油田用復合材料制品RTM成型模研究與應用

南無疆，成子興，馮勝標，王禮先，吳瑤

（1.太原科技大學 重型機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，測井是確定和評價油、氣層的重要方法之一，也是解決一系列地質問題的重要方式，它能為石油地質和工程技術人員提供各項資料和數據。根據需要，國內進行了二維核磁共振井下測井儀器的研制，目前已在多地區進行使用，總結了大量的二維核磁共振測量經驗及使用規律。為了縮小國產井下核磁共振測井技術與國際油服公司技術的差距，國內研制的高溫高壓多維核磁共振測井儀于2020年底問世。

長期以來國內測井儀中專用的高溫、承壓復合材料絕緣體一直依賴進口，為解決關鍵元件對國外的依賴性，國內一些復合材料公司一直在進行油田用復合材料元件的研究。現對油田用復合材料元件泥漿排除器的成型工藝和成型模進行試驗與研究，以成型各項性能均滿足要求的異形截面復合材料絕緣管，該成型工藝和成型模的應用節省了原材料，提升了制品的成品率。

1 復合材料絕緣件結構及特性

1.1 復合材料絕緣件的外形及尺寸

絕緣件為玻璃纖維增強復合材料，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 復合材料絕緣件的性能要求和工藝難點

復合材料絕緣件為核磁共振測井儀部件，體積較大，其作用是排除泥漿，使探頭附近的泥漿相對較少，減少泥漿中影響測井效果的氫原子。在使用時除滿足其基本的力學性能要求外，還要求耐溫200℃、耐壓170 MPa，同時具有耐腐蝕、高耐磨等特性。復合材料絕緣件由于薄壁區域的存在，皆達到上述指標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性能的前提。

2 絕緣件工藝設計

2.1 絕緣件成型工藝確定

根據絕緣件的使用要求，選取環氧樹脂纖維增強材料制造，并進行3種工藝試驗：①纏繞工藝成型，再機加工到制品尺寸；②真空袋灌注成型，再通過機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。通過對比，工藝③成型的制品質量穩定性較好，表觀狀態也較好，內部及表面無氣孔、裂紋等缺陷，且較前2種工藝方案節約了原材料。經過優化的鋼模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 絕緣件鋪層結構設計

RTM成型時，將預制體或連續纖維織物放入成型模中，將樹脂注入型腔內，通過調整模具內部的壓力控制樹脂與纖維的浸潤程度，固化后脫模得到復合材料制品。為保證成型制品的力學性能及其他綜合性能，制品在RTM灌注成型過程中應避免出現含量高的樹脂區，故應對纖維編織物的鋪層進行設計，纖維布的鋪層截面如圖3所示。采用多層纖維布堆疊鋪設，每層布厚為0.2 mm，為確保所鋪布層的規整度，鋪設過程中對織物進行縫合或用紗線勒緊,鋪設編織物時需沿芯軸的中心線對稱。鋪布過程中盡量少用噴膠，必須用時采用點噴噴膠方式。鋪設過程中應確保作業現場在無塵、無污染及干燥的環境中進行。

圖3 織物鋪層截面

3 模具結構設計與制造

3.1 模具結構設計

在RTM成型工藝中，模具結構與成型制品的質量、生產效率、模具的使用壽命等均有關系。設計合理的模具結構可保證成型制品具備良好的尺寸精度和表觀狀態。因此需對RTM工藝用模具的結構及材質進行合理的設計與選取。模具各模塊之間合模精度要求高，應設有輔助脫模裝置，保證成型制品能順利脫模；在注射壓力下模具有足夠的強度和剛度，是保證其密封性能的前提；為保證型腔內樹脂流動的合理性，需設計澆口和排氣口，模具的總體結構如圖4所示。此外模具零件材質選取還應考慮樹脂固化放熱峰值的溫度對模具的影響。模具整體的密封性是RTM灌注的關鍵，上、下模及端蓋的密封結構如圖5所示。

圖4 模具整體結構

圖5 模具密封結構

3.2 模具生產制造

采用RTM工藝成型時，樹脂是在較高的流速和壓力下注入型腔內，因此要使模具的結構強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。鋁熱膨脹系數大，加工后模具零件易發生變形。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

根據制品的外形，設計的模具結構為細長型，模具零件剛度不足時，在合模和吊裝時容易產生扭曲和撓曲變形，導致制品成型后產生一定的形變。為避免模具零件變形，可以適當增大上、下模的壁厚，由于成型制品結構需要對模具的外形增加加強框架和加強筋板，提高其抗變形能力。設計的模具上、下模采用鑄造的毛坯料，在粗加工和消除殘余應力后，需對模具零件的密封性進行檢驗，若模具的型腔有漏氣現象，對漏氣處進行局部打磨、用氬弧焊補焊后再進行精加工及拋光處理。生產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 模具結構有限元分析

4.1 合模力有限元分析

通過Abaqus有限元分析軟件對絕緣件在成型前，編織體裝入模具內合模時上模應力、變形進行分析，根據模具的整體結構，上模容易產生變形。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，將預制體裝入密封模具型腔內，合模時纖維編織體對模具的反作用力。分析時將模具的上、下模連接的12組螺栓孔表面固定，在上模的內表面垂直施加20 kN的總壓力，經計算最大應力值為76 MPa，且為螺栓孔口的應力集中，如圖6（a）所示，小于許用應力260 MPa，最大變形發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，結構滿足要求。

圖6 模具合模的應力與變形仿真結果

4.2 模具簡支分析

簡支工況主要考察模具在工作時，由于頻繁的吊裝和轉運，模具自身重力引起的撓曲變形。模具各個模塊是通過螺栓連接，仿真時將模具各個零件實施綁定約束，模具兩端的吊裝位置限制其周向位移，對模具施加重力，并在模具上表面施加5 kN總壓力（1.5倍模具對應質量的重力）。

通過計算模具最大應力值為17 MPa，小于許用應力260 MPa，最大變形發生在沿模具長度方向的中部，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上，小于極限撓曲變形量0.4 mm，如圖7所示，模具結構剛度滿足要求。

圖7 簡支工況成型模應力與變形仿真結果

4.3 模具固化熱應力分析

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

圖8 模具熱變形

5 絕緣件生產過程

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

圖9 絕緣件生產

圖10 絕緣件制品

6 結束語

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

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

（3）通過有限元分析軟件Abaqus計算模具在合模、吊裝時的應力與變形，制品在固化時模具熱應變微小，模具結構具有足夠的強度和剛度，滿足成型制品批量化生產要求。