Гибридная композитная штанга
HYBRID COMPOSITE ROD

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:
теор
с.в
у.в
эп.св
y.в
c.в
эп.св
Е=Е×(1-V-V)+E×(1-V-V),
теор
с.в
у.в
c.в
у.в
эп.св
где Е - теоретическое значение модуля упругости, Е, Е - модули упругости стекловолокна, углеродного волокна, эпоксидного связующего соответственно; V, V, V - 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
= Е
· ν · ψ
+ Е
· ν · ψ
+  Е
· (1
ν),
эф
В
В
С
С
М
-
Е
Е
ψ
Е
ψ
Е
эф
В
В
С
С
М
где  - эффективный модуль упругости,  - модуль упругости низкомодульных волокон,  - коэффициент объёмного наполнения,  - относительное объёмное содержание низкомодульных волокон в теле штанги,  -  модуль упругости высокомодульных волокон,  - относительное объёмное содержание высокомодульных волокон в теле штанги,   -  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:
σ
= (Е
· ν · ψ
+ Е
· (1- ν)) ·ɛ
,
1
В
В
М
В
при преобладании критического содержания низкомодульного волокна предел прочности рассчитывается по формуле:
σ
= Е
· ɛ
,
1
эф
С
1
В
С
–
ɛ
–
ɛ
–
где σпредел прочности в продольном направлении, предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении,предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении, причем критическое содержание низкомодульного волокна рассчитывается по формуле:
Вкрит  –
где 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
= Е
· ν · ψ
+ Е
· ν · ψ
+  Е
· (1
ν),
эф
В
В
С
С
М
-
Е
Е
ψ
Е
ψ
Е
эф
В
В
С
С
М
где  - эффективный модуль упругости,  - модуль упругости низкомодульных волокон,  - коэффициент объёмного наполнения,  - относительное объёмное содержание низкомодульных волокон в теле штанги,   -  модуль упругости высокомодульных волокон,  - коэффициент объёмного наполнения,  - относительное объёмное содержание высокомодульных волокон в теле штанги,  -  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:
σ
= (Е
· ν · ψ
+ Е
· (1- ν)) ·ɛ
,
1
В
В
М
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:
σ
= Е
· ɛ
,
1
эф
С
1 -
В
С
ɛ
–
ɛ
–
где σпредел прочности в продольном направлении, предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении, предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении,
ψ
Вкрит
Причем критическое содержание низкомодульного волокна  рассчитывается по формуле:
ɛ
–
ɛ
–
В
С
где предельная деформация низкомодульного волокна при растяжении, предельная деформация высокомодульного волокна при растяжении,
C
C
B
B
М
М
В таблице приведены расчётные данные модуля упругости и предела прочности гибридной композитной штанги, состоящей из высокомодульных волокон с модулем упругости E=260 ГПа и пределом прочности на растяжение σ=4,9 ГПа и низкомодульных волокон с модулем упругости E=80 ГПа и пределом прочности на растяжение σ=1,81 ГПа. Также в состав гибридной композитной штанги входит эпоксидное связующее с модулем упругости E=1,8 ГПа и пределом прочности σ=0,107 ГПа.
Таблица. Расчётные данные
№ п/п
Ψ<sub>C</sub>, %
Ψ<sub>B</sub>, %
ν
E<sub>эф</sub>, ГПа
<img file="00000007.jpg" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />, 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
Е
эф
теор
Таким образом, расчетные данные, представленные в таблице, показывают, что модуль упругости  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 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.