CN103477142A - 用于对海底管道直接电加热的具有柔软芯的电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对海底管道(28)直接电加热的电缆(10)，该电缆包括：轴向柔软内芯(12)；以及围绕所述芯的电导线(14)。本发明还涉及包含此类电缆的系统、此类电缆的使用、以及用于对海底油/气管道直接电加热的方法。

Description

用于对海底管道直接电加热的具有柔软芯的电缆
技术领域
本发明涉及用于对海底管道直接电加热(DEH)的电缆。本发明还涉及包含此类电缆的系统、此类电缆的使用、以及用于对海底油/气管道直接电加热的方法。
背景技术
直接电加热(DEH)是一种用于防止在油和气的海底生产管道中形成蜡和水合物的方法。DEH以如下事实为依据：金属导体中的交流电(AC)在单相电路中生成热。一根电缆被连接到管道的第一端，而单芯电缆被背负(piggyback)在管道上并被连接到管道的远端。这两根电缆与管道一起形成单相电路。背负电缆被直接绑(strap)在管道上或者位于绑到管道上的外部机械保护的内部。
传统的DEH背负电缆是单芯高压电缆。导体由圆形绞合紧压铜线制成，绝缘系统由交联聚乙烯(XLPE)制成，而外护套(outer sheath)由发泡聚乙烯(PE)制成。
传统DEH背负电缆的问题在于如果在安装过程中不仔细地执行复杂且昂贵的减缓措施，则铜线在管道的操作过程中会被拉紧到不可接受的水平。由于高生产流温度将发生管道的热膨胀。背负电缆也被同样地拉紧，因为它被连接并被绑到管道上。此外，背负电缆在管道热屈曲(buckling)位置(横向或隆起屈曲)可被额外地拉紧。由于上述影响，背负电缆的延伸率通常大于0.2％。单芯背负电缆的最大允许拉伸应变通常是0.15％。在电缆设计中，关于轴向应变(axialstrain)的限制元件是铜导体。超过允许水平的轴向应变可导致应当被避免的铜线的塑性变形。为了不超过最大允许电缆应变，背负电缆通常以相对于管道具有某些额外长度(over length)来安装。如果将电缆安装在内径显著大于电缆的外径的外部机械保护的内部，则电缆的额外(over)长度可通过保持电缆的背部张力低而实现(因此电缆的重量将引起电缆在保护内部以蛇形前进，从而引入额外长度)。这从安装的角度来看是复杂的操作，因为电缆的背部张力难以控制。在将电缆直接绑在管道上的情况下，从安装/实践的角度来看，实现电缆额外长度非常困难。使用传统的测量工具来测量所实现的额外长度也是非常困难的，因为它们具有比所需的电缆的额外长度率(大约0.1％)更大的不准确率。
US2004108125(Thomassen)公开一种电缆系统和用于制造包含具有导体芯的电缆的电缆系统的方法以及用于在纵向可膨胀-可收缩的元件之上安装所述电缆系统的方法。该方法包括连续步骤如下：将二级元件设置在所述电缆之上以便给所述电缆充分附加的起伏从而形成附加长度，通过至少在两点处夹持来将所述电缆系统安装到所述纵向可膨胀-可收缩的元件上，在所述夹持之后，处理所述第二元件以便释放所述起伏的附加，从而将所述附加长度转变为将被使用的自由的超出(excess)长度。夹持之后产生的超出长度大概允许所述电缆能够在不增加张力的情况下应对所述可膨胀-可收缩元件的长度变动。
然而，US2004108125中的技术方案基于传统的电缆。此外，用于应对长度变动的技术方案在仅将电缆夹持到纵向可膨胀-可收缩元件之外还要求额外的步骤，从而使其过度复杂且昂贵。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地克服上述问题，并提供用于对海底管道直接电加热的改进的电缆。特定目的在于提供能经得起DEH背负应用所要求的实际应变的电缆。
根据以下描述将变得显而易见的这些目的以及其他目的通过根据随附独立权利要求的电缆、系统、使用和方法来实现。实施例在从属权利要求中阐明。
根据本发明的一方面，提供用于对海底管道直接电加热的电缆，该电缆包括：轴向柔软内芯；以及围绕所述芯的电导线。
内芯可由轴向柔软材料制成。轴向柔软材料可具有低弹性模数。例如，轴向柔软材料可具有小于10kN/mm2(GPa)的弹性模数，其中所有可能的范围组合都将是大致合适的、适宜的或想要的。
此外，电导线可以相对于电缆的中心纵向轴限定的捻角(lay angle)围绕该芯呈螺旋形地绞合(strand)。捻角可根据电缆的特定允许最大轴向应变而选择。例如，捻角可在25°与55°之间。
本发明通过引入如下的设计来降低电缆的轴向硬度：内芯可由轴向柔软的材料制成，并且此外外部电导线的捻角可被优化(增加的)。该设计将确保在安装期间不执行复杂且昂贵的减缓措施的情况下，管道的操作过程中的电缆中的应变是可接受的。从电的角度看，其将具有小的影响，因为电缆的最内部分由于趋肤效应而很难用于传导电流。从机械的角度看，用柔软材料代替传统DEH背负电缆的内部铜线将使整个电缆更柔软并且降低了电缆的轴向硬度，以便在外部电导线(通常为铜)被塑性变形之前允许更大的应变。此外，利用本发明，将不必安装相对于管道具有额外长度的电缆。这将使安装过程容易得多，并且其将去除安装的电缆是否具有足够的额外长度的不确定性。这还将导致增加整体DEH系统的安全性，因为消除了对于电缆额外长度的需求。此外，电缆重量可更小，因为内部铜线被通常比铜轻的轴向柔软材料取代。在制造、运输和安装期间对电缆的处理将因此容易得多。同样，电缆的成本将降低，因为DEH背负电缆的成本的大部分与铜的购买相关。
根据本发明的另一方面，提供用于对海底管道直接电加热的系统，该系统包括：根据以上描述的电缆；以及具有双导体供电电缆或者两个单导体供电电缆的电源，其中该电缆沿管道的至少一部分被设置并且被电连接到管道和供电电缆的一个导体上，以及其中，供电电缆的另一个导体被电连接到管道，以形成电路。该方面可展示与本发明之前描述的方面同样或类似的特征和技术效果。
本发明的又一方面涉及将根据以上描述的电缆用作海底油/气管道的直接电加热的背负电缆。该方面可展示与本发明之前描述的方面同样或类似的特征和技术效果。
根据本发明的再一方面，提供用于对海底油/气管道直接电加热的方法，该方法包括：沿所述管道的至少一部分设置根据任何以上描述的电缆；并在由所述电缆和管道形成的电路中或者包括所述电缆和管道的电路中供应电流。该方面可展示与本发明之前描述的方面同样或类似的特征和技术效果。
附图说明
现在将参考示出本发明的当前优选实施例的附图来更详细描述本发明的这些和其他方面。
图1示出根据本发明实施例的电缆的截面。
图2是图1中电缆的部分纵向截面图。
图3是根据本发明的用于对海底管道直接电加热的系统的示意性侧视图。
具体实施方式
在图1和图2中示出根据本发明的实施例的用于对海底管道直接电加热的电缆10。如从截面图中所见，电缆10包括内部(最内)的中间芯12。内芯12可在电缆10的整个长度上延伸。内芯12是轴向柔软的。也就是说，内芯12在电缆10的轴向或纵长方向是柔软的，以至于其可在电缆10的轴向或纵长方向上被延伸或收缩，如图2中的双箭头13所示。例如，内芯12由轴向柔软材料制成。内芯12的轴向柔软材料优选具有低弹性模数(弹性的模数/E-模数)。例如，内芯12的轴向柔软材料可具有小于10kN/mm2(＝10GPa(千兆帕))的弹性模数，其中对于小于10GPa的弹性模数的所有可能的范围组合都将是大致合适的、适宜的或想要的。相比之下，铜具有约为130GPa的弹性模数。例如，本电缆10中的内芯12可由具有弹性模数为0.1-1.5GPa(在室温下)的PE(聚乙烯)制成，或由具有弹性模数为1.2-2GPa(在室温下)的PP(聚丙烯)制成，然而也可使用其他合适的材料。此外，内芯12可以是导电的或非导电的。如果内芯12导电，则需要较小的铜截面。此外，轴向柔软材料芯12可由若干缠绕在一起的柔软元件构成。此外，内芯12可由在至少一个维度上本质是柔软的均质材料(例如像聚乙烯)制成，或者由其本身不一定柔软或不充分柔软但被构造或布置以致整体变得轴向柔软的材料制成。在后一种情况下，可使所有的层(包括内芯12)形成螺旋状，从而提供更柔软的电缆设计。该设计可以不具有直的中心线。
电缆10进一步包括围绕内芯12的电导线14。电导线14优选由铜制成。电导线14以相对于电缆10的中心纵长轴24限定的捻角α围绕芯12被螺旋形地绞合，如图2中所见。电线14的捻角的变化意味着电线的轴向应变的变化。一般而言，较大的捻角导致电线中的较小轴向应变。在总电缆轴向应变为0.15％的情况下，电线14的轴向应变在捻角为25度时为0.12％，在35度时其为0.1％，在45度时其为0.08％，以及在55度时其为0.05％。例如通过实施55度的捻角α，总电缆应变因而可以为0.25％并且仍处于铜的弹性区，因为所有层中由铜制成的电线14的应变将被限制为0.15％。因此，电缆10中的电线14的捻角α可根据电缆10的特定允许最大轴向应变(例如，0.15％)来选择。此外，对于电缆10而言，导致相同伸长的轴向张力将随着捻角α增加而降低。减小轴向张力对于电缆接头是有利的，因为它们容易受到机械应力的伤害。电缆10的最终设计因而可取决于若干因素，诸如安装深度(恢复和修理的情形)、管道生产流温度(管道膨胀)、管道的挖沟(没有屈曲)等。
从电导线14开始且向外，电缆10可进一步包括导体屏蔽(conductor screen)16、绝缘体18、绝缘屏蔽20、以及外护套22，如图1中所示。
图3示出系统26，其中本电缆10被背负在海底管道28上以用于对后者直接电加热。因此，可将电缆10表示为“直接电加热背负电缆”。
管道28用于传送如油和/或(天然)气的碳氢化合物。它通常被安装或铺设在海床上。此外，管道28通常由钢制成，因此其是导电的。
系统26进一步包括电源30。电源30可设置在最上面。如下面将说明的，从电源30开始，具有向下延伸到电缆10和管道28并连接到其上的双导体供电电缆32(或两个单导体供电电缆)。
电缆10的一端在点34a处被电连接到管道28的一端。电缆10的另一端在管道28另一端附近的点34b处被连接到供电电缆32的一个导体。在点34a和34b之间，电缆10被背负到管道28上。电缆10可如图3中所示基本沿着管道28的整个长度设置，或者备选地仅沿着管道的一部分设置。此外，电缆10被直接绑到管道28上或者位于绑在管道上的外部机械保护(未示出)内部。在也靠近管道28的该另一端的点34c处，供电电缆32的另一导体电连接到管道28上。因此，背负电缆10和供电电缆32的两根电缆与管道28一起形成电路。
一旦运转，就从电源32供应交流电并在管道中(且也在电缆中)生成热，热可防止管道28内部形成蜡和水合物。如果管道28膨胀，例如当通过它来传送热油时，将不会损坏本电缆10，即使在电缆不具有任何额外长度的情况下被绑到管道28上并且因此将被迫随管道一起膨胀时也是如此。这是因为如上文所论述的本电缆的创造性设计和结构。
本领域技术人员将认识到本发明完全受限于上面描述的实施例。相反，在随附权利要求的范围内，许多修改和变型都是可能的。

Claims (10)

1.一种用于对海底管道(28)直接电加热的电缆(10)，所述电缆包括：
轴向柔软内芯(12)；以及
围绕所述芯的电导线(14)。
2.如权利要求1所述的电缆，其中，所述内芯由轴向柔软材料制成。
3.如权利要求2所述的电缆，其中，所述轴向柔软材料具有低弹性模数。
4.如权利要求2或3所述的电缆，其中，所述轴向柔软材料具有小于10kN/mm2的弹性模数。
5.如前述权利要求中任一项所述的电缆，其中，所述电导线以相对于所述电缆的中心纵向轴限定的捻角被围绕所述芯螺旋形地绞合。
6.如权利要求5所述的电缆，其中，根据所述电缆的特定允许最大轴向应变来选择所述捻角。
7.如权利要求5或6所述的电缆，其中，所述捻角在25°与55°之间。
8.一种用于对海底管道(28)直接电加热的系统(26)，所述系统包括：
如前述权利要求中任一项所述的电缆(10)；以及
电源(30)，具有双导体供电电缆或两个单导体供电电缆(32)，
其中，所述电缆(10)沿着所述管道的至少一部分被设置并且被电连接到所述管道和所述供电电缆的一个导体，以及其中，所述供电电缆的另一个导体被电连接到所述管道，以形成电路。
9.如权利要求1-7中任一项所述的电缆(10)用作对海底油/气管道直接电加热的背负电缆。
10.一种用于对海底油/气管道直接电加热的方法，所述方法包括：
沿着所述管道的至少一部分来设置如权利要求1-7中任一项所述的电缆；以及
在由所述电缆和所述管道形成的电路中或者在包含所述电缆和所述管道的电路中供应电流。
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