CN114914017A - 海底电缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底电缆。海底电缆包括：缆芯本体；铠装结构，包覆在缆芯本体的外周；其中，铠装结构包括铠装层，铠装层包括芯体结构和基体结构，基体结构包覆在芯体结构的外侧。本发明的技术方案中，该海底电缆的基体结构能够对芯体结构进行防护，从而提高海底电缆的稳定性，满足实际应用需求。

Description

海底电缆

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，具体而言，涉及一种海底电缆。

背景技术

随着浮式风电、深海油气、深海采矿以及深渊探测等技术走向深远海领域，对海底电缆的稳定性要求日益严苛。

海底电缆的自身重力和在水中受的拖拽力随水深的加大而加大，海底电缆端部载荷集中，一旦海底电缆的端部或护套破裂，海水会迅速填充铠装钢丝之间的缝隙。

由于目前大多电缆的铠装钢丝的外部未设置保护结构，因此，当海水填充铠装钢丝之间的缝隙后，容易直接对铠装钢丝造成损坏，影响海底电缆的稳定性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种海底电缆，该海底电缆的基体结构能够对芯体结构进行防护，从而提高海底电缆的稳定性，满足实际应用需求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种海底电缆，包括：缆芯本体；铠装结构，包覆在缆芯本体的外周；其中，铠装结构包括铠装层，铠装层包括芯体结构和基体结构，基体结构包覆在芯体结构的外侧。

进一步地，基体结构为沿缆芯本体的周向设置的一体式结构。

进一步地，基体结构包括多个基体单元，多个基体单元熔融粘接为一体。

进一步地，基体单元的数量为n，其中，n满足如下关系：n＝(2r+t)*π/d，其中，r为缆芯本体的半径，t为铠装层沿海底电缆的径向的厚度，d为铠装层的周向尺寸，n取整数；和/或，40≤n≤45。

进一步地，基体单元的横截面呈矩形或扇形；和/或，同一基体结构的相邻两个基体单元之间的距离小于1mm。

进一步地，芯体结构包括多个芯体单元，多个芯体单元并排布置并缠绕在缆芯本体的外侧；和/或，铠装结构包括至少两层铠装层，相邻两层铠装层的芯体结构沿相反方向缠绕在缆芯本体的外周。

进一步地，基体结构包括多个基体单元，芯体结构包括多个芯体单元，各基体单元均对应包覆在至少一个芯体单元的外侧，相邻两个基体单元之间熔融粘接。

进一步地，芯体单元由金属或非金属材料制成。

进一步地，海底电缆还包括绕包带，绕包带包覆在缆芯本体的外周，自缆芯本体的中心向外侧，绕包带和铠装结构依次设置；绕包带的外表面上设有防滑凸起。

进一步地，海底电缆还包括：内护套，包覆在缆芯本体的外周，自缆芯本体的中心向外侧，内护套和铠装结构依次设置；内护套由聚氨酯或超高分子量聚乙烯材料制成；和/或，外护套，外护套位于铠装结构的外侧，外护套由聚氨酯或超高分子量聚乙烯材料制成。

应用本发明的技术方案，铠装结构包覆在缆芯本体的外周，用于对缆芯本体进行防护。具体地，芯体结构用于保护缆芯本体，基体结构包覆在芯体结构的外侧，能够对芯体结构进行防护，防止芯体结构磨损或受海水侵蚀，从而提高海底电缆的稳定性，满足实际应用需求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的海底电缆的实施例的结构示意图；

图2示出了图1的海底电缆的A处的放大图；以及

图3示出了图1的海底电缆的部分剖视图(其中，示出了基体单元未熔融粘接时的状态)；

图4示出了图3的海底电缆的铠装结构的效果图(其中，示出了多个基体单元熔融粘接形成基体结构后的状态)。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、缆芯本体；11、光缆芯；12、电缆芯；13、填充条；20、铠装结构；21、铠装层；211、芯体结构；212、基体结构；213、基体单元；214、芯体单元；30、绕包带；40、内护套；50、外护套。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

近年来，浮式风电、深海油气、深海采矿以及深渊探测等技术逐渐走向深远海领域。

1、浮式风电技术

水深超过50m的海域蕴藏的风能储量超过1268GW，占整个海上风能的60％以上，在这些海域安装固定桩风机难以实现。为满足沿海经济发达地区对清洁能源的巨大需求，漂浮式风电成为未来风电开发的最佳途径。在一些海域，大陆坡急剧延伸至深海，为了获取更佳风资源，动态海缆使用深度往往达到1000m，同时为了实现大容量传输，动态海缆的单位重量和尺寸越来越庞大。

2、深海采矿技术

海洋约占地球表面的71％，蕴藏了丰富的油气、天然气水合物和固体矿物等能源资源，是人类重要的能源保障基地和战略活动空间，丰富的矿产资源往往位于水下5000m位置。水下钻采设备电力消耗，需要从母船甲板通过满足水深长度的海缆往下输送，海缆和附件面临大水深挤压作用，容易造成透水失效事故。

3、深渊探测技术

海洋6500m以深的海域被称为深渊，深渊区是人类在地球上最后尚未开发的区域之一。海洋科考通常采用收卷绞车和金属铠装缆，携带水下潜器和探测装备进行该区域的环境探测和资源样本采集。金属铠装缆不仅要承受自身大长度重量，也受到来自水下潜器的拖曳力作用，水深越大，铠装层受力越大，逐渐达到钢丝承载极限；同时铠装层的腐蚀失效会加剧深渊探测失效风险。

也就是说，目前广泛使用的金属铠装缆面临以下技术难题，制约了其向大水深、高传输容量等使用环境的应用。

1、随着水深加大，铠装钢丝自身重量和水中拖曳力加大，铠装缆端部载荷集中，锚固位置铠装强度往往是本体强度的90％左右，水深超过4000m，金属铠装层失效风险加剧。

2、金属铠装在动态环境载荷作用下存在反复拉伸、弯曲作用，金属钢丝之间存在反复滑移磨损现象；钢丝强度下降，同时由于镀锌层被磨损，钢丝极易发生腐蚀，加速承载力失效。

3、动态海缆铠装层为增强结构，受制于钢丝的特定形状和加工工艺，钢丝之间存在大量缝隙，一旦动态缆端部失效或护套破裂，海水会迅速填充钢丝缝隙，增加缆的重量，影响动态海缆水中线型，并且海水作为电解质，会加速铠装腐蚀。

连接浮式结构物和水下设备的动态海底电缆面临自身重力作用、大水压环向挤压，以及在反复环境载荷作用下的金属铠装失效等问题。

因此，随着浮式风电、深海油气、深海采矿以及深渊探测等技术走向深远海领域，对海底电缆的稳定性要求日益严苛。但是，由于目前大多电缆的铠装钢丝的外部未设置保护结构，因此，当海水填充铠装钢丝之间的缝隙后，容易直接对铠装钢丝造成损坏，影响海底电缆的稳定性。

如图1至图4所示，本发明的实施例中，海底电缆包括缆芯本体10和铠装结构20，铠装结构20包覆在缆芯本体10的外周；其中，铠装结构20包括铠装层21，铠装层21包括芯体结构211和基体结构212，基体结构212包覆在芯体结构211的外侧。

上述设置中，缆芯本体10用于电力和信息传输。铠装结构20包覆在缆芯本体10的外周，用于对缆芯本体10进行轴向拉伸、径向挤压和密封防水保护。具体地，芯体结构211用于保护缆芯本体10，基体结构212包覆在芯体结构211的外侧，能够对芯体结构211进行防护，防止芯体结构211磨损或受海水侵蚀，从而提高海底电缆的稳定性，满足实际应用需求。

本发明的实施例中，铠装结构20为偶数多层结构，通过各层铠装层21异向绞合方式包覆在缆芯本体10的外周，对缆芯本体10进行轴向拉伸、径向挤压和密封防水保护。

如图1和图2所示，本发明的实施例中，基体结构212为沿缆芯本体10的周向设置的一体式结构。

通过上述设置，基体结构212不仅能够沿缆芯本体10的周向对芯体结构211进行防护，还能够起到径向防水的作用。

本发明的实施例中，基体结构212和芯体结构211均预先生产。

如图3和图4所示，本发明的实施例中，基体结构212包括多个基体单元213，多个基体单元213熔融粘接为一体。

上述设置中，多个基体单元213熔融进行彼此粘接，将彼此间缝隙填充满，并能够填充芯体结构211的缝隙，这样不仅能够防止海水填充至芯体结构211的缝隙内，还能够充分包覆芯体结构211，起到保护芯体结构211的作用。

本发明的实施例中，可通过烘箱加热，使多个基体单元213形成熔融状态，进行彼此粘接，将彼此间缝隙填充满，能够起到径向防水的作用。

本发明的实施例中，基体单元213由聚乙烯材料制成。多个基体单元213熔融粘接形成基体结构212。

当然，在本申请的替代实施例中，还可以根据实际需要，使基体结构212为注塑一体式结构。

如图1至图4所示，本发明的实施例中，芯体结构211包括多个芯体单元214，多个芯体单元214并排布置缠绕在缆芯本体10的外侧。

上述设置中，多个芯体单元214并排缠绕在缆芯本体10的外侧，起到保护缆芯本体10的作用。

本发明的实施例中，多个芯体单元214并排布置，通过模具，模具内挤出形成基体单元213的材料，使之形成包括增强芯和护套结构的复合体，复合体通过螺旋绞合，缠绕在缆芯本体10的外侧。

当然，在本申请的替代实施例中，还可以根据实际需要，使芯体结构211仅包括一个芯体单元214，该芯体单元214缠绕在缆芯本体10的外侧。

优选地，芯体单元214由金属或非金属材料制成。

本发明的实施例中，芯体单元214由芳纶制成。这样设置，能够降低海缆整体结构重量，降低端部承载力。当然，在本申请的替代实施例中，还可以根据实际需要，使芯体单元214由钢丝等金属材料制成。

如图1至图3所示，本发明的实施例中，基体结构212包括多个基体单元213，芯体结构211包括多个芯体单元214，各基体单元213均对应包覆在至少一个芯体单元214的外侧，相邻两个基体单元213之间熔融粘接。

在加热后，相邻两个基体单元213之间完成熔融粘接，多个基体单元213熔融粘接形成一个圆环状整体结构，该圆环状整体结构即为基体结构212。

本发明的实施例中，基体单元213的数量为n(n的单位为个)，其中，n满足如下关系：n＝(2r+t)*π/d，其中，r为缆芯本体10的半径，t为铠装层21沿海底电缆的径向的厚度，d为铠装层21的周向尺寸，n取整数。

通过上述公式，能够确定基体单元213的数量，多个基体单元213熔融粘结形成护套，使铠装结构20能够包覆在缆芯本体10的外周，对缆芯本体10进行轴向拉伸、径向挤压和密封防水保护。

本发明的实施例中，40≤n≤45。

上述设置中，如果n小于40，则容易导致海底电缆的轴向拉伸、径向挤压的防护效果较差；如果n大于45，则海底电缆加工成本和加工难度增加，并且会导致环向铠装丝受力不均匀；通过将n设置在40至45之间，既可以提高铠装结构20对缆芯本体10进行轴向拉伸、径向挤压和密封防水保护的效果，又能够降低海底电缆的加工成本和加工难度。

本发明的实施例中，同一基体结构212的相邻两个基体单元213之间的距离小于1mm。这样设置，在加热时，便于相邻两个基体单元213之间彼此粘接，将彼此间缝隙填充满，从而起到径向防水的作用。

本发明的实施例中，芯体单元214采用非金属铠装芯结构，同时结合基体单元213采用聚乙烯基体，使海底电缆在生产过程中，实现基体单元的熔融粘接，提升铠装层的稳定性，同时提升径向抗水压和铠装层阻水性能。

本发明的实施例中，外部包覆聚乙烯基体的非金属增强铠装芯体单元214，螺旋紧密缠绕在缆芯本体10的外周，经过生产线上热烘箱后，聚乙烯基体熔融粘接形成防水增强层，同时非金属铠装丝相对固定，在缆本体反复拉伸-弯折后，铠装丝不出现摩擦损伤，能够很好的保护芯体单元。

本发明的实施例中，采用具有增强扁带纤维芯、聚乙烯矩形基体结构的非金属铠装层，降低了海缆整体结构重量，降低了端部承载力。

本发明的实施例中，芯体结构211为加捻成股的芳纶丝。非金属铠装层内，芯体结构211的体积占到整个铠装层21体积的60％-80％。

如图3所示，本发明的实施例中，基体单元213的横截面呈矩形或扇形。

通过上述设置，当多个芯体单元214绞合成型后，多个基体单元213之间能够紧密接触无缝隙，使铠装层21致密，提升了径向抗水压和铠装层阻水性能。

本发明的实施例中，铠装层21为非金属铠装单元，芯体单元214为加捻铠装丝，根据电缆缆芯或者根据内护套尺寸，选择合适数量的芯体单元214，多股加捻铠装丝并行排布，可在加捻铠装丝的外层挤出截面呈矩形或扇形的聚乙烯基体，这样，绞合成型后，聚乙烯基体能够填满加捻铠装丝之间的缝隙，各铠装单元紧密接触无缝隙。

如图3和图4所示，本发明的实施例中，铠装结构20包括至少两层铠装层21，相邻两层铠装层21的芯体结构211沿相反方向缠绕在缆芯本体10的外周。

本发明的实施例中，铠装层21的层数为偶数层，偶数层铠装层21异向螺旋缠绕，满足扭矩平衡设计，在拉伸过程中，各层铠装丝均匀受力，提升整体结构强度。

本发明的实施例中，基体单元213的横截面呈矩形或扇形，这样设置，能够保证多层非金属铠装层异向绞合成缆后，铠装层致密，相邻单元无缝隙。

优选地，铠装层21的层数为双层或四层。

本发明的实施例中，芯体单元214由芳纶制成，基体单元213由聚乙烯材料制成，多层异向绞合并紧密接触的铠装层21在通过热烘箱后，聚乙烯基体熔融粘接形成一体式护套结构，能够提升纵向阻水和抗侧压能力，该护套结构内各股非金属铠装丝的相对位置固定，在拉弯作用下不发生摩擦损伤现象。

本发明的实施例中，铠装层21包含高强度芳纶和高强度聚乙烯基体。铠装丝多层异向绞合后，形成致密实体，提升动态海缆整体轴向抗拉承载能力，径向抗水压能力，并能明显降低水中重量，满足大水深使用要求。多层异向绞合非金属铠装层满足扭矩平衡设计要求。在轴向拉伸过程中，各层受力变形一致，提升抗拉强度。

本发明的实施例中，铠装层21为非金属铠装层，包括聚乙烯基体和增强芯组成，增强芯由多股加捻芳纶丝并排组成。芳纶丝穿过聚乙烯挤塑机后，外围形成截面为扇形或矩形的护套层。通过设备进行收卷，收卷完成后作为非金属铠装层绞合单元，包覆在缆芯本体10的外周。

如图1和图3所示，本发明的实施例中，海底电缆还包括绕包带30，绕包带30包覆在缆芯本体10的外周，自缆芯本体10的中心向外侧，绕包带30和铠装结构20依次设置；绕包带30的外表面上设有防滑凸起。

如图1至图3所示，本发明的实施例中，海底电缆还包括内护套40，内护套40包覆在缆芯本体10的外周，自缆芯本体10的中心向外侧，内护套40和铠装结构20依次设置；内护套40由聚氨酯或超高分子量聚乙烯材料制成。

需要说明的是，本发明的实施例中，超高分子量聚乙烯(ultra-high molecularweight polyethylene，简称UHMWPE)，是分子量150万以上的无支链的线性聚乙烯。超高分子量聚乙烯是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料。

如图1和图3所示，本发明的实施例中，自缆芯本体10的中心向外侧，绕包带30、内护套40和铠装结构20依次设置。

本发明的实施例中，当动态海缆的电缆芯和光缆芯成缆完毕后，通过将绕包带30螺旋绕包，包覆在缆芯本体10的外周，防滑凸起的作用是增加绕包带30和内护套40之间摩擦力。

如图1至图3所示，本发明的实施例中，海底电缆还包括外护套50，外护套50位于铠装结构20的外侧，外护套50由聚氨酯或超高分子量聚乙烯材料制成。

本发明的实施例中，海缆内护套、铠装层和外护套能够形成致密实体，可提供大水深抗挤压强度，满足密封要求。本发明采用锥形嵌套密封方式，可实现动态缆端头整体加固密封。铠装结构20的内外层均绕包一层垫层，满足内外护套可剥离要求，以便锥形金属嵌套卡住铠装层，满足锚固快速固定要求。

本发明的实施例中，根据水深使用要求，海底电缆的内外护套层材料可选择聚氨酯材料或超高分子量聚乙烯材料。

本发明的实施例中，绕包带30外层挤出超高分子量聚乙烯护套层或聚氨酯护套层作为内护套40，根据使用要求，当动态海缆需要增加弯曲刚度时，可挤出超高分子量聚乙烯护套层。当要增加大水深阻水性能时，可挤出聚氨酯护套层。

本发明的实施例中，待铠装结构成型后，挤出外护层结构作为外护套50，根据动态缆柔韧性和水密性使用要求，外护层挤出超高分子量聚乙烯或聚氨酯材料。

如图1和图3所示，本发明的实施例中，缆芯本体10包括光缆芯11、电缆芯12和填充条13。光缆芯11、电缆芯12和填充条13间隔设置。

本发明的实施例中，缆芯本体10可为多股多层电缆光缆单元，或水下生产系统用光电液复合脐带缆单元。

本发明的实施例中，海底电缆具有以下优点：

1、能够满足300m以深，12MW以上大功率浮式风机动态海缆使用要求，动态海缆具有较好的柔韧性，满足浮式风机大范围偏移和台风作用下剧烈晃动，并保障电力和通讯传输。

2、能够满足5000m以深水下矿物开采，动态海缆自身结构较轻，抗外压能力强，可绑在，也可以悬挂在浮体上，对水下开挖设备进行动力、照明、信号稳定传输，满足开采要求。

3、可配合收卷绞车进行大水深，远距离水下环境探测，满足反复收卷要求，不易磨损外护层。

4、能够满足快速抢修需求。

本发明的实施例中，海底电缆的应用领域包括：

1、海上漂浮式风力发电机、波浪发电机、温差能发电机。

2、超深水油气开发。

3、大洋深渊探测。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：铠装结构包覆在缆芯本体的外周，用于对缆芯本体进行防护。具体地，芯体结构用于保护缆芯本体，基体结构包覆在芯体结构的外侧，能够对芯体结构进行防护，防止芯体结构磨损或受海水侵蚀，从而提高海底电缆的稳定性，满足实际应用需求。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海底电缆，其特征在于，包括：

缆芯本体(10)；

铠装结构(20)，包覆在所述缆芯本体(10)的外周；

其中，所述铠装结构(20)包括铠装层(21)，所述铠装层(21)包括芯体结构(211)和基体结构(212)，所述基体结构(212)包覆在所述芯体结构(211)的外侧。

2.根据权利要求1所述的海底电缆，其特征在于，所述基体结构(212)为沿所述缆芯本体(10)的周向设置的一体式结构。

3.根据权利要求1所述的海底电缆，其特征在于，所述基体结构(212)包括多个基体单元(213)，多个所述基体单元(213)熔融粘接为一体。

4.根据权利要求3所述的海底电缆，其特征在于，所述基体单元(213)的数量为n，其中，n满足如下关系：

n＝(2r+t)*π/d，其中，r为所述缆芯本体(10)的半径，t为所述铠装层(21)沿海底电缆的径向的厚度，d为所述铠装层(21)的周向尺寸，n取整数；和/或，

40≤n≤45。

5.根据权利要求3所述的海底电缆，其特征在于，

所述基体单元(213)的横截面呈矩形或扇形；和/或，

同一所述基体结构(212)的相邻两个所述基体单元(213)之间的距离小于1mm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的海底电缆，其特征在于，

所述芯体结构(211)包括多个芯体单元(214)，多个所述芯体单元(214)并排布置并缠绕在所述缆芯本体(10)的外侧；和/或，

所述铠装结构(20)包括至少两层所述铠装层(21)，相邻两层所述铠装层(21)的芯体结构(211)沿相反方向缠绕在所述缆芯本体(10)的外周。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的海底电缆，其特征在于，所述基体结构(212)包括多个基体单元(213)，所述芯体结构(211)包括多个芯体单元(214)，各所述基体单元(213)均对应包覆在至少一个所述芯体单元(214)的外侧，相邻两个所述基体单元(213)之间熔融粘接。

8.根据权利要求7所述的海底电缆，其特征在于，所述芯体单元(214)由金属或非金属材料制成。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的海底电缆，其特征在于，所述海底电缆还包括绕包带(30)，所述绕包带(30)包覆在所述缆芯本体(10)的外周，自所述缆芯本体(10)的中心向外侧，所述绕包带(30)和所述铠装结构(20)依次设置；所述绕包带(30)的外表面上设有防滑凸起。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的海底电缆，其特征在于，所述海底电缆还包括：

内护套(40)，包覆在所述缆芯本体(10)的外周，自所述缆芯本体(10)的中心向外侧，所述内护套(40)和所述铠装结构(20)依次设置；所述内护套(40)由聚氨酯或超高分子量聚乙烯材料制成；和/或，

外护套(50)，所述外护套(50)位于所述铠装结构(20)的外侧，所述外护套(50)由聚氨酯或超高分子量聚乙烯材料制成。

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