IT202000001915A1 - Cavo di potenza armato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente divulgazione riguarda in generale il campo dei cavi elettrici, ossia i cavi per la trasmissione di energia elettrica.

In particolare, la presente invenzione riguarda un cavo armato in cui l?armatura ha un predeterminato profilo di corrosione nel tempo nell?ambiente in cui ? installato. Tale cavo pu? essere utilizzato, ad esempio, per applicazioni sottomarine, in particolare per un funzionamento sottacqua in mare poco profondo.

Arte nota

Cavi armati sono ben noti nell?arte e sono generalmente impiegati in applicazioni in cui si prevedono sollecitazioni meccaniche e potenziali danni.

Ad esempio, i cavi per applicazioni sottomarine devono sopportare carichi di rottura elevati durante l?installazione e il funzionamento. Infatti, quando un cavo sottomarino pende dalla nave di installazione dalla superficie dell?acqua al fondale marino per 200 metri o pi?, una sollecitazione di trazione indesiderata potrebbe essere esercitata sui conduttori, quindi un?armatura ? prevista per sopportare tale sollecitazione.

In aggiunta, il sistema di svolgimento della nave di installazione deve essere adatto al peso del cavo da dispiegare. Pi? pesante ? il cavo, pi? forte deve essere la forza di presa del sistema di svolgimento. Quando la forza di presa aumenta, deve aumentare anche la resistenza alla compressione del cavo. Un guasto da frantumazione causato dalla presa ? una modalit? di guasto nota.

Il nucleo del cavo ? circondato da un?armatura sotto forma di uno o pi? strati di fili in forma di trefoli. L?armatura ? una parte di rinforzo strutturale avente la funzione di rinforzare le caratteristiche meccaniche e la prestazione del cavo durante la sua movimentazione e installazione, mantenendo nel contempo una flessibilit? adatta, nonch? la funzione di fornire una resistenza contro danni esterni. L?utilizzo di metallo nell?armatura ? particolarmente consigliabile nei cavi sottomarini a causa delle forze di compressione potenzialmente esercitate su di essi, che possono essere un problema per le armature non metalliche.

Tipicamente, l?armatura ? realizzata con uno o due strati di fili, di forma rotonda o piatta, realizzati in acciaio con un contenuto di carbonio da basso a medio (che va ad esempio da meno dello 0,015% fino al 2%). L?acciaio, generalmente l?acciaio galvanizzato (per es. zincato), ? tipicamente utilizzato a causa del suo basso costo, della sua disponibilit? di approvvigionamento e delle sue buone propriet? meccaniche. Altri materiali utilizzati per l?armatura del cavo possono essere rame, ottone, bronzo. L?acciaio galvanizzato ? utilizzato preferibilmente quando i fili dell?armatura sono esposti all?ambiente senza alcuna guaina polimerica o strato di filato, per garantire una migliore resistenza alla corrosione.

Tuttavia, la suddetta armatura ha lo svantaggio di aumentare il peso complessivo del cavo. Ci? non solo rende difficile movimentare e installare il cavo ma rende anche molto difficile recuperare il cavo dal fondale marino, ad esempio in caso di manutenzione o per sostituire porzioni di cavo non pi? funzionanti.

Occorre notare che il rinforzo meccanico fornito dall?armatura ? richiesto durante la movimentazione e l?installazione del cavo ma pu? non essere necessario o pu? essere richiesto in misura minore dopo che il cavo ? stato installato e durante la sua vita operativa. Ci? avviene, ad esempio, quando il cavo ? installato in mare poco profondo poich? sar? soggetto a una forza di compressione inferiore e/o in aree limitate quali parchi eolici marini dove il rischio che il cavo sia danneggiato dall?impatto con un oggetto esterno, ad esempio un?ancora di barca, ? relativamente basso.

Quindi, vi ? la necessit? di fornire un cavo armato avente un?adeguata resistenza alle sollecitazioni meccaniche durante la movimentazione e l?installazione e che sia anche progettato in modo tale da consentire un recupero pi? facile del cavo dal sito di installazione (fondale marino), ad esempio in caso di manutenzione, in modo da sostituire porzioni di cavo non pi? funzionanti.

Sommario

La Richiedente ha constatato che la suddetta necessit? pu? essere soddisfatta dotando il cavo di un?armatura realizzata con un materiale metallico avente propriet? meccaniche adatte a rinforzare meccanicamente il cavo e, contemporaneamente, avente la capacit? di deteriorarsi nel tempo, nell?ambiente in cui il cavo ? installato.

In particolare, la Richiedente ha sperimentato che un?armatura di cavo realizzata con alcuni materiali inclini ad essere decomposti chimicamente e/o elettro-chimicamente da agenti corrosivi presenti nell?ambiente in cui il cavo ? installato e funziona (per es. l?acqua di mare) consente di ottenere un cavo armato avente una resistenza alle sollecitazioni meccaniche adeguata per garantire l?integrit? del cavo durante la movimentazione e l?installazione, mentre l?armatura ? in grado di deteriorarsi almeno parzialmente per corrosione nel tempo durante la vita operativa del cavo, secondo un profilo di corrosione predeterminato.

Di conseguenza, dopo l?installazione e durante la sua vita operativa, l?armatura di cavo ?si indebolisce? progressivamente in una certa misura nel tempo a causa dell?agente corrosivo presente nel suo ambiente operativo. La corrosione ambientale fa s? che l?armatura diventi pi? leggera e compromette l?integrit? strutturale dell?armatura in misura tale che, quando l?armatura ? soggetta a forze (per es. forze di trazione per recuperare il cavo dal fondale marino), essa si sfaldi e si stacchi dal nucleo del cavo.

Quindi, nel caso sia richiesta una manutenzione del cavo (a causa, ad esempio, di un malfunzionamento o di un?interruzione di corrente), il recupero del cavo in corrispondenza di porzioni di cavo non pi? funzionanti per la loro sostituzione pu? essere eseguito in modo pi? facile.

I suddetti benefici sono ottenuti senza influenzare negativamente l?integrit? e la prestazione del cavo durante la sua vita operativa poich? la struttura di cavo pu? normalmente resistere alle sollecitazioni meccaniche in corrispondenza del sito di installazione anche quando lo strato di armatura ? stato compromesso a causa della corrosione.

Di conseguenza, la presente divulgazione riguarda un cavo di potenza armato comprendente:

- almeno un nucleo comprendente un conduttore elettrico; e - un?armatura che circonda il nucleo, in cui l?armatura comprende almeno uno strato realizzato con un materiale metallico avente un carico di rottura di almeno 400 MPa e una perdita di peso dallo 0,01 % allo 0,1% dopo 30 giorni di esposizione a una soluzione corrosiva secondo ASTM G3172 (2004).

In una forma di realizzazione, il materiale metallico dell?armatura ha un carico di rottura di 800 MPa al massimo.

In una forma di realizzazione, il materiale metallico dell?armatura ha un allungamento a rottura almeno del 10%.

In una forma di realizzazione, il materiale metallico dell?armatura ha un allungamento a rottura del 25% al massimo, ad esempio del 20% al massimo.

In una forma di realizzazione, il materiale metallico dell?armatura ha una perdita di peso dallo 0,01% allo 0,05% dopo 30 giorni di esposizione a una soluzione corrosiva secondo ASTM G3172 (2004)

In una forma di realizzazione, lo(gli) strato(i) di armatura comprende(ono) elementi di trazione allungati avvolti in modo elicoidale intorno al nucleo.

In una forma di realizzazione, il materiale metallico che forma lo(gli) strato(i) di armatura del cavo ? una lega di alluminio. In una forma di realizzazione, la lega di alluminio ? una lega alluminio-rame avente, ad esempio, un contenuto di rame nell?intervallo tra 0,5% e 7% circa in peso, sul peso totale della lega.

In una forma di realizzazione, la lega alluminio-rame ? selezionata tra le leghe di alluminio delle serie 2xxx. Le leghe delle serie 2xxx comprendono leghe alluminio/rame (contenuto di rame che va dallo 0,7% al 6,8%) con un carico di rottura massimo superiore a 400 MPa.

Descrizione dettagliata

Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni seguenti, tranne ove diversamente indicato, tutti i numeri che esprimono quantit?, quantitativi, percentuali, e cos? via, devono essere intesi come modificati in tutti i casi dal termine ?circa?. Inoltre, tutti gli intervalli includono qualsiasi combinazione dei punti massimi e minimi divulgati e includono qualsiasi intervallo intermedio in essi, che pu? o non pu? essere qui specificamente elencato.

Come utilizzate nella descrizione e nelle rivendicazioni allegate, le forme singolari "un," "una," e "il" includono referenti plurali a meno che il contesto non stabilisca chiaramente diversamente. Quindi, ad esempio, il riferimento a "un supporto" include una pluralit? di supporti. In questa descrizione e nelle rivendicazioni seguenti, si far? riferimento a un certo numero di termini che saranno definiti come aventi i significati seguenti a meno che non sia evidente un?intenzione contraria.

Occorre comprendere che le caratteristiche delle forme di realizzazione della divulgazione divulgate in precedenza e di seguito possono essere combinate in qualsiasi modo, anche formando ulteriori forme di realizzazione che non sono divulgate espressamente ma che rientrano nell?ambito della presente divulgazione.

Il cavo secondo la presente divulgazione comprende almeno un nucleo di cavo e un?armatura che circonda il nucleo di cavo.

Il cavo pu? essere un cavo a nucleo singolo o un cavo multinucleo adatto, ad esempio, per una trasmissione di energia trifase, il numero di nuclei nel cavo non essendo una limitazione per la presente divulgazione. In una forma di realizzazione, il cavo ? un cavo di trasmissione di energia trifase comprendente tre nuclei monofase.

Tale cavo pu? essere adatto in applicazioni sottomarine per la trasmissione di energia a corrente continua (DC) o a corrente alternata (AC) negli intervalli di media e alta tensione. Nella presente divulgazione, il termine media tensione (MV) ? utilizzato per indicare tensioni da 1 a 35 kW e il termine alta tensione (HV) ? utilizzato per indicare tensioni superiori a 35 kW.

Ulteriori dettagli verranno illustrati nella descrizione dettagliata seguente data a titolo di esempio e non di limitazione, con riferimento alla Figura 1 allegata che mostra schematicamente un cavo armato esemplificativo secondo la presente divulgazione.

Nella Figura 1, il cavo armato 10 ? un cavo di potenza per applicazioni AC sottomarine comprendente tre nuclei 12. Ciascun nucleo comprende un conduttore metallico 12a realizzato tipicamente in rame, alluminio o entrambi, sotto forma di una barra o di fili in forma di trefoli. Il conduttore 12a ? circondato in sequenza da uno strato semiconduttore interno e da uno strato isolante e uno strato semiconduttore esterno, detti tre strati, collettivamente illustrati e indicati con sistema isolante 12b, essendo realizzati in materiale polimerico (ad esempio, polietilene reticolato), carta avvolta o laminato di carta/polipropilene. Nel caso dello(gli) strato(i) semiconduttore(i), il loro materiale ? caricato con una carica conduttiva quale il nerofumo.

Ciascun sistema isolante 12b ? avvolto da una guaina metallica 13. Oltre a servire da schermo elettrico, la guaina metallica pu? proteggere il sistema isolante contro un?indebita infiltrazione di acqua per mantenere la rigidit? dielettrica. La guaina metallica pu? essere realizzata in alluminio, piombo, rame o altri metalli adatti a questo scopo in una variet? di forme.

Ciascuna guaina metallica pu? essere circondata da uno strato di buffer polimerico (non illustrato). Lo strato buffer pu? essere realizzato opzionalmente in polietilene semi-conduttivo, ad esempio polietilene ad alta densit? (HDPE) o polietilene a bassa densit? (LDPE), cloruro di polivinile (PVC), poliammide (Nylon) e poliuretano.

I tre nuclei 12 sono intrecciati insieme in modo elicoidale secondo un passo di intreccio del nucleo prefissato e inglobati in una carica polimerica 11 circondata, a sua volta, da un nastro 15 e da uno strato di imbottitura 14.

Come carica polimerica 11, si possono impiegare ad esempio filati di polipropilene o trefoli simil rafia. Questi materiali consentono di riempire lo spazio cavo senza aggiungere un peso eccessivo al cavo.

Lo strato di imbottitura 14 pu? essere realizzato, ad esempio, con filati di polipropilene.

Intorno allo strato di imbottitura 14 ? prevista un?armatura 16 comprendente un singolo strato di fili 16a. I fili 16a sono avvolti in modo elicoidale intorno al nucleo di cavo 12 secondo un passo di avvolgimento di armatura.

I fili 16a sono realizzati in una lega di alluminio 2xxx, ad esempio una lega di alluminio 2024.

La lega di alluminio 2024 ? una lega alluminio-rame avente la composizione seguente:

Cu dal 3,5% al 4,9%

Mg dall?1,2% all?1,8%

Si ? 0,5%

Fe ? 0,5%

Mn dallo 0,3% allo 0,9%

Cr ? 0,1%

Zn ? 0,25%

Ti ? 0,15%, e

altri elementi non pi? dello 0,05% ciascuno e non pi? dello 0,15% in totale, il resto essendo alluminio, in cui le percentuali sono in peso sul peso totale della composizione.

La lega di alluminio 2024 pu? avere un carico di rottura di 400 MPa o superiore. La lega di alluminio 2024 pu? avere un allungamento a rottura del 10% o superiore.

L?armatura 16 pu? essere circondata da uno strato protettivo 17 realizzato, ad esempio con filati di polipropilene. Tale strato protettivo, ove presente, non ha sostanzialmente alcuna capacit? antiacqua.

Come sopra trattato, l?armatura ? realizzata con un materiale metallico avente propriet? meccaniche, ad esempio carico di rottura, atte a rinforzare meccanicamente il cavo durante la sua movimentazione e installazione e a proteggerlo da danni esterni, ad esempio da danni da compressione. Secondo la presente divulgazione, il materiale metallico che realizza l?armatura di cavo ? anche in grado di deteriorarsi nel tempo tramite l?azione di agenti corrosivi (per es. sali di cloruro) presenti nell?ambiente operativo del cavo dopo la sua installazione.

Come gi? affermato, l?armatura di cavo comprende almeno uno strato realizzato con un materiale metallico che mostra una perdita di peso dallo 0,01 % allo 0,1% dopo 30 giorni di esposizione a una soluzione corrosiva secondo le specifiche di ASTM G3172 (2004).

A questo riguardo, occorre notare che la perdita di peso del materiale metallico dell?armatura pu? variare, all?interno dell?intervallo dato, da un arco di tempo di 30 giorni a un altro, come verr? mostrato nell?esempio qui di seguito.

La corrosione ambientale fa s? che l?armatura, e quindi il cavo nel suo complesso della presente divulgazione, diventi progressivamente ?pi? leggero? nel tempo nell?ambiente di installazione (per es. acqua di mare).

Inoltre, la corrosione ambientale pu? indebolire l?integrit? strutturale dell?armatura in misura tale che quando l?armatura ? soggetta a forze (per es. forze di trazione per recuperare il cavo dal fondale marino), essa si sfalda e si stacca dal nucleo di cavo. Laddove alcuni metalli, quale l?acciaio galvanizzato, possono essere corrosi uniformemente sulla loro superficie, il meccanismo di degrado prevalente, ad esempio, della tenacit? alla frattura di una lega di alluminio ? la formazione di cricche o alveoli superficiali indotti dalla corrosione (si veda, ad esempio, N.D. Alexopoulos et al., Materials Science and Engineering A 498 (2008) 248?257). Ci? consente di eseguire il recupero di porzioni di cavo dal sito di installazione per la loro sostituzione, ad esempio in caso di operazioni di manutenzione, in modo pi? semplice. Occorre notare che la protezione da forza di compressione non ? sostanzialmente pi? necessaria una volta che il cavo ? dispiegato.

Nel caso di un cavo AC, la corrosione dell?armatura metallica pu? diminuire le perdite resistive collegate ad essa. Il fatto di prevedere, ad esempio, una lega di alluminio come materiale metallico per il cavo armato consente di aumentare la capacit? di trasporto di energia elettrica AC del cavo rispetto ai cavi armati dell?arte nota che utilizzano materiali ferromagnetici per l?armatura di cavo quale acciaio al carbonio, acciaio da costruzione e acciaio inossidabile ferritico.

In effetti, come noto nell?arte, quando la corrente alternata (AC) viene trasportata nel cavo, la temperatura dei conduttori elettrici all?interno del cavo aumenta a causa di perdite resistive, un fenomeno indicato con effetto Joule. A questo riguardo, un?armatura di cavo realizzata con un materiale ferromagnetico pu? fornire un notevole contributo alle perdite complessive del cavo. Conseguentemente, le prestazioni del cavo, in termini di intensit? della corrente alternata che scorre nel(i) conduttore(i) o, in altre parole, in termini di capacit? di trasporto di energia elettrica, devono essere ridotte o limitate in una certa misura al fine di mantenere l?aumento di temperatura dovuto alle perdite resistive al di sotto di una soglia prefissata che garantisce l?integrit? del cavo.

Al contrario, poich? le leghe di alluminio sono materiali non ferromagnetici, le perdite nell?armatura di cavo possono essere ridotte e la capacit? di trasporto di energia elettrica del cavo conseguentemente aumentata senza aumentare la dimensione di cavo che altrimenti renderebbe il cavo pi? pesante e pi? costoso.

Quindi, la perdita di peso subita dall?armatura in un ambiente corrosivo pu? diminuire ulteriormente le perdite resistive nel tempo.

Nel caso di un cavo AC a nucleo singolo, ? noto l?utilizzo dell?armatura come conduttore di ritorno. In tal caso, la perdita di peso e la corrosione alveolare subite nel tempo da un?armatura realizzata con un metallo secondo la presente divulgazione non compromettono sostanzialmente la capacit? di trasporto elettrico della corrente di ritorno.

Inoltre, le leghe di alluminio, quali le leghe di alluminio 2024, sono materiali relativamente economici e quindi il cavo armato secondo la divulgazione pu? essere prodotto a costi ridotti.

ESEMPIO

La Richiedente ha condotto test meccanici su esemplari di cavi aventi la struttura del cavo 10 mostrato nella figura 1.

L?armatura degli esemplari ? stata esposta a un ambiente corrosivo realizzato con acqua del Mar Mediterraneo (raccolta a Cogoleto, GE, Italia) secondo la specifica di ASTM G31-72 (2004).

L?acqua di mare aveva un pH apparente iniziale di 8,09. Il volume dell?acqua di mare per area di esposizione era di 8 ml/cm<2 >e la temperatura della soluzione era di 25 ? 3?C. Gli esemplari (aventi un peso di circa 10 g) sono stati esposti all?acqua di mare per un certo numero di tempi di esposizione diversi.

Dopo l?esposizione, il peso dell?esemplare ? stato misurato prima e dopo il test. Il primo campione ? stato lasciato nell?acqua di mare per 30 giorni, mentre il secondo campione ? stato lasciato nell?acqua di mare per 60 giorni.

Il primo campione ha mostrato una perdita di peso dello 0,07% circa, mentre il secondo campione ha mostrato una perdita di peso dello 0,08% circa.

La perdita di peso era dovuta alla corrosione del metallo, generalmente, da parte dell?anione cloruro nell?acqua di mare, causando la formazione di 0,18 alveoli/cm<2 >nel primo campione e di 0,24 alveoli/cm<2 >nel secondo campione.

La formazione e la crescita degli alveoli possono portare a una compromissione delle propriet? meccaniche dei fili di armatura in misura tale da indebolire i fili di armatura in modo che, nel caso sia necessario il recupero del cavo, i fili di armatura si rompano e si allentino, sfaldandosi dalla struttura di cavo.

Occorre notare che la perdita di peso al mese (30 giorni) pu? variare, ad esempio, a causa di cambiamenti stagionali della temperatura dell?acqua, ma anche a causa del metallo specifico e del tipo e/o della quantit? degli agenti corrosivi che possono dare luogo a una diminuzione esponenziale della perdita di peso.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cavo di potenza armato (10) comprendente: - almeno un nucleo (12) comprendente un conduttore elettrico (12a); e - un?armatura (16) che circonda il nucleo, in cui l?armatura comprende almeno uno strato realizzato con un materiale metallico avente un carico di rottura di almeno 400 MPa e una perdita di peso dallo 0,01% allo 0,1% dopo 30 giorni di esposizione a una soluzione corrosiva secondo ASTM G3172 (2004).
2. 2. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale metallico dell?armatura (16) ha un carico di rottura di 800 MPa al massimo.
3. 3. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale metallico dell?armatura (16) ha un allungamento a rottura almeno del 10%.
4. 4. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale metallico dell?armatura (16) ha un allungamento a rottura del 25% al massimo.
5. 5. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 1, in cui l?almeno uno strato di armatura del cavo comprende elementi di trazione allungati (16a) avvolti in modo elicoidale intorno al nucleo (12).
6. 6. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale metallico che forma l?almeno uno strato di armatura del cavo (10) ? una lega di alluminio.
7. 7. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 6, in cui la lega di alluminio ? una lega alluminio-rame.
8. 8. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 7, in cui la lega alluminio-rame ha un contenuto di rame nell?intervallo tra 0,5% circa e 7% circa in peso, sul peso totale della lega.
9. 9. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 8, in cui la lega alluminio-rame ? selezionata tra leghe di alluminio delle serie 2-xxx.
10. 10. Cavo di potenza armato secondo la rivendicazione 1, il quale ? un cavo di trasmissione di energia trifase comprendente tre nuclei monofase per trasportare corrente alternata.