超高分子聚乙烯管材研制及在抽油管中的应用

于友坤 张宗波

摘 要：本文论述了一种超高分子聚乙烯管材的试制过程以及在石油开采抽油系统中的应用。管材试制从生产设备、加工工艺参数、关键工具三个方面的影响来研究，并对研制样品进行力学性能参数测试。该管材二次加工穿入普通油管中，形成耐腐蚀耐磨损的复合油管，通过在现场油井中试验使用，其优异的耐磨防腐蚀性能缓解了有杆泵井中管杆磨损程度，成为油田治理管杆偏磨最为有效的工艺之一，大大提高了抽油管柱的使用寿命。

关键词：超高分子聚乙烯管材；力学性能；二次加工；抽油管应用

与其他材料相比，塑料具有质量轻、耐腐蚀、比强度高、电性能优异等特点。聚乙烯是世界塑料品种中产量最大、应用面最广的品种，而其中的超高分子聚乙烯具有突出的高模量、高韧性、高耐磨、自润滑性优良、密度低、制造成本低廉等特征，它的耐磨性在已知塑料中名列第一，比聚四氟乙烯高6倍，比聚氨酯也高6倍。鉴于超高分子聚乙烯防腐蚀、高耐磨的优点，决定开发一种适合在抽油管中使用的聚乙烯管材，以解决长期以来一直存在于抽油杆与油管之间的磨损问题。

1 超高分子聚乙烯管材的研制

1.1 设备的选择

在选择挤出管材设备时，主要考虑了以下因素：

①喂料系统增加自动搅拌功能，提高进料推力。

由于超高分子聚乙烯融化后粘度较高，必须增大喂料段输送能力。

②改进挤出机螺杆螺距和长径比，增加螺杆对原料的推力。

由于超高分子聚乙烯流动性较差，生产普通塑料的挤出机螺杆不能达到使用要求，因此改进螺杆的设计参数，避免原料输送不畅、熔融效果差造成的产品性能达不到要求。

根据上述原则，研制出独具特色的超高分子聚乙烯单螺杆挤出装置。

1.2 管材挤出

在设备调试完成后，通过大量的参数优化试验，确定了机筒挤出温度（见表1）和牵引速度。

根据管材直径的大小，调整牵引速度，直径越小，牵引速度越大；管材直径越大，牵引速度越小。速度过慢，影响生产效率，达不到产能要求；速度过快，不符合管材表面光洁度和几何尺寸要求，影响产品质量。经过一段时间的试验与调整，上述两种规格的管材牵引速度最佳值确定在0.30-0.45mm/min。

1.3 模具表面处理形式确定

模具是挤出机生产线关键部件之一，它的性能直接影响着管材的表面质量，使用寿命的长短影响着生产的正常运行。在生产线试运行初期采用的模具表面是镀铬处理，一般使用5天左右管材表面变得粗糙，管材壁厚尺寸不稳定，拆卸模具发现其表面粘一层白色降解物（如图1所示），这意味着模具表面首先变得粗糙，因此挤出的管材表面粗糙度也就达不到要求了。经过研究，了解到特氟龙涂料具有耐高温、不粘、耐磨损的特性，把模具表面处理形式由原来的镀铬改为喷涂特氟龙（如图2所示）。特氟龙涂料是以聚四氟乙稀为基体树脂、独一无二的高性能氟涂料，结合了耐热性、化学惰性和优异的绝缘稳定性及低摩擦性，具有独特的综合优势。特氟龙分为PTFE、FEP、PFA、ETFE几种基本类型：

①特氟龙PTFE：PTFE（聚四氟乙烯）不粘涂料可以在260℃连续使用，最高使用温度290—300℃；

②特氟龙FEP：FEP（氟化乙烯丙稀共聚物）最高使用温度为200℃。

③特氟龙PFA：PFA（过氟烷基化物）不粘涂料的优点是具有更高的连续使用温度260℃，更强的刚韧度，特别适合使用在高温条件下防粘和耐化学性使用领域。

④特氟龙ETFE：ETFE是一种乙烯和四氟乙烯的共聚物，该树脂可在150℃下连续工作。 其中，特氟龙PTFE涂料适合超高分子聚乙烯管材挤出的工况，因此我们选用了该种涂料，涂层膜厚为30±5μm。经过使用验证，不但使用寿命大大延长，由原来用5天拆卸一次模具延长到现在的30天，挤出管材粗糙度完全满足要求，挤出速度和稳定性都大有提高，大大减少了生产辅助时间。

1.4 管材测试

超高分子量聚乙烯管材挤出后，首先观察表面粗糙度是否符合要求，然后对管材外径、壁厚尺寸检测，均合格后送到国家化学建筑材料测试中心进行实验室检测，各项性能指标如表2所示。

经过与《塑料-原料与助剂》[1]中数据进行对比，完全符合要求。

1.5 二次加工工艺性

聚乙烯管材二次加工工藝流程如下：管材挤出以后，通过减径机减径穿入钢制油管中，一段时间后恢复原直径，使之涨贴在钢制管壁上，形成管中管结构；为了使塑管与钢管固定，使用时不发生相对运动，保护钢管表面不与腐蚀性介质接触，塑管在钢管端部进行翻边固定，不易脱落，至此复合油管制造完成，投入现场试验。

2 超高分子聚乙烯复合油管应用情况

该复合油管先后在胜利油田、江苏油田等地使用，效果较好，尤其是华东分公司采油厂2013年以来在一些管杆偏磨严重的井使用该复合油管，与抽油杆防偏磨接箍工艺配套，取得了明显成效。如兴1井、 QK-118、 QK-121、 QK-122、草15、QK-36等井，经过3年的试用跟踪（见表3），内衬油管产品在油井防偏磨上效果十分显著，有效地控制了因偏磨而造成的免修期短的问题。

从表3中可以看出从2013年开始，通过在苏北5口油井使用该复合油管和防偏磨接箍。跟踪分析至2015年10月，有4口井修井周期超过400天，有效地延长了整套管柱的使用寿命。不仅大幅度减少作业费用，也大大降低了材料成本，同时还提高了采油时效。

目前，超高分子聚乙烯复合油管已在胜利油田大面积推广使用，并且逐渐拓展到新疆、中原、吉林、辽河等国内各油田，部分产品出口到国外，使用前景非常乐观。

3 结论

①超高分子聚乙烯管材经权威检测机构国家化学建筑材料测试中心检测，各项性能指标完全符合该种材料要求；

②经过试验，该种管材二次加工工艺性达到预期要求，成型美观，达到使用要求；

③现场使用证明，该管材在抽油管中防腐蚀和耐磨性能好，大大延长修井周期。

参考文献：

[1]宋卓颐，史勤芳，等.塑料原料与助剂[M].北京：科学技术文献出版社，2006.11.