книги из ГПНТБ / Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности

охлаждении кабеля, из-за различия коэффициентов темпе­ ратурного расширения меди и пластмассы (полиэтилена) вызывают образование петель на токопроводящей жиле. Это связано с тем, что полиэтилен, расширяясь значительно больше меди, передает растягивающие осевые усилия на жилу, в результате чего возможны необратимые удлинения ее проволок, сопровождающиеся при охлаждении изоляции петлеобразованием. Применение стале-медной жилы взамен медной значительно повышает надежность кабеля за счет ее большего модуля упругости и напряжения начала теку­ чести.

Недостаток таких жил—сравнительно большая трудоем­ кость изготовления и завышенный диаметр, что приводит к некоторому увеличению диаметра кабеля. Кроме того, вследствие значительной разницы в коэффициентах терми­ ческого расширения стали и меди при повышенных темпе­ ратурах возможно возникновение механических напряже­ ний, приводящих к нарушению „агрегатности“ жилы, а следовательно, и целостности изоляционных оболочек. Ге­ терогенность стале-медной жилы может привести к возник­ новению при высоких температурах гальванических эффек­ тов. Кроме того, наблюдаются случаи полного пережигания жил при пробое изоляции во время водных испытаний.

Токопроводящие жилы из медных проволок, имеющие минимальное сопротивление и минимальный диаметр, но в то же время и минимальную разрывную прочность, приме­ няются в каротажных кабелях с достаточно жесткой изоля­ цией (фторлон-40 Ш, ПЭНД и др.), препятствующей рас­ тяжению их выше предела упругих деформаций. Низкая разрывная прочность способствует увеличению электриче­ ского сопротивления жил в результате их вытяжки при из­ готовлении кабелей на различных технологических переде­ лах не только вследствие большого веса отдающих катушек, но и по другим причинам технологического характера. Комби­ нированные (в частности стале-медные) жилы, несмотря на при­ сущие им недостатки, наиболее полно соответствуют требо­ ваниям, предъявляемым к каротажным кабелям больших строительных длин, и применяются со всеми видами изо­ ляции.

Вкаротажных кабелях с малым диаметром жил (нап­ ример, многожильный малогабаритный для сейсморазведки) находит применение биметаллическая проволока, обладаю­ щая достаточно высокой механической прочностью и элект­ ропроводностью.

Внастоящее время проводятся работы по созданию жил каротажных кабелей из специальных сплавов, допускающих получение у жил (при минимальном диаметре) оптимальных

111

соотношений таких параметров, как механическая прочность, стойкость к изгибам и знакопеременным нагрузкам, элект­ ропроводность и т. д. Например, разрывная прочность про­ волоки из низкоомного сплава ХОТ по ТУ 08—110—68 в 2—2,5 раза выше, чем у меди, электропроводность ее ни­ же, чем у меди только в 1,6—1,7 раза, а упругие свойства почти такие же, как у стали. Применение этой проволоки позволяет избежать недостатков, свойственных стале-мед- ной и медной жилам, и создать однородную конструкцию жилы, на которую могут наноситься жаростойкие защищаю­ щие от окисления покрытия (серебро, никель и др.), рав­ ноценную по сопротивлению постоянному току при одина­ ковом диаметре и разрывном усилии стале-медной жиле.

Можно проследить определенную аналогию между опи­ санной токопроводящей жилой с проволоками из сплава ХОТ и жилой кабеля геоф. ст. „Халибуртон“ (США). Пос­ ледняя—стале-медная, но применение легирующих добавок в оптимальных соотношениях уменьшает отличия по неко­ торым механическим характеристикам „стальных“ и „мед­ ных“ проволок. „Медная“ соответствует по свойствам про­ волоке марки МТ по ГОСТу 2112—46, однако ее разрыв­ ная прочность ниже. „Стальная“ по своим характеристикам похожа на стальную отожженную. Токопроводящая жила кабеля геоф. ст. „Халибуртон“ состоит из семи проволок (4 с диаметром 0,54 мм и 3 с диаметром 0,49 мм)\ „оми­ ческое“ сопротивление жилы — 9,3 ом\км.

Характеристики проволок таковы:

112

Анализ факторов, действующих на жилу, показывает, что критерий (1—3—1) устойчивости токопроводящей жи­ лы к обрывам необходим, но не всегда достаточен, в част­

все точки кривой 2, полупим 2'в системе координат с цент­ ром в точке О (рис. 11, б). Точка пересечения кривой 2 с осью абсцисс системы координат с центром в точке О пока­ зывает относительную величину предварительной дефор­ мации и нагрузки токопроводящей жилы в кабеле до момента приложения растягивающего усилия к кабелю. Величина предварительной деформации жилы составляет:

растягивающее усилие ~ 48 кгс (— 62% от ее разрывной прочности), относительное удлинение-0,84%.

Анализ показывает, что предварительная деформация получена жилой в процессе изготовления кабеля, в основ­ ном при его бронировании, и обусловлена рядом факторов.

Для плотного наложения проволочной брони на изоли­ рованную жилу необходимо создание обжатия, величину которого можно определить как

Вследствие податливости изоляционно-защитных оболо­ чек и обжатия их при наложении первого повива брони на жилу действует усилие, тангенциальная составляющая ко­ торого направлена в сторону, противоположную движению кабеля при бронировании. Под его воздействием в зоне между калибром и устройством для предварительной де­ формации проволоки брони происходит смещение по жиле резиновой оболочки и хлопчатобумажной оплетки, что и создает, в силу трения между жилой и изоляцией, напряжен­ ное состояние токопроводящей жилы в кабеле.

Для аналогичных кабелей с резиновой изоляцией и двойной броней предварительное натяжение в жиле состав­ ляет 45-1-55 кгс. Очевидно, что чем меньше предваритель­ ная деформация жилы, тем шире полезный диапазон ее использования. Предварительное относительное удлинение при бронировании еж. бр зависит от отношения предвари­ тельной нагрузки жилы при бронировании Р ж. бр к разрыв­ ному усилию ЖИЛЫ Р ж. разр:

Поскольку Рж для данной конструкции — постоянная ве­ личина, предварительное относительное удлинение жилы уменьшается с увеличением ее разрывного усилия и полез­ ный диапазон удлиненной жилы

ного кабеля увеличивается „полезный“ диапазон ее относи­

114

г

где s — относительное удлинение кабеля; Ѳ — кручение кабеля;

Гж,аж — радиус и угол скрутки проволок жилы (знак плюс выбирается в случае закручивания повива, минус — при раскручивании).

Под действием свободно подвешенного груза, веса ка­

нагрузки KK

%

%

- н

§ -»у

V-

s* t 5 §

'l«? II V

~

& 5 % § 5 $

. и

Рис. 12. Эпюры напряжений в жилах и броне кабеля КОБДФ-6 от его веса, груза и температуры в сечениях 1= 0 и 1 = L (по Мамаеву).

оболочек кабель удлиняется и раскручивается. Все сущест­ вующие кабели являются частично неуравновешенными от кручения. В связи с этим М. Ф. Глушко, Э. А. Шахназаряном и Л. М. Мамаевым предложен принцип создания неу­ длиняющихся ТПЖ, основанный на частичной неуравнове­ шенности кабелей: при раскручивании кабеля противопо­ ложно скрученные жилы закручиваются и, следовательно, укорачиваются. Поэтому можно выбрать такие параметры

117

скрутки кабеля, при которых удлинение жил, вызванное удлинением кабеля, компенсируется их укорочением от за­ кручивания.

Эти параметры можно получить из уравнения (2 -- 5 - 2 4 ) при «л= 0 . В этом случае

Поскольку отношение агрегатных деформаций в основном определяется конструкцией брони и для данного кабеля является величиной постоянной, выполнение условия не­

растяжимости жил e s 13 0 обеспечивается в широком диа- g

пазоне нагрузок. При свободной подвеске груза е/ѳ= — — *

Анализ показывает, что полное выполнение условия нерас­ тяжимости жил при постоянном отношении агрегатных де­ формаций в ряде случаев неосуществимо, так как приводит к невыполнению требований к кабелю в отношении диаметра жилы, ее шага скрутки и т. д.

Так, при существующих конструкциях брони и токопро­ водящих жил двухбронных кабелей (В/С при нормальной температуре для одножильных КОБД-4, КОБД-6, КОБДФ-6 составляют соответственно 2,5; 3,83; 3,46) выполнение ус­ ловия нерастяжимости жил потребовало бы уменьшения шага скрутки до нереальной величины (h < d„p). Увеличение же диаметра жилы, при прочих равных условиях, иногда нецелесообразно, так как в конечном счете приводит к уве­ личению диаметра кабеля.

В случае невозможности изменения конструкции жилы (гж н d») условие нерастяжимости их можно выполнить из­ менением конструкции брони для получения необходимого соотношения ее агрегатных деформаций.

При изгибе кабеля на барабане лебедки и роликах сво­ бодному смещению винтовых элементов брони и жилы пре­ пятствуют силы трения, от чего в проволоках возникают до­ полнительные осевые усилия, а в проволоках изолированной ТПЖ, кроме того,—дополнительные напряжения, обуслов­ ленные сопротивлением изоляционной оболочки смещению

где (1 — коэффициент Пуассона,

118

фактору проволочное™ к пр, учитывающему количество и

и угла скрутки кпр повышается, так как увеличивается кон­ тактная поверхность. В некоторых случаях сумма сил, дей­ ствующих на жилу, может находиться в районе предела текучести составляющих ее проволок. В результате этого стойкость гибких жил, изолированных материалами с высо­ ким модулем упругости (полиэтилен, фторлон-40Ш и др.) к многократным перегибам, может быть значительно ниже, чем у жил, изолированных более эластичными материа­ лами.

Дополнительное усилие в проволоках от влияния упру­ гой оболочки может быть рассчитано. Так, при равномерном изгибе бронированного кабеля с наложенной поверх брони защитной упругой неметаллической оболочкой око было оп­

ными допущениями можно применять для расчета дополни-

U9