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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Flachkabel, dessen Adern auf Abstand gehalten gemeinsam von einer äußeren druckfesten Ummantelung umgeben sind, wobei zwischen den Adern druckfeste und steife Stützteile angeordnet sind, die eine Vielzahl von normal zur Ebene der Adern in Abstand voneinander angeordnete Schlitze aufweisen.
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Elektrische Kabel, die bei Ölbohrstellen verwendet werden, müssen so ausgelegt sein, daß sie bei extrem widriger Hitzebelastung und mechanischer Beanspruchung zufriedenstellend arbeiten. Die Umgebungstemperaturen an den Ölbohrstellen sind oft sehr hoch, und wobei sich die I2R Verluste des Kabels zusätzlich zur herrschenden Umgebungstemperatur hinzuaddieren. Es ist bekannt, daß die Lebensdauer eines Kabels umgekehrt proportional ist zur Temperatur, in welcher es betrieben wird. Daher ist es wichtig, die Hitze während des Betriebs von dem Kabel abzuführen oder fernzuhalten.
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Des weiteren sind die Kabel in verschiedener Weise mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Es ist allgemein üblich, Kabel an Ölpumpenrohre, die in ein Ölbohrloch hineingelassen werden, unter Verwendung von Bändern zu befestigen, welche das Kabel zusammendrücken können und es in der Tat auch tun, wobei die Wirksamkeit der Kabelisolation und der Festigkeit erheblich herabgesetzt wird. Darüber hinaus sind die Kabel während des Gebrauchs axialen Zugspannungen und seitlichen Schlägen ausgesetzt.
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Es ist bekannt, derartige Kabel mit einer äußeren Metallarmierung zu versehen und die einzelnen Leiter mit ausgewählten Materiallagen einzuwickeln, um die Isolierungs- und Festigkeitscharakteristika des Kabels zu erhöhen, jedoch sind derartige Maßnahmen ungeeignet, um den notwendigen Schutz herbeizuführen.
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Ein zusätzliches Problem ergibt sich aus den Bohrlochdrücken, welche im Bereich von mehreren hundert kp/cm2 liegen, denen die Kabel ausgesetzt sind. Gewöhnlich weist die Isolierung, welche den Leiter eines Kabels umgibt, Mikroporen auf, in welche unter diesen hohen Drücken im Laufe der Zeit Gas eingepreßt wird. Wenn dann das Kabel schnell aus der Bohrung herausgezogen wird, verbleibt nicht genügend Zeit für eine Dekomprimierung, d. h. für ein langsames Austreten des unter Druck stehenden Gases. Dies führt dazu, daß die Isolierung gleich einem Ballon zum Aufblähen neigt und brechen kann, wodurch das Kabel unbrauchbar wird.
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In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 32 29 257 des Anmelders ist ein Kabelaufbau beschrieben, der insbesondere für einen Gebrauch bei derart extremen gegensätzlichen Umgebungsbedingungen geeignet ist. Der Aufbau schützt das Kabel gegen Druckkräfte und bewirkt die Dissipation der Wärme von dem Kabel.
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Der in der genannten Schrift beschriebene Schutzaufbau weist ein oder mehrere, in der Form angepaßte langgestreckte Stützteile auf, die parallel neben dem isolierten Leiter liegen. Die Stützteile sind im Querschnitt steif, um den Druckkräften zu widerstehen, die sonst von den Adern des Kabels aufgefangen werden müßten. Bei Anwendungen, die lange Biegungen des Kabels erfordern, kann das langgestreckte Stützteil mit einer Reihe von einen Abstand voneinander aufweisenden Schlitzen ausgebildet sein, die sich senkrecht von einem Rand des Stützteils in dessen Körper hinein erstrecken, um die Querschnittssteifigkeit in den geschlitzten Bereichen zu vermindern, damit eine Flexibilität bezüglich der Längsachse erreicht wird, um Biegungen mit großem Radius zu ermöglichen.
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Für bestimmte Anwendungsgebiete kann es erforderlich sein, daß die elektrische Isolierumhüllung eines Leiters nicht in direkten Kontakt mit den Schlitzöffnungen kommt. Dies ist darin begründet, daß die Schlitzöffnungen des Stützteils es erlauben, daß hoch korosives Material Zutritt zu der Umhüllung erlangen kann, indem es nach innen durch die Schlitze hindurchfließt. Darüber hinaus können die von den Schlitzen gebildeten Ecken in die das Kabel umgebende Umhüllung einschneiden oder an ihr arbeiten, wenn das Kabel wiederholt gebogen wird.
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Aus der US-PS 25 44 233 ist ein Kabel mit mehreren isolierten Leitern bekannt, bei dem zwischen den Adern ein Einlegeteil vorgesehen ist, in welches die Adern zum Teil eingebettet sind.
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Dieses Einlegeteil besteht aus einem geeigneten elastomeren Material wie beispielsweise einem Gummikomposit umd dient lediglich als Füller und Abstandshalter. Dieses Kabel ist nicht in der Lage, höhere Außendrücke oder eine mechanische Beanspruchung aufzunehmen.
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Aus der DE-PS 10 20 074 ist ein elektrisches Ölkabel mit zwei unverseilt nebeneinander liegenden Adern bekannt, bei dem zwischen den im wesentlichen ohne Zwischenraum nebeneinander verlaufenden Adern im oberen bzw. im unteren Zwickel T-förmig profilierte Metallstränge vorgesehen sind. Der Nachteil dieser Ausbildung besteht darin, daß bei einem Druck normal zur gemeinsamen Mittelebene der Adern die T-förmigen Metallstränge den auf sie auftreffenden Druck direkt auf die Isolierung der Adern übertragen und sich nicht gegeneinander abstützen können, da eine gemeinsame Berührfläche entweder nicht vorgesehen ist oder aber eine derartig geringe Ausdehnung hat, daß die freien, aufeinander zulaufenden Schenkel der T-Stränge aneinander vorbeirutschen und somit die Isolierung gefährden können. Des weiteren ist bei diesem Stand der Technik keinerlei einbettendes Einlageteil vorgesehen, vielmehr stehen die profilierten Metallstränge in direktem Berührkontakt mit der Isolierung der Leiter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Flachkabel zu schaffen, das widerstandsfähig gegen mechanische Krafteinwirkung ist, wobei es flexibel bleiben soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stützteile aus U-Profilen bestehen, die jeweils mit ihren Bodenabschnitten aneinanderliegen und daß jeweils zwischen dem die Adern teilweise übergreifenden U-Profil und der Ader eine Schutzeinlage angeordnet ist.
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Durch diese Maßnahmen wird ein Schutzaufbau geschaffen, bei dem eine hohe Widerstandskraft gegen von außen auftreffende Druck- oder Schlagkräfte vorhanden ist und gleichzeitig eine Verletzung der Isolierungen der Adern, insbesondere beim Biegen oder Aufwickeln des Kabels verhindert wird. Jeglicher zu einem Abrieb führende Kontakt zwischen einer Isolierung und einem geschlitzten Teil wird durch die Schutzeinlage vermieden, wobei gleichzeitig die Schutzeinlage auch einem Eindringen von aggressiven Chemikalien in die Isolierung entgegenwirkt. Vorteilhafterweise kann die Schutzeinlage aus Blei oder einem anderen biegsam thermisch leitenden Material bestehen, so daß in hervorragender Weise für eine geeignete Wärmeabfuhr gesorgt ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben; es zeigt
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten Kabels, teilweise im Schnitt, wobei ein Endbereich der äußeren Schutzumhüllung entfernt ist,
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Fig. 2 eine Seitenansicht eines Endbereichs des Kabels aus Fig. 1 aus Richtung des Pfeils 2 in dieser Figur.
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Fig. 3 Eine Ansicht auf den Querschnitt eines druckbeständigen kanalförmigen Teils zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Kabel, auf den Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,
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Fig. 4 eine Ansicht auf den Endquerschnitt eines Einlageteils im Inneren des druckfesten Teils aus Fig. 3, und
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Fig. 5 eine Ansicht auf einen Querschnitt eines druckfesten Bausatzteils, das auf eine Ader aufgesetzt ist, wobei der Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 2 ausgeführt ist.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kabels dargestellt, das insbesondere für den Gebrauch in einem Bohrloch oder zur Verwendung allgemein bei Ölbohrstellen geeignet ist. Das dargestellte Kabel 10 weist eine äußere metallene Schutzummantelung 11 auf, welche eine Vielzahl von Adern 12, 13 und 14 umgibt und einschließt. Zur Verwendung in Bohrlöchern sind die Adern so angeordnet, daß deren Mittelachse parallel und im wesentlichen in der gleichen Ebene verläuft, so daß das Kabel vorzugsweise von flacher Gestalt ist.
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Die Ummantelung 11 besteht aus einer Art schraubenförmig um die Adern 12, 13 und 14 herumgeführten Wellschlauch.
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Die nebeneinander liegenden Adern weisen die übliche Länge auf, und es versteht sich, daß nur ein sehr kurzer Bereich des Kabels in Fig. 1 dargestellt ist. Zwischen den Adern sind vier Stützteile 15, 16, 17 und 18 eingesetzt, wobei jedes Stützteil von großer Länge ist und sich parallel zu den Adern erstreckt. Die Stützteile 15, 16, 17 und 18 bestehen aus einem Material, das im wesentlichen im Querschnitt steif ist und das gute thermische Leiteigenschaften aufweist. Insbesondere ist die thermische Leitfähigkeit zumindest größer als die thermische Leitfähigkeit der Isolation der Adern. Für diesen Zweck eignet sich faserverstärktes Kohleverbund-Material, das jedenfalls gute Druckfestigkeit besitzt. Metalle wie Stahl und Aluminium sind ebenfalls für diesen Zweck geeignet ebenso wie aushärtbares polymerisches Material, das mit Metall armiert oder gefüllt ist.
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Jedes Stützteil 15, 16, 17 und 18 ist aus einem einzigen fortlaufenden Streifen zu einem U-Profil-Kanal 20 ausgestanzt, wobei jeder U-Profil-Kanal 20 von im wesentlichen identischem Querschnitt bezüglich Größe und Form ist. Daher reicht die Beschreibung eines U-Profil-Kanals 20 für ein Stützteil, hier das Stützteil 15 aus, um den Aufbau und den Gebrauch der entsprechenden Kanäle der Stützteile 16, 17 und 18 zu erläutern.
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Der U-Profil-Kanal wird durch einen oberen und einen unteren Schenkel gebildet, welche im wesentlichen flach, parallel und wie in Fig. 2 dargestellt, horizontal angeordnet sind, so daß sie entsprechend der jeweiligen oberen und unteren flachen Oberfläche der Metallummantelung 12 ausgerichtet sind. Die seitlichen Schenkel sind miteinander über einen starren vertikalen Schenkel 23 verbunden, der geringfügig länger ist als der Gesamtdurchmesser der ihm zugeordneten Ader. Die Schenkel 21 und 22 erstrecken sich bis auf die Höhe des Zentrums der anliegenden Ader. Demzufolge umfassen die Schenkel 21 und 22 von dem sie verbindenden Schenkel 23 aus jeweils seitlich des Leiters der Adern im Abstand der Isolierlage. Schlag- oder Druckkräften, die insbesondere senkrecht zur Linksachse des Kabels 10 auf die Kabelummantelung 11 auftreffen, wird von den U-Profil-Kanälen 20 Widerstand entgegengesetzt, welche im Querschnitt steif sind, wodurch eine Beschädigung der Leiterisolierung durch derartige Kräfte verhindert oder zumindest auf ein Minimum beschränkt bleibt. Wenn das Kabel an ein Teil wie beispielsweise ein Bohrlochrohr oder ein Ölausbringmotor mittels Bänder oder Strapsen befestigt wird, eine Situation, welche oft ein Brechen eines Kabels verursacht, umgreift das Band die Außenseite der Ummantelung 11 und die starren und steifen Stützteile 15, 16, 17 und 18 verhindern die Entstehung eines Schadens.
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Die U-Profil-Kanäle 20 der Stützteile 15, 16, 17 und 18 besitzen einen gewissen Elastizitätsgrad, obwohl sie senkrecht zur Richtung der Längsachse des Kabels 10 relativ starr und druckfest sind, wodurch es dem Kabel gestattet ist, Biegungen mit einem relativ großen Radius durchzuführen, wie es notwendig ist, wenn das Kabel in eine Betriebsstellung gebracht wird. Dies kann durch eine erste Reihe von Schlitzen 30 bewerkstelligt werden, die sich durch jeden der Kanalschenkel 21 nach innen und senkrecht durch den Verbindungsschenkel 23 erstrecken und annähernd dort enden, wo der Schenkel 23 den gegenüberliegenden Schenkel 22 trifft.
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Die Schlitze 30 sind im wesentlichen in Längsrichtung des U-Profil-Kanals in einem gleichförmigen Abstand voneinander vorgesehen, wodurch der U-Profil-Kanal 20 in eine Reihe von individuellen federnd miteinander verbundenen Kanalsegmenten geteilt ist. In Längsrichtung und abwechselnd im Abstand zwischen den Schlitzen 30 ist eine zweite Reihe von Schlitzen 31 vorgesehen, die sich von dem Schenkel 22 senkrecht in den Körper des U-Profil-Kanals 20 zu der Kante hin erstrecken, an der der Schenkel 21 auf den Schenkel 23 trifft. Die Schlitze 31 sind ebenfalls im wesentlichen gleichmäßig in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnet und liegen annähernd in der Mitte zwischen den Schlitzen 30. Auf diese Weise erstrecken sich die Schlitze 30 und 31 abwechselnd von den Schenkeln 21 bzw. 22 nach innen und ermöglichen eine größere Flexibilität in zwei Richtungen und zwar in der Ebene der Kanalbiegung, das heißt in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene verläuft, die durch die Mittelpunkte der einander benachbart angeordneten Adern 12, 13 und 14 hindurchführt. Wie am besten aus den Fig. 1 und 5 erkennbar, ist jeder der Leiter einer Ader 12, 13 und 14, der mehrere Stränge aufweisen oder einstückig sein kann, von einer oder mehreren Lagen oder einer Beschichtung eines geeigneten elektrischen Isoliermaterials umgeben; zwei solcher Lagen sind jeweils mit den Bezugszeichen 34 und 35 dargestellt. Diese Isolierbeschichtungen werden gewöhnlich aus Kunststoff oder Gummikomponenten zusammengesetzt, die relativ weich sind und daher leicht an der Oberfläche aufgescheuert oder eingeschnitten werden können, wenn sie in reibenden oder anderen direkten Kontakt mit einer härteren Fläche kommen. Ein derartiges Einschneiden oder Abscheuern der Leiterisolierung kann die Beschichtung und die Isoliercharakteristika ernsthaft stören.
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Die in die Kanäle 20 eingeschnittenen Schlitze 30 und 31 können zu scharfen Kanten, Graten und Ecken führen, die an der Innenseite der Kanäle ausgeformt sind, wodurch eine Abnutzung der weicheren Isolierlage 35, wenn sie in direktem Kontakt mit dem Kanal 20 stünde, hervorgerufen werden kann, insbesondere, wenn der Kanal aus Stahl oder Aluminiummaterial hergestellt ist.
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Um eine derartige Abnutzung zu verhindern, wird eine längliche Schutzeinlage in den U-Profil-Kanal 20 eingelegt. Die Schutzeinlagen, von denen eine in den Fig. 4 und 5 mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet ist, haben im wesentlichen flache, sich gegenüberliegende Flächen 43 bzw. 44, die jeweils an den inneren Flächen der Schenkel 21 und 23 anliegen und sich entlang diesen erstrecken (vgl. Fig. 1 und 5).
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In der Einlage ist eine halbkreisförmige Randfläche 45 ausgeformt, die der zylindrischen äußersten Isolierlage 34 der umgebenden Isolierung entspricht. Jede Einlage 40 ist ausreichend kontinuierlich ausgebildet, um die inneren Kanten und Ecken, die von den Schlitzen 30 und 31 gebildet werden, zu überbrücken, wobei sie diese Ränder von einem direkten Kontakt mit der Isolierung auf den Leiterkern fernhalten.
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Die Schutzeinlagen 40 sind vorzugsweise etwas flexibel, so daß sie sich gemeinsam mit dem sie umgebenden Kanal 20 in Richtungen biegen können, die im wesentlichen senkrecht zur Hauptbiegeebene oder Längsachse des Kabels 10 verlaufen. Für die Verwendung bei Ölbohrstellen werden die Einlagen 40 vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das gute thermische Leiteigenschaften besitzt, um die Hitze abzuleiten, die in einer derartigen Umgebung auf das Kabel 10 einwirkt. Das Einlagematerial sollte relativ glatt sein, damit es auf der äußersten Isolierumhüllung 35 entlanggleiten kann, insbesondere während einer Biegung. Ein geeignetes metallisches Material für die Schutzeinlage 40 ist Blei, das eine glatte Fläche für ein leichtes Gleiten auf den federnd nachgiebigen Lagen der Isolierung sicherstellt und gleichzeitig gute thermische Leitfähigkeiten besitzt. Andere geeignete metallische oder nicht-metallische Materialen können ebenfalls für die Einlage verwendet werden. Die Schutzeinlagen 40 gewähren ebenfalls ein gewisses Maß an Schutz für die Isolierung der Leiter gegen Berührung mit und möglichen Angriff von das Isoliermaterial schädigende und korrosive Chemikalien. Die zentrale Ader 13 (Fig. 1) ist insbesondere durch sich gegenüberliegende und mit den Rändern der konkaven Flächen 45 nahezu aneinanderstoßenden Schutzeinlagen 40 geschützt, welche jeweils in einem Paar von gegeneinander zugewandten Stützteilen 16 und 17 eingebettet sind.
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Die Schutzeinlagen 40 können fest in ihren jeweiligen Kanälen 20 befestigt werden, indem lediglich kleine Oberflächenbereiche an den sich gegenüberliegenden Schenkeln 21 und 22 der Kanäle 20 vertieft angebracht, halb durchbohrt oder eingepreßt werden, um nach innen vorstehende Nasen oder Widerhaken 46 zu bilden. Die sich gegenüberstehenden Vorsprünge 46 wirken zusammen, um zwischen sich die obere und untere Fläche 43 und 44 der Schutzeinlage 40 zu ergreifen, die in das zugeordnete Kanalteil eingepreßt sind, wobei ihre konkave Oberfläche 45 in die gleiche Richtung weist wie das Innere des U-förmigen Kanals.