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

материала и снижается с повышением температуры. Это, ви­ димо, связано с тем, что подвижность дефектов, определяю­ щих электрическую прочность диэлектрика (примеси, нару­

напряженность однородного диэлектрика уменьшается с рос­ том его толщины вследствие ухудшения условий теплоот­ дачи, а в случае чисто электрического механизма она не зависит от толщины диэлектрика вплоть до тонких слоев (—15 мкм), когда начинается эффект электрического упро­ чнения [37]. При пробое на фронте одиночного стандарт­ ного импульса 1,5/40 мксек в среде касторового масла при 20°С между электродами шар—плоскость1практически чис­ то электрический механизм наблюдается у ПЭВД (до тол­ щины 20 мкм) и полистирола (до толщины 10 мкм). У по­ липропилена при этих же условиях эксперимента наблюда­ ется уменьшение электрической прочности с ростом толщи­ ны образца не только в зоне скачкообразного электриче­ ского упрочнения ( — 10 мкм), но и в остальном интервале (10 -у 70 мкм).

Учет зависимости о полимеров от температуры и давле­ ния, Епр от толщины, теоретических и экспериментальных данных, свидетельствующих о возможности участия в про­ цессе пробоя как скользящих ионов, так и электронов, при­ водит к следующим выводам. При нагреве внешним теплом (эксплуатация кабелей в скважинах) постоянным током име­ ет место комбинированный, электротепловой пробой. Пин­ цируется он, видимо, как скользящими ионами, так и элек­ тронами (инжектируемыми с катода и освобожденными при нагревании из ловушек), причем вклад последних становит­ ся доминирующим при предпробивных напряженностях поля.

Во время длительного пребывания при высокой темпе­ ратуре может происходить старение полимера вследствие электрической эрозии (бомбардировки электронами, ионами

258

Практический интерес представляет вопрос о зависимости электрической прочности диэлектрика от времени приложе­ ния напряжения. Эта зависимость определяется соотноше­ нием ряда факторов: разрушением изоляции вследствие ионизации газовых включений, развитием электротеплового пробоя, флюктуационными процессами разрушения диэлек­ трика под действием электрического поля [96]. В зависи­ мости от условий эксперимента или эксплуатации домини­ рующим может стать тот или иной фактор. Все они, очевид­ но, способствуют уменьшению срока жизни изоляции.

В некоторых случаях, однако, важную роль играют до­ полнительные, противоположно действующие факторы. Так [28], при длительном приложении постоянного напряжения температура бакелизированной бумаги сначала заметно воз­ растает (на некотором участке остается постоянной), затем неожиданно снижается. Диэлектрические потери конденса­ торов, работающих при переменном напряжении, уменьша­ ются с течением времени. Предполагается [14], что причи­ на этого заключается в испарении остатков влаги и нейт­ рализации большого числа скользящих ионов на электро­ дах, вследствие чего они исключаются из процесса образо­ вания потерь. Долговечность изоляции, как правило, сни­ жается с увеличением напряженности поля и температуры. Исключением являются данные Артбауэра об увеличении долговечности эпоксидной смолы с повышением температу­ ры. Основной причиной уменьшения долговечности изоля­ ции с увеличением напряженности в настоящее время счи­ тается ее эрозия под действием электрических разрядов (непосредственно в их зоне), сопровождающаяся уменьше­ нием ее толщины и массы. Действие только химических продуктов разряда (озона, окислов азота) вне зоны элек­ трических разрядов практически не приводит к эрозии и, следовательно, к существенному уменьшению электриче­ ской прочности [74, 162, 219].

Долговечность изоляции во многом определяет срок службы кабеля в целом (каротажного—особенно при высо­ ких температурах). Поэтому интересно установить коли­ чественную зависимость вероятности безотказной работы изоляции от действующих на нее факторов, а также ее структурных и конструктивных данных.

Считая, что реальные диэлектрики неоднородны и рас­ пределение неоднородностей подчиняется законам случай­ ной смеси, В. С. Дмитревский получил следующее урав­ нение распределения вероятностей безотказной работы элек­

259

-0,82

AE exp (—B 7/) ln 2 W ехР(вТ+ Э

Ä ß E

1 - ________

W-

d — толщина диэлектрика, S — площадь электрода; E — напряженность поля;

Т — температура диэлектрика; К — постоянная Больцмана;

т0 — время релаксации колебаний атома в молекуле; W, А, в, V, Р, ѵ0, Ар — параметры распределения.

Анализ показал [96], что распределение Вейбулла явля­ ется частным случаем распределения Дмитревского. Экспе­ риментами установлено [96], что на импульсном напряже­ нии (положительные апериодические импульсы 3/6 мн!сек с частотой повторения 5 imn/cex) значения параметра W для ПЭВД, ПВХ и др. близки к энергии разрыва связи С — С. Параметр А возрастает с увеличением диэлектрической про­ ницаемости е, модуля упругости Ем и уменьшается с уве­ личением плотности р, т. е. с увеличением температуры мо­ жет как уменьшаться (вследствие уменьшения е и Ем ), так и возрастать (в результате уменьшения р). Таким образом, зависимость A = f (Т) может быть немонотонной, иметь экстремумы.

Параметр ѵ уменьшается с увеличением е, т. е. увели­ чивается с ростом температуры. С учетом зависимости не­ которых параметров распределения от температуры и тем­ пературы — от глубины скважины, ур-е Дмитревского мож­ но преобразовать. Это позволит оценить распределение вероятности безотказной работы изоляции кабеля, опущен­ ного в скважину, с изменяющейся вдоль его ствола темпе­ ратурой, в любой точке. Очевидно, имеется необходимость экспериментального изучения в каждом отдельном случае температурной зависимости параметров распределения. Тем­ пература должна быть заменена законом распределения ее по глубине скважины, т. е. вдоль длины опущенного в скважину кабеля (см. 1 — 1 — 2).

Учитывая, что в широком диапазоне температур можно ожидать зависимости всех (а не только А и ѵі параметров распределения от Т, Z можно представить в общем виде

260

ского оборудования часто не позволяют получить изоляцию

нения ее подчиняются нормальному закону распределения, авторы [8] рассчитали уменьшение срока службы изоляции от нормированного значения при вероятности безотказной работы, равной 0,9. При 5%-ном максимальном отклонении толщины срок службы изоляции заметно не снижается, в слу­ чае же 10%-ного он уменьшается в 2 раза.

Кабели для нефте-газовой промышленности имеют изо­ ляцию различных толщин, работают как на постоянном, так и на переменном токе. Из теории П. Бенинга следует, что вклад скользящих ионов в процесс пробоя уменьшается с уменьшением толщины диэлектрика. Поэтому максимальное значение пробивного напряжения в случае достаточно тон­ ких слоев диэлектрика почти одинаково при переменном и постоянном токе. Это объясняется тем, что скользящие ионы могут переместиться до электрода в течение одного полупериода промышленной частоты, в отличие от случая толстых слоев диэлектрика, когда совершающие колеба­ тельное движение скользящие ионы разрыхляют, ослабляют структуру диэлектрика, и пробивное напряжение при пере­ менном токе значительно ниже, чем при постоянном. Уже при толщине пленки ПЭ 1,5 ммк пробивная напряженность при переменном токе промышленной частоты незначитель­ но (особенно при минусовых и повышенных температурах) отличается от таковой при постоянном токе [189].

Поскольку кабели испытываю', при нахождении в сква­ жинах не только высокие температуры, но и давления, представляет интерес получение данных о зависимости электрической прочности изоляции от давлений, в том чис­ ле гидростатических. В. Н. Лагуновым, В. А. Поповым и автором1 установлено, что давление 1000 кгс/смг увеличило

1 Я. 3. Месенжник, В. Н. Лагунов, В. А, Попов, ДАН УзССР (в печати).

261