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

токопроводящей жилой и броней, изоляционно-защитный слой стремится к осевому перемещению и удлинению, ко­ торому препятствуют проволоки жилы и брони. Обозначим обусловленную набуханием оболочек в жидкости и газе дополнительную осевую нагрузку (кгс) Рж_газ = Рж + Ргаз. Влияние ее на напряженное состояние в токопроводящей жиле (ТПЖ) и броне кабеля аналогично влиянию темпера­ туры; вызванные ею и температурой напряжения в ТПЖ и броне имеют одинаковый знак, ибо в обоих случаях появ­ ление дополнительной составляющей осевой нагрузки вызывается увеличением объема изоляционно-защитных оболочек.

Полагая, что в этом случае, как и в случаях действия температуры и гидростатического давления, поведение ма­ териала изоляционно-защитных оболочек подчиняется зако­ нам гидростатики, можно считать, что давление от прира­ щения объема оболочек при набухании равномерно во всех направлениях. Поскольку количество сорбированных газа или жидкости пропорционально давлению Р, а гидростати­ ческое давление возрастает с глубиной скважины 1 по ли­ нейному закону Р — рі, то при нахождении кабеля в сква­ жине

скважинной жидкости („газового фактора“). Это обусловле­ но тем, что газопроницаемость, согласно первому закону Фика, возрастает с увеличением градиента давления dP/dx.

Напряжения в броне и токопроводящих жилах, создава­ емые силой Рж_газ, по знаку противоположны напряжениям,

создаваемым гидростатическим давлением Рг_ст=р1из_защПри Кж(т)і и Кгаз(т)і, равных I (т. е. в случае, если материалы не набухают), Рж_гаэ = 0.

Значения Кж(т)і и К газ(т)1 являются функциями темпера­ туры, а следовательно, глубины погружения кабеля

т. е. Кж (т) I = f (I) и Кгаз(т)1 = f (1). Пребывание полимер( в в средах жидкостей и газов (в том числе сжиженных) обычно

30

сопровождается увеличением их веса и соответственно объе­ ма, т. е. происходит их набухание. Так, 20-суточная вы­ держка в соляровом масле при нормальных температуре и давлении привела к увеличению веса (набуханию) химичес- ки-сшитого полиэтилена (с 20% аэросила)~на 13,5%, ра­ диационно-сшитого полиэтилена—на 9%; при 5-суточной выдержке в соляровом масле оно составило соответственно 10 и 8%.

Повышение температур и гидростатических давлений приводит к заметному увеличению набухания материалов уже при кратковременном нахождении образцов в автокла­ ве, причем в таких средах, в которых при нормальных тем­

Пребывание изоляционных и защитных материалов в не­ которых жидких средах при повышенных температурах и дав­ лениях в течение нескольких часов может привести к весьма существенному набуханию (см. гл. Ill, § 3), следовательно, к увеличению составляющей Рж в силе Рж_газ (формула 1 — 2 —28). При прочих равных условиях, составляющие Рж и Ргаз резко возрастают с увеличением радиальной толщины изоляционно-защитных оболочек. В некоторых случаях вы­ мывание ингредиентов из полимеров жидкостями или сжи-

31

Исходные данные для расчета зависимости Кж = f (т) взяты из отчетов ТашНИКИ № 1<:8, 1969 г.; № 170, 1970 г.

32

дах при температуре 26— 30°С слабо набухает в морской BÖ^ де (K)K(g) = 1,0026), подвергается вымыванию ингредиентов в соляровом масле (KÄ(g>—0,9828), бензине (Кж <g>= 0,99), машинном масле (Кж (g>= 0,9838), масле МВП (Кж (g)= 0,9833). Полихлоропреновая резина НШ-40 набухает в морской воде; К« (g) после выдержки при х=24 час. составляет 1,0035 и затем довольно резко возрастает; при т = 72 час. K*(g>= 1,045. У ПЭНДКж(г) монотонно возрастает с увеличением времени

выдержки в агрессивных средах. При выдержке в бензине при т = 15 час. Кж(8) = 1,094, несколько меньше он при

выдержке образцов в трансформаторном масле.

Весьма значительно набухание, особенно в соляровом масле, у химически-сшитого полиэтилена с добавкой 20% аэросила (рис. 6, в); очевидно, это может привести к ухуд­ шению физико-механических и электрических характеристик изоляции из этого материала и увеличению напряженного состояния в кабеле из-за увеличения силы Яж_газ. Очевидно,

вождается уменьшением плотности материала, но не объема, в отличие от процесса набухания, когда изменяются и пло­ тность, и объем. Напряженное же состояние в кабеле созда­ ется именно вследствие увеличения объема оболочек.

В случае, если Кж(т;| и К газ(т)і меньше 1, уравнение (1—2—28) теряет физический смысл. Следовательно, оно справедливо при Кж(т)і >1 и К газ(т)і> 1. Фигурирующие в урав­ нении (1—2—28) коэффициенты Кж {т) і и Кгаз(т)і характери­

зуют увеличение объема оболочек вследствие набухания. Найдем соотношение между этими коэффициентами и коэф­ фициентами Кж ш і и Кгаз(г)і, характеризующими увеличение веса при набухании:

или

( 1 - 2 - 3 0 )

Соответственно

(1 -2 -3 1 )

ше, так и меньше 1 (в зависимости от соотношения плотно­ стей материала оболочки и сорбированной жидкости). Одна­ ко поскольку оно мало отличается от 1, в расчетах можно принимать

где K».T(g)i и Кгаз т (g)i — зависящие от температуры (сле­ довательно, при нахождении кабеля в скважине—от глубины погружения 1) коэффициенты увеличения веса оболочек при их пребывании в жидкостях и газах.

Кж т (g) і и Кгаз т (g)i, таким образом, являются функциями температуры и времени пребывания г в жидкости при этой температуре. С учетом формул (1—2—28), (1—2—32) и (1—2—33) нагрузки можно представить в окончательном виде;

Скважинная среда, содержащая, как правило, низкомо­ лекулярные углеводородные жидкости (в том числе сжи­ женные при определенном давлении углеводородные газы), влияет на физико-механические и электрические характе­ ристики полимерной кабельной изоляции, поскольку ока­

34