CN110010287A - 深水传输用电线、深水传输用电力电缆以及向深水设备供电的方法 - Google Patents

深水传输用电线、深水传输用电力电缆以及向深水设备供电的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深水传输用导电线、一种深水传输用电力电缆以及一种向深水设备供电的方法。深水传输用导电线包括第一导电线部分和第二导电线部分。所述第一导电线部分构成所述导电线的一端，并且由第一金属形成。第二导电线部分由第二金属形成。第一金属的极限拉伸强度高于第二金属的极限拉伸强度。第一导电线部分用于支撑第二导电线部分的重量，由此使得导电线用于水下或海下电力电缆中，这些水下或海下电力电缆可自其源头起自由悬浮，从而向位于深水或超深水中的电力装置供电。

Description

深水传输用电线、深水传输用电力电缆以及向深水设备供电 的方法
本申请是申请日为2015年8月21日，发明名称为“深水传输用电线”的中国专利申请No.2015800535466的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年8月21日提交的美国临时专利申请序列号62/040,272的优先权。其全部内容以引用方式并入本文。
背景技术
本公开涉及导电线。该导电线尤其可用于长电力电缆，例如用于向深水设备供电的长电力电缆。
海底油气井可能位于超深水设备中(深度为1500米以上，～5000英尺)。向位于此深度的海底设备供电要求将极长的电力电缆由海面位置悬至位于海底的终端位置。电力电缆的固定于海面位置的末端承担了这些电力电缆的绝大部分的重量。电力电缆还固定至立于海底的提升管/脚手架，以承担电缆的重量。对这种脚手架的需求使油气井的构造变得复杂。此外，(例如)由于海浪和/或洋流的运动，电力电缆在其使用期间会经受大的拉力和动态运动。电缆还会暴露于扭转力，以将电缆扭曲。
电力电缆包括通常由铜构成的金属导线。这些铜导线的机械性能通常较差。具体而言，导线的末端通常不足以承担如此长的电力电缆中剩余电线的重量，从而会随着时间的延长由于各种与应力相关的现象导致故障发生。
人们期望研制出新型导电线，其具有改进的机械强度以及其他有利的性能。
发明内容
本公开涉及适用于海底长电力电缆中的导电线。该导电线由第一导电线部分和第二导电线部分制成。第一导电线部分位于导电线的一个末端，并且由极限拉伸强度高于第二导电线部分的极限拉伸强度的金属制成。预期的是，第一导电线部分(即，导电线的所述末端)位于电力电缆的固定于海面位置的末端，换言之，位于支撑其余导电线的重量的末端。如此可减少或消除对用于支撑电力电缆的重量的脚手架的需求。在更具体的实施方案中，第二导电线部分的导电率也高于第一导电部分的导电率。
本文的各实施方案中披露了用于深水传输的导电线，其具有焊接在一起的第一导电线部分和第二导电线部分；其中第一导电线部分由第一金属形成，其位于导电线的一个末端，并且长度为约100英尺以上；其中第二导电线部分由第二金属形成；并且其中第一金属的极限拉伸强度高于第二金属的极限拉伸强度。
第一金属的极限拉伸强度可为100ksi以上。第一金属可为铜-镍-铍合金。更具体而言，第一金属可含有约0.2重量％至约0.6重量％的铍、约1.4重量％至约2.2重量％的镍、以及余量的铜。
第二金属的极限拉伸强度为75ksi以下。第二金属可为至少99.9重量％的铜。
在一些实施方案中，第二金属的导电率高于第一金属的导电率。在具体实施方案中，第二金属的导电率为100％IACS以上，并且第一金属的导电率为80％IACS以下。
第一导电线部分的长度小于第二导电线部分的长度。在特定实施方案中，第二导电线部分的长度与第一导电线部分的长度之比为约10:1至约50:1。更具体而言，第一导电线部分的长度可为约100英尺至约500英尺，并且导电线的长度可为约2,000英尺以上。
导电线的直径可为约1毫米至约3毫米。
导电线还可包括位于导电线的另一端的第三导电线部分，该第三导电线部分由第一金属形成，并且被焊接至第二导电线部分，并且长度为约100英尺以上。
本文还披露了深水传输用电力电缆，其包括至少一个芯体；并且自该芯体向外包括：防水层；铠装层；以及聚合物外护套。各芯体包括：具有焊接在一起的第一导电线部分和第二导电线部分的导电线，其中该第一导电线部分由第一金属形成，位于导电线的一端，并且长度为约100英尺以上，其中第二导电线部分由第二金属形成，并且其中第一金属的极限拉伸强度高于第二金属的极限拉伸强度；内部半导体层；电绝缘层；以及外部半导体层。
在具体实施方案中，电力电缆具有一个至三个芯体。
此外，还披露了为深水设备供电的方法，包括：将电力电缆的第一末端与水上电源相连；将电力电缆的第二末端与深水设备相连；其中电力电缆包括具有焊接在一起的第一导电线部分和第二导电线部分的导电线；其中第一导电线部分由第一金属形成，其位于导电线的一个末端，并且长度为约100英尺以上；其中第二导电线部分由第二金属形成；并且其中第一金属的极限拉伸强度高于第二金属的极限拉伸强度；并且其中所述第一导电线部分位于电力电缆的第一末端。
深海设备可位于海底，并且为井液处理设备。在一些实施方案中，电源位于钻井平台(platform)或浮式生产储油卸油(FPSO)单元上。
下面将更具体地披露本公开的这些以及其他非限制性特征。
附图说明
以下为附图的简要说明，其用于示出本文所披露的示例性实施方案，而非用于对这些实施方案加以限制。
图1为具有单一导体芯体的电力电缆的分解透视图。
图2为具有三个导体芯体的电力电缆的截面图。
图3为向水下设备供电的系统的示意图。
图4为本公开的导电线的截面示意图。
图5为示出了适合用作所述导电线末端的第一金属的铜合金的导电率的图。导电率显示为温度(°F)的函数。具体数值表示为(°F，特定导电率)，这些具体数值为(75,188)；(125,176)；(250,160)；(300,146)；(450,125)；和(600,112)。
图6为示出了适合用作所述导电线末端的第一金属的铜合金的疲劳曲线的图。该图示出了周期应力大小与疲劳周期(cycles to failure)数之间的关系。具体数值表示为(周期，MPa)，这些数值为(106,475)；(107,350)；(108,325)；(109,300)；和(1010,270)。
具体实施方式
参照附图可更完整地理解本文所公开的部件、方法和装置。为了便于和易于说明本发明，这些附图仅是示意性表示，因此并非旨在表示所述设备或其部件的相对大小和尺寸，和/或限定或限制示例性实施方案的范围。
尽管为了清楚起见，在以下的描述中使用了特定术语，这些术语旨在仅指代被选择在附图中举例说明的实施方案的具体结构，并非旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中，应理解类似的数字标号指代的是具有类似功能的部件。
除非上下文中另有明确说明，否则单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。
本说明书和权利要求书中所用的用语“包括”可包括“由…构成”和“基本上由…构成”的实施方案。如本文中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能够”、“含有”及其变化形式旨在表示开放式的连接短语、术语或词语，其要求存在所提到的成分/步骤，并且允许存在其他成分/步骤。然而，这种描述应被解释为还描述了组合物或方法“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”的情况，其允许仅存在所指出的成分/步骤，以及任何可能由此产生的杂质，并排除了其他成分/步骤。
在本申请的说明书和权利要求书中的数值应被理解为：包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述类型的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。
本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中间值)。
由一个或多个术语(如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于指定的精确值。修饰语“约”还应被视为公开了由两个端值的绝对值所确定的范围。例如，“约2至约4”的表述还公开了范围“2至4”。
说明书和权利要求书中所使用的术语“金属”指的是相对纯净的元素金属(即，仅含有一种元素并含有杂质的金属)或由两种或多种元素形成的合金。
本公开涉及导电线、含有该导电线的电力电缆、以及通过使用该电力电缆向深水设备供电的方法。在该方面中，电力电缆可具有一个或多个导电芯体。
图1为本发明设计的单芯体电力电缆1的透视图，该电力电缆1由围绕芯体同轴包裹的若干层构成。电力电缆1包括由本公开的多根导电线构成的导体2。注意的是，导电线可以是直的，或者是以螺旋形式缠绕的。内部半导体层3包裹芯体2。导电线之间的任何间隙均可被阻水化合物填充。电力电缆的接下来的层为电绝缘层4和外部半导体层5。然后，防水层6提供了针对外部环境的非渗透性层。然后是铠装层7，其通常由一层或两层以螺旋方式缠绕的线制成。最后，聚合物护套8包裹了其他层。在单芯体电缆中，聚合物护套8还形成了电缆的其他层。
图2为本发明设计的三芯体电力电缆10的透视图。该电力电缆包括三个芯体15。每个芯体包括由多根导电线构成的导体2。每个芯体还被内部半导体层3、电绝缘层4、外部半导体层5、防水层6、金属屏蔽12和聚合物护套8以同轴方式包围。然后这三个独立的芯体15被以同轴方式围绕这三个芯体15的捆扎带20捆扎在一起。根据需要，纤维光缆25也可包括在该捆扎束中。可利用填料24来填充捆扎带层20内的任何剩余空间。可在捆扎带20周围设置另一防水层或护套层26。铠装层28包围防水层26(仅示出了由线构成的一层)，并且聚合物外护套30包裹其他层，从而形成三芯体电力电缆的外层。
半导体层3、5可由相同组成或不同组成制成。半导体层通常由聚合物和导电性填料的组合形成。导电性填料的非限制性实例包括炭黑、石墨、碳纳米管、掺杂的无机碳填料(例如，铝掺杂氧化锌)、本征导电聚合物的粉末、或其混合物。
电绝缘层4可为任何合适的聚合物，例如交联聚乙烯、乙烯-丙烯橡胶(EPR)、或聚氯乙烯(PVC)。铠装层7、28通常由两层以反向螺旋式缠绕的线形成。聚合物护套8、26、30可由任何合适的聚合物(例如，聚乙烯)形成。金属屏蔽12可为铜、铝或钢。这些方面通常是本领域已知的。
图3为示出了本公开的电力电缆101用于向深海设备130供电的示意图。电力电缆101的一端固定至位于水体表面112处的电源110。电源110可为钻井平台或浮式生产储油卸油(FPSO)单元。电力电缆101的另一端连接至静置于海底132的深海设备130。电力电缆101可任选地被一个或多个浮筒120支撑。在所示实施方案中，深海设备130为井液处理和/或回注设备。设备130位于用于从位于海底132之下的井中开采烃(例如，油和/或气)的通道140中。该装置130可用于改进从井中流出的产液。例如，该装置可安全地分离不需要的固体、水或烃相，然后将所需产物送至海面。这种改进可节约成本并降低对人和环境造成伤害的风险。电力电缆优选未被任何脚手架支撑，并且可描述为是自由悬浮的。
图4为根据本公开的导电线200的示意图，该附图并未按照比例绘制。导电线包括第一导电线部分210、第二导电线部分220、以及可任选的第三导电线部分230。第一导电线部分位于导电线的一个末端202，并且第三导电线部分位于导电线的另一末端204，当存在第三导电线部分时，第一导电线部分和第三导电线部分通常是相同的。换言之，第二导电线部分220位于第一导电线部分210和第三导电线部分230之间。第一导电线部分210和第二导电线部分220在接头207(例如，焊接头)处冶金连接，并且第三导电线部分230和第二导电线部分220在另一接头209处冶金连接。导电线的直径205为约1毫米至约3毫米。
同样的，一个主要问题是导电线的绝大部分重量被导电线(以及电缆)中固定于海面处的电源的末端承担。在本公开中，第一导电线部分210和/或第三导电线部分旨在对应于导电线中承担导电线重量的末端，导电线主要由第二导电线部分220构成。这是通过将第一金属用于第一导电线部分和/或第三导电线部分，并将第二金属用于第二导电线部分而实现的。第一金属的极限拉伸强度高于第二金属的极限拉伸强度。第一金属和第二金属均设计为包含铜。
第一导电线部分210的最小长度215为约100英尺以上。要记住的是，导电线(以及电力电缆)的长度计划达到5000英尺以上的深度，如果需要第一导电线部分也可具有更大的长度。第一导电线部分的长度可为约500英尺、或约1000英尺、或约2000英尺、或约一百(100)英尺至约两千(2000)英尺。第一导电线部分的长度215小于第二导电线部分的长度225。更具体而言，第二导电线部分为全部导电线长度的至少50％，并且通常更长。在特定实施方案中，第二导电线部分的长度与第一导电线部分的长度之比可为约5:1至约50:1，或约10:1至约20:1。在特定实施方案中，第一导电线部分的长度为约100英尺至约500英尺，导电线的长度为约2,000英尺以上。
使用第一金属来形成第一导电线部分和/或第三导电线部分。在特定实施方案中，第一金属为铜-镍-铍合金。铜-镍-铍合金可含有约0.1重量％(wt％)至约1重量％的铍。在一些实施方案中，铍含量为约0.2重量％至约0.6重量％。铜-镍-铍合金可含有约1重量％至约3重量％的镍。在一些实施方案中，镍含量为约1.4重量％至约2.2重量％。在具体实施方案中，第一金属包含约0.2重量％至约0.6重量％的铍、约1.4重量％至约2.2重量％的镍、以及余量的铜。
铜-镍-铍合金可为Alloy 3 UNS Number C17510(由Materion Corporation购得)。C17510含有约0.2重量％至约0.6重量％的铍、约1.4重量％至约2.2重量％的镍、以及余量的铜。下表列出了C17510的所选物理性质。
C17510的所选性质
弹性模量 20x 10<sup>6</sup>psi(138GPa)
密度 0.319lb/in<sup>3</sup>(8.83g/cm<sup>3</sup>)
泊松比 0.3
相对磁导率 <1.01
导电率 45％-60％IACS(26.2-34.9MS/m)
70°F/20℃下的导热率 140BTU/ft-hr-°F(240W/m-K)
热膨胀系数 9.8ppm/°F(17.6ppm/℃)
70°F/20℃下的比热(热容量) 0.08BTU/lb-°F(335J/kg K)
200°F/100℃下的比热(热容量) 0.091BTU/lb-°F(381J/kg K)
熔程 1,900°F-1,980°F(1,040℃-1,080℃)
第一金属的极限拉伸强度为100ksi以上。铜-镍-铍合金可经过时效硬化以获得这些性质。时效硬化为对合金的热处理，其为金属的受控加热和冷却工艺，以改变物理和机械性质，而不会改变产品形状。热处理会伴随着材料强度的提高，但是热处理也可用于改变某些可制造性目标，例如改善加工、改善可成型性，或在冷加工操作后恢复延展性。将合金置于常规炉内或其他类似组件中，然后将其暴露于约900°F至约950°F的高温下达约2小时至约3小时。需要注意的是，这些温度指的是合金所暴露的气氛的温度，或者炉子的设定温度；合金本身并不一定达到该温度。
在时效硬化之后，铜-镍-铍合金的0.2％补偿屈服强度为约80ksi至约125ksi，其极限拉伸强度为约100ksi至约140ksi。
第二金属用于形成第二导电线部分。第二金属可为相对纯的铜，在特定实施方案中，第二金属含有至少99.9重量％的铜。第二金属可为无氧铜或电解韧铜。一般来说，与电解韧铜相比，无氧铜由于含有更少的溶解氧，因此具有更好的拉拔性(drawing)和抗氢脆性。第二金属中的剩余部分可为(例如)银、镍和/或锡，或其他杂质。
在一些实施方案中，第二金属为C102铜合金。C102可具有下表中所示的性质。
C102的所选性质
导电率 101％IACS@68°F
电阻率 1.71microΩ-cm@68°F
熔点 1981°F
密度 0.323lbs/in<sup>3</sup>(8.92g/cm<sup>3</sup>)
热膨胀系数 9.8ppm/°F
C102铜合金的0.2％补偿屈服强度为约45ksi至约60ksi，其极限拉伸强度为约25ksi至约75ksi。在一些实施方案中，第二金属的极限拉伸强度为75ksi以下。
在一些实施方案中，第二金属为C110铜合金。C110可具有下表中所示出的性质。
C110的所选性质
密度 0.322lb/in<sup>3</sup>@68°F(8.92g/cm<sup>3</sup>)
导热率 390W/m-K
电阻率 1.71microΩ-cm
导电率(退火后) 101％IACS(0.586megamho/cm)
弹性模量 17,000,000psi(117kN/mm<sup>2</sup>)
热膨胀系数 9.8ppm/°F(17.64ppm/℃)
C110铜合金的0.2％补偿屈服强度为约45ksi至约60ksi，其极限拉伸强度为约25ksi至约75ksi。
在特定实施方案中，第二导电线部分的导电率高于第一导电线部分的导电率。更具体而言，第二金属的导电率可为100％IACS以上，并且第一金属的导电率可为80％IACS以下。IACS指的是国际退火铜标准(International Annealed Copper Standard)。100％IACS是指20℃下的导电率为58,001,000西门子/米(S/m)。
第一导电线部分、第二导电线部分和第三导电线部分可通过焊接从而冶金连接在一起。在将不同的导电线部分/区段焊接在一起之后，可将其视为一根导电线从而进行卷绕和拉拔至一定尺寸。
图5为示出经过时效硬化的C17510(用于第一导电线部分中的第一金属)的比导电率的图。y轴的单位为％IACS-in3/lb，x轴的单位为华氏度。由该图可看出，比导电率随着温度的降低而升高。可注意到，由于功能电阻的加热，第一导电线部分的温度高于电缆所浸没于其中的水的温度。需要注意的是，这些数值需要乘以密度从而获得导电率。
图6为经过时效硬化的C17510(用于第一导电线部分中的第一金属)在室温下的疲劳曲线。该曲线图可视为提供了针对给定施加应力的疲劳周期数。
应该理解的是，上述公开的变化形式和其他特征和功能或其替代方式，可以组合成许多其他不同的系统或应用。本领域技术人员后续可作出各种目前未预见或未预期的替代方式、修改、变化形式或改进，这也旨在由所附权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种深水传输用导电线，其具有焊接在一起的第一导电线部分和第二导电线部分；
其中所述第一导电线部分由第一金属形成，并且该第一导电线部分位于所述导电线的一个末端；
其中所述第二导电线部分由第二金属形成；
其中所述第一金属的极限拉伸强度高于所述第二金属的极限拉伸强度，并且
其中所述第一导电线部分的长度小于所述第二导电线部分的长度。
2.权利要求1所述的导电线，其中所述第一金属的极限拉伸强度为100ksi以上。
3.权利要求1所述的导电线，其中所述第一金属为铜-镍-铍合金。
4.权利要求3所述的导电线，其中所述第一金属含有0.2重量％至0.6重量％的铍，1.4重量％至2.2重量％的镍，余量为铜。
5.权利要求1所述的导电线，其中所述第二金属的极限拉伸强度为75ksi以下。
6.权利要求1所述的导电线，其中所述第二金属为至少99.9重量％的铜。
7.权利要求1所述的导电线，其中所述第二金属的导电率高于所述第一金属的导电率。
8.权利要求1所述的导电线，其中所述第二金属的导电率为100％IACS以上，并且所述第一金属的导电率为80％IACS以下。
9.权利要求1所述的导电线，其中所述第二导电线部分的长度与所述第一导电线部分的长度之比为10:1至50:1。
10.权利要求1所述的导电线，其中所述第一导电线部分的长度为100英尺至500英尺，并且所述导电线的长度为2,000英尺以上。
11.权利要求1所述的导电线，其直径为1毫米至3毫米。
12.权利要求1所述的导电线，还包括位于所述导电线的另一末端的第三导电线部分，该第三导电线部分由所述第一金属形成，并且被焊接至所述第二导电线部分。
13.一种深水传输用电力电缆，包括：
至少一个芯体，每个芯体包括：
具有焊接在一起的第一导电线部分和第二导电线部分的导电线，其中所述第一导电线部分由第一金属形成，该第一导电线部分位于所述导电线的一个末端，其中所述第二导电线部分由第二金属形成，并且其中所述第一金属的极限拉伸强度高于所述第二金属的极限拉伸强度，所述第一导电线部分的长度小于所述第二导电线部分的长度；
内部半导体层；
电绝缘层；和
外部半导体层；以及
所述芯体的外部有：
防水层；
铠装层；和
聚合物外护套。
14.权利要求13所述的电力电缆，其中所述电力电缆具有三个芯体。
15.权利要求13所述的电力电缆，其中所述第一金属的极限拉伸强度为100ksi以上，并且其中所述第二金属的极限拉伸强度为65ksi以下。
16.权利要求13所述的电力电缆，其中所述第一金属为铜-镍-铍合金，该铜-镍-铍合金含有0.2重量％至0.6重量％的铍，1.4重量％至2.2重量％的镍，余量为铜。
17.权利要求13所述的电力电缆，其中所述第二金属为至少99.9重量％的铜。
18.权利要求13所述的电力电缆，其中所述第二金属的导电率为100％IACS以上，并且所述第一金属的导电率为80％IACS以下。
19.一种向深水设备供电的方法，包括：
将电力电缆的第一末端连接至水上电源；以及
将所述电力电缆的第二末端连接至深水设备；
其中所述电力电缆包括具有焊接在一起的第一导电线部分和第二导电线部分的导电线，其中所述第一导电线部分由第一金属形成，并且该第一导电线部分位于所述导电线的一个末端，其中所述第二导电线部分由第二金属形成，并且其中所述第一金属的极限拉伸强度高于所述第二金属的极限拉伸强度；并且
其中所述第一导电线部分位于所述电力电缆的所述第一末端并且其中所述第一导电线部分的长度小于所述第二导电线部分的长度。
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