скомпенсировать напряжения, возникающие в них во время наложения. Эти напряжения связаны с наличием в прово локе изгибающего (возникающего при наложении проволо
ки на кабель) и крутящего |
(появляющегося при принятой |
в технологии бронирования |
открут.ке катушек с проволокой |
на угол 2тс) моментов. Попытка скомпенсировать эти нап ряжения только при помощи рихтовки может привести к деформации кабельного сердечника, поэтому совмещение преформации проволок брони и рихтовки готового кабеля
Рис. 51. Схема рихтовочного устройства.
является оптимальным решением, создающим возможность получения ненапряженного кабеля. Весьма целесообразно совмещение рихтовки с высокочастотным нагревом брони.
Известная методика расчета параметров рихтовки пре дусматривает нахождение (рис. 51):
1) допустимого радиуса изгиба кабеля (наружного повива брони) при деформации
(3 -8 -1 1 )
а, — средний радиус повива, выраженный в 8 (т. е. г/8); Т —угол подъема винтовой линии повива; Е - модуль упругости материала брони;
G - модуль сдвига проволок второго повива.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет Идеф ведется по второму повиву брони; |
устройства |
2) |
угла между |
крайними роликами рихтующего |
|
|
|
360 • s |
|
|
(3 -8 -1 2 ) |
|
|
|
2*Леф’ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
S — длина |
проволоки, приходящаяся на один шаг повива; |
3) |
расстояния |
между |
центральной |
линией и линией, |
соеди |
няющей центры крайних роликов |
деформирующего |
ролика: |
|
f = |
Идеф ^ l |
COS |
-?рj — Орол, |
|
(3—8—13) |
|
|
|
Ррол = |
(3 —4)с1кав; |
|
|
|
4) расстояния |
между |
центрами крайних |
роликов: |
|
|
|
А < 2Идеф • s |
i |
n |
(3—8—14) |
При постоянном положении крайних роликов (A= const) степень деформации увеличивается при уменьшении f и максимальна при f=0. В этом случае
1 — COS -J
Оптимум рихтовки достигается обычно регулированием не только f, но и А, поскольку при любой степени дефор мации расстояние по дуге между крайними роликами долж но равняться длине проволоки, приходящейся на один шаг.
§ 0. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ КАБЕЛЕЙ
Один из способов улучшения качества стальных кана тов—вытяжка перед эксплуатацией; при ней уменьшается остаточное удлинение и происходит агрегатная стабилиза ция.
Испытания канатов на пробежной машине с усилиями вытяжки от 600 до 2200 кг показали [144], что максималь ное увеличение срока службы имеют канаты, предваритель но вытянутые с усилием 1400 кг, т. е. при двукратном запасе прочности.
Каротажный кабель, являясь неоднородной системой, состоит из элементов с различными физико-механическими характеристиками, что значительно усложняет анализ про цесса деформаций кабеля при его работе. Однако очевидно, что его вытяжка может увеличить работоспособность грузонесущего элемента (брони) и кабеля в целом, выявить заводские дефекты и исключить необходимость проведения
„тренировочных вояжей“ кабеля в скважине с целью реа лизации остаточных удлинений и исключения неточности в измерении глубины скважины. В стальном канате вся или ббльшая часть (при джутовом заполнении) сечения запол нена металлом. В каротажном кабеле модуль упругости токопроводящей жилы с наложенными на нее изоляцион ными и защитными оболочками значительно меньше модуля упругости стальной брони. Если при вытяжке-стабилизации стального каната уменьшение его диаметра очень незначи тельно, то при вытяжке каротажного кабеля оно более существенно.
Степень стабильности длины бронированного кабеля за висит от типа и параметров брони, а также качества ее наложения. Остаточное удлинение кабеля связано с дефор мацией не только стальных проволок, но и других его эле ментов. По данным эксплуатации, каротажные кабели с резиновой изоляцией обладают свойством постепенного удлинения под действием постоянно приложенного усилия. В этом проявляется так называемая „текучесть“ кабеля, вызванная крипом резиновой изоляции.
Под действием растягивающего усилия происходит сжа тие резиновой оболочки под проволоками брони. При этом имеют место остаточная деформация и крип (увеличение деформации со временем при постоянном напряжении), яв ляющийся проявлением свойств текучести каучуков и их вулканизатов. При деформации каучука или каучукоподоб ного материала (например, облученного полиэтилена) воз никает зависимая от времени и температуры составляющая эластичности, которая отстает по фазе от деформирующей силы из-за влияния вторичных связей. Время такого запаз дывания деформации при определенной температуре обоз начается как время релаксации или ориентации молекул кау чукоподобного материала. При низких температурах оно значительно, но с увеличением температуры ориентация мо лекул происходит быстрее.
Проанализируем совместную работу проволочной брони и деформирующихся элементов (изоляционные и защитные оболочки). Рассмотрим два крайних случая:1) броня нало жена без зазоров на идеально жесткий сердечник; 2) броня выполнена в виде полой спирали без сердечника (пружина) с зазорами между проволоками. В первом случае под дей ствием растягивающего усилия броня может удлиняться только за счет удлинения самого материала проволок, во втором растяжение брони сопровождается увеличением ша га скрутки проволок и уменьшением диаметра бронесвода.
Промежуточное положение в рассмотренный случаях соответствует реальному бронированному кабелю, в кото
ром сердечник—деформирующийся элемент. Степень дефор мации зависит от конструктивного исполнения применяемых материалов, а также от величины приложенной к кабелю осевой нагрузки и суммарного зазора между проволоками брони.
Образование зазоров связано с тем, что при наложении оболочек случаются превышения диаметра в пределах по ложительных допусков, а количество проволок брони рас считывается исходя из постоянного диаметра под броней. При работе кабеля в скважине вследствие сжатия изоля ционных и защитных оболочек уменьшаются диаметр жилы и зазоры между проволоками брони.
Остаточное удлинение, как функция от зазоров между проволоками брони, может достигать значительных величин. Так, при зазоре между проволоками брони, равном 0,03 мм, или 0°23/, суммарный зазор у кабеля КОБДТП-Ю/6 при 20
проволоках |
составляет |
7°40', или |
0,6 мм. Относительное |
сокращение |
диаметра кабеля — ^ |
при нагрузке составит |
0,0213, относительное |
удлинение |
^ 3,5 м/км [107]. Эта |
величина может существенно сказаться на точности измере ния глубин и результативности проведения геофизических работ в скважинах. Приложение осевой нагрузки к кабелю при наличии зазоров между проволоками брони вызывает умятие проволок в деформирующуюся оплетку и резиновую оболочку. Уменьшение диаметра повивов брони сопровож дается перемещением проволок (увеличением шага нало жения), т. е. удлинением кабеля. Происходящее при этом уменьшение диаметра кабеля вызывается значительными радиально-направленными усилиями, действующими на за щитные и изоляционные оболочки.
Общее удлинение кабеля складывается из упругого уд линения еупр и дополнительного Величина последнего за
висит от характера нагрузки и времени действия |
ее на ка |
бель: |
(3 - 9 - 1 ) |
As = *упр + *і. |
Упругое удлинение кабеля определяется по известной фор муле
|
|
Р • 1 |
( 3 - 9 - 2 ) |
|
|
|
где Р |
— натяжение кабеля; |
|
|
1 |
—длина кабеля; |
|
|
Екаб — модуль |
упругости кабеля (в основном, брони); |
Ser |
— сечение стальной части кабеля. |
Уве |
ЕКаб |
зависит от угла наложения |
проволок брони |
личение натяжения |
кабеля приводит |
к увеличению |
ЕМб. |
Рис. 52. Увеличение шага повива брони при вытяжке кабеля.
295
Действительно, согласно приближенной теоретической фор муле акад. Динника, модуль упругости каната составляет
|
Екан = |
Ес ' COS^flj • COS4(*2I |
( 3 —^ —3 ) |
где Ес — модуль упругости стали; |
|
а, — угол |
наклона |
оси стренг к оси каната; |
оси. |
а2 — угол |
наклона |
проволок в стренге к ее |
Формула модуля упругости, выведенная для |
каната, |
справедлива применительно к грузонесущему элементу кабе
|
|
|
|
|
|
|
ля. В общем случае при |
спиральной |
конструкции |
брони |
(если |
пренебречь упругостью жилы) |
|
|
|
|
|
Екаб = Ес • cos4 • cos4 а', |
(3—9—4) |
где |
а.' |
и а" — углы наклона проволок |
брони |
(1-го |
и 2-го |
|
|
повивов) к оси кабеля. |
|
|
|
Тогда |
еупр = Ес • SCT• COS< а' cos4а" ’ |
|
(3—9—5) |
где |
Ес ■SCT — жесткость |
брони. |
|
его диаметр |
При |
работе кабеля (в начальный период) |
уменьшается вследствие уплотнения изоляционной и защит
ной оболочек, |
увеличивается шаг |
брони, и |
следовательно, |
уменьшаются углы скрутки повивов (рис. |
|
52). При этом |
cos а] > cos,', cos |
> cos з" и модуль |
упругости |
увеличивает |
ся, а упругое удлинение кабеля (%) уменьшается [107]. Физически это объясняется
следующим: при вытяжке ка беля под нагрузкой его эле менты стабилизируются, прово локи брони приходят в линейное касание и упругие удлинения здесь определяются упругими свойствами проволок брони, работающей на прямолинейном участке кривой AP = f(l). Таким образом, упругое удлинение мож но несколько уменьшить вытяж кой кабеля при стабилизации при определенной нагрузке, после чего оно принимает постоянную величину, которая изменяется только при увеличении растяги вающей нагрузки.
Степень уменьшения упруго го удлинения неодинакова для различных конструкций грузонесущих элементов и зависит от
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
упругих |
свойств |
изоляционных |
и |
защитных |
оболочек, |
усилия |
вытяжки |
и |
др. |
Удлинение |
кабеля от |
нагрузки |
происходит |
по |
линейному |
закону, |
а |
начиная с некото |
рых нагрузок, прирост удлинения |
уменьшается. С увеличе |
нием количества |
циклов |
прохождения |
кабеля |
по ролику |
блок-баланса удлинение увеличивается. Несколько |
первых |
циклов |
перегиба |
кабеля |
на ролике |
вызывают |
удлинения, |
величина которых достигает50—60% всего |
удлинения. Чем |
выше нагрузка, тем меньше число |
циклов |
необходимо для |
получения |
установившейся |
длины кабеля. |
нагрузки, но и |
Удлинение кабеля |
зависит не только |
от |
от времени приложения ее. По данным эксплуатации кабе ля КОБД-4, удлинение кабелей, особенно в начальный пе риод работы, меняется. В кабеле возникает остаточное уд линение, величина которого нарастает сначала быстро, затем все медленнее, и для данной нагрузки наступает установив шееся состояние длины кабеля. Это связано с физико-ме ханическими процессами, происходящими в резиновой изо ляции: быстрому увеличению удлинения соответствует та часть деформации, которая связана с поворотом молекул резины; более медленному — часть деформации, связанная с перераспределением напряжений между отдельными эле ментами резины; наиболее медленному — часть деформации, связанная с процессом изменения внутренних сил взаимо действия в резине.
В соответствии с характером деформаций резины или резиноподобного материала меняется удлинение кабеля.Ос таточные удлинения в кабеле возникают в результате про цессов, связанных с изменением внутренних сил взаимодей ствия, приводящих к длительным и часто необратимым деформациям в резине. При приложении внешней нагрузки в резине возникают напряжения, которые постепенно умень шаются вследствие проявления ее релаксационных свойств: при быстром нагружении удлинение кабеля будет меньше, чем при длительном воздействии нагрузки. Когда проволо ки первого слоя брони под растягивающей нагрузкой вдав ливаются в резиновую изоляцию, то в начальный период действия нагрузки устанавливается упругое равновесие меж ду сжимающими силами проволок и силами упругости ре зины. Затем положение молекул резины изменяется, и внут ренние напряжения в изоляции постепенно уменьшаются. Проволоки брони получают возможность дальнейшего углуб ления в изоляцию, кабель получает дополнительное удли нение, увеличивающееся во времени.
В аморфных телах каждой температуре соответствует некоторое среднее статистическое расположение и ориента ция молекул, определяющиеся соотношением взаимодейст-
