油田用復(fù)合材料制品RTM成型模研究與應(yīng)用

南無疆，成子興，馮勝標(biāo)，王禮先，吳瑤

（1.太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.青島泓捷模具有限公司，山東 青島 266111；3.北玻電力復(fù)合材料有限公司，山東 棗莊 277500）

0 引言

在油田勘探與開采過程中，測(cè)井是確定和評(píng)價(jià)油、氣層的重要方法之一，也是解決一系列地質(zhì)問題的重要方式，它能為石油地質(zhì)和工程技術(shù)人員提供各項(xiàng)資料和數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了二維核磁共振井下測(cè)井儀器的研制，目前已在多地區(qū)進(jìn)行使用，總結(jié)了大量的二維核磁共振測(cè)量經(jīng)驗(yàn)及使用規(guī)律。為了縮小國(guó)產(chǎn)井下核磁共振測(cè)井技術(shù)與國(guó)際油服公司技術(shù)的差距，國(guó)內(nèi)研制的高溫高壓多維核磁共振測(cè)井儀于2020年底問世。

長(zhǎng)期以來國(guó)內(nèi)測(cè)井儀中專用的高溫、承壓復(fù)合材料絕緣體一直依賴進(jìn)口，為解決關(guān)鍵元件對(duì)國(guó)外的依賴性，國(guó)內(nèi)一些復(fù)合材料公司一直在進(jìn)行油田用復(fù)合材料元件的研究?，F(xiàn)對(duì)油田用復(fù)合材料元件泥漿排除器的成型工藝和成型模進(jìn)行試驗(yàn)與研究，以成型各項(xiàng)性能均滿足要求的異形截面復(fù)合材料絕緣管，該成型工藝和成型模的應(yīng)用節(jié)省了原材料，提升了制品的成品率。

1 復(fù)合材料絕緣件結(jié)構(gòu)及特性

1.1 復(fù)合材料絕緣件的外形及尺寸

絕緣件為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，絕緣件的外形輪廓和尺寸如圖1所示，絕緣件由筒身和兩端的連接部位組成。

圖1 絕緣件的外形及尺寸

1.2 復(fù)合材料絕緣件的性能要求和工藝難點(diǎn)

復(fù)合材料絕緣件為核磁共振測(cè)井儀部件，體積較大，其作用是排除泥漿，使探頭附近的泥漿相對(duì)較少，減少泥漿中影響測(cè)井效果的氫原子。在使用時(shí)除滿足其基本的力學(xué)性能要求外，還要求耐溫200℃、耐壓170 MPa，同時(shí)具有耐腐蝕、高耐磨等特性。復(fù)合材料絕緣件由于薄壁區(qū)域的存在，皆達(dá)到上述指標(biāo)要求存在一定的困難，所以選配合適的材料和工藝體系是保證成型制品各項(xiàng)性能的前提。

2 絕緣件工藝設(shè)計(jì)

2.1 絕緣件成型工藝確定

根據(jù)絕緣件的使用要求，選取環(huán)氧樹脂纖維增強(qiáng)材料制造，并進(jìn)行3種工藝試驗(yàn)：①纏繞工藝成型，再機(jī)加工到制品尺寸；②真空袋灌注成型，再通過機(jī)械加工到制品要求的尺寸；③采用鋼模RTM（resin transfer molding，樹脂模塑成型工藝）灌注成型。通過對(duì)比，工藝③成型的制品質(zhì)量穩(wěn)定性較好，表觀狀態(tài)也較好，內(nèi)部及表面無氣孔、裂紋等缺陷，且較前2種工藝方案節(jié)約了原材料。經(jīng)過優(yōu)化的鋼模RTM灌注工藝路線如圖2所示。

圖2 絕緣件成型工藝流程

2.2 絕緣件鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RTM成型時(shí)，將預(yù)制體或連續(xù)纖維織物放入成型模中，將樹脂注入型腔內(nèi)，通過調(diào)整模具內(nèi)部的壓力控制樹脂與纖維的浸潤(rùn)程度，固化后脫模得到復(fù)合材料制品。為保證成型制品的力學(xué)性能及其他綜合性能，制品在RTM灌注成型過程中應(yīng)避免出現(xiàn)含量高的樹脂區(qū)，故應(yīng)對(duì)纖維編織物的鋪層進(jìn)行設(shè)計(jì)，纖維布的鋪層截面如圖3所示。采用多層纖維布堆疊鋪設(shè)，每層布厚為0.2 mm，為確保所鋪布層的規(guī)整度，鋪設(shè)過程中對(duì)織物進(jìn)行縫合或用紗線勒緊,鋪設(shè)編織物時(shí)需沿芯軸的中心線對(duì)稱。鋪布過程中盡量少用噴膠，必須用時(shí)采用點(diǎn)噴噴膠方式。鋪設(shè)過程中應(yīng)確保作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在無塵、無污染及干燥的環(huán)境中進(jìn)行。

圖3 織物鋪層截面

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

3.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在RTM成型工藝中，模具結(jié)構(gòu)與成型制品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具的使用壽命等均有關(guān)系。設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)可保證成型制品具備良好的尺寸精度和表觀狀態(tài)。因此需對(duì)RTM工藝用模具的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與選取。模具各模塊之間合模精度要求高，應(yīng)設(shè)有輔助脫模裝置，保證成型制品能順利脫模；在注射壓力下模具有足夠的強(qiáng)度和剛度，是保證其密封性能的前提；為保證型腔內(nèi)樹脂流動(dòng)的合理性，需設(shè)計(jì)澆口和排氣口，模具的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。此外模具零件材質(zhì)選取還應(yīng)考慮樹脂固化放熱峰值的溫度對(duì)模具的影響。模具整體的密封性是RTM灌注的關(guān)鍵，上、下模及端蓋的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 模具整體結(jié)構(gòu)

圖5 模具密封結(jié)構(gòu)

3.2 模具生產(chǎn)制造

采用RTM工藝成型時(shí)，樹脂是在較高的流速和壓力下注入型腔內(nèi)，因此要使模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度大到足以在最大注射壓力下不變形、不破壞，且密封性良好。常見的成型模零件材料有玻璃鋼、鋁或鋼，其材料參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，玻璃鋼密度最小，但其模具零件表面易損傷，且使用壽命較短。鋁熱膨脹系數(shù)大，加工后模具零件易發(fā)生變形。所以大部分RTM模具更多采用鋼材，尤其是低合金鋼，其強(qiáng)度、剛度較高。成型模零件材料常采用P20熱作模具鋼。

表1 常見模具材料參數(shù)

根據(jù)制品的外形，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)型，模具零件剛度不足時(shí)，在合模和吊裝時(shí)容易產(chǎn)生扭曲和撓曲變形，導(dǎo)致制品成型后產(chǎn)生一定的形變。為避免模具零件變形，可以適當(dāng)增大上、下模的壁厚，由于成型制品結(jié)構(gòu)需要對(duì)模具的外形增加加強(qiáng)框架和加強(qiáng)筋板，提高其抗變形能力。設(shè)計(jì)的模具上、下模采用鑄造的毛坯料，在粗加工和消除殘余應(yīng)力后，需對(duì)模具零件的密封性進(jìn)行檢驗(yàn)，若模具的型腔有漏氣現(xiàn)象，對(duì)漏氣處進(jìn)行局部打磨、用氬弧焊補(bǔ)焊后再進(jìn)行精加工及拋光處理。生產(chǎn)完成后模具的型腔表面粗糙度≤Ra0.8 μm，以保證成型制品能順利脫模。

4 模具結(jié)構(gòu)有限元分析

4.1 合模力有限元分析

通過Abaqus有限元分析軟件對(duì)絕緣件在成型前，編織體裝入模具內(nèi)合模時(shí)上模應(yīng)力、變形進(jìn)行分析，根據(jù)模具的整體結(jié)構(gòu)，上模容易產(chǎn)生變形。模具鋼的密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.27。模具許用應(yīng)力為260 MPa，取成型模極限撓曲變形量為0.4 mm。

工作狀況主要是考察纖維編織體在芯軸上完成鋪層后，將預(yù)制體裝入密封模具型腔內(nèi)，合模時(shí)纖維編織體對(duì)模具的反作用力。分析時(shí)將模具的上、下模連接的12組螺栓孔表面固定，在上模的內(nèi)表面垂直施加20 kN的總壓力，經(jīng)計(jì)算最大應(yīng)力值為76 MPa，且為螺栓孔口的應(yīng)力集中，如圖6（a）所示，小于許用應(yīng)力260 MPa，最大變形發(fā)生在沿模具截面方向的中部，且變形由兩端向中間逐漸增大，最大變形量為0.018 mm，如圖6（b）所示，小于極限撓曲變形量0.4 mm，結(jié)構(gòu)滿足要求。

圖6 模具合模的應(yīng)力與變形仿真結(jié)果

4.2 模具簡(jiǎn)支分析

簡(jiǎn)支工況主要考察模具在工作時(shí)，由于頻繁的吊裝和轉(zhuǎn)運(yùn)，模具自身重力引起的撓曲變形。模具各個(gè)模塊是通過螺栓連接，仿真時(shí)將模具各個(gè)零件實(shí)施綁定約束，模具兩端的吊裝位置限制其周向位移，對(duì)模具施加重力，并在模具上表面施加5 kN總壓力（1.5倍模具對(duì)應(yīng)質(zhì)量的重力）。

通過計(jì)算模具最大應(yīng)力值為17 MPa，小于許用應(yīng)力260 MPa，最大變形發(fā)生在沿模具長(zhǎng)度方向的中部，變形由兩端向中間逐漸增大，最大變形量為0.023 7 mm，且是模具在沒有安裝芯軸的基礎(chǔ)上，小于極限撓曲變形量0.4 mm，如圖7所示，模具結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

圖7 簡(jiǎn)支工況成型模應(yīng)力與變形仿真結(jié)果

4.3 模具固化熱應(yīng)力分析

RTM工藝在灌注完成后要進(jìn)行高溫固化，這時(shí)需考慮樹脂固化放熱峰值的溫度對(duì)模具產(chǎn)生的熱影響。熱源輸入從模具的外表面通過熱傳導(dǎo)進(jìn)入模具的型腔，溫度為170℃，模具材料的導(dǎo)熱系數(shù)為52 kW/(m·℃)，熱膨脹系數(shù)為1.5×10-5/℃，經(jīng)計(jì)算模具由于溫度產(chǎn)生的熱變形為0.29 mm，且未考慮芯軸和制品對(duì)模具的支撐作用，模具熱變形云圖如圖8所示。

圖8 模具熱變形

5 絕緣件生產(chǎn)過程

絕緣件按規(guī)定工藝完成鋪層后將其裝入模具密封型腔內(nèi)，卸下兩端輔助工裝、合上模具，連接澆注系統(tǒng)進(jìn)行注射，如圖9所示。按總體成型工藝流程生產(chǎn)脫模后，制品表面光滑，無褶皺現(xiàn)象、無缺陷，最后對(duì)制品的兩端進(jìn)行切割、打孔、去飛邊處理，生產(chǎn)的制品如圖10所示。

圖9 絕緣件生產(chǎn)

圖10 絕緣件制品

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)、制造的RTM成型模經(jīng)過小批量絕緣件的生產(chǎn)，制品的外觀、精度尺寸和其他性能均能滿足要求，且節(jié)約了原材料，提高了生產(chǎn)效率和制品的成品率。

（2）模具各模塊間采用長(zhǎng)條形密封條和方塊形密封塊組合形式密封，密封效果良好，在壓力測(cè)試和灌注過程中沒有出現(xiàn)漏氣和滲料現(xiàn)象。

（3）通過有限元分析軟件Abaqus計(jì)算模具在合模、吊裝時(shí)的應(yīng)力與變形，制品在固化時(shí)模具熱應(yīng)變微小，模具結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，滿足成型制品批量化生產(chǎn)要求。