[发明专利]硫化的电力脐带缆

说明书

本发明涉及电力脐带缆（umbilical）、DEH电力电缆或通用脐带缆，包括：多个高功率电缆，其用于传递大量电能；填充材料，其以至少部分地位于高功率电缆周围和之间的刚性细长形的塑料元件的形式，并且其通过铺设和封闭操作而共同地聚集成在螺旋束中；以及保护性护套，其包封高功率电缆和填充材料。

因此本发明可以被使用在至少三种主要类型的脐带缆/电力电缆上；主要被使用在所称的电力脐带缆上，其性质在WO 2005/124213中有所描述；被使用在DEH电缆（直接电加热）上，其类型在PCT/NO2010/000395中有所描述；以及被使用在更多的传统脐带缆上，其性质在WO 2005/124095中有所描述。

随着石油和天然气工业寻找与日益增长的全球石油需求保持同步的方法，海底开发正进入日益增加的水深并且操作者将海底增压技术视为最有效地使用他们的蓄水池的一种手段。配电脐带缆，其需要用来给海底增压泵供电，由于更深的水使得其将受到更极端的张力负载的挑战。

限制在脐带缆上的张力的传统方法是通过添加钢铁护甲来增加轴向刚性。但是对于非常深的水下应用而言，现在变得明显的是，钢铁作为护甲材料将不能有效地起到减小脐带缆的张力的作用。如果从顶点悬挂的结构部件垂直吊挂并且仅接触其重力载荷，则接近悬挂点的张力与自由悬挂的长度和密度成比例，但关于其刚性则成反比。因此，当水深增加时，很明显用于增强刚性的材料将失去效力。在某一水深处，所添加的来自钢铁护甲的重量增加了张力而不是减小张力。使用钢铁作为护甲材料通常从2000-2500米的水深处开始出现问题。

这已经使得该工业寻求轻质材料但仍是用于脐带缆刚性增强的坚硬材料。作为多年开发和测试的结果，本申请人已经开发并且取得了一种碳纤维杆加固脐带缆系统的专利权。碳纤维杆与脐带缆中的其他元件一起捆绑到脐带缆中，具有与钢铁相比大约相同的刚性，但仅有钢铁密度的五分之一。这种改变已经消除了关于重力负载引起的张力和应力方面的、所有实际的水深限制。

对于高的和中等的电压电功率脐带缆而言，张力的控制特别重要。高功率电缆典型的安全的长期张力限制处于0.15%的范围内，并且使用碳纤维杆系统可容易地为动态高功率电缆实现该范围。已经在近期的项目中证明了碳纤维杆系统在3000米的水深处的效率。

本申请人的脐带缆设计基于以沿着脐带缆长度的渐进式螺旋方式来捆绑内部元件。在一些情况下，并且如果有必要作为电气方面的要求，第二层以相反的螺旋旋转被捆绑在内束上。在这种情况下，脐带缆将具有螺旋核心和沿着长度彼此逆向旋转的螺旋层。螺旋相对于脐带缆的中心线的角度仅在1度至3度之间的范围内。这种渐进式螺旋提供多种优势，如低旋转力和大容量，以承受脐带缆的轴向压缩力。

脐带缆的内部被保持在适当的位置处并且由刚性的塑料间隔物分开，所述刚性的塑料间隔物也被称为填充材料，其沿着脐带缆的长度延伸。这些间隔物是呈某种形状的，以致于当被捆绑在一起时它们形成让管或管道和电缆穿过的内部纵向空间或空腔。每一空间被精确地确定尺寸以适合其将要容纳的内部元件比如管或电缆，所述每一空间具有大约1mm的周围间隙。这样为在处理期间在脐带缆内自由移动创造了条件，并且允许要被卷绕和旋转的脐带缆满足内部元件柔性的相应弯曲限制。

塑料间隔物、填充材料的使用还当脐带缆遭受高紧缩压力时提供在脐带缆的横截面上的力的分配方面的益处。由于有助于防止履带握压（caterpillar grip pressure）造成脐带缆内部损坏，所以这种益处特别有利于深水安装。

由于组件之间的低摩擦，使得申请人的、具有以沿着脐带缆的长度的渐进式螺旋的捆绑元件的脐带缆的另一重要特征是被提高的疲劳寿命（fatigue life）。

通常来说，申请人的脐带缆足够坚硬并且不需要沿着其长度的额外加硬材料。但是在一些情况下，特别在非常深的水中和高功率电缆的情况下，脐带缆需要被加强以便限制在捆绑元件上过度的张力和应力。仅在包封捆绑元件的外部护套以下使用钢铁护甲出于以下两个原因是不适合的：a）护甲的重量与水深成比例并且因此张力增大与水深成比例，以及b）护甲的压缩的螺旋编织导致刚性的损失。因此在这种情况下，申请人的脐带缆使用碳纤维杆来加强。这些杆以与内部元件如管和电缆相同的方式被捆绑到脐带缆中。与钢铁（其相对密度是水的相对密度的7.85倍）相比，碳纤维的相对密度是水的相对密度的1.6倍，并且因此碳纤维杆有助于实现其完整刚性而不存在由于钢铁护甲的使用所导致的增加重量的负面影响。通过使用这种技术，脐带缆可以与任何水深“协调”并且沿其长度保持所需的刚性。