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

изоляции из ориентированного пленочного фторлона-4 и ка­ ландрированной пленки фторлона-4Д, видимо, наилучшим является способ запечки ее в газовой, в частности воздуш­ ной, среде. Он обеспечивает отсутствие в изоляции загряз­ нений в связи с технологией запечки изоляции в средах расплавленных металлов или солей.

Основным рабочим узлом установки (рис. 16), разрабо­ танной в ТашНИКИ, является жаропрочная стальная труба

Рис. 16. Схема установки для термообработки изоляции из ленточного фторлона-4(-4Д):

1 - отдающее устройство; 2 —изолированная жила;

3 —труба с контактным нагревом; 4—охлаждающее устрой­ ство; 5 — приемное устройство.

длиной 4 м и диаметром 40 мм (камера нагрева), по кото­ рой пропускается вторичный ток трансформатора (контакт­ ный нагрев). По трубе аварийного охлаждения в камеру нагрева при аварийных остановках подается сжатый воздух для предотвращения сгорания изоляции, находящейся в ка­ мере части жилы. Контактный нагрев позволяет быстрый подъем температуры, но не обеспечивает постоянства тем­ пературы трубы по длине вследствие более интенсивного охлаждения ее концов.

В опытах 1966 — 1967 гг. температура, фиксируемая тер­ мопарой в средней части трубы, составляла 400 ± 10"С,

160

Лигіейнай скорость термообработки не превышала 5 мІмиН. Качество спекания лент по длине жилы было неравномер­ ным. Количество дефектов — в большинстве случаев по­ вреждения изоляции до токопроводящей жилы, существен­ но снижающие сопротивления изоляции, — на строительную

Рис. і7. Распределение температуры по длине трубы установки (а) и зависимбйТь скорости термообработки от температуры (б).

При таком режиме была произведена термообработка изоля­ ции 4 строительных длин (по 7 800—8 000 м) жилы геофизичес­ ких кабелей. Время термообработки одной строительной дли-

11-3612

из ленточного Ф-4 (Ф-4Д) жил геофизических кабелей производится при других температурах, то необходимая ско­ рость протягивания жилы определяется кривой на рис. 17, б.

Наряду с уменьшением абсолютного числа дефектов

установки, большие колебания температуры около заданного значения и т. д.), так как в случае отсутствия дефектов на полную толщину изоляции рѵиз после починки на два порядка выше, чем у жил, имевших починки на полную толщину изоляции.

Одним из путей ликвидации возможности прогаров изо­ ляции в нагревательной трубе при аварийном и нормальном

ной длины до 40 час. и более. За такой большой промежу­ ток времени возможна остановка установки по различным причинам: аварийное отключение электроэнергии, поломка механической части электрического оборудования и т. д., что может привести в полную негодность строительную длину жилы. Дальнейшей модернизацией установки преду­ сматривается увеличение технологической скорости и повы­ шение качества запечки, одним из необходимых условий которых является выравнивание температуры вдоль трубы.

Применение индукционного (или электрического) нагрева с дополнительными обмотками для компенсации краевого эффекта—один из способов ликвидации неравномерного по длине нагрева трубы. Так, использование этого способа в 1971 г. позволило не только повысить качество термообра­ ботки фторлоновой пленочной изоляции, но и существенно

средней части трубы 570°С — 11 м/мин. Наличие инерцион­ ного звена — нагревательной трубы — при существующей

162

системе позиционного регулирования температуры вызывает

ного нагрева жилы для термообработки пленочной фторлоновой изоляции. Значительные работы в этом направлении проведены во ВНИИКП [133— 135].

Сравнением трех возможных способов спекания фторлоновой пленочной изоляции (нагрев изоляции в воздушной среде, жидком теплоносителе и со стороны токопроводящей жилы) выявлено, что время установления стационарного про­ цесса теплопередачи, необходимого для спекания всего объема изоляции, при прочих равных условиях: для первого составляет несколько минут, второго — 40-3 90 сек., треть­ его—не более 5 — 10 сек. Темпы нагревания, соответствен­

высокочастотного нагрева жилы целесообразно при повышен­ ных сечениях проводников, по крайней мере, более 2 мм1. При длине индуктора, равной 2 м, номинальной колебатель­ ной мощности установки, равной 60 кет, и диапазоне час­ тот 60-374 кгц технологическая скорость термообработки изоляции находится, в зависимости от диаметра жилы и тол­

симумом. Учитывая небольшое сечение токопроводящих жил каротажных кабелей, можно ожидать, что термообработка их изоляции путем высокочастотного нагрева жилы, видимо, не сможет обеспечить получение технологических скоростей, необходимых для изготовления жил строительными дли­ нами 8 км и более.

Можно ожидать, что оптимальная производительность процесса запечки при условии равномерного пропекания всего объема изоляции достижима ее нагревом одновременно изнутри и извне, причем энергетически выгоднее нагрев извне производить не в воздушной или газовой средах, а в среде жидкого теплоносителя (лучше всего в теплостой­ кой диэлектрической жидкости, например, силиконовой).

Применение диэлектрического нагрева ленточного Ф- 4 проблематично вследствие малого значения tg 5. По-види­ мому, более перспективно применение для нагрева инфра­ красных излучателей. Действительно, при нагревании жилы

163

в трубе вклад теплопроводности и конвекции в т6шіогіереі дачу очень незначителен [151], основная передача тепла происходит за счет теплового излучения. Для рабочего диапазона температур запекания 400 4-580°С длина волны максимума излучаемой энергии составляет 4,28 4-3,39 мк и находится в области инфракрасного (ИК) излучения [137]. Таким образом, теплопередача к изоляции жилы при про­ хождении ее через нагреваемые любым способом трубы происходит через ИК-излучение. Такой тип нагрева, кроме его инерционности, имеет малый к. п. д., требует высокой чистоты обработки внутренней поверхности трубы. Опти­ мальный вариант исключения перечисленных недостатков — применение нагрева изоляции при помощи кварцевых (трубчатых) ИКнагревателей, достоинством которых явля­ ются безынерционность, возможность концентрации переда­

КП позволило уменьшить длину зоны нагрева в 4 раза при

внутри трубы, имеющей охлаждающую водяную рубашку. Анализ показывает, что оптимальным вариантом для за­ печки изоляции жил строительной длиной 10 км и выше явля­ ется установка, обеспечивающая нагрев изоляции ИКизлуча­ телями, с предварительным нагревом токопроводящей жилы токами высокой частоты с целью выравнивания температуры

по толщине изоляции.

Однако несмотря на оптимальность установки с ИКна­ гревателем, она, по-видимому, не обладает высокой экс­ плуатационной надежностью. Поэтому не исключено, что будущие установки для спекания пленочной изоляции бу­ дут основаны на применявшемся до сих пор принципе. Од­ нако отдельные элементы должны быть существенно усо­ вершенствованы. В частности, необходима надежная герме­ тизация рабочего объема, в котором производится термо­ обработка, и проведение процесса запечки в инертной сре­ де с периодическим или непрерывным удалением выделяю­ щихся газообразных продуктов. Прототипом может служить один из вариантов установки ОКБ КП, в котором изолиро­ ванная жила подается через водяной затвор в вертикальную трубу, составленную из 4- х муфельных печей; газообраз­ ные продукты термообработки выводятся через верхнюю часть трубы.

Температура и экспозиция запечки и охлаждения значи­ тельно влияют на электрические и механические характе­ ристики изоляции. Длительная выдержка при 310°С и мед-

164

ленное охлаждение повышают степень кристалличности,

боких скважин с комбинированной пленочной изоляцией из фторлона-4 и-4Д показывает, что на электрические харак­ теристики запеченной изоляции, кроме температуры, значи­ тельно влияют и степень вытяжки пленки при наложении, степень ориентации, стабильность режима при термообра­ ботке и др. В диапазоне времен запечки 604-200 сек. при 380°С удельное сопротивление запеченной изоляции возрас­

степени кристалличности фторлона, так как из-за малой теп­ лопроводности охлаждение его при большей экспозиции тер­ мообработки происходит в течение более длительного времени.

Запечка пленочной изоляции уменьшает ее электриче­ скую прочность. Средние значения пробивных напряжений составляют для незапеченной изоляции 18,8, запеченной — 11,4 кв (температура запечки 580°С).

При 200°С сопротивление изоляции из ориентированных лент фторлона-4, защищенной герметизирующей оболочкой из полихлоропреновой резины, составляет 840 Момкм. При температурах ниже 190°С удельное эквивалентное сопро­ тивление образцов, изолированных пленочными фторлоном-4 и - 4Д в различных комбинациях, превышает 1018 ом ■см. Изоляция из пленочного запеченного фторлона4Д сохра­

рядка и более, однако, это снижение обратимо и при ох­ лаждении рѵ полностью восстанавливается. При этом в процессе проведения цикла нагрев — охлаждение образу­ ется „гистерезисная“ петля, где обычно, за исключением крайних точек, р V охл.>р V н агр .

Приведем результаты испытания образцов, взятых от го­ тового кабеля КОБДТ10 с комбинированной изоляцией

165

После часовой выдержки образцов приТ=250°С и Р=1200 кгс/см2 R„ 3 составляет 232 Моя ■км, т. е. R„s (минимальное) строительной длины 10 км может составить 23,2 Мом.

По данным температурной зависимости эквивалентного удельного объемного сопротивления изоляции, снятой при охлаждении (см. рис. 15, а) можно сравнить температурные возможности различных типов изоляции (фторлоны, радиа­ ционно-модифицированный полиэтилен и др.). Приведенные

ранее данные по удельному

»A“).

1 Сопротивление изоляции, защищенной оболочкой из фторлона40 Ш, при температурах выше 200"С в несколько раз (на порядок и более) ниже, чем при применении защитной оболочки из резины НШ-40. При­ чиной этого является растрескивание оболочки из Ф- 40 Ш, вследствие чего нарушается ее радиальная герметичность.

166

Характер же изменения е от температуры одинаков у фторлонов химической полимеризации марки „A“ и фторлона ради ационной полимеризации марки 37/65: до температуры 160°Се незначительно повышается, затем с ростом температуры мо­ нотонно снижается. У фторлона- 4 радиационной полимери­ зации марки 25 64 е монотонно уменьшается с ростом тем­ пературы в интервале 80-у300°С. Кривые обратного хода (при охлаждении) проходят выше кривых прямого хода (при нагревании). При 80°С у Ф- 4 радиационной полимери­

ским окислением. Так, радиационная полимеризация при из­ быточном-давлении воздуха (марка 37/65) приводит к пре­ вышению е этого материала над &фторлонов- 4 химической и радиационной (марка 25/64— при атмосферном давлении) полимеризации во всем исследованном температурном диа­ пазоне.

Соотношение средних значений температурных коэффи­ циентов диэлектрической проницаемости (ТКе) в одном и том же интервале температур также подчиняется этой за­ кономерности. ТКе дляФ-4 химической полимеризации сос­

турная зависимость диэлектрической проницаемости фтор­ лонов- 4 химической и радиационной полимеризации, а также полиэтиленов (в том числе радиационно-модифицированных) может быть описана уравнением Клаузиуса — Мосотти, вы­ веденным для неполярных и слабополярных жидкостей.

При совместном воздействии на изоляцию температуры и гидростатического давления результирующие значения электрофизических характеристик определяются соотноше­ нием противоположно действующих факторов. Например, средние температурные и барические коэффициенты ди­

электрической проницаемости (ТКе и РКе) для полимерных диэлектриков, в том числе и фторлона- 4, имеют противо­ положные знаки. Поэтому при совместном температурно-ба­ рическом нагружении изоляции вклады давления и темпе­ ратуры в диэлектрическую проницаемость противоположны и в определенных температурно-барических интервалах мо­

измерений большинства измерительных приборов. В некото-

167

рых случаях Л готн может иметь довольно большую вели­ чину, например, при значительной сжимаемости изоляцион­ ной оболочки (повышенные температуры), сопровождающей­ ся сильным увеличением е с ростом давления и незначитель­ ным его уменьшением с рос.ом температуры (т. е. в слу­

чае РКе > ТКе). При одновременном увеличении темпера­ туры от 20 до 250°С и давления от атмосферного до 1200 кгс/см* диэлектрическая проницаемость фгорлоновой изоля­ ции увеличилась на 30 %. Существенно влияет на увеличе­ ние г изоляции сорбция ею жидкости.

Температурная зависимость электропроводности фторло- на-4 (-4Д) в широком диапазоне температур при постоян­ ном давлении описывается п-членной (п= 1-(-3) формулой типа

полимерных диэлектриков при

169

постоянной температуре в широком диапазоне давлений мож­

но описать п- членом ( n = l - f 3 ) такого же типа, как и ( 3 - 2 - 4 ) :

Рис. 20. Зависимость энергии активации электропроводности от давления:

1 — фторлон-4; 2 — фторлон-40Ш.

Рассмотрим зависимость электропроводности изоляции из пленочного фторлона-4 от обратной величины температуры

при различных давлениях и от обратной величины дав­

ления при различных температурах (рис. 21, а; 22, а) [120]. Электропроводность Ф-4 при постоянном давлении в диапа­ зоне температур 150-г250°С описывается одночленом типа (3—2—4), а в диапазоне 175~-250°С ее зависимость от дав­ ления можно описать двучленным выражением

169