Коэффициенты барического сжатия резины ТСШ-40 име ют следующие значения:
Давление, |
кгс\см3 |
Температура, *С |
|
|
80 |
100 |
120 |
140 |
100 |
0,9927 |
0,99 |
0,9908 |
0,9904 |
500 |
0,9682 |
0,9652 |
0,9645 |
0,9625 |
1 0 00 |
0,9477 |
0,9445 |
0,9430 |
0,9399 |
На рис. 59 [125] показано изменение плотности ПЭВД— исходного и облученного ^-излучением Со-60 в гелии до до зы 80 Мрад, рассчитанное по результатам исследования сжи маемости этих материалов в камере высокого давления типа
Рис. 59. Зависимость плотности ПЭВД от темпе ратуры при давлениях, кгсІсмЧ 1 и 1' —1; 2 и 2 ' —
—1200, 1' и 2'—необлученный ПЭВД, 1 и 2—облу ченный в инертной среде у-излучением Со60 до дозы 80 Мрад.
„пьезометр“. При температурах выше 115°С в необлученном ПЭВД наблюдается фазовый переход, соответствующий за метному изменению (уменьшению) плотности материала. Дав
ление |
1 2 0 0 кгс/см* смещает температуру этого перехода с |
115 до |
125°С, а у радиационно-сшитого ПЭВД —с |
120 до |
135°С |
(рис. 60). |
аморфи- |
Отмеченный фазовый переход, обусловленный |
зацией полиэтилена и сопровождающийся увеличением объ ема материала, находит свое отражение также на термоме ханических характеристиках облученного полиэтилена a=f(T) в резком уменьшении величины деформации в температур ной зоне плавления кристаллитов, а также в качественно
|
|
сходных |
с |
ними |
темпера |
|
|
турных |
зависимостях |
коэф |
|
|
фициента линейного расши |
|
|
рения (см. рис. 58). Увели |
|
|
чение |
давления |
приводи- |
|
|
к смещению |
максимума о0 |
|
|
и а в область больших тем |
|
|
ператур, |
уменьшению ос0 |
шах |
|
|
и увеличению ашах. Влияние |
|
|
фазового |
перехода |
видно |
|
|
также |
на |
барической |
зави |
|
|
симости |
сжимаемости |
об |
|
|
лученного ПЭВД (рис. 61, а); |
|
|
изотерма Т= 140°С проходит |
|
|
выше изотермы Т=80,° С, но |
|
|
лиже изотермы Т= 100—130°С |
|
|
1125]. |
|
|
характер тем- |
Рис. 60. Зависимость |
температуры |
Сложный |
(0К) фазового перехода |
от давления |
пературной |
зависимости |
для радиационно-модифицированного |
г J г |
|
|
|
|
|
ПЭВД. |
Поглощенные дозы, Мрад |
сжимаемости различных по- |
/ - 0 ; |
2 -50 и 80; 5-100; 4- 150, |
Л И М е р н Ы Х Д И Э Л е К Т р и К О В |
5 'по Парт-су и Ричардсу) - 0 |
о б у с л о в л и в а е т НѲМОНОТОН- |
ный характер их электрофи зических характеристик при температурно-барическом нагру жении.
Эксплуатационные среды заметно влияют на механиче ские характеристики и долговечность полимерных изоляци онных и защитных оболочек каротажных и других погру жаемых в скважины кабелей. Несмотря на то, что эти обо лочки работают в скважинном растворе под значительным давлением, в случае, если они не полярны (или не окисле ны), сквозная диффузия этого раствора через них происхо дит за весьма длительное время. Молекула жидкости диф фундирует сквозь вещество, описывая сложный путь. Ско рость диффузии зависит от вязкости этого вещества и раз
меров молекулы, |
а также ее подвижности, изменяющейся |
под действием |
температуры. Для молекулы диаметром |
4- 10- 7 мм, находящейся в жидкости вязкостью ІО 2 пуаза, средняя продолжи, ельность времени диффундирования на рас стояние порядка одного ее диаметра составляет около 1 0 - 1 1 сек. Ввиду статистического характера процесса время диффузии пропорционально квадрату преодолеваемого расстояния [189].
Расчеты показывают, что время сквозного проникновения воды, нефти и других жидкостей через изоляционные и за щитные оболочки и заполнение свободного объема под ними при атмосферном давлении значительно превышает реальное непрерывное и общее время нахождения кабелей
Рис. 61. Зависимость от давления:
л —сжимаемости (%) ПЭВД, облученного в инертной среде f -излучением Со00 до дозы 80 Мрад при Т \С : / —100-4130; Д—140; 3—80; б —плотности ПЭВД при температурах, °С: /—40; 2—80; 3—120; 4—150.
в скважинах. Под давлением этот процесс ускоряется, жид кости сорбируются оболочками, которые, кроме того, сжи маются под давлением. При подъеме кабеля на поверхность на изоляционную и шланговую оболочки будет действова ь значительный перепад давлений. Снижение внешнего дав ления до атмосферного приводит к восстановлению разме ров оболочки и быстрой десорбции жидкостей. Поскольку последние обладают малым коэффициентом сжимаемости, деформация этих оболочек происходит в пределах их уп ругости, и они не разрываются. Однако присутствующие в скважинной жидкости углеводородные газы (особенно при высоком газовом факторе) обладают большим коэффициентом сжимаемости и при снятии внешнего давления, десорбируясь, могут разорвать изоляционную и защитную оболочки. В отличие от оболочек кабелей для погружных нефтенасосов
изоляционная и защитная оболочки каротажных бронирован ных кабелей не разрываются газом. Это обусловлено не значительным временем пребывания их в скважинах, высо кими упругостью и механической прочностью их двухслой ной проволочной брони.
Скважинная среда, имеющая, как правило, в своем сос таве низкомолекулярные углеводородные жидкости, в том числе сжиженные при определенном давлении углеводород ные газы, очевидно, должна влиять на физико-механиче ские и электрические характеристики полимерной изоляции, поскольку иногда химически взаимодействует с ней и ока зывает на нее пластифицирующее действие. В частности, возможно увеличение диэлектрических потерь, электро проводности, диэлектрической проницаемости и снижение ме ханической и электрической прочности.
Согласно современным представлениям, диффузия газа в полимере происходит отдельными импульсами через отверс тия, которые образуются и исчезают в непосредственной близости с молекулами диффундирующего вещества. В элас тичных полимерах эти отверстия появляются вследствие флуктуации плотностей при тепловом движении отрезков мо лекулярных цепей. С повышением гибкости цепи увеличи вается возможность осуществления таких флуктуаций, сле довательно, проницаемость больше. Поэтому наибольшей проницаемостью обладают аморфные полимеры с очень гиб кими цепями, находящиеся в высокоэластическом состоянии (например, резины), а у кристаллических (например, поли этилена) она значительно меньше [173].
Если полимер не наполнен соответствующими ингреди ентами, то проникновение жидкости в него всегда сопро вождается набуханием, существенно сказывающимся на его
механических характеристиках. |
Это происходит потому, |
что диффундирующие в полимер |
молекулы растворителя, |
вначале заполняющие свободное межмолекулярное простран ство, по мере увеличения объема растворителя начинают раздвигать макромолекулы. В результате этого увеличивают ся расстояния между ними и уменьшаются силы межмоле кулярного взаимодействия и прочность полимера [95].
Поэтому набухание сопровождается обычно уменьше нием сопротивления разрыву и относительного удлинения. При уменьшении сил межмолекулярного взаимодействия так же ухудшаются электрические характеристики—tgS, Unp. Из них наиболее структурно-чувствительной является tgS: после
|
|
|
|
|
|
пребывания в |
воде в |
течение 30 |
суток у ПЭНД и ПЭВД |
он возрастает |
более |
чем в 3 |
раза, |
а при пребывании в сжи |
женных газах— примерно |
в |
5 раз. Если UnP изоляции, вы |
полненной из |
полиэтилена, |
в |
процессе пребывания на воз |
духе при 90 ± 5°С практически не изменяется, то в процессе воздействия воды при этой же температуре в начальный мо мент оно (до X— 504-70 час.) резко снижается, а затем ос тается на уровне примерно 50% от первоначального значе ния [39].
В случае нахождения материалов в жидкостях, электри чески более прочных, чем воздух и наполнители, заполнение пустот и вымывание наполнителей может приводить даже к повышению Unp. Так, пропитка полиэтиленовой изоляции
в трансформаторном масле, |
как и |
введение |
последнего |
в |
ПЭ при помощи вальцевания, способствует увеличению U„P |
и и Нач; при введении его — |
1 0 вес. ч. і)пр |
повышается |
на |
15 — 20%, |
а иНач |
на 30 — 35. Это |
обусловлено не только за |
полнением |
пустот |
маслом, |
но и повышением однородности |
электрического поля и улучшением надмолекулярной струк туры [76].
От свойств эксплуатационной среды зависит также и ди электрическая проницаемость (s) материалов. Так, £ ПЭВД. облученного 7 - излучением Со-60 в аргоне до дозы 120 Мрад, при увеличении времени выдержки в сильно минерализо ванной воде от 5 до 69 час. увеличивается почти вдвое. Таково же соотношение £ для исходного ПЭВД, однако его абсолютные значения больше на 10—15%. При нахождении в воде е полярных или сильно окисленных полимеров обыч но заметно повышается уже за короткое время * (несколь
ко суток) выдержки. В случае |
же, если полярный диэлек |
трик работает в неполярной или слабополярной |
среде, е мо |
жет значительно понизиться с |
увеличением т, |
поскольку |
концентрация сорбируемого диэлектриком вещества возрас
тает |
во времени. Для ПЭ, например [39]: |
где |
Со — предельно-допустимая концентрация жидкости в |
|
диэлектрике; |
|
D — коэффициент диффузии; |
|
л — толщина изоляции. |
Так, е ПВХ при воздействии сжиженных |
газов в течение |
50 суток снижается в 2 раза |
[39]. Изменение свойств поли |
меров ускоряется под давлением. |
диэлектриков под |
Таким образом, поведение |
твердых |
давлением зависит от ряда факторов, из которых определя ющими являются изменение расстояния между структурны ми элементами, удельного объема (плотности), подвижности релаксаторов и небольших участков молекул, а также свой ства окружающей среды. Одновременное термобарическое нагружение диэлектриков услрлшяет зависимость их физи
ческих характеристик от давления. Можно считать установ ленным. что электрофизические характеристики полимерных диэлектриков в широком диапазоне давлений при различных температурах изменяются по кривым с экстремумами.
Выше мы приводили данные об уменьшении электро проводности радиационно-модифицированного полиэтилена в определенных интервалах давления, связывая это с уплот нением материала и увеличением содержания в нем крис таллической фазы. Действительно, электропроводность по лимеров уменьшается с повышением их степени кристал личности [160, 204]. При этом с ростом давления температу ра плавления кристаллических областей в полимере возрас тает. Так, у тефлона она возрастает с 324°С при 69 кгс)см2 до 420СС при 615 KzcjcM2 [190]. Скорость повышения тем пературы плавления кристаллитов тефлона сдавлением сос тавляет 0,2°С • см2/кгс~1, полиэтилена—0,02, натурального каучука—0,037 [254].
Увеличение плотности материала с давлением вызывает одновременное протекание двух противоположных процес сов: 1 ) рост электропроводности вследствие увеличения концентрации носителей тока в единице объема и 2 ) ее уменьшение в результате увеличения сил взаимодействия между частицами вещества, препятствующих передвижению носителей тока. Исследованиями неполярных (вернее, сла бополярных) диэлектриков (фторлон-40Ш, полиэтилены, радиационно-модифицированные полиэтилены, фторлон-4 и др.) установлена возможность уменьшения электропроводнос ти с ростом давления. Исключение составляют случаи ее уве личения в определенных диапазонах давлений при температу рах ниже температуры плавления кристаллитов, когда содер жание кристаллической фазы велико и мало зависит от давле ния [254], а также электропроводности сложных систем, на пример, резин, когда характер влияния давления зависит от многих факторов.
Электропроводность слабополярных диэлектриков, в част ности радиационно-модифицированного (облучение в инерт ной среде) ПЭВД, определяется соотношением двух про тивоположных факторов: увеличением ее под давлением при температурах до 80— 100°С вследствие неизбежного наличия радиационно-стимулированных нарушений (в общем случае— чем-либо обусловленных дефектов) и уменьшением ее с повышением давления во всем остальном температурном диапазоне из-за увеличения плотности, степени кристаллич ности и вязкости. Вместе с тем при температурах выше 100°С его электропроводность с ростом давления уменьша ется не монотонно. Как и в барическом ходе сжимаемости, можно выделить три температурные области (°С) [123]:
