“碳纤维”油井加热伴热电缆的应用

“碳纤维”油井加热伴热电缆的应用

李萌1 党明芳2/1.辽宁铁道职业技术学院 2.锦州铁道勘察设计院有限公司

[摘要]本文介绍了碳纤维加热电缆产生的背景，着重论述了碳纤维加热电缆具有的技术特性，以及一种以作者为主要发明人的“不锈钢护套碳纤维加热电缆”（实用新型发明专利 证书号第1946280号）的设计流程及其制造工艺，阐述了其与一般金属导体加热电缆相比较所具有的优势及其应用前景。

[关键词]碳纤维；加热电缆；应用前景

一、碳纤维油井加热伴热电缆产生的背景

1、油井加热伴热电缆产生的背景分析

电热电缆的出现源于油田原油开采，尤其是稠油的开采过程中。因地下原油中含有大量石蜡，随着原油接近地表，原油的温度下降，出现石蜡凝结，造成原油流动性下降，油井原油流量也相应降低。为了提高原油产量，需要在油井抽油杆内安装一根加热电缆，提升原油温度，提高原油的流动性能。

近年来，由于国际上对石油资源的需求量越来越大，原高质油的储备越来越少，高蜡油勘测和开发逐渐成为石油开采的主流。以我国为例，截止目前我国境内共发现新油田 400多处，大约2.6万口油井，80%是“三高”油品，即含腊高（20-30％）、凝固点高（25℃～30℃）、粘度高（10-20厘帕）。如何开发利用这些石油，成为迫切要解决的问题。

2、传统稠油开采技术存在的缺陷

传统的稠油开采技术主要指 “蒸汽吞吐”、“化学降解”和电加热等技术，虽然在一定程度上满足了当时生产力的发展，但由于其本身的缺陷也阻碍了原油开采效率的提高。

“蒸汽吞吐”、“化学降解”具有技术成本高，易破坏油层结构等缺点。而传统电加热技术由于其电缆电热体大多是金属材料，耗电量大、热转换效率低（仅有 70％）、易烧断、易损耗，而且电缆使用寿命也较短，需一年左右更换一次，更换电缆施工复杂，耗费大量人力物力，大大增加了石油开采成本。即使是现在比较先进的高频感应电加热技术也存在着传输距离远、三相电耗电不平衡、无功损耗大的问题。

二、碳纤维油井加热伴热电缆的技术特性

经大量研究表明，与传统金属加热电缆相比较，碳纤维加热电缆具有以下几方面的特性：1、节能

传统电热加温的电热体材料大多是合金材料，由于合金电热黑度系数小，电热转换过程中存在可见光而损耗大量电能，因此电加热过程中电热转换效率低。合金电热体电热转换效率最高仅有 70%左右。

高温状态下合金电热体表面易氧化，氧化层不断的增厚，氧化层的电阻不断的增大，造成了合金电热体有效单位面积的电流的负荷增大，易烧断。

碳纤维加热电缆采用全黑体的碳纤维为加热体，加热过程中没有可见光，电热转换效率高达98%，高温状态下使用，不氧化，其单位面积的电流的负荷不发生改变。另外热传导速度与发热体表面积成正比，而碳纤维单根直径只有0.02mm，现碳纤维加热体要由几万根碳纤维组成，其表面积之大是合金电热体无法可比。因此，碳纤维加热电缆比传统的合金电热体比节能可达30%以上。

2、超长

用碳纤维发热材料制造的加热电缆长度可达1500m。而目前用合金发热材料制造加热产品很少能达到上述长度。

3、轻质

由于碳纤维加热体是非金属材料，密度是 2.0g/cm3左右，而合金材料的密度一般是

8.5g/cm3。在线径相同的情况下，碳纤维加热电缆比金属导体加热电缆轻一半以上。这样

既有利于减少抽油设备的负载，有利于主电机节能，同时也便于安装维修。

4、寿命长

碳纤维可抗高温1000多度，强度高、体积轻、耐高温、耐油、耐酸碱、耐腐蚀。结构方面，碳纤维是柔软状态，在提放电缆反复作业的情况下，不会发生断裂，真正的延长了电缆的使用寿命。

5、应用广范

可以代替传统金属加热材料应用于油井、油罐、油管、化工、水汽管路等的加热伴热。

三、 “不锈钢护套碳纤维加热电缆“的生产工艺及技术流程

下面以本文作者主持发明的一种“不锈钢护套碳纤维加热电缆“（实用新型发明专利 证书号第1946280号）为例，说明其主要的生产工艺及流程。

1、材料选择

为了解决上述技术问题，首先设计选定材料。

（1）、导电体

根据使用条件可划分两个温度段；0—200℃和0—400℃。200℃以下使用镀锡铜导体，400℃以下使用镀银铜导体。

（2）、绝缘材料

根据使用温度选定了云母带绝缘，它可耐温达到600℃以上。

（3）、加热体材料

选择碳纤维为加热体，经过高温烧结后，能获得稳定电阻值。碳纤维具有抗拉强度高（是钢材强度5倍左右）、比重轻、无氧化、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变等特性，所以说碳纤维材料经改性后是一种良好的加热体材料。

（4）、内护层

在生产、使用过程中为了加强保护电缆绝缘层、导体及加热体，设计了编织层其材料选定不锈钢丝，可达到提高总体抗拉强度，平衡电缆发热的目的。

（5）、外护层

为了达到耐磨、抗拉、耐油、耐酸、耐腐蚀的要求，用不锈钢带经制管设备拉拔、纵缝氩弧焊接，形成不锈钢外护套，达到产品的特性要求和制造长度。

（6）、气体保护

为了提高加热电缆的使用寿命，选用惰性气体—氩气，将其充入电缆护套内，可更好的延长电缆的使用寿命。

2、电缆结构

本电缆的剖面图如下图所示。

图1 一种“不锈钢护套碳纤维加热电缆“的结构图

1、导体

2、绝缘

3、发热体

4、绝缘

5、编织层

6、不锈钢护套

3、生产工艺流程

图2 一种“不锈钢护套碳纤维加热电缆“的生产流程图

（1）、导体绞合

根据电缆使用温度、长度、功率确定导体镀层，截面。

（2）、云母带绕包（绝缘层）

根据电压值确定绕包层数。

（3）、火花打压试验

按电缆的电压等级，确定试验电压值（试验率要达到100%）。

（4）、漏电打孔

根据电缆的加热功率、电缆长度确定打孔尺寸。

(5)、碳纤维烧结

根据电缆的加热功率、电缆长度确定碳纤维规格、股数、阻值。按工艺参数进行烧结，确保阻值稳定。

(6)、成缆、并接漏点

按工艺参数值，进行焊接镀银铜带，同时对电缆进行电阻检测，确保达到参数值。 （7）、云母带绕包（绝缘层）

根据电压值确定绕包层数。

(8)、不锈钢丝编织

根据电缆直径确定编织股数、编织节距。

(9)、不锈钢护套、焊接拉拔

根据编织后电缆外径，确定不锈钢带宽度。包裹电缆同时纵缝氩弧焊接、拉拔一次成型，并同时进行探伤检验。

(10)、成品检验