Файл: Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности.pdf

вышает электропроводность при 403°К на 2 порядка [162]. Кристаллизация полимеров обычно сопровождается уменьше­ нием электропроводности вследствие уменьшения подвижности сегментов макромолекул и коэффициента диффузии [162]. Скорость диффузии низкомолекулярных веществ уменьша­ ется при кристаллизации [81]. Это, видимо, свидетельствует о том, что процессы диффузии связаны с движением моле­ кул примеси в аморфных областях.

следствие,—сравнительному уменьшению электропроводности полимера при температурах до 125°С [106].

Электропроводность полимеров зависит от надмолекуляр­ ной структуры, степени ориентации и вытяжки 1162]. При прочих равных условиях она должна уменьшаться при сши­

ропроводность вследствие сильной диссоциации содержащих­ ся в ней солей. Малая энергия активации примесей, особенно в присутствии воды, способствует увеличению электропро­ водности уже при низких температурах. Появление приме­ сей в полимере может быть обусловлено как технологией его получения, переработки или модифицирования, так и условиями эксплуатации. Так, радиационная обработка поли­ этилена при малой мощности дозы на воздухе может соп­ ровождаться загрязнением полимера продуктами деструкции, так как в этом случае существенно по сравнению с облу­ чением в вакууме возрастает отношение скорости деструк­ ции ß к скорости сшивания а. ß/a уменьшается с увеличе­ нием толщины образца, что, очевидно, связано с малой ско­ ростью диффузии воздуха в полиэтилен.

Темп увеличения электропроводности резиновой изоля­ ции при пребывании в воде сильно зависит от влагопоглощения наполнителей. Так, электропроводность резко повы­ шается с увеличением времени пребывания в воде у резин, наполненных каолином, менее резко—плавленным и хими­

133

ческим мелом и очень незначительно—тальком. Удельная электропроводность резиновой изоляции, наполненной као­ лином, после пребывания в воде в течение суток может увеличиваться на несколько порядков. С увеличением тем­ пературы воды кратность увеличения электропроводности возрастает.

Вопросы электропроводности конкретных изоляционных материалов будут рассмотрены ниже. Предварительно от­ метим, что зависимости электропроводности как от темпе­ ратуры, так и от гидростатического давления в общем слу­ чае нелинейны и для многих карбоцепных полимеров под­ чиняются экспоненциальному закону. При совместном температурно-барическом нагружении диэлектрика основной вклад в изменение электропроводности принадлежит темпе­ ратуре.

Электрические свойства, в частности электропроводность, неполярных и полярных диэлектриков при воздействии гид­ ростатических давлений изменяются по-разному. Электро­ проводность резин с повышением давления при допустимых температурах однозначно увеличивается. Электропроводность же неполярных пластмасс с ростом давления может как увеличиваться, так и уменьшаться, но механизм ее в дан­ ном случае зависит от температурного интервала. Увеличе­ ние электропроводности с повышением гидростатического давления обычно происходит при температурах ниже тем­ ператур аморфизации полимера. При более высоких темпе­ ратурах она уменьшается с повышением давления, но с неодинаковыми скоростями в различных температурных диа­ пазонах, т. е. отличаются энергии активации электропровод­ ности. Эти различия обусловлены рядом факторов, в част­ ности влиянием теплового движения макромолекул.

Некоторые неполярные пластмассы при технологической переработке в изоляцию или модифицировании изоляции в изделии могут подвергаться значительному окислению. В этом случае вследствие повышенной гидрофильности они ведут себя как полярные материалы. Так, радиационное оки­ сление полиэтиленовой изоляции в случае радиационного модифицирования ее в присутствии воздуха или паров воды приводит к однозначному и резкому увеличению ее элек­ тропроводности при небольших гидростатических давлени­ ях. С повышением давления процесс роста электропровод­ ности прогрессирует.

В случае облучения полиэтиленовой изоляции в инерт­ ной среде вклад давления в увеличение электропроводности уменьшается с увеличением поглощенной дозы. Эти данные качественно хорошо согласуются с известными данными

134

[185, 251, 266] об уменьшении газо-и бензопроницаемости полиэтилена с ростом поглощенной дозы.

Электропроводность кристаллических диэлектриков при температурах ниже температуры плавления кристаллитов может быть описана с помощью зонной модели, применя­ ющейся обычно для объяснения электропроводности полу­ проводников.

При нормальном внешнем давлении и напряженности электрического поля ниже пробивной дополнительная ки­ нетическая энергия, получаемая носителями тока, недоста­ точна для их перескока запрещенной зоны—из валентной в зону проводимости—и электропроводность осуществляется за счет примесных ионов.

Сжатие диэлектрика сопровождается уменьшением рас­ стояния, увеличением взаимодействия между атомами и, в конечном счете, дискретным переходом диэлектрика в металлизованное состояние, сопровождающимся внезапным ис­ чезновением запрещенной зоны. Резкому переходу пред­ шествует плавное увеличение электропроводности.

Переход в металлизованное состояние при температу­ рах ниже температуры плавления кристаллитов может быть реализован только при очень высоких давлениях. Согласно экспериментальным данным [88], при давлении 500 000 кгс/слі* у щелочно-галоидных кристаллов значительно уменьшается ширина запрещенной зоны, но переход в металлизованное состояние еще не происходит; у полупроводников он отме­ чается при давлениях 100000—300000 кгс/см2 [165, 176].

При температурах выше температуры плавления крис­ таллитов диэлектрики находятся в вязко-текучем состоянии, их электропроводность определяется кинетической энер­ гией носителей тока, вязкостью вещества и другими свойст­ вами. По-видимому, в этом случае переход в металлизован­ ное состояние может произойти при давлениях, значительно меньших, чем в кристаллической фазе полимера (Т< Тпл. крист)*

Согласно [64, 88], деформация электронных оболочек простейших элементов системы Менделеева при комнатной температуре начинается с давлений порядка 10000 кгс/см2. Очевидно, с увеличением температуры перекрытие запре­ щенной зоны может произойти при более низких давле­ ниях, поскольку увеличивается сжимаемость диэлектрика и возрастает кинетическая энергия носителей тока. Так, для фторлона-40Ш перекрытие запрещенной зоны при 180 и 200°С происходит, соответственно, при давлениях около 1300 и 1200 кгс/см*. Эти данные получены экстраполяцией зависимостей Е?из = f (Р) при Т = const.

С увеличением рабочих температур наиболее критичным

136

элементом конструкции каротажного кабеля становится изо­

до 250°С и давлениях до 1 200 кгс/см2, до температуры 350“С

использования в дальнейшем существующих электроизоляци­ онных материалов при более высоких, чем в настоящее время, температурах и давлениях. Кроме того, создается принципиальная возможность направленно улучшать харак­ теристики изоляции искусственным повышением гидростати­ ческого давления в скважинах (введением утяжелителей в буровой раствор или любым другим способом)1.

Действительно, полученные экспериментальные данные [120] свидетельствуют о возможности уменьшения электроп­ роводности изоляции с повышением давления. Точка пере­

гиба зависимости lga = f^-p-j, начиная с которой происхо­

дит уменьшение электропроводности с ростом давления, при увеличении температуры смещается в область больших дав­ лений. Увеличение плотности с повышением давления влечет за собой не только уменьшение электропроводности и увели­ чение теплостойкости вследствие роста температуры плавле­ ния кристаллитов, но и увеличение механической прочности и упругости, температуры максимума дипольно-эластических потерь и электрической прочности. Ионизационные свойства некоторых конструкций улучшаются уже при небольших давлениях. Так, согласно экспериментальным данным, полу­ ченным В. Н. Лагуновым и автором, при комнатной температу­ ре напряжение начала ионизации (Дач из резины ТСШ-35, на­ ложенной на жилу, с увеличением давления экспоненциально возрастает, увеличиваясь вдвое уже при давлении—90 кгс/см2.

ние утечек путем уменьшения или устранения напряженности поля в изо­ ляции. Он заключается в подаче на наложенный поверх изоляции экран потенциала, равного потенциалу жилы. Максимальный эффект улучшения

136

снижается с возрастанием давления, стабилизируясь как и UH34 в интервале давлений 90-^240 кгс/см2. 24-часовая выдерж­

ка образца под давлением 60 кгс/см2 вызывает заметное воз­ растание напряженности появления частичных разрядов и резкое уменьшение зависимости частоты импульсов от нап­ ряженности поля. Видимо, этот эффект обязан в основном приэлектродным явлениям, которые зависят от конструкции электродов (в данном случае медной оплетки), плотности прилегания их к изоляции и др. В случае, если второй элек­ трод выполнен в виде полупроводящей резины, наложенной на изоляцию, он практически не проявляется.

Имеются данные о существенном возрастании электри­ ческой прочности электроизоляционных жидкостей под дей­ ствием давления. Так (146|, электрическая прочность элек­ троизоляционной жидкости, находившейся в полиэтиленовом мешке, за 30 мин. пребывания в автоклаве с гидроста­ тическим давлением 1400 кгс/см2 возросла в 4 раза.

При рассмотрении влияния давления на электрические свойства изоляции Вайда [24] предполагает, что у твердых материалов рост давления вызывает, главным образом, уве­ личение пробивного напряжения газовых включений, а зна­ чит, и начального напряжения частичных разрядов. Он не приводит расчетные или экспериментальные данные, под­ тверждающие это предположение, отсутствует также ссылка на литературу. Анализ показывает, что существенного уве­

ности 1,5).

При рассмотрении влияния баротермических факторов на электрическую прочность газовых включений в полимерной изоляции примем следующие допущения: 1) объем газовой поры и ее линейные размеры по всем направлениям изме­ няются пропорционально изменению объема образца мате­ риала при воздействии внешнего давления; 2) в исходном состоянии в поре заключена смесь газов при атмосферном давлении; 3) деформации изоляции под действием баротер­ мических факторов являются упругими;4 )тепловой процесс в изоляции с порами — установившийся (Т0 = Тп.0 Т = Тп ); 5) пора находится в замкнутом объеме; 6) объем пор незначи­ телен по сравнению с объемом изоляции (—5%). В допуще­ нии 1 предполагается, что коэффициент пропорциональности больше или равен 1, т. е. изменения объема и линейных размеров поры, видимо, могут быть и большими, чем при учете только сжимаемости материала.

137