Универсальная муфта кабельного ввода погружного электродвигателя
SUBMERSIBLE MOTOR CABLE INPUT UNIVERSAL COUPLING

Изобретение относится к области электротехники, в частности к концевым соединителям для кабелей, находящихся в жидкой среде, и может быть использовано а конструкциях кабельных вводов для герметичного присоединения кабельной линии к погружным электродвигателям, предназначенным для привода погружных насосов, используемых в нефтяной промышленности для добычи нефти.
Общей проблемой создания и применения муфт кабельного ввода является получение высокой надежности (выполнение заданных функций в определенное время) и оптимальной себестоимостью изготовления.
Известно довольно большое количество муфт кабельного ввода погружного электродвигателя, описанных в технической литературе [см., например, Международный транслятор "Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти" - М.: Нефть и газ, 1999. С. 410-412], в патентах на изобретение: RU 2251185 С2 от 16.10.2002; RU 2264681 С2 от 14.11.2003; RU 2319268 С2 от 20.12.2004; US 2012/0100737 А1, 26.04.2012, RU 2588608 С1 от 08.05.2015.
Все указанные муфты содержат корпус, который закреплен на конце кабеля с помощью уплотнительных элементов или заливки герметизирующим компаундом. Внутри корпуса расположены концы изолированных проводов кабеля, освобожденные от свинцовой оболочки, соединенные со штепсельными наконечниками, выведенными через отверстия на колодку штепсельных наконечников. Для механического удержания кабеля от осевого перемещения и дополнительной защиты от воздействия жидкости внутреннюю хвостовую часть муфты заливают герметизирующим компаундом или применяют пайку в месте стыка металлического корпуса и брони кабеля.
Однако, в процессе эксплуатации при достижении высоких температур с последующим охлаждением до температуры пласта, присутствия вибрации, герметичность таких муфт может быть нарушена, что приведет к проникновению скважной жидкости к наружной поверхности изоляционного слоя кабельной жилы.
Причина - температурные напряжения, возникающие в уплотнительных элементах из-за разницы в коэффициентах температурного расширения стали, резины и полимерного компаунда.
Еще один недостаток муфт это их применение, в основном, для кобелей со свинцовой оболочкой на изоляции (за исключением патентов RU 2251185 С2 и 2264681 С2, где, теоретически, можно доработать муфты для кабеля с полиэтиленовой изоляцией).
Во всех вышеуказанных патентах используются технические решения для уменьшения продольной осевой нагрузки на узел "кабель-муфта" с большим или меньшим успехом (вариант с пайкой брони кабеля и корпуса муфты - не рассматриваем, ввиду крайней не технологичности).
Известен патент RU 2319268 С2 " Муфта кабельного ввода для погружного электродвигателя" в котором сущность изобретения состоит в том, что "... внутренняя полость корпуса муфты кабельного ввода заполнена герметизирующим компаундом с высокой диэлектрической прочностью на основе эластомерной матрицы. Колодка штепсельных наконечников зафиксированна внутри корпуса с помощью термо- и агрессивостойкого эластомерного кольца, установленного с возможностью деформации в кольцевых канавках на выходном участке корпуса. На концах свинцовых защитных герметизирующих оболочек с помощью резьбового соединения размещены установочные втулки, а в хвостовой части корпуса часть кабельной брони, составляющая не менее диаметра оболочки кабеля, загерметизирована эластомерным кольцом…"
Недостатки: не до конца решена проблема уменьшения нагрузки на кабель по продольной оси за счет манипуляции со свинцовой оболочкой и, опять же, применим только для кабелей со свинцовой рубашкой.
Наиболее близким, по совокупности технических решений, является патент RU 2588608 С1 " Высокотемпературная муфта кабельного ввода для погружного электродвигателя", в котором "…Муфта кабельного ввода содержит корпус и заполненный компаундом хвостовик переменного сечения, соединенные между собой и закрепленные с помощью уплотнительных элементов и колец на конце токопроводящего кабеля. Каждый провод кабеля пропущен через сквозное отверстие в корпусе, освобожден на части своей длины от свинцовой защитной оболочки и соединен со штепсельным наконечником, вмонтированным в колодку штепсельных наконечников. На торцевой стороне корпуса, обращенной к хвостовику, вокруг сквозных отверстий выполнены выступу в виде втулок с коническим участком на конце..."
Недостатки, как и в предыдущем патенте, применим только для кабелей со свинцовой оболочкой. Разборный корпус практически решает проблему нагрузки на кабель по продольной оси (свинцовая оболочка весьма качественно закреплена), но сама конструкция становится очень сложной, с большим количеством деталей.
Технической задачей изобретения является оптимизация конструкции муфты, расширение функциональных возможностей и повышение надежности муфты кабельного ввода в эксплуатации до 6-7 лет непрерывной работы в скважине.
Технический результат достигается за счет:
- увеличение герметичности конструкции при воздействии пластовой жидкости;
- уменьшение продольной осевой нагрузки на узел "кабель-корпус";
- точное позиционирование кабеля по отношению к корпусу.
Формула изобретения Универсальная муфта кабельного ввода содержит (УМКВ) и имеет следующие соединения: металлический корпус, в котором расположен кабель; для установки в УМКВ кабель освобожден от наружной бронеленты, таким образом, что часть заделанной в "замок" бронеленты заходт в хвостовую часть корпуса; на бронеленте произведено кернение углублений, которые расположены таким образом, что образованные конусы на внутренней поверхности бронеленты находятся между защитной оболочкой проводов; кабель освобожден от защитной свинцовой оболочки на заданное расстояние, концы проводов освобождены от изолирующего слоя, место перехода кабеля "свинец-изоляция" изолировано фторопластовой липкой лентой до выхода токопроводящих жил, на токопроводящих жилах нарезана резьба; концы кабеля разъединены на три провода и деформированы таким образом, что оси токопроводящих жил образуют равнобедренный треугольник в поперечной плоскости кабеля; на токопроводящие жилы накручены штепсельные наконечники до упора в торец изоляционного слоя, на штепсельные наконечники надеты уплотнительные кольца; корпус крепится к кабелю посредством установочных винтов через резьбовые отверстия в хвостовой части; резьба Мб установочных винтов выбрана исходя из того, что винты с острым концом начиная с резьбы Мб и выше, имеют притупленный конец, таким образом, установочные винты, попадая в углубления не повреждают бронеленту кабеля; на проходящие внутри корпуса подготовленные провода последовательно размещены: опорная шайба, которая установлена таким образом, что выполненные на ее торце выступы однозначно совпадают с пазами сквозной полости корпуса, таким образом происходит позиционирование проводов кабеля относительно корпуса, серия уплотнительных шайб, колодка штепсельных наконечников; часть изолирующего слоя и штепсельные наконечники находятся в углублении колодки, причем в колодке находится не менее 40% тела штепсельных наконечников для обеспечения их соосности; колодка штепсельных наконечников прижимается кольцевой гайкой к уплотнительной шайбе; в хвостовую полость корпуса залит высокотемпературный диэлектрический компаунд.
Для решения поставленной задачи предлагается универсальная муфта кабельного ввода (УМКВ) погружного электродвигателя, которая содержит закрепленный на конце кабеля корпус, который перед заливкой высокотемпературным диэлектрическим компаундом, механически закреплен с бронелентой кабеля, частично заходящую в хвостовую часть корпуса, установочными винтами. Таким образом узел "броня - компаунд - корпус", который присутствует в подавляющем числе патентов (не считая пайки) "армируется" установочными винтами. В сквозной полости корпуса расположены концы проводов кабеля (освобожденные от броневой ленты, на заданном расстоянии освобожденные и от изолирующего слоя, с нарезанной на токопроводящих жилах - резьбой), проходящие через отверстия опорной шайбы, выполненной из высокотемпературного и ударопрочного полимера, например, полифениленсульфида. Опорная шайба установлена в корпусе таким образом, что выполненные на ее торце выступы однозначно попадают в пазы сквозной полости корпуса, таким образом происходит позиционирование проводов кабеля относительно корпуса. Далее концы проводов кабеля проходят через отверстия трех уплотнительных шайб, выполненных из тепло-масло-бензостойких каучуков с различным относительным удлинением, причем внешние уплотнительные шайбы изготовлены, например, из фторкаучука с относительным удлинением - 100-300%, а средняя, например, из кремнийорганического каучука с относительным удлинением - 400-600%. Такой подбор материалов связан с тем, чтобы при продольном сжатии уплотнительных шайб, средняя шайба заполнила своим объемом кольцевую проточку внутри корпуса, тем самым повысив герметичность соединения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, при использовании кабеля со свинцовой оболочкой, от этой оболочки освобождается часть кабеля входящая в первую уплотнительную шайбу, причем, место перехода кабеля "свинец-изоляция ЕПДМ" изолируется фторопластовой липкой лентой, например, DeWal или Nitoflon, до выхода токопроводящей жилы.
На токопроводящие жилы навинчиваются штепсельные наконечники до упора в торец изоляционного слоя, буртики которых выполнены в виде шестигранника, что позволяет не только увеличить момент затяжки резьбы на токопроводящей жиле, но и сэкономить 16% латуни при изготовлении штепсельных наконечников.
На штепсельные наконечники надевается уплотнительное кольцо, например, из фторкаучука, после чего наконечники с нанесенной на 0,3 длинны от буртика синтетической диэлектрической высокотемпературной консистентной смазкой, вставляются в углубления колодки штепсельных наконечников. В колодке штепсельных наконечников выполненной из высокотемпературного и ударопрочного полимера, например, полифениленсульфида, находится не менее 40% тела штепсельных наконечников для обеспечения их соосности.
Колодка штепсельных наконечников, поджимается кольцевой гайкой по резьбе, выполненной внутри сквозной полости корпуса.
После сборки универсальная муфта кабельного ввода устанавливается вертикально (штепсельными наконечниками вниз) и заполняется высокотемпературным диэлектрическим компаундом, через отверстие между кабелем и корпусом. После отверждения компаунда, производится окончательная затяжка кольцевой гайки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг. 1- продольный разрез УМКВ при использовании плоского кабеля со свинцовой защитой;
Фиг. 2 - схема позиционирования опорной шайбы в корпусе;
Фиг. 3-эскиз штепсельного наконечника с шестигранным буртиком;
Фиг. 4 - вид УМКВ при использовании плоского кабеля со свинцовой защитой со стороны кабеля;
Фиг. 5 - разнесенный вид УМКВ при использовании плоского кабеля со свинцовой защитой;
Фиг. 6 - продольный разрез УМКВ при использовании плоского кабеля с полиэтиленовой изоляцией;
Фиг. 7 - вид УМКВ при использовании плоского кабеля с полиэтиленовой изоляцией;
Фиг. 8 - разнесенный УМКВ при использовании плоского кабеля с полиэтиленовой изоляцией;
Фиг. 9 - продольный разрез УМКВ при использовании плоского кабеля с полиэтиленовой изоляцией, совпадающей по диаметру с вводом погружного электродвигателя (частный случай);
Фиг. 10 - разнесенный вид УМКВ при использовании плоского кабеля с полиэтиленовой изоляцией, совпадающей по диаметру с вводом погружного электродвигателя (частный случай). На чертежах показано:
1-корпус УМКВ, 2-кабель со свинцовой защитной оболочкой, 3-кабель с полиэтиленовой изоляцией, 4-бронелента, 5-накерненные углубления в бронеленте, 6-свинцова защитная оболочка, 7-изолирующий слой ЕПДМ, 8-токопроводящая жила с резьбой на конце, 9-штепсельный наконечник, 10-резьбовые отверстия в хвостовой части корпуса, 11-установочные винты М6, 12-опорная шайба, 13-направляющие выступы на опорной шайбе, 14-направляющие пазы в корпусе, 15-уплотняющая шайба из фторкаучука, 16-уплотняющая шайба из кремнийорганического каучука, 17-кольцевая проточка в корпусе, 18-уплотнительное кольцо штепсельного наконечника, 19-колодка штепсельных наконечников, 20-резьбовое кольцо, 21-внешнее уплотнительное кольцо корпуса, 22-высокотемпературный диэлектрический компаунд, 23-полиэтиленовая защитная оболочка, 24-опорная шайба, 25-уплотняющая шайба из фторкаучука, 26-уплотняющая шайба из кремнийорганического каучука, 27-колодка штепсельных наконечников, 28-колодка штепсельных наконечников, 29-штепсельный наконечник.
УМКВ содержит и имеет следующие соединения: металлический корпус 1, в котором расположен кабель 2,3(Фиг. 1,4). Для установки в УМКВ кабель 2,3 подготовлен следующим образом: конец кабеля 2,3 освобожден от наружной бронеленты 4, таким образом, чтобы часть заделанной в "замок" бронеленты 4 заходила в хвостовую часть корпуса 1. На бронеленте 4, с помощью шаблона (не показан), производится кернение тупым керном (во избежание сквозного пробоя) углублений 5 (Фиг. 4,7). Углубления 5 расположены таким образом, чтобы образовавшиеся конусы на внутренней поверхности бронеленты 4 находились между защитной оболочкой 6 (Фиг. 4) или 23 (Фиг. 7) проводов. Кабель 2 освобождается от защитной свинцовой оболочки 6 (Фиг. 1,5) на заданное расстояние. Концы проводов освобождаются от изолирующего слоя 7 (Фиг. 1,5) или 23 (Фиг. 6,8). Место перехода кабеля "свинец-изоляция ЕПДМ" изолируется фторопластовой липкой лентой (не показана), например, DeWal или Nitoflon, до выхода токопроводящей жилы. На токопроводящих жилах 8 (Фиг. 1,5,6,8,9,10) нарезается резьба. Концы кабеля 2,3 разъединены на три провода и, с помощью специального приспособления (не показано), деформированы таким образом, чтобы оси токопроводящих жил 8 сформировали равнобедренный треугольник в поперечной плоскости кабеля 2,3 (Фиг. 5,8,10). На токопроводящие жилы 8, накручены штепсельные наконечники 9 (Фиг. 1,3), 29 (Фиг. 9), до упора в торец изоляционного слоя 7,23 (Фиг. 1,9). На штепсельные наконечники 9 надеты уплотнительные кольца 18 (Фиг. 1,6).
Корпус 1 крепится к кабелю 2,3 посредством установочных винтов М6 11(Фиг. 4,7), через резьбовые отверстия 10 (Фиг. 2), выполненные в хвостовой части. Резьба установочных винтов 11 М6, выбрана исходя из того, что, винты с острым концом начиная с резьбы Мб и выше, имеют притупленный конец. Таким образом, установочный винты 11, попадая в углубления 5 не повредят бронеленту 4 кабеля 2,3.
На проходящие внутри корпуса 1 подготовленные провода последовательно размещены:
- опорная шайба 12(Фиг. 1,2),12(Фиг. 6,9), установленная таким образом, что выполненные на ее торце выступы однозначно попадают в пазы сквозной полости корпуса 1 (Фиг. 2), таким образом происходит позиционирование проводов кабеля относительно корпуса 1. Опорная шайба выполнена из высокотемпературного и ударопрочного полимера, например, полифениленсульфида;
- серия уплотнительных шайб, выполненных из тепло- маслобензостойких каучуков с различным относительным удлинением, причем внешние уплотнительные шайбы 15 (Фиг. 1), 25 (Фиг. 6,9) изготовлены, например, из фторкаучука с относительным удлинением - 100-300%, а средняя 16 (Фиг. 1), 26 (Фиг. 6,9), например, из кремнийорганического каучука с относительным удлинением - 400-600%. При сжатии, уплотнительная шайба 16 (Фиг. 1), 26 (Фиг. 6,9) заполняет своим вытесненным объемом кольцевую проточку 17 (Фиг. 1,6,9), тем самым повышая герметичность соединения.
- колодка штепсельных наконечников 19 (Фиг. 1,6), причем, часть изолирующего слоя 7 (Фиг. 1), 23(Фиг. 6) и штепсельные наконечники 9 находятся в углублении колодки штепсельных наконечников 19 (Фиг. 1,6). В колодке штепсельных наконечников 19 находится не менее 40% тела штепсельных наконечников 9 для обеспечения их соосности. Колодка штепсельных наконечников 19 (Фиг. 1,6) выполнена из высокотемпературного и ударопрочного полимера, например, полифениленсульфида.
- (частный случай) колодка штепсельных наконечников 28 (Фиг. 9). Используется, когда с изолирующий слой 23(Фиг. 9), совпадает по диаметру с вводом погружного электродвигателя.
Колодка штепсельных наконечников 19 (Фиг. 1,6), 28 (Фиг. 9) прижимается кольцевой гайкой 20 к уплотнительной шайбе 15(Фиг. 1),25(Фиг. 6,9).
На корпус 1 надето уплотнительное кольцо 21 (Фиг. 1,6.9) и защитная крышка(не показана), которая крепится к корпусу 1 с помощью болтов и гаек подходящего диаметра (не показаны).
В хвостовую полость корпуса 1 (Фиг. 1,6,9) залит высокотемпературный диэлектрический компаунд 22.
Сборка универсальной муфты кабельного ввода производится следующим образом:
Подготовленный кабель 1,2 (Фиг. 5,8,10), с накрученными на токопроводящие жилы 8 штепсельными наконечниками 9 (Фиг. 5,8), 29(Фиг. 10), вставляется в сквозную полость корпуса 1 с хвостовой части. Кабель 1,2 фиксируется в корпусе 1 установочными винтами 11. На провода со штепсельными наконечниками 9, проходящими через корпус 1, последовательно надевается:
- опорная шайба 12 (Фиг. 5), 24 (Фиг. 8,10);
- уплотнительная шайба 15,16,15 (Фиг. 5), 25,26,25 (Фиг. 8,10).
Затем на штепсельные наконечники 9 надеваются уплотнительные кольца 18 (Фиг. 5,8) и на 0,3 длинны от буртика наносится синтетическая диэлектрическая высокотемпературная консистентная смазка.
После этого на штепсельные наконечники 9 (Фиг. 5,8), 29 (Фиг. 10) надевается колодка штепсельных наконечников 19 (Фиг. 5), 27 (Фиг. 8), 28 (Фиг. 10), которая поджимается кольцевой гайкой 20.
На корпус 1 надевается уплотнительное кольцо 21 (Фиг. 1,6.9) и защитная крышка(не показана), которая крепится к корпусу 1 с помощью болтов и гаек подходящего диаметра (не показаны).
УМКВ располагается вертикально (крышкой вниз) и в хвостовую полость корпуса 1 (Фиг. 1,6,9) заливается высокотемпературный диэлектрический компаунд 22. В таком же положении УМВК помещается в печь, где при 65 С° в течении 45 мин. разжиженный компаунд заполняет весь объем хвостовой части корпуса 1 и полимеризуется. После полного отверждения компаунда, кольцевая гайка 20 затягивается динамометрическим ключом с заданным усилием.
Готовая УМКВ проходит испытания высоким напряжением и на герметичность.
Примечание: при изменении конструкции хвостовой части корпуса 1, данное изобретение может быть использовано и для круглых кабелей серий КПБК, КПпБК, КПпТБК и др.
Таким образом предлагаемое изобретение позволяет решить следующие задачи:
- упростить саму конструкцию УМКВ;
- упростить технологию сборки;
- повысит герметичность для работы в среде агрессивной пластовой жидкости при температуре до 250 С° и высоком гидростатическом давлении до 40 МПа;
- уменьшение продольной нагрузки на узел "кабель- УМКВ";
- возможность применения как для кабелей со свинцовой оболочкой, так и с полиэтиленовой изоляцией;
- в результате имеем повышение надежности эксплуатации до 6-7 лет непрерывной работы в скважине;
- оптимальная себестоимость.
Таким образом, предлагаемое изобретение полностью соответствует основному экономическому критерию: "стоимость-эффективнось".