潜油泵圆形电力电缆结构设计及关键工艺.pdf

2005年第5期 No.5 2005 电 线 电 缆 Electric Wire 结构;工艺 中图分类号:TM246.9文献标识码:A文章编号:167226901(2005)0520014204 Construction Design and Key Processes for Round Power Cables for Submersible Pumps LI Yia2lin (Shandong Shengli Oil field , Rodless Oil Extracting Pump Co. , Cable Plant , Dongying 257079 , China ) Abstract: The features of construction design and essentials and matters needing attention in the manufacturing process for round power cables for submersible pumps are presented. Key words: power cables for submersible pumps; construction; manufacturing process 收稿日期:2005201210 作者简介:李亚玲(1971 - ) ,女,陕西凤翔人,工程师. 作者地址:山东东营市海河中路113号[257079]. 1 引 言 潜油泵电力电缆是潜油电泵机组配套使用的专 用电缆,敷设于油井中,电缆下端与引接电缆相连, 上端与地面控制柜相连接。油井中工作条件非常恶 劣,常处于高温、 高压,以及含油气等腐蚀性很强的 环境中。潜油泵电力电缆按形状可分为圆形和扁形 两种,其绝缘材料可采用乙丙橡皮、 聚丙烯、 聚酰亚 胺2F46复合薄膜Π 乙丙橡皮组合的多种绝缘型式。 长期以来,受油井套管狭小空间的限制,通常潜油泵 电力电缆以扁形为主。由于扁形电缆是非对称结 构,当电力传输时,因磁场的不平衡而产生的电磁感 应会引起磁滞损耗,使电缆发热。因此,当油井套管 尺寸允许的情况下宜采用圆形电缆。结构对称的圆 形电缆其产生的电磁场均匀分布,相互干扰小,电磁 兼容性好,因此,在同样载流量条件下,其导体外径 可适当地减小,反之,在导体相同截面积条件,其允 许截流量可适当地增加。其次,圆形电缆在油井中 敷设时也便于收、 放线。所以近年来我厂研制了不 同规格型号的潜油泵圆形电力电缆。目前主要生产 的有:乙丙橡皮绝缘或聚丙烯绝缘的丁腈橡皮护套 钢带(或不锈钢带)联锁铠装圆形电力电缆,型号分 别为QYENY、QYPNY等两大系列。本厂是采用国家 标准G BΠT 167521997《潜油泵机组》 中规定的命名方 式,即QY为潜油泵电缆型号;E为乙丙橡皮;P为聚 丙烯;N为丁腈橡皮; Y为圆形结构。另外,本文中 介绍的专为印尼CNOOC公司生产的型号为QYEYX 潜油泵圆形电力电缆,其中X表示采用了不锈钢带 联锁铠装(编者按:上述命名方法与国家机械行业标 准JBΠT 533221991《电动潜油泵电缆》 略有不同,读者 可自行比较)。 潜油泵电力电缆适用于额定电压为3. 6Π6 kV 及以下潜油泵机组配套使用,其中乙丙橡皮绝缘电 力电缆的导体长期允许工作温度为180℃;聚丙烯 绝缘的导体长期允许工作温度为100℃(编者按:参 照JBΠT533221991标准及查阅相关资料,乙丙橡皮绝 缘电缆最高工作温度为150℃,作者复函称,他们通 过材料配方等改进后,可提高为180℃)。 图1 产品的结构 2 产品结构设计 潜油泵圆形电力电缆由铜导体2绝缘层2阻挡层2 保护层2护套层2铠装层等组成,产品结构见图1 ,具 体内容分述如下。 (1)导体。导体可采用多股铜绞线或单根铜 线,可镀锡或不镀锡。在相同截面积条件下,单根铜 线的直径最小,更主要原因是可阻止油气(如硫化氢 气体)沿绞线间隙渗入并加速绝缘老化;为阻止因电 缆弯曲等原因所造成的油气沿导体与绝缘层之间间 隙的渗入,导体外应涂敷一层特殊粘结剂,经硫化后 可使导体与绝缘紧密粘结。 (2)绝缘层。乙丙橡皮(EPDM)是目前使用较 广泛的绝缘材料,它具有良好的绝缘性能,体积电阻 率为10 15～1016 Ω cm;击穿场强可达20 kVΠmm ,可长 期工作于- 40℃ ～180℃ 环境中。但乙丙橡皮耐油 性差,因此,可通过在导体表面涂敷粘结剂及绝缘层 外增加一层束紧层(如聚四氟乙烯薄膜带和锦纶丝 包带 ) , 来有效地防止其在油井中受热溶胀。聚丙烯 (PP)绝缘适用于- 20℃ ～100℃ 的工作环境中使用, 低温时聚丙烯易脆裂,高温时易老化变形,而且不宜 在富含CO2的油井中使用。 (3)阻挡层。 聚四氟乙烯(F40)薄膜带具有很好 的耐油、 耐高温性能,用F40薄膜带绕包于绝缘层 外,阻挡油气对乙丙橡皮侵入,防止EPDM绝缘因油 气作用下溶胀,延长电缆的使用寿命,同时在油井气 体泄压期间还可作为绝缘层束紧层,提供箍紧的强 度,因此,也可称为束紧层。 (4)保护层。 选用强度高、 耐蚀性强的锦纶丝 带绕包,与F40薄膜联合使用。这可进一步加强对 绝缘层的箍紧强度及保护F40薄膜,防止成缆时受 损,也可称为束紧层。 (5)护套层。 护套采用机械性能良好,耐油性、 耐化学腐蚀性强的丁腈橡皮,并要求其表面带有花 键式外楞,以防止铠装时护套受损,也可增加与联锁 钢带铠装摩擦力,使联锁铠装纵向受力均衡。 (6)铠装层。 联锁的钢带铠装起着一个纵向受 力作用,同时对护套层起着关键的保护作用,若无铠 装保护作用,一旦电缆提升起出或压力突变,护套会 溶胀而破裂。 3 关键工序的工艺确定 潜油泵电力电缆制造工艺不同于普通电力电 缆。由于它用于井下高温、 高压和高腐蚀特殊环境 中,以及下井安装并穿越井口封隔器时要求密封,因 此,对电缆每道制造工序的外径控制及最终的成品 外形尺寸控制要求很高,是影响产品性能指标是否 合格的一个关键的参数。 3.1 成缆工艺 三根芯线绞合的松紧度及绞合节距对后道工序 丁腈橡皮护套挤出质量有着直接的影响。成缆应选 用全退扭的成缆设备,成缆方向为左向,节距为成缆 直径的23～25倍,以保证敷设时有良好的弯曲性 能。并线模(定径模)内孔的直径通常为成缆直径加 0.5 mm为宜,以便更好地控制成缆外径。成缆时首 先要保证三个放线盘的张力均匀,绞合松紧度主要 通过分线板与并线模之间间距来调节,间距大则成 缆就紧,间距小则成缆就松,通常间距为一个成缆节 距最合适。 对于型号为QYPNY圆形电缆,其聚丙烯绝缘为 热塑性材料,若温度超过其变形温度并受到外力作 用下会形变。聚丙烯熔融温度为160～170℃,丁腈 护套挤出并通过硫化管内硫化的蒸汽压力为0. 8 MPa ,温度为170℃ 左右,若成缆的三根芯线因绞合 太紧,则它们会存在着一个向心的作用力,导致硫化 后的聚丙烯绝缘与导体发生偏心。 对于型号为QYENY圆形电缆,其乙丙橡胶为热 固性材料,一经硫化后将永久不变形,但是,如果绞 合过于松,三根芯线缝隙过大,则丁腈护套挤出时会 造成因胶料不足而导致电缆不圆整,而且对护套挤 出的偏心调节也造成困难。 3.2 丁腈护套挤出工艺 丁腈护套挤出的圆整度是整个电缆生产的关 键,将直接影响联锁钢带铠装的质量。挤出质量主 要与模具的选配、 挤出工艺参数的确定、 丁腈橡皮的 配方等因素有关,而且三者之间息息相关。 (1)挤出模具的设计。 模具的正确选配能保证 挤出护套的致密性和圆整度。我厂选用德国 TROESTER公司生产的三层共挤连续硫化生产线来 进行丁腈橡皮的挤制,与国产的Φ85 mm连硫生产 线相比,具有线径自动测量装置,能将线径有效控制 在 0. 2 mm;具有超声波发射器及接收器,能精确 控制电缆在管道中的悬链度;挤出螺杆的长径比大, 约为16∶1 ,因此能提高挤橡机挤出压力及胶料挤出 致密性。为了配合丁腈护套的挤出,我厂对原设备 配套的模套进行了改进,如图2所示。改进后的模 套夹角减小,成径段长度增加,有利于丁腈橡皮的挤 出和定径。 丁腈橡皮挤出应选用挤压式模具。模具设计主 要考虑模套的成径段长度、 模芯与模套间距及其夹 角α。与单芯电缆挤制相比,三芯绞合后缆芯外径 大,填充缝隙也大,所以设计时应考虑: ①模套成径段长度需加长到6～7 mm ,增大橡 胶成型时间; ②模芯与模套间距放大到3～4 mm ,增大出胶 51 2005年第5期 No.5 2005 电 线 电 缆 Electric Wire ③由于该进口设备的模套厚度是固定的,模套 成径段的加长与模间距的放大,使夹角α也相应增 大,导致挤出压力的增大; ④模具尺寸设计。 模芯内径(mm)为 <1+ 0. 5 ; 模套内径(mm)<2=<1+挤出厚度 2 ;线径测量仪的 测量外径(mm)为 <2+ 0. 3。式中,<1为挤出前缆芯 直径(mm) ;<2为模套内径,也是最终挤出及冷却后 的护套外径(mm)。 为了尽量减小缆芯的窜动,便于护套调偏心,模 芯内径通常为挤出前缆芯外径加0. 5～1. 0 mm;因 挤出压力大,护套离模后会有所膨胀,经硫化冷却后 却会收缩,因此为保证护套挤出后的成品外径 <2符 合要求,根据生产实践证明,通常线径测量仪测得的 线径应为 <2+ 0.3 mm。 (2)挤出模具材质的改进。 由于丁腈橡皮和硫 化剂均有较强的腐蚀性,经常会使模具表面腐蚀。 腐蚀后杂质会混入胶料中严重影响护套表面质量及 其电性能。我厂目前使用的模具材质为40Cr ,并经 渗氮处理,即可防腐防锈,而且可增加模具表面的硬 度。 (3)丁腈橡皮配方的调整。 丁腈橡皮具有优异 的耐油、 耐热、 耐寒、 耐老化和耐化学腐蚀等性能,是 一种很好的护套材料,但在一定的温度和时间内(尤 其在机身螺筒中)容易发生焦烧,所以在不影响其性 能的前提下,调整配方,减少硫化剂用量,延长了焦 烧时间,有利于保证护套的挤出质量。经配方调整 前后的材料性能见表1。 (4)挤出参数的确定。 对于同一种挤出设备挤 制同一种线芯,因模具选配不同,其挤出参数也需作 相应调整。首先应根据丁腈橡皮的物理机械性能来 确定挤橡机的机身、 机头的挤出温度;再根据硫化曲 线判定正硫化点所需的时间,并以此来确定硫化管 表1 改进前后的护套料性能的比较 项目改进前改进后 门尼粘度7575 抗拉强度ΠMPa11.210.5 断裂伸长率Π%760790 塑性0.320.31 焦烧时间Πmin1015 注:焦烧时温度为120℃ 道的蒸汽压力、 温度、 挤出机螺杆转速、 牵引线速度 等挤出参数,最后还要根据选配的模具进行适当调 整。我厂在185℃ 条件下测试获得丁腈橡皮硫化曲 线,并确定正硫化点所需时间为5 min ,用 <90 mm挤 橡机为印尼CNOOC公司生产型号QYENYX52342 潜油泵圆形电力电缆,以该产品为例列出了护套的 挤出参数: ①挤出厚度为2.0 mm; ②管道蒸汽压力为1.1～1.3 MPa ; ③管道蒸汽温度为188～194℃; ④螺杆转速为27～34 rΠmin; ⑤螺杆挤出温度为50～70℃。 3.3 联锁钢带铠装工艺 联锁钢带铠装是该电缆生产的最后一道工序, 其外形尺寸如果控制不均,不仅不符合技术标准要 求,同时给下井作业造成困难。目前我厂采用加拿 大CeeCo公司的钢带瓦楞联锁铠装机进行钢铠。该 设备最大的特点是主机和牵引部分均采用无级变速 调节系统。主机部分可根据不同外形尺寸的电缆随 时调整钢带的送带量,牵引部分调节线速来控制铠 装的节距,搭接率一般控制在40 %～45 %。钢带铠 装不宜过松或过紧,如某段缠绕过松,在下井敷设过 程中易产生脱扣现象,起不到限制护套层膨胀作用, 以及纵向受力作用,同时在穿越井口封隔器时无法 达到有效的密封;过紧易损伤护套,因此护套层采用 1 mm1 mm的花键式外楞就是为了保证铠装中钢 带能与护套产生较大的摩擦,使钢带既紧密缠绕在 护套层上又不致于损伤护套,又使联锁钢带纵向受 力均匀。 铠装过程中最关键的是圆电缆钢带铠装专用工 具。由于铠装过程中钢带与弯钩的摩擦会造成弯钩 变形受损,并使钢带产生毛刺,导致在下井过程中易 发生钢带断裂、 松套现象,直接影响了铠装的质量。 因此变形用的弯钩的制作较为严格,应选用硬度高、 耐磨损的不锈钢,并经氮化处理以增强其耐磨性。 弯钩的弯曲直径宜取为铠装圆电缆的外护套直径, (下转第23页) 61 2005年第5期 No.5 2005 电 线 电 缆 Electric Wire (4) 由于主干、 支 线压接头的特殊结构,缠绕绝缘带材不仅费工费时, 增加成本,而且效果不理想,在有水浸入的情况下, 击穿率仍然较高。 由上所述,我们认为,寻找合理的注塑工艺,选 择乃至开发合适的注塑料,应是解决分支连接盒浸 水电压试验击穿率高的主要方法。为此,我们做了 以下两方面的工作: (1)注塑工艺的调整。 针对标称截面大小不同 的主干和支线,选择不同的注塑压力和射胶量,达到 既能使注塑料与主干、 支线的护套紧密接触,又不损 伤其护套的目的。 (2)注塑材料的选择。 我们认为,如果注塑材 料能与主干、 支线的护套粘合成一体,那么,将最终 解决分支连接盒的浸水电压试验问题。 参考了相关国内外资料,试用了尽可能多的各 种材料,充分利用了我公司能自行设计塑料配方并 能自行生产电缆用塑料粒的优势,经过反复多次试 验,最后研制出一种能将主干、 支线的护套粘合成一 体的注塑材料。 为了证明这种材料粘合主干和支线护套的可靠 性,做了如下试验: (1)在分支连接盒注塑完成,刚刚脱模后,趁连 接盒塑料还处在较软的状态,立即用刀剖开连接盒 观察,注塑料确实与护套粘成了一体,用人力无法将 其分开。证明注塑材料与主干和支线的护套材料粘 合牢固。 (2)人为降低注塑量,使注塑量为分支连接盒 所需注塑量的1/ 2～2/ 3 ,先注塑一模,脱模后可看 到分支连接盒只注有部分塑料。冷却后,再将这一 已注有部分塑料的分支连接盒放入注塑模中,对其 再次注塑,脱模后观察,虽然先后注入的两部分塑料 有明显的分界线,但两者已粘成一体,用人力无法将 其分开,证明注塑材料自身间的粘合性能优良。 (3)取长5 m左右,标称截面300 mm2的1 kV 单芯辐照交联聚乙烯绝缘电力电缆一段;再取长5 m 左右,标称截面25 mm 2 的单芯辐照交联聚乙烯绝缘 电力电缆一段,将二者作为预制分支电缆样品的主 干及支线,压接好后注塑。将主干两端密封,置于 1.5 m深水池的底部,分支线的自由端固定于水池 边的绝缘柱上,每天对其做如下试验:①用1 kV兆 欧表测量其绝缘电阻;②将支线自由端导体与高压 相连,施加工频3. 5 kV电压,持续5 min。这些试验 历时三月余,仍未发生击穿现象。 4 结束语 综上所述,对于预制分支电缆来说,为保证其使 用的安全可靠性,我们认为浸水电压试验必须作为 例行试验项目列入产品标准。采用先缠绕绝缘带、 涂胶、 绕阻水绳等阻水措施后再注塑制成的分支盒, 其浸水电压试验的击穿率较高。为保证每一个预制 分支电缆的分支连接盒能顺利通过浸水电压试验, 最为有效的方法是主干、 支线压接好后,选用合理的 注塑工艺和能与电缆原有护套材料紧密粘合的注塑 材料直接注塑。注塑后要达到主干、 支线原有的塑 料包覆层与新注入的分支连接盒塑料完全融为一体 的效果。本公司采用自主研制开发的具有良好粘合 性能的注塑材料后,预制分支电缆的生产效率提高 了近三倍,浸水电压试验的击穿现象已极少发生。 这不仅使得我公司预制分支电缆的产品质量上升到 一个较高的水平,而且将大大拓展了预制分支电缆 的使用范围。 (上接第16页) 以保证螺旋状铠装外径。同时在生产过程中需要根 据线径的粗细及时调整钢带的送带量,保证连续生 产,减少因新带搭接而影响铠装质量。 4 结束语 对于潜油泵圆电缆的制备因产品结构不同和生 产设备的差异,工艺参数也需做相应调整,但产品在 整个生产过程中对每道工序的外形尺寸控制总是非 常关键的。从我厂近期出口于印尼CNOOC公司的 电缆性能测试数据来看,各项性能指标均满足国际 G BΠT 1675021997以及美国石油学会分布的标准API 11S 6的要求,这标志着我厂对潜油泵圆电缆的生产 从工艺设计到产品制造已日趋成熟。但今后还需进 一步改进丁腈护套的耐温性能以及解决减少钢带铠 装的断带率问题,以便更加完善潜油泵圆形电力电 缆的制造工艺。 32 2005年第5期 No.5 2005 电 线 电 缆 Electric Wire &Cable 2005年10月 Oct. ,2005