專利名稱：深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度—高摩阻復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料及其制備方法。
背景技術：
海底管道是深水油氣田開發(fā)工程建設的一個重要組成部分，而鋪管船是海洋管道鋪設的唯一大型施工設備。張緊器是鋪管船上最主要的設備之一，是夾持已焊接且經涂裝保護的管道并控制其下放入海的專用設備，要求其能夠實現(xiàn)恒張力控制。而摩阻塊(俗稱墊塊)正是張緊器上直接與管道接觸的部件，其作用是將履帶上的壓緊力均勻分布在管子上，產生較大的摩擦阻力，以夾持管子或拖動管線，并避免管子表面保護層機械損傷。同時，海洋鋪管船隨時經受著風、浪、潮的作用，其上下、左右的不規(guī)則震蕩會造成管道與夾持裝置(摩阻塊)的不規(guī)則、不均勻受力，這就要求摩阻塊具有十分優(yōu)良的工作性能。深水鋪管張緊器摩阻塊需滿足以下4個方面的性能:
I)高強度
張緊器處于工作狀態(tài)時，每塊摩阻塊大約承受30噸的工作壓力，且摩阻塊與管道處于相對運動狀態(tài)，這就要求摩阻塊具有高的抗壓與抗剪切強度。2)高摩阻系數(shù)
由于海洋鋪管船隨時經受著風、浪、潮的作用，其上下、左右的不規(guī)則震蕩會造成管道與夾持裝置(摩阻塊)的不規(guī)則、不均勻受力。因此，摩阻塊與管道表面具有高的摩阻(摩擦)系數(shù)是保證張緊器有效工作及安全施工的關鍵。如果摩阻系數(shù)不足或變化較大，一旦造成管道滑脫并引發(fā)生產安全事故，其經濟損失是難以估量的。3)適當?shù)挠捕?br> 由于摩阻塊與管道直接接觸且兩者處于相對運動狀態(tài)。摩阻塊硬度過大，會對管道及其保護層產生硬壓傷或劃傷，甚至造成管道破損；硬度過小，設備運行中摩阻塊的磨損量就會增大，從而導致摩阻塊使用周期縮短，不僅增加使用成本，頻繁更換摩阻塊還會影響施工進度，降低生產效率。4)適當?shù)乃苄宰冃文芰蛷椥?br> 適當?shù)乃苄宰冃文芰蛷椥允欠乐鼓ψ鑹K發(fā)生脆性破壞以及塑性變形后恢復原狀的基礎。塑性變形能力太差，摩阻塊很容易在突然受力或應力分布不均勻時發(fā)生脆性破裂，危及張緊器運行安全；彈性太小，一旦摩阻塊發(fā)生受力變形，它將無法恢復其原狀，從而影響摩阻塊與管道的接觸吻合度，進而降低張緊器的工作效率。塑性變形能力及彈性太強，張緊器施加到摩阻塊上壓力很容易通過塑性形變而損失或產生較大的波動變化，從而降低摩阻塊對管道的抱緊力，容易造成管道滑脫。目前深海鋪管船使用的張緊器摩阻塊主要依靠進口，其材質主要有橡膠基和彈性聚氨酯基兩類。且單個摩阻塊在張緊器施加的30噸正壓力下的最大摩阻系數(shù)約為0.12，最大張緊力約為3.7噸。照此計算，適用于深海管道鋪設的張緊力最大為500噸的張緊器，需要約135個摩阻塊串聯(lián)起來且同時起作用才能滿足要求。這些摩阻塊串聯(lián)起來的長度約為34m(按每個摩阻塊長度0.23m、每塊之間0.02 m間隙計算)，使得整個張緊器的體積非常龐大，不僅提高了設備造價，還占用了大量船上空間，而現(xiàn)有的張緊器上只設置有54個摩阻塊安裝位置，用國內外現(xiàn)有的摩阻塊根本無法滿足張緊器工作壓力為500噸的條件。因此，提高單個摩阻塊最大張緊力成為解決上述問題的關鍵。但是，由于受管壁所能承受的夾持徑向載荷的限制，張緊器對摩阻塊施加的正壓力不可能再提高。因此，提高單個摩阻塊的摩阻系數(shù)則成為提高單個摩阻塊張緊力的唯一途徑。近年來，國外多家企業(yè)(包括意大利Remacut公司、美國Westech公司、荷蘭SAS Gouda公司等世界知名企業(yè))以及國內精研所等單位針對這一問題開展了相關研究，盡管取得了一些進展，但成效不夠顯著。因此，研發(fā)一種新型高強度一高摩阻復合材料制作摩阻塊，不僅可以有效緩解深水鋪管船張緊器對高摩阻(大張緊力)摩阻塊的急需，同時可以促進鋪管張緊器的技術改造與升級，對于國內外深水鋪管船張緊器產業(yè)的發(fā)展等都具有促進作用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是要解決現(xiàn)有深水鋪管張緊器摩阻塊存在的上述問題，提供一種以高分子聚合物為結合劑-增塑劑-調彈劑，以礦物材料為增阻-增強-增硬組分的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料及其制備方法。本發(fā)明的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料，是由丁腈橡膠、改性樹脂、礦物填料及功能材料進行改性和復合制成的，包括下述重量份的原料:
丁腈橡膠 35 43腰果油改性樹脂20 40
重晶石5 15鉻鐵礦4 10
鋯英石2 6硫化銻5 10 碳纖維5 15玻璃纖維10 20。本發(fā)明的優(yōu)選配方重量份配比范圍是:
丁腈橡膠 38 40腰果油改性樹脂31 40
重晶石8 12鉻鐵礦6 9
鋯英石4 6硫化銻6 8
碳纖維8 12玻璃纖維13 17。本發(fā)明的最優(yōu)選配方重量份配比是:
丁腈橡膠 38腰果油改性樹脂35
重晶石10絡鐵礦8
鋯英石4硫化銻7
碳纖維10玻璃纖維15。所述丁腈橡膠是用丁腈40，其中聚丙烯腈含量> 40%。所述腰果油改性樹脂中樹脂游離酚< 3%，水分< 1%。本發(fā)明的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
①塑煉將丁腈橡膠塑煉拉片，在相對濕度80% 90%的環(huán)境中放置20 26小時；②混煉將塑煉后的丁腈橡膠加入0.5 I重量份促進劑M、0.5 I重量份防老劑、20 40重量份炭黑混煉，混煉均勻后，再加入3 6重量份硫磺混煉后拉片打碎制成I ;
③礦物填料改性將重晶石、鉻鐵礦、鋯英石、硫化銻、碳纖維、玻璃纖維按量加入攪拌鍋中，加入0.5 1.5重量份改性劑，在105°C 120°C的條件下加熱攪拌5 15分鐘后，取出制成II ；
④將腰果油改性酚醛樹脂與0.4 I重量份硬酯酸鋅混合攪拌后粉碎至200目以細，制成III ；
⑤將上述步驟中制得的1、I1、III混合，攪拌10 21分鐘后，加入摩阻塊模具中，在溫度140 190°C，壓力180kg/cm2 220 kg/cm2條件下，成型1.5 2.5h,即得。所用的改性劑為鈦酸酯或鋁酸酯。本發(fā)明中所用的丁腈橡膠耐油、耐熱性好，耐磨性高，粘接力強。所用的改性樹脂為腰果油改性酚醛樹脂，韌性好，粘接力強，它們在復合材料中起以下作用:1)粘結作用與成型功能:高分子聚合物在復合材料中的主要作用之一是將粘結性較差的礦物填料粘結在一起，賦予復合粉體良好的成型性能，固化后產生較高的強度；2)增塑與調彈作用:高分子聚合物的塑性變形能力以及彈性總體好于礦物填料，它們在復合材料中承擔著增塑與調彈的主要功能。本發(fā)明中所用的礦物填料為重晶石、鉻鐵礦、鋯英石、硫化銻。其中所用的重晶石(包括合成的硫酸鋇)，成分為BaSO4，硬度:2.5 3.5，密度:4.3g/cm3，熔點:1580°C;摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨耗??；在高溫下，能形成穩(wěn)定的摩擦界面，能防止摩擦副表面擦傷，使摩擦副表面更光潔，摩擦噪音低。所用的鉻鐵礦具有較好的低溫和高溫增摩作用，鉻鐵礦中Cr2O3含量應在25% 40%，Cr2O3含量越高，增摩效果越好；顆粒越粗，摩擦系數(shù)越大。所用的鋯英石成分為ZrSiO4，硬度:7 8，密度:4.0 4.9 g/cm3，熔點:2340°C ;屬于硬質填料，少量添加即可產生良好的增摩效果·，且產生的噪聲低。所用的硫化銻組成為Sb2S3，硬度:2，密度:
4.1 4.6g/cm3，熔點:548 V ;屬于熔點較低的金屬硫化物，熔融后起粘結劑作用，可減少有機粘結劑用量；硬度較低，可降低噪聲和摩擦系數(shù)的熱衰退。這些礦物填料加入復合材料中起調節(jié)摩擦系數(shù)、增加強度、調節(jié)硬度、改善彈性、調節(jié)塑性等作用。本發(fā)明中所用的功能材料碳纖維和玻璃纖維具有力學強度高、導熱系數(shù)低以及耐高溫、耐酸堿、耐磨損、耐腐蝕、吸音、自身重量輕等優(yōu)異性能。其中所用的碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7 9倍，抗拉彈性模量為230 430Gpa亦高于鋼。所用的玻璃纖維密度為2.4 2.7g/cm3，熔點為680°C ;是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高，吸水性小，防腐、防潮、隔熱、隔音、減震性能高，其最大的特征是抗拉強度大?？估瓘姸仍跇藴薁顟B(tài)下是6.3 6.9 g/d，濕潤狀態(tài)5.4 5.8 g/d。本發(fā)明中要求礦物填料和功能材料的水分< 1%，熔點> 500°C。用本發(fā)明的高強度一高摩阻復合材料制作的摩阻塊，充分利用了高分子聚合物不同的特性進行復合改性，輔以增強與增摩材料，在30噸正壓力下不變形，不破裂，張緊力達到13.6噸，摩阻系數(shù)達到0.45，能滿足復雜工況條件下的使用要求，制得的摩阻塊綜合性能優(yōu)于國內外目前正在使用的產品。本發(fā)明所用的原料都是市售工業(yè)原料，便于采購和組織生產，并且各種原料無毒性，無國家限制或禁用的材料，不會造成環(huán)境污染；本發(fā)明制備工藝簡單，所采用的設備都是標準設備，可以節(jié)省投資，節(jié)約能源；本發(fā)明產品成本與同類產品相比基本持平，具有極大的社會效益和經濟效益。
具體實施例方式實施例1
①塑煉取35kg丁腈40塑煉拉片，在相對濕度90%的環(huán)境中放置20小時；
②混煉將塑煉后的丁腈40加入促進劑Mlkg、防老劑0.5kg、炭黑40kg混煉，混煉均勾后，再加入硫橫3kg混煉后拉片打碎制成I ;
③礦物填料改性取重晶石5kg、鉻鐵礦10kg、鋯英石6kg、硫化銻5kg、碳纖維15kg、玻璃纖維IOkg加入帶加熱裝置的攪拌鍋中,加入鈦酸酯0.5kg,在105°C的條件下加熱攪拌10分鐘后，取出制成II ；
④將腰果油改性酚醛樹脂40kg與硬酯酸鋅0.4kg混合攪拌后粉碎，制成III ；
⑤將上述步驟中制得的1、I1、III混合，攪拌21分鐘后，加入摩阻塊模具中，在溫度170°C，壓力220 kg/cm2,成型1.5h，即制得深水鋪管張緊器摩阻塊。實施例2
①塑煉取43kg丁腈40塑煉拉片，在相對濕度80%的環(huán)境中放置26小時；
②混煉將塑煉后的丁腈40加入促進劑M0.5kg、防老劑1kg、炭黑20kg混煉，混煉均勾后，再加入硫橫6kg混煉后拉片打碎制成I ;
③礦物填料改性取重晶石15 kg、鉻鐵礦4kg、鋯英石2kg、硫化銻10kg、碳纖維5kg、玻璃纖維20kg加入帶加熱裝置的攪拌鍋中，加入鋁酸酯1.5kg，在120°C的條件下加熱攪拌15分鐘后，取出制成II ；
④將腰果油改性酚醛樹脂20kg與硬酯酸鋅0.7kg混合攪拌后粉碎，制成III ；
⑤將上述步驟中制得的1、I1、III混合，攪拌10分鐘后，加入摩阻塊模具中，在溫度190°C，壓力180kg/cm2，成型2.5h，即制得深水鋪管張緊器摩阻塊。實施例3
①塑煉取40kg丁腈40塑煉拉片，在相對濕度85%的環(huán)境中放置23小時；
②混煉將塑煉后的丁腈40加入促進劑M0.75kg、防老劑0.75kg、炭黑30kg混煉，混煉均勾后，再加入硫橫4kg混煉后拉片打碎制成I ;
③礦物填料改性取重晶石8kg、鉻鐵礦9kg、鋯英石4kg、硫化銻8kg、碳纖維12kg、玻璃纖維13kg加入帶加熱裝置的攪拌鍋中，加入鈦酸酯1kg，在110°C的條件下加熱攪拌10分鐘后，取出制成II ；
④將腰果油改性酚醛樹脂31kg與硬酯酸鋅Ikg混合攪拌后粉碎，制成III；
⑤將上述步驟中制得的1、I1、III混合，攪拌15分鐘后，加入摩阻塊模具中，在溫度140°C，壓力200 kg/cm2,成型2h，即制得深水鋪管張緊器摩阻塊。實施例4
①塑煉取38kg丁腈40塑煉拉片，在相對濕度87%的環(huán)境中放置25小時；
②混煉將塑煉后的丁腈40加入促進劑M0.5kg、防老劑0.5kg、炭黑25kg混煉，混煉均勾后，再加入硫橫5kg混煉后拉片打碎制成I ;③礦物填料改性取重晶石12kg、鉻鐵礦6kg、錯英石6kg、硫化鋪6kg、碳纖維8kg、玻璃纖維17kg加入帶加熱裝置的攪拌鍋中，加入鈦酸酯0.8kg，在115°C的條件下加熱攪拌12分鐘后，取出制成II ；
④將腰果油改性酚醛樹脂40kg與硬酯酸鋅0.8kg混合攪拌后粉碎，制成III ；
⑤將上述步驟中制得的1、I1、III混合，攪拌18分鐘后，加入摩阻塊模具中，在溫度180°C，壓力210 kg/cm2,成型2.3h，即制得深水鋪管張緊器摩阻塊。實施例5
①塑煉取38kg丁腈40塑煉拉片，在相對濕度83%的環(huán)境中放置22小時；
②混煉將塑煉后的丁腈40加入促進劑M1kg、防老劑1kg、炭黑35kg混煉，混煉均勻后，再加入硫橫3kg混煉后拉片打碎制成I ;
③礦物填料改性取重晶石10kg、鉻鐵礦8kg、錯英石4kg、硫化鋪7kg、碳纖維10kg、玻璃纖維15kg加入帶加熱裝置的攪拌鍋中，加入鈦酸酯1.2kg，在107°C的條件下加熱攪拌8分鐘后，取出制成II ；
④將腰果油改性酚醛樹脂35kg與硬酯酸鋅0.5kg混合攪拌后粉碎，制成III ；
⑤將上述步驟中制得的I、II、III混合，攪拌17分鐘后，加入摩阻塊模具中，在溫度160°C，壓力190kg/cm2，成型1.8h，即制得深水鋪管張緊器摩阻塊。本發(fā)明實施例5制得的摩阻塊經檢測洛氏硬度為40，在30噸正壓力下進行張緊力試驗，其張緊力為13.6噸，摩阻系數(shù)為0.45。說明本發(fā)明實施例5制得的摩阻塊在高壓(30噸工作壓力)環(huán)境下不變形、不破裂，硬度適中、彈性適當，摩阻系數(shù)高、承壓能力強，其綜合性能遠遠高于國內外同類型產品，完全滿足深水鋪管張緊器的工況要求。 經試驗，用本發(fā)明實施例5制得的摩阻塊，需要54塊就完全能夠滿足深海管道鋪設張緊力最大為500噸的張緊器(目前國內外同類型產品需要135塊)，極大的節(jié)省了設備造價和船上空間。本發(fā)明產品不僅可以有效緩解深水鋪管船張緊器對高摩阻(大張緊力)摩阻塊的需求，同時可以促進鋪管張緊器的技術改造與升級，對國內外深水鋪管船張緊器產業(yè)的發(fā)展具有極大的促進作用。
權利要求
1.深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料，是由丁腈橡膠、改性樹脂、礦物填料及功能材料進行改性和復合制成的，其特征在于包括下述重量份的原料 丁腈橡膠 35 43腰果油改性樹脂20 40 重晶石5 15鉻鐵礦4 10 鋯英石2 6硫化銻5 10 碳纖維5 15玻璃纖維10 20。
2.根據權利要求I所述的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料，其特征在于包括下述重量份的原料 丁腈橡膠 38 40腰果油改性樹脂31 40 重晶石8 12鉻鐵礦6 9 鋯英石4 6硫化銻6 8 碳纖維8 12玻璃纖維13 17。
3.根據權利要求I所述的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料，其特征在于包括下述重量份的原料 丁腈橡膠 38腰果油改性樹脂35重晶石10絡鐵礦8鋯英石4硫化銻7 碳纖維10玻璃纖維15。
4.根據權利要求I或2或3所述的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料，其特征在于所述丁腈橡膠是用丁腈40，其中聚丙烯腈含量> 40%。
5.根據權利要求I或2或3所述的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料，其特征在于所述腰果油改性樹脂中樹脂游離酚< 3%，水分< 1%。
6.權利要求I所述的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟 ①塑煉將丁腈橡膠塑煉拉片，在相對濕度80% 90%的環(huán)境中放置20 26小時； ②混煉將塑煉后的丁腈橡膠加入O.5 I重量份促進劑M、0. 5 I重量份防老劑、20 40重量份炭黑混煉，混煉均勻后，再加入3 6重量份硫磺混煉后拉片打碎制成I ; ③礦物填料改性將重晶石、鉻鐵礦、鋯英石、硫化銻、碳纖維、玻璃纖維按量加入攪拌鍋中，加入O. 5 I. 5重量份改性劑，在105°C 120°C的條件下加熱攪拌5 15分鐘后，取出制成II ； ④將腰果油改性酚醛樹脂與O.4 I重量份硬酯酸鋅混合攪拌后粉碎至200目以細，制成III ； ⑤將上述步驟中制得的I、II、III混合，攪拌10 21分鐘后，加入摩阻塊模具中，在溫度140 190°C，壓力180kg/cm2 220 kg/cm2條件下，成型I. 5 2. 5h,即得。
7.根據權利要求6所述的深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度一高摩阻復合材料的制備方法，其特征在于所用的改性劑為鈦酸酯或鋁酸酯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種深水鋪管張緊器摩阻塊使用的高強度—高摩阻復合材料及其制備方法，是由丁腈橡膠、改性樹脂、礦物填料及功能材料進行改性和復合制成的，包括下述重量份的原料丁腈橡膠35～43，腰果油改性樹脂20～40，重晶石5～15，鉻鐵礦4～10，鋯英石2～6，硫化銻5～10，碳纖維5～15，玻璃纖維10～20；用本發(fā)明復合材料制作的單個摩阻塊在張緊器施加的30噸正壓力下張緊力可達13.6噸，摩阻系數(shù)達0.45，能滿足復雜工況條件下的使用要求；本發(fā)明制備工藝簡單，所用材料均安全無毒，不會造成環(huán)境污染且綜合性能優(yōu)于國內外同類產品，尤其適合制作深水鋪管張緊器摩阻塊，具有極大的社會效益和經濟效益。
文檔編號C08K3/04GK103254478SQ20131016754
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權日2013年5月9日
發(fā)明者孟增祥, 白志民, 汪溢汀 申請人:湖北鑫海新材料科技有限公司