NO20100926L - Umbilical - Google Patents

Abstract

Navlestreng (1) for bruk i offshoreproduksjonen av hydrokarboner omfattende en sammenstilling av funksjonsmessige elementer, hvor minst ett av de funksjonsmessige elementer omfatter en elektrisk kabel, og hvor nevnte elektriske kabel (2, 3) er innesluttet i et rør, idet nevnte rør (2e, 3e) er tilpasset for å påføre en radiell trykkraft på kabelen, hvorved røret er i stand til å bære vekten av den elektriske kabel i en aksiell retning.

Description

Navlestreng

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en navlestreng for bruk i offshore produksjon av hydrokarboner, og særskilt til en kraftnavlestreng for bruk innen dypvannsanven-delser.

En navlestreng består av en gruppe av én eller flere typer langstrakte aktive navle-strengelementer, som for eksempel elektriske kabler, optiske fiberkabler, stålrør og/eller slanger som er lagt sammen for fleksibilitet, overmantlet og, etter behov, ar-mert for mekanisk styrke. Navlestrenger brukes typisk for overføring av kraft, signaler og fluider (for eksempel for fluidinjeksjon, hydraulikkraft, gassutslipp etc.) til og fra en undervannsinstallasjon.

Navlestrengens tverrsnitt er vanligvis sirkelformet, med de langstrakte elementer vik-let sammen enten i et spiral- eller et S/Z-mønster. For å fylle de tomme mellomrom mellom de forskjellig navlestrengselementer og oppnå den ønskede utforming, kan fyllkomponenter inkluderes i mellomrommene.

API (American Petroleum Institute) 17E "Specification for subsea umbilicals" ("Spesifi-kasjon for undervanns navlestrenger") tilveiebringer standarder for konstruksjon og fremstilling av slike navlestrenger.

Undervanns navlestrenger installeres på økende vanndyp, svært ofte dypere enn 2000 m. Slike navlestrenger må kunne motstå økende, barske belastningsforhold i løpet av installasjonen og levetiden.

De viktigste lastbærende komponenter som er i stand til å motstå aksialbelastningene som forårsakes av vekten av og bevegelsene av navlestrengen er stålrør (se US6472614, W093/17176 og GB2316990), stålstenger (se US6472614), kompo-sittstenger (se WO2005/124213), eller strekkarmeringslag (se figur 1 i US6472614). De andre elementer, dvs. de elektriske og optiske kabler, termoplastslangene, ytre polymermantler og eventuelle polymere fyl Ikorn ponenter, bidrar ikke i vesentlig grad til navlestrengens strekkstyrke.

Elektriske kabler som brukes i undervanns navlestrenger faller i to atskilte kategorier henholdsvis kjent som kraftkabler og signalkabler.

Kraftkabler brukes for overføring av store elektriske kraftmengder (typisk noen MW) til kraftig undervannsutstyr som for eksempel pumper. Kraftkabler er vanligvis dimensjonert som mellomspenningskabler for mellom 6kV og 35kV. En typisk kraftkabel iføl-ge kjent teknikk er anskueliggjort i figur 1 i de vedlagte tegninger. Innenfra og utover omfatter den en midtre kopperleder 2a, tre halvledende og elektrisk isolerende lag 2b, en metallfolieskjerm 2c og en utvendig polymerkappe 2d. Den midtre leder 2a har vanligvis en flertrådet oppbygging og et stort tverrsnitt som typisk omfatter mellom 50mm<2>og 400mm<2>. Trefasekraft kan tilveiebringes ved hjelp av tre slike kabler buntet sammen inne i navlestrengskonstruksjonen.

Signalkabler brukes vanligvis for overføring av signaler og mindre strømmengder (<lkW) til elektriske anordninger på havbunnen. Signalkabler er dimensjonert vanligvis for spenninger mindre enn 3000V, og typisk mindre enn 1000V. Signalkabler består vanligvis av isolerte ledere med lite tverrsnitt buntet sammen i par (2) eller firere (4) eller, meget sjelden hvilket som helst annet antall, og hvor nevnte bunt overmant-les ytterligere.

Et eksempel på en fireleders signalkabel ifølge kjent teknikk er anskueliggjort i de vedlagte tegningers figur 2. Figur 2 viser fire flertrådete kopper ledere 3a av mindre størrelse som er overmantlet ved hjelp av polymerisolasjonslag 3b og spiralbuntet sammen. Et polymerfyllmaterial 3c tilsettes for å fylle tomrom i bunten og for å oppnå en sylindrisk form. Denne anordning omgis valgfritt av en elektromagnetisk skjerming 3g laget av en omviklet kopper- eller aluminiumfolie. En ytre polymerkappe 3d beskyt-ter kabelen mot mekanisk skade og vanninntrenging.

Kopperlederne i elektriske kabler er ikke lastbærende komponenter på grunn av kop-pers lave strekkfasthet. Disse kopperledere øker faktisk bare navlestrengens vekt. Med mindre de beskyttes kan derfor disse elektriske ledere skades av overdreven for-lengelse eller sammenklemming, spesielt under barske forhold som for eksempel på dypt vann og/eller i dynamiske navlestrenger.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å løse dette problem og tilveiebringe en navlestreng som omfatter kraftkabler og/eller signalkabler som kan brukes i dynamiske applikasjoner og/eller dypvannsapplikasjoner.

En kjent teknikks løsning på dette problem består i å forsterke hver elektriske kabel ved å spiralvikle rundt den i det minste et lag med stålarmeringstråder som et armeringslag. Figur 3 i de vedlagte tegninger anskueliggjør en signalkabel ifølge kjent teknikk som likner den som er fremstilt i den vedlagte figur 2, men som i tillegg omfatter et slikt armeringslag 3h, vanligvis plassert under den ytre polymerkappen 3d. Arme-ringsprosessen er imidlertid kostbar og tidkrevende.

US2006/0193572 beskriver en dypvanns navlestreng som omfatter en elektrisk signalkabel som er beskyttet av et stålrør som omhyller den. Stålrørets indre diameter er større enn kabelens ytre diameter slik at det er et gap derimellom. Stålrøret isolerer kabelen fra innvirkning av overdreven friksjon og knusing under harde belastningsforhold. Kabelen lever sitt eget liv inne i stålrøret og henges av uavhengig av navlestrengens avhenging. Dette er imidlertid ikke egnet for de fleste undervannsnavle-strenger, og helt opplagt for ikke-forsterkede høy kraftkabler. Slike kraftkabler er faktisk ikke i stand til å tåle sin egen vekt, og på grunn av gapet mellom røret og kabelen, blir strekkbelastningen, på grunn av kabelens vekt, ikke tilfredsstillende over-ført fra kabelen til røret for å sette røret i stand til å bære vekten av kraftkabelen.

I henhold til ett aspekt ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en navlestreng for bruk ved offshoreproduksjon av hydrokarboner, omfattende en sammenstilling av funksjonselementer der minst ett av funksjonselementene er en elektrisk kabel, og der nevnte elektriske kabel er innesluttet i et rør, idet nevnte rør er tilpasset for å påføre den elektriske kabel en radiell trykkraft, hvorved røret er i stand til å bære vekten av den elektriske kabel i en aksiell retning.

Fortrinnsvis er røret tilpasset for å påføre nevnte trykkraft til den elektriske kabels ytre overflate langs hele eller hovedsakelig hele kabelens lengde.

I en foretrukket utførelse tildannes nevnte rør av et stivt eller hovedsakelig stivt materiale. Fortrinnsvis omfatter

røret et metallisk rør, for eksempel et stålrør.

I en andre utførelse omfatter røret et rør av ikke-jernholdig metall, for eksempel laget av høyfaste aluminiums- eller kopperlegeringer.

I en tredje utførelse omfatter røret et rør av komposittmateriale, for eksempel et rør som inneholder karbonfibre, aramidfibre eller glassfibre.

Røret kan også være en kombinasjon av nevnte materialer, og/eller omfatte ett eller flere lag av nevnte materialer.

Røret virker således som et lastbærende lag på en liknende måte som et armerende ytterlag og øker aksialstyrken og stivheten av den elektriske kabel for dypvannsapplikasjoner.

Tilveiebringelsen av røret forbedrer også den elektriske kabels motstand mot aksiell sammentrykking og reduserer således risikoen for bulking eller buktning av kabelen, og øker levetiden for kabelen i dynamisk belastede navlestrenger.

En annen fordel med den foreliggende oppfinnelse er at navlestrengens knusingsgren-se kan økes og således lette offshore installasjon ved bruk av en vertikal beltemater implementert på et installasjonsfartøy, kjent som et "vertikalutleggingssystem". Faktisk kan rørveggtykkelsen konstrueres for å beskytte kabelen mot knusningsbelast-ningen som påføres av en slik beltematers puter. Det er derfor mulig å øke navlestrengens knusningsgrense, noe som letter installeringen av den på viktige vanndyp.

Fortrinnsvis er røret helt eller hovedsakelig vanntett slik at den elektriske kabel kan konstrueres for tørre forhold i stedet for et oversvømt forhold, og dette fører således til forenklet konstruksjon og kostnadsreduksjoner for selve kabelen. Røret kan også virke som en effektiv barriere mot inntrenging av gass, spesielt hydrogen, fra utsiden til innsiden av den elektriske kabel, for således å unngå de skadelige virkninger av hydrogengass som sirkulerer langs lederne.

Den foreliggende oppfinnelses navlestreng kan omfatte en flerhet elektriske kabler, hvor én eller flere slike elektriske kabler, fortrinnsvis hver slik kabel er innesluttet i ett eller flere korresponderende rør, og/eller hvor én eller flere samlinger eller seksjoner av slike elektriske kabler, fortrinnsvis hver slik samling eller seksjon, er innesluttet i ett eller flere korresponderende rør.

I henhold til et ytterligere aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for fremstilling av en navlestreng for bruk ved produksjon av hydrokarboner offshore, som omfatter en sammenstilling av funksjonsmessige elementer der minst ett av de funksjonsmessige elementer omfatter en elektrisk kabel, idet fremgangsmåten i det minste omfatter trinnet å danne et tettsittende rør rundt den elektriske kabel, slik at nevnte rør er tilpasset for å påføre en radiell trykkraft på kabe len, hvorved røret er i stand til å bære vekten av den elektriske kabel i en aksiell retning.

Fortrinnsvis omfatter fremgangsmåten langsgående folding av en metalltynnplate rundt den elektriske kabel og sammenskjøte mot hverandre liggende eller tilstøtende sideområder av tynnplaten for å danne nevnte tettsittende rør rundt nevnte kabel.

Fremgangsmåten kan omfatte det ytterligere trinn å redusere rørets diameter for å påføre eller ytterligere påføre nevnte radielle trykkraft mot den elektriske kabels ytre overflate. Nevnte trinn med å redusere rørets diameter kan oppnås ved hjelp av en kaldtrekkings- aller kaldvalsingsprosess, hvor røret og kabelen inne i røret trekkes gjennom en form eller ett eller flere valsesett.

Fremgangsmåten kan videre omfatte tilveiebringelse av et fyllmaterial mellom nevnte kabel og nevnte rør.

I en alternativ utførelse kan kabelen legges inn i et forformet rør og den nødvendige trykkpasning oppnås ved hjelp av en etterfølgende reduksjon av rørets diameter som beskrevet ovenfor.

Når navlestrengen omfatter en flerhet av elektriske kabler som inkluderer minst én flerleder signalkabel og minst én enkeltleder kraftkabel, kan fremgangsmåten omfatte å danne et tettsittende rør rundt hver elektriske kabel.

Utførelser av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet, bare i form av eksempel, og med henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 er et snittriss gjennom en typisk kraftkabel ifølge kjent teknikk; Fig. 2 er et snittriss gjennom en typisk fireleders signalkabel ifølge kjent teknikk; Fig. 3 er et snittriss gjennom kabelen ifølge kjent teknikk ifølge fig. 2 med et armeringslag; Fig. 4 er et snittriss gjennom en undervanns navlestreng i henhold til én utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Fig. 5 er et detaljert riss av en kraftkabel i navlestrengen i Fig. 4; Fig. 6 er et detaljert riss av en flerledersignalkabel i navlestrengen ifølge fig. 4; og Fig. 7 er et snittriss gjennom en undervanns navlestreng i henhold til en ytterligere utførelse av den foreliggende oppfinnelse.

Det henvises til tegningene hvor fig. 4 viser en navlestreng 1 i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse som omfatter en sammenstilling av funksjonsmessige elementer som innbefatter et antall stålrør eller termoplastslanger 4, optiske fiberkabler 6, forsterkningsstenger 5 av stål eller karbon, elektriske kraftkabler 2, og elektriske signalkabler 3, som er buntet sammen med fyllmateriale 7 og overmantlet med en ytre polymermantel 8.

Hver kraftkabel 2 i navlestrengen 1 ifølge fig. 4 er individuelt innhyllet i et beskyttende metallisk rør 2e, hvor nevnte rør har en tettpasning rundt kraftkablene 2 for påføring av en radiell trykkraft til kraftkablenes 2 ytre overflate. Hver flerleder signalkabel 3 i navlestrengen 1 er fortrinnsvis også innhyllet i et liknende metallisk rør 3e.

Den foreliggende oppfinnelse angår derfor individuelle kraftledere, buntede kraftledere (som for eksempel en trekløverbunt for en 3-fase kraftforsyning), eller en flerleder signalspenningskabel, eller en kombinasjon av samme.

I tilfellet med individuelt beskyttede kraftkabler som befordrer vekselstrøm, er de beskyttende metalliske rør 2e fortrinnsvis laget av ikke-magnetisk materiale som for eksempel et ikke-magnetisk rustfritt stål for å redusere

magnetiske og virvelstrømtap.

Figur 7 anskueliggjør en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse, hvor tre kraftkabler 2, som for eksempel brukes for 3-fase krafttilførsel, er buntet sammen med fyllmaterial 9 og så beskyttet av et enkelt metallisk rør 10 som innhyller og komprimerer bunten. Resten av navlestreng konstruksjonen likner den som er vist i figur 4.

I utførelsen som anskueliggjøres i figur 7, ved å bruke et enkelt metallisk rør 10 for å beskytte en bunt med tre kraftkabler 2 som transporterer 3-fase vekselstrøm, er det resulterende magnetfelt ved stedet for røret 10 meget lavt (ettersom de 3 induserte magnetfelt balanserer og kansellerer hverandre) og gjør det således mulig å bruke enten et magnetisk eller et ikke-magnetisk metall for røret 10.

Kraft- og signalkablenes 2, 3 ledere 2a, 3a kan fortrinnsvis lages i materialer som er sterkere og lettere enn kopper, slik som for eksempel høyfast aluminium.

De følgende er eksempler på fremgangsmåter for tildanning av et tettsittende rør rundt en elektrisk kabel.

Eksempel 1:

Denne fremstillingsprosessen omfatter tre hovedtrinn.

I løpet av et første trinn foldes en metallremse langsgående rundt kabelen (eller bunten) for å danne et rør. Det kan være et lite overlapp ved skjøten mellom begge sider av den foldete remse.

Et andre trinn består i å sømsveise den foldete remse ved skjøt-/overlappområdet. Den best egnede sveisemetode er lasersveising (som gir en sone med redusert var-mepåvirkning, og minsker risikoen for overoppheting av kabelen under sveiseproses-sen).

Alternativt kan andre velkjente sveisemetoder brukes, som for eksempel, MIG-(Metal Inert Gas)sveising, TIG-(Tungsten Inert Gas)sveising og ERW (Elektrisk motstands-sveising).

Et tredje valgfritt trinn består i å redusere rørdiameteren for å komprimere eller ytterligere å komprimere kabelens (eller buntens) ytre overflate. Dette trinn kan utføres ved hjelp av en kaldvalsingsprosess, hvor den beskyttede kabel trekkes gjennom en rekke av passende atskilte og profilerte valser, eller en kaldtrekkingsprosess, hvor den beskyttede kabel trekkes gjennom en form. Form reduksjonen bør velges nøye for å oppnå en passende klemvirkning uten å skade kabelen eller forlenge den for mye. I løpet av dette trinnet, reduseres kabelens (eller buntens) diameter litt, og således oppnås god kontakt med det omgivende rør.

Fortrinnsvis utføres disse tre trinn i prosessen for å unngå uønsket strekking av kabelen.

Kontakten mellom en elektrisk kabel og et omgivende rør kan forbedres ved å tilføye ett eller flere mellomlag mellom røret og kabelen og/eller ved å tilføye av et fyllmateriale mellom røret og kabelen, for eksempel ved å fylle røret med et passende materiale mellom nevnte andre og nevnte tredje trinn.

Figurene 5 og 6 anskueliggjør henholdsvis en kraftkabel og en flerleder signalkabel som beskyttes av metalliske rør 2e, 3e som er fremstilt i henhold til denne fremgangsmåte. Sveisesømmen 2f, 3f strekker seg langsgående hele veien langs kabelen.

Eksempel 2:

Et sømløst rør laget av et ikke-jernholdig metall med et lavt smeltepunkt, som eksem-pelvis aluminium- eller kopperlegeringer, ekstruderes direkte og kontinuerlig rundt en enkelt elektrisk kabel (figur 5) eller en bunt av elektriske kabler (figur 6) ved å bruke en kontinuerlig ekstruderingsprosess som er kjent innen teknikken, slik som for eksempel den kontinuerlige, roterende ekstruderingsprosess som er kommersialisert av Meltech-Confex Limited.

Bruk av slike legeringer har fordelen av lavere prosesseringstemperaturer. Alumini-umkopperlegeringer eller kopperaluminiumlegeringer har også fordelen av høy styrke, og av høyere modul enn raffinert aluminium eller kopper.

Eksempel 3

Et sømløst rør laget av et komposittmateriale fremstilles direkte rundt den elektriske kabel/kabelbunt ved vikling av høyfasthets organiske fibre (som for eksempel karbon-eller aramidfibre) rundt kabelen, og deretter impregnere fibrene med en harpiks (komposittbindemiddel) som for eksempel epoksy og til slutt herding av sammenstil-lingen i en ovn.

Diverse modifikasjoner og variasjoner av de beskrevne utførelser av oppfinnelsen vil være innlysende for fagfolk uten å avvike fra oppfinnelsens omfang slik det er definert i de vedlagte krav. Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet i forbindelse med bestemte, foretrukne utførelser, bør det forstås at oppfinnelsen som angitt ikke i urimelig grad bør begrenses til slike bestemte utførelser.

Claims (18)

1. Navlestreng for bruk i offshoreproduksjon av hydrokarboner, omfattende en sammenstilling av funksjonsmessige elementer hvor minst ett av elemente-ne omfatter en elektrisk kabel, og hvor nevnte elektriske kabel er innesluttet i et rør, idet nevnte rør er tilpasset for å påføre en radiell trykkraft på den elektriske kabel, hvorved røret er i stand til å bære vekten av den elektriske kabel i en aksiell retning.

2. Navlestreng som angitt i krav 1, hvor nevnte rør er tilpasset for å påføre nevnte trykkraft på kabelen langs hele eller hovedsakelig hele lengden av kabelen.

3. Navlestreng som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvor røret er dannet av et stivt eller hovedsakelig stivt materiale.

4. Navlestreng som angitt i krav 3, hvor nevnte rør er ett eller flere av gruppen som omfatter: et metallisk rør, et ikke-jernholdig metallrør, for eksempel laget av høyfast aluminiums- eller kopperlegeringer, eller et rør av komposittmateriale, for eksempel et rør som omfatter karbonfibre, aramidfibre eller glassfibre, eller en kombinasjon av samme.

5. Navlestreng som angitt i krav 4, hvor nevnte rør omfatter et stålrør.

6. Navlestreng som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvor nevnte rør er hovedsakelig vanntett for å opprettholde et tørt miljø rundt kabelen.

7. Navlestreng som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvor nevnte rør helt eller delvis er ugjennomtrengelig for diffundering av gass, særskilt hydrogen, gjennom dette.

8. Navlestreng som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvor kabelen omfatter en enkeltleder kraftkabel.

9. Navlestreng som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 8, hvor kabelen omfatter en flerlederkabel, som for eksempel en signalkabel, som omfatter en bunt av individuelle ledere.

10. Navlestreng som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvor et fyII-materiale er tilveiebrakt mellom kabelen og røret.

11. Fremgangsmåte for fremstilling av en navlestreng for bruk i offshoreproduksjon av hydrokarboner, omfattende en sammenstilling av funksjonsmessige elementer, hvor minst ett av de funksjonsmessige elementer omfatter en elektrisk kabel, idet fremgangsmåten i det minste omfatter trinnet å danne et tettsittende rør rundt den elektriske kabel, slik at nevnte rør tilpasses for å påføre en radiell trykkraft på kabelen, hvorved røret er i stand til å bære vekten av den elektriske kabel i en aksiell retning.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, omfattende langsgående folding av en metalltynnplate rundt den elektriske kabel, og sammenskjøting av inntil hverandre liggende eller tilstøtende sideområder av tynnplaten for å danne nevnte tettsittende rør rundt nevnte kabel.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, hvor nevnte inntil hverandre liggende eller tilstøtende sideområder av tynnplaten skjøtes ved hjelp av lasersveising.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, omfattende ekstrudering av et ikke-jernholdig metall, slik som aluminiums- eller kopperlegeringer, rundt den elektriske kabel for å danne nevnte tettsittende rør rundt nevnte kabel.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, omfattende vikling av høyfaste organiske fibre rundt den elektriske kabel, og valgfritt så å impregnere disse med harpiks for å danne nevnte tettsittende rør rundt nevnte kabel.

16. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 11 til 15, omfattende det ytterligere trinn å redusere diameteren av røret for å påføre nevnte radielle trykkraft mot den ytre overflate av den elektriske kabel.

17. Fremgangsmåte som angitt i krav 16, hvor nevnte trinn med å redusere diameteren av røret oppnås ved hjelp av en kaldtrekkings- eller valsingspro-sess, idet røret og kabelen som befinner seg deri trekkes gjennom en form eller ett eller flere sett av valser.

18. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 11 til 17, omfattende å tilveiebringe et fyllmateriale mellom nevnte kable og nevnte rør.