МОРСКОЕ КАБЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ВЫПОЛНЕННОЕ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАСТАНИЯ
MARINE CABLE DEVICE CONFIGURED TO PREVENT FOULING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее раскрытие относится к морскому кабельному устройству, которое приспособлено для предотвращения обрастания, обычно называемого предохранением от обрастания. В частности, раскрытие относится к предохранению от обрастания подводных кабелей, таких как шлангокабели или шланговые сейсмоприёмные косы.
Уровень техники
Биообрастание или биологическое обрастание происходит в результате нарастания микроорганизмов, растений, морских водорослей и/или животных на поверхностях. Существует большое разнообразие организмов, образующих биообрастание, которое выходит далеко за рамки обрастания ракушками и морскими водорослями. По некоторым оценкам более 1800 видов, содержащих более 4000 организмов, отвечают за биообрастание. Биообрастание делится на микрообрастание, которое включает в себя образование биопленки, и бактериальное прилипание, и макробиообрастание, которое представляет собой прикрепление больших организмов. Исходя из особых химических и биологических процессов, которые определяют то, что препятствует их осаждению, организмы также классифицируются на твердые или мягкие типы обрастаний. Известковые (твердые) организмы, образующие обрастание, включают в себя ракушки, инкрустирующие мшанки, моллюски, полихеты и другие трубчатые черви и дрейссены. Примерами неизвестковых (мягких) организмов, образующих обрастание, являются крупные морские водоросли, гидроидные полипы, микроскопические морские водоросли и биопленка "слизь". Вместе эти организмы образуют совокупность организмов, образующих обрастание.
В некоторых случаях биообрастание создает существенные проблемы. Механизм прекращает работу, водоприемные отверстия забиваются, а теплообменники страдают от снижения производительности. Следовательно, хорошо известной является тема предохранения от обрастания, то есть процесса удаления или предотвращения образования биообрастания. В производственных процессах для контроля биологического обрастания могут использоваться биодиспергенты. В менее контролируемых условиях окружающей среды организмы убивают или отгоняют с помощью покрытий, с использованием биоцидов, термической обработки или импульсов энергии. В качестве альтернативы, разработаны механические конструкции для удаления обрастания, которое уже образовалось на конкретной конструкции.
Несколько морских кабельных устройств используются в передвижных и/или стационарных морских сооружениях. Подводные шлангокабели являются одними из тех, которые развертываются на морском дне (океанском дне), чтобы обеспечить необходимое управление, подачу энергии (электрической, гидравлической) и химических веществ для подводных нефтяных и газовых скважин, подводных манифольдов и любой подводной системы, требующей дистанционного управления, например, дистанционно управляемый подводный манипулятор. Подводные шланги также используются для морских буровых работ или работ по капитальному ремонту скважин. Масса шлангокабеля увеличивается после того, как начинается обрастание. Это вызывает дополнительную нагрузку для всех швартовых элементов. Становится еще хуже, если частота колебаний системы совпадает с частотой волн в воде. Соответственно, обрастание на наружной поверхности шлангокабеля является нежелательным.
Еще одной областью, где часто используется морское кабельное устройство, является морская сейсморазведка. Морская сейсморазведка обычно выполняется с использованием кабелей, буксируемых вблизи водной поверхности. В этом случае морское кабельное устройство часто называется "сейсмоприемной косой", которое в самом общем смысле представляет собой морское кабельное устройство, буксируемое сейсморазведочным судном. В данном варианте осуществления кабель имеет множество сейсмических датчиков, размещенных на нем в местоположениях, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль длины кабеля. Сейсмические датчики, как правило, являются гидрофонами, но также могут быть датчиками любого типа, которые реагируют на давление в воде или на изменения, происходящие в ней во времени. Типичное морское сейсмическое кабельное устройство может иметь длину до нескольких километров и может включать в себя тысячи отдельных сейсмических датчиков. Образование обрастания на кабеле может нарушить точность передачи сигнала и увеличить сопротивление кабеля.
В технике известны противообрастающие устройства для таких морских кабельных устройств. Документы US2011197919 и JP2012040538 относятся к механическим противообрастающим системам для морских кабельных устройств.
Сущность изобретения
Биообрастание на наружной поверхности морских кабельных устройств приводит к серьезным проблемам. Основной проблемой является изменение свойств кабеля, таких как его масса или уровень шума и т.д. Это приводит к тому, что кабель не может обеспечить свою функцию в соответствии с проектом, или возникает другое физическое явление, которое создает проблему для кабеля или всей конструкции кабеля в целом.
Существует множество организмов, которые способствуют биообрастанию. Это множество организмов включает в себя очень маленькие организмы, такие как бактерии и водоросли, но также и очень крупные организмы, такие как ракообразные. В данном случае, особую роль играет окружающая среда, температура воды и назначение системы. Окружающая среда погружного холодильника идеально подходит для биообрастания: охлаждаемая текучая среда нагревается до средней температуры, а постоянный поток воды приносит питательные вещества и новые организмы.
Таким образом, существует потребность в способах и устройствах для защиты от обрастания. Однако системы уровня техники являются неэффективными при их использовании, требуют регулярного технического обслуживания и являются дорогостоящими для реализации. Следовательно, один из аспектов изобретения состоит в том, чтобы выполнить морское кабельное устройство с альтернативной системой защиты от обрастания согласно прилагаемому независимому пункту формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения определяют предпочтительные варианты осуществления.
2
При этом подход представлен на основе оптических способов, в частности, использующих ультрафиолетовый свет (УФ). Выяснено, что большинство микроорганизмов погибает, оказываются неактивными или неспособными к воспроизводству при воздействии "достаточного" УФ-света. Этот эффект главным образом обусловлен общей дозой УФ-света. Типичная доза, необходимая для уничтожения 90% определенных микроорганизмов, составляет 10 мВт⋅ч/м.
Морское кабельное устройство в соответствии с настоящим изобретением может доставлять и/или транспортировать по меньшей мере одно из: данные, электрическую энергию, воду, газ или нефть на или с морского дна. В качестве альтернативы, морское кабельное устройство может также нести вдоль своей наружной поверхности по меньшей мере одно или более из: датчиков, оптического и/или электрического оборудования. В этом смысле любые и все конструкции, такие как подводный кабель, находятся в пределах объема изобретения. Такое кабельное устройство может использоваться на судне, стационарном морском сооружении, сооружении континентального шельфа или в системе сейсморазведки.
Морское кабельное устройство в соответствии с настоящим изобретением выполнено с возможностью предотвращения или уменьшения биообрастания вдоль его наружной поверхности, которая во время эксплуатации по меньшей мере временно подвергается воздействию воды. Морское кабельное устройство содержит по меньшей мере одну оптическую среду, выполненную с возможностью приема по меньшей мере части предохраняющего от обрастания света, создаваемого по меньшей мере одним источником света, причем оптическая среда содержит по меньшей мере одну излучающую поверхность, выполненную с возможностью подачи по меньшей мере части упомянутого предохраняющего от обрастания света на по меньшей мере часть упомянутой наружной поверхности.
В конкретном варианте осуществления морское кабельное устройство дополнительно содержит по меньшей мере один источник света, выполненный с возможностью создания предохраняющего от обрастания света, который будет принимать оптическая среда.
2
В варианте осуществления морского кабельного устройства предохраняющий от обрастания свет, излучаемый источником света, находится в УФ или синем диапазоне длин волн от приблизительно 220 нм до приблизительно 420 нм, предпочтительно приблизительно 260 нм. Подходящие уровни света для защиты от обрастания достигаются с помощью УФ или синего света от приблизительно 220 нм до приблизительно 420 нм, в частности, при длинах волн короче приблизительно 300 нм, например, от приблизительно 240 нм до приблизительно 280 нм, что соответствуют диапазону, известному как УФ-C. Можно использовать интенсивность предохраняющего от обрастания света в диапазоне 5-10 мВт/м (милливатт на квадратный метр). В качестве альтернативы можно также использовать комбинации УФ-A и УФ-C света. Очевидно, более высокие дозы предохраняющего от обрастания света также будут достигать таких же, если не лучших результатов.
2
2
В версии вышеописанного варианта осуществления, где УФ-A свет используется в качестве предохраняющего от обрастания света за пределами оптической среды, покрытой TiO, так как TiO является физическим солнцезащитным средством, защищающим от УФ-A.
В варианте осуществления морского кабельного устройства источником света является лазер, и по меньшей мере одна оптическая среда выполнена в виде прозрачного волокна, запитанного упомянутым источником лазерного излучения. Источник лазерного излучения располагается предпочтительно рядом с концом волокна, который находится вне воды и размещается таким образом, чтобы обеспечить подачу предохраняющего от обрастания света с этого конца. Волокно направляет предохраняющий от обрастания свет по всей своей длине и обеспечивает подачу предохраняющего от обрастания света на наружную сторону кабеля, к которой он присоединен. Соответственно, предотвращается или уменьшается обрастание на наружной поверхности, на которую падает предохраняющий от обрастания свет.
В варианте осуществления морского кабельного устройства оптическая среда изготовлена из кварца и/или стекла. Очевидно, что для производства оптической среды можно также использовать альтернативные виды пластмасс. Оптическая среда предпочтительно экструдируется из этих материалов в виде полугибкого стержня.
В варианте осуществления морского кабельного устройства многочисленные излучающие поверхности размещаются на оптической среде. Соответственно, предохраняющий от обрастания свет падает на наружную поверхность кабеля равномерным образом и, следовательно, достигается эффективное предохранение от обрастания по всей требуемой длине кабеля.
В варианте осуществления морского кабельного устройства предусмотрена более чем одна оптическая среда в виде волокна вдоль по меньшей мере части длины морского кабельного устройства. Такой вариант осуществления подходит в случае, если, например, необходимо обеспечить избыточное количество предохраняющего от обрастания света, чтобы обеспечить достаточные дозы предохраняющего от обрастания света на наружной поверхности морского кабельного устройства. В версии данного варианта осуществления оптические среды могут иметь различные показатели преломления и/или длины волн. В качестве альтернативы, источники света, обеспечивающие подачу предохраняющего от обрастания света в каждую оптическую среду, могут создавать свет с другой длиной волны. Соответственно, можно одновременно обеспечить подачу предохраняющего от обрастания света различных цветов. В качестве альтернативы можно также использовать многочисленные оптические среды для одновременной подачи УФA и УФC света для достижения желаемого уровня доз УФ для достижения оптимальной эффективности предохранения против обрастания.
Необходимые гермицидные дозы могут быть также легко достигнуты благодаря наличию недорогих УФ-светодиодов малой мощности. Обычно светодиоды находятся в относительно маленьких корпусах и потребляют меньше энергии, чем источники света других типов. Светодиоды можно изготовить таким образом, чтобы они излучали (УФ) свет на различных желаемых длинах волн, и управление рабочими параметрами светодиодов, прежде всего выходной мощностью, может осуществляться с высокой точностью. Соответственно, в другом варианте осуществления морского кабельного устройства используется матрица источников света в виде светоизлучающих диодов.
В версии данного варианта осуществления матрица светодиодных источников света предпочтительно встроена в оптическую среду, которая представляет собой УФ-прозрачную силиконовую композицию в виде пленки, и затем пленка наносится на наружную поверхность кабеля для того, чтобы обеспечить подачу предохраняющего от обрастания света на упомянутую наружную сторону. В данном варианте осуществления расстояние между светодиодами должно определяться на основании поглощения УФ-света и угла расходимости.
В альтернативном варианте осуществления также возможно, что оптическая среда в виде волокна встроена в другую оптическую среду, которая представляет собой УФ-прозрачный силиконовый слой. В данном варианте осуществления вторичная оптическая среда в виде силиконового слоя дополнительно направляет предохраняющий от обрастания свет из первой оптической среды в виде волокна в направлении зон наружной поверхности кабеля.
В альтернативных вариантах осуществления изобретения оптическая среда, в которую встроены источники света или дополнительные оптические среды, может представлять собой слоистую структуру из материалов различных типов, таких как прозрачный силикон в середине и более прочные, но более поглощающие силиконовые слои снаружи. Другой возможностью является добавление в слой воздушных полостей, в которые включены маленькие трубки для воздуха. Альтернативно, вместо воздуха можно использовать кварц.
В предпочтительном варианте осуществления морского кабельного устройства оптическая среда намотана вокруг наружной поверхности кабеля. Соответственно, предохраняющий от обрастания свет падает на наружную поверхность кабеля равномерным образом, а также обеспечивается простота установки.
В версии вышеописанного варианта осуществления оптическая среда намотана с переменным шагом вдоль по меньшей мере части длины морского кабельного устройства, размещенного таким образом, чтобы угол наклона был меньше в зонах с большим риском обрастания. Например, угол наклона может уменьшаться по мере того, как кабель перемещается глубже в воду, так как интенсивность направленного света будет уменьшаться в зависимости от пройденного расстояния. Соответственно, равномерное распределение предохраняющего от обрастания света может быть достигнуто по всей длине. С другой стороны, по мере того, как оптическая среда, находящаяся в воде, достигает еще большей глубины, особенности поведения организмов в морской окружающей среде изменяются таким образом, что при увеличении глубины обрастание предположительно уменьшается. В этом случае угол наклона увеличивается после определенной глубины для того, чтобы оптимизировать зависимость между уровнем обрастания и предохраняющим от обрастания светом, падающим на наружную поверхность.
В альтернативном варианте осуществления оптическая среда размещается в продольном направлении на наружной поверхности кабеля по прямым линиям, параллельным сердцевине кабеля. Соответственно, простота изготовления будет достигнута в том случае, когда сердцевина, наружная поверхность и оптическая среда будут собираться вместе перед выполнением окончательной намотки.
В варианте осуществления морское кабельное устройство содержит отражающий слой, находящийся между оптической средой и кабелем для того, чтобы уменьшить количество предохраняющего от обрастания света, поглощаемого наружной поверхностью, и направить большее количество предохраняющего от обрастания света в направлении возможной зоны обрастания.
В варианте осуществления морское кабельное устройство содержит по меньшей мере один разделитель между отражающим слоем и наружной поверхностью. Соответственно, тонкая прослойка из воздуха или воды создается для повышения эффективности, так как вода или воздух в меньшей степени поглощают УФC.
В варианте осуществления морское кабельное устройство содержит средство для улавливания энергии для питания источников света. Соответственно, минимизируется потребность во внешних источниках питания, и повышается экономическая эффективность системы.
В версии приведенного выше варианта осуществления средствами для улавливания энергии являются элементы Пельтье. В данном варианте осуществления для улавливания энергии посредством элементов Пельтье используются теплые текучие среды, которые поднимаются со дна океана вверх, и соответствующая разность температур.
В варианте осуществления морского кабельного устройства оптическая среда окрашена или содержит флуоресцентные частицы для того, чтобы создавать желтое свечение, так как желательно, чтобы все подводные конструкции имели желтый цвет, главным образом, из-за повышенной видимости под водой.
В варианте осуществления морского кабельного устройства оптическая среда может также иметь небольшие боковые ответвления с некоторым рассеянием света в них. Соответственно, предохраняющий от обрастания свет распределяется лучше по всей зоне наружной поверхности кабеля.
Наружная поверхность кабеля может быть покрыта секциями, каждая из которых имеет отдельный источник предохраняющего от обрастания света. Например, оптическая среда в виде волокна может проходить прямо вниз до необходимой глубины/длины кабеля, и оттуда может начинаться намотка. Таким образом, источник предохраняющего от обрастания света может размещаться выше ватерлинии.
Термин "содержит" включает в себя также варианты осуществления, в которых термин "содержит" означает термин "состоит из". В одном варианте осуществления термин "содержащий" может относиться к термину "состоящий из", но в другом варианте осуществления может относиться к термину "содержащий по меньшей мере определенные виды и, при необходимости, один или более других видов".
Следует иметь в виду, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми в соответствующих обстоятельствах, и что варианты осуществления изобретения, раскрытые в настоящем описании, могут работать в другой последовательности, отличной от раскрытой или проиллюстрированной в настоящем описании.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и специалисты в данной области техники смогут разработать многие альтернативные варианты осуществления без отклонения от объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные позиции, заключенные в круглые скобки, не следует толковать как ограничение формулы изобретения. Упоминание элемента в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Сам факт того, что определенные меры указаны во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть с выгодой использовано сочетание этих мер.
Изобретение также относится к устройству, содержащему один или несколько характеристических признаков, описанных в описании и/или показанных на прилагаемых чертежах.
Различные аспекты, обсуждаемые в этом патенте, могут быть объединены, чтобы обеспечить дополнительные преимущества. Кроме того, некоторые из признаков могут служить основой для одной или нескольких выделенных заявок.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления далее описываются только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, на которых соответствующие ссылочные обозначения указывают соответствующие части и на которых:
фиг.1 - схематичное изображение варианта осуществления морского кабельного устройства;
фиг.2 - схематичное изображение другого варианта осуществления морского кабельного устройства;
фиг.3 - схематичное изображение варианта осуществления морского кабельного устройства, в котором оптическая среда намотана вдоль наружной поверхности с переменным шагом
фиг.4 - схематичное изображение варианта осуществления морского кабельного устройства, в котором используются многочисленные оптические среды в виде волокна; и
фиг.5 - схематичное изображение варианта осуществления морского кабельного устройства, содержащего разделители.
Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
Подробное описание изобретения
Хотя раскрытие было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в вышеприведенном описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; таким образом, изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Далее следует отметить, что чертежи являются схематичными, не обязательно выполнены в масштабе, и что детали, которые не требуются для понимания настоящего изобретения, возможно были опущены. Термины "внутренний", "внешний", "вдоль", "продольный", "нижний" и т.п. относятся к вариантам осуществления так, как они сориентированы на чертежах, если не указано иное. Кроме того, элементы, которые по меньшей мере по существу идентичны или которые выполняют по меньшей мере по существу идентичную функцию, обозначены одинаковой ссылочной позицией.
На фиг.1 показан в качестве варианта осуществления схематичный вид морского кабельного устройства (1), выполненного с возможностью предотвращения или уменьшения биообрастания вдоль его наружной поверхности (1200), которая во время эксплуатации по меньшей мере временно подвергается воздействию воды. В данном варианте осуществления морское кабельное устройство (1) дополнительно содержит по меньшей мере один источник (2) света, выполненный с возможностью излучения предохраняющего от обрастания света (211), и по меньшей мере одну оптическую среду (220), выполненную с возможностью приема по меньшей мере части предохраняющего от обрастания света (211), причем оптическая среда (220) содержит по меньшей мере одну излучающую поверхность, выполненную с возможностью подачи по меньшей мере части упомянутого предохраняющего от обрастания света (211) на по меньшей мере часть упомянутой наружной поверхности (1200). В данном варианте осуществления источник (2) света представляет собой лазер, и одна оптическая среда (220) выполнена в виде УФ-прозрачного волокна, запитанного упомянутым источником (2) лазерного излучения. В данном варианте осуществления оптическая среда (220) намотана вдоль наружной поверхности (1200). Морское кабельное устройство (1) в соответствии с данным вариантом осуществления содержит другую оптическую среду (225) в виде УФ-прозрачного силиконового слоя, в пределах которого встроена первая оптическая среда (220) в виде УФ-прозрачного волокна. В данном варианте осуществления морское кабельное устройство (1) дополнительно содержит отражающий слой (230), находящийся между оптической средой (220) и наружной поверхностью (1200).
На фиг.2 показан альтернативный вариант осуществления, содержащий матрицу источников (2) света в виде светоизлучающих диодов (светодиодов). Оптической средой (225) является УФ-прозрачный силиконовый слой, в пределах которого встроены светодиодные источники (2) света. В данном конкретном варианте осуществления оптическая среда (225) выполнена в виде длинной узкой ленты, и источники (2) света позиционируются поочередно на верхней и нижней сторонах упомянутой ленты для того, чтобы обеспечить свет по всей длине оптической среды (225) при оптимальном количестве источников (2) света. Кроме того, в данном варианте осуществления морское кабельное устройство (1) также содержит отражающий слой (230), находящийся между оптической средой (220) и наружной поверхностью (1200).
На фиг.3 показан дополнительный вариант осуществления морского кабельного устройства (1), в котором оптическая среда (220) намотана с переменным шагом вдоль по меньшей мере части длины морского кабельного устройства (1), размещенного таким образом, чтобы угол наклона был меньше в зонах с большим риском обрастания.
На фиг.4 показан альтернативный вариант осуществления морского кабельного устройства (1), содержащего более чем одну оптическую среду (220, 222) в виде волокна вдоль по меньшей мере части длины морского кабельного устройства (1). В данном варианте осуществления оптические среды (220, 222) имеют различные показатели преломления и/или длины волн.
На фиг.5 показан альтернативный вариант осуществления морского кабельного устройства (1), содержащего более чем один разделитель (240) между отражающим слоем (230) и наружной поверхностью (1200). Многочисленные разделители (240) размещаются упорядоченным образом для того, чтобы обеспечить равномерную прослойку воздуха или воды между отражающим слоем (230) и наружной поверхностью (1200), и, таким образом, поглощается меньшее количество предохраняющего от обрастания света (211), и, соответственно, большее количество этого света падает на зоны с обрастанием.
Элементы и аспекты, обсужденные для или в связи с конкретным вариантом осуществления можно подходящим образом объединить с элементами и аспектами других вариантов осуществления, если явно не указано иное. Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. После прочтения и понимания предыдущего подробного описания другими специалистами в данной области техники могут вноситься модификации и изменения. Подразумевается, что изобретение будет истолковываться как включающее в себя все такие модификации и изменения настолько, насколько они попадают в рамки объема приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов. Так как обрастание может также происходить в реках, озерах или в любой другой зоне, где охлаждающее устройство находится в контакте с водой, изобретение в целом применимо к системам охлаждения посредством воды.