NO320590B1 - Fleksibel langstrakt elektrisk anordning for bruk i en omgivelse med stor mekanisk belastning - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fleksibel langstrakt elektrisk anordning egnet for service i et høyt mekanisk belastningsmiljø.

Behovet for elektrisk kraftforsyning på sjøbunnen øker med økende vanndybde ved hvilke oljeproduksjon blir utført. Dette betyr at elektrisk energi må leveres gjennom kraft-kabler. Disse kraftkablene må henge fritt fra det flytende produksjonsfartøy og ned sjøbunnen, det vil si såkalte dynamiske kabler.

Kobber er det mest. vanlige metall brukt i elektriske lederelementer. Skjønt det har utmerkede elektriske egenskaper så som høy ledeevne, har ikke kobber mekaniske egenskaper egnet for å motstå de belastninger som påføres under kabelinstallasjon og under dynamisk service, i møte med bevegelser indusert ved vind, strømmer og bølger, og også de høye eksterne trykk på sjøbunnen.

Kobber har høy densitet og lav mekanisk styrke. Den høye densitet fører indirekte til store treghetskrefter under installasjon og dynamisk service.

Den lave mekaniske styrke antyder at kobber ikke vil bidra meget til kabelens totale styrke eller aksielle stivhet. Dessuten, har kobber en relativ liten akseptabel maksimumsstrekkgrense så vel som strekkområde til å virke under dynamisk service.

I den eksisterende kraftkabelteknologi, er flere lede-elementer med kobberkjerne viklet rundt hverandre i en bunt omgitt av et antall belastningsbærende armeringslag. Belast-ningsoverføringsmekanismene fra hvert lederelement til belastningsbærende armeringslag er ekstern friksjon, som er en upålitelig tjener.

Kobberkjernen er dessuten klassisk laget av flere kobbertråder. Derfor, når et lederelement er utsatt for relative høye strekk, vil kontaktkretser og kobbertrådene være forholdsvis høye. Slike høye kontaktkretser og relativ bevegelse mellom kobbertrådene kan forårsake at det oppstår slitasje. Koppertrådene har relativt lav slitasjemotstand.

Det er også et mål for oppfinnelsen å frembringe en fleksibel elektrisk langstrakt anordning egnet for service i et høyt mekanisk belastningsmiljø ved for eksempel, å henge fritt fra sjøens overflate og ned til sjøbunnen, i oljefelter på ultradypt vann.

Oppfinnelsen tar således sikte på å frembringe en påli-telig belastningsoverføringsstrekk fra ett eller flere lederelementer til et belastningsbærende element i en kraftkabel, og dermed sikre lave strekkpåkjenninger i lederelementene.

I bredere forstand, kan oppfinnelsen også bli anvendt til signalkabelelementer av navlestrengkabler.

Oppfinnelsen tar også sikte på å sikre lave kontaktkretser i hvert lederelement som har en kjerne laget av flere tråder.

Oppfinnelsen er spesielt passende til lederelementer som bruker materialer med høy ledeevne og lave mekaniske egenskaper så som kobber.

Til dette formål, frembringer oppfinnelsen en fleksibel elektrisk langstrakt anordning egnet for service i miljø med høy mekanisk belastning, hvor anordningen har en lengdeakse og omfatter minst ett langstrakt elektrisk lederelement, en langstrakt belastningsbærende komponent langs lengdeaksen, som har en elektrisk overflate omfattende minst ett spor langs den langsgående aksen, hvor sporet er konstruert til å holde lederelementene inne i det mens det tillater lederelementene å bevege seg i det vesentlige radielt når anordningen bøyes.

Det belastningsbærende element av oppfinnelsen øker den relative aksielle stivhet av anordningen, som dermed sikrer lavere ledeelementpåkjenninger.

Sporet holder ledeelementene på en måte for å overføre masse og treghetskrefter av ledeelementene til den belastningsbærende komponent.

Lederelementene kan bevege seg radielt i sporet, det vil si mot og bort fra den belastningsbærende komponent, for å ta vare på bøyning.

Det er klart at ledeelementene kan være en høy, middels eller lav spenningsleder og med kobbertråder tvinnet sammen.

Den belastningsbærende komponent omfatter med fordel et internt element langs lengdeaksen, laget av aksielt stivhets-materiale og et polymerlag forbundet rundt det interne elementet, hvor polymerlaget har den eksterne overflaten.

Det interne element er hvilken som helst innretning egnet til å bære høye aksielle belastninger og egnet til å forbindes til polymerlaget. Polymerlaget så vel som polymer-lags/internelementgrensesnitt er i stand til å overføre masse og treghetsbelastninger.

Det interne element kan være en stang eller et rør egnet for overføring av hydraulisk fluid, kraft, smøring eller kjemiske injeksjonsfluider.

Det interne element kan også være laget av et materiale blant annet stål, fiber og kompositt og er fortrinnsvis et sentralt element.

Polymerlaget kan være laget av et tverrbundet polyetylen eller termoplastpolymer, og kan fortrinnsvis være et ekstrudert lag.

I en første utførelse, er polymerlaget så elastisk at lederen kan være tett tilpasset til sporet, og det ledige elementet kan være i stand til å bevege seg i det vesentlige radielt ved deformering av polymerlaget.

Som et eksempel, har sporet en sirkelrund form og polymerlaget er av et mykt materiale.

I en annen utførelse, når anordningen er rett, er tverrsnittsformen av sporet i et perpendikulært plan til lengderetningen ovalformet. Det ledige elementet passer med elastisitet inne i sporet.

Formen av dette sporet tillater radiell forskyvning av lederelementene når anordningen blir bøyd.

I en tredje utførelse, når anordningen er rett, er tverrsnittsformen av sporet i et perpendikulært plan til lengderetningen, definert ved to sidevegger i det vesentlige parallelle med hverandre på en rundformet bunnvegg. Et mykt fyllmateriale er satt inn mellom lederelementene og bunnveggen.

Elastisiteten av det myke fyllmaterialet tillater radiell bevegelse av lederelementene ved en deformasjon når anordningen blir bøyd.

Sporet kan være rett, det vil si parallelt med lengdeaksen, men fortrinnsvis har sporet en spiralform for å redusere amplituden av radiell bevegelse.

Spesielt kan spiralvinkelen av det spiralformede sporet være mellom 5° og 85° fra lengdeaksen, og er fortrinnsvis mellom 50°-80°.

Det er klart at verdien av spiralvinkelen blir bestemt av balansen mellom den mengden av bøyning som anordningen vil bli utsatt for til for eksempel under installasjon eller dynamisk tjeneste, og den praktiske mengden av radiell glidning som anordningens design kan ta vare på. Spiralvinkelen reduserer mengden av friksjon som er nødvendig for å overføre masse og treghetskretser til den belastningsbærende komponent.

Spiralvinkelen av sporene kan være så stor som praktisk mulig og avhenger også av tilgjengelig rom, for eksempel antallet spor eller ledetype.

Anordningen kan fortrinnsvis også omfatte et antall parallelle spor, hvor hvert spor omfatter bare ett lederelement .

Ifølge en ytterligere karakteristikk ved oppfinnelsen, kan sporene være tette nok til å holde lederelementet i det vesentlig kontinuerlig langs lengdeaksen, og dermed sikre optimalisert kontinuerlig overføring av masse og treghetskretser i hele lengden.

Ifølge et ytterligere karakteristisk trekk ved oppfinnelsen, hvor anordningen er en undersjøisk kraftforsyningskabel, kan den omfatte en ytre beskyttende kappe rundt den belastningsbærende komponenten, å tillate inntregning av sjø-vann i sporet. Kappen barrierer mot fremmede objekter, og sjøvann fylt i sporene gir trykkompensasjon ved store vanndybder .

På en fordelaktig måte dersom forutbestemte intervaller langs sporet, har sporet en maksimal bredde mellom sidevegger som er større enn den radielle dimensjon av lederelementet, og tillater dermed at sjøvannet beveger seg når lederelementene beveger seg.

Oppfinnelsen frembringer også en navlestrengkabel omfattende signalkabelelementer hvor i det minste ett av signalkabelelementene er en fleksibel elektrisk langstrakt anordning som definert tidligere.

Den fleksible, langstrakte anordningen kan være plassert i kjernen av kabelen, i et første lag omfattende signalkabelelementer rundt kjernen, og/eller i et annet lag omfattende signalkabelelementer rundt det første laget.

Ytterligere karakteristikker og fordeler med oppfinnelsen vil bli klare etter å ha lest den følgende beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen, gitt gjennom eksempler, og med henvisning til de medfølgende tegninger, hvor figur 1 viser en klassisk flytende produksjonsfasilitet og en fleksibel vertikal undersjøisk kabel, figurene 2a og 2b viser henholdsvis et skjematisk tverrsnittsriss og et delvis skjematisk lengdesnittriss av en fleksibel vertikal undersjøisk kabel i en rett tilstand i en første utførelse av oppfinnelsen, figurene 3a og 3b viser henholdsvis et skjematisk tverrsnittsriss og et delvis skjematisk lengdesnittriss av en fleksibel vertikal undersjøisk kabel i en bøyd tilstand, figurene 4a og 4b viser et skjematisk tverrsnittsriss av et spor i to alternativer av den første utførelse, figur 5a viser et diagrammatisk tverrsnittsriss av en navlestrengkabel som omfatter signalkabelelementer i en annen utførelse av oppfinnelsen, og figur 5b viser et diagrammatisk tverrsnittsriss av ett av signalkabelelementene vist på figur 5a.

Figur 1 viser en klassisk flytende produksjonsfasilitet 100 som flytter på sjøoverflaten 200 på ultradypt vann, for eksempel 3 000 m. En fleksibel vertikal undersjøisk kabel 300 (for eksempel en dynamisk kraftkabel eller dynamisk navlestrengkabel) henger mot sjøbunnen 400 i en doven bølge-konfigurasjon.

En doven bølgekonfigurasjon antyder at oppdriften 500 blir innført primært for å dempe ut systemdynamikk. Ved plattformenden, er kabelen 300 forbundet med en kraftforsyning 100, over sjøbunnen 400, er kabelen 300 forbundet med et passende undersjøisk utstyr, enten det er en under-sjøisk pumpe 600, en rørledning forankret for (rørlednings motstandsoppvarming) eller hvilken som helst annen under-sjøisk basert eller kraftforbrukende utstyr.

Figur 2a er et skjematisk tverrsnittsriss av en vertikal kraftforsyningskabel (ikke i målestokk) 10 i en rett tilstand, i en første utførelse av oppfinnelsen.

Slike kabler 10 leverer kraft til undersjøiske systemer og henger fritt fra et flytende produksjonsfartøy og ned til sjøbunnen. Som et eksempel, kan en slik kabel 10 erstatte den klassiske kabel 300 vist på figur 1.

Med start fra sentrum og bevegelser radielt til utkanten, rundt en lengdeakse 6, omfatter kraftforsynings-kabelen 10 en langstrakt belastningsbærende komponent 1, omfattende et internt element 11 som er en stang egnet for å bære høye aksielle belastninger, laget av aksielt stivt materiale så som stål, og et polymerlag 12 laget av ekstrudert tverrbundet polyetylen og forbundet rundt stangen 11, hvor et slikt lag 12 omfattende tre spiralspor 13a-c på sin eksterne overflate, tre kraftledningselementer 2a-c ment for å transportere elektrisk energi, plassert inne i et distinkt spor 13a-c henholdsvis.

Disse lederne 2a-c omfatter fortrinnsvis store kobber-lederkjerner laget av delte kobbertråder 21c omgitt av et antall skjeder (ikke fullstendig vist for bedre klarhet av figuren) omfattende gjennom et eksempel en lederskjerm 22c i en halvledende kryssforbundet polyetylen (XLPE) omgitt av en isolasjonsskjede 23c av et lederelement XLPE og ved en ytterligere skjede av halvledende polyetylen 24c.

Ett (eller flere) ytre deksler 3 som tillater inntrengning av sjøvann 4 er anordnet, idet hvert spor 13a-c er tillatt å bli fylt med sjøvann 4 for å gi trykkompensasjon ved store vanndybder.

Spiralsporene 13a-c strekker seg langs hele kraftkabelen 10 for fortrinnsvis likt atskilt fra hverandre.

Tverrsnittsformen av hvert spor 13a-c er ovalt, uten å ta i betraktning åpningen Oa-c, således med en rund bunnvegg BWa-c og to buede (konkave) sidevegger SWla-c, SW2a-c.

Før innsetting av lederelementene 2a-c, er den maksi-male bredde mellom sideveggene SWla-c, SW2a-c, litt lavere (eller lik) diameteren av lederelementene 2a-c. Hvert innsatt lederelement har derfor en tendens til å holde seg i en sentralisert posisjon i det respektive spor når kraftkabelen 10 er i en rett tilstand.

Videre tillater hvert spor 13a-c et lederelement 2a-c inne i det å bevege seg i hovedsak radielt når kraftkabelen 10 er bøyd.

Som vist i et lengderiss på figur 2b, er spiralvinkelen cp av hvert spor 13a-c rundt 70° fra lengdeaksen X.

I dette spordesign blir disse lederelementene 2a-c holdt kvasi-kontinuerlig i hele sin lengde. Ved faste intervaller langs sporet, er hvert spor 13a-c laget bredere enn det mottatte lederelement 2a-c for å tillate vann å bevege seg når lederen beveger seg (ikke vist).

Hvert lederelement 2a-c er plassert med hensikt i en midtre posisjon i bunnveggene BWa-c av sporene 13a-c og åpningene Oa-c, tvunget til denne posisjon under installa-

s j on.

Figurene 3a-c illustrerer hvordan lederelementene 2a-c beveger seg når kabelen 10 blir bøyd.

Kabelen 10 vist på figur 3a er bøyd mot en gitt retning F. Øvre lederelement 2a glir radielt mot aksen X av kraftkabelen 10 mens de andre lederelementer 2b-c glir radielt bort fra aksen X.

Når bøyingen reverseres, og kraftkabelen 10 blir brakt tilbake til sin rette tilstand, glir lederelementene 2a-c i motsatt retning og returnerer derfor til halvveisposisjonen.

Figur 4a og b er diagrammatiske tverrsnittsriss av to andre måter et spor kan lages for å ta vare på den radielle forskyvning et lederelement 2a-c gjennomgår når kraftkabelen 10 bøyes, i alternativer av den første utførelse.

På figur 4a er tverrsnittsformen av sporet 131a definert med to parallelle sidevegger SW11 og en rund like-formet bunnvegg BW11.

Et nytt fyllmateriale 4' er satt inn mellom lederelementet 2a og bunnveggen BW11. Sporet 13 er også fortrinnsvis fylt med sjøvann 4.

Avstanden L mellom sideveggene SW11 er noe mindre enn den første diameter av lederelementene 2a inne i dem.

I denne sporkonstruksjon, vil hvert lederelement 2a-b bli holdt kontinuerlig i hele lengden og er i tillegg plassert med hensikt i en midtveisposisjon mellom bunnveggen BW11 av sporene og åpningen 0 i sporene 131a. Videre, vil sporet 131a og den mye fyller 4' tillate lederelementet 2a inne i den å bevege seg vesentlig radielt når kraftkabelen er bøyd.

Når bøyningen er reversert og kraftkabelen brakt tilbake til en rett tilstand, blir kabelelementene 2a-c i motsatt retning og returnerer til midtveisposisjonen.

På figur 4b, er polymerlaget 121 laget av tilstrekkelig mykt materiale slik at deformasjon av polymerlaget tar vare på lederens radielle forskyvning. Når anordningen er i rett posisjon, har sporet 132a en kvasi-sirkelrund form (i tverrsnittsriss) og lederelementet 2a er i en tett tilpasning inne i den.

Figur 5a er et diagrammatisk tverrsnittsriss av en navlestrengkabel 30 som omfatter signalkabelelementer i en annen utførelse av oppfinnelsen. Denne dynamiske navlestrengkabel 30 henger fritt fra et flytende produksjonsfartøy og ned til sjøbunnen i likhet med som er illustrert på figur 1.

Med begynnelse fra sentrum av navlestrengkabelen 30 og med bevegelser radielt til periferien, omfatter navlestrengkabelen 30 et sentralt signalkabelelement 10' som danner en kjerne, et første lag 31 av seks andre signalkabelelementer 10" rundt sentralelementet 10', en beskyttende innpakning 32, et annet lag 33 av stålrør 34, og ytre deksler 35 som tillater inngang av sjøvann.

Som vist på figur 5b med start fra sentrum og bevegelser radielt til periferien, omfatter signalkabelelementet 10' en belastningsbærende komponent 1', omfattende et internt element 11' som er et stålrør inneholdende hydraulisk fluid levert til et undersjøisk kontrollsystem, og et polymerlag 12' laget av termoplastpolymer og forbundet rundt røret 11' og et slikt lag 12' fortrinnsvis ekstrudert, omfattende 4 spiralspor 30'a-d på sin eksterne overflate, og fire lederelementer 2'a-d ment for å transportere kontrollsignaler, plassert inne i sporene 13'a-d.

Spiralsporene 13'a-d strekker seg hele veien langs polymerlaget 12' og er fortrinnsvis blitt atskilt fra hverandre .

Spiralvinkelen for sporene 13'a-d er fra 5°-85° med lengdeaksen, avhengig av tilgjengelig rom.

Tverrsnittsformen for sporene 13'a-d er lik den som er vist på figurene 2 og 3. Hvert spor 13'a-d tillater lederelementet 2'a-d inne i den å bevege seg i det vesentlig radielt når signalkabelelementet 10' eller 10" er bøyd.

Når bøying av navlestrengkabelen 30 reverseres og signalkabelelementet 10' eller 10' er brakt tilbake til rett tilstand, vil lederelementene 2'a-d gli i motsatt retning og returnere til midtveisposisjonen.

Signalkabelelementene 10', 10" vil derfor ikke brytes når de brukes i navlestrengkabelen 30 installert i ultradypt vann. Den belastningsbærende 1' øker den relative aksielle stivhet av signalkabelelementet, som dermed sikrer lavere lederelementsignalkabel elementforgreninger.

Sporene 13'a-d holder lederelementene 2'a-d på en måte som overfører masse og treghetskrefter av disse lederelementene 2'a-d til den belastningsbærende komponent 1'. Polymerlaget 12' så vel som polymerlag/internelement grense-snitt er i stand til å overføre masse og treghetsbelastninger.

Oppfinnelsen kan også anvendes i signalkabelelementer vekslende med stålrør 34 og/eller erstatte stålrørene 34. Alternativt, kunne det sentrale element 10' være en stålstang.

Alternativt, kunne hvilken som helst av signal-elementene 10", 10' være et rør. Som et eksempel, er mer enn halvparten av elementene 10" rør, og bare to elementer er signalelementer.

Alternativt, er det interne element 11' en stålstang.

Claims (17)

1. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10"), egnet for service i et høy mekanisk belastningsmiljø (200, 400), hvor anordningen har en lengdeakse (X) og omfatter minst ett langstrakt elektrisk lederelement (2a-c, 2'a-d), og en langstrakt belastningsbærende komponent (1, 1') langs lengdeaksen, som har en ekstern overflate omfattende minst ett spor (13a-c, 131a, 132a, 13'a-d) plassert langs lengdeaksen, karakterisert ved at sporet er designet for å holde lederelementene inne i det mens det tillater lederelementene å bevege seg i det vesentlige radielt når anordningen er bøyd.

2. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge krav 1, karakterisert ved at den belastningsbærende komponenten (1, 1') omfatter et internt element (11, 11') langs lengdeaksen (X) og laget av materialet med aksiell stivhet, og et polymerlag (12, 121, 12') forbundet rundt det interne elementet, hvor polymerlaget har den eksterne overflaten .

3. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge krav 2, karakterisert ved at det interne elementet (11, 11') er en stang 11 eller et rør 11' egnet for transport av hydraulisk fluid, kraft, smøremiddel eller kjemiske inj eksj onsfluider.

4. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 2-3, karakterisert ved at det interne elementet (11, 11') er laget av et materiale valgt blant stål, fiber og kompositt som fortrinnsvis er et sentralt element.

5. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 2-4, karakterisert ved at polymerlaget (12, 121, 12') er laget av et tverrbundet polyetylen eller termoplastpolymer, og ved at polymerlaget fortrinnsvis er et ekstrudert lag.

6. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 2-5, karakterisert ved at polymerlaget (12') er så elastisk at lederelementene tett tilpasset i sporet 132a, og ved at lederelementet 2a er i stand til å bevege seg i det vesentlige radielt ved deformasjon av polymerlaget.

7. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at, når anordningen er rett, er tverrsnittsformen for sporet (13a-c, 13'a-d) i et perpendikulært plan til lengdeaksen (X), ovalliknende, og ved at lederelementet (2a-c, 2'a-d) passer med elastisitet inne i sporet.

8. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved, at når anordningen er rett, er tverrsnittsformen av sporet (131a) i et plan perpendikulært til lengdeaksen, er definert til sidevegger SW11 i det vesentlige parallelle med hverandre og en rundformet bunnvegg BW11, og det at et mykt fyllmateriale 4' er satt inn mellom lederelementet 2a og bunnveggen.

9. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 1-8, karakterisert ved at sporene (13a-c, 131a, 132a, 13'a-d) har en spiralform.

10. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge krav 9, karakterisert ved at spiralvinkelen cp av spiralsporet (13a-c, 131a, 132a, 13'a-d) består av mellom 5 og 85 grader fra lengdeaksen, og fortrinnsvis mellom 50 og 80 grader.

11. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 1-10, karakterisert ved at den omfatter et antall parallelle spor (13a-c, 131a, 132a, 13'a-d) som hvert inneholder bare ett lederelement (2a-c, 2'a-d).

12. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10") ifølge hvilket som helst av kravene 1-11, karakterisert ved at sporet (13a-c, 131a, 132a, 13'a-d) er tett nok til å holde lederelementene i det vesentlige kontinuerlig (2a-c, 2'a-d) langs lengdeaksen (X).

13. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10) ifølge hvilket som helst av kravene 1-12, karakterisert ved at anordningen er en undersjøisk kraftkabel, omfattende en ytre beskyttende kappe (3) som omgir den belastningsbærende komponent (1) og tillater inntrengning av sjøvann i sporet (13a-c, 131a, 132a).

14. Fleksibel elektrisk langstrakt anordning (10, 10', 10", 30) ifølge krav 13, karakterisert ved at, ved forutbestemte intervaller langs sporet (13a-c), har sporet en maksimum bredde mellom sidevegger (SWla-c, SW2a-c) som er større enn den radielle dimensjon av lederelementet (2a-c).

15. Navlestrengkabel (30) omfattende signalkabelelementer (10', 10"), karakterisert ved at ett av signalkabelelementene (10', 10") er den elektriske langstrakte anordningen ifølge hvilket som helst av kravene 1-12.

16. Navlestrengkabel (30) ifølge krav 15, karakterisert ved at den fleksible elektriske langstrakte anordningen (10') er plassert i kjernen av kabelen.

17. Navlestrengkabel (30) ifølge kravene 15 eller 16, karakterisert ved at den fleksible elektriske langstrakte anordning er plassert i et første lag (31) omfattende signalkabelelementer (10") rundt en kjerne (10') og/eller i et annet lag inneholdende signalkabelelementer rundt det første laget.