段國權， 鄧 良， 羅福安， 段書文， 孫改玲

（1.特變電工股份有限公司新疆線纜廠，新疆昌吉831100；2.航天電工技術有限公司，湖北武漢430035）

油井電纜鎧裝鋼絲防反彈松散生產技術研究

段國權1， 鄧 良2， 羅福安2， 段書文2， 孫改玲1

（1.特變電工股份有限公司新疆線纜廠，新疆昌吉831100；2.航天電工技術有限公司，湖北武漢430035）

通過模擬實驗，分析了鋼絲反彈松散與材質及彎曲半徑、絞合節(jié)距的關系，總結了油井電纜鎧裝鋼絲反彈松散的原因。提出了通過增加水平調節(jié)預變形裝置，使鋼絲絞前預變形量與絞后成品線上變形量幾乎完全一致的解決方案，介紹了設計方案的特點，并將生產工藝驗證中積累的經驗進行了總結。此工藝研究成果對其他類似鎧裝鋼絲反彈松散問題的解決也具有參考意義。

油井電纜；鋼絲反彈松散；反彈量；水平調節(jié)預變形裝置

0 引 言

當前我國多數(shù)主力油田已處于開發(fā)的中后期，產量下降，產出成本高，為此，我國已把發(fā)展強化采油技術---三次采油技術作為石油開采重要的技術發(fā)展方向。三次采油技術中利用高能超聲波油層處理技術可以有效提高原油采收率，增加可采儲量，提高難采儲量的動用率，延長油藏穩(wěn)產期。為滿足高能超聲油層處理系列設備井下供電需要，上海電纜研究所設計了油井勘探與超聲波增油用特種鎧裝電纜。

此電纜鋼絲鎧裝層外無護套，電纜兩端鋼絲容易反彈松散，特別是內層易散，給生產制造、安裝使用帶來困難。航天電工技術有限公司有幸參與了油井勘探與超聲波增油用電纜鋼絲鎧裝層防反彈松散工藝研究及產品試制，解決了兩層鋼絲反彈松股技術問題。

1 電纜設計

為滿足超聲波設備供電及通信需要，對于非靜止敷設的該專用電纜，按同軸和多芯兩種結構形式進行設計。通過對比，選擇同軸電纜結構較好。

1.1 產品結構及參數(shù)

（1）纜芯外徑（12.2±0.1）mm。

（2）內層鋼絲33根（根據實際情況確定），鋼絲直徑1.2 mm，絞合方向為右向，絞合節(jié)距（159± 10）mm（參考），絞后外徑（14.5±0.2）mm。鋼絲強度1 800～2 000 MPa。

（3）外層鋼絲34根（根據實際情況確定），鋼絲直徑1.4 mm，絞合方向為左向，絞合節(jié)距（173± 10）mm（參考），絞后外徑（17.3±0.2）mm。鋼絲強度1 800～2 000 MPa。

1.2 產品示意圖（見圖1）

2 生產中存在的問題

（1）鋼絲強度大，剛性大，用有退扭籠絞機生產也特別容易反彈松散。鋼絲強度1 800～2 000 MPa，是一般電纜用鎧裝鋼絲強度的數(shù)倍，材料的彈性模量決定了鎧裝后更容易反彈。

（2）油井電纜彎曲性要求高，鎧裝鋼絲根數(shù)多，內外層鋼絲節(jié)徑比只有10左右，且內層鋼絲反彈松散更明顯，不利于安裝接頭。

圖1 同軸電纜結構示意圖

（3）電纜無護套，鋼絲鎧裝外觀質量要求高。

3 鋼絲反彈松散原因分析

為研究油井電纜鎧裝鋼絲特別容易反彈松散的問題，我們對鋼絲反彈與材質、彎曲半徑、絞合節(jié)距的關系做了一些試驗。

3.1 反彈與材質及彎曲半徑的關系

經對比，發(fā)現(xiàn)鋼絲在無退扭絞合生產中的運動規(guī)律與在卷繞試驗機上卷繞過程中的運動規(guī)律本質是相同的，卷繞試驗相當于絞合節(jié)距近似于零，可以利用卷繞試驗設備模擬絞合過程，做反彈試驗。

為了進行對比，我們選擇的試驗材料除了油井電纜鎧裝生產用?1.1 mm、?1.2 mm、?1.4 mm鋼絲外，還有電纜鎧裝用普通低碳鋼絲、架空導線用高碳鋼絲、高強度鋁合金線、硬鋁線等金屬材料。

試驗方法是將所選金屬材料在不同自身直徑倍數(shù)的圓金屬棒上做卷繞試驗，測量卷繞后試樣內徑，通過與圓金屬棒直徑對比，計算反彈量和反彈率。無退扭絞合反彈松散比有退扭絞合嚴重，試驗證明，在相同情況下，有退扭與無退扭絞合形成周長相等、形狀相似的圓周，因此，研究無退扭反彈可代替有退扭反彈情況。

圖2 卷繞示意圖

圖2為卷繞示意圖。圖3為卷繞后鋼絲反彈實物圖。代表性試驗數(shù)據見表1。

圖3 卷繞后反彈實物

表1 金屬材料卷繞反彈松散試驗數(shù)據表

從表1中可得到如下結論：

（1）除硬鋁線及鋁合金線外，上述其它金屬材料的彎曲屈服半徑均小于一倍自身直徑，在實際絞合時均存在反彈現(xiàn)象。

（2）通過材料反彈率可推斷材料反彈性由大到小排序為油井電纜用鋼絲、架空導線用鋼絲、擴徑導線用鋼絲、高強度鋁合金線、硬鋁線。油井電纜用鋼絲反彈松散最明顯。

（3）同種金屬材料彎曲直徑越大，反彈量及反彈率越大。油井鎧裝電纜外徑不大，相對而言有利于減少反彈量及反彈率。

3.2 反彈與節(jié)距的關系

為研究鋼絲反彈松散與節(jié)距的關系，并考慮觀察方便，我們用異形導線代替鋼絲做試驗：將一個節(jié)距長度的異形導線絞合后的始端和尾端重疊，看異形導線變形情況。結果發(fā)現(xiàn)，異形導線在無退扭和有退扭絞合后將分別形成如圖4（左是無退扭，右是有退扭）所示圓周。從圖4可推斷：在相同纜芯直徑、相同鋼絲直徑、相同節(jié)距情況下，如果將一個節(jié)距長度的鋼絲絞合后的始端和尾端重疊（類似于纏繞試驗的零節(jié)距），鋼絲無退扭和有退扭絞合將形成形狀相似、周長相等的圓周。這說明無退扭卷繞試驗與有退紐絞合過程也是非常相似，卷繞試驗可替代有退扭絞合試驗。

圖4 一個節(jié)距鋼絲始端和尾端重疊實物

從試驗中可知：鋼絲絞合節(jié)距越小，意味著鋼絲彎曲一周的圓周長越小，在屈服彎曲半徑以上，鋼絲均勻分布的反彈應力越大，安裝接頭越難控制。

3.3 反彈松散原因

根據以上反彈與材質、彎曲半徑、絞合節(jié)距關系所得試驗結論及產品特點，油井電纜鎧裝鋼絲特別容易反彈松散的原因分析如下：

（1）油井電纜鎧裝用?1.1～1.4 mm鋼絲的剛性比普通鋼絲更大，在相同條件下，鋼絲反彈量、反彈率更大。

（2）油井電纜鎧裝鋼絲絞合節(jié)距非常小，相當于鋼絲每一節(jié)距彎曲一周形成圓周小，在屈服彎曲半徑以上，鋼絲上均勻分布的反彈力大，內層節(jié)距更小，反彈力更大，電纜兩端反彈松散難以控制。

（3）油井電纜鋼絲外無護套，也是鋼絲反彈松散非常明顯的原因。一般鋼絲鎧裝電纜有外護套，可包裹鋼絲，阻止鋼絲反彈松散。油井電纜鋼絲外無護套，對鋼絲鎧裝質量要求更高，生產工藝處理不好，反彈松散會更明顯。

4 反彈松散解決方案

油井電纜鎧裝鋼絲絞合彎曲半徑均大于鋼絲屈服彎曲半徑，鋼絲反彈松散必然存在，且油井電纜鎧裝鋼絲相對其他材料反彈更明顯，要解決鋼絲反彈松散問題，不能按一般鋼絲鎧裝生產工藝控制，必須采取特殊工藝處理。鋼絲反彈松散解決方案如下。

4.1 選用有退扭絞線設備

從圖4可知，如果采用無退扭絞合，在每個節(jié)距內，鋼絲圍繞電纜彎曲一周，扭轉360°；如果采用有退扭絞合，在每個節(jié)距內，鋼絲圍繞電纜彎曲一周，理論上無扭轉。彎曲和扭轉是反彈松散的主要原因，彎曲不可避免，但扭轉是可以減少或消除的。為減小反彈松散程度，對剛性特大的油井電纜鎧裝鋼絲采用有退扭絞合更好，可減少或消除扭轉，減少扭轉反彈應力。

4.2 增加水平調節(jié)預變形裝置

參考高強度鋁合金架空導線絞合防反彈松散水平預扭技術，我們設計了水平調節(jié)預變形裝置，工藝原理和具體方案如下。

4.2.1 工藝原理

防反彈松散的工藝原理是通過增加水平調節(jié)預變形裝置，使鋼絲絞前預變形與絞后成品線上變形幾乎完全一致，從而解決反彈松散問題。

第一方案：使鋼絲達到屈服變形量后，不產生反彈松散。但前面已分析，鋼絲預變形不可能小于其彎曲屈服半徑，此方法行不通。

第二方案：利用鋼絲彎曲變形反彈量，使預變形與成品絞合后變形一致，克服反彈松散。從試驗分析可知，鋼絲絞合彎曲半徑如達不到屈服彎曲半徑，其反彈量及反彈率是有限的，我們可以考慮利用其反彈量，使預變形與成品絞合后變形一致，克服反彈松散。此工藝原理是可行的。

鋼絲絞合預變形工藝與高強度鋁合金絞合預扭工藝不完全相同：鋼絲絞合水平調節(jié)預變形裝置使鋼絲預變形與絞后成品線上變形幾乎完全一致，一定要變形；高強度鋁合金絞合預扭裝置不一定要鋁合金線變形與絞后節(jié)距相同，為減少對導線損傷，一般導線經過預扭裝置后，基本無變形，僅將扭轉應力均勻分布到每個節(jié)距內，也能有效解決鋁合金反彈松散問題。

4.2.2 設計方案

水平調節(jié)預變形裝置由一組輔助壓輪、一組輔助托輪、三組預變形輪柱和一組分線托輪組成。從裝置最上面或最下面旋轉切線方向觀察每一組預變形導輪，水平調節(jié)預變形工藝調整示意圖見圖5。水平調節(jié)絞線預變形新型裝置及方法正在申請國家發(fā)明專利。

圖5 水平調節(jié)預變形裝置示意圖

本裝置特征：輔助壓輪和輔助托輪由固定盤和滑輪組成；每組預變形輪柱由預變形定位盤及圓周邊均勻分布的固定圓柱導輪組成，預變形定位盤可旋轉前后移動或水平式調節(jié)位置，且為便于保護鋼絲，中間組預變形定位盤徑較小而輪柱較長；分線托輪由分線盤和圓周邊均勻分布的可旋轉及徑向調節(jié)的導輪組成。

本裝置調節(jié)要點：

（1）輔助壓輪和輔助托輪的作用是使鋼絲從不同放線盤進入預變形區(qū)后，保證單線在預變形中保持中間合適穩(wěn)定位置，避免擦傷。

（2）每組預變形輪柱的數(shù)量根據設備每段絞籠工裝盤數(shù)而定，輔助導輪、預變形輪柱及分線托輪數(shù)量相同，除中間預變形輪柱外，其他導輪排列位置基本呈一條直線。

（3）各組導輪各出一個導輪形成一個預變形組合，通過旋轉移動三組預變形輪柱間距調整預變形“節(jié)距”，通過旋轉中間預變形定位盤，調整預變形“外徑”，滿足鋼絲絞前預變形與絞后成品線上變形相一致的要求，且每根單線預變形調整一次同步完成，可通過旋轉中間預變形定位盤向外或向內調節(jié)，滿足絞線左向或右向絞合方向需要。

（4）分線托輪調整到合適位置，使鋼絲順勢經過，盡量減少對鋼絲預變形的破壞影響。

本裝置優(yōu)點：

（1）預變形水平式調節(jié)，與鋼絲運動軌跡相似，不增加副作用。如果從最上面切線方向看每一組預變形導輪，預變形調節(jié)都是水平式的，調節(jié)方向與設備中心軸線平行。水平式調節(jié)優(yōu)于傳統(tǒng)的“垂直式”調節(jié)方式。

（2）預變形調節(jié)一次同步完成，變形一致，可向內或向外調節(jié)。預變形輪柱固定在預變形定位盤上，變形量調節(jié)僅需旋轉中間預變形定位盤，每根單線預變形一次同步完成，變形完全一致，可向外或向內調節(jié)，滿足絞線左向或右向絞合需要。

（3）分線托輪取代分線套管。分線托輪可旋轉和徑向調整位置，既保留了分線的功能，又保證了單線不“掉線”損傷，特別是克服了分線套管對預變形的改變、對單線的摩擦損傷等缺陷。

預變形裝置對鋼絲有退扭絞合的影響分析：如果有退扭絞合沒有預變形裝置，鋼絲絞合理論上每個節(jié)距內退扭360°，絞合節(jié)點為并線模處，絞合過程中只有彎曲變形，無扭轉。增加預變形裝置后，鋼絲理論上以每個節(jié)距退扭360°進入預變形裝置，水平調節(jié)預變形裝置只是給鋼絲預變形，鋼絲絞合節(jié)點仍為并線模處，決定了鋼絲經過預變形裝置后仍以有退扭方式達到并線模處，因此，增加預變形裝置對有退扭絞合無影響。

5 生產實踐驗證

我們在560型96盤（18+30+48）籠絞機上對鋼絲鎧裝電纜進行多次實踐驗證。

預變形調節(jié)步驟：

（1）選擇一組預變形導輪作為預變形調節(jié)的代表，其他組變形同時完成。

（2）參考產品節(jié)距要求，按一定節(jié)距系數(shù)調整三組預變形定位盤間距。

（3）參考產品外徑值，按一定外徑系數(shù)，通過旋轉中間組預變形定位盤，調節(jié)預變形下壓量。如果右向絞合，中間組預變形定位盤水平內向調節(jié)；如果左向絞合，中間組預變形定位盤水平外向調節(jié)。

（4）分線托輪調整到合適位置，不改變預變形，不損傷單線。

（5）經多次試驗調整驗證后，最后確認預變形調節(jié)結果。

生產實踐驗證情況見表2。

生產實踐驗證總結如下：

（1）根據產品節(jié)距要求，經反復試驗，三組預變形定位盤調整間距為節(jié)距的0.6～0.8倍，能滿足鋼絲不反彈松散的要求。

（2）根據產品外徑，經反復試驗，中間預變形輪柱下壓量調節(jié)系數(shù)約為2倍產品外徑，能滿足鋼絲不反彈松散的要求。

（3）鋼絲直徑小，節(jié)距小，要防止鋼絲絞合時背股。因絞合節(jié)距很小，鋼絲從分線托輪到并線模的長度大于一個節(jié)距以上，分線托輪與并線模的間距調節(jié)以鋼絲自然進入并線模為準，且并線模尺寸不能太大，不能使用牛皮筋。

表2 生產實踐驗證表

（4）同一種型號規(guī)格電纜鋼絲鎧裝的節(jié)距預變形調節(jié)須反復試驗驗證后最后確定。根據上述經驗參數(shù)調節(jié)試驗后，從絞后產品上截取一根鋼絲測試節(jié)距預變形大小，節(jié)距和直徑變形太大或太小都不合格，需反復調試。預變形調試標準：內、外層鋼絲絞后不反彈松散或松散后容易用手復位?；蛘撸瑥慕g后產品上截取一根一倍節(jié)距長度以上變形鋼絲，按絞合相同情況纏繞到內層纜芯上，鋼絲應自然緊貼內層纜芯，節(jié)距與產品節(jié)距幾乎完全相同。

特別提示：因正常生產前需反復試驗調節(jié)，所以，最好用相同外徑替代品作纜芯試驗確定預變形調節(jié)參數(shù)，或者準備更長的纜芯；注意設備實際節(jié)距誤差影響預變形調節(jié)結果；防止三組預變形定位盤因長時間使用受力而滑動，改變預變形參數(shù)。

（5）應檢查產品經過牽引輪后是否旋轉，改變節(jié)距，影響產品外觀。在實踐中我們發(fā)現(xiàn)，因產品外徑小，產品在560型96盤大牽引輪上經過時有的在槽中間，有的在槽邊，周長不等，造成產品反轉，使鋼絲節(jié)距變大了，鋼絲張力不均的會出現(xiàn)凸起或縫隙，影響產品外觀。如有反轉應采取措施克服回轉問題，或者通過改變鋼絲絞向，使旋轉產生的影響變成正轉，但可能造成電纜上盤時回彈力很大。

（6）鋼絲放線張力應保持均勻，生產中盡量不要拉動鋼絲，造成預變形不均勻，影響產品外觀。

實踐證明，應用水平調節(jié)預變形裝置，經預變形后，能使鋼絲進并線模前形狀與絞后在成品上變形幾乎一致，可完全解決油井電纜鎧裝鋼絲反彈松散的質量問題。水平調節(jié)預變形新裝置實物見圖6，產品實物見圖7。圖7中，左邊是鎧裝鋼絲不反彈松散的情況，未加固定物鋼絲也處于不散狀態(tài)，右邊是內層鋼絲絞合緊密、外層明顯反彈松散的情況。

圖6 水平調節(jié)預變形新裝置實物

圖7 油井鎧裝電纜實物

6 結束語

實踐證明，水平調節(jié)預變形裝置技術先進、結構簡單、調節(jié)方便、變形一致、效果顯著，通過調試能使鋼絲預變形與成品線變形幾乎一致，解決了油井電纜鎧裝鋼絲反彈松散的技術及質量問題。

此工藝研究成果對其他類似鎧裝鋼絲反彈松散問題的處理也具有參考意義。

［1］ 鄒葉龍，高 歡，霍 巖，等.油井勘探與超聲波增油用特種鎧裝電纜的設計［J］.光纖與電纜及其應用技術，2011（4）：27-30.

［2］ 段國權，高硯虹，劉茂生，等.新型預扭裝置的設計及應用［J］.電線電纜，2002（4）：34-37.

Technology Research on Prevention of Rebound Loosening for Armoring SteelW ire for OilW ell Cable

DUAN Guo-quan1，DENG Liang2，LUO Fu-an2，DUAN Shu-wen2，SUN Gai-ling1
（1.TBEA Xinjiang Cable Company，Changji831100，China；2.Aerospace Electric Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430035，China）

The article analyzes the relationship of steelwire rebound loosening among materials，bending radius and stranding lay length，and summarizes the reason for worse rebound loosening through simulation experiment.It presents the solution methods by adding horizontal pre-deforming apparatus tomake deforming nearly equal before stranding and after stranding.The article also introduces the characterics of design proposal and summarizes accumulated experiences in practical process whichmay be referenced on rebound loosening for similar armoring steelwires.

oil well cable；steelwire rebound loosening；rebounding；horizontal pre-deforming apparatus

TM246.9

A

1672-6901（2013）06-0014-05

2013-03-07

段國權（1969-），男，高級工程師，總工程師.

作者地址：新疆昌吉市延安南路52號［831100］.