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

давлением, а также при атмосферном давлении в процессе работы в воде под напряжением переменного тока. В диа­ пазоне температур 60-у 120°С и давлений 1—340 кгс/см2

ТКИиз для неокисленной (облученной в аргоне) и окислен­ ной (длительное облучение на воздухе) изоляции состав­ ляет, соответственно, 0 и 0,16°С_1.

Физико-механические характеристики РМПЭ определя­ ются как поглощенной дозой, так и степенью радиационно­ го окисления. Общей особенностью дозных физико-механи­ ческих характеристик РМПЭ является их более сильная

а ш г

В, Мрйд

Рис. 31. Дозная зависимость деформации изоляции из ПЭВД (6[]3 = 0,3 мм), облу­

ченной в среде воздуха ^-излучением Со00 в неоткачанных ампулах при мощности дозы 350 рісек. Температуры испытания, °С:

деформаций, чем неокисленные (облученные в инертной среде) (рис. 30, а).

Во всем диапазоне температур деформации у ПЭНД мень­ ше, чем у ПЭВД (рис. 30, б). С увеличением поглощенной дозы уменьшается зависимость не только электрофизических, но и других характеристик ПЭ от температуры. Так, термоме­ ханическая деформация ПЭ при 100, 130 и 150°С убывает с

221

увеличением поглощенной дозы по закону, близкому к экс­ поненциальному, а при 200°С в интервале доз 45 -у 150 Мрад остается почти неизменной (рис. 31). При комнатной темпе­ ратуре деформация облученного в инертной среде (доза 120 Мрад) полиэтилена на 15—20% меньше, чем у исходного.

Аморфизация полиэтилена сопровождается увеличением объема; при этом с ростом температуры деформация и уве­ личение объема, как два противоположно направленных фактора, могут привести к независимости деформации от температуры или даже уменьшению ее. Независимо от ве-

10 ?т

Рис. 32. Зависимость деформации изоляции от времени нагревания для изолированных ПЭВД (радиальная толщина изоляции 2,3 мм) жил:

/ —облученным ^-излучением Со60 в аргоне (доза 120 Мрад), отожженным в термостате приТ=!4ь°С в те­

Т=80°С; 5 — то же, отожженным; 6 —то же, отожженным,

личины нагрузки и температуры крип (ползучесть) умень­ шается с увеличением поглощенной в вакууме или инерт­ ной среде дозы и проявляется в течение первых 1 -1-5 час., затем прекращается (рис. 32). Отжиг при 140°С даже в те­ чение 10—20 мин. заметно уменьшает крип. После снятия нагрузки и охлаждения полностью исчезают или частично

222

уменьшаются (в зависимости от величины приложенной на­ грузки) деформации и восстанавливается первоначальный размер облученной изоляции. Например, при 100°С и наг­ рузке 30,5 кгс/см2 размеры изоляции полностью восстанав­ ливаются примерно через 2 часа после снятия нагрузки. Однако охлаждение изоляции без снятия нагрузки вызывает дальнейшее увеличение деформации (см. рис. 30, в). Данное явление характерно и для других вулканизатов, например, резины (рис. 30, г.). Возможно, это связано сих малой теп­ лопроводностью. Так, теплопроводность ПЭВД, облученного 7 -излучением Со-60в аргоне, при 125°Ссоставляет 0,785-ІО-4 ккал',см-сек°С против 1,63-ІО-4 у исходного ПЭВД, вслед­ ствие чего температура изоляции за короткое время не ус­ певает значительно понизиться и реализуется, по существу, высокотемпературный крип.

Оптимум физико-механических и электрофизических свойств кабельной изоляции из ПЭВД достигается обычно при поглощенных дозах в диапазоне 80 -і-150 Мрад. Дозы, необходимые для достижения оптимума физических свойств, можно снизить следующими приемами, увеличивающими

гелеобразования снижается с 1 для чистого полиэтилена до 0,05 Мрад для системы полимер—мономер [252]. Полезные следствия сенсибилизации, видимо, не исчерпываются уве­ личением производительности радиационной технологии, но позволяют уменьшить радиационное окисление объема изо­ ляции в результате снижения необходимой экспозиции об­ лучения.

Полиэтилен, облученный как в вакууме, так и на возду­ хе, менее термостабилен и более подвержен окислительной деструкции, чем необлученный [184]. ПЭ может быть ста­ билизирован введением в него антиокислителей или инги­ биторов окисления, реагирующих с активными радикалами R02, которые образуются при взаимодействии свободных радикалов с кислородом воздуха. При термическом окисле­ нии процесс инициируется взаимодействием углеводорода с молекулярным кислородом, а при облучении свободные ра­ дикалы образуются в основном вследствие процессов иони­ зации и возбуждения.

223

В результате введения антиокислителей образуются ма­ лоактивные или неактивные продукты, не способные про­ должить цепную реакцию окисления. Наиболее выражен эффект термостабилизации при введении не индивидуальных веществ, а специально подобранных их составов с опреде­ ленным соотношением компонент, при котором проявляется синэргический эффект [184]. Химический механизм после­ днего проявляется тогда, когда радикал ингибитора вызы­ вает инициирование окисления, а добавка второго вещества захватывает эти радикалы [240]. Синэргизм выражается в очень медленном снижении относительного удлинения (с 400 до 200% в течение 3000 час. эксплуатации на воздухе при 150°С) у ПЭ с введенными в него двумя антиокислителя­ ми [40]. Другой иллюстрацией его проявления является умень­ шение поглощения кислорода при 140СС с увеличением кон­ центрации сажи в случае совместного применения антио­ кислителя и сажи [49].

Стабилизацию облученного ПЭ для работы при повышен­ ных температурах без введения антиокислителей можно до­

автором установлена возможность защиты ПЭ от окисления (радиационного и термического) путем поверхностной па­ рофазной радиационной прививки (7 -излучением Со-60, доза 1,5 Мрад) к нему полиакриловой кислоты (ПАК). При об­ лучении на воздухе непривитого ПЭ до больших доз ско­ рость деструкции его выше, чем у привитого, т. е. поверх­ ностный привитой слой ПАК ингибирует радиационное окис­ ление. Увеличение толщины привитого слоя ПАК уменьша­ ет отношение скорости деструкции к скорости сшивания. Пленка из ПАК действует как сенсибилизатор, вследствие чего увеличивается радиационно-химический выход реакции сшивания ПЭ. Можно ожидать, что прививка позволит про­ изводить радиационную обработку полиолефиновой изоля­ ции на воздухе даже при длительной экспозиции и отка­ заться от более времяёмкой и дорогостоящей обработки в вакууме или инертной среде. Очевидно, привитый слой из ПАК или другого вещества может служить также защитой облученной ПЭ-изоляции от окисления в процессе ее эксплу­ атации. Этот слой улучшает, кроме того, термомеханиче­ скую характеристику изоляции.

Возможность увеличения теплостойкости полиэтилена при

224

нии на несколько порядков удельного сопротивления изоляции при кратковременном (десятки минут) нахождении ее под давлением 300 т 400 кгс;смг в установке, имитирующей эксп­ луатационные режимы каротажных кабелей [ 109 ], а также в первые 80 час. пребывания в воде под напряжением пере­ менного тока 250 и 500 в при 70°С [112].

Полиэтиленовая изоляция, облученная как в вакууме или в среде инертного газа -(-излучением Со-60 при неболь­ шой мощности дозы (~3000 р/мин.), так и на воздухе ус­ коренными электронами при сравнительно большой мощно­ сти дозы (~~75 Мрад'імин) за один проход, по стойкости к температурно-барическим нагрузкам, в том числе под на­ пряжением переменного электрического тока, превосходит изоляцию из фторлона-40111. Таким образом, облучение на воздухе при большой мощности дозы (электронные ускори­ тели) эквивалентно облучению в вакууме, поскольку доступ кислорода в объем изоляции лимитируется небольшой ско­ ростью диффузии его в полиэтилен, вследствие чего про­ цессы радиационного окисления и окислительной деструк­ ции развиваются только с участием кислорода, растворен­ ного в изоляции [ 185 ]. Облучение же на воздухе при срав­ нительно небольшой мощности дозы и, следовательно, боль­ шой экспозиции, необходимой для набора оптимальной дозы, сопровождается окислительными процессами с участием не только растворенного в изоляции, но и окружающего ее кислорода (воздуха).

Облучение при большой мощности дозы может при­ вести к заметному радиационному окислению объема изо­ ляции вследствие ионизации воздушных включений в нем, в промежутках между проволоками жилы, а также между жилой и изоляцией, сопровождающейся образованием озона, который вступает во взаимодействие с образующимися при облучении двойными связями. Кроме того, не исключена ве­ роятность микропрожогов, обусловленных образованием в отдельных местах изоляции при облучении ее мощными пучками температурных пиков. Видимо, малая теплопровод­ ность изоляции способствует локализации этих пиков.

Первые работы по применению радиационных методов повышения термостойкости полиэтиленовой изоляции гео­ физических кабелей проведены в период 1963—1966 гг. В настоящее время кабели с радиационно-модифицированной полиэтиленовой изоляцией изготавливаются в опытно-серий­ ных партиях по различным технологическим схемам ТашНИКИ и заводом „Ташкенткабель“ совместно с ВНИИКП и ИЯФ АН УзССР. Радиационная обработка полиэтилено­ вой изоляции геофизических кабелей производится f -излу­

226

чением Со-60 (средняя энергия 1,25 Мэв) или ускоренными электронами (энергия порядка 1,5—2 Мэв).

Глубина проникновения электронного излучения в веще­ ство пропорциональна его энергии:

р — плотность вещества, г/см3.

Глубина проникновения электронного излучения с энер­

изоляции. Производительность облучения электронным пуч-

другого источника излучения. Так, для ^-излучения изотоп­ ного источника он составляет 0,15 4-0,3. Один млн. кюри в

же мощности — свыше 500 тыс. руб. Затраты на помещение для ускорителя также в несколько раз меньше, чем для изотопного источника, а стоимость 1 квт-ч в электронном пучке падает с увеличением общей мощности ускорителя. Поэтому электронное излучение более чем на порядок де­ шевле изотопного [ 2 ].

Преимущества электронного варианта облучения выра­ жаются в возможности получения большой производитель­ ности радиационно-химического процесса за счет большой силы тока в пучке и возможности облучения изоляции в динамическом режиме (на проход), а также совмещения в одном технологическом потоке операций изолирования и об­ лучения. Кроме того, при электронном облучении отсутст­ вует неравномерность поля поглощенных доз по длине об­ лучаемой жилы. Учитывая высокий к.п.д. ускорителей элек­ тронов, а также малый вес изоляции в бронированных кабелях для геофизических работ, составляющий незначи­ тельную часть от общего веса кабеля, следует ожидать, что при серийном производстве удорожание кабелей вследст­ вие радиационной обработки не будет превышать 3—4%. При этом нужно иметь в виду, что радиационная обработ-

227

ка изоляции по существу не столько улучшает характе­ ристику исходного изделия, сколько способствует получению нового кабеля с уникальными свойствами, обладающего большим ресурсом работы и эксплуатационной надежностью при значительно более высоких эксплуатационных парамет­ рах—температуре и давлении, чем кабель с необлученной полиэтиленовой изоляцией.

Недостатки электронного варианта облучения заключа­ ются в необходимости многократной перемотки изолирован­ ной жилы через ролики для накопления необходимой ин­ тегральной дозы (при небольшой мощности), трудности по­ лучения равномерности поля доз в изоляции (в радиальном

' Облучение на ускорителях производится обычно (за ис­ ключением коаксиального) на воздухе или в токе инертного газа, на изотопных установках—в герметичных облучательных камерах, заполненных инертным газом (аргон, гелий) или в вакууме.

Преимущества изотопного варианта облучения выража­ ются в равномерности поля поглощенных доз по толщине изо­ ляции, отсутствии многочисленных перемоток жил, отрица­ тельно сказывающихся на свойствах изоляции, высокой экс­ плуатационной надежности и конструктивной простоте уста­ новок. Отрицательными же сторонами являются постоянная радиационная опасность и возможность радиоактивного загряз­ нения воздуха, трудность получения высокой мощности до­ зы и равномерности изодозного поля в больших объемах, не­ обходимость восполнения естественной убыли радиоактив­ ных элементов вследствие их распада, сравнительно низкая производительность процесса облучения из-за обычно малой интенсивности излучения. В случае, если интенсивность из­ лучения велика, производительность процесса ограничивает­ ся недопустимо высоким радиационным разогревом токопро­ водящей жилы и изоляции и обусловленной им необходи­ мостью постадийного проведения облучения.

Рассмотрим некоторые радиационно-химические аппара­

22Н

Рис, 34. Схема облучения изоляции на ускорителе типа ЭлТ.