NO159426B - Elektrisk flatkabel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en elektrisk flatkabel, hvis ledere er omgitt av en felles ytre trykkfast mantel, idet det mellom lederne er anordnet trykkfaste og stive støttedeler som har-flere normalt på ledningsplanet og i innbyrdes avstand anordnede slisser, idet støttedelene består av U-profiler som ligger med sine bunnavsnitt mot hverandre og det mellom den lederne delvist omgripende U-profil og lederen er anordnet et beskyttelsesinnlegg.

Elektriske kabler som benyttes i oljebrønner må kunne tåle og virke tilfredsstillende under ekstremt krevende betingelser med hensyn til varme og mekaniske påkjenninger. Omgivelses-temperaturen i brønner er ofte høy og I<2> x R-tapet i kabelen betyr ytterligere oppvarming av omgivelsene. Levetiden til en kabel er ansett å være omvendt proporsjonal med drifts-temperaturen. Det er således vesentlig at man kan fjerne varme fra kabelen når den befinner seg i sitt arbeidsmiljø.

Kabler utsettes for mekaniske påkjenninger på mange måter. Det er vanlig å feste kablene til oljepumpeledninger som senkes ned i en brønn. Festingen skjer ved hjelp av bånd som kan bevirke knusing av kablene, med alvorlige skader på kabel isolasjonen og redusering av kabelstyrken. Kablene utsettes også for aksial strekk og sideveis rettede slagpåvirkninger under bruk.

Det er derfor vanlig å forsyne slike kabler med en ytre metallarmering og å legge de enkelte ledere inn i materiallag som velges for å øke styrken til kabelen og sikre den mot ødeleggelse av isolasjonen, men slike tiltak er ofte ikke tilstrekkelig til å gi den nødvendige beskyttelse.

Et ytterligere problem oppstår i forbindelse med trykkene nede i brønnhullet. Disse trykkene kan gå opp til flere hundre bar. Vanligvis vil isolasjonen rundt lederne i en kabel inneholde mikroporer som gass presses inn i ved de høye trykk som det her er tale om. Når en kabel trekkes relativt raskt ut fra brønnen, vil poretrykket ikke ha tilstrekkelig tid til avlastning og som følge herav vil isolasjonen få en tendens til å ekspandere som en ballong og kan da brytes i stykker, slik at kabelen deretter blir ubrukbar.

Fra DE-OS 33 22 103 er det kjent en flatkabel som innbefatter en langstrakt trykkmotstandsdyktig del med god termisk ledningsevne. Denne del ligger ved siden av lederisoleringen. Denne del innbefatter en kanaldel med to i hovedsaken parallelle elementer eller ben som overspennes av et i tverretningen eller loddrett forløpende ben. Delen er slisset for derved å gi delen en nødvendig fleksibilitet som muliggjør en bøying med stor radius. De parallelle ben kan strekke seg mot en hosliggende leder, hvorved kanaldelen går et U-tverrsnitt. Mellom kanalens 3 partier og det ytre isoleringslag for den hosliggende leder kan det være anordnet et bøyelig glatt innlegg som dekker slissene og derved beskytter den underliggende isolasjon mot gnidningslitasje relativt slisskantene under bøyingen av kanaldelen.

Visse anvendelser kan kreve enda større motstand mot gjentatte slagpåkjenninger og høye kompresjonskrefter enn den man kan oppnå med et slikt kanalelement. Slike ekstreme krefter kan bevirke en innoverrettet bøying av et eller begge kanalben, fordi disse krefter vanligvis virker i plan som går i hovedsaken perpendikulært på benenes plan og eksentrisk i forhold til festeplanene mellom disse ben og kanalens sentrale bæreben.

Fra US-PS 2.544.233 er det kjent en flatbåndkabel, hvor det mellom to ledere er anordnet en kunststofffylldel som har kamlignende fremspring som griper inn i den ytre mantel.

Denne fylldel er ikke egnet til i tilstrekkelig grad å oppta høye trykkrefter som virker i rett vinkel på ledningenes plan. Fylldelen er ikke fremstilt av et stivt materiale og griper ikke over lederne.

Fra DE-PS 10 20 074 er det kjent en elektrisk oljekabel med to ved siden av hverandre liggende Isolerte ledere. Kabelen er forsynt med støtteelementer som samvirker med lederne for å hindre en membranlignende bevegelse (pusting av mantelen) på kabelens flatsider. Støtteelementene består av to T-profilstrenger hvis tverrhoder ligger an mot mantelen. De innoverrettede stolpepartier til T-profilen avstøtter seg mot ledernes omhyllinger og de har ingen innbyrdes forbindelse. Et utenfra virkende trykk oppfanges derfor av lederne. Ved høyere trykkpåvirkninger vil ledeisolasjonen derfor kunne skades.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en elektrisk flatkabel som er motstandsdyktig mot mekanisk kraftpåvirk-ning, samtidig som den er fleksibel.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen derved at de to en respektiv innvendig liggende leder overgripende U-profiler har en større tverrsnittsflate enn de ytre U-profiler.

Som følge herav vil flatkabelen få en høy trykkmotstands-kraft. I tillegg oppnås den fordel at de respektive utvendig eller ytterst liggende ledere får en kraftigere isolering. Dessuten muliggjør oppfinnelsen mindre metallforbruk under kabelens fremstilling, fordi den ytre mantel tilveiebringer et virksomt trykk mot de to ytre kanaldeler og således vil motvirke en deformering som oppstår som følge av dekompre-sjonskrefter. Materialreduseringen bidrar fordelaktig også til at det oppnås en større fleksibilitet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et perspektivutsnitt av en kabel ifølge oppfinnelsen hvor den ytre beskyttelsesmantel er delvis fjernet, fig. 2 viser et sideriss av en ytre isolert leder i kabelen i fig. 1, sett i retning av pilen 2, og figuren viser en beskyttende foring blant

kanalelementet,

fig. 3 viser et snitt gjennom et kanalelement for beskyttelse av en ytre kabelleder, idet snittet

er tatt etter snittlinjen 3-3 i fig.l,

fig. 4 viser et snitt gjennom en foring for bruk inne i

kanalelementet i fig. 3,

fig. 5 viser et snitt gjennom en sammensatt foring og kanalelementet for hver av de to ytre kabel-ledere, etter snittlinjen 5-5 i fig. 2, og

fig. 6 viser et snitt gjennom en kabel ifølge oppfinnelsen .

Fig. 1 viser en kabel 10 utført ifølge foreliggende oppfinn-else. Kabelen egner seg særlig godt for bruk i meget krevende omgivelser, eksempelvis i oljebrønner, hvor en kabel utsettes for høye temperaturer og høye trykk samt meget kraftige kompresjonskrefter og slagpåvirkninger, eksempelvis med hammere eller andre verktøy.

Kabelen 10 har en ytre metallmantel 11. Denne omgir flere individuelt isolerte ledere 12,13 og 14. For at kabelen skal ha den viste flate form, som foretrekkes for bruk i olje-brønner, er lederne anordnet slik at deres senterlinjer ligger parallelt med hverandre og i hovedsaken i samme plan.

Mantelen 11 er fremstilt av metallbånd som er viklet rundt lederne 12,13 og 14 med vanlig skruevikling. De ved siden av hverandre plasserte ledere har en betydelig lengde, alt etter behov, og i fig. 1 er således en meget kort kabellengde vist. Når kabelen 10 som vist består av tre ledere er hver av de to ytre lederne 12 og 14 i det minste delvist omgitt av et respektivt kanalelement 20.

Kanalelementet 20 er av et materiale som gir elementet et relativt stivt tverrsnitt. Materialet har god termisk ledningsevne, spesielt gjelder at den termiske ledningsevne i det minste er større enn den termiske ledningsevne til lederens isolasjon. Fiberfylte karbonkomposisjoner egner seg godt for formålet, og slike materialer har også god kompre-sjonsmotstand. Metaller, såsom stål og aluminium egner seg også, og det samme gjelder for metallfylte herdbare polymere materialer.

Som best vist i fig. 3 har hver kanal 20 i hovedsaken et U-tverrsnitt tilformet av et par ben 21 og 22. Disse er i hovedsaken flate, går parallelt med hverandre og horisontalt som sett i fig. 1 og 2, slik at de er tilpasset til de respektive øvre og nedre flate partier av metallmantelen 11. Kanalene 20 kan være kappet av en kontinuerlig streng av et flatt utgangsmateriale, og kan så være bøyet til den ønskede U-tverrsnittsform. De sideveis rettede ben i elementene 20 er forbundne med hverande ved hjelp av et stivt vertikalt ben 23. Dette benet er litt lengre enn lederens og tilhørende isolasjons samlede diameter. Man ser at tverrsnittsformen til hvert element 20 er den til en i hovedsaken U-formet kanal, idet benene 21 og 22 ligger mot utsiden av kabelen og strekker seg omtrent frem til et vertikalplan som er tenkt lagt gjennom senterlinjen til lederne 12 eller 14. Benene 21 og 22 strekker seg således ut fra det vertikale ben 23, en strekning som er omtrent lik den maksimale radien til lederen pluss dens isolasjon. Knusekrefter som virker på kabelens mantel 11, særlig i retninger perpendikulært på kabelens 10 lengdeakse, vil opptas av kanalelementene 20. Som nevnt er elementene 20 utført med stive tverrsnitt, og de vil derfor motvirke krefter som ellers ville kunne ødelegge lederisolasjonen. Når kabelen således er festet til f.eks. en brønn-hullsledning eller en oljepumpemotor ved hjelp av metallbånd eller- stropper, en situasjon som ofte bevirker knusepåvirk-ning på kabelen, vil festebåndene virke mot utsiden av mantelen eller armeringen 11, og de stive kanalelementene 20 vil hindre at innoverrettede istykker-brytningskrefter overføres til det eller de underliggende lag av Isolasjon.

Kanalelementene 20 bør også ha en viss fleksibilitet og ettergivenhet i to retninger, slik at kabelen kan bøyes med stor radius, noe som ofte er nødvendig når kabelen skal installeres på bruksstedet. Denne fleksibiliteten tilveie-bringes derved at en første rekke av spor 30 (fig. 2) strekker seg innover gjennom hvert av kanalbenene 21 og perpendikulært gjennom benet 23, idet sporene slutter omtrent i overgangsbøyen mellom benet 23 og det motliggende ben 22. Sporene 30 er anordnet med i hovedsaken jevne avstander i kanalelementets lengderetning, og sporene deler kanalelementet 20 opp i en rekkefølge av Individuelle, med hverandre fleksible forbundne kanalsegmenter. Mellom sporene 30 er det som vist anordnet en andre rekke avspor 31. Disse sporene strekker seg perpendikulært inn i kanalelementene gjenom benet 22 og frem til bøyen hvor benet 21 møter benet 23. Sporene 31 har også en i hovedsaken lik avstand regnet i kabelens lengderetning, og sporene 31 ligger omtrent midt mellom de førstnevte respektive spor 30. Sporene 30 og 31 strekker seg således vekselvis innover gjennom benene 21 og 22 og gir kanalelementene 20 en stor fleksiblitet i to retninger i hovedplanet for en eventuell kabelbøying, dvs. 1 et plan perpendikulært på et plan som går gjenom senter-linjene til kabellederne 12,13 og 14.

Hver av lederne 12 og 14 kan være av slåtte tråder eller av massivt metallmateriale, som best vist i fig. 1 og 5 er hver leder omgitt av ett eller flere konsentriske lag av egnet elektrisk isolasjon. To slike isolerende lag er vist og betegnet med henholdsvis 34 og 35 i fig. 5. Lagene 34 og 35 kan vanligvis bestå av plast- eller gummikomponenter som er relativt myke og som derfor kan skjæres opp eller slites ned ved gnidningskontakt eller annen direkte kontakt med hårdere eller stivere flater, eksempelvis slike flater som forefinnes i de kraftmotstandsdyktige kanalelementer 20. Slike inn-skjæringer eller nedslipinger av lederisolasjonen kan skade kabelen vesentlig og adelege isolasjonen.

Særlig gjelder at sporene 30 og 31 kan ha skarpe kanter og hjørner på innsiden av kanalelementene 20, og disse kantene og hjørnene kan slite på det myke isolasjonslag 35 som har kontakt med elementene 20, særlig når elementet 20 er av stål eller aluminium.

For å hindre en slik nedsliping er det i U-en til hvert kanalelement 20 lagt Inn en foring. Foringen 40 har en i hovedsaken plan side som ligger an mot innsiden av benet 21, og har en motliggende planside son ligger an mot innsiden av benet 22. Ved den tredje planside ligger foringen an mot Innsiden av benet 23. foringen har en i tverrsnitt halvsirku-lær flate 46 som er tilpasset den sylindriske etterisolasjon 35. Hver foring 40 er utført tilstrekkelig kontinuerlig til at den kan overspenne de innvendige hjørner og kanter som dannes av sporene 30 og 31, slik at disse kanter og hjørner således hindres i å få direkte kontakt med isolasjonen rundt den underliggende lederkjerne.

Foringene 40 er fortrinnsvis litt fleksible slik at de kan bøye seg i buer sammen med de tilhørende kanalelementer 20, i retningen i hovedsaken perpendikulært på hovedbøyeplanet. Ved bruk i oljebrønner består foringene 40 fordelaktig av et materiale som har god termisk ledningsevne for derved å kunne avlede varme i kabelen 10 til omgivelsene. Foringsmaterialet bør være relativt flatt slik at det kan gli mot isolasjonen 35, særlig under bøyinger. Et egnet metallmateriale er bly. Bly har en glatt overflate som letter glidebevegelse mot de relativt ettergivende lsolasjonslag, og bly har samtidig god termisk ledningsevne. Andre egnede metallmaterlaler eller ikke metallmaterlaler kan også benyttes for foringene. Foringene gir en beskyttelse for isolasjonen rundt lederne mot kontakt med og mulige angrep fra isolasjonsdegraderende og korrosive kjemikalier.

Ved å tilforme- hvert av de kraftmotstandsdyktige elementer som en sammensetning av en flat kanal 20 og en foringskom-ponent 40 som kan legges inn i kanalen 20, kan fremstillingen av elementene lettes. På samme måte som for kanalelementene 20 de enkelte foringer 40 fremstilles ved kapping i egnede lengder fra en lengre kontinuerlig streng av foringsmateri-ale, hvilken streng er gitt en egnet dimensjon og form.

Foringene 40 kan være fastmontert i de respektive kanaler 20 ved hjelp av innpressing, halvlukking eller preging innover av små flateområder på benene 21 og 22, slik at det dannes innoverragende fremspring eller pigger 46. I mot hverandre vendte fremspring 46 samvirker for mellom hverandre å gripe foringens øvre og nedre flater som presses inn i kanalelementet, med den konkave flaten 45 vendt i samme retning som kanal-U'ens åpning.

Den sentrale leder 13 er beskyttet av et par motsatt rettede kanaler 20' og et par motsatt rettedefopringer 40'. Hver foring er som best vist i fig.l og 6 langt inn i en kanal. Kanalene 20' har i hovedsaken U-form og kan være av samme materiale som av de foran beskrevne kanaler 20. De motsatt rettede foringer 40' er utformet med samme form som foringene 40 og kan være av det samme materiale som i disse. Hver av foringene 40' holdes fast i en tilhørende kanal 20<*> ved hjelp av flere pigger 46'. Disse piggene svarer til de forannevnte pigger 46.

Den sentrale leder 13 er omgitt av et primærlag av isolasjon 34', som regel med samme oppbygging som det foran nevnte beskrevne primærlag 34. Laget 34' er dekket med et tynt lsolasjonslag 35', og også dette vanligvis av samme art som det foran beskrevne sekundære lag 35.

Av det forangående vil det gå frem at yttermantelen og kanalelementene tjener til å beskytte lederisolasjonen og derved også kabelen mot skader som skyldes vertikale knusekrefter, horisontale eller kapp-slag-påkjenninger samt mot skader som skyldes dekompresjonsekspansjon.

Kanalelementenes vertikale ben øker knusemotstandsevnen i vesentlig grad, og dette gjelder også når tykkelsen til de vertikale kanalben i de ytterste kanalelementer 20 bare er omtrent halvparten av tykkelsen i de sentralt plasserte kanalelementer 20'. Da de to ytre kanalelementer 20 således kan gis redusert tverrsnittstykkelse, blir det mulig å anordne tilsvarende mer isolasjon i lagene 34 og 35 som omgis av de relativt sett tynne kanalelementer 20, dvs. mer isolasjon enn det er plass til i den relativt tykkere kanal 20', og dette kan skje uten vesentlig øking av kabelens 10 totale tykkelse.

Den ekstra lsolasjonstykkelse for lagene 34 og 35, sammenlig-net med lagene 34' og 35',kan tjene til å gi større mot-standsevne mot kantslagpåvirkninger og som følge herav vil det være større sannsynlighet for at isolasjonslagene 34 og 35 vil kunne bebeholde en minste effektiv tykkelse og integritet selv når kabelens 10 kant utsettes for slag. Under visse trinn ved fremstillingen, og særlig når kabelen 10 forsynes med mantelen derved at det vikles på metallbånd, kan ett eller flere av isolasjonslagene forskyves i lengde-retningen eller radielt, eller deformeres på annen måte. Det er derfor fordelaktig å ha en ekstra tykkelse av i det minste det primære isolasjonsmateriale 34 rundt de ytre lederne 12 og 14, slik at man alltid vil være sikret at i det minste primærisolasjonen har en nødvendig minstetykkelse.

Dekompresjonsbrudd kan oppstå når de primære isolasjonslag 34 og 34' ekspanderer som følge av at innesluttet trykkgass forsøker å trenge ut. Denne ekspanderende gass vil ha en tendens til å presse isolasjonen utover og bevirke at isolasjonen presses mot kabelens 10 fremre ende og også mot armeringene 11. Vanligvis vil imidlertid horisontalkraftkom-ponenten til disse kreftene være utbalansert 1 kabelene slik at det ikke skjer noen netto forskyvning av isolasjonen 34 eller 34' i horisontalretningen. Kraftkomponentene i vertikalretningen er imidlertid radielt rettet og således perpendikulært på kabelens 10 lengdeakse, og disse kraftkomponentene har en tendens til å trykke isolasjonen mot kanalelementenes 20 tynne parallelle ben 21 og 22. I ekstreme tilfeller ville store radielt rettede kraftkomponenter som oppstår under dekomprimeringen kunne drive de tynnere kanalben tilstrekkelig fra hverandre, slik at Isolasjonslagene 35 og/eller 34 ville kunne kantflyte rundt et ledd utover forskjøvet ben 21 eller 2,, og i slike tilfeller bevirke fullstendig istykkerbrytning av lagene 35 og/eller 34, men mantelen 11 vil hindre dette. Muligheten for isolasjonsbryt-ing er størst for den sentrale leder 13 fordi mantelen 11 her ikke gir noen særlig motkraft som kan hindre en utoverrettet forskyvning av kanalelementenes 20' parallelle ben 21' og 22'. Derfor er de sentrale kanalelementer 20' gjort tykkere enn de ytre kanalelementer 20. Vanligvis vil tverrsnitts-dimensjonene til benene 21 eller 22' i de sentrale kanalelementer 20' være dobbelt så stor som for benene 21 eller 22 i elementene 20.

De ytre kanalelementer 20, som befinner seg langs ytterkant-ene til kabelen 10 vil være understøttet av radielt innoverrettede holdekrefter fra kabelens mantel 11, fordi kabelmant-elen eller armeringen er viklet rundt kabelen slik at kanalelementenes 20 parallelle ben 21 og 22 gis støtte mot utoverrettet forskyvning. Det er derfor disse kanalelementer 20 kan gjøres tynnere enn de sentrale kanalelementer 20' og allikevel kan påregnes å kunne tåle de samme dekompresjons-krefter.

Foreliggende kabelkonstruksjon gjør det også mulig å anvende mindre metallmaterlaler under fremstillingen av kanalelementene 20, fordi yttermantelen 11 gir en effektiv holdekraft for disse kanalelementer mot deformasjon som skyldes dekompre-sjonskrefter. En ekstra fordel er derfor at kanalelementene 20 kan gjøres tynnere enn kanalelementene 20', og dette bidrar til å øke kabelens 10 totale fleksibilitet.

Claims (1)

1. Elektrisk flatkabel, hvis ledere er omgitt av en felles ytre trykkfast mantel, idet det mellom lederne er anordnet trykkfaste og stive støttedeler som har flere normalt på ledningsplanet og 1 innbyrdes avstand anordnede slisser, idet støttedelene består av U-profller som ligger med sine bunnavsnitt mot hverandre og det mellom den lederne delvist omgripende TJ-profil og lederen er anordnet et beskyttelsesinnlegg, karakterisert ved at de to en respektiv innvendig liggende leder (13) overgripende U-profller har en større tverrsnittsflate enn de ytre U-profiler.