Нагревательный кабель

Полезная модель относится к резистивным нагревательным кабелям и может быть использована в большинстве нагревательных систем, а также включена в комплект оборудования для предупреждения образования асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО) и снижения вязкости добываемой нефти на нефтедобывающих скважинах со штангово-глубинными насосами (ШГН).
Известен нагревательный кабель, содержащий три нагревательные жилы, защищенные двумя слоями термоизоляции из блок-сополимера пропилена с этиленом и слоем обмотки из термостойкого полотна. Кабель также содержит заполняющие жилы, выполненные в виде изолированных медных проволок, уложенные вдоль нагревательных жил. Диаметры заполняющих жил выбраны такими, чтобы их наружные поверхности упирались в соответствующие наружные поверхности нагревательных жил и внутреннюю поверхность оболочки. Поверх изолированных нагревательных и заполняющих жил уложена общая обмотка. Нагревательные жилы в нижней части кабеля соединены между собой, а другими концами подключены к регулируемому источнику трехфазного тока, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора. Заполняющие жилы также в нижней части кабеля соединены между собой, а верхними концами включены в плечо измерительного моста, диагональ измерения которого соединена с входом регулятора (Патент RU 2238392, опубл. 20.10.2004).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является выбранный в качестве прототипа нагревательный кабель, который содержит нагревательные жилы, выполненные из медной с возможностью подключения к регулируемому источнику тока и уложенные параллельно термоизолированным токопроводящим нагревательным жилам п-заполняющих жил, заключенных в изоляцию. Кабель снабжен нитями из арамидного волокна, содержит общую изолирующую оболочку нагревательных и заполняющих жил, а также защитную оболочку. Заполняющие жилы выполнены из арамидных нитей, выполняющих функцию грузонесущего силового элемента, а защитная оболочка наложена непосредственно на общую изолирующую оболочку (Патент RU 145740, опубл. 20.09.2013).
Недостатком известных конструкций нагревательных кабелей, в том числе технической проблемой, являются низкая стойкость к агрессивным внешним средам и низкая механическая прочность.
В основу заявленного решения был положен технический результат - повышение стойкости к внешним агрессивным средам и механической прочности кабеля за счет навива брони из стальной ленты с перекрытием.
Технический результат достигается тем, что в нагревательном кабеле, содержащем токопроводящие нагревательные жилы, выполненные из медной проволоки с возможностью подключения к источнику тока, и уложенные параллельно токопроводящим нагревательным жилам заполняющие жилы, заключенные в соответствующую изоляцию, выполненную из полимера, а также общую изолирующую оболочку токопроводящих нагревательных и заполняющих жил и наложенную непосредственно на последнюю защитную оболочку, при этом заполняющие жилы выполнены из арамидных нитей, при этом на защитную оболочку наложена броня путем навива из стальной ленты с перекрытием.
Заявленная полезная модель поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 показано поперечное сечение нагревательного кабеля переменного тока, состоящего из трех токопроводящих нагревательных жил.
На фиг. 2 показано поперечное сечение нагревательного кабеля постоянного тока из восьми токопроводящих нагревательных жил.
Нагревательный кабель содержит токопроводящие нагревательные жилы 1, выполненные из медной проволоки с возможностью подключения к источнику тока (на чертежах не показано), и уложенные параллельно токопроводящим нагревательным жилам 1 заполняющие жилы 2, заключенные в соответствующую изоляцию 3, выполненную из полимера, а также общую изолирующую оболочку 4 токопроводящих нагревательных 1 и заполняющих 2 жил и наложенную непосредственно на последнюю защитную оболочку 5, при этом заполняющие жилы 2 выполнены из арамидных нитей. На защитную оболочку 5 наложена броня 6 путем навива из стальной ленты с перекрытием.
2
На фиг. 1 представлен нагревательный кабель, имеющий в своем центре три токопроводящие нагревательные жилы 1, заключенные в изоляцию 3, выполненную из полимера, например, блок сополимер пропилена с этиленом или других материалов с аналогичными свойствами. Токопроводящие нагревательные жилы 1 могут быть выполнены как однопроволочными, так и многопроволочными из медных проволок суммарным сечением от 1 до 34 мм с возможностью подключения к регулируемому источнику переменного тока. В многопроволочных жилах проволоки скручены между собой. Снаружи на проволоки наложены нити из арамидных волокон 7. Кроме того, проволоки токопроводящих нагревательных жил 1 могут быть скручены между собой непосредственно с нитями из арамидных волокон. В промежутках между токопроводящими нагревательными жилами 1 и вдоль их уложены «грузонесущие» заполняющие жилы 2, выполненных из арамидных нитей, заключенные в изоляцию 3, выполненную из полимера, например, блок-сополимер пропилена с этиленом или других материалов с аналогичными свойствами. Сечение «грузонесущих» заполняющих жил, состоящих из арамидных нитей, подбирается по паспортным характеристикам материала таким образом, чтобы разрывное усилие кабеля было в пределах 1000-1500 кг.
«Грузонесущими», в данной полезной модели названы жилы, жгуты, кабель (изделия кабельные), которые помимо своего основного назначения одновременно предназначены для подвески, а также многократных спусков, подъемов, удержания на заданной высоте и горизонтального перемещения (буксировки) грузов, и поэтому «Грузонесущие» заполняющие жилы 2 должны обладать высоким значением разрывного усилия.
На «грузонесущие» заполняющие жилы 2 и токопроводящие жилы 1 наложена общая изолирующая оболочка 4, выполнена из полимера, например, из блок-сополимера пропилена. На общую изолирующую оболочку 4 наложена защитная оболочка 5, выполненная из полимера, например, полиэтилена высокой плотности (низкого давления). На защитную оболочку накладывают броню 6, путем навива из стальной ленты. Лента навевается с перекрытием предыдущего витка ленты. Степень перекрытия витков ленты зависит от заданных требуемых характеристик кабеля. Там, где требуется обеспечить максимальную защиту кабеля, перекрытие витков ленты может достигать 0,5 ширины ленты. Нити из арамидных волокон 7 скрученные с нагревательными жилами 1, и «грузонесущие» заполняющие жилы 2 выполняют функции силового элемента.
2
Возможно выполнение нагревательного кабеля (см. фиг. 2) с одной «грузонесущей» заполняющей жилой 2, выполненной из арамидных нитей и помещенной в изоляцию 3, размещенной в центре кабеля и выполняющую роль «грузонесущего сердечника» кабеля. Изоляция 3 «грузонесущей» заполняющей жилы 2 выполнена из полимера, например, блок-сополимер пропилена с этиленом или других материалов с аналогичными свойствами. На изоляцию 3 «грузонесущей» заполняющей жилы 2 наложены токопроводящие нагревательные жилы 1, выполненные из медной проволоки каждая сечением от 1,5 до 10 мм. Токопроводящие нагревательные жилы 1 разделены на равные группы «грузонесущими» изолированными жгутами 8, выполненными из арамидных волокон 7, покрытых изоляцией. На токопроводящие нагревательные жилы 1 и «грузонесущие» изолированные жилы наложена общая изолирующая оболочка 4, например, из блок-сополимера пропилена. На общую изолирующую оболочку 4 наложена защитная оболочка 5, выполненная из полимера, например, композиции полиэтилена высокой плотности. На защитную оболочку накладывают броню 6, путем навива из стальной ленты.
Сборку нагревательного кабеля, например, для нефтяных скважин и выкидных линий осуществляют следующим образом:
Токопроводящие нагревательные жилы 1 скручивают из медных жил. Затем на токопроводящие нагревательные жилы накладывают нити из арамидных волокон 7 и покрывают изоляцией 3. В промежутки между токопроводящими нагревательными жилами 1 вдоль токопроводящих нагревательных жил укладывают «грузонесущие» заполняющие жилы 2, покрытые изоляцией 3. На токопроводящие нагревательные жилы 1, помещенные в изоляцию 3 и «грузонесущие» заполняющие жилы 2 с изоляцией 3, накладывают общую изолирующую оболочку 4. Далее на общую изолирующую оболочку 4, накладывают защитную оболочку 5, защищающую кабель от контакта с жидкой средой. Затем навивают внешнюю защитную броню 6 для защиты от внешней агрессивной среды и увеличения механической прочности кабеля при монтаже.
2
Сборку нагревательного кабеля для нефтяной скважины и выкидных линий с одной «грузонесущей» заполняющей жилой 2 осуществляют следующим образом: «Грузонесущую» заполняющую жилу 2 в изоляции 3, помещают в центр нагревательного кабеля, на которую, в свою очередь, накладывают токопроводящие нагревательные жилы 1, выполненные из медной проволоки каждая сечением от 1,5 до 10 мм.
«Грузонесущая» заполняющая жила 2, помещенная в изоляцию 3 и токопроводящие нагревательные жилы 1 с изолированными «грузонесущими» разделительными жгутами 8, покрывают общей изолирующей оболочкой 4. На общую изолирующую оболочку 4 накладывают защитную оболочку 5, защищающую кабель от контакта с жидкой средой на защитную оболочку 5 навивают защитную броню 6 из стальной ленты. На одном конце кабеля токопроводящие нагревательные жилы соединяют между собой спаиванием, либо свариванием, образуя единую электрически замкнутую цепь, и надевают на них направляющий металлический наконечник из нержавеющей стали заполненный термостойким, устойчивым к агрессивным продуктам полимером или герметиком (на фиг. 1, 2 не показано). Металлический наконечник обжимают на кабеле труборезом с затупленными роликами, либо специальным гидравлическим прессом.
Нагревательный кабель функционирует следующим образом.
При работе нагревательный кабель помещают в полые штанги насоса ШГН или в межтрубное пространство нефтяной скважины либо в выкидную линию промыслового нефтепровода. Нагревательные жилы подключают к регулируемому источнику переменного или постоянного тока (на чертежах не показано). Регулируемый источник тока - это станция управления нагревательным кабелем, оснащенная измерительными и контрольными приборами. При пропускании по кабелю электрического тока напряжением от 380 В до 900 В происходит нагрев токопроводящих нагревательных жил до температуры порядка (60-90)°С. Выделенное при этом тепло, нагревая находящуюся в насосно-компрессорных трубах или трубах выкидных линий жидкость (нефть), препятствует образованию асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО). Станция управления нагревательным кабелем поддерживает заданный режим нагрева кабеля и осуществляет защитные функции (превышение максимального тока, короткое замыкание, превышение максимально-заданной температуры, утечка тока) с помощью контрольно-измерительных приборов, установленных на станции управления. Контроль средней температуры кабеля осуществляют по изменению сопротивления греющих жил с помощью логического контроллера, устанавливаемого на станции управления нагревательным кабелем. Работа станции управления не рассматривается в данном техническом решении.
Конструкция кабеля не требует крепления к насосно-компрессорным трубам, а фиксируется и герметизируется только на устье скважины специальным кабельным зажимом и сальниковым герметизатором, что позволяет осуществлять монтаж и демонтаж кабеля в любой момент без подъема насосно-компрессорных труб скважины. При возникновении осевых растягивающих усилий в процессе работы кабеля и при спускоподъемных операциях предложенная конструкция кабеля способна компенсировать возникающие нагрузки. Применяемые материалы и особенности конструкции позволяют значительно снизить вес и диаметр кабеля, и увеличить радиус изгиба, что позволяет беспрепятственно помещать его в полые штанги насоса ШГН и межтрубное пространство нефтедобывающих скважин, а также протягивать его в горизонтальных трубопроводах длиной до 1500 м. Применяемые материалы и особенности конструкции также позволяют значительно увеличить срок эксплуатации кабеля. Все это в конечном итоге приводит к значительному сокращению производственных затрат.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение стойкости к внешним агрессивным средам и механической прочности кабеля за счет навива брони из стальной ленты с перекрытием.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к резистивным нагревательным кабелям и может быть использован в большинстве нагревательных систем;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.