NO155908B - Anordning for beskyttelse av elektriske undervannskontakter mot inntrengning av sjoevann. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for beskyttelse av elektriske undervannskontakter mot inntrengning av sjøvann. Det dreier seg derved i første rekke om galvaniske undervannskontakter og induktive undervannskontakter som er innrettet for fra- og tilkopling under vann. Anordningen ifølge oppfinnelsen er for øvrig av det slag som er nærmere angitt i ingressen i patentkrav 1.

Slike undervannskontakters prinsippielle oppbygning og funksjon er velkjent og utgjør i og for seg ikke gjenstand for den foreliggende oppfinnelse.

Konvensjonelle galvaniske undervannskontakter omfatter vanligvis en stort sett hylseformet del eller hunndel med hulrom utformet til opptakelse av motsvarende innstikksorgan av en stort sett tappformet del eller hanndel under sammenkopling. Mellom hunndel og hanndel danner det seg etter sammenkopling gap som sjøvann kan trenge inn i. Ved induktive undervannskontakter er nevnte to deler stort sett identiske og omfatter hver en kjerne av ferritt med vikling. Også ved slike kontakter danner det seg gap mellom delene i sammenkoplet tilstand. Dette kan skje ved at partikler legger seg mellom kontaktflatene.

Et problem ved galvaniske kontakter for til- og fråkopling under vann består i inntrengning av sjøvann og forurensninger inn i hunndelen under koplingsoperasjonene. Et annet, problem knytter seg til mikromigrering av sjøvann gjennom ikke-metalliske pakninger.

Induktive kontakter for fra- og tilkopling under vann er sårbare selv for svært små gap mellom kontaktflatene. Et gap på 0,4 rom vil redusere effektoverføringsevnen til en kabel ned til bare 5% av det som ville være mulig uten gap. Dette gjelder for to kontakter, en i hver ende av kabelen, og med like stort gap.

For å beskytte elektriske undervannskontakter mot inntrengning av sjøvann, er det kjent å bruke O-ringer utført i organisk materiale. Barrieren mellom sjøvann og kontaktsted er i dette tilfelle altså en O-ring.

Det er også kjent å innsette hunndelen med et vannavstøtende gel som blir holdt på plass av en membran som er utformet med nøyak-tig dimensjonerte og plasserte gjennomføringsåpninger for inn-føring av pluggpinnene samt uttrekking av samme. I tilkoplet tilstand skal kontaktstedet være omgitt av isolerende gel.

Ødeleggelse eller beskadeligelse av O-ringpakningen (ved for eksempel til- eller frakopbling) vil medføre inntrengning av sjøvann og permanent kortslutning til jord samt korrosjon. En annen ulempe ved bruk av O-ring som barriere mellom sjøvann og kontaktsted består i at det over et lengre tidsrom oppstår mikro-migrasjon av vann. O-ringutførelsen danner heller ikke noen trykkbarriere.

Ved bruk av isolerende gel med samme trykk som det omgivende sjøvann oppnås det heller ikke noen trykkbarriere for å motvirke mikro-migrasjon av vann. Blir gelet skadet (fjernet), strømmer det sjøvann inn til kontaktstedet. Til- og fråkopling kan bare utføres et meget begrenset antall ganger, ettersom det ved hver koplingsoperasjon vil gå tapt litt gel og det ikke finnes mulig-het for etterfylling i undervannsstillingen.

Ifølge oppfinnelsen har en generelt tatt sikte på å avhjelpe de ulemper og mangler som knytter seg til kjente anordninger og således tilveiebringe en anordning som effektivt hindrer sjø-vannsinntrengning (også ved mikro-migrering) i undervannskontakter og samtidig gjøre induktive kontakter langt mindre følsomme for gap mellom kontaktflatene. Ved induktive undervannskontakter tilsiktes det dessuten (som en tilleggseffekt) å øke den magnetiske ledningensevne i nevnte gap.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved å utforme anordningen i overensstemmelse med de karakteristiske trekk som fremgår av patentkrav 1.

Fordelaktige utførelsesformer av anordningen ifølge oppfinnelsen er angitt i underkravene.

Ifølge oppfinnelsen blir oljebasert ferromagnetisk væske presset inn i området rundt kontaktstedet fra. et reservoar som har et høyere trykk enn sjøvannet omkring. Den ferromagnetiske væske med overtrykk blir hindret i å lekke ut i sjøvannet ved hjelp av magnetfelter fra permanentmagneter som omslutter hunndelens hulrom.

Spalten mellom hann- og hunndelen bør ikke være bredere enn ca. 5 mm for å oppnå et kraftig magnetfelt ved rimelige dimensjoner på permanentmagnetene. For induktive koplinger har anordningen ifølge oppfinnelsen en viktig tilleggsfunksjon. Et eventuelt gap mellom hann- og hunndelen blir fylt med magnetisk væske som øker gapets magnetiske ledningsevne.

En ferromagnetisk væske er et tofasesystem bestående av ytterst små partikler oppløst i en bærevæske. De magnetiske egenskapene er konsentrert hos partiklene som typisk er magnetitt (Fe^O 4). De faste partiklene må være så små at de er suspendert i bære-væsken. Typiske partikkeldiametere er 100-150A (IA = 10 ^m).

Væskens magnetisering M måles iflg. relasjonen

hvor uq er permeabilitetskonstanten (4 10 _7henry/meter), H er den magnetiske feltstyrke, M er væskens magnetisering og B er verdien av det magnetiske felt i spalten.

De magnetiske felt fra hver permanentmagnetring oppretter en hydrostatisk trykkøkning i den ferromagnetiske væske lik:

p = 1/2 M B

hvor M er væskens magnetisering i A/m og B er verdien av det magnetiske felt i spalten målt i Weber/m 2. Oppnåelige verdier er:

B = 0,8 Weber/m<2>

M = 50.000 A/m

p = 1/2 <*> (5 ' IO<4> ' 0,8) = 2 ' IO4 N/m2 = 0,2 bar.

Dette vil si at feltene fra hver av permanentmagnetringene kan ta opp en trykkdifferanse på ca. 0,2 bar.

Fem magnetringer plassert med passende mellomrom i spaltens aksialretning vil da kunne ta opp 1 bars overtrykk i den ferromagnetiske væske slik at den ikke lekker ut i sjøvannet. Ved 1 bar overtrykk bør det imidlertid benyttes seks permanentringer for å ha en sikkerhetsmargin mot lekkasje.

De enkelte utførelsesformer kan utformes slik at ved tilkopling under vann blir hulrommet i spalten mindre, og ferromagnetisk væske presses ut, slik at sjøvann hindres i å trenge inn under selve tilkoplingsoperasjonen.

Barrieren mellom kontaktsted og sjøvann består ifølge oppfinnelsen av isolerende ferromagnetisk væske med overtrykk. Eventuell vanninntrengning må overvinne et trykkpotensial på ca. 1 bar.

En ferromagnetisk væskes elektriske egenskaper (ledende eller isolerende) er avhengig av bærevæskens elektriske egenskaper.

Som bærevæske i den ferromagnetiske væske som skal benyttes i henhold til foreliggende oppfinnelse, bør det fortrinnsvis benyttes væsker som er elektrisk isolerende, f.eks. parafin eller olje.

Ved eventuell ødeleggelse av den isolerende magnetiske væske vil den sjøvannsinfiserte væske tape sine magnetiske egenskaper og ikke lenger bli holdt på plass av magnetfeltene fra permanent-ringene, men i stedet bli presset ut i sjøvannet og erstattet med ny væske fra overtrykksreservoaret. Den oljebaserte ferromagnetiske væske vil således virke som selvreparerende isolator mot sjøvann. Ved tilkopling vil hanndelen fortrenge ferromagnetisk væske fra hunndelens hulrom.

Ettersom den ferromagnetiske væske står under overtrykk, repre-senterer den en langt mer effektiv barriere overfor mikro-migrasjon enn gel med samme trykk som sjøvannet.

Konvensjonelle induktive kontakter for fra- og tilkopling under vann er som nevnt sårbare selv for meget små gap mellom kontaktflatene. Dersom gapet mellom kontaktflatene derimot blir fylt med ferromagnetisk væske ifølge oppfinnelsen, vil det kunne tolereres opptil fem ganger så stort gap. (Den relative magnetiske mottakelighet eller susceptibilitet for ferromagnetisk væske kan være opptil 5). Ved tilkopling vil den fortrengte ferromagnetiske væske strømme ut i sjøvannet og hindre at partikler legger seg mellom kontaktflatene.

Oppfinnelsen forklares i det følgende i forbindelse med et par utførelsesformer som er vist på tegningene, hvor fig. 1-4 frem-stiller en første utførelsesform i tilknytning til en galvanisk undervannskontakt, mens fig. 5 viser en annen utførelsesform, her i forbindelse med en induktiv kontakt for fra- og tilkopling under vann. Like eller funksjonelt likeverdige deler er betegnet med tilsvarende henvisningstall som for utførelsen ifølge fig. 5 har fått en apostrof i tillegg. På de etterfølgende tegninger viser: Fig. 1 et aksialsnitt gjennom en hunndel for nevnte galvaniske kontakt, med påmontert reservoar for ferromagnetisk væske.

Fig. 2 et sideriss av en hanndel inngående i samme kontakt.

Fig. 3 det frie endeparti av hanndelen i fig. 2, vist i aksialsnitt og større målestokk. Fig. 4 hann- og hunndelen ifølge henholdsvis fig. 2 og 1 i sammenkoplet stilling. Fig. 5 et aksialsnitt gjennom hann- og hunndel av en induktiv kontakt, like før tilkopling eller like etter fråkopling.

Hunndelen er for begge kontaktutførelser tenkt å være en inte-grert del av en undervannsinstallasjon.

Ved utførelsen ifølge fig. 1-4 har hanndelen 1 et langstrakt, aksialt, sylinderformet hulrom 4 med en kobberkontaktring 5 nær hulrommets indre ende. Hulrommets midtre og ytre part er omgitt av fem permanentmagnetringer 14 plassert i innbyrdes aksial av-stand. Hulrommet 4 står via en tverrgående kanal 12 med tilbakeslagsventil 13 i forbindelse med et reservoar 7 for oljebasert ferromagnetisk væske 6 som holdes på et trykk litt under 1 bar over vanntrykket ved koplingsstedet. Permanentmagnetene ved hulrommets ytre del oppretter magnetfelter inne i hulrommet 4, slik at den ferromagnetiske væske stoppes av feltene selv om den har overtrykk.

De magnetiske felter virker på den ferromagnetiske væske 6 som en rekke seriekoplede trykkreduserende "ventiler" som hver tåler et bestemt differensialtrykk. Disse felt vil i det følgende også bli benevnt "ferromagnetisk ventil". På grunn av overtrykket vil den ferromagnetiske væske 6 strømme ut i hulrommet 4 og fylle det, men blir stoppet av feltene ved hulrommets ytre del, idet tilbakeslagsventilen 13 i tverrkanalen 12 hindrer tilbake-strømning til reservoaret 7, men tillater fri væskestrømning til mottsatt retning.

Hanndelen 2 (fig. 2 og 3) har form av en lukket hulsylinder, hvis frie ytterende 2a bærer en kontaktring 3 av kobber som passer sammen med kobberringen 5 innerst i hunndelens hulrom. Den strømførende ledning frem til kobberkontaktringen 3 er plassert innvendig i hanndelens hulsylinder. Hanndelens sylindervegger består av et materiale med god magnetisk ledningsevne.

Tilkopling under vann foregår ved at hanndelen 2 stikkes igjennom nevnte ferromagnetiske "ventiler" (magnetfeltene) inn i hunndelen. Ferromagnetisk væske trykkes derved ut langs gapet mellom den sylinderformede hanndel 2 og hulrommets 4 vegger. Dette forhindrer at vann og forurensninger trenger inn i hulrommet under tilkoplingsoperasjonen. Gapet mellom hulrommets vegger og hanndelen sikrer at fortrengt væske fritt kan strømme ut.

Når koplingen er på plass, vil den ferromagnetiske væske ved feltene i gapet mellom hanndelens ytre sylindervegg og hunndelens hulrommsvegg virke som flertrinns ferromagnetiske "O-ringer". Disse "O-ringer" hindrer den ferromagnetiske væske med overtrykk fra å lekke ut og er en ekstra barriere mot magnetiske væske med overtrykk fra å lekke ut og er en ekstra barriere mot mikro-inntrengning av vann. Dersom disse "O-ringer" skulle bli ødelagt, vil de bli erstattet ved at ny ferromagnetisk væske blir presset inn i feltene og holdes på plass der.

Ved fråkopling trekkes den sylinderformede hanndel 2 ut av hulrommet 4 og den ferromagnetiske væske fyller opp det rom denne derved frigir, men stoppes fra å lekke ut av magnetfeltet i den ytre del av hulrommet.

Ved den elektriske induktive kopling eller kontakt ifølge fig. 5 tjener den oljebaserte ferromagnetiske væske også til å øke den magnetiské ledningsevnen i eventuelle gap mellom hann- og hunndel, henholdsvis 2' og 1'. Prinsippet med overtrykks-reservoar 7' og innpressing av ferromagnetisk væske fra dette via tilbakeslagsventil inn i hunndelens 1' hulrom 4' er som ved utførelsen ifølge fig. 1-4. Den ferromagnetiske væske vil yte beskyttelse til hunndelen også når kontakten befinner seg i frakoplet tilstand.

Denne kontakt er utformet slik at eventuelle gap mellom ferritt-kjernene, henholdsvis 16 og 18, i hanndel 2' og hunndel 1' etter tilkopling blir fylt med ferromagnetisk væske 6 med høy magnetisk susceptibilitet. Væskens relative susceptibilitet vil være ca. 5. De to ferrittkjerners 16 og 18 viklinger er betegnet med henholdsvis 17 og 19.

En relativ susceptibilitet på 5 betyr at for samme krav til dem-ping kan det med ferromagnetisk væskefylling tolereres et fem ganger så stort gap.

I utilkoplet tilstand er hunndelen l<1> fylt med ferromagnetisk væske som blir holdt på plass med permenentmagneter 14'. Dette hindrer inntrengning av forurensninger som igjen kunne ha ført til gap ved tilkopling.

Denne kontakt er utformet slik at de to kontaktflatene mellom hann- og hunndel blir størst mulig. Den magnetiske motstand i et gap er omvendt proposjonal med kontaktarealet. For dette formål er hanndelens 21' innstikksorgan, ferrittkjernen 16, utformet som to konsentriske sylindervegger, mens hunndelens 1' hulrom er motsvarende utformet, nemlig som to konsentriske hulsylindre 4'

(ringspor med stor dybde). Den magnetiske fluks må passere gjennom to koplingsflater, slik at banen for fluksen må gå igjennom viklingene fra den ene koplingsflate til den andre. Ved hanndelen 2' vil yttersiden av den ytre og innersiden av den indre sylindervegg 16 representere kontaktflatene.

De to utfreste ringspor 4', som utgjør hunndelens hulrom, står i forbindelse med et reservoar 7' av ferromagnetisk væske 6 med et visst overtrykk. Væsken 6 presses ut i de to ringsporformede hulrom 4', men blir stoppet av feltene fra permanentmagnetene 14' som er anbrakt i form av ringer på begge sider av hulrommene. Der er i alt tre permanentmagnetringer, hver med to polskoringer.

Reservoaret 7; 7', som i form av en beholder med for eksempel sylindrisk form er montert på hunndelen 1; 1', har i de illu-strerte utførelseseksempler en innbygd, tverrettet membran 8, som eventuelt under mellomkopling av en trykkplate 9 påvirkes av en trykkskruefjaer 10 i retning mot hunndelen. Over membranen 8 er reservoaret utstyrt med et hult, fleksibelt, sammentrykkbart (elastisk deformerbart) legeme 11 inneholdenede et fluidum, fortrinnsvis oljebasert ferromagnetisk væske. Når dette hullegeme 11 på et visst vanndyp blir presset sammen under vanntrykkets innvirkning, blir en større eller mindre andel av det fluidum det opprinnelig inneholdt trykket inn i det kammer av reservoaret 7 som ligger over membranen 8, hvor det i likhet med fjærorganet 10 vil utøve en trykkpåvirkning av denne og den underliggende ferromagnetiske væske 6 i retning mot hunndelens hulrom. Trykkskrue-fjæren 10 er ikke avhengig av trykket i det omgivende sjøvann og vil således også utøve sin funksjon på grunnere vann.

Claims (5)

1. Anordning for beskyttelse av elektriske undervannskontakter mot inntrengning av sjøvann, særlig galvaniske kontakter og induktive kontakter som er innrettet for fra- og tilkopling under vann samt er av den art som omfatter en stort sett tappforraet del eller hanndel (2; 2') og en stort sett hylseformet del eller hunndel (1; 1'), hvor sistnevnte er utformet med hulrom (4; 4') til opptakelse av hanndelens (2; 2') motsvarende innstikksorgan under sammenkopling, idet nevnte hulrom inneholder eller kan fylles med et stoff som skal motvirke vanninntrengning, karakterisert ved at hunndelen (1; 1') er tilordnet en reservoar (7; 7') for ferromagnetisk væske (6) under trykk, hvilket reservoar (7; 7') står i forbindelse (12; 12') med hunndelens hulrom (4; 4') for fylling og etterfylling av nevnte hulrom, henholdsvis spalten mellom hanndelens innstikksorgan og hulrom-veggen(e) etter sammenkopling, med ferromagnetisk væske (6) som har et trykk som overstiger trykket i det omgivende sjøvann, i den hensikt å hindre inntrengning i hunndelens hulrom ved frakoplet kontakt, henholdsvis i den sammenkoplede kontakt, idet permanentmagnetorgan (14, 14') som omslutter hunndelens hulrom, hindrer at den ferromagnetiske væske lekker ut i det omgivende sjøvann.

2. Anordning i samsvar med krav 1, hvor undervannskontakten er en galvanisk kontakt, og hvor hunndelens (1) hulrom utgjøres av en aksial, langstrakt, sylinderformet boring (4) til opptakelse av hanndelens (2) motsvarende, tappformede innstikksorgan under dannelse av en smal spalte, for eksemple opptil 5 mm, mellom hulrommsvegg og innstikksorgan, karakterisert ved en flerhet, for eksempel 5-6, permanentmagneter (14) som er anordnet koaksialt etter hverandre med innbyrdes mellomrom i hunndelens (kontaktens) aksialretning, idet de magnetiske felt fra hver permanentmagnet, som i ringform omslutter hunndelens hulrom, oppretter en hydrostatisk trykkøkning i den ferromagnetiske væske (6) for å hindre at denne lekker ut i det omgivende sjøvann.

3. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved en induktiv kontakt, hvor hunndelen (1') er utformet med minst to konsentriske, ringformede hulrom (4') for fylling med ferromagnetisk væske under trykk og til opptakelse av motsvarende innstikksorgan (16) av magnetisk ledende materiale (ferritt) av hanndelen (2"), idet det i hunndelen (I'), i nærheten av dennes mot hanndelen (2') vendte ende, er innbygd konsentriske permanentmagnetringer (14'), ved to konsentriske ringformede hulrom (4') tre permanentmagnetringer, hver med to polskoringer, idet permanentmagnetene (14'), foruten å hindre utlekking av den ferromagnetiske væske (6) i sjøvannet, ved en induktiv undervannskontakt også tjener til å øke den magnetiske ledningsevne i gapet mellom hann- og hunndel.

4. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det i forbindelseskanalen (12) mellom reservoaret (7) og hunndelens hulrom er satt inn en tilbakeslagsventil (13) som tillater fremstrømning av ferromagnetisk væske (6) under trykk fra reservoaret til hunndelens hulrom, men hindrer væskestrømning i mot-satt retning.

5. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at reservoaret (7; 7'), som i form av en eksempelvis sylindrisk beholder er anbrakt på hunndelen (1; l<1>), er forsynt med en innbygd, tverrgående membran (8), som eventuelt under mellomkopling av en trykkplate (9) påvirkes av fjærorgan (10), idet reservoaret over membranen (8) er utstyrt med et hult, fleksibelt sammentrykkbart (elastisk deformerbart) legeme (11) som inneholder et fluidum, fortrinnsvis ferromagnetisk væske på oljebasis, som når hullegemet (11) presses sammen ved sjøvannstrykkets innvirkning, trykkes inn i reservoaret over membranen og utøver trykkpåvirkning på denne.