用于對海底管道直接電加熱的具有柔軟芯的電纜的制作方法
【專利摘要】本發明涉及用于對海底管道(28)直接電加熱的電纜(10)，該電纜包括：軸向柔軟內芯(12)；以及圍繞所述芯的電導線(14)。本發明還涉及包含此類電纜的系統、此類電纜的使用、以及用于對海底油/氣管道直接電加熱的方法。
【專利說明】用于對海底管道直接電加熱的具有柔軟芯的電纜
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于對海底管道直接電加熱(DEH)的電纜。本發明還涉及包含此類電纜的系統、此類電纜的使用、以及用于對海底油/氣管道直接電加熱的方法。
【背景技術】
[0002]直接電加熱(DEH)是一種用于防止在油和氣的海底生產管道中形成蠟和水合物的方法。DHl以如下事實為依據:金屬導體中的交流電(AC)在單相電路中生成熱。一根電纜被連接到管道的第一端，而單芯電纜被背負(Piggyback)在管道上并被連接到管道的遠端。這兩根電纜與管道一起形成單相電路。背負電纜被直接綁(strap)在管道上或者位于綁到管道上的外部機械保護的內部。
[0003]傳統的DHl背負電纜是單芯高壓電纜。導體由圓形絞合緊壓銅線制成，絕緣系統由交聯聚乙烯(XLPE)制成,而外護套(outer sheath)由發泡聚乙烯(PE)制成。
[0004]傳統DHl背負電纜的問題在于如果在安裝過程中不仔細地執行復雜且昂貴的減緩措施，則銅線在管道的操作過程中會被拉緊到不可接受的水平。由于高生產流溫度將發生管道的熱膨脹。背負電纜也被同樣地拉緊，因為它被連接并被綁到管道上。此外，背負電纜在管道熱屈曲(buckling)位置(橫向或隆起屈曲)可被額外地拉緊。由于上述影響，背負電纜的延伸率通常大于0.2%。單芯背負電纜的最大允許拉伸應變通常是0.15%。在電纜設計中，關于軸向應變(axial strain)的限制元件是銅導體。超過允許水平的軸向應變可導致應當被避免的銅線的塑性變形。為了不超過最大允許電纜應變，背負電纜通常以相對于管道具有某些額外長度(over length)來安裝。如果將電纜安裝在內徑顯著大于電纜的外徑的外部機械保護的內部，則電纜的額外(over)長度可通過保持電纜的背部張力低而實現(因此電纜的重量將引起電纜在保護內部以蛇形前進，從而引入額外長度)。這從安裝的角度來看是復雜的操作，因為電纜的背部張力難以控制。在將電纜直接綁在管道上的情況下，從安裝/實踐的角度來看，實現電纜額外長度非常困難。使用傳統的測量工具來測量所實現的額外長度也是非常困難的，因為它們具有比所需的電纜的額外長度率(大約
0.1% )更大的不準確率。
[0005]US2004108125 (Thomassen)公開一種電纜系統和用于制造包含具有導體芯的電纜的電纜系統的方法以及用于在縱向可膨脹-可收縮的元件之上安裝所述電纜系統的方法。該方法包括連續步驟如下:將二級元件設置在所述電纜之上以便給所述電纜充分附加的起伏從而形成附加長度，通過至少在兩點處夾持來將所述電纜系統安裝到所述縱向可膨脹-可收縮的元件上，在所述夾持之后，處理所述第二元件以便釋放所述起伏的附加，從而將所述附加長度轉變為將被使用的自由的超出(excess)長度。夾持之后產生的超出長度大概允許所述電纜能夠在不增加張力的情況下應對所述可膨脹-可收縮元件的長度變動。
[0006]然而，US2004108125中的技術方案基于傳統的電纜。此外，用于應對長度變動的技術方案在僅將電纜夾持到縱向可膨脹-可收縮元件之外還要求額外的步驟，從而使其過度復雜且昂貴。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于至少部分地克服上述問題，并提供用于對海底管道直接電加熱的改進的電纜。特定目的在于提供能經得起DHl背負應用所要求的實際應變的電纜。
[0008]根據以下描述將變得顯而易見的這些目的以及其他目的通過根據隨附獨立權利要求的電纜、系統、使用和方法來實現。實施例在從屬權利要求中闡明。
[0009]根據本發明的一方面，提供用于對海底管道直接電加熱的電纜，該電纜包括:軸向柔軟內芯；以及圍繞所述芯的電導線。
[0010]內芯可由軸向柔軟材料制成。軸向柔軟材料可具有低彈性模數。例如，軸向柔軟材料可具有小于10kN/mm2(GPa)的彈性模數，其中所有可能的范圍組合都將是大致合適的、適宜的或想要的。
[0011]此外，電導線可以相對于電纜的中心縱向軸限定的捻角(lay angle)圍繞該芯呈螺旋形地絞合(strand)。捻角可根據電纜的特定允許最大軸向應變而選擇。例如，捻角可在25。與55。之間。
[0012]本發明通過引入如下的設計來降低電纜的軸向硬度:內芯可由軸向柔軟的材料制成，并且此外外部電導線的捻角可被優化(增加的)。該設計將確保在安裝期間不執行復雜且昂貴的減緩措施的情況下，管道的操作過程中的電纜中的應變是可接受的。從電的角度看，其將具有小的影響，因為電纜的最內部分由于趨膚效應而很難用于傳導電流。從機械的角度看，用柔軟材料代替傳統DHl背負電纜的內部銅線將使整個電纜更柔軟并且降低了電纜的軸向硬度，以便在外部電導線(通常為銅)被塑性變形之前允許更大的應變。此外，利用本發明，將不必安裝相對于管道具有額外長度的電纜。這將使安裝過程容易得多，并且其將去除安裝的電纜是否具有足夠的額外長度的不確定性。這還將導致增加整體DHl系統的安全性，因為消除了對于電纜額外長度的需求。此外，電纜重量可更小，因為內部銅線被通常比銅輕的軸向柔軟材料取代。在制造、運輸和安裝期間對電纜的處理將因此容易得多。同樣，電纜的成本將降低，因為DHl背負電纜的成本的大部分與銅的購買相關。
[0013]根據本發明的另一方面，提供用于對海底管道直接電加熱的系統，該系統包括:根據以上描述的電纜；以及具有雙導體供電電纜或者兩個單導體供電電纜的電源，其中該電纜沿管道的至少一部分被設置并且被電連接到管道和供電電纜的一個導體上，以及其中，供電電纜的另一個導體被電連接到管道，以形成電路。該方面可展示與本發明之前描述的方面同樣或類似的特征和技術效果。
[0014]本發明的又一方面涉及將根據以上描述的電纜用作海底油/氣管道的直接電加熱的背負電纜。該方面可展示與本發明之前描述的方面同樣或類似的特征和技術效果。
[0015]根據本發明的再一方面，提供用于對海底油/氣管道直接電加熱的方法，該方法包括:沿所述管道的至少一部分設置根據任何以上描述的電纜；并在由所述電纜和管道形成的電路中或者包括所述電纜和管道的電路中供應電流。該方面可展示與本發明之前描述的方面同樣或類似的特征和技術效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]現在將參考示出本發明的當前優選實施例的附圖來更詳細描述本發明的這些和其他方面。
[0017]圖I示出根據本發明實施例的電纜的截面。
[0018]圖2是圖I中電纜的部分縱向截面圖。
[0019]圖3是根據本發明的用于對海底管道直接電加熱的系統的示意性側視圖。
【具體實施方式】
[0020]在圖I和圖2中示出根據本發明的實施例的用于對海底管道直接電加熱的電纜
10。如從截面圖中所見，電纜10包括內部（最內）的中間芯12。內芯12可在電纜10的整個長度上延伸。內芯12是軸向柔軟的。也就是說，內芯12在電纜10的軸向或縱長方向是柔軟的，以至于其可在電纜10的軸向或縱長方向上被延伸或收縮，如圖2中的雙箭頭13所示。例如，內芯12由軸向柔軟材料制成。內芯12的軸向柔軟材料優選具有低彈性模數（彈性的模數/E-模數）。例如，內芯12的軸向柔軟材料可具有小于10kN/mm2( = IOGPa(千兆帕））的彈性模數，其中對于小于IOGPa的彈性模數的所有可能的范圍組合都將是大致合適的、適宜的或想要的。相比之下，銅具有約為130GPa的彈性模數。例如，本電纜10中的內芯12可由具有彈性模數為O. l_1.5GPa(在室溫下）的PE(聚乙烯）制成，或由具有彈性模數為1.2-2GPa (在室溫下）的PP (聚丙烯）制成，然而也可使用其他合適的材料。此外，內芯12可以是導電的或非導電的。如果內芯12導電，則需要較小的銅截面。此外，軸向柔軟材料芯12可由若干纏繞在一起的柔軟元件構成。此外，內芯12可由在至少一個維度上本質是柔軟的均質材料（例如像聚乙烯）制成，或者由其本身不一定柔軟或不充分柔軟但被構造或布置以致整體變得軸向柔軟的材料制成。在后一種情況下，可使所有的層（包括內芯12)形成螺旋狀，從而提供更柔軟的電纜設計。該設計可以不具有直的中心線。
[0021]電纜10進一步包括圍繞內芯12的電導線14。電導線14優選由銅制成。電導線14以相對于電纜10的中心縱長軸24限定的捻角α圍繞芯12被螺旋形地絞合，如圖2中所見。電線14的捻角的變化意味著電線的軸向應變的變化。一般而言,較大的捻角導致電線中的較小軸向應變。在總電纜軸向應變為O. 15%的情況下，電線14的軸向應變在捻角為25度時為O. 12%，在35度時其為O. 1%，在45度時其為O. 08%，以及在55度時其為
O.05%。例如通過實施55度的捻角α，總電纜應變因而可以為O. 25%并且仍處于銅的彈性區，因為所有層中由銅制成的電線14的應變將被限制為O. 15%。因此，電纜10中的電線14的捻角α可根據電纜10的特定允許最大軸向應變（例如，O. 15% )來選擇。此外，對于電纜10而言，導致相同伸長的軸向張力將隨著捻角α增加而降低。減小軸向張力對于電纜接頭是有利的，因為它們容易受到機械應力的傷害。電纜10的最終設計因而可取決于若干因素，諸如安裝深度（恢復和修理的情形）、管道生產流溫度（管道膨脹）、管道的挖溝（沒有屈曲）等。
[0022]從電導線14開始且向外，電纜10可進一步包括導體屏蔽（conductor screen) 16、絕緣體18、絕緣屏蔽20、以及外護套22,如圖I中所示。
[0023]圖3示出系統26，其中本電纜10被背負在海底管道28上以用于對后者直接電加熱。因此，可將電纜10表示為“直接電加熱背負電纜”。
[0024]管道28用于傳送如油和/或（天然）氣的碳氫化合物。它通常被安裝或鋪設在海床上。此外，管道28通常由鋼制成，因此其是導電的。[0025]系統26進一步包括電源30。電源30可設置在最上面。如下面將說明的，從電源30開始，具有向下延伸到電纜10和管道28并連接到其上的雙導體供電電纜32 (或兩個單導體供電電纜）。
[0026]電纜10的一端在點34a處被電連接到管道28的一端。電纜10的另一端在管道28另一端附近的點34b處被連接到供電電纜32的一個導體。在點34a和34b之間，電纜10被背負到管道28上。電纜10可如圖3中所示基本沿著管道28的整個長度設置，或者備選地僅沿著管道的一部分設置。此外，電纜10被直接綁到管道28上或者位于綁在管道上的外部機械保護（未示出）內部。在也靠近管道28的該另一端的點34c處，供電電纜32的另一導體電連接到管道28上。因此，背負電纜10和供電電纜32的兩根電纜與管道28 —起形成電路。
[0027]一旦運轉，就從電源32供應交流電并在管道中（且也在電纜中）生成熱，熱可防止管道28內部形成蠟和水合物。如果管道28膨脹，例如當通過它來傳送熱油時，將不會損壞本電纜10，即使在電纜不具有任何額外長度的情況下被綁到管道28上并且因此將被迫隨管道一起膨脹時也是如此。這是因為如上文所論述的本電纜的創造性設計和結構。
[0028]本領域技術人員將認識到本發明完全受限于上面描述的實施例。相反，在隨附權利要求的范圍內，許多修改和變 型都是可能的。
【權利要求】
1.一種用于對海底管道（28)直接電加熱的電纜（10)，所述電纜包括： 軸向柔軟內芯（12);以及 圍繞所述芯的電導線（14)。
2.如權利要求1所述的電纜,其中,所述內芯由軸向柔軟材料制成。
3.如權利要求2所述的電纜，其中，所述軸向柔軟材料具有低彈性模數。
4.如權利要求2或3所述的電纜，其中，所述軸向柔軟材料具有小于lOkN/mm2的彈性模數。
5.如前述權利要求中任一項所述的電纜，其中，所述電導線以相對于所述電纜的中心縱向軸限定的捻角被圍繞所述芯螺旋形地絞合。
6.如權利要求5所述的電纜，其中，根據所述電纜的特定允許最大軸向應變來選擇所述捻角。
7.如權利要求5或6所述的電纜，其中，所述捻角在25°與55°之間。
8.一種用于對海底管道（28)直接電加熱的系統（26)，所述系統包括： 如前述權利要求中任一項所述的電纜（10);以及 電源（30)，具有雙導體供電電纜或兩個單導體供電電纜（32)， 其中，所述電纜（10)沿著所述管道的至少一部分被設置并且被電連接到所述管道和所述供電電纜的一個導體，以及其中，所述供電電纜的另一個導體被電連接到所述管道，以形成電路。
9.如權利要求1-7中任一項所述的電纜（10)用作對海底油/氣管道直接電加熱的背負電纜。
10.一種用于對海底油/氣管道直接電加熱的方法， 所述方法包括： 沿著所述管道的至少一部分來設置如權利要求1-7中任一項所述的電纜；以及 在由所述電纜和所述管道形成的電路中或者在包含所述電纜和所述管道的電路中供應電流。
【文檔編號】F16L53/00GK103477142SQ201080071027
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2010年12月29日 優先權日:2010年12月29日
【發明者】A·H·博爾內斯, A·蒂莫申科, E·特杰蘭德, 蓋爾·恩達爾 申請人:挪威國家石油公司