СИЛОВОЙ СОСТАВНОЙ КАБЕЛЬ
POWER HYBRID CABLE

Настоящее изобретение относится к силовому кабелю или силовому составному кабелю, содержащему электрических кабелей для передачи большой электрической мощности/энергии, возможно, электрические провода и/или оптические проводники, наполнительный материал в виде жестких удлиненных элементов из пластмассы, расположенных по меньшей мере частично вокруг и между электрических кабелей и возможных проводов/проводников, которые собраны вместе в скрученный пучок посредством операции укладки, защитный кожух, охватывающий электрические кабели, провода/проводники и наполнительный материал, и по меньшей мере один несущий нагрузку элемент, предопределенно расположенный в поперечном сечении силового кабеля/силового составного кабеля.
Изобретение также относится к способу изготовления силового кабеля или силового составного кабеля описанного типа.
Изобретение находит применение как в предложенном сравнительно недавно силовом кабеле или силовом составном кабеле, т.е. в силовом кабеле, по которому можно передавать большую электроэнергию, так и в более традиционном составном кабеле. Данное изобретение относится к предложенному недавно силовому кабелю или силовому составному кабелю, а более традиционный составной кабель является предметом отдельной заявки, поданной одновременно с настоящей заявкой.
Необходимо подчеркнуть, что силовой кабель и силовой составной кабель отличаются друг от друга, но оба находятся в объеме настоящего изобретения. Под силовым составным кабелем здесь понимается кабель, содержащий электрические кабели большого сечения, электрические провода и/или оптические проводники, наполнительный материал, по меньшей мере один несущий нагрузку элемент, прочную ленту и наружную оболочку. В него могут также входить небольшие стальные трубы для текучей среды. Просто силовой кабель не содержит труб для текучей среды, электрических проводов и/или оптических проводников, но содержит остальные элементы, указанные выше.
Традиционный способ изготовления составного кабеля описан в N0 174940 (WO 93/17176) и NO 971984. На чертежах первого из этих документов, в частности на фиг.1, показано оборудование для изготовления составного кабеля. Описанные способ и оборудование можно взять за основу при изготовлении нового силового кабеля или силового составного кабеля. Как видно на чертеже, это оборудование является сложным, требует обширного пространства, занимает большой объем и соответственно является очень дорогим. Кроме того, из-за своих размеров это оборудование должно быть стационарным, т.е. должно быть расположено на большом предприятии, предпочтительно близко к порту.
Оборудование должно иметь такие размеры, чтобы выполнять свои функции, а именно чтобы свивать длинные элементы вместе в пучок, который простирается по спирали в продольном направлении с заданной длиной укладки, составляющей обычно от 1,5 до 15 м на 1 оборот, в зависимости от предполагаемого использования.
В промышленности имеется настоятельная потребность в значительно более простом оборудовании для изготовления нового силового кабеля или силового составного кабеля. Желательно также, чтобы это оборудование было передвижным, что позволяет изготавливать силовой составной кабель на месте или близко к месту его использования, например на борту судна для прокладки кабеля. Чтобы решить эту задачу, нужно принять во внимание некоторые моменты, в частности способность составного кабеля выдерживать растягивающие нагрузки. Это рассмотрено ниже.
Силовой кабель или силовой составной кабель предназначен для передачи большого количества электроэнергии, например, с морской поверхности к установке для добычи нефти и газа, расположенной на морском дне. Силовой кабель или силовой составной кабель включает кабели большого сечения для передачи электроэнергии к расположенной на морском дне установке, питаемой электричеством, например, к большим насосным станциям, транспортирующим добываемую нефть и/или газ.
Силовые кабели также используются для соединения с ветряками, расположенными в море вдали от берега. Для передачи энергии от генераторов в ветряках на морское дно укладывают соединенные с ними силовые кабели большого сечения, ведущие к терминалам на суше.
Когда такой силовой составной кабель, включающий пучок скрученных длинных элементов, подвергается растягивающим нагрузкам, например в процессе прокладки в воде на глубине, скрученные или свитые элементы будут стремиться "распрямиться" или "раскрутиться ". Для восприятия растягивающих нагрузок предназначены несущие нагрузку элементы в поперечном сечении. Несущие нагрузку элементы могут представлять собой стальную проволоку или элементы, выполненные из композитного материала, либо в виде отдельных композитных стержней, распределенных в поперечном сечении, либо стержней, собранных в пучки.
Следует иметь в виду, что предлагаемый силовой кабель или силовой составной кабель используется в основном как стационарный, и прочность на растяжение требуется от него прежде всего во время прокладки, так как после прокладки он лежит на морском дне более или менее неподвижно, не испытывая осевых нагрузок,
Эти электрические кабели большого сечения, обычно выполненные из медной проволоки, теперь интегрированы в более традиционный составной кабель. Такие составные кабели находятся на стадии разработки и их конструкция и функции изменяются в зависимости от фактических потребностей. Эти электрические кабели большого сечения существенно увеличивают вес всего составного кабеля из-за наличия меди. Поскольку, как известно, медь имеет очень плохую нагрузочную способность, очень важно, чтобы медные провода не выполняли функцию несения нагрузки, которая на практике включает собственный вес.
В рамках предложенного решения, относящегося к операции укладки силового составного кабеля, которое значительно упрощает процесс изготовления, несущие нагрузку элементы не обязательно будут способны выполнять свою функцию, а именно передавать значительные нагрузки или растягивающие нагрузки. Они будут, как указано выше, только стремиться выпрямиться (раскрутиться). Однако такое новое решение требует лишь очень простого производственного оборудования по сравнению с традиционным. Таким образом, все пожелания, изложенные выше, будут выполнены. Но при этом, как очевидно, возникает новая проблема: что сделать, чтобы кабель выдерживал нагрузку?
Это известная проблема упоминается в патенте США №6472614. В колонке 1 с середины страницы и ниже сказано, что элементы составного кабеля обычно (традиционно) свиты вместе в известной конфигурации S-Z, которая означает, что намотка производится попеременно со смещением направления. Далее сказано, что поскольку конфигурация S-Z не может противостоять большим растягивающим силам без раскручивания (как описано выше), на пучок элементов нужно намотать по спирали в противоположном направлении дополнительные армирующие слои (например, из стали или Кевлара), которые будут выдерживать эти растягивающие силы. Армирование состоит из множества стальных стержней, размещенных рядом друг с другом с малым шагом по продольной оси составного кабеля.
Для иллюстрации как выглядит этот составной кабель в указанном патенте США дана ссылка на документ API (American Petroleum Institute), specification 17E, "Specification for Subsea Production Control Umbilicals", в частности стр.42, 43 и 44. Чертежи из этого документа представлены на фиг.7-8 и отмечены как "уровень техники".
Этот чертеж включен также для иллюстрации традиционной укладки (намотки) в конфигурации S-Z в комбинации с обеспечением нагрузочной способности. Для этого требуются армирующие стержни, намотанные по спирали (не в конфигурации S-Z) по меньшей мере двумя слоями, каждый из которых намотан в противоположном направлении относительно намотки другого, чтобы в поперечном сечении они могли работать как несущие нагрузку элементы.
Другая проблема с подводными силовыми кабелями или силовыми составными кабелями в том, что их нужно довольно часто сращивать, возможно, каждые 500 м. Это приводит к значительному количеству сочленений, если длина составного кабеля должна составлять несколько десятков километров. Каждая отдельная операция сращивания требует много времени. Если составной кабель имеет сложное поперечное сечение, то работа по сращиванию может занимать несколько дней.
Таким образом существует проблема сделать возможным изготовление силовых кабелей или силовых составных кабелей большой длины, имеющих сложное поперечное сечение и меньшее количество сращиваний, чем раньше; т.е. обеспечить более непрерывное и эффективное производство. Так же, как прежде, существует требование, чтобы силовой кабель или силовой составной кабель можно было намотать на карусельное устройство или катушку для отгрузки и транспортировки.
Согласно изобретению, предложен силовой кабель или силовой составной кабель указанного типа, отличающийся тем, что электрические кабели, возможные провода/проводники, наполнительный материал и по меньшей мере один несущий нагрузку элемент уложены попеременно, т.е. с непрерывным изменением направления, на всей длине или на части длины силового составного кабеля, при этом уложенный пучок удерживается по существу жестким на кручение с помощью защитной оболочки, возможно, с помощью прочной ленты, намотанной по спирали вокруг пучка непосредственно под защитной оболочкой.
Прочная лента может быть выполнена по-разному в зависимости от глубины размещения силового кабеля или силового составного кабеля, или фактически может полностью отсутствовать. При малых глубинах прочная лента может быть одной простой тесьмой, узкой полосой или лентой, предназначенной только для удерживания пучка элементов до тех пор, пока он не будет покрыт наружной оболочкой. В случае большей глубины может потребоваться стальная лента, намотанная вокруг пучка. Подробное описание дано в тексте ниже.
Согласно изобретению, силовой кабель или силовой составной кабель имеет такую конструкцию, которая препятствует раскручиванию или распрямлению скрученных элементов, несмотря на то, что они намотаны в конфигурации S-Z. Это достигается тем, что:
а) скрученные элементы сцепляются с профилями наполнителя, который полностью или частично их окружает;
б) составной кабель обладает достаточной жесткостью на кручение, чтобы противостоять вращающему моменту, который создают несущие нагрузку элементы приосевом растяжении;
в) внутреннее трение противодействует распрямлению указанных элементов.
Указанное выше достигается с помощью этого нового способа укладки силового составного кабеля, так называемой укладки типа S-Z, в сочетании с использованием наружной оболочки и/или прочной ленты. Другими словами, сцепление профилей наполнителя в сочетании с жесткостью составного кабеля на кручение и наличием внутреннего трения противодействует раскручиванию пучка, уложенного в конфигурации S-Z, когда к элементам приложена растягивающая сила. Описанный составной кабель не дает несущим нагрузку элементом и остальным длинным элементам поперечного сечения смещаться в радиальном направлении, а также препятствует их осевому удлинению и скручиванию, и в то же время несущие нагрузку элементы оказываются в состоянии выполнять свою функцию передачи нагрузки, несмотря на их синусоидальную конфигурацию.
Кроме того, упрощается производственное оборудование, которому требуется меньшее пространство и которое имеет меньшую стоимость. Оборудование можно сделать передвижным для его размещения непосредственно вблизи места фактического использования составного кабеля. Следует отметить, что намотка обычных электрических проводников или проводов в конфигурации S-Z известна. Но конструкция и изготовление силового кабели или силового составного кабеля, элементы могут нести нагрузку, никогда не были разработаны, насколько известно заявителю.
В подходящем для применения варианте осуществления изобретения прочная лента намотана на пучок по спирали в два или более слоя, уложенных в противоположных направлениях. Прочная лента может быть намотана на пучок по спирали сравнительно короткими укладочными отрезками, например 0,1-0,5 м.
Прочная лента может быть из металла, например стали, свинца или алюминия. Альтернативно прочная лента может представлять собой армированную волокном ленту, армированную волокном ленту с фрикционной прокладкой и текстильную ленту, причем армированная волокном лента может быть армирована арамидным волокном, углеродным волокном, стекловолокном и другими синтетическими материалами.
При укладке электрических кабелей, возможных проводов/проводников, наполнительного материала и, возможно, других несущих нагрузку элементов направление может изменяться через неравные интервалы или в другом альтернативном варианте, через равные интервалы. В типичном варианте осуществления изобретения, как очевидно на сегодняшний день, укладка выполняется приблизительно на 0,5-3 оборота, прежде чем направление изменяется и продолжается на соответствующее число оборотов в противоположном направлении, прежде чем направление снова изменяется.
Как сказано выше, при укладке такого типа снижается, если рассматривать изолированно, способность отдельных элементов вопринимать и передавать растягивающие нагрузки. Если они подвергаются растягивающим силам, они только имеют тенденцию распрямляться (раскручиваться).
В одном из вариантов осуществления изобретения силовой составной кабель содержит один или несколько отдельных слоев с несущими нагрузку элементами в качестве наружного слоя, расположенного непосредственно под оболочкой. Однако эти несущие нагрузку элементы в каждом слое уложены традиционным способом в виде непрерывной спирали в одном и том же направлении на всей длине составного кабеля. Почти такая картина показана на фиг.6.
Несущие нагрузку элементы предпочтительно представляют собой легкие стержни из композитного материала и/или стальной шнур или стальную проволоку, и/или волоконный трос и/или трос из полиэфира.
Силовой составной кабель может также включать в поперечном сечении по меньшей мере одну трубу для текучей среды из металла и/или пластмассы.
Согласно изобретению, предложен также способ, описанный во вводной части, отличающийся тем, что электрические кабели, возможные электрические провода/оптические проводники, наполнительный материал и несущие нагрузку элементы укладывают попеременно, т.е. с постоянным изменением направления на всей длине или на части длины силового составного кабеля, причем при изготовлении несущий нагрузку элемент или каждый несущий нагрузку элемент располагают по центру или на периферии, а уложенному пучку по существу придают жесткость на кручение путем нанесения наружной защитной оболочки, возможно с добавлением прочной ленты, которую наматывают по спирали на пучок после окончания указанной операции укладки и до того как наносят защитную оболочку.
Прочную ленту можно наматывать на пучок по спирали в два или более слоев, уложенных в противоположных направлениях. Прочную ленту можно наматывать на пучок по спирали сравнительно короткими укладочными отрезками 0,1-0,5 м. Укладку можно выполнять с изменением направления через неравные интервалы или через равные интервалы. Операцию укладки можно выполнять приблизительно на 0,5-3 оборота, прежде чем изменить направление укладки.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, в качестве наружного слоя, расположенного внутри оболочки, наносят один или более отдельных слоев из несущих нагрузку элементов, которые в каждом слое укладывают в виде непрерывной спирали в одном и том же направлении на всей длине составного кабеля.
Это означает, что электрические кабели, провода/проводники, наполнительный материал и несущий нагрузку элемент (несущие нагрузку элементы) могут подаваться не так, как в известных машинах, а потому производственное оборудование может быть организовано по-другому. При непрерывной укладке в одном направлении с огромных бобин эти бобины должны не только вращаться вокруг своих осей, но их нужно также непрерывно и синхронизированно вращать вокруг продольной оси силового составного кабеля, чтобы внутри длинных элементов, которые сматываются с катушек, не возникали напряжения кручения. В новом способе укладки эти потенциальные напряжения кручения будут малы, поскольку направление укладки все время изменяется. Те напряжения кручения, которые возникают при укладке в одном направлении, ослабляются, когда изменяется направление укладки, и снова уменьшаются до нуля. Таким образом, не нужно вращать огромные катушки вокруг продольной оси силового составного кабеля и они могут оставаться на одном месте. Это настолько упрощает укладочную машину, что она может быть сконструирована подвижной, и силовой составной кабель можно изготавливать на месте, откуда он будет прокладываться, например, на борту судна, стоящего на якоре вблизи морского месторождения нефти или газа.
Другие цели, особенности и преимущества изобретения станут понятны из описания предпочтительных вариантов его осуществления и чертежей, где:
на фиг.1 показано поперечное сечение силового составного кабеля или силового кабеля согласно первому варианту осуществления изобретения, с волоконной лентой, намотанной на пучок длинных элементов,
на фиг.2 - поперечное сечение модифицированного по сравнению с фиг.1 силового составного кабеля со стальной лентой, намотанной на пучок длинных элементов,
на фиг.3 - поперечное сечение еще одного модифицированного по сравнению с фиг.1 силового составного кабеля, в котором в наполнительном материале имеются продольные пазы, заполненные материалом оболочки,
на фиг.4 - поперечное сечение силового составного кабеля согласно второму варианту осуществления изобретения, в котором в поперечном сечении имеются углеродные стержни,
на фиг.5 (уровень техники) представлена фиг.2-D документа API (American Petroleum Institute) specification 17E, на которой схематично показан кабель, уложенный в конфигурации S-Z, и укладочная машина,
на фиг.6 (уровень техники) представлены фиг.1-E и 2-Е документа API (American Petroleum Institute) specification 17E, на которых показаны типичные составные кабели с трубами из термопласта, уложенными указанным образом.
Со ссылками на фиг.1-4 описаны два варианта выполнения поперечного сечения силового составного кабеля, первый из которых имеет три разновидности, а второй только одну. Однако очевидно, что в рамках формулы изобретения существует много других вариантов силового составного кабеля. Конструкция традиционного составного кабеля и способ его изготовления подробно описаны в WO 93/171776.
Силовой кабель или силовой составной кабель согласно фиг.1 содержит следующие элементы: пучок удлиненных элементов, состоящих из элементов 2, 3 внутреннего и внешнего канала, например из поливинилхлорида (PVC), электрические кабели 4 для передачи большой электрической энергии/мощности, оптические проводники 5 и несущие нагрузку элементы в виде стальной проволоки 6. Все эти элементы уложены вместе в указанный пучок. Элементы удерживаются в пучке прочной лентой, в данном варианте волоконной лентой 9, обмотанной по окружности вокруг пучка до того как на него путем экструзии будет нанесена наружная оболочка 1, например, из полиэтилена (РЕ). Согласно некоторым вариантам выполнения силового кабеля он может также содержать трубы для текучей среды (не показаны).
2
Элементы кабеля 4, по которым передается электроэнергия, представляют собой скрученные медные провода, образующие суммарное токопроводящее перечное сечение, например 35 мм. Диаметр силового составного кабеля может быть равен, например, 226 мм. Кроме того, при необходимости могут быть обычные электрические провода (не показаны) для передачи сигналов управления.
Элементы 2, 3 внутреннего и внешнего канала расположены по меньшей мере частично вокруг электрических кабелей 4 и между ними и типично представляют собой жесткие, удлиненные сплошные элементы из пластмассы. Электрические кабели 4, возможные провода/проводники 5, наполнительный материал 2, 3 и по меньшей мере один несущий нагрузку элемент 6 уложены попеременно, т.е. с постоянно изменяющимся направлением на всей длине или на части длины составного кабеля. Уложенный пучок по существу обладает жесткостью на кручение благодаря удерживающей его защитной оболочке 1, которая в дополнение имеет прочную, в данном случае волоконную ленту 9, намотанную на пучок по спирали непосредственно под защитной оболочкой 1.
Силовой кабель или силовой составной кабель на фиг.2 представляет собой модификацию кабеля, изображенного на фиг.1. Большинство элементов кабеля на фиг.1 и 2 совпадают и обозначены теми же позициями. Отличие кабеля согласно фиг.2 состоит в том, что прочная лента представляет собой металлическую ленту 10, а не волоконную ленту, как на фиг.1. Эта модификация обычно используется, когда кабель должен лежать на большей глубине. Элементы уложены в пучок и скручены так же, как описано выше. Металлическая лента 10 в типичном варианте осуществления изобретения может иметь толщину 0,8 мм и может быть намотана в два слоя.
Силовой кабель или силовой составной кабель на фиг.3 представляет собой еще одну модификацию кабеля, изображенного на фиг.1. Большинство элементов кабеля на фиг.1 и 3 совпадают и обозначены теми же позициями. Отличие кабеля согласно фиг.3 состоит в том, что прочная лента представляет собой ленту 12, которая фактически выполняет только временную функцию, а именно она должна удерживать длинные элементы вместе в пучке до того как на него путем экструзии будет нанесена наружная оболочка 1 из полиэтилена. Кроме того, в элементах 3 внешнего канала или между ними выполнены продольные пазы 11, чтобы при экструзии в них попадал материал наружной оболочки 1 и скреплял ее с элементами 3 внешнего канала или увеличивал трение между ними для создания достаточной жесткости на кручение. Материал наружной оболочки 1 при экструзии попадает также в канавки, образованные проводами 6, и отчасти между проводами 6. Чтобы экструдированный материал оболочки мог проникнуть в пазы 11, лента намотана по окружности с заданным расстоянием между витками. Элементы уложены в пучок и скручены так же, как описано выше.
На фиг.4 показан второй основной вариант выполнения силового кабеля или силового составного кабеля. Большинство элементов кабеля согласно фиг.4 совпадают с элементам на фиг.1-3 и обозначены теми же позициями с добавлением знака '. Составной кабель на фиг.4, как и прежде, содержит следующие элементы: пучок удлиненных элементов, состоящих из элементов 2', 3' внутреннего и внешнего канала, например из поливинилхлорида, электрические кабели 4' для передачи большой электрической энергии/мощности, оптические проводники 5' и несущие нагрузку элементы в виде стальной проволоки 6', углеродных стержней 7 или комбинации тех и других. Все эти элементы уложены вместе в указанный пучок. Углеродные стержни 7 могут быть расположены либо по отдельности в разных местах поперечного сечения либо пучками, обозначенными позицией 8, либо и по отдельности, и пучками, как показано на фиг.4. Элементы удерживаются в пучке прочной лентой, в данном варианте волоконной лентой 9', обмотанной по окружности вокруг пучка до того как на него путем экструзии будет нанесена наружная оболочка 1', например, из полиэтилена (РЕ).
Силовой кабель или силовой составной кабель, показанный на фиг.4, может быть модифицирован, например иметь стальную ленту 2, как на фиг.2, или иметь пазы для экструдирования в них материала оболочки, как на фиг.3. Стальная лента повышает жесткость на кручение и ее используют когда кабель должен находиться на большой глубине. Кабель может также содержать в поперечном сечении электрические провода и/или трубы для текучей среды.
На фиг.5 и 6 показаны чертежи, приведенные на стр.42 и 43 документа API (American Petroleum Institute), specification 17Е, "Specification for Subsea Production Control Umbilicals". Ha фиг.5 на нижнем чертеже схематично изображен традиционный составной кабель, уложенный в конфигурации S-Z или колебательным способом. На верхнем чертеже схематично показано оборудование для такой укладки составного кабеля. На фиг.6 показаны два варианта составных кабелей, которые могут быть уложены указанным образом.