Объемное расширение (%) для исходного и облученно го (в инертной среде) до различных доз ПЭВД при различ ных температурах и давлениях [123] приведено в табл. 33.
Объемное расширение
«и |
До |
|
ч |
\ <И „ |
|
1В « |
0 |
з « |
S Л |
|НН |
|
П * |
|
1 |
60 |
1,40/1,014 |
|
120 |
9,00/1,09 |
|
20 0 |
— |
|
230 |
— |
500 |
60 |
0.66/1,0066 |
|
120 |
5,80/1,058 |
|
20 0 |
— |
|
230 |
— |
1000 |
60 |
0,40/1,004 |
|
120 |
4.40/1,041 |
|
200 |
— |
|
230 |
— |
1500 |
60 |
-0,92/0,99 |
|
120 |
1,74/1,0174 |
|
20 0 |
— |
|
230 |
— |
2500 |
60 |
-1,00/0,99 |
|
120 |
0 ,2 0/1,002 |
|
2 0 0 |
— |
|
230 |
— |
Т а б л и ц а 33 ПЭВД, облученного 7 - излучением Со-60
Поглощенная доза, Мрад |
|
50 |
80 |
100 |
0,30/1,003 |
0,68/1,0068 |
0,91/1,0091 |
6,40/1,064 |
6,60/1,066 |
9,60/1,069 |
14,90/1,149 |
15,50/1,155 |
13,50/1,135 |
17,00/1,170 |
17,80/1,178 |
15,90/1,159 |
0,35/1,0035 |
0,59/1,0059 |
0,50/1,005 |
6,30/1,063 |
6,10/1,061 |
5,40/1,054 |
13,00/1,13 |
14,10/1,141 |
11,60/1,116 |
14,20/1,142 |
15,80/1,158 |
13,40/1,134 |
0 ,0 0/0 ,0 0 |
0,65/1,0065 |
0 /0,00 |
5,06/1,05 |
1,70/1,017 |
4,00/1,04 |
12.0 0/1.12 |
12,90/1,129 |
9,80/1,098 |
13,40/1,134 |
14,50/1,145 |
11,2 0/ 1,112 |
0 /0,00 |
0,69/1,0069 |
-0,59/0,994 |
3,00/1,03 |
1,0 0/1,01 |
2,0 0/1,02 |
10 90/1,109 |
11,80/1,118 |
8,40/1,084 |
12,0 0/ 1,12 |
13,40/1,134 |
9,60/1,096 |
- 1 40/0,986 |
0,98/1,098 |
-0,96/0,99 |
-1,04/0,99 |
-2,00/0,98 |
9,50/1,095 |
11,2 0/1,112 |
6,70/1,067 |
10,40/1,1 |
12,50/1,125 |
7,80/1,078 |
Примечание. Через откос даны безразмерные коэффициенты, характеризующие объемное расширение изоляции
Значения р (т) (0С_1) могут быть найдены как
Ѵ»-Ѵ і
Э(т) = Ѵо (Т2 —ТО •
Например, для ПЭВД с поглощенной дозой 100 Мрад при давлении 1 кгс/см* в температурном диапазоне 60-г230°С
Поэтому при совместном температурно-барическом наг ружении изоляции (при работе кабеля в скважине) вклады давления и температуры в диэлектрическую проницаемость противоположны и в определенных интервалах температур и давлений могут компенсировать друг друга. В этом слу чае разница s0TH(P) — еотн(Т) = Деотн не выходит за пределы ошибок измерений большинства приборов. Этот вывод рас пространяется, в частности, на ПЭВД и радиационно-моди фицированный (облученный) ПЭВД. На рис. 57 [125] пока-
Рис. 57. Зависимость от совместного действия темпе ратуры и давления (глубины погружения в скважину):
а—диэлектрической проницаемости изоляции участка кабеля; / —необ-
|
|
|
|
|
|
лучешіый |
ПЭВД, 2— ПЭВД, |
облученный ^-излучением Со(і0 до дозы |
80 Мрад', |
б—емкости единичного |
участка кабеля |
с изоляцией из |
ПЭВД, облученного ^-излучением |
Соfl0 до дозы 100 |
Мрад в инерт |
ной среде ( |
~ 1,7 мм; |
4,7 мм от изменения: 1— геометрии |
изоляции от барического действия сжатия и температурного расши рения; 2—концентрации частиц в единице объема (изменение е); результирующая кривая; 4—результаты прямого измерения емко сти образца прибором Е-12-2; 5—изменение емкости образца вслед
ствие действия сорбированной влаги.
312
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зана динамика изменения |
диэлектрической |
проницаемости |
изоляции кабеля с полиэтиленовой изоляцией |
по мере спус |
ка в скважину, заполненную буровым |
раствором с плотнос |
тью 2 г/см3 и геотермическим |
градиентом 30°С/км. При рас |
чете |
этой |
зависимости |
использованы экспериментальные дан |
ные |
[12і] |
по сжимаемости и тепловому расширению ПЭВД, |
облученного в гелии ■$- излучением Со-60 до дозы 80 |
Мрад. |
При глубине спуска~3,5 км для |
кабеля с |
изоляцией из |
ПЭВД и 5 —5,5 км—с |
изоляцией |
из |
облученного |
ПЭВД |
суммарное изменение емкости равно 0. |
|
|
част |
В некоторых случаях |
Д е отн |
может быть больше, в |
ности, в случае значительной |
сжимаемости |
диэлектрика, |
сопровождающейся сильным увеличением е с ростом давле ния и незначительным уменьшением е с ростом температуры
(т. е. в случае, когда | РКе | > |ТЮ|). При одновременном воз действии температуры 250°С и давления 1200 кгс/см2 (в ус тановке высокого давления) £от фторлоновой пленочной изо
ляции возросла |
на 30% |
по сравнению с е0тн при |
исходных |
условиях (Р = 1 |
кгс/см2 |
и Т = 20°С). Видимо, |
на увели |
чение е изоляции при ее термобарическом нагружении вли яет и Сорбированная жидкость; при снятии давления и ох лаждении s образца восстанавливается до исходного значе ния (происходит восстановление размеров изоляции и десорбция жидкости).
Характер зависимости диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков от гидростатического давления обус ловлен их физическим состоянием и зависит от количест венного соотношения между, по крайней мере, двумя взаи мнопротивоположными эффектами—увеличением г за счет сорбированной полярной жидкости и роста концентрации диполей в единице объема и снижением г за счет увеличе
|
|
|
|
|
|
|
|
ния сил взаимодействия атомов вещества. |
В |
связи |
с этим |
в отличие от неполярных е полярных |
диэлектриков с уве |
личением давления |
изменяются |
по кривой с |
максимумом. |
Диэлектрическая |
проницаемость полимерных |
диэлектри |
ков зависит от степени полярности. Так, полиэтилен, |
окис |
ленный при радиационном сшивании |
на |
воздухе, а также |
политетрафторэтилен, окисленный при |
радиационной |
поли |
меризации на воздухе, особенно при |
избыточном давлении, |
имеют более высокие значения |
диэлектрической |
проница |
емости, чем справочные (которые даются обычно для „нор мальных“, неокисленных материалов) [112].
Степень полярности материала сказывается не только на абсолютной величине е, но и на ее зависимости от темпе ратуры. С увеличением полярности эта зависимость изменяется в количественном и качественном отношениях Так, г непо лярных и слабо полярных полимеров (ПЭ.РМПЭ) незначнтель-
зы
но уменьшается с увеличением температуры, е полиамидов,
в частности Polyimid |
Ultramid, существенно |
возрастаете |
ростом температуры. |
Так, при частоте 10{ гц с увеличением |
температуры с 60 до |
90°С она возросла с 4,85 до 8,6 [2091; |
с увеличением температуры также возрастает е ПВХ. |
Хорошо воспроизводимыми данными по зависимости ди |
электрических потерь |
(tgS) полиэтилена, в том |
числе ради |
ационно-модифицированного, фторлона и других диэлектри ков, от давления мы в настоящее время не располагаем. Вместе
с тем имеются ссылки [24] на то, что |
у |
неполярных |
диэ |
лектриков (к которым можно отнести |
и |
указанные |
выше) |
диэлектрические потери увеличиваются с |
ростом давления |
(PKtgä > 0). Согласно же экспериментальным данным, полу ченным Поповым и автором, знак PKtgS у полиэтилена, фторлонов (в том числе фторлона-40Ш) и других неполярных и слабополярных диэлектриков при давлениях до 1200 кгс/см2 обычно отрицателен. Например, увеличение давления с 600 до 1200 кгс’.см2 при постоянной температуре, равной 130°С,
|
|
|
|
снижает tgS тефлона типа |
отечественного |
фторлона-4М в |
2,54 |
раза (емкость С при этом возрастает с |
1517 до 1550 пф), |
при |
Т - const = 160°С— в 2,1 раза (С возрастает с 1506 до |
1543 пф). Можно ожидать, |
что зависимость tgS = f(P) для |
неполярных и тем более полярных диэлектриков в широком диапазоне давлений немонотонна; положения экстремумов должны зависеть от температуры. Немонотонность обусловле на тем, что, с одной стороны, вследствие сжимаемости диэ лектрика в единице объема увеличивается количество ре лаксаторов, ответственных за изменение tg 5, и с другой — уменьшается поляризуемость из-за уменьшения подвижности
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
этих релаксаторов [247,17]. |
Максимум tg 8 полимеров при |
повышении давления |
смещается в сторону больших темпе |
ратур. При |
этом величина |
максимума tg 8 |
релаксационных |
потерь |
и |
потерь, |
обусловленных |
электропроводностью, |
уменьшается |
с увеличением давления [118, 182]. Эти явления |
обусловлены |
увеличением сил взаимодействия между части |
цами |
вещества при |
сжатии, |
препятствующим |
ориентации |
релаксаторов |
в направлении |
поля, и свидетельствуют о том, |
что молекулярная подвижность |
полимеров определяется как |
свободным |
объемом, так и гибкостью полимерной цепи. Тем |
пература максимума tg8 дипольно-сегментальных |
потерь с |
ростом |
давления смещается |
со скоростью ~ |
0,016°С-CM2jкге |
для ПЭТФ, |
0,012 для ПММА, ~ |
0,008 |
для |
ПВХ [118, 182]. |
При разработке, исследованиях и эксплуатации |
электро |
технических |
устройств, в том |
числе кабелей |
различного наз |
начения, часто возникает необходимость получения |
инфор |
мации о различных |
свойствах |
изоляционного |
материала и |
конструкции |
в целом, прямое получение которой невозмож |
но в данный момент или может привести к разрушений конструкции. Например, при эксплуатации геофизических и вообще погружаемых в скважины кабелей во время спус ко-подъемных операций наиболее доступны для измерений сопротивление изоляции RH3H емкость С. В связи с этим рассмотрим вопрос о возможности качественного и коли чественного определения изменения различных параметров кабеля или заготовки его по данным нахождения одного или нескольких параметров, доступных для измерения.Для геофизических кабелей, например, целесообразна постанов ка вопроса о возможности определения изменения парамет ров при их работе в условиях воздействия давления и тем пературы, непрерывно изменяющихся по стволу скважины, по данным измерения R„3 и С или только R,,-.
Качественные и количественные характеристики твердых тел определяются энергией взаимодействия между его час тицами и свойствами образующих частиц [36]. Воробьевым [38] показана закономерная связь электрической прочности, тангенса угла диэлектрических потерь, диэлектрической
проницаемости и других |
свойств ионных кристаллов с энер |
гией решетки. Механические свойства |
ионных |
кристаллов |
оказываются закономерно связанными |
с |
электрофизически |
ми и др. Это относится не только |
к |
щелочно-галоидным |
кристаллам, но и к кристаллизующимся |
полимерам. |
В ра |
боте [149] показано, что вывод о закономерной |
связи ме |
ханических и термических |
характеристик низкомолекуляр |
ных веществ, в том числе ионных кристаллов, можно |
рас |
пространить на полимерные материалы; |
|
|
|
где Е — модуль Юнга; |
|
|
|
|
|
К — постоянная Больцмана; |
|
|
|
|
10 — межмолекулярное |
расстояние; |
|
|
|
а0 — коэффициент термического расширения.
В работе [25] установлена качественная и количествен ная корреляция радиационной ползучести и электропровод ности, в работе [132]—связь между электропрочностными
имеханическими свойствами полимеров.
Воснове механической и электрической релаксации по лимеров лежат одинаковые формы теплового движения [76],
следовательно, должна наблюдаться корреляция между их электрофизическими и механическими характеристиками.
Зависимость электропроводности полимеров от темпера туры описывается выражением
°t = °о ехр ^----- |
(4 - 1 - 8 ) |
где U — „кажущаяся“ |
энергия |
активации электропроводнос |
ти, эв\ |
°К. |
|
|
|
|
|
Т —температура, |
|
|
|
|
|
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
|
к = ~ |
ій Г іР |
|
|
|
|
|
|
% |
|
|
|
|
Подставив (4—1 —9) в уравнение (4—1 — 7), получим |
Е = |
и |
|
at |
|
|
(4 -1 -1 0 ) |
о |
|
|
|
|
|
10 а0 •Tin |
— |
|
|
|
Учитывая, что U = TKRraKT (Т — Тн), |
а a |
|
|
можем получить следующее выражение: |
|
|
Е = TKRH3 К Т ( Т - Т н ) |
|
ТКИиз |
К ( Т - Т н ), |
(4 -1 -1 1 ) |
*0 "о Т ІП § |
|
|
, ln:Rn |
|
|
Существует корреляционная связь |
между |
механически |
ми (относительное удлинение, |
термомеханические |
свойства |
и др.) и электрофизическими |
(tg8, е, рѵ) характеристиками |
радиационно-модифицированных |
полиолефинов |
fl 16], пос |
кольку они зависят от |
|
степени |
радиационного |
окисления |
(концентрации полярных групп). Имеется также корреляция между температурной зависимостью электрической прочнос ти и модулем упругости облученного полиэтилена [268], между молекулярным весом и термомеханическими харак теристиками [178] и т. д.
Таким образом, существует большое количество экспе риментальных данных, свидетельствующих о корреляции электрических, механических, термодинамических свойств полимерных материалов, применяемых в качестве изоляции.
В связи с этим целесообразно проследить наличие кор реляционных свойств полимерных материалов при воздейст вии давления на геофизические, нефтяные, морские, под водные и другие кабели, а также различные скважинные приборы — датчики и глубоководные приборы-датчики.
В работах |4, 5,7,91,178] показано изменение механиче ских свойств с изменением давления. Например, относитель ное изменение модуля Юнга с давлением описывается вы ражением
4ТКВ0Рі°-5 |
J* |
(4 -1 -1 2 ) |
PKBUB0 j |
|
|
