深水铺管张紧器摩阻块使用的高强度—高摩阻复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种深水铺管张紧器摩阻块使用的高强度

说明书

技术领域

本发明涉及一种深水铺管张紧器摩阻块使用的高强度—高摩阻复合材料及其制备方法。

背景技术

海底管道是深水油气田开发工程建设的一个重要组成部分，而铺管船是海洋管道铺设的唯一大型施工设备。张紧器是铺管船上最主要的设备之一，是夹持已焊接且经涂装保护的管道并控制其下放入海的专用设备，要求其能够实现恒张力控制。而摩阻块（俗称垫块）正是张紧器上直接与管道接触的部件，其作用是将履带上的压紧力均匀分布在管子上，产生较大的摩擦阻力，以夹持管子或拖动管线，并避免管子表面保护层机械损伤。同时，海洋铺管船随时经受着风、浪、潮的作用，其上下、左右的不规则震荡会造成管道与夹持装置（摩阻块）的不规则、不均匀受力，这就要求摩阻块具有十分优良的工作性能。

深水铺管张紧器摩阻块需满足以下4个方面的性能：

1）高强度

张紧器处于工作状态时，每块摩阻块大约承受30吨的工作压力，且摩阻块与管道处于相对运动状态，这就要求摩阻块具有高的抗压与抗剪切强度。

2）高摩阻系数

由于海洋铺管船随时经受着风、浪、潮的作用，其上下、左右的不规则震荡会造成管道与夹持装置（摩阻块）的不规则、不均匀受力。因此，摩阻块与管道表面具有高的摩阻(摩擦)系数是保证张紧器有效工作及安全施工的关键。如果摩阻系数不足或变化较大，一旦造成管道滑脱并引发生产安全事故，其经济损失是难以估量的。

3）适当的硬度

由于摩阻块与管道直接接触且两者处于相对运动状态。摩阻块硬度过大，会对管道及其保护层产生硬压伤或划伤，甚至造成管道破损；硬度过小，设备运行中摩阻块的磨损量就会增大，从而导致摩阻块使用周期缩短，不仅增加使用成本，频繁更换摩阻块还会影响施工进度，降低生产效率。

4）适当的塑性变形能力和弹性

适当的塑性变形能力和弹性是防止摩阻块发生脆性破坏以及塑性变形后恢复原状的基础。塑性变形能力太差，摩阻块很容易在突然受力或应力分布不均匀时发生脆性破裂，危及张紧器运行安全；弹性太小，一旦摩阻块发生受力变形，它将无法恢复其原状，从而影响摩阻块与管道的接触吻合度，进而降低张紧器的工作效率。塑性变形能力及弹性太强，张紧器施加到摩阻块上压力很容易通过塑性形变而损失或产生较大的波动变化，从而降低摩阻块对管道的抱紧力，容易造成管道滑脱。

目前深海铺管船使用的张紧器摩阻块主要依靠进口，其材质主要有橡胶基和弹性聚氨酯基两类。且单个摩阻块在张紧器施加的30吨正压力下的最大摩阻系数约为0.12，最大张紧力约为3.7吨。照此计算，适用于深海管道铺设的张紧力最大为500吨的张紧器，需要约135个摩阻块串联起来且同时起作用才能满足要求。这些摩阻块串联起来的长度约为34m(按每个摩阻块长度0.23m、每块之间0.02 m间隙计算)，使得整个张紧器的体积非常庞大，不仅提高了设备造价，还占用了大量船上空间，而现有的张紧器上只设置有54个摩阻块安装位置，用国内外现有的摩阻块根本无法满足张紧器工作压力为500吨的条件。因此，提高单个摩阻块最大张紧力成为解决上述问题的关键。但是，由于受管壁所能承受的夹持径向载荷的限制，张紧器对摩阻块施加的正压力不可能再提高。因此，提高单个摩阻块的摩阻系数则成为提高单个摩阻块张紧力的唯一途径。近年来，国外多家企业（包括意大利Remacut公司、美国Westech公司、荷兰SAS Gouda公司等世界知名企业）以及国内精研所等单位针对这一问题开展了相关研究，尽管取得了一些进展，但成效不够显著。因此，研发一种新型高强度—高摩阻复合材料制作摩阻块，不仅可以有效缓解深水铺管船张紧器对高摩阻（大张紧力）摩阻块的急需，同时可以促进铺管张紧器的技术改造与升级，对于国内外深水铺管船张紧器产业的发展等都具有促进作用。

发明内容

本发明的目的就是要解决现有深水铺管张紧器摩阻块存在的上述问题，提供一种以高分子聚合物为结合剂-增塑剂-调弹剂，以矿物材料为增阻-增强-增硬组分的深水铺管张紧器摩阻块使用的高强度—高摩阻复合材料及其制备方法。

本发明的深水铺管张紧器摩阻块使用的高强度—高摩阻复合材料，是由丁腈橡胶、改性树脂、矿物填料及功能材料进行改性和复合制成的，包括下述重量份的原料：

丁腈橡胶      35～43           腰果油改性树脂        20～40

重晶石        5～15            铬铁矿                4～10

锆英石        2～6             硫化锑                5～10

碳纤维        5～15            玻璃纤维              10～20。

本发明的优选配方重量份配比范围是：

丁腈橡胶      38～40           腰果油改性树脂        31～40

重晶石        8～12            铬铁矿                6～9

锆英石        4～6             硫化锑                6～8

碳纤维        8～12            玻璃纤维              13～17。

本发明的最优选配方重量份配比是：

丁腈橡胶      38               腰果油改性树脂        35

重晶石        10               铬铁矿                8

锆英石        4                硫化锑                7

碳纤维        10               玻璃纤维              15。

所述丁腈橡胶是用丁腈40，其中聚丙烯腈含量≥40%。

所述腰果油改性树脂中树脂游离酚≤3%，水分≤1%。

本发明的深水铺管张紧器摩阻块使用的高强度—高摩阻复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

①塑炼  将丁腈橡胶塑炼拉片，在相对湿度80%～90%的环境中放置20～26小时；

②混炼  将塑炼后的丁腈橡胶加入0.5～1重量份促进剂M、0.5～1重量份防老剂、20～40重量份炭黑混炼，混炼均匀后，再加入3～6重量份硫磺混炼后拉片打碎制成Ⅰ； 

③矿物填料改性  将重晶石、铬铁矿、锆英石、硫化锑、碳纤维、玻璃纤维按量加入搅拌锅中，加入0.5～1.5重量份改性剂，在105℃～120℃的条件下加热搅拌5～15分钟后，取出制成Ⅱ；

④将腰果油改性酚醛树脂与0.4～1重量份硬酯酸锌混合搅拌后粉碎至200目以细，制成Ⅲ；

⑤将上述步骤中制得的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合，搅拌10～21分钟后，加入摩阻块模具中，在温度140～190℃，压力180kg/cm²～220 kg/cm²条件下，成型1.5～2.5h，即得。

所用的改性剂为钛酸酯或铝酸酯。

本发明中所用的丁腈橡胶耐油、耐热性好，耐磨性高，粘接力强。所用的改性树脂为腰果油改性酚醛树脂，韧性好，粘接力强，它们在复合材料中起以下作用：1）粘结作用与成型功能：高分子聚合物在复合材料中的主要作用之一是将粘结性较差的矿物填料粘结在一起，赋予复合粉体良好的成型性能，固化后产生较高的强度；2）增塑与调弹作用：高分子聚合物的塑性变形能力以及弹性总体好于矿物填料，它们在复合材料中承担着增塑与调弹的主要功能。

本发明中所用的矿物填料为重晶石、铬铁矿、锆英石、硫化锑。其中所用的重晶石（包括合成的硫酸钡），成分为BaSO₄，硬度：2.5～3.5，密度：4.3g/cm³，熔点：1580℃；摩擦系数稳定，磨耗小；在高温下，能形成稳定的摩擦界面，能防止摩擦副表面擦伤，使摩擦副表面更光洁，摩擦噪音低。所用的铬铁矿具有较好的低温和高温增摩作用，铬铁矿中Cr₂O₃含量应在25%～40%， Cr₂O₃含量越高，增摩效果越好；颗粒越粗，摩擦系数越大。所用的锆英石成分为ZrSiO₄，硬度：7～8，密度：4.0～4.9 g/cm³，熔点：2340℃；属于硬质填料，少量添加即可产生良好的增摩效果，且产生的噪声低。所用的硫化锑组成为Sb₂S₃，硬度：2，密度：4.1～4.6g/cm³，熔点：548 ℃；属于熔点较低的金属硫化物，熔融后起粘结剂作用，可减少有机粘结剂用量；硬度较低，可降低噪声和摩擦系数的热衰退。这些矿物填料加入复合材料中起调节摩擦系数、增加强度、调节硬度、改善弹性、调节塑性等作用。

本发明中所用的功能材料碳纤维和玻璃纤维具有力学强度高、导热系数低以及耐高温、耐酸碱、耐磨损、耐腐蚀、吸音、自身重量轻等优异性能。其中所用的碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa亦高于钢。所用的玻璃纤维密度为2.4～2.7g/cm³，熔点为680℃；是一种性能优异的无机非金属材料，绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，吸水性小，防腐、防潮、隔热、隔音、减震性能高，其最大的特征是抗拉强度大。抗拉强度在标准状态下是6.3～6.9 g/d，湿润状态5.4～5.8 g/d。

本发明中要求矿物填料和功能材料的水分≤1%，熔点＞500℃。

用本发明的高强度—高摩阻复合材料制作的摩阻块，充分利用了高分子聚合物不同的特性进行复合改性，辅以增强与增摩材料，在30吨正压力下不变形，不破裂，张紧力达到13.6吨，摩阻系数达到0.45，能满足复杂工况条件下的使用要求，制得的摩阻块综合性能优于国内外目前正在使用的产品。

本发明所用的原料都是市售工业原料，便于采购和组织生产，并且各种原料无毒性，无国家限制或禁用的材料，不会造成环境污染；本发明制备工艺简单，所采用的设备都是标准设备，可以节省投资，节约能源；本发明产品成本与同类产品相比基本持平，具有极大的社会效益和经济效益。

具体实施方式

实施例1

①塑炼  取35kg丁腈40塑炼拉片，在相对湿度90%的环境中放置20小时；

②混炼  将塑炼后的丁腈40加入促进剂M1kg、防老剂0.5kg、炭黑40kg混炼，混炼均匀后，再加入硫磺3kg混炼后拉片打碎制成Ⅰ；

③矿物填料改性  取重晶石5kg、铬铁矿10kg、锆英石6kg、硫化锑5kg、碳纤维15kg、玻璃纤维10kg加入带加热装置的搅拌锅中，加入钛酸酯0.5kg，在105℃的条件下加热搅拌10分钟后，取出制成Ⅱ；

④将腰果油改性酚醛树脂40kg与硬酯酸锌0.4kg混合搅拌后粉碎，制成Ⅲ；

⑤将上述步骤中制得的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合，搅拌21分钟后，加入摩阻块模具中，在温度170℃，压力220 kg/cm²,成型1.5h，即制得深水铺管张紧器摩阻块。

实施例2

①塑炼  取43kg丁腈40塑炼拉片，在相对湿度80%的环境中放置26小时；

②混炼  将塑炼后的丁腈40加入促进剂M 0.5kg、防老剂1kg、炭黑20kg混炼，混炼均匀后，再加入硫磺6kg混炼后拉片打碎制成Ⅰ；

③矿物填料改性  取重晶石15kg、铬铁矿4kg、锆英石2kg、硫化锑10kg、碳纤维5kg、玻璃纤维20kg加入带加热装置的搅拌锅中，加入铝酸酯1.5kg，在120℃的条件下加热搅拌15分钟后，取出制成Ⅱ；

④将腰果油改性酚醛树脂20kg与硬酯酸锌0.7kg混合搅拌后粉碎，制成Ⅲ；

⑤将上述步骤中制得的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合，搅拌10分钟后，加入摩阻块模具中，在温度190℃，压力180kg/cm²,成型2.5h，即制得深水铺管张紧器摩阻块。

实施例3

①塑炼  取40kg丁腈40塑炼拉片，在相对湿度85%的环境中放置23小时；

②混炼  将塑炼后的丁腈40加入促进剂M 0.75kg、防老剂0.75kg、炭黑30kg混炼，混炼均匀后，再加入硫磺4kg混炼后拉片打碎制成Ⅰ；

③矿物填料改性  取重晶石8kg、铬铁矿9kg、锆英石4kg、硫化锑8kg、碳纤维12kg、玻璃纤维13kg加入带加热装置的搅拌锅中，加入钛酸酯1kg，在110℃的条件下加热搅拌10分钟后，取出制成Ⅱ；

④将腰果油改性酚醛树脂31kg与硬酯酸锌1kg混合搅拌后粉碎，制成Ⅲ；

⑤将上述步骤中制得的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合，搅拌15分钟后，加入摩阻块模具中，在温度140℃，压力200 kg/cm²,成型2h，即制得深水铺管张紧器摩阻块。

实施例4

①塑炼  取38kg丁腈40塑炼拉片，在相对湿度87%的环境中放置25小时；

②混炼  将塑炼后的丁腈40加入促进剂M0.5kg、防老剂0.5kg、炭黑25kg混炼，混炼均匀后，再加入硫磺5kg混炼后拉片打碎制成Ⅰ；

③矿物填料改性  取重晶石12kg、铬铁矿6kg、锆英石6kg、硫化锑6kg、碳纤维8kg、玻璃纤维17kg加入带加热装置的搅拌锅中，加入钛酸酯0.8kg，在115℃的条件下加热搅拌12分钟后，取出制成Ⅱ；

④将腰果油改性酚醛树脂40kg与硬酯酸锌0.8kg混合搅拌后粉碎，制成Ⅲ；

⑤将上述步骤中制得的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合，搅拌18分钟后，加入摩阻块模具中，在温度180℃，压力210 kg/cm²,成型2.3h，即制得深水铺管张紧器摩阻块。

实施例5

①塑炼  取38kg丁腈40塑炼拉片，在相对湿度83%的环境中放置22小时；

②混炼  将塑炼后的丁腈40加入促进剂M 1kg、防老剂1kg、炭黑35kg混炼，混炼均匀后，再加入硫磺3kg混炼后拉片打碎制成Ⅰ；

③矿物填料改性  取重晶石10kg、铬铁矿8kg、锆英石4kg、硫化锑7kg、碳纤维10kg、玻璃纤维15kg加入带加热装置的搅拌锅中，加入钛酸酯1.2kg，在107℃的条件下加热搅拌8分钟后，取出制成Ⅱ；

④将腰果油改性酚醛树脂35kg与硬酯酸锌0.5kg混合搅拌后粉碎，制成Ⅲ；

⑤将上述步骤中制得的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合，搅拌17分钟后，加入摩阻块模具中，在温度160℃，压力190kg/cm²,成型1.8h，即制得深水铺管张紧器摩阻块。

本发明实施例5制得的摩阻块经检测洛氏硬度为40，在30吨正压力下进行张紧力试验，其张紧力为13.6吨，摩阻系数为0.45。说明本发明实施例5制得的摩阻块在高压（30吨工作压力）环境下不变形、不破裂，硬度适中、弹性适当，摩阻系数高、承压能力强，其综合性能远远高于国内外同类型产品，完全满足深水铺管张紧器的工况要求。

经试验，用本发明实施例5制得的摩阻块，需要54块就完全能够满足深海管道铺设张紧力最大为500吨的张紧器（目前国内外同类型产品需要135块），极大的节省了设备造价和船上空间。本发明产品不仅可以有效缓解深水铺管船张紧器对高摩阻（大张紧力）摩阻块的需求，同时可以促进铺管张紧器的技术改造与升级，对国内外深水铺管船张紧器产业的发展具有极大的促进作用。