NO329604B1

NO329604B1 - Elektrisk undervannskabel og system for direkte elektrisk oppvarming

Info

Publication number: NO329604B1
Application number: NO20060760A
Authority: NO
Inventors: Espen Olsen
Original assignee: Nexans
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2010-11-22
Also published as: US20070237469A1; CA2577488C; CA2577488A1; BRPI0700420B1; GB2435347B; NO20060760L; GB0702980D0; GB2435347A; US7629535B2; BRPI0700420A

Abstract

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrisk undervanns-kraftkabel, særlig for bruk i oppvarmingssystemer for hydrokarbon-rørledninger, og innrettet til å installeres som en utenpåliggende kabel (12) på rørledningene (10), omfattende en flertråds, snodd lederkjerne (2) med en ytre isolasjon (4) og i det minste en beskyttende kappe (8) samt med armeringsmidler. Armeringsmidlene er inkorporert i lederkjernen (2) som integrerte trådelementer (1) med strekkstyrke. Videre angår oppfinnelsen et oppvarmingssystem for hydrokarbon-rørledninger, omfattende denne nye undervanns-kraftkabelen.

Description

Elektriske kraftkabler av forskjellige utførelser for et antall ulike formål og anvendelser, har vært kjent i lang tid. Spesielt omfatter slike kabler vanligvis en armering av et sterkt materiale som vil bidra vesentlig til den mekaniske styrke og beskyttelse av kabelen. Strekkstyrke er ofte vesentlig i denne forbindelse, og stål i utvalgte kvaliteter er velkjent som et armeringsmateriale. Slik armering på kjente kabelkonstruksjoner er viklet som et eller flere ytre lag for å beskytte indre isolasjonslag og strømledere i kablene.

Mens de kabeltyper som det refereres til ovenfor, vanligvis er konstruert for å graves ned i bakken eller å legges på sjøbunnen, skal det her også nevnes luft-transmisjonsledninger som henges opp mellom master for å føre elektrisk energi ved meget høy spenning over lange avstander. Slike transmisjonsledninger er kjent, der det fins en slags "armering"i form av en sentral stålkjerne innenfor de lederlag som tjener til strømoverføring, idet disse lederlagene for det meste er laget av aluminium. Videre er disse høyspennings-transmisjonsledningene ikke forsynt med noe isolasjonslag langs sin lengde.

I et aspekt angår foreliggende oppfinnelse en elektrisk kraftkabel av ny konstruksjon, særlig for undervannsbruk i oppvarmingssystemer for hydrokarbon-rørledninger, og innrettet til å installeres på rørledningene, omfattende en lederkjerne med en ytre isolasjon og i det minste en beskyttende kappe samt armeringsmidler.

Det særlige formål med slike kabler er ikke sammenlignbart med de kjente kablene som det er henvist til ovenfor, og dette desto mer ved sammenligning med de luft-transmisjonsledningene som også er nevnt ovenfor.

For oppvarming av olje- eller gass-rørledninger med sikte på å forhindre dannelse av hydrat og is på rørledningsveggene, har foreliggende patentsøker utviklet et system for direkte elektrisk oppvarming, som er beskrevet blant annet i Britisk patentskrift nr. 2 373 321. Patentskriftet US 6 417 457 viser at det er det kjent å løse problemer ved å la armeringen utgjøres av ikke-metallisk materiale, og plassere armeringen radielt utenfor kabelens ledere. For strømtilførsel til et slikt oppvarmingssystem er det vanlig praksis å installere en strømforsyningskabel som en såkalt "piggyback"-kabel (utenpåliggende kabel), som tradisjonelt blir installert samtidig med leggingen av rørledningen. Mer spesielt blir en slik kabel festet med stropper til rørledningen under installasjon av denne. For installasjon av et elektrisk direkte-oppvarmingssystem i etterhånd (retrofit), er imidlertid slik samtidig montering av strømforsyningskabelen ikke praktisk mulig.

I tilfeller der kabelen blir festet utenpå rørledningen, kan kabelen ikke ha noe metallisk materiale så som armering, på utsiden av isolasjonslagene, da dette ville muliggjøre en uønsket elektrisk strømvei for returstrøm, hvilket reduserer effektiviteten av systemet. Den returstrøm som det her vises til, bør selvsagt i sin helhet flyte gjennom rørledningens vegger for å generere den varmeeffekt som tilsiktes.

De ovenstående betraktninger og generelt det faktum at installasjon og dynamisk operasjon av kraftkabler på dypt vann innebærer strenge krav til styrken og bøyeegenskapene i kabelen, og særlig på armeringsmaterialet i denne, utgjør en viktig bakgrunn for denne oppfinnelse. Således har det vært et behov for en ny konstruksjon av elektriske kraftkabler som kunne tilfredsstille de forskjellige kriteria i henhold til ovenstående, særlig en løsning med hensyn til kabelens styrke og armering, som også kan praktiseres i tilfellet av installasjon av utenpåliggende kabler i etterhånd (retrofit).

Ifølge et aspekt av oppfinnelsen består således i en elektrisk kraftkabel av den art det her gjelder, de nye og særegne trekk i første rekke i at armeringsmidlene i form av trådelementer med strekkstyrke er anordnet i en sentral del av kabelens tverrsnitt. I foretrukne utførelser av oppfinnelsen er armeringsmidlene inkorporert i lederkjernen som integrerte strekkstyrke-trådelementer, så som ståltråder. Disse metalltrådene er fortrinnsvis plassert sentralt i lederkjernen, og det er ytterligere foretrukket at de er fullstendig omgitt av lederkjernens trådelementer, så som kobbertrådelementer.

Ytterligere spesielle trekk ved den elektriske kraftkabelen ifølge oppfinnelsen er omfattet av patentkravene.

Således er fra et praktisk synspunkt ideen bak denne oppfinnelsen å anordne en sentral stålkjerne i en tradisjonelt snodd kobberleder. Den vanlige sentrale kobbertråd eller - kjerne er med andre ord erstattet med ståltråder fortrinnsvis av høy kvalitet, enten med samme tråddiameter eller med en annen tråddiameter enn i de ytre kobbertrådlagene, i et nødvendig antall utenfor den integrerte metalltrådkjernen.

I den nye konstruksjonen som er foreslått ovenfor, med metalltråder som et kjerne-styrkeelement innenfor leder-elementene, blir det oppnådd vesentlige fordeler. En fordel består i at styrkeelementet er beskyttet mot enhver skade, men kanskje mer viktig er det at det ikke blir noen risiko for at returstrøm flyter gjennom dette armeringsmaterialet, da det vil være elektrisk integrert med kobberlederelementene. Videre kan en slik kabel installeres samtidig med rørledningen og er også egnet for installasjon i etterhånd (retrofit).

I henhold til et annet og viktig aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt et system for direkte elektrisk oppvarming av en hydrokarbonrørledning med en elektrisk undervanns-kraftkabel installert som en utenpåliggende kabel på rørledningene omfattende:

- en elektrisk kraftforsyningsenhet,

- en tilførselskabel som strekker seg fra kraftforsyningsenheten til et punkt ved rørledningen, - en elektrisk forbindelse mellom en leder i tilførselskabelen og rørledningen i det nevnte punktet, - en elektrisk forbindelse mellom en annen leder i tilførselskabelen og en tilstøtende ende av kraftkabelen nær de nevnte punktene, og en elektrisk forbindelse mellom en fjerntliggende ende av kraftkabelen og et annet punkt på rørledningen, - der kraftkabelen har en lederkjerne med en ytre isolasjon og i det minste en beskyttende kappe samt armeringsmidler i form av trådelementer med strekkstyrke som er anordnet i en sentral del av kabelens tverrsnitt.

Ytterligere spesielle trekk ved dette systemet ifølge oppfinnelsen, er å finne i de uselvstendige kravene.

Under henvisning til tegningene vil oppfinnelsen bli forklart videre i form av utførelseseksempler på denne.

Fig. 1 viser skjematisk et typisk generelt arrangement for direkte oppvarming av en rørledning, og

fig. 2 viser i tverrsnitt en elektrisk kraftkabel utført i henhold til denne oppfinnelsen.

I det arrangement som er illustrert på fig. 1 er det en undervanns-rørledning 10 som kan ha betydelig lengde. En utenpåliggende kabel 12 er installert langs rørledningen 10 eller eventuelt en seksjon av denne. Kabelen 12 kan ha en utførelse som forklart nedenfor under henvisning til fig. 2 av tegningene. Ved 12a er det vist et elektrisk koblingspunkt mellom den utenpåliggende kabelen og rørledningen, for strømtilførsel til sistnevnte ved denne fjerntliggende enden.

En elektrisk kraftforsyningsenhet 20 er anordnet på en overflatekonstruksjon som omfattes av det totale anlegg eller den plattform det gjelder. Fra enheten 20 er det ført en toleder-tilførselskabel eller stigeledning 15 ned til vedkommende undervannsinstallasjon, der det er anordnet en armert matekabel 16, som også er en tolederkabel eller eventuelt to enkeltkjerne-kabler.

En av matekabelens ledere er forbundet med rørledningens overflate ved 12b, mens den andre matelederen er forbundet med den første enden av den utenpåliggende kabelen 12 - i området 12b. Som nevnt er den fjerntliggende enden av kabelen 12 forbundet med den fjerntliggende enden av rørledningen ved 12a.

Under rørledningen 10 på fig. 1 er det et diagram som viser en kurve 30 som representerer spenningen i den utenpåliggende kabelen i forhold til "jord", dvs. det omgivende sjøvann. Følgelig vil kurven 3 gå ned til null ved den fjerntliggende enden 12a av kabelen 12 og rørledningen 10.

Den kabelstruktur som er vist i tverrsnitt på fig. 2 omfatter et sentralt strekkstyrkeelement 1 som består av et antall integrerte metalltråder omgitt av flere lag av kobberledere 2 beregnet til å føre den elektriske strømmen for det spesielle formål eller til den forbruker det gjelder. I en ganske liten og kanskje neglisjerbar grad, kan de sentrale metalltrådene 1 også bidra til strømoverføringen. I dette tilfellet er det tre lag av kobberlederelementer 2 utenfor den sentrale trådbunt 1, som fortrinnsvis består av et egnet stålmateriale. Det kan imidlertid være mulig å benytte et ikke-metallisk materiale som trådelementer med strekkstyrke i bunten 1. Som et eksempel kan Kevlar-fiberelementer brukes.

På dette punktet bør det også nevnes at de sentrale metalltrådelementene 1 kan ha forskjellig fordeling innenfor tverrsnittet, fra det som er illustrert på fig. 2. F.eks. kan kjernebunten omfatte ståltrådelementer likesom kobbertrådelementer snodd sammen i en integrert kjernedel, fortrinnsvis på en slik måte at ståltrådene har en symmetrisk fordeling omkring den sentrale lengdeakse for kabelen.

Når det gjelder antallet av kobbertrådlag 2, kan dette variere fra tre lag som er illustrert på fig. 2, men mindre enn to lag vil vanligvis ikke være å foretrekke, mens fire eller flere lag kan forekomme avhengig av konstruksjons-kriteriene, spesielt strømbelastningskapasiteten og kravene til bøyningsegenskaper.

Forholdet mellom tverrsnittsarealet av bunten av metalltråder 1 og den omgivende bunt av ledende kobbertråd-kjernen 2, kan også variere. Vanligvis vil imidlertid tverrsnittsarealet av lederkjernen 2 være vesentlig større enn det for metalltrådbunten 1.

Betraktes nå den lagvise struktur utenfor lederkjernen 2 på fig. 2, finnes det mer eller mindre konvensjonelle lag eller komponenter som følger: Et leder-skjermlag 3 bestående av halvledende, fornettet polyetylen.

Hovedisolasjonslagene 4, vanligvis i form av et fornettet polyetylen-materiale.

En isolasjonsskjerm 5 av et halvledende, fornettet polyetylen.

En indre beskyttende mantel 6 av halvledende polyetylen. En halvledende teip-omvikling 7.

En ytre beskyttende kappe 8 som likeledes er av halvledende polyetylen.

Claims

1. Elektrisk kraftkabel, særlig til bruk i oppvarmingssystemer for hydrokarbon-rørledninger og innrettet til å installeres som utenpåliggende ("piggyback") kabel (12) på rørledningen (10), omfattende en lederkjerne (2) med en ytre isolasjon (4) og i det minste en beskyttende kappe (8) samt armeringsmidler,karakterisert vedat armeringsmidlene har form av metalliske trådelementer (1) med strekkstyrke, anordnet eller plassert sentralt i lederkjernen (2), slik at kabelen ikke omfatter noe metall-lag utenfor den nevnte isolasjon (4).

2. Elektrisk kraftkabel ifølge krav 1, der de metalliske trådelementene (1) med strekkstyrke er integrerende inkorporert i lederkjernen (2), som fortrinnsvis er en flertråds, snodd lederkjerne.

3. Elektrisk kraftkabel ifølge krav 1 eller 2, der de metalliske trådelementene med strekkstyrke er fortrinnsvis i form av ståltråder (1).

4. Elektrisk kraftkabel ifølge krav 1, 2 eller 3, der de metalliske trådelementene (1) med strekkstyrke er plassert sentralt i lederkjernen (2).

5. Elektrisk kraftkabel ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, der de metalliske trådelementene (1) med strekkstyrke er helt omgitt av lederkjernens trådelementer (2), så som kobbertrådelementer.

6. Elektrisk kraftkabel ifølge krav 3, 4 eller 5, der de metalliske metalltrådene (1) med strekkstyrke og lederkjernens elementer (2) har tverrsnittsdimensjoner av samme størrelsesorden.

7. Elektrisk kraftkabel ifølge krav 4, 5 eller 6, der i det minste to og fortrinnsvis tre lag av snodde lederkjerne-trådelementer (2) omgir metalltrådene (1) med strekkstyrke.

8. System for direkte elektrisk oppvarming av en hydrokarbon-rørledning (10) med en elektrisk undervanns-kraftkabel (12) installert som utenpåliggende (piggyback) kabel på rørledningen, omfattende: - en elektrisk kraftforsyningsenhet (2 0), - en tilførselskabel (15, 16) som strekker seg fra kraftforsyningsenheten (20) til et punkt (12b) ved rørledningen (10) , - en elektrisk forbindelse mellom en leder i tilførsels-kabelen (15, 16) og rørledningen (10) i det nevnte punktet (12b), - en elektrisk forbindelse mellom en annen leder i tilførselskabelen (15, 16) og en tilstøtende ende av kraftkabelen (12) nær de nevnte punktene (12b), og - en elektrisk forbindelse mellom en fjerntliggende ende (12a) av kraftkabelen (12) og et annet punkt på rørledningen (10) , - der kraftkabelen (12) har en lederkjerne (2) med en ytre isolasjon (4) og i det minste en beskyttende kappe (8) samt armeringsmidler i form av metalliske trådelementer (1) med strekkstyrke som er anordnet i en sentral del av kabelens tverrsnitt.

9. System ifølge krav 8 der de metalliske trådelementene (1) med strekkstyrke er integrerende inkorporert i lederkjernen (2), som fortrinnsvis er en flertråds, snodd lederkjerne.

10. System ifølge krav 8 eller 9, der de metalliske trådelementene med strekkstyrke fortrinnsvis er i form av ståltråder (1).

11. System ifølge krav 8, 9 eller 10, der de metalliske trådelementene (1) med strekkstyrke er plassert sentralt i lederkjernen (2).

12. System ifølge krav 8, 9, 10 eller 11, der de metalliske trådelementene (1) med strekkstyrke er helt omgitt av lederkjernens trådelementer (2), så som kobbertrådelementer.

13. System ifølge krav 10, 11 eller 12 der metalltrådene (1) med strekkstyrke og lederkjernens elementer (2) har tverrsnittsdimensjoner av samme størrelsesorden.

14. System ifølge krav 11, 12 eller 13, der i det minste to, og fortrinnsvis tre lag av snodde lederkjerne-trådelementer (2) omgir metalltrådene (1) med strekkstyrke.