膠機示意圖
圖4是預應力處理及在線檢測裝置示意圖； 圖5是接頭在固化爐中的位置的示意圖圖6是接頭固化爐上下爐門合并狀態(tài)下的正面結構示意圖
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括放絲架1、預處理加熱爐2、浸膠裝置3、預成型加熱爐4、拉擠模具5、模具加熱裝置6、控制部分7、牽引裝置8組成 連續(xù)拉擠成型設備，在拉擠成型設備后，設置有單頭或多頭的纏繞裝置9、紅 外加熱固化裝置10和切割裝置11，在裝置最后，設置一用于接頭膠接固化的 壓力注膠機12和接頭固化爐13。其中壓力注膠機(如圖3) —端與金屬接頭 注膠孔由螺紋連接保證密封，另一端連接可調節(jié)壓力大小的壓縮空氣，控制活 塞推動膠液進入并充滿已經插入桿體的金屬接頭內部空腔。接頭固化爐如圖5、 圖6所示，可同時加熱固化一組(20個)抽油桿接頭，接頭固化爐下爐門14 固定，上爐門15為自動升降式，上下爐門各有互相對應的一組(20個)開口 半圓孔，其直徑略大于桿體直徑，保證上下爐門吻合后，沒有較大間隙，以保 持爐腔密封。注膠完畢待固化的抽油桿接頭部分置入爐腔，接頭后端的桿體放 入下爐門的半圓孔內，20個接頭全部放好，可升降的上爐門下降，各半圓孔 與下爐門的相吻合，將20根桿體卡在圓孔內，內部溫度均勻。固化爐分三段加熱，內部分別裝有風扇，保證爐腔內部各點的溫度相同，誤差為士rc。金屬接頭16采用分體式倒錐型結構(見圖2)，內部形成倒錐形空腔，倒 錐個數及長度可以根據需要調整，分體式使得加工簡單，內部結構尺寸精確， 保證了與桿體的連接面積，相應的提高了接頭連接強度。膠粘劑固化后由于與 桿體的樹脂基體相似，與桿體成為一體。倒錐型結構為自鎖型結構，在預應力 處理后，即在一個較大的拉力作用后，桿體與膠粘劑的固化體與金屬接頭處于
自鎖狀態(tài)，即所受拉力越大，桿體與膠粘劑的固化體與金屬接頭結合越緊密， 直到拉力大到把固化后的膠粘劑破壞。而膠粘劑的高剪切強度及桿體與金屬 接頭較大的膠接面積使得這種破壞力需要大于桿體的破斷拉力(即把復合材料 桿體拉斷的力)，因此接頭的可靠性要高于復合材料桿體，保證最大程度的發(fā) 揮復合材料桿體的優(yōu)異性能。本發(fā)明的裝置還包括預應力處理檢測設備17 (見圖4)。預應力處理檢測設 備為臥式液壓拉伸機構，有兩個拉伸頭， 一個為固定拉伸頭19， 一個為活動拉 伸頭20隨液壓缸18的柱塞可前后沿軸線移動，分別可與抽油桿兩端連接，對 抽油桿進行拉伸預應力處理及檢測。根據應用需要確定拉力大小，一般為100 250千牛，遠大于實際應用中抽油機的懸點載荷，把確定的拉力作為液壓缸18 的設定值。將復合材料抽油桿一端與固定拉伸頭19連接，另一端與活動拉伸 頭20連接，啟動液壓缸18向后拉，達到設定值時，液壓缸停止進油，保持該 設定拉力》1分鐘，然后液壓缸反向運動，將復合材料抽油桿從預應力處理檢 測設備上卸下，對復合材料抽油桿預應力處理完畢。抽油桿應用時，在受力作 用后，桿體在與金屬接頭連接所用的膠粘劑因為彈性變形導致桿體與金屬接頭 產生相對位移，預應力處理的目的是消除這種相對位移。處理所用拉力大小 100 250千牛已經超過了應用所需要的拉力，因此在對高強度防偏磨復合材料 抽油桿預應力處理的同時，也對抽油桿的整體性能進行了有效的檢測，即達到 設定值后，復合材料桿體與金屬接頭不產生相對滑動的為合格產品，而產生相 對滑動的為不合格產品。在上述的裝置中，實現本發(fā)明的制備方法具體方式是 (1)從放絲架1引出多束纖維(玻璃纖維、碳纖維等高性能纖維的一種或幾 種)，在牽引裝置8的牽引下經過加熱爐2預處理，氣氛為空氣，爐溫在80 15(TC之間，牽引速度在0.08 1.0米/分鐘之間，通過時間為1.5 12.5分鐘； 從加熱爐2出來的纖維進入浸膠裝置3，浸膠裝置內的樹脂基體膠液配制為公知的方法，其中樹脂固化劑脫模劑的質量分數為100: 0.5 5.0: 0.5 5.0。固化劑為通常采用的過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)、過氧化二苯甲酰(BPO)、 過氧化甲乙酮溶液(MEKP)等，脫模劑為通常采用的硬脂酸鋅或其他同類產 品。(2) 經浸膠裝置3浸漬的纖維束再經過加熱爐4預成型并初步凝膠化。預成 型爐內氣氛為空氣，爐溫在100 18(TC之間。(3) 預成型后的纖維束進入拉擠設備，在模具5內固化成型，拉擠成型利用 模具加熱裝置6三段或四段加熱，固化溫度在95 18(TC之間，呈梯度升溫方 式，拉擠速度在0.08 1.0米/分鐘之間,拉擠出復合材料桿體。(4) 纏繞裝置9在拉擠成型后的復合材料桿體上纏繞一束或多束耐磨纖維， 如芳綸纖維、PBO纖維或超高分子量聚乙烯纖維或其混雜纖維，其纏繞角為 15 75°之間，優(yōu)選的為15 45°，纖維的紗線或織物的厚度在0.5 1.5mm之 間，浸漬膠液配方與(1)中所述拉擠工藝所用浸漬膠液相同。纏繞頭為單頭 或多頭，纏繞的速度為0.5 20圈/分鐘，優(yōu)選的為0.5 5圈/分鐘。纏繞后經 過紅外加熱固化裝置10固化，得到具有螺旋筋狀防偏磨層的抽油桿體。固化 溫度在95 18(TC之間，呈梯度升溫方式。(5)按照API標準確定所需復合材料桿體的長度，利用切割裝置ll將固 化成型的復合材料桿體切割下來。切割好的抽油桿桿體從倒錐型的金屬接頭的 小尺寸端插入，利用壓力注膠機12向倒錐型接頭空腔內注膠，采用的膠粘劑 為高剪切強度環(huán)氧型膠粘劑，可以選擇市售也可以按常規(guī)的方法配置，其剪切 強度為》22N/mm2， 25。C粘度為12 20Pa S。注膠壓力范圍為0.2 1Mpa。 注膠完畢后，通過接頭固化爐13固化，在120 180'C下處理兩個小時，膠粘 劑固化完全達到最佳連接強度，得到的高強度防偏磨復合材料抽油桿，接頭符 合API標準。(6)抽油桿桿體在與金屬接頭連接后，整體在預應力處理及檢測裝置17 上進行拉伸預應力處理及檢測，拉力大小設定為100 250千牛，并保持該設 定拉力》1分鐘。下面通過實施例，對本發(fā)明詳細說明，但是本發(fā)明不限于這些實施例。 實施例1:將多束碳纖維絲經過放絲架、集絲板的排絲孔進入到表面處理 爐，爐溫為12(TC，牽引速度為0.4米/分鐘，熱處理后的碳纖維進入浸膠槽， 槽內間苯型不飽和聚酯樹脂S-685S: MEKP:BPO:硬脂酸鋅的質量分數為100: 1.5:1.5: 1.5。浸膠后的碳纖維進入預成型爐，預成型溫度為85°C，初步凝膠 預成型后進入模具固化成型，模具三段加熱，溫度為ll(TC、 135°C、 155°C。 成型后的復合材料桿繼續(xù)以0.4米/分鐘的速度縱向前進，通過2頭的纏繞機以 5圈/分鐘的速度在復合材料桿上纏繞兩束芳綸纖維，形成兩道螺距為10毫米 的螺旋狀的筋。芳綸纖維的浸漬配方同拉擠工藝的配方，兩束芳綸纖維的直徑 均為1.5毫米。防偏磨層纏繞成型后的復合材料抽油桿桿體與金屬接頭膠接， 所用膠粘劑為環(huán)氧型膠粘劑，其中環(huán)氧樹脂E-44:甲基四氫苯酐DMP-30: 鋁粉的質量分數為100: 85: 1.5: 20， 25。C粘度為15 Pa 'S，注膠壓力為0.5MPa。 注膠結束后，置入接頭固化爐內150。C保溫1.5小時。取出后，自然冷卻。然 后進行預應力處理及檢測，拉力為200千牛。復合材料抽油桿桿體與金屬接頭 未見相對滑動，產品檢測合格。實施例2:按照實施l，改變拉擠過程中的碳纖維為高強玻璃纖維，纖維 熱處理的爐溫為IOO'C，牽引速度為0.2米/分鐘，改變浸膠槽內樹脂為環(huán)氧樹
脂，其中E-51:甲基四氫苯酐DMP-30:硬脂酸鋅的重量分數為100: 85:2.0: 1，成型后的抽油桿通過6頭的纏繞機以2.5圈/分鐘的速度纏繞六束PBO 纖維成型，形成六道螺距為5毫米的螺旋狀的筋。PBO纖維的浸漬配方同拉擠 工藝的配方，六束PBO纖維的直徑均為1毫米。防偏磨層纏繞成型后的復合 材料抽油桿桿體與金屬接頭膠接，所用膠粘劑為環(huán)氧型膠粘劑，環(huán)氧樹脂固 化劑促進劑填料的質量分數為100: 80: 1.5: 15， 25'C粘度為17 Pa S， 注膠壓力為0.6MPa。注膠結束后，置入接頭固化爐內14(TC保溫2小時。取出 后，自然冷卻。然后進行預應力處理及檢測，拉力為150千牛。處理結束，復 合材料抽油桿桿體與金屬接頭未見相對滑動，產品檢測合格。
權利要求
1、一種防偏磨復合材料抽油桿的制備方法，包括將玻璃纖維或其混雜纖維，浸漬樹脂基體后，通過拉擠固化成型工藝制備復合材料抽油桿桿體，其特征在于，在成型后的桿體表面連續(xù)纏繞浸漬過樹脂基體膠液的耐磨纖維，連續(xù)纏繞時纏繞角為15～75°之間，纏繞的速度為0.5～20圈/分鐘，纏繞纖維浸漬樹脂與拉擠工藝所用浸漬樹脂基體膠液相同，纏繞纖維后的桿體經固化工藝，制成表面有螺旋筋狀防偏磨層的抽油桿桿體，將抽油桿桿體切割成定長，與金屬接頭膠接后得到復合材料抽油桿，然后置于接頭固化爐中在120～180℃下處理兩個小時；將抽油桿整體采用拉伸預應力處理，拉力大小為100～250千牛。
2、 根據權利要求1的制備方法，所述的浸漬所用的樹脂基體為環(huán)氧樹脂、 乙烯基酯樹脂或不飽和樹脂的一種或者其中幾種的混合樹脂。
3、 根據權利要求1的制備方法，所述的纏繞工藝中，在桿體上纏繞一束 或多束耐磨纖維，纏繞厚度0.5 1.5mm。
4、 根據權利要求1的制備方法，所述的耐磨纖維為芳綸纖維、PBO纖維 或超高分子量聚乙烯纖維，或其組合混雜纖維。
5、 根據權利要求1的制備方法，所述的抽油桿桿體與接頭膠接，采用的 膠粘劑為環(huán)氧型膠粘劑，剪切強度為》22N/mm2， 25'C粘度為12 20Pa S。 注膠方式采用壓力注膠，壓力范圍為0.2 lMpa。
6、 根據權利要求1的制備方法，所述的金屬接頭為倒錐結構分體式金屬 接頭，內腔呈多級倒錐空腔結構，桿體從倒錐的小尺寸端插入腔體注膠連接。
7、 一種制備防偏磨復合材料抽油桿的裝置，包括放絲架、預處理加熱 爐、浸膠裝置、預成型加熱爐、拉擠模具、模具加熱裝置、控制部分、牽引裝 置組成連續(xù)拉擠成型設備，其特征在于，在拉擠成型設備后，設置有單頭或多 頭的纏繞機、加熱固化裝置和切割裝置，還包括桿體與金屬接頭膠接用的壓力　注膠機和接頭固化爐，其中壓力注膠機的注膠口一端與金屬接頭注膠孔連接， 另一端由壓縮空氣控制活塞推動膠液進入充滿已經插入桿體的金屬接頭內部 空腔，接頭固化爐下爐門固定，上爐門為自動升降式，上下爐門各有互相對應 的一組開口半圓孔，其直徑大于桿體直徑，上下爐門閉合后，各半圓孔與下爐 門的相吻合，保證將每一根抽油桿體卡在圓孔內。
8、根據權利要求7的裝置，其特征在于，在接頭固化爐后連接有對抽油 桿進行預應力處理、拉伸檢測的臥式液壓拉伸在線檢測設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種防偏磨復合材料抽油桿的制備方法和裝置，由拉擠和纏繞工藝組合，將纖維浸漬樹脂基體后，通過拉擠固化成型工藝制備復合材料抽油桿桿體，在成型后的桿體表面連續(xù)纏繞浸漬過樹脂基體膠液的耐磨纖維，經固化制成表面有螺旋筋狀防偏磨層的抽油桿桿體，將抽油桿桿體切割成定長，與金屬接頭膠接，然后置于接頭固化爐中處理；抽油桿整體采用拉伸預應力處理。本發(fā)明制備的抽油桿在桿體表面形成螺旋筋狀防偏磨層使抽油桿具有了優(yōu)異的防偏磨的性能，又保證了抽油桿的高強度；金屬接頭的倒錐型結構及壓力注膠的膠接工藝保證了接頭連接部分具備了高強、耐疲勞的特性，與復合材料桿體的壽命保持統(tǒng)一，大大提高了產品的可靠性。
文檔編號B29C70/04GK101396874SQ20071017525
公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權日2007年9月28日
發(fā)明者于運花, 崔昌瑞, 鵬 李, 杜中杰, 楊小平, 趙秀平 申請人:北京化工大學