壓鉛設(shè)備加熱功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)

王朝陽，金超宇，陸有升，王 鵬

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潛油電纜作為石油開采的常用裝置，敷設(shè)于油井中，為潛油電泵機(jī)組提供動(dòng)力電源。電纜鉛護(hù)套層是潛油電纜的內(nèi)護(hù)套層，是高溫電纜常規(guī)使用的一種護(hù)套結(jié)構(gòu)。其作用是提高電纜的密封性能和耐溫性能，將電纜絕緣與井液、油氣環(huán)境隔開，避免絕緣層受腐蝕侵害，保證電纜的電氣性能和使用壽命。壓鉛工藝即通過壓鉛設(shè)備將鉛擠壓成所需的形狀，連續(xù)擠包在電纜絕緣線芯上。隨著高溫、高腐蝕性氣體井況的增加，鉛護(hù)套層的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。

1 潛油電纜鉛護(hù)套結(jié)構(gòu)和壓鉛設(shè)備簡(jiǎn)述

潛油電纜長(zhǎng)期工作在地下復(fù)雜環(huán)境的油井中，電纜上端與地面控制柜連接，下端與潛油電機(jī)連接，為井下潛油電機(jī)輸送電能。鉛護(hù)套潛油電纜是專門為120 ℃及以上的高溫、大深度、大斜度油井設(shè)計(jì)研發(fā)的一種潛油電纜，具有優(yōu)良的耐高溫、耐磕碰和耐腐蝕等性能（圖1）。

圖1 鉛護(hù)套電纜主要結(jié)構(gòu)

鉛護(hù)套作為常用的潛油電纜金屬護(hù)套材料。具有許多良好的性能優(yōu)點(diǎn)：

（1）耐腐蝕性能比一般金屬好，不易受酸、堿等物質(zhì)的腐蝕。鉛對(duì)稀硫酸和鹽酸不起作用，僅有硝酸、醋酸、石炭酸和某些有機(jī)物的腐爛物對(duì)鉛能起腐蝕作用。

（2）密封性能好，鉛護(hù)套具有完全不透水性，能夠可靠地防止井液和油氣的侵入。

（3）鉛相比部分金屬熔化點(diǎn)低，易于加工。鉛的熔化點(diǎn)低（約327 ℃），在制造鉛護(hù)套過程中不會(huì)使絕緣過熱而損壞，鉛在加熱到200 ℃左右時(shí)即成半液體狀態(tài)，在較低的溫度下就可以擠壓成封閉的鉛護(hù)套，從而使壓鉛工藝比較簡(jiǎn)單。

（4）鉛護(hù)套的韌性好，疲勞龜裂性好，不影響電纜的可曲性等特點(diǎn)。

壓鉛設(shè)備主要由模座、擠壓筒、螺桿、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、主電機(jī)、控制系統(tǒng)、底座、水箱等組成。螺桿經(jīng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，將熔融鉛液擠壓輸送到模座，螺桿略呈錐形，借以改善被擠壓熔鉛的致密性。當(dāng)模座內(nèi)通過絕緣線芯進(jìn)行包鉛，模座內(nèi)的模芯和口型都可根據(jù)管坯中心及其鉛壁厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)（圖2）。模座和螺桿機(jī)筒均設(shè)有溫控裝置，并檢測(cè)顯示各部位溫度。配置有熔鉛滬、輸鉛管裝置、收放線架裝置等附屬設(shè)備，可完成潛油電纜的連續(xù)包鉛作業(yè)（圖3）。

圖2 鉛護(hù)套線芯

圖3 壓鉛設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)

2 壓鉛設(shè)備加熱功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)的必要性

（1）改進(jìn)前跟蹤生產(chǎn)鉛護(hù)套線芯308 盤，由于壓鉛設(shè)備加熱不均勻造成的潛油電纜鉛護(hù)套竹節(jié)、波紋問題8 起，問題發(fā)生率為2.6%（圖4）。

圖4 鉛護(hù)套竹節(jié)和波紋問題

（2）壓鉛設(shè)備加熱系統(tǒng)包括：熔化保溫區(qū)、輸鉛管加熱區(qū)、壓鉛機(jī)機(jī)身加熱區(qū)、模具加熱區(qū)。尤其是輸鉛管和機(jī)身加熱區(qū)，至少加熱4 h 才能達(dá)到工藝所需的溫度，預(yù)熱等待時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率需要提高（圖5）。

圖5 壓鉛設(shè)備加熱系統(tǒng)

（3）輸鉛管加熱區(qū)是一個(gè)Ω 形的管子，形狀不規(guī)則，改進(jìn)前外面包復(fù)多個(gè)加熱瓦加熱，線路雜亂，加熱接觸面積不夠，存在很多的空隙，穩(wěn)定性不足，會(huì)出現(xiàn)因加熱系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的停機(jī)現(xiàn)象（圖6）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，改進(jìn)前1 年出現(xiàn)6 起因加熱系統(tǒng)故障造成的停機(jī)，導(dǎo)致電纜截?cái)?，需重新連接。

圖6 輸鉛管形狀不規(guī)則、加熱有效接觸面積不夠

綜上所述，壓鉛設(shè)備加熱功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)是潛油電纜壓鉛工藝亟需解決的一個(gè)重要問題。

3 原因分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和實(shí)際，對(duì)人員、設(shè)備、材料、工藝等原因的一系列情況進(jìn)行調(diào)查摸底和分析：

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查操作人員技術(shù)規(guī)程掌握情況和考察操作過程，發(fā)現(xiàn)操作人員熟知技術(shù)要求，操控較細(xì)心，未出現(xiàn)人員缺乏責(zé)任心、未按工藝操作的現(xiàn)象。通過對(duì)員工技能水平的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相關(guān)培訓(xùn)覆蓋率100%，通過培訓(xùn)，考試成績(jī)合格率100%，員工技能水平穩(wěn)定。

（2）通過查閱檢測(cè)報(bào)告、質(zhì)量證明等相關(guān)資料。原材料鉛牌號(hào)為1 號(hào)純鉛，純度為99.994%，原材料檢驗(yàn)合格率100%。鉛材料成分純度高，質(zhì)量穩(wěn)定性高。

（3）通過對(duì)工藝的逐項(xiàng)對(duì)比、審核和寫實(shí)。壓鉛工藝完整有效，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)化和規(guī)范化的規(guī)定。

（4）通過設(shè)備生產(chǎn)加熱過程中發(fā)現(xiàn)，輸鉛管加熱接觸面積不夠，加熱穩(wěn)定性不足。

（5）通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)加熱過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)身加熱效率低，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)。

通過對(duì)人員、設(shè)備、材料、工藝等原因的一系列分析，確定了主要原因?yàn)椋狠斻U管加熱接觸面積不夠，加熱穩(wěn)定性不足；機(jī)身加熱效率低、預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)

針對(duì)這些原因，結(jié)合實(shí)際，實(shí)施了一系列的對(duì)策進(jìn)行實(shí)施，內(nèi)容見表1。

表1 優(yōu)化和改進(jìn)措施

（1）輸鉛管加熱區(qū)加熱方式的改進(jìn)。選擇Φ0.8 mm 的電加熱絲穿上耐高溫絕緣陶瓷珠后，纏繞包覆在輸鉛管上，替代了原有的加熱瓦加熱方式，既增加了加熱的有效接觸面積，又減少了連接線路，提高了輸鉛管的加熱效率和穩(wěn)定性（圖7 和圖8）。

圖7 電加熱絲穿入耐高溫絕緣陶瓷珠效果

圖8 電加熱絲纏繞包覆效果

（2）機(jī)身加熱區(qū)加熱方式的增加。改進(jìn)前機(jī)身的加熱方式為單純的加熱瓦方式加熱，通過對(duì)17 個(gè)400 W 電加熱管進(jìn)行嵌入式安裝，提高了機(jī)身區(qū)的加熱效率和穩(wěn)定性（圖9 和圖10）。

圖9 電加熱管

圖10 電加熱管安裝效果

（3）工藝的寫實(shí)和完善。安裝調(diào)試完成后，對(duì)壓鉛工藝的溫度參數(shù)重新進(jìn)行了寫實(shí)和規(guī)定完善（表2）。

表2 壓鉛工藝溫度寫實(shí)表 ℃

5 改進(jìn)后現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)措施完畢后，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了跟蹤實(shí)施效果理想。

（1）通過改進(jìn)后的跟蹤，未發(fā)生電纜鉛護(hù)套線芯竹節(jié)、波紋問題，故障率由2.6%降低到0%。

（2）縮短預(yù)熱時(shí)間（由4 h縮短到1 h），提高生產(chǎn)效率。

（3）提高加熱穩(wěn)定性，改進(jìn)后的同期時(shí)段對(duì)比，加熱系統(tǒng)故障次數(shù)由6 次減少到1 次。

（4）經(jīng)濟(jì)效益分析。節(jié)省電纜修復(fù)聯(lián)接費(fèi)用：5 次×3200 元/次=16 000 元。節(jié)省用電成本：壓鉛機(jī)加熱功率75 kW，一年壓鉛預(yù)熱時(shí)間節(jié)省320 h，電費(fèi)為0.8 元/（kW·h），75×320×0.8=19 200 元。節(jié)省加熱瓦損壞成本：5×6×2200=66 000元。合計(jì)一年節(jié)省成本101 200 元。

6 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)壓鉛設(shè)備加熱故障進(jìn)行原因分析，優(yōu)化和改進(jìn)壓鉛設(shè)備加熱功能，通過設(shè)計(jì)、改造輸鉛管和壓鉛機(jī)機(jī)身的加熱結(jié)構(gòu)和方式，由原來單純的加熱瓦加熱方式改為電加熱管纏繞包覆加熱方式，不僅提高了加熱效率，還減少加熱系統(tǒng)故障次數(shù)。該項(xiàng)改造還節(jié)省了電纜連接、用電等成本，提高壓鉛設(shè)備的穩(wěn)定性以及鉛護(hù)套的生產(chǎn)和質(zhì)量水平，應(yīng)用良好效果。