高温高压下的绝缘胶接体系研究

夏文干　杨洁

摘要：叙述了在温度155～175 ℃，14 MPa压力下使用的绝缘胶接体系研究情况，实物电子线圈中线与线间绝缘电阻值、线与屏蔽层间绝缘电阻值都大于108 Ω，该体系已应用在石油测井仪。

关键词：高温；高压；绝缘胶

油井工作状况的监控，依赖于油井测试仪，早期测试仪完全靠进口，价格昂贵，其后国内有几家单位开始研究不同品种的油井测试仪。井下工作条件比较恶劣，为高温、高压和高湿，目前测井仪最高使用温度为175 ℃，压力为14 MPa，有的电子触头直接浸于泥浆中，有的虽不与泥浆直接接触，但浸入高温高压的硅油中。应研究生产单位的要求，我们曾研究生产过2种上述使用条件下的电子组合灌封胶，其性能与国外灌封胶一样，达到了使用要求。本文叙述了另外一种大型测井仪电子线圈、漆包线与漆包线胶接、漆包线线组与屏蔽层胶接的绝缘体系。在该体系研究成功之前，该测井仪的研究者们曾查阅大量资料后，选用了能耐200 ℃的某胶，生产了10套仪器，全部失败，原因排查后最终确定为线圈绝缘问题。我们经过试验研究，绝缘体系研究成功，已分别用于175 ℃和155 ℃级测井仪，其性能达到国外同类产品水平。

1 实验部分

1.1 实验材料与性能测试方法

1.1.1 试验材料

本研究全部采用国产材料，它们是四官能环氧树脂、三官能环氧树脂、双酚A环氧树脂、液体羧基丁腈橡胶、端环氧基丁腈橡胶、液态甲基四氢苯酐、2-乙基-4-甲基咪唑、消泡剂、电子级活性硅微粉、氧化铝粉、聚四氟乙烯粉、单组分室温硫化硅橡胶、硅油、偶联剂、无碱玻璃纤维丝束、应力缓冲剂（外购）和应力缓冲剂（自制）。

1.1.2 性能测试方法

胶粘剂的玻璃化转变温度采用DSC法测试。

高温高压下绝缘胶的体积电阻率和表面电阻，因没有相关国家标准，故结合实际情况，以产品电子线圈测试线与线、线与屏蔽层电阻。

1.2 环氧树脂

不同官能度的环氧树脂，在固化剂、促进剂和增韧剂相同的情况下，固化后，绝缘性能也不一样。表1列出了试验结果。从表1可见，官能度较高，无论在热空气还是热硅油中绝缘性能都更好，这可能与胶的耐热性有关。经玻璃化转变温度测试，前者为220 ℃，后者为203 ℃。环氧树脂中的氯含量对胶的绝缘性能影响很大，特别是在高温情况下，表2列出2种环氧树脂的绝缘性能。

1.3 固化剂

高温绝缘胶一般用酸酐作固化剂，但也有用咪唑类和芳香胺做固化剂的。表3列出了固化剂的绝缘性能。从表3可见，酸酐性能最好，芳胺次之，2-乙基-4-甲基咪唑最差，完全不能用于高温绝缘胶。

1.4 增韧剂

增韧剂品种和用量直接影响胶固化后的玻璃化转变温度和绝缘性能。以端环氧基液体丁腈橡胶为例，分别为不加、加入5质量份（以下同）、10份、15份，其胶固化后的玻璃化转变温度分别为226 ℃、222 ℃、200 ℃和180 ℃。胶固化后的绝缘性能也不一样。表4列出了相关绝缘电阻值。

从表4可见，增韧剂用量直接影响绝缘性能，不用增韧剂，胶的玻璃化转变温度虽高，但较脆，固化后由于漆包线与胶的线胀系数相差大于1个数量级，热胀冷缩的应力作用产生微裂纹，降低了绝缘性能。随着增韧剂用量增加，绝缘性能达到一个最大值，后迅速降低，这是因为热胀冷缩应力虽然缓解，但胶的耐热性降低，胶大分子链活动加剧，绝缘性能同样降低。

1.5 填料

填料对胶的绝缘性能也不可忽视。在相同配方条件下，分别加入聚四氟乙烯粉和活性硅微粉，胶的绝缘性能列于表5。

若将胶从室温逐渐升温至155 ℃，保温1 h，再升温至175 ℃，保温1 h，在这2点温度下，添加PTFE粉的胶的线与线绝缘电阻值分别为0.4×108 Ω和0.2×108 Ω，线与屏蔽层的绝缘电阻值分别为0.2×108 Ω和0.05×108 Ω。分析前者可能与聚四氟乙烯有较大的线胀系数有关，与胶粘附性差，热胀冷缩导致胶产生微裂纹，从而绝缘性能下降。若再反复多次，有可能绝缘性能继续下降，特别是在潮湿环境中。活性硅微粉与胶附着力好，反复3次，绝缘性能基本无变化。

在另外一种测井仪绝缘胶中，实验了活性硅微粉与氧化铝粉对胶绝缘性能的影响，2者比较也以活性硅微粉为佳。室温和175 ℃下，添加活性硅微粉的绝缘电阻值为∞和7 MΩ，添加氧化铝粉的体系分别为∞和3 MΩ。

1.6 消泡剂

由于绝缘胶在高温高压下应用，若胶中含气泡，从低温到高温胶的体积发生变化，产生应力变化，从而影响到测井仪测井曲线的准确性，因此使用消泡剂是有必要的。

1.7 应力缓冲剂

高温高压下应用的绝缘胶与一般的绝缘胶显著不同，它既要求在高温下有足够的刚性，以承受巨大的压力，不至于变形影响仪器的使用，又要求绝缘胶在反复的高低温作用下，不至于自身产生微裂纹，还要求它与耐高温漆包线漆附着力适当，不使漆与铜导线分离产生裂纹而影响绝缘。经我们反复试验，这是本研究的关键点之一。表6列出了3种缓冲剂对绝缘性能的影响。从表6可见应力缓冲剂的应用，使产品绝缘性能显著提高。单组分硅橡胶作为应力缓冲剂，虽然绝缘性能很好，但是反复试验，它使胶层产生气泡，消除不掉，而且它不耐硅油，用户结论不能用。外购应力缓冲剂虽然耐硅油，同样也使胶层产生气泡不能用。我们自己研制了应力缓冲剂较好地解决了问题。

2 胶接工艺

2.1 胶粘剂配制

胶粘剂甲组分为环氧树脂、增韧剂、消泡剂、活性硅微粉、偶联剂，乙组分为固化剂、固化促进剂，甲/乙质量比为7/3。甲组分树脂等120 ℃加热2 h混合均匀，抽真空脱泡备用，乙组分称量备用，操作现场配胶。

2.2 应力缓冲剂使用

绕制好的线圈清洗干净，室温刷缓冲剂，使其能湿润漆包线每一处，晾置，加热干燥，降温至60 ℃。

2.3 涂胶

将胶搅匀，刷一薄层至线圈上，缠绕一层玻璃纤维丝束，使其刚好渗透胶为好，再刷一层胶，依次进行，直至设计要求的尺寸（注意排除气泡），胶接上铜箔屏蔽层，用耐热压敏胶带扎紧。

2.4 固化

155 ℃级线圈，从室温逐渐升温至80 ℃保温1 h，再升温至120 ℃保温1 h，再升温至150 ℃保温6 h，自然冷却至室温。

175 ℃级线圈，80 ℃、120 ℃固化同155 ℃级线圈，后升温至160 ℃保温4 h，自然冷却至室温。

3 同类胶比较

用国内某耐温200 ℃胶与本胶分别制作线圈，其绝缘性能测试结果见表7。