压铅设备加热功能的优化设计和改进

王朝阳，金超宇，陆有升，王 鹏

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潜油电缆作为石油开采的常用装置，敷设于油井中，为潜油电泵机组提供动力电源。电缆铅护套层是潜油电缆的内护套层，是高温电缆常规使用的一种护套结构。其作用是提高电缆的密封性能和耐温性能，将电缆绝缘与井液、油气环境隔开，避免绝缘层受腐蚀侵害，保证电缆的电气性能和使用寿命。压铅工艺即通过压铅设备将铅挤压成所需的形状，连续挤包在电缆绝缘线芯上。随着高温、高腐蚀性气体井况的增加，铅护套层的质量和可靠性至关重要。

1 潜油电缆铅护套结构和压铅设备简述

潜油电缆长期工作在地下复杂环境的油井中，电缆上端与地面控制柜连接，下端与潜油电机连接，为井下潜油电机输送电能。铅护套潜油电缆是专门为120 ℃及以上的高温、大深度、大斜度油井设计研发的一种潜油电缆，具有优良的耐高温、耐磕碰和耐腐蚀等性能（图1）。

图1 铅护套电缆主要结构

铅护套作为常用的潜油电缆金属护套材料。具有许多良好的性能优点：

（1）耐腐蚀性能比一般金属好，不易受酸、碱等物质的腐蚀。铅对稀硫酸和盐酸不起作用，仅有硝酸、醋酸、石炭酸和某些有机物的腐烂物对铅能起腐蚀作用。

（2）密封性能好，铅护套具有完全不透水性，能够可靠地防止井液和油气的侵入。

（3）铅相比部分金属熔化点低，易于加工。铅的熔化点低（约327 ℃），在制造铅护套过程中不会使绝缘过热而损坏，铅在加热到200 ℃左右时即成半液体状态，在较低的温度下就可以挤压成封闭的铅护套，从而使压铅工艺比较简单。

（4）铅护套的韧性好，疲劳龟裂性好，不影响电缆的可曲性等特点。

压铅设备主要由模座、挤压筒、螺杆、传动结构、主电机、控制系统、底座、水箱等组成。螺杆经传动装置驱动回转，将熔融铅液挤压输送到模座，螺杆略呈锥形，借以改善被挤压熔铅的致密性。当模座内通过绝缘线芯进行包铅，模座内的模芯和口型都可根据管坯中心及其铅壁厚度进行调节（图2）。模座和螺杆机筒均设有温控装置，并检测显示各部位温度。配置有熔铅沪、输铅管装置、收放线架装置等附属设备，可完成潜油电缆的连续包铅作业（图3）。

图2 铅护套线芯

图3 压铅设备工作现场

2 压铅设备加热功能的优化设计和改进的必要性

（1）改进前跟踪生产铅护套线芯308 盘，由于压铅设备加热不均匀造成的潜油电缆铅护套竹节、波纹问题8 起，问题发生率为2.6%（图4）。

图4 铅护套竹节和波纹问题

（2）压铅设备加热系统包括：熔化保温区、输铅管加热区、压铅机机身加热区、模具加热区。尤其是输铅管和机身加热区，至少加热4 h 才能达到工艺所需的温度，预热等待时间长，生产效率需要提高（图5）。

图5 压铅设备加热系统

（3）输铅管加热区是一个Ω 形的管子，形状不规则，改进前外面包复多个加热瓦加热，线路杂乱，加热接触面积不够，存在很多的空隙，稳定性不足，会出现因加热系统不稳定造成的停机现象（图6）。经统计，改进前1 年出现6 起因加热系统故障造成的停机，导致电缆截断，需重新连接。

图6 输铅管形状不规则、加热有效接触面积不够

综上所述，压铅设备加热功能的优化设计和改进是潜油电缆压铅工艺亟需解决的一个重要问题。

3 原因分析

结合现场情况和实际，对人员、设备、材料、工艺等原因的一系列情况进行调查摸底和分析：

（1）通过现场监督检查操作人员技术规程掌握情况和考察操作过程，发现操作人员熟知技术要求，操控较细心，未出现人员缺乏责任心、未按工艺操作的现象。通过对员工技能水平的调查发现，相关培训覆盖率100%，通过培训，考试成绩合格率100%，员工技能水平稳定。

（2）通过查阅检测报告、质量证明等相关资料。原材料铅牌号为1 号纯铅，纯度为99.994%，原材料检验合格率100%。铅材料成分纯度高，质量稳定性高。

（3）通过对工艺的逐项对比、审核和写实。压铅工艺完整有效，按照国家标准进行了数据化和规范化的规定。

（4）通过设备生产加热过程中发现，输铅管加热接触面积不够，加热稳定性不足。

（5）通过现场生产加热过程中发现，机身加热效率低，预热时间长。

通过对人员、设备、材料、工艺等原因的一系列分析，确定了主要原因为：输铅管加热接触面积不够，加热稳定性不足；机身加热效率低、预热时间长。

4 优化设计改进

针对这些原因，结合实际，实施了一系列的对策进行实施，内容见表1。

表1 优化和改进措施

（1）输铅管加热区加热方式的改进。选择Φ0.8 mm 的电加热丝穿上耐高温绝缘陶瓷珠后，缠绕包覆在输铅管上，替代了原有的加热瓦加热方式，既增加了加热的有效接触面积，又减少了连接线路，提高了输铅管的加热效率和稳定性（图7 和图8）。

图7 电加热丝穿入耐高温绝缘陶瓷珠效果

图8 电加热丝缠绕包覆效果

（2）机身加热区加热方式的增加。改进前机身的加热方式为单纯的加热瓦方式加热，通过对17 个400 W 电加热管进行嵌入式安装，提高了机身区的加热效率和稳定性（图9 和图10）。

图9 电加热管

图10 电加热管安装效果

（3）工艺的写实和完善。安装调试完成后，对压铅工艺的温度参数重新进行了写实和规定完善（表2）。

表2 压铅工艺温度写实表 ℃

5 改进后现场应用效果

优化设计和改进措施完毕后，对应用效果进行了跟踪实施效果理想。

（1）通过改进后的跟踪，未发生电缆铅护套线芯竹节、波纹问题，故障率由2.6%降低到0%。

（2）缩短预热时间（由4 h缩短到1 h），提高生产效率。

（3）提高加热稳定性，改进后的同期时段对比，加热系统故障次数由6 次减少到1 次。

（4）经济效益分析。节省电缆修复联接费用：5 次×3200 元/次=16 000 元。节省用电成本：压铅机加热功率75 kW，一年压铅预热时间节省320 h，电费为0.8 元/（kW·h），75×320×0.8=19 200 元。节省加热瓦损坏成本：5×6×2200=66 000元。合计一年节省成本101 200 元。

6 结语

综上所述，通过对压铅设备加热故障进行原因分析，优化和改进压铅设备加热功能，通过设计、改造输铅管和压铅机机身的加热结构和方式，由原来单纯的加热瓦加热方式改为电加热管缠绕包覆加热方式，不仅提高了加热效率，还减少加热系统故障次数。该项改造还节省了电缆连接、用电等成本，提高压铅设备的稳定性以及铅护套的生产和质量水平，应用良好效果。