Гибридная композитная штанга

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкции насосной штанги штангового скважинного насоса нефтепромыслового оборудования. Технический результат - повышение модуля упругости и предела прочности при растяжении композитного тела штанги и возможность их регулирования. В гибридной композитной штанге, состоящей из непрерывных низкомодульных и высокомодульных волокон, собранных в единый стержень многокомпонентным эпоксидным связующим, содержание многокомпонентного эпоксидного связующего составляет 28-32%, а относительное объемное содержание высокомодульных волокон – 38-55% от объема композитного стержня. Модуль упругости однонаправленного гибридного тела штанги рассчитывается по формуле:

Е_эф = Е_В ⋅ ν ⋅ ψ_В + Е_С ⋅ ν ⋅ ψ_С + Е_М ⋅ (1- ν),

где Е_эф - эффективный модуль упругости, Е_В - модуль упругости низкомодульных волокон, ν - коэффициент объёмного наполнения, ψ_В - относительное объёмное содержание низкомодульных волокон в теле штанги, Е_С - модуль упругости высокомодульных волокон, ψ_С - относительное объёмное содержание высокомодульных волокон в теле штанги, Е_М - модуль упругости эпоксидного связующего. Предел прочности в продольном направлении рассчитывается исходя из относительного объемного содержания низкомодульного волокна в зависимости от критического содержания низкомодульного волокна, при преобладании относительного объемного содержания низкомодульного волокна предел прочности в продольном направлении рассчитывается по формуле:

σ₁ = (Е_В ⋅ ν ⋅ ψ_В + Е_М ⋅ (1- ν)) ⋅ ε_В,

при преобладании критического содержания низкомодульного волокна предел прочности рассчитывается по формуле: σ₁ = Е_эф ⋅ ε_С, где σ₁ - предел прочности в продольном направлении, ε_В – предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении, ε_С – предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении, причем критическое содержание низкомодульного волокна рассчитывается по формуле:

где ψ_Вкрит – критическое содержание низкомодульного волокна. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к строительству, элементам нефтепромыслового оборудования, а именно к конструкции насосной штанги штангового скважинного насоса.

Известна арматура стеклопластиковая (патент RU № 2194135, МПК Е04С 5/07, опубл. 10.12.2002), содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку с уступами, которые выполнены в виде жгута нитей, пропитанных связующим и спирально нанесенных с натягом.

Данный вид арматуры содержит несущий стержень из высокопрочного полимерного материала, который относится к низкомодульным стеклянным волокнам, обеспечивающим получение арматуры с модулем упругости до 55000 МПа и пределом прочности до 1000 МПа. При использовании данной арматуры для армирования бетонных плит наблюдаются повышенные прогибы, что ухудшает качество изделий.

Также известна арматура композитная (патент RU № 77310, МПК Е04С 5/07, опубл. 20.10.2008), содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку жгутами нитей противоположного направления навивки, причем соотношение площадей сечений первого обмоточного жгута и второго обмоточного жгута, навитого в противоположном направлении, находится в пределах от 1 до 150, а угол навивки второго обмоточного жгута составляет 92°-150°.

Недостатком известной арматуры является то, что изделия, изготовленные с использованием арматуры данного вида, в отличие от стальной арматуры - имеют повышенную деформативность и ширину раскрытия трещин, что обусловлено малым модулем упругости.

Также известна композитная арматура (патент RU 2405092, МПК Е04С 5/07, В32В 5/08, В32В 5/26, опубл. 27.11.2010), содержащая несущий стержень из низкомодульных волокон и обмотки с уступами. Несущий стержень выполнен армированными высокомодульными волокнами при отношении линейных плотностей низкомодульных волокон к высокомодульным от 1,5 до 5, причем высокомодульные волокна собраны в пучки, равномерно расположенные в массиве низкомодульных волокон.

Недостатком данного вида композитной арматуры является то, что при расчете модуля упругости не учитывается содержание полимерного связующего в композитном стержне, что является недостатком технологии изготовления.

Наиболее близким является гибридная композитная арматура (патент RU № 2612374, МПК Е04С 5/07, опубл. 09.03.2017), состоящая из непрерывных стеклянных и углеродных волокон, собранных в единый стержень многокомпонентным эпоксидным связующим, при этом содержание многокомпонентного эпоксидного связующего составляет 13-17%, а объемное содержание углеродных волокон - 3-15% от объема композитного стержня, причем углеродные волокна равномерно расположены по контуру сечения арматуры на расстоянии от края сечения арматуры, равном 2-3 мм, остальной объем композитной арматуры занимают стеклянные волокна, при этом модуль упругости рассчитывается по формуле:

Е_теор=Е_с.в×(1-V_у.в-V_эп.св)+E_y.в×(1-V_c.в-V_эп.св),

где Е_теор - теоретическое значение модуля упругости, Е_с.в, Е_у.в - модули упругости стекловолокна, углеродного волокна, эпоксидного связующего соответственно; V_c.в, V_у.в, V_эп.св - объемное содержание стекловолокна, углеродного волокна, многокомпонентного эпоксидного связующего соответственно.

Недостатком данного изобретения является то, что при объемном содержании углеродных волокон - 3-15 % повышается жесткость, но при этом может уменьшаться предел прочности гибридной композитной арматуры, также при расчете модуля упругости не учитывается влияние содержания полимерного связующего.

Технической задачей является повышение модуля упругости и предела прочности при растяжении композитного тела штанги и возможность их регулирования.

Техническая задача решается гибридной композитной штангой, состоящей из непрерывных низкомодульных и высокомодульных волокон, собранных в единый стержень многокомпонентным эпоксидным связующим.

Новым является то, что содержание многокомпонентного эпоксидного связующего составляет 28-32 %, а относительное объемное содержание высокомодульных волокон – 38-55 % от объема композитного стержня, при этом модуль упругости однонаправленного гибридного тела штанги рассчитывается по формуле:

Е_эф = Е_В · ν · ψ_В + Е_С · ν · ψ_С + Е_М · (1- ν),

где Е_эф - эффективный модуль упругости, Е_В - модуль упругости низкомодульных волокон, - коэффициент объёмного наполнения, ψ_В - относительное объёмное содержание низкомодульных волокон в теле штанги, Е_С - модуль упругости высокомодульных волокон, ψ_С - относительное объёмное содержание высокомодульных волокон в теле штанги, Е_М - модуль упругости эпоксидного связующего,

а предел прочности в продольном направлении рассчитывается исходя из относительного объемного содержания низкомодульного волокна в зависимости от критического содержания низкомодульного волокна, при преобладании относительного объемного содержания низкомодульного волокна предел прочности в продольном направлении рассчитывается по формуле:

σ₁ = (Е_В · ν · ψ_В + Е_М · (1- ν)) ·ɛ_В,

при преобладании критического содержания низкомодульного волокна предел прочности рассчитывается по формуле:

σ₁ = Е_эф · ɛ_С ,

где σ₁ – предел прочности в продольном направлении, ɛ_В – предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении, ɛ_С – предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении, причем критическое содержание низкомодульного волокна рассчитывается по формуле:

где Вкрит – критическое содержание низкомодульного волокна.

На фиг.1, фиг. 2, фиг. 3 представлен общий вид гибридной композитной арматуры с расположением низкомодульных и высокомодульных волокон, где 1 – высокомодульные волокна, 2 – низкомодульные волокна, 3 – гибридный материал.

Гибридная композитная штанга состоит из непрерывных низкомодульных и высокомодульных волокон, собранных в единый стержень многокомпонентным связующим. Высокомодульные волокна представляют собой углеродные волокна. К низкомодульным волокнам относится стекловолокно. Содержание многокомпонентного связующего составляет 28-32 %, а относительное объемное содержание высокомодульных волокон – 38-55% от объема композитного стержня. Модуль упругости однонаправленного гибридного тела штанги рассчитывается по формуле:

Е_эф = Е_В · ν · ψ_В + Е_С · ν · ψ_С + Е_М · (1- ν),

где Е_эф - эффективный модуль упругости, Е_В - модуль упругости низкомодульных волокон, - коэффициент объёмного наполнения, ψ_В - относительное объёмное содержание низкомодульных волокон в теле штанги, Е_С - модуль упругости высокомодульных волокон, - коэффициент объёмного наполнения, ψ_С - относительное объёмное содержание высокомодульных волокон в теле штанги, Е_М - модуль упругости эпоксидного связующего.

Предел прочности в продольном направлении рассчитывается исходя из относительного объемного содержания низкомодульного волокна в зависимости от критического содержания низкомодульного волокна. Предел прочности в продольном направлении при низком содержании высокомодульного волокна, т.е. при преобладании относительного объемного содержания низкомодульного волокна (низкое содержание высокомодульного волокна соответствует условию ) рассчитывается по формуле:

σ₁ = (Е_В · ν · ψ_В + Е_М · (1- ν)) ·ɛ_В ,

А предел прочности при высоком содержании высокомодульного волокна, т.е. при преобладании критического содержания низкомодульного волокна (высокое содержание высокомодульного волокна соответствует условию ) рассчитывается по формуле:

σ₁ = Е_эф · ɛ_С ,

где σ_{1 -} предел прочности в продольном направлении, ɛ_В – предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении, ɛ_С – предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении,

Причем критическое содержание низкомодульного волокна ψ_Вкрит рассчитывается по формуле:

где ɛ_В – предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении, ɛ_С – предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении,

В таблице приведены расчётные данные модуля упругости и предела прочности гибридной композитной штанги, состоящей из высокомодульных волокон с модулем упругости E_C=260 ГПа и пределом прочности на растяжение σ_C=4,9 ГПа и низкомодульных волокон с модулем упругости E_B=80 ГПа и пределом прочности на растяжение σ_B=1,81 ГПа. Также в состав гибридной композитной штанги входит эпоксидное связующее с модулем упругости E_М=1,8 ГПа и пределом прочности σ_М=0,107 ГПа.

Таблица. Расчётные данные

№ п/п	ΨC, %	ΨB, %	ν	Eэф, ГПа	, МПа
1	38	62	0,7	103	1532
2	40	60	0,7	105,6	1546
3	45	55	0,7	111,9	1580
4	50	50	0,7	118,3	1614
5	55	45	0,7	124,7	1649
6	55	45	0,72	129,4	1674
7	55	45	0,68	122,3	1635

Таким образом, расчетные данные, представленные в таблице, показывают, что модуль упругости Е_эф предлагаемой гибридной композитной штанги выше модуля упругости по наиболее близкому аналогу (согласно данным, взятым из описания наиболее близкого аналога, модуль упругости наиболее близкого аналога Е_теор изменяется от 64,0 до 90,6 ГПа), следовательно, предел прочности при растяжении композитного тела штанги также увеличивается. Повышение модуля упругости и предела прочности при растяжении композитного тела штанги достигнуто за счет оптимального содержания многокомпонентного эпоксидного связующего и относительного объемного содержания высокомодульных волокон.

Увеличение модуля упругости гибридной композитной штанги относительно известных и наиболее близкого аналога может позволить увеличить дебит скважины ввиду уменьшения растяжения штангового глубинного насоса. А возможность регулирования жесткостных параметров позволит подобрать наиболее экономически выгодное решение по соотношению высокомодульных и низкомодульных волокон.

Варианты исполнения характеризуются изменением содержания высокомодульных и низкомодульных волокон, наиболее оптимальным по жёсткости и прочности является гибридный материал под пунктом 5 табл.

В гибридной композитной штанге возможны следующие конфигурации тела гибридной штанги: низкомодульное волокно 2 (см. фиг. 1) может быть сконцентрировано преимущественно в центре тела штанги, а высокомодульное волокно 1 (углеродное) – вынесено на внешние слои, вокруг низкомодульного 2; в гибридной композитной штанге все высокомодульное волокно 1 (см. фиг. 2) может быть сконцентрировано преимущественно в центре тела штанги, а низкомодульное волокно 2 (стеклопластик) – вынесено во внешние слои, вокруг высокомодульного; по телу штанги может располагаться гибридный материал 3 (см. фиг. 3), т.е. равномерное распределение волокон по сечению.

Предлагаемая гибридная композитная штанга позволяет повысить модуль упругости и предел прочности при растяжении с возможностью их регулирования.

Гибридная композитная штанга, состоящая из непрерывных низкомодульных и высокомодульных волокон, собранных в единый стержень многокомпонентным эпоксидным связующим, отличающаяся тем, что содержание многокомпонентного эпоксидного связующего составляет 28-32%, а относительное объемное содержание высокомодульных волокон – 38-55% от объема композитного стержня, при этом модуль упругости однонаправленного гибридного тела штанги рассчитывается по формуле:

Е_эф = Е_В ⋅ ν ⋅ ψ_В + Е_С ⋅ ν ⋅ ψ_С + Е_М ⋅ (1- ν),

где Е_эф - эффективный модуль упругости, Е_В - модуль упругости низкомодульных волокон, ν - коэффициент объёмного наполнения, ψ_В - относительное объёмное содержание низкомодульных волокон в теле штанги, Е_С - модуль упругости высокомодульных волокон, ψ_С - относительное объёмное содержание высокомодульных волокон в теле штанги, Е_М - модуль упругости эпоксидного связующего,

а предел прочности в продольном направлении рассчитывается исходя из относительного объемного содержания низкомодульного волокна в зависимости от критического содержания низкомодульного волокна, при преобладании относительного объемного содержания низкомодульного волокна предел прочности в продольном направлении рассчитывается по формуле:

σ₁ = (Е_В ⋅ ν ⋅ ψ_В + Е_М ⋅ (1- ν)) ⋅ ε_В,

при преобладании критического содержания низкомодульного волокна предел прочности рассчитывается по формуле:

σ₁ = Е_эф ⋅ ε_С,

где σ₁ - предел прочности в продольном направлении, ε_В – предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении, ε_С – предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении, причем критическое содержание низкомодульного волокна рассчитывается по формуле:

где ψ_Вкрит – критическое содержание низкомодульного волокна.