NO334731B1 - Undersjøisk umbilikal - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse omfatter en umbilikal 1 for undersjøisk benyttelse omfattende en strømfase 9, der strømfasen omfatter minst én leder 2, der lederen er en massiv leder laget i aluminium eller enhver passende legering derav, og der lederen, eller flere ledere dersom umbilikalen omfatter mer enn én strømfase, har tilstrekkelig strekkstyrke til å sikre at umbilikalen understøtter operasjonsbelastninger uten å kreve noen ytterligere belastningsbærende elementer.

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører forbedrede umbilikaler eller kabler som har en strømfaseleder, og mer spesifikt undersjøiske umbilikaler eller kabler som omfatter en aluminiumsleder.

Bakgrunn

En umbilikal består av en gruppe av én eller flere typer langstrakte, aktive umbilikalelementer, slik som elektriske faser, optiske fiberkabler, stålrør og/eller slanger, innkapslet og, når det er passende, armert for mekanisk styrke. Umbilikaler blir typisk benyttet til overføring av strøm, signaler og fluider (for eksempel fluidinjeksjon eller hydraulisk kraft) til og fra en undersjøisk installasjon.

Tverrsnittet på umbilikalen er generelt sirkulært, der de langstrakte elementene er viklet sammen enten i et helisk eller i et S/Z-mønster. For å fylle de indre tomrommene mellom de ulike umbilikalelementene og oppnå den ønskede konfigurasjonen kan fyllkomponenter bli inkludert inne i nevnte tomrom.

Undersjøiske umbilikaler blir installert på økende vanndyp, ofte dypere enn 1000 meter. Slike umbilikaler må være i stand til å motstå barske belastningsbetingelser under deres installasjon og virketid. Ytterligere belastningsbærende elementer, slik som armeringstråder i de ytre lagene av umbilikalen, blir benyttet for å motstå belastningene.

De gjenværende elementene i en umbilikal, for eksempel de elektriske og optiske kablene, de termoplastiske slangene, den polymere eksterne kappen og de polymere fyllelementene bidrar ikke vesentlig til strekkstyrken i umbilikalen.

Elektriske kabler som benyttes i undersjøiske umbilikaler faller innunder to distinkte kategorier som henholdsvis er kjent som signalkabler og strømfaser.

Signalkabler blir benyttet for å sende signaler og lav strøm (< 1 kW) undersjøisk, slik som til elektriske innretninger på sjøbunnen. Signalkabler er generelt rangert ved en spenning lavere enn 3000 V, og typisk lavere enn 1000 V. Signalkabler består generelt av småseksjonsisolerte ledere buntet sammen som par (2), fire (quads) (4) eller, svært sjelden, ethvert annet antall, der bunten deretter blir kapslet inn.

Strømfaser inne i umbilikaler blir benyttet for overføring av høy elektrisk strøm (typisk noen få MW) undersjøisk, for eksempel for å drive undersjøisk utstyr slik som pumper. Strømfasene er generelt rangert på en midlere spenning omfattet mellom 6 kV og 35 kV, men kan også overskride denne grensen.

En umbilikal som omfatter minst én strømfase blir ofte betegnet som en strømumbilikal. Slik inkluderer en strømumbilikal én eller flere elektriske strømfaser. Disse strømfasene er i den kjente teknikken utformet med utgangspunkt i en leder, som er dannet av et flertall av tråder.

Lederne i disse strømfasene inne i en undersjøisk strømumbilikal er generelt kobber. De er ikke belastningsbærende komponenter på grunn av den lave strekkstyrken og den høye spesifikke graviteten til kobber. Videre bidrar disse tunge kobberlederne med anselig vekt til en umbilikal og har svært dårlig belastningsbærende kapasitet. Dersom de ikke beskyttes kan disse elektriske lederne bli skadet ved overdreven forlengning, dvs., strekkbelastning, eller knusing, spesielt under barske betingelser slik som i dypt vann og/eller dynamiske umbilikaler.

US 2010/018699 Al beskriver en kabel for overføring av elektrisk energi til en nedsenket pumpe. Lederne i kabelen er massive ledere for å unngå åpninger mellom trådfilamenter.

Patentsøknad US 2012/0061123 Al og WO 2010/010396 angir strømumbilikaler som omfatter én eller flere strømfaser. Strømfasene er konstruert av flertrådsledere, der i det minste noen av trådene er aluminium, mer spesifikt aluminium av 6000-serien. Ved å benytte aluminium i stedet for kobber som materiale i lederne blir forholdet av strekkstyrken i forhold til vekten for strømfasen økt. Slike umbilikaler kan til og med bli konstruert uten ytterligere belastningsbærende elementer på grunn av den høye strekkstyrken og den lave, spesifikke graviteten til aluminiumslederne.

Betegnelsen på ulike typer aluminiumslegeringer benyttet i foreliggende beskrivelse er definert i den europeiske standarden EN 573-1 «Aluminium and aluminium alloys - Chemical composition and form of wrought products-Part 1: Numerical designation system». Betegnelsessystemet med fire tall i denne europeiske standarden er i overensstemmelse med the International Alloy Designation System (IADS) som er utviklet av the Aluminium Association, Arlington Va., 22209 USA. Det første av de fire tallene i EN 573/IADS betegnelsessystemet indikerer hovedelementene i legeringen i aluminiumet eller aluminiumslegeringen. Når dette er lik 1 tilhører det tilsvarende materialet «1000-serien», og er nesten rent smidd aluminium, dvs., omfattende 99 % eller mer aluminium. Når det er likt 6 er det tilsvarende materialet en aluminiumslegering tilhørende «6000-serien», og hovedlegeringselementene er magnesium og silisium, som danner herdende presipitater for å gi bedre mekaniske egenskaper etter varmebehandling.

Anvendelsen av flertrådede aluminiumsledere uten forsegling mellom trådene, som tilkjennegitt i US 2012/0061123 Al, skaper et potensielt problem når dette benyttes i undersjøiske applikasjoner. I tillegg til tomrommene mellom de ulike elementene i en umbilikal som nevnt ovenfor så har de flertrådede lederne som er beskrevet i US 2012/0061123 Al også tomrom mellom flertallet av tråder. I sjøvann, spesielt på dypt vann, så er det viktig å forhindre at vann og gass diffunderer inn i lederen. Vann kan redusere levetiden til strømfasen ved å indusere vanninntrenging, spesielt for høyere spenninger. Selv om en beskyttende, metallisk barriere kan bli påsatt rundt strømfasen for å hindre radial vanndiffusjon så er en vanntett leder nødvendig for å hindre inntrenging av vann langs lederen i tilfellet med et reparasjonsscenario. Dersom det er mellomrom mellom trådene vil vann migrere langs lederen fra der skaden har laget et hull gjennom isolasjonen. I slike tilfeller er ikke reparasjon mulig og hele kabelen må byttes ut.

En vanntett leder er spesielt viktig dersom lederen er laget av aluminium eller aluminiumslegering. Det indre halvledende laget som vender mot lederen inneholder karbon. Dette materialet er derfor svært edelt sammenlignet med aluminium. Dermed vil til og med små mengder vann danne en galvanisk celle som gjør at lederen korroderer. Det er vist ved testing at til og med små mengder korrosjon kan føre til kabelsvikt, fordi korrosjonsprodukter initierer vanninntrenging og derved isolasjonsnedbrytning.

Gassblokkering er viktig for strømfaser på innsiden av umbilikaler. Hydrogen dannes fra katodebeskyttelse av undersjøiske strukturer og metangass kan bli dannet fra selve isolasjonssystemet. Dersom det er tomrom i lederen, slik som mellomrom mellom trådene, så danner trykkforskjellen mellom det omkringliggende vannet og tomrommene en kraft som gjør at disse gassene migrerer inn i lederen. Disse gassene vil da bli transportert langs mellomrommene i lederen og danne et stort potensial for eksplosjon på et produksjonsfartøy for hydrokarboner.

Det er et mål med foreliggende oppfinnelse å overvinne problemene som er relatert til anvendelsen av flertrådsledere i strømkabler eller umbilikaler benyttet i undersjøiske applikasjoner.

Oppsummering av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en løsning på problemene relatert til flertrådede ledere i undersjøiske miljøer, og mer spesifikt flertrådede aluminiumsledere. Søker har oppdaget at de flertrådede aluminiumslederne i den kjente teknikken fordelaktig kan byttes ut med massive, eller faste, aluminiumsledere laget av en passende aluminiumslegering. Problemet som forårsakes av hulrom i flertrådede aluminiumsledere blir slik unngått. Ved anvendelse av nevnte ledere fjernes behovet for ytterligere belastningsbærende elementer i umbilikalen. Foreliggende oppfinnelse er definert i de tilhørende kravene og ved følgende: Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en umbilikal for undersjøisk benyttelse omfattende en strømfase, der strømfasen omfatter minst én leder, der lederen er en massiv leder laget i aluminium eller enhver passende legering derav, og der den ene eller flere lederne har tilstrekkelig strekkstyrke til å sikre at umbilikalen understøtter operasjonsbelastninger slik at ingen ytterligere belastningsbærende elementer er nødvendige, der alle tomrom mellom langsgående elementer i umbilikalen er fylt med et fyllfluid som omfatter hule elementer for å forbedre oppdrift av umbilikalen.

Driftsbelastningene på umbilikalen er belastninger som umbilikalen utsettes for. Disse belastningene omfatter strekkbelastningen som skyldes den opphengte vekten av umbilikalen og belastningen som for eksempel er forårsaket under installasjonsoperasjoner.

I ett aspekt av oppfinnelsen er lederen laget av en aluminiumslegering som er valgt fra gruppen som består av 1000-serien, 3000-serien, 5000-serien, 6000-serien og 7000-serien, slik disse er definert i den europeiske standarden EN 573-1.

I et ytterligere aspekt av oppfinnelsen er aluminiumslegeringen i lederen valgt fra én som er betegnet 1120, 1350, 1370,6101 eller 6201.

Fyll fluidet er et materiale egnet for å forhindre inntrenging av gass og vann i de langsgående tomrommene mellom de ulike elementene i umbilikalen. Slike elementer inkluderer elektriske faser, optiske fiberkabler, stålrør og/eller slanger og ytre innkapsling.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1: et tverrsnitt av en umbilikal fra den kjente teknikken omfattende flertrådede ledere. Figur 2: seksjonsfremstilling av en flertrådet leder benyttet i strømumbilikaler i den kjente teknikken.

Figur 3: tverrsnitt av en strømumbilikal ifølge oppfinnelsen.

Figur 4: seksjonsfremstilling av en flertrådet leder benyttet i strømumbilikaler ifølge foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse av tegningene

Strømumbilikal 1 fra den kjente teknikken er vist på figur 1. Umbilikalen som er vist her omfatter tre strømfaser med ledere 2, og er hensiktsmessig for å tilveiebringe en 3-fasestrømforsyning. Lederne er hver omgitt av ulike kapper 6 for isolasjon og beskyttelse av nevnte ledere. I tillegg har den viste umbilikalen en optisk fiberkabel 3. Lederne og den optiske fiberkabelen er understøttet inne i de omkringliggende, beskyttende kappene 5 med fyllmaterialer 4. Formålet med fyllmaterialet er å holde lederne og fiberkabelen i en fast posisjon relativt hverandre, og forhindre inntrenging av vann inn i umbilikalen. En strømfase som omfatter en enkelt leder 2 er vist på figur 2. En umbilikal kan omfatte et valgfritt antall slike faser avhengig av den planlagte anvendelsen. Lederne 2 er laget av flere tråder 8, se figur 2. På grunn av de mange trådene har lederne mange hulrom 7 mellom trådene i den langsgående retningen av umbilikalen. Oppleggingen av trådene i tillegg til pressing av trådene tett sammen kan bidra til å minske størrelsen på de langsgående tomrommene 7, men fjerner dem ikke. Slike ledere er således sårbare overfor skadelig akkumulering av gasser og vann i de langsgående tomrommene.

En utførelsesform av en umbilikal ifølge foreliggende oppfinnelse er vist på figur 3. Som vist på umbilikalen fra den kjente teknikken på figur 1 omfatter umbilikalen på figur 3 tre ledere 2, i tillegg til en optisk fiberkabel 3. Lederne er ikke laget av flere tråder, men er massive, eller faste, ikke-flertrådede ledere laget av en passende aluminiumslegering. En passende legering bør ha den rette kombinasjonen av egenskaper relatert til ledningsevne og styrke. Ideelt sett er styrken i legeringen slik at lederne er i stand til å motstå de ulike belastningene på umbilikalen uten behov for ytterligere elementer for å tilveiebringe strukturell styrke, slik som armeringstråder i den beskyttende kappen 5. Fordi lederne er massive inneholder de ikke noen langsgående tomrom slik som i de undersjøiske umbilikalene ifølge den kjente teknikken. Videre fyller fyllmaterialet 4 opp all den ledige plassen i umbilikalen for å unngå skade på de andre elementene i umbilikalen. En enkelt strømleder 2 til anvendelse i en umbilikal ifølge oppfinnelsen, dvs., en strømfase, er vist på figur 4. En umbilikal kan omfatte et valgfritt antall slike faser avhengig av den planlagte anvendelsen.

Claims (3)

1. Umbilikal (1) for undersjøisk benyttelse omfattende en strømfase (9), der strømfasen omfatter minst én leder (2), der lederen er en massiv leder laget i aluminium eller enhver passende legering derav, og der den ene eller flere lederne har tilstrekkelig strekkstyrke til å sikre at umbilikalen understøtter operasjonsbelastninger slik at ingen ytterligere belastningsbærende elementer er nødvendige, der alle tomrom mellom langsgående elementer i umbilikalen er fylt med et fyllfluid som omfatter hule elementer for å forbedre oppdrift av umbilikalen.

2. Umbilikal ifølge ethvert av de foregående krav, der aluminiumslegeringen er valgt fra gruppen som består av 1000-serien, 3000-serien, 5000-serien, 6000-serien og 7000-serien som definert i overensstemmelse med den europeiske standarden EN 573-1.

3. Umbilikal ifølge krav 2, der aluminiumslegeringen er valgt fra én som er betegnet 1120, 1350, 1370, 6101 eller 6201.