СИЛОВОЙ ШЛАНГОКАБЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ОТДЕЛЬНЫЕ НЕСУЩИЕ НАГРУЗКУ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
POWER UMBILICAL CONTAINING INDIVIDUAL LOAD-BEARING COMPOSITE ELEMENTS

Настоящее изобретение относится к силовому шлангокабелю для передачи больших количеств электрической энергии, текучих сред и электрических токов/сигналов с поверхности моря к оборудованию, расположенному на дне моря, в особенности в глубоких водах, содержащему ряд силовых проводящих кабелей, труб и электрических проводников/проводов, собранных в пучки, заполняющий материал, расположенный по меньшей мере частично вокруг и между трубами, кабелями и проводниками/проводами, и защитную оболочку, заключающую в себе указанные трубы, кабели, проводники/провода и заполняющий материал.
В последние годы производственное оборудование для нефтяных и газовых скважин традиционно располагают на дне моря. Для его работы требуется снабжение электрической энергией не только электрических проводников для управления работой, но также тяжелых кабелей для передачи электрической энергии к оборудованию, приводимому в движение электрической энергией наподобие огромных насосных станций, выполняющих транспортировку извлеченных из недр нефти и/или газа.
Такие тяжелые кабели, обычно выполненные из медного провода, сейчас встраиваются в более традиционные шлангокабели, которые, в свою очередь, находятся в стадии непрерывного развития и изменения конструкции и функций в зависимости от реальных потребностей. Эти тяжелые электрические кабели, имеющие большое поперечное сечение, благодаря удельному весу меди создают для шлангокабеля значительный добавочный вес. Принимая во внимание, что медь имеет очень слабую способность нести нагрузку, можно понять, что глубина воды, на которой может быть использован шлангокабель традиционной конструкции, очень ограничена.
Традиционные шлангокабели такого типа создаются как составная структура, которая способна передавать гидравлические жидкости, химические вещества, текучие среды, электрические и оптические сигналы и электрическую энергию между оборудованием на морском дне и на поверхности моря. Ранняя версия таких шлангокабелей известна из международной патентной публикации WO 93/17176. Типичным для подобного шлангокабеля является то, что наибольшая часть передачи нагрузки происходит в центрально расположенной стальной трубе большого размера. Другие известные примеры описаны в патентных документах Великобритании №2326177 А и №2326758 А, патентообладатель которых тот же, что и автор настоящего изобретения.
Следует понимать, что в настоящем описании и в формуле изобретения делается четкое различие между электрическими кабелями, т.е. тяжелыми кабелями с большим поперечным сечением, и электрическими проводниками и проводами, т.е. более тонкими, имеющими малую площадь поперечного сечения. Каждый электрический кабель способен передавать большие количества электрической энергии, в то время как электрические проводники или провода используются для передачи малых количеств тока и управляющих сигналов.
Оказывается, что стальной трос может быть использован в качестве элементов, несущих нагрузку. Это, однако, не решает проблему в значительной степени. Стальной трос имеет большой вес и в сочетании с тяжелыми медными кабелями не позволяет достичь больших глубин, до того как силовой шлангокабель достигнет напряжений текучести и порвется из-за своего собственного веса.
Большие усилия и ресурсы были использованы, чтобы найти решение проблемы передачи большого количества электрической энергии вниз к морскому дну на реальные глубины моря, такие как 1500 метров и более.
Сейчас это решается путем комбинирования технологии, которая разработана авторами настоящего изобретения, а именно технологии, которая используется для натяжения опор плавучих платформ (см., например, международную патентную публикацию WO 02/057560 А1).
Таким образом, согласно настоящему изобретению создан силовой шлангокабель такого типа, который отличается тем, что он содержит отдельные несущие нагрузку элементы, которые представляют собой легкие стержни, выполненные из композитного материала. Легкие стержни из композитного материала могут быть предпочтительно угольными стержнями, содержащими встроенные упрочняющие волокна. Стержни могут быть либо собраны в пучки, либо быть индивидуальными, либо в комбинации и того, и другого.
Композитный материал имеет прекрасное свойство, которое заключается в том, что он имеет приблизительно такую же нагрузочную способность, что и сталь, в то время как вес уменьшен приблизительно до 10% от веса стали. Таким образом, элементы, несущие нагрузку, не дают существенного вклада в суммарный вес силового шлангокабеля, обеспечивая таким образом возможность использовать силовой шлангокабель на больших глубинах. Если позволяет уменьшение веса, то можно достигнуть очень больших глубин.
В одном из вариантов выполнения заполняющий материал, трубы, кабели и проводники/провода могут быть уложены винтовым или спиральным образом вокруг продольной оси силового шлангокабеля.
В другом варианте выполнения заполняющий материал, трубы, кабели и проводники/провода могут быть уложены в по существу прямоугольную конфигурацию без существенного скручивания или придания спиральности.
Элементы силового шлангокабеля, несущие нагрузку, могут быть собраны в скрученный или спиральный пучок, который расположен в центре в качестве сердцевины внутри силового шлангокабеля.
В качестве альтернативы несущие нагрузку элементы силового шлангокабеля могут быть разделены на ряд пучков, расположенных по периферии продольной оси шлангокабеля.
В качестве альтернативы силовой шлангокабель может также включать элементы утяжеления, чтобы добавить массу/вес к шлангокабелю либо на всем его протяжении, либо в некоторых частях. Эти элементы используются в тех случаях, когда шлангокабель имеет тенденцию к всплытию, как, например, в мелкой воде.
Заполняющий материал, трубы, кабели и проводники/провода могут быть уложены в несколько слоев, если смотреть в радиальном направлении.
В некоторых вариантах выполнения силовые кабели могут быть собраны в группы в поперечном сечении.
В одном варианте выполнения несущие нагрузку элементы могут состоять из отдельных стержней, которые распределены по поперечному сечению, и некоторые из них могут быть расположены рядом друг с другом не будучи собранными в пучок.
Даже если это не строго необходимо, заполняющий материал в подходящем варианте выполнения присутствует в виде удлиненных канальных элементов, которые способны по меньшей мере частично закрыть соответствующие трубы, кабели и электрические проводники/провода, чтобы удерживать их в определенном положении по отношению друг к другу.
Другие цели, свойства и преимущества будут очевидны из следующего описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения, которые даны с целью описания и в контексте с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает поперечное сечение первого варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля, содержащего центрально расположенные несущие нагрузку элементы.
Фиг.2 показывает поперечное сечение второго варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля.
Фиг.3 показывает поперечное сечение следующего варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля, содержащего несколько несущих нагрузку элементов, расположенных по периферии.
Фиг.4 показывает поперечное сечение еще одного варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля, содержащего центрально расположенный несущий нагрузку элемент.
Фиг.5 показывает поперечное сечение еще одного варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля, содержащего центрально расположенный несущий нагрузку элемент.
Фиг.6 показывает поперечное сечение еще одного варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля, содержащего центрально расположенный несущий нагрузку элемент.
Фиг.7 показывает поперечное сечение еще одного варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля, в котором несущие нагрузку элементы состоят из ряда отдельных стержней, не объединенных в пучок.
Фиг.8 показывает поперечное сечение варианта выполнения предложенного силового шлангокабеля без характерных удлиненных канальных элементов.
Фиг.9-14 показывают примеры различных вариантов выполнения поперечного сечения силового шлангокабеля.
Следует понимать, что возможны два варианта выполнения поперечного сечения шлангокабелей, показанных на фиг.1-14, которые не отражены на чертежах, а именно один вариант выполнения, в котором отдельные элементы шлангокабеля расположены с определенной глубиной залегания от продольной оси шлангокабеля, и один вариант выполнения, в котором отдельные элементы расположены более или менее на прямой линии по существу параллельно продольной оси шлангокабеля. Что касается подробной конструкции традиционного шлангокабеля и как он может быть изготовлен, дана ссылка на ранее упомянутую международную патентную публикацию WO 93/17176.
Силовой шлангокабель согласно фиг.1 в основном состоит из следующих элементов: несущего нагрузку элемента 7, состоящего из пучка стержней 7', выполненных из композитного материала, кабелей 5 электрического питания, имеющих большое поперечное сечение, внутренних канальных элементов 3', выполненных, например, из поливинилхлорида (ПВХ), электрических проводников/проводов 6, 6', труб 4 для текучих сред, обычно изготовленных из стали, элементов 8 утяжеления, или упрочняющих элементов 8, выполненных, например, в виде стального троса, и внешней оболочки 1, выполненной, например, из полиэтилена (ПЭ). Номер 9 позиции может обозначать фрикционный материал, подобный каучуковой оболочке, расположенный вокруг элемента 7, несущего нагрузку. Номер 9 позиции может обозначать трубу, имеющую больший диаметр, чем трубы 4 для текучих сред, как показано на фиг.3. Номер 10 позиции обозначает заполняющий материал, отличный от канальных элементов 3', который может быть вспененным веществом или подобным ему. В практическом варианте стержни 7 являются угольными стержнями, содержащими встроенные упрочняющие волокна. Диаметр таких стержней имеет порядок 6 мм, но такой размер не следует понимать как ограничивающий.
Силовой шлангокабель согласно фиг.2-6 в основном состоит из следующих элементов: несущего нагрузку элемента 7, состоящего из пучка стержней 7', выполненного из композитного материала, кабелей 5 электрического питания, имеющих большое поперечное сечение, внутренних канальных элементов 3', промежуточных канальных элементов 3, внешних канальных элементов 2, электрических проводников/проводов 6, 6', труб 4 для текучих сред, обычно выполненных из стали, элементов 8 утяжеления или упрочняющих элементов 8, выполненных, например, в виде стального троса, и внешней оболочки 1.
Номер 9 позиции может обозначать фрикционный материал, например каучуковую оболочку, расположенный вокруг несущего нагрузку элемента 7.
Эти элементы повторяются на большинстве чертежей и обозначены одним и тем же номером позиции на соответствующих чертежах. Однако следует заметить, что на фиг.4 и 5 не показаны элементы утяжеления/упрочняющие элементы 8, которые заменены ПВХ профилями 8'. На фиг.6 показан один элемент 8 утяжеления.
Фиг.7 показывает, в частности, вариант выполнения, имеющий несколько меньшую площадь поперечного сечения, но с силовыми кабелями 5, собранными в центре около одного несущего нагрузку элемента 7 и ряда несущих нагрузку элементов 7 в виде одиночных стержней, распределенных около силовых кабелей 5. Между отдельными стержнями могут быть помещены элементы 8 утяжеления, в этом варианте выполнения обычно являющиеся стержнями 8', изготовленными из свинца. Кроме того, этот вариант выполнения также содержит канальные элементы 2, 3 и внешнюю оболочку 1. Это обеспечивает компактный силовой шлангокабель, занимающий меньший объем.
Фиг.8 показывает другой частный вариант выполнения силового шлангокабеля, в котором используются не канальные элементы, а заполняющий материал 10, такой как вспененное вещество. В остальном этот вариант выполнения имеет такие же конструктивные элементы, как описаны выше, хотя расположенные по-другому в поперечном сечении.
Фиг.9-14 показывают дальнейшие варианты выполнения силового предложенного шлангокабеля.
Фиг.9 и 10 показывают, в частности, вставленные элементы 8 утяжеления, выполненные в виде свинцовых стержней 8'.