壓鉛設備加熱功能的優化設計和改進

王朝陽，金超宇，陸有升，王 鵬

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潛油電纜作為石油開采的常用裝置，敷設于油井中，為潛油電泵機組提供動力電源。電纜鉛護套層是潛油電纜的內護套層，是高溫電纜常規使用的一種護套結構。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備將鉛擠壓成所需的形狀，連續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，鉛護套層的質量和可靠性至關重要。

1 潛油電纜鉛護套結構和壓鉛設備簡述

潛油電纜長期工作在地下復雜環境的油井中，電纜上端與地面控制柜連接，下端與潛油電機連接，為井下潛油電機輸送電能。鉛護套潛油電纜是專門為120 ℃及以上的高溫、大深度、大斜度油井設計研發的一種潛油電纜，具有優良的耐高溫、耐磕碰和耐腐蝕等性能（圖1）。

圖1 鉛護套電纜主要結構

鉛護套作為常用的潛油電纜金屬護套材料。具有許多良好的性能優點：

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

（2）密封性能好，鉛護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低，易于加工。鉛的熔化點低（約327 ℃），在制造鉛護套過程中不會使絕緣過熱而損壞，鉛在加熱到200 ℃左右時即成半液體狀態，在較低的溫度下就可以擠壓成封閉的鉛護套，從而使壓鉛工藝比較簡單。

（4）鉛護套的韌性好，疲勞龜裂性好，不影響電纜的可曲性等特點。

壓鉛設備主要由模座、擠壓筒、螺桿、傳動結構、主電機、控制系統、底座、水箱等組成。螺桿經傳動裝置驅動回轉，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。當模座內通過絕緣線芯進行包鉛，模座內的模芯和口型都可根據管坯中心及其鉛壁厚度進行調節（圖2）。模座和螺桿機筒均設有溫控裝置，并檢測顯示各部位溫度。配置有熔鉛滬、輸鉛管裝置、收放線架裝置等附屬設備，可完成潛油電纜的連續包鉛作業（圖3）。

圖2 鉛護套線芯

圖3 壓鉛設備工作現場

2 壓鉛設備加熱功能的優化設計和改進的必要性

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

圖4 鉛護套竹節和波紋問題

（2）壓鉛設備加熱系統包括：熔化保溫區、輸鉛管加熱區、壓鉛機機身加熱區、模具加熱區。尤其是輸鉛管和機身加熱區，至少加熱4 h 才能達到工藝所需的溫度，預熱等待時間長，生產效率需要提高（圖5）。

圖5 壓鉛設備加熱系統

（3）輸鉛管加熱區是一個Ω 形的管子，形狀不規則，改進前外面包復多個加熱瓦加熱，線路雜亂，加熱接觸面積不夠，存在很多的空隙，穩定性不足，會出現因加熱系統不穩定造成的停機現象（圖6）。經統計，改進前1 年出現6 起因加熱系統故障造成的停機，導致電纜截斷，需重新連接。

圖6 輸鉛管形狀不規則、加熱有效接觸面積不夠

綜上所述，壓鉛設備加熱功能的優化設計和改進是潛油電纜壓鉛工藝亟需解決的一個重要問題。

3 原因分析

結合現場情況和實際，對人員、設備、材料、工藝等原因的一系列情況進行調查摸底和分析：

（1）通過現場監督檢查操作人員技術規程掌握情況和考察操作過程，發現操作人員熟知技術要求，操控較細心，未出現人員缺乏責任心、未按工藝操作的現象。通過對員工技能水平的調查發現，相關培訓覆蓋率100%，通過培訓，考試成績合格率100%，員工技能水平穩定。

（2）通過查閱檢測報告、質量證明等相關資料。原材料鉛牌號為1 號純鉛，純度為99.994%，原材料檢驗合格率100%。鉛材料成分純度高，質量穩定性高。

（3）通過對工藝的逐項對比、審核和寫實。壓鉛工藝完整有效，按照國家標準進行了數據化和規范化的規定。

（4）通過設備生產加熱過程中發現，輸鉛管加熱接觸面積不夠，加熱穩定性不足。

（5）通過現場生產加熱過程中發現，機身加熱效率低，預熱時間長。

通過對人員、設備、材料、工藝等原因的一系列分析，確定了主要原因為：輸鉛管加熱接觸面積不夠，加熱穩定性不足；機身加熱效率低、預熱時間長。

4 優化設計改進

針對這些原因，結合實際，實施了一系列的對策進行實施，內容見表1。

表1 優化和改進措施

（1）輸鉛管加熱區加熱方式的改進。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）機身加熱區加熱方式的增加。改進前機身的加熱方式為單純的加熱瓦方式加熱，通過對17 個400 W 電加熱管進行嵌入式安裝，提高了機身區的加熱效率和穩定性（圖9 和圖10）。

圖9 電加熱管

圖10 電加熱管安裝效果

（3）工藝的寫實和完善。安裝調試完成后，對壓鉛工藝的溫度參數重新進行了寫實和規定完善（表2）。

表2 壓鉛工藝溫度寫實表 ℃

5 改進后現場應用效果

優化設計和改進措施完畢后，對應用效果進行了跟蹤實施效果理想。

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

（2）縮短預熱時間（由4 h縮短到1 h），提高生產效率。

（3）提高加熱穩定性，改進后的同期時段對比，加熱系統故障次數由6 次減少到1 次。

（4）經濟效益分析。節省電纜修復聯接費用：5 次×3200 元/次=16 000 元。節省用電成本：壓鉛機加熱功率75 kW，一年壓鉛預熱時間節省320 h，電費為0.8 元/（kW·h），75×320×0.8=19 200 元。節省加熱瓦損壞成本：5×6×2200=66 000元。合計一年節省成本101 200 元。

6 結語

綜上所述，通過對壓鉛設備加熱故障進行原因分析，優化和改進壓鉛設備加熱功能，通過設計、改造輸鉛管和壓鉛機機身的加熱結構和方式，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，還減少加熱系統故障次數。該項改造還節省了電纜連接、用電等成本，提高壓鉛設備的穩定性以及鉛護套的生產和質量水平，應用良好效果。