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

ния на электроупрочнение РМПЭ уменьшается, что связано с доминирующим влиянием на Епр теплового расширения (в основном—увеличения свободного объема и уменьшения энергии межмолекулярных связей). По-видимому, влияние обусловленных растяжением брони радиально-направленных Р на ЕПр качественно аналогично описанному.

На ЕПр отрицательно сказывается ионизация в воздушных включениях, поэтому разнообразные изоляционные материалы обладают неодинаковой способностью к длительной работе в условиях ионизации или короны. В связи с этим одной из ха­ рактеристик, предопределяющих электрическую прочность ма­ териалов, можно считать напряжение начала ионизации.

Исходя из общих физических представлений, можно предполагать, что превращение линейного полимера в трех­ мерный при радиационной сшивке должно привести к увеличению его ионизационной стойкости вследствие увели­ чения компактности системы. Согласно [224], короностой­ кость полиэтилена после облучения возрастает. Ионизацион­ ные характеристики облученного и необлученного полиэти­ лена, по данным [166], при нормальной температуре почти не отличаются, однако кривая жизни у облученного прохо­ дит несколько выше и с меньшим наклоном. Такое соотно­ шение в принципе возможно в случае проведения облуче­ ния в безокислительной среде и своевременного отвода из облучаемого объема газообразных продуктов радиолиза. В противном случае, они могут задерживаться в изоляции, ухудшая ее ионизационную стойкость. Радиационное же окисление изоляции может привести к уменьшению не толь­ ко степени сшивания, но и компактности системы.

Изоляция кабелей, изготовленная из материалов, обла­ дающих отличными диэлектрическими характеристиками и высокой термостойкостью, иногда имеет неудовлетворитель­ ную ионизационную стойкость, так как при ее изготовлении практически невозможно избежать воздушных включений, по крайней мере на границе ее с токопроводящей жилой.

Экспериментальные исследования1ионизационных харак­ теристик РМПЭ, облученного до одинаковых доз по значи­ тельно различающимся радиационно-химическим схемам (гл. Ill, §4), показали весьма сложный характер зависимос­ ти интенсивности ионизации от частоты разряда газовых включений, приложенного напряжения (рис. 44 а, б, в) и ус­ ловий радиационной обработки. Средняя интенсивность иони-

1 Проведены совместно с Р. А, Урмановой, Э. Н. Разуваемым, М. Г. Насрулиной.

262

зации необлученного и облученного ПЭ при комнатной тем­ пературе зависит от частоты разряда в порах по экспо­ ненциальному закону (рис. 44)

температуре средняя интенсивность ионизации изоляции из РМПЭ, облученной по схеме РХА НИФХИ(РХА-І), ниже, чем у изоляции, облученной на РХА ИЯФ АН УзССР(РХА-ІІ) до той же дозы, и смещена в область более высоких напря­ женностей поля. Видимо, это является следствием свободно­ го выхода и своевременного отведения из облучаемого объема газообразных продуктов радиолиза, так как при сравнительно невысокой мощности дозы (63 р/сек) их кон­ центрация в окружающем образец пространстве невелика

(см. гл. 3, § 3).

Т а б л и ц а 27

Unp = f(x) для необлученного ПЭ и РМПЭ (поглощенная доза 120 Мрад, 8И = 1,5 мм),

облучение на РХА-1 и РХА-ІІ

Влияние условий облучения сказывается и на „кривой жизни“ изоляции (табл. 27). Отмеченные особенности иониза­ ционных и электропрочностных характеристик облученной на РХА-ІІ изоляции обусловлены не только наличием воздуш­ ных включений, но и некоторым ее радиационным окисле­ нием вследствие испарения находящейся в колодце воды (ИК - спектроскопией установлено наличие карбонильных и других полярных групп в дозиметрических пленках, об­ лучавшихся совместно с ПЭ-изоляцией). Таким образом,

264

радиационное окисление влияет не только на физико-механи­ ческие и электрофизические, но и на электропрочностные и ионизационные характеристики РМПЭ. Эти результаты хоро­ шо согласуются с полученными С. Н. Колесовым данными j76j при пробое окисленных полиэтилена и полистирола. В началь­ ной стадии окисления, когда структура не подвергалась су­ щественным изменениям, электрическая прочность в низко­ температурной области (при 0 и — 196°С) повышалась, а затем при дальнейшем окислении снижалась. Согласно теории Фре­ лиха, повышение концентрации диполей в единице объема диэлектрика должно привести к увеличению его электриче­ ской прочности в низкотемпературной области. Данные С. Н. Колесова свидетельствуют о том, что в случае глубокого окисления, которое может сопровождаться образованием внутри крупных сферолитов и между ними трещин и других дефектов, вклад образовавшихся при окислении диполей в

265

Очевидно, ФП в интервале Лт4соответствует пробою нестабилизированного ПЭВД, в интервале Дт2 — стабилизиро­ ванного. Увеличение напряжения сопровождается смещени­ ем максимумов ФП в область меньших т. Установлена так­ же возможность повышения Unp введением в ПЭНД искус­ ственных зародышей кристаллизации — метилового красного в количестве 0,5 Д 1,0 вес. ч. [76]. Увеличение Unp объяс­ няется уменьшением размеров надмолекулярных образова­ ний, возникновением более однородной структуры и возрас­ танием плотности упаковки сферолитов, в результате чего повышается однородность поля в материале и уменьшается длина свободного пробега электронов. Повышение электри­ ческой прочности на 15—20% и напряжения начала иони­ зации на 30—35% можно достичь и введением в ПЭ тран­ сформаторного масла ( ~ 10 вес. ч.), ограниченно совмещаю­ щегося с ПЭ, вследствие заполнения имеющихся пустот электрически более прочным маслом, повышения однород­ ности поля, и, очевидно, улучшения надмолекулярной структуры [76], а также пропиткой (особенно под давлени­ ем) изоляции в электрически более прочной жидкости. Пред­ лагается способ улучшения электропрочностных характе­ ристик ПЭНД и ПЭВД (табл. 28) введением в них до 20% добавок в виде линейных или разветвленных, в том числе ароматически-замещенных, углеводородов с Тпл < 20 и Ткип > 120°С.

Т а б л и ц а 28

Влияние добавок на электропрочностные свойства полиэтилена [256]

Вместе с тем введение пластификатора в количестве, превышающем необходимое для заполнения имеющихся пустот, очевидно, может привести к раздвижению молекул, уменьшению молекулярного взаимодействия и, как следст­ вие, электрической прочности. Это явление наблюдается

266

при значительном набухании полимеров в маслах. В рабо­ те [96] показано, что при введении в ПЭ до 18% трансфор­ маторного масла зависимость срока жизни материала от концентрации пластификаторов проходит через максимум при концентрации масла в ПЭ, равной 14%.

§ 6. ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬНАЯ ОЦИНКОВАННАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ БРОНИ И ЖИЛ. МЕДНЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ЖИЛ

Высокопрочная стальная проволока широко применяется в кабелях для нефте-газовой промышленности при изготов­ лении брони, а также стальных и стале-медных токопрово­ дящих жил. Основным методом подготовки структуры стали при производстве проволоки является патентирование, глав­ ная цель которого заключается в формировании наиболее благоприятной структуры тонкопластинчатого сорбита. Для получения особо прочной проволоки с ав = 250 кгс/мм2 ис­ пользуется сталь с повышенным содержанием углерода и некоторых легирующих элементов. Химический состав эле­ ментов токопроводящей жилы влияет на ее работоспособ­ ность. Согласно данным эксплуатации, каротажные кабели геофизической станции „Халибуртон“ (США) имеют повы­ шенные надежность и срок службы. Поскольку последние во многом определяются броней и токопроводящей жилой,

повивов содержат соответственно С — 0,47 и 0,63%, Мп—0,55 и 0,03%; Сг —0,08 и 0,03% (у проволоки по ТУ 704 ММП С — 0,44-0,5%, Мп — 0,3-г0,6, Сг — не более 0,15%; прово­

углерода и большего содержания марганца обеспечивается повышенная вязкость и износоустойчивость проволок наруж­ ного повива брони кабелей геофизической ст. „Халибуртон“.

вязкость. Примесь марганца повышает способность стали к холодному прокату, входя в соединение с серой и образуя

267