СОСТАВНОЙ КАБЕЛЬ
HYBRID CABLE

Изобретение относится к составному кабелю, содержащему несколько труб для текучей среды, электрические провода и/или оптические проводники, наполнительный материал, расположенный по меньшей мере частично вокруг труб для текучей среды и проводов/проводников и между ними, причем они собраны вместе в скрученный пучок посредством операции укладки, защитный кожух, который охватывает трубы для текучей среды, провода/проводники и наполнительный материал, и по меньшей мере один несущий нагрузку элемент, предопределенно расположенный в поперечном сечении составного кабеля, причем, как вариант, несущими нагрузку элементами является одна или несколько труб для текучей среды.
Кроме того, изобретение относится к способу изготовления указанного составного кабеля, описанному в ограничительной части независимого п.12 формулы изобретения.
Изобретение находит применение как в более традиционном составном кабеле, так и в предложенном сравнительно недавно силовом составном кабеле, который может передавать большое количество электроэнергии между морской поверхностью и оборудованием, расположенным на морском дне. Данное изобретение относится к более традиционному составному кабелю, а силовой составной кабель является предметом отдельной заявки, поданной одновременно с настоящей заявкой. Предлагаемый составной кабель предназначен, прежде всего, для использования в качестве стационарного, и способность противостоять растягивающим силам требуется от него, в первую очередь, во время прокладки кабеля, так как после прокладки он лежит на морском дне более или менее неподвижно.
Традиционный способ укладки нескольких длинных элементов описан, например, в NO 174940 (WO 93/17176) и NO 971984. На чертежах первого из этих документов, в частности на фиг.1, показано оборудование для изготовления такого составного кабеля. 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 имелась настоятельная потребность в значительно более простом оборудовании для изготовления составного кабеля. Желательно также, чтобы это оборудование было передвижным, что позволяет изготавливать составной кабель на месте или близко к месту, где он должен быть установлен. Чтобы решить эту задачу, нужно принять во внимание некоторые моменты, в частности способность составного кабеля принимать и выдерживать растягивающие нагрузки. Это рассмотрено ниже.
Когда такой пучок 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. Несущими нагрузку элементами могут быть трубы, стальная проволока или элементы, выполненные из композитного материала, либо в виде отдельных композитных стержней, распределенных в поперечном сечении, либо стержней, собранных в пучки. Примером композитного материала является углеродное волокно.
В рамках предложенного решения, относящегося к операции укладки 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. 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?
Эта 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 с периодическим 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 проволок или 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.42-44. Чертежи из этого документа представлены на фиг.7-8 и отмечены как “уровень техники”. Далее в патенте США №6472614, внизу колонки 2, сказано, что на тот момент не существовало стандарта для составных кабелей из стальных труб, но что он будет создан. Это можно понимать как подтверждение того, что трубы, которые показаны на стр.43 документа “Specification 17Е”, - это трубы из термопласта, а не стальные трубы, с которыми имеет дело настоящее изобретение.
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.
Насколько известно заявителю, на сегодняшний день никто не осуществил укладку (намотку) в конфигурации S-Z стальных труб в составном кабеле только потому, что они выполняют функцию несения нагрузки и при приложении осевых нагрузок определенной величины будут стремиться распрямиться (размотаться), как описано в патенте США №6472614. Кроме того, стальные трубы обычно жесткие по своей природе и, следовательно, ими трудно манипулировать при выполнении операции укладки.
Другая проблема с подводными составными кабелями этого типа связана с тем, что трубы и кабели необходимо сращивать довольно часто, 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 составных кабелей сложного поперечного сечения, имеющих значительную длину и меньшее количество сращиваний, чем раньше, т.е. обеспечить более непрерывное и эффективное производство. Так же, как прежде, существует требование, чтобы составной кабель можно было намотать на карусельное устройство или катушку для отгрузки и транспортировки.
Согласно изобретению предложен составной кабель указанного типа, который отличается тем, что трубы для текучей среды, провода/проводники и наполнительный материал и, возможно, по меньшей мере один несущий нагрузку элемент уложены попеременно, т.е. с непрерывным изменением направления, на всей длине или на части длины составного кабеля, при этом уложенный пучок удерживается по существу жестким на кручение с помощью защитной оболочки и, 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 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 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 при осевом растяжении;
в) внутреннее трение противодействует распрямлению указанных элементов.
Указанное выше достигается с помощью этого нового способа укладки 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. Если используется составной кабель, у которого прочность на растяжение элементов, уложенных в конфигурации S-Z, достаточна, чтобы выдержать растягивающую силу внутри кабеля, то в армировании нет необходимости. Описанный составной кабель не дает стальным трубам и остальным длинным элементам в поперечном сечении смещаться в радиальном направлении, а также препятствует их осевому удлинению и скручиванию, в то же время стальные трубы оказываются в состоянии выполнять свою функцию в качестве передающих нагрузку элементов, 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 составного кабеля, элементы которого уложены в конфигурации S-Z и могут нести нагрузку, никогда не были разработаны, так же как никогда ранее не изготовлялись составные кабели со стальными трубами, уложенными в конфигурации S-Z.
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.
Свойства прочной ленты, такие как прочность, жесткость и степень плотности ее прилегания к пучку, используются для увеличения/уменьшения жесткости на кручение, которая, в свою очередь, влияет на нагрузочную способность составного кабеля. Чем больше глубина, где будет находиться кабель, тем больше должна быть его жесткость на кручение.
При укладке труб для текучей среды, 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.
В одном из вариантов осуществления изобретения 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. Это близко к стандарту указанного документа API, см. фиг.7 и 8.
Несущие нагрузку элементы предпочтительно представляют собой легкие стержни из композитного материала и/или стальную нить или стальную проволоку, и/или волоконный трос, и/или трос из полиэфира, и/или арамидные нити. Этот вариант используется, когда глубина превышает определенную величину. В этом случае можно использовать, например, углеродные стержни для повышения осевой жесткости при минимальном увеличении веса составного кабеля.
Для повышения жесткости составного кабеля на кручение в наполнительном материале могут быть выполнены продольные пазы или выемки для проникновения в них материала наружной оболочки при его экструзии. В результате образуется средство создания трения, которое повышает жесткость составного кабеля на кручение, а также не допускается поворот наружной оболочки относительно наполнителя.
Если прочная лента используется, она намотана с определенным расстоянием между витками, так что между ними остается зазор для указанного проникновения материала оболочки в пазы при экструзии материала.
Согласно изобретению предложен также способ, описанный во вводной части, который отличается тем, что трубы для текучей среды, электрические провода/проводники, наполнительный материал и, возможно, по меньшей мере один несущий нагрузку элемент укладывают попеременно, т.е. с постоянным изменением направления на всей длине или на части длины 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 на участке, соответствующем приблизительно 0,5-3 оборотам, прежде чем изменяют 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 силового составного кабеля.
Согласно одному варианту осуществления изобретения в наполнительном материале выполняют продольные пазы или выемки, экструдируют на пучок материал наружной оболочки, который при этом проникает в указанные пазы, образуя средство создания трения для повышения жесткости составного кабеля на кручение.
Если прочная лента используется, ее наматывают с определенным расстоянием между витками, так что между ними остается зазор для проникновения экструдированного материала оболочки в указанные пазы.
Для нового способа способом укладки составного кабеля предусматривается новый тип укладочной машины, которая значительно проще, чем известные машины. Операция укладки может производиться с использованием колебательных движений, а не традиционных вращательных движений - вращения огромных катушек, несущих электрические кабели, трубы и наполнительный материал.
Это означает, что трубы для текучей среды, провода/проводники, наполнительный материал и, возможно, другие 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 катушек эти катушки должны не только вращаться вокруг своих осей, но их нужно также непрерывно и синхронизированно вращать вокруг продольной оси 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 составного кабеля, и они могут оставаться на одном месте. Это настолько упрощает укладочную машину, что она может быть сконструирована подвижной, и составной кабель можно изготавливать поблизости от места, где он должен быть установлен.
Другие цели, особенности и преимущества изобретения станут понятны из описания предпочтительных вариантов его осуществления и чертежей, где:
на фиг.1 показано поперечное сечение составного 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 составного кабеля со стальной лентой, намотанной на пучок длинных элементов,
на фиг.3 - поперечное сечение еще одного модифицированного по сравнению с фиг.1 составного кабеля, в котором в наполнительном материале имеются продольные пазы, заполненные материалом оболочки,
на фиг.4 - поперечное сечение составного кабеля согласно второму варианту осуществления изобретения, с волоконной лентой, намотанной на пучок длинных элементов,
на фиг.5 - поперечное сечение модифицированного по сравнению с фиг.4 составного кабеля со стальной лентой, намотанной на пучок длинных элементов,
на фиг.6 - поперечное сечение еще одного модифицированного по сравнению с фиг.4 составного кабеля, в котором в наполнительном материале имеются продольные пазы, заполненные материалом оболочки,
на фиг.7 (уровень техники) представлена фиг.2-D документа API (American Petroleum Institute) specification 17E, на которой схематично показаны кабель, уложенный в конфигурации S-Z, и укладочная машина,
на фиг.8 (уровень техники) представлены фиг.1-Е 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.1-6 описаны два варианта выполнения поперечного сечения составного кабеля, каждый из которых имеет три разновидности. Однако очевидно, что в рамках формулы изобретения существует много других вариантов составного кабеля. Конструкция традиционного составного кабеля и способ его изготовления подробно описаны в WO 93/171776.
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 проводники/провода 7, оптические проводники 8 и металлические трубы 4, 5, 6 для текучей среды, как правило, выполненные из стали. 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).
2
Диаметр составного кабеля может быть равен, например, 107 мм. Провода 7 могут иметь полную площадь поперечного сечения 22 мм, а оптические проводники могут иметь наружный диаметр 12 мм. Наружный диаметр стальных труб 4 может быть равен 12,5 мм, а труб 5, 6 - 18 мм. Составной кабель может иметь вес нетто (незаполненный) от 152 Н/м, расчетную прочность на растяжение 233 кН и прочность на разрыв 416 кН.
Элементы 2, 3 внутреннего и внешнего канала расположены по меньшей мере частично вокруг труб 4, 5, 6 для текучей среды и между ними и типично представляют собой жесткие, удлиненные сплошные элементы из пластмассы. Трубы 4, 5, 6 для текучей среды, провода 7, проводники 8 и наполнительный материал 2, 3 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.
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 с натяжением.
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 путем экструзии на пучок 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. Для обеспечения экструзии материала оболочки в пазы 11 лента 12 намотана по окружности с заданным расстоянием между витками, чтобы материал оболочки мог проникнуть в пазы 11. Элементы уложены в пучок и скручены так же, как описано выше.
На фиг.4 показан второй основной вариант выполнения составного кабеля, имеющего несколько меньшее поперечное сечение. 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 проводники/провода 7', возможно, оптические проводники и металлические трубы 4', 5', 6' для текучей среды, как правило, выполненные из стали. Все эти элементы уложены вместе в указанный пучок. Элементы удерживаются в пучке прочной лентой, в данном варианте волоконной лентой 9', обмотанной вокруг пучка до того, как на него путем экструзии будет нанесена наружная оболочка 1', например из полиэтилена (РЕ). Элементы уложены в пучок и скручены так же, как описано выше.
Составной кабель на фиг.5 представляет собой модификацию кабеля, изображенного на фиг.4. Большинство элементов кабеля на фиг.4 и 5 совпадают и обозначены теми же позициями. Отличие кабеля согласно фиг.5 состоит в том, что прочная лента представляет собой металлическую ленту 10', а не волоконную ленту, как на фиг.4. Эта модификация обычно используется, когда кабель должен лежать на большей глубине. Элементы уложены в пучок и скручены так же, как описано выше.
Составной кабель на фиг.6 представляет собой еще одну модификацию кабеля, изображенного на фиг.4. Большинство элементов кабеля на фиг.4 и 6 совпадают и обозначены теми же позициями. Отличие кабеля согласно фиг.6 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 путем экструзии на пучок 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. Для обеспечения экструзии материала оболочки в пазы 11' лента 12' намотана по окружности с заданным расстоянием между витками, чтобы материал оболочки мог проникнуть в пазы 11'. Элементы уложены в пучок и скручены так же, как описано выше.
На фиг.7 и 8 показаны чертежи, приведенные на стр.42 и 43 документа API (American Petroleum Institute), specification 17E, “Specification for Subsea Production Control Umbilicals”. На фиг.7 на нижнем чертеже схематично изображен составной кабель, уложенный в конфигурации S-Z или колебательным способом. На верхнем чертеже схематично показано оборудование для такой укладки составного кабеля. На фиг.8 показаны два варианта составных кабелей с трубами для текучей среды из термопласта, которые могут быть уложены указанным образом.