ES2871016T3 - Cable umbilical de potencia vulcanizado - Google Patents

Abstract

Un cable umbilical de potencia, un cable de potencia DEH o un cable umbilical general (U), que incluye una pluralidad de cables de alta potencia (7) para la transferencia de grandes cantidades de energía eléctrica, material de relleno (2, 3, 4) en forma de elementos alargados de plástico rígido ubicados al menos parcialmente alrededor y entre los cables (7) de alta potencia y que juntos se agrupan colectivamente en un haz en espiral mediante una operación de disposición y cierre, y una funda protectora (1) que encapsula los cables (7) de alta potencia y el material (2, 3, 4) de relleno, caracterizado por que los cables (7) de alta potencia, a intervalos en la dirección longitudinal de los cables, están provistos de medios (F) de fricción que cooperan con el material (2, 3, 4) de relleno para la aplicación por fricción con la carga y la transferencia de peso entre sí, mientras que los cables (7) de alta potencia entre dichos medios (F) de fricción se extienden libremente en cavidades longitudinales dentro del material (2, 3, 4) de relleno para una posible expansión y contracción de cada cable (7) de alta potencia durante temperaturas alternativas dentro del conductor del cable de alta potencia.

Description

DESCRIPCIÓN

Cable umbilical de potencia vulcanizado

Campo de invención

La presente invención se refiere a un cable umbilical de potencia, un cable de potencia DEH o un cable umbilical general, que incluye una pluralidad de cables de alta potencia para la transferencia de grandes cantidades de energía eléctrica, material de relleno en forma de elementos alargados rígidos de plástico ubicados al menos parcialmente alrededor y entre los cables de alta potencia y que juntos se agrupan colectivamente en un haz en espiral mediante una operación de disposición y cierre, y una funda protectora que encapsula los cables de alta potencia y el material de relleno.

Por tanto, la presente invención se puede utilizar en al menos tres tipos principales de cables umbilicales/cables de potencia; principalmente en eso que llamamos un cable umbilical de potencia de la naturaleza descrita en el documento WO 2005/124213; en un cable DEH (calefacción eléctrica directa) del tipo descrito en el documento PCT/NO2010/000395 y en un cable umbilical más tradicional de la naturaleza descrita en el documento WO 2005/124095.

Antecedentes de la técnica

A medida que la industria del petróleo y del gas busca formas de mantenerse al día con la creciente demanda mundial de petróleo, los desarrollos submarinos se están moviendo hacia profundidades de agua cada vez mayores y los operadores buscan la tecnología de bombeo submarino como un medio para aprovechar al máximo sus reservas. Los cables umbilicales de distribución de energía, que son necesarios para suministrar energía eléctrica a las bombas impulsoras submarinas, serán desafiados por cargas de tensión más extremas debido a las aguas más profundas.

La forma tradicional de limitar la tensión en los cables umbilicales es aumentar la rigidez axial agregando armaduras de acero. Pero para aplicaciones en aguas muy profundas, pronto se hizo evidente que el acero como material de armadura no funcionaría de manera eficiente para reducir la deformación de un cable umbilical. Si un miembro estructural suspendido de un punto superior cuelga verticalmente y está expuesto únicamente a su carga de gravedad, la deformación cerca del punto de suspensión es proporcional a la longitud de suspensión libre y a la densidad, pero se aplica lo contrario en relación con su rigidez. Por tanto, es obvio que los materiales utilizados para mejorar la rigidez pierden eficacia a medida que aumenta la profundidad del agua. A cierta profundidad del agua, el peso añadido de la armadura de acero aumenta la deformación en lugar de reducirla. El problema de usar acero como material de armadura comenzará típicamente en profundidades de agua de 2000-2500 metros.

Esto ha hecho que la industria busque material ligero pero rígido para mejorar la rigidez del cable umbilical. Como resultado de muchos años de desarrollo y pruebas, el presente solicitante ha desarrollado y patentado un sistema umbilical reforzado con varilla de fibra de carbono. Las varillas de fibra de carbono, que se agrupan en haces en el cable umbilical junto con los otros elementos en el cable umbilical, tienen aproximadamente la misma rigidez, pero solo una quinta parte de la densidad en comparación con el acero. Este cambio ha eliminado todas las limitaciones prácticas de profundidad del agua en términos de deformación y tensión inducidos por las cargas de gravedad.

El control de la deformación es particularmente importante para los cables umbilicales de potencia eléctrica de alta y media tensión. Una limitación de deformación típica segura a largo plazo de los cables de alta potencia está en el intervalo de 0,15% y esto se puede lograr fácilmente para cables umbilicales dinámicos de alta potencia que utilizan el sistema de varillas de fibra de carbono. La eficiencia del sistema de varillas de fibra de carbono ha sido probada en proyectos recientes en profundidades de agua de 3000 metros.

El diseño umbilical del solicitante se basa en el agrupamiento en haces de los elementos internos en una espiral gradual a lo largo del cable umbilical. En algunos casos, y si es necesario como requisito eléctrico, se agrupa en haces una segunda capa sobre el haz interior con la rotación en espiral opuesta. En tales casos, el cable umbilical tendrá un núcleo en espiral y una capa en espiral que giran en sentido contrario entre sí a lo largo de la longitud. Los ángulos de la espiral con respecto a la línea central del cable umbilical oscilan entre uno y tres grados únicamente. Esta espiral gradual proporciona varias ventajas, tales como bajas fuerzas de rotación y una alta capacidad para soportar las fuerzas de compresión axiales del cable umbilical.

Las partes internas del cable umbilical se mantienen en su lugar y están separadas por espaciadores de plástico rígidos, también llamados material de relleno, que discurren a lo largo del cable umbilical. Los espaciadores tienen una forma tal que cuando se agrupan en haces forman huecos o cavidades longitudinales internos a través de los cuales pasan los tubos o tuberías y los cables. Cada hueco está dimensionado exactamente para adaptarse a los elementos internos, tal como un tubo o cable, que contendrá, con un espacio completo de aproximadamente 1 mm. Esto proporciona el movimiento libre dentro del cable umbilical durante la manipulación, y permite luego rebobinar y enrollar el cable umbilical hasta los límites de curvado respectivos de flexibilidad de los elementos internos.

El uso de espaciadores de plástico, el material de relleno también proporciona beneficios en la distribución de fuerzas a lo largo de la sección transversal del cable umbilical cuando se somete a altas presiones de compresión. Dicho beneficio es especialmente ventajoso para la instalación en aguas profundas, ya que ayuda a evitar que las presiones de agarre de la oruga provoquen daños en las partes internas del cable umbilical.

Otra característica importante del cable umbilical del solicitante que tiene elementos agrupados en haz en espiral gradual a lo largo de la longitud del cable umbilical es la vida mejorada a la fatiga debido a la baja fricción entre los componentes.

Por lo general, el cable umbilical del solicitante es lo suficientemente rígido y no requiere rigidez adicional a lo largo de su longitud. Pero en algunas circunstancias, especialmente en aguas muy profundas y para cables de alta potencia, el cable umbilical necesita ser reforzado para restringir la deformación y tensiones excesivas sobre los elementos del haz. El uso de armadura de acero justo debajo de la funda externa que encapsula el haz no es adecuado por dos razones; a) el peso de la armadura y, por tanto, la tensión aumenta en proporción a la profundidad del agua, y b) el tejido en espiral comprimido de la armadura da como resultado una pérdida de rigidez. Por tanto, en tales casos, el cable umbilical del solicitante se refuerza con varillas de fibra de carbono. Las varillas se agrupan en haces en el cable umbilical de la misma manera que los elementos internos, tales como tubos y cables. La densidad relativa de la fibra de carbono es 1,6 veces mayor que la del agua en comparación con el acero, que es 7,85 veces mayor que la del agua, y, por lo tanto, las varillas de fibra de carbono contribuyen a su rigidez total sin los efectos negativos del peso añadido con el uso de armaduras de acero. Mediante el uso de dicha tecnología, el cable umbilical se puede "ajustar" a cualquier profundidad de agua y retener la rigidez requerida a lo largo de su longitud.

Uno de los principales desafíos del diseño de un cable umbilical dinámico de alta potencia seguro y confiable para aplicaciones en aguas profundas es controlar las fuerzas y la deformación en los núcleos de cobre de los cables. Las propiedades del material de cobre hacen difícil predecir las fuerzas a lo largo del tiempo, ya que la combinación de deformación por fluencia del material y efectos de temperatura, es decir, expansión y contracción, en los núcleos de cobre hace que la evaluación de la vida a la fatiga sea muy incierta. Para minimizar la fatiga de los cables en la zona de curvado dinámica, el solicitante ha desarrollado un concepto con los cables de potencia eléctrica "que flotan libremente" en la zona de curvado dinámico, evitando así cargas incontroladas sobre los cables en la zona. Los otros elementos portadores de carga del haz umbilical son; los tubos de acero (si los hay) y las varillas de fibra de carbono se anclan en el colgador superior, pero los cables eléctricos pasan a través del colgador sin ninguna restricción y, por lo tanto, pueden expandirse y contraerse libremente.

En lugar de una terminación de cable en la parte superior, los cables se cuelgan dentro del cable umbilical con un "sistema de sujeción blanda" según la presente invención. En una realización, el "sistema de sujeción blanda" es básicamente una funda de caucho vulcanizado que se aplica al exterior del cable en una longitud de unos diez metros, aumentando el diámetro exterior y proporcionando fricción contra el interior del conducto del cable en el cable umbilical, sin crear un "punto duro" entre las superficies.

Dicha "sujeción blanda" se encuentra a unos 15 a 20 metros por debajo del refuerzo de curvado y se convierte en el punto de suspensión de los cables de potencia. Desde este punto y hacia arriba a través de la zona de curvado dinámica, los cables pueden expandirse libremente y están expuestos solo a curvado, por lo que las fuerzas sobre los cables eléctricos resultan muy predecibles. En una realización, descendiendo por debajo del punto de suspensión, los cables de potencia están asegurados por puntos de fricción en un patrón especial sobre una longitud de aproximadamente dos metros a intervalos de aproximadamente cincuenta metros para contrarrestar cualquier deformación por fluencia/deformación a largo plazo de los núcleos de cobre. El "sistema de sujeción blanda" protege los cables eléctricos del endurecimiento por deformación y el fallo por fatiga en la sección dinámica.

Normalmente, como se indicó anteriormente, la resistencia de un cable es un tema importante cuando se trata de aguas profundas, vanos sustanciales o en diferentes circunstancias cuando el cable está sujeto a cargas elevadas. También se producen fenómenos que no son tan fáciles de detectar. Debido a la temperatura generada en los cables durante la operación y la deformación por fluencia a largo plazo del cobre, un cable umbilical dinámico de potencia se diseña sobre la base de que los cables conductores de potencia no deben contribuir a ninguna rigidez axial, solo por su peso. Esto se detallará más adelante en esta descripción.

Otros ejemplos de documentos de la técnica anterior son la publicación WO2008/075964 y la publicación US4538022. El documento WO2008/075964 se refiere a un cable umbilical que se dispone alternativamente, es decir, alternando continuamente la dirección.

El documento US4538022 se refiere a un cable eléctrico flexible que tiene una resistencia mecánica mejorada al fijar elásticamente los conductores a un elemento estructural del cable.

De acuerdo con la presente invención se proporciona un cable umbilical/cable umbilical de potencia de dicho tipo introductorio que se distingue porque los cables de alta potencia, a intervalos en la dirección longitudinal de los cables, están provistos de medios de fricción que cooperan con el material de relleno para la aplicación por fricción con la carga y la transferencia de peso entre sí, mientras que los cables de alta potencia entre dichos medios de fricción se extienden libremente en cavidades longitudinales dentro del material de relleno para una posible expansión y contracción para cada cable individual de alta potencia durante temperaturas alternativas dentro del conductor de cable de alta potencia. De esta manera, los medios de fricción proporcionarán puntos de suspensión para los cables de potencia dentro del material de relleno.

Se producirán cambios de temperatura debido a que la resistencia del conductor varía en concierto con la tensión, la potencia y la transferencia de energía, además de la temperatura ambiente.

Por tanto, el principio de la presente invención es que cada cable de alta potencia se "bloquea" al material de relleno por medio de un sistema de alta fricción, las "sujeciones blandas", que se dispersan por puntos o en campos a lo largo del cable umbilical. Los puntos de fricción, que se pueden comprender como puntos de suspensión internos discretos para el cable de alta potencia a lo largo del cable umbilical, tienen una cierta flexibilidad y una cierta longitud. Como se indicó anteriormente, estos puntos pueden ubicarse separados típicamente a una distancia de 50 a 100 metros, aunque por un mínimo de una longitud de disposición. De esta manera se mantiene la flexibilidad del cable umbilical de manera que se pueda enrollar y manipular como antes sin que se generen fuerzas adicionales en los cables de potencia provocadas por los puntos de fricción. Las fuerzas que prevalecen en el cable de potencia ahora se transferirán a otros elementos portadores de carga del cable umbilical. Estos elementos portadores de carga pueden ser típicamente tubos de acero o varillas de fibra de carbono u otros elementos adecuados. Aunque sea raro, el cable umbilical puede, en principio, no tener ningún elemento portador de carga en el sentido habitual, por ejemplo, en aguas poco profundas. Como resultado de esto, se elimina la necesidad de la armadura tradicional de los cables de potencia.

Como se explicó, otro efecto importante es detener los puntos de fricción a cierta distancia debajo de la zona dinámica (en la zona de refuerzo de curvatura) para dejar que los cables de alta potencia pasen "libremente" a través de la zona de curvado sin ninguna deformación o tensión. Esto eliminará en parte las fuerzas incontrolables y desconocidas que surgen en esta área. Estas fuerzas se generan por la expansión térmica y la filtración dentro de los núcleos del cable eléctrico de cobre. Cuando un cable de potencia está expuesto a un cambio de temperatura, podrá expandirse o contraerse libremente en esta área, por encima del punto de fricción más alto, sin generar ninguna fuerza significativa. El modo de error típico de los cables de potencia sin este sistema es el retorcimiento (Zeta - retorcimiento) de los hilos individuales del cable debido a cargas de compresión y transformaciones en las propiedades del material, tales como el endurecimiento por deformación, por ejemplo.

Otro desafío importante con los cables umbilicales de potencia es controlar las fuerzas en los núcleos de cobre de los cables de potencia en la zona dinámica. Como el refuerzo al curvado actúa como un aislante eficaz y la región superior del cable umbilical está en el aire, están implicadas temperaturas más altas. Las temperaturas más altas exponen los cables de potencia a fuerzas impredecibles causadas por los efectos térmicos. Esto, combinado con la deformación por fluencia en el cobre y el endurecimiento por deformación, hacen que la vida útil a la fatiga resulte muy impredecible. La presente invención supera este problema. Como se ve en la Figura 1, el punto de suspensión más alto se encuentra a cierta distancia por debajo de la punta del refuerzo de curvado. Desde este punto y hacia arriba, no hay restricción del desplazamiento axial de los cables de potencia. Los medios de fricción tienen una flexibilidad que evita un punto de carga duro en los cables de potencia a medida que la carga se recoge gradualmente a lo largo de la longitud de los medios de fricción. Los medios de fricción más superiores absorben la mayor parte de la carga axial, mientras que los medios de fricción subsiguientes a continuación absorben una pequeña carga axial residual.

En varias realizaciones, los medios de fricción pueden tener la forma de una vulcanización, un pegamento flexible o un material similar a un epoxi flexible.

La vulcanización puede tener lugar mediante una cinta de vulcanización que se enrolla alrededor del cable de alta potencia en puntos específicos.

En una realización, los cables de alta potencia y el material de relleno pueden disponerse en SZ, es decir, disponerse y cerrarse alternativamente cambiando de dirección regularmente, en la totalidad o en parte de la extensión longitudinal del cable umbilical eléctrico, combinado con que el haz dispuesto en SZ es retenido sustancialmente rígido rotacionalmente por la funda protectora. Como alternativa, se disponen de forma más tradicional en forma de hélice en toda su extensión longitudinal.

En otra realización se puede predeterminar al menos un elemento portador de carga ubicado en la sección transversal del cable umbilical de potencia, donde el al menos un elemento portador de carga se dispone y se cierra en una configuración en SZ, alternativamente dispuesto en una hélice de la manera más tradicional, y se vulcaniza al material de relleno. Tal vulcanización puede tener lugar a intervalos, no necesariamente a los mismos intervalos que la vulcanización del cable de alta potencia.

En otra realización más, puede incluir conductores eléctricos y/o conductores ópticos que se disponen y cierran en una configuración en SZ y se ubican dentro de la funda. Alternativamente, se pueden disponer en una hélice de la manera más tradicional y se vulcanizan al material de relleno.

Además, puede incluir una banda antirrotación, o una cinta de resistencia o una cinta, que se enrolla helicoidalmente alrededor del haz justo dentro de la funda. Como alternativa, la cinta de resistencia, o la cinta, puede enrollarse helicoidalmente alrededor del haz en dos o más capas, disponerse y cerrarse en direcciones opuestas.

Los elementos portadores de carga pueden ser al menos uno de los siguientes elementos: varillas de fibra de carbono, alambre de acero, cable de fibra o cable de acero.

Además, en otra realización más puede incluir al menos una tubería de fluido en su sección transversal, hecha de metal y/o de material. Se dispondrán y cerrarán en la misma configuración que el resto de los elementos.

La disposición y cierre de los cables de alta potencia, los posibles cables eléctricos y/o conductores ópticos, el material de relleno y el al menos un elemento portador de carga puede realizar aproximadamente de media a tres revoluciones antes de que cambie de dirección.

Como resumen, debe decirse que los cables de alta potencia están en la dirección longitudinal del cable umbilical vulcanizados puntualmente al material de relleno para aplicación o unión por fricción entre sí. Además, los cables de potencia se extienden libremente en huecos o cavidades dentro del material de relleno entre puntos de vulcanización para crear la posibilidad de expandirse y contraerse por temperaturas alternativas dentro del conductor propiamente dicho del cable de potencia.

Debe entenderse que, si el cable de potencia se extiende libremente por todo el camino dentro de dicho hueco, el propio conductor de cobre tiende a deformarse por fluencia un incremento cada vez que cambia la temperatura, por ejemplo, cuando el conductor suministra energía y cuando no lo hace. Esto se puede explicar de la siguiente manera. El cable de alta potencia se dispone como una cuerda en espiral, o en una hélice, dentro de los huecos longitudinales formados en el material de relleno. El cable se comportará como lo hace una planta trenzada para aferrarse a algo para evitar caerse. Como es sabido, si el conductor está hecho de cobre, tiene un peso sustancial que hace que tienda a combarse hacia abajo cuando dicha cuerda se extiende sustancialmente en vertical a lo largo de varios miles de metros. Sin embargo, la hélice contribuirá a que surja el efecto de la planta trenzada que hace que se adhiera al material de relleno y se asiente estable por fricción con el material de relleno siempre que la temperatura sea estable. Cuando se conecta la energía, se desarrolla calor dentro del conductor y el conductor se expande. En las longitudes que se comentan aquí, esta expansión longitudinal será sustancial. La expansión longitudinal hace que el efecto de la planta trenzada anterior disminuya y se reduzca la adherencia contra el material de relleno. Sin embargo, esto no supone ningún problema en la primera aparición. Cuando se desconecta la energía, el conductor se enfría y se contrae nuevamente. Sin embargo, volverá a adherirse cuando se contraiga, pero primero en ese extremo que tiene la expansión más larga. Por lo tanto, surge el efecto de arrastre.

Otros objetos, características y ventajas adicionales aparecerán a partir de la siguiente descripción de realizaciones preferidas de la invención, que se dan con el propósito de la descripción, y se dan en contexto con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 muestra esquemáticamente un cable umbilical que se extiende entre una estructura flotante y el lecho marino y donde se marcan puntos de fricción ejemplares dentro del cable umbilical.

La Figura 2 muestra una vista en sección transversal a través de una sección umbilical real,

La Figura 3 muestra parcialmente en vista en perspectiva una sección correspondiente a la de la Figura 2,

La Figura 4 muestra una vista en sección transversal a través de otra realización de un cable umbilical,

La Figura 5 muestra una sección transversal longitudinal a lo largo de la línea A-A en la Figura 4 (tenga en cuenta que la línea de sección no es rectilínea)

La Figura 5A muestra una sección detallada circunscrita de la Figura 5,

La Figura 6 muestra parcialmente en perspectiva otra realización más de un cable umbilical,

La Figura 7 muestra un cable DEH típico y

La Figura 8 muestra un cable DEH típico que tiene elementos portadores de carga integrados.

Descripción de la realización o realizaciones de la invención

Con referencia a la Figura 1, se muestra en primer lugar una estructura R flotando sobre la superficie del mar. La estructura, o la plataforma, no forman parte de la invención, pero se muestran para ilustrar un posible uso de la invención.

Un cable umbilical U se extiende entre la plataforma flotante R y el lecho marino B y se ilustra esquemáticamente en el dibujo. Además, se marcan esquemáticamente dónde se encuentran los puntos F de fricción (campos negros) dentro del cable umbilical. Esto debe considerarse como un ejemplo sin que estos tamaños, longitudes e intervalos deban considerarse limitaciones en lo que respecta a las longitudes y dimensiones. Estos tamaños pueden variar de una aplicación a otra. Además, una profundidad de agua de 2483 metros se indica como ejemplo, solo para iluminar que el cable umbilical se puede desplegar a profundidades de agua considerables.

Cada punto de fricción, o más correctamente longitud de fricción, se lleva a cabo en una realización real como una vulcanización de caucho entre componentes internos dentro del cable umbilical U. Posteriormente, en relación con las Figuras 4 y 5, esto se describirá con más detalle. Las distancias típicas entre los puntos de fricción pueden ser de 10 a 100 metros. Nótese que una distancia más corta entre los puntos de fricción está presente preferiblemente en niveles altos cerca de la superficie, al contrario que más abajo hacia el fondo del mar. Además, puede haber diferencias en las longitudes de fricción, es decir, cómo son de largas las longitudes que se vulcanizan. Aquí, se indican longitudes de aproximadamente 2-10 metros, sin que esto deba considerarse como una limitación.

Los intervalos de los puntos de fricción y las longitudes de fricción también pueden variar de acuerdo con los elementos internos que se vulcanizan entre sí. Mire el lado derecho en la Figura 1. Este ilustra los intervalos de vulcanización para un elemento portador de carga típico, tal como varillas de fibra de carbono, a un material de relleno o elementos de canal, normalmente hechos de PVC. El lado izquierdo muestra los intervalos de vulcanización de un cable eléctrico típico, como un cable de potencia de alta tensión, al material de relleno o a los elementos de canal. La Figura 1 también muestra varias longitudes de vulcanización para los diferentes elementos.

Una forma de realizar una operación de vulcanización es hacer uso de vulcanización en frío mediante el uso de una cinta de caucho especialmente diseñada, en espiral o enrollada, alrededor de los elementos en las longitudes e intervalos indicados. Cuando la cinta se enrolla y los elementos se juntan, se vulcanizan entre sí en muy poco tiempo. Cabe mencionar que es concebible utilizar pegamento elástico como sustituto de la vulcanización, u otros medios adecuados que sean capaces de crear suficiente fricción entre los componentes del cable umbilical para que las cargas puedan transferirse entre ellos.

Ahora al propio cable umbilical U, que se muestra esquemáticamente en sección transversal en la Figura 2. El cable umbilical U está construido básicamente con los siguientes elementos: un haz de elementos alargados que comprenden elementos de canal interno, intermedio y externo 4, 3, 2, al menos un cable 7 de alta potencia (aquí se muestran un total de seis) para la transferencia de grandes cantidades de potencia/energía eléctrica, conductores eléctricos 8 regulares de baja tensión reunidos en uno o más haces para transferir las corrientes piloto, de señal y de control, etc., conductores ópticos 9, tuberías de fluido o conductos, 5, 6 y elementos 10 portadores de carga, que se disponen y cierran juntos en dicho haz, y una funda exterior 1 que encapsula el haz. Normalmente, la funda 1 se extruye sobre el haz de elementos y es de polietileno. Además, puede estar presente una sustancia 11 de relleno para equilibrar el cable óptico 9. La operación de disposición y cierre es o bien SZ o bien el tendido helicoidal tradicional. Los elementos de canal 4, 3, 2 pueden estar hechos, por ejemplo, de poli(cloruro de vinilo) (PVC).

Debe entenderse que el cable umbilical descrito anteriormente es una realización sofisticada que tiene los elementos más concebibles presentes en la sección transversal. La realización más simple, un puro cable de potencia como el cable DEH, solo incluirá un haz de elementos alargados que constan de elementos de canal interno y externo 3, 2, cables 7 de alta potencia para transferir grandes cantidades de potencia/energía eléctrica y la funda externa protectora 1. La presencia de cables eléctricos 8 regulares de baja tensión, conductores ópticos 9, tuberías 5, 6 de fluido y elementos 10 portadores de carga, será la deseada de acuerdo con la aplicación particular del cable o cable umbilical. Debe observarse todavía que uno o más elementos 10 portadores de carga estarán presentes normalmente, aunque todavía no son estrictamente necesarios, por ejemplo, en pequeñas profundidades de agua.

Cuando los elementos 10 portadores de carga tienen la forma de varillas de fibra de carbono, aquí mostradas como cinco haces que constan cada uno de siete varillas individuales 10', cada varilla individual 10' tendrá típicamente un diámetro de 6,5 mm. Las varillas 10’ de fibra de carbono tienen normalmente un relleno de fibra de carbono de aproximadamente el 70%, tienen una resistencia a la rotura de aproximadamente 50 kN combinada con una rigidez axial EA de aproximadamente 4,97 N. Esta es aproximadamente la misma rigidez que se generaría con una varilla de acero del mismo tamaño (diámetro de 6,5 mm), pero sin las relaciones de peso negativas que se generarían con el uso de armaduras de acero. La contribución de peso de las varillas de fibra de carbono es aproximadamente el 20% del acero solamente, ya que la densidad de las varillas de fibra de carbono es solo 1,6 en comparación con 7,85 para el acero. Naturalmente, esto hace que las varillas de fibra de carbono sean muy eficientes como material de armadura para cables umbilicales de aguas profundas.

Como posibles alternativas, cuando no se requieren varillas de fibra de carbono, los elementos 10 portadores de carga pueden tener la forma de alambres de acero que se forman en espiral en haces, o cables de fibra de naturaleza y resistencia apropiadas.

Con referencia a la Figura 3, el cable umbilical U que se muestra esquemáticamente en sección transversal en la Figura 2, ahora se muestra parcialmente en una vista en perspectiva, de modo que debería ser más fácil formarse una imagen de cómo se ve realmente este cable umbilical si se corta. Como antes, el cable umbilical U está construido básicamente con los siguientes elementos: un haz de elementos alargados que comprenden elementos de canal interno, intermedio y externo 4, 3, 2, al menos un cable 7 de alta potencia (aquí se muestra un total de seis) para la transferencia de grandes cantidades de potencia/energía eléctrica, cables eléctricos 8 regulares de baja tensión reunidos en uno o más haces para transferir las corrientes piloto, de señal y de control, etc., conductores ópticos 9, tuberías de fluido o conductos, 5, 6 y elementos 10 portadores de carga, que se disponen y cierran juntos en dicho haz, y una funda exterior 1 que encapsula el haz. Normalmente, la funda 1 se extruye sobre el haz de elementos y es de polietileno. Además, puede estar presente una sustancia 11 de relleno para equilibrar el cable óptico 9. La operación de disposición y cierre es o bien en SZ o bien el tendido helicoidal tradicional. Los elementos de canal 4, 3, 2 pueden estar hechos, por ejemplo, de poli(cloruro de vinilo) (PVC).

Con referencia a la Figura 4, se muestra esquemáticamente una variante de un cable umbilical U' en sección transversal. El cable umbilical U' está construido básicamente con los siguientes elementos: un haz de elementos alargados que comprenden elementos de canal interno, intermedio y externo 4', 3', 2', al menos un cable 7’ de alta potencia (aquí se muestran un total de nueve) para la transferencia de grandes cantidades de potencia/energía eléctrica, tuberías de fluido o conductos, 5' y elementos 10’’ portadores de carga, que se disponen y cierran juntos en dicho haz. La operación de disposición y cierre es o bien en SZ o bien el tendido helicoidal tradicional. Los elementos de canal 4', 3', 2' pueden estar hechos, por ejemplo, de poli(cloruro de vinilo) (PVC).

La Figura 5 muestra una sección transversal longitudinal a través del cable umbilical U', y la Figura 5A muestra esto con más detalle. Cabe señalar que la sección transversal longitudinal no se extiende a lo largo de una línea recta; consultar la línea A-A en la Figura 4. El cable umbilical U' tiene una construcción como la que se muestra en la Figura 4, pero solo se ha seccionado un cable 7’ de alta potencia y un elemento 10’’ portador de carga. Como se muestra por los campos negros F, los cables 7’ de alta potencia están, a intervalos en la extensión longitudinal del cable umbilical de potencia, vulcanizados al material 2', 3', 4' de relleno para unión por fricción y transferencia de carga entre sí. Además, entre los campos de vulcanización, los cables 7’ de alta potencia se extienden libremente en cavidades longitudinales dentro del material 2', 3', 4' de relleno para permitir la expansión y contracción en cada cable individual 7’ de alta potencia a temperaturas alternativas dentro del conductor del cable 7’ de alta potencia.

La Figura 6 muestra un cable umbilical U" de potencia que se muestra parcialmente en una vista en perspectiva, de modo que debería ser más fácil formar una imagen de los componentes del cable umbilical U". El cable umbilical U" está construido básicamente con los siguientes elementos: un haz de elementos alargados que comprende elementos de canal interno, intermedio y externo 4", 3 ", 2", al menos un cable 7’’ de alta potencia (aquí se muestra un total de doce) para la transferencia de grandes cantidades de potencia/energía eléctrica, cables eléctricos 8’ regulares de baja tensión reunidos en uno o más haces para transferir corrientes piloto, de señal y de control, etc., conductores ópticos 9', tuberías de fluido o conductos, 5' y elementos 10’’’ portadores de carga, que se disponen y cierran juntos en dicho haz, y una funda exterior 1 que encapsula el haz. Cada elemento 10’’’ portador de carga se compone a su vez de un haz de varillas individuales, aquí mostradas como diecinueve varillas 10’’’’ individuales de fibra de carbono. Normalmente, la funda 1 se extruye sobre el haz de elementos y es de polietileno. Además, puede estar presente una sustancia 11’ de relleno para equilibrar el cable óptico 9'. La operación de disposición y cierre es o bien SZ o bien el tendido helicoidal tradicional. Los elementos de canal 4", 3", 2" pueden estar hechos, por ejemplo, de poli(cloruro de vinilo) (PVC).

La Figura 7 muestra un cable DEH típico, que puede considerarse como la realización más sencilla para su uso con la presente invención. El cable DEH solo incluirá un haz circular de elementos alargados 2a de canal, un solo cable 7a de alta potencia para transferir cantidades realmente grandes de potencia/energía eléctrica y la funda exterior protectora 1a. La presencia de cables eléctricos regulares de baja tensión, conductores ópticos 9a y elementos 10a portadores de carga será la deseada de acuerdo con la aplicación particular del cable DEH. Debe observarse todavía que, normalmente estarán presentes uno o más elementos 10a portadores de carga, como se ilustra en la Figura 8, aunque todavía no son estrictamente necesarios, por ejemplo, en pequeñas profundidades de agua.

Para ser considerada como una ilustración y ejemplo no limitativos, una varilla de fibra de carbono típica de 6,5 mm de diámetro tendrá un 68% en volumen de su sección transversal compuesta por 550000 fibras individuales y estos filamentos proporcionan a la varilla de fibra de carbono sus propiedades de alta resistencia en la dirección del filamento. El 32% en volumen restante consiste en resina de alta calidad que asegura la distribución de fuerzas entre los filamentos. El módulo de rigidez de una varilla reforzada con fibra de carbono compuesta es de aprox. 150000 MPa en comparación con 200000 MPa para acero.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un cable umbilical de potencia, un cable de potencia DEH o un cable umbilical general (U), que incluye una pluralidad de cables de alta potencia (7) para la transferencia de grandes cantidades de energía eléctrica, material de relleno (2, 3, 4) en forma de elementos alargados de plástico rígido ubicados al menos parcialmente alrededor y entre los cables (7) de alta potencia y que juntos se agrupan colectivamente en un haz en espiral mediante una operación de disposición y cierre, y una funda protectora (1) que encapsula los cables (7) de alta potencia y el material (2, 3, 4) de relleno, caracterizado por que los cables (7) de alta potencia, a intervalos en la dirección longitudinal de los cables, están provistos de medios (F) de fricción que cooperan con el material (2, 3, 4) de relleno para la aplicación por fricción con la carga y la transferencia de peso entre sí, mientras que los cables (7) de alta potencia entre dichos medios (F) de fricción se extienden libremente en cavidades longitudinales dentro del material (2, 3, 4) de relleno para una posible expansión y contracción de cada cable (7) de alta potencia durante temperaturas alternativas dentro del conductor del cable de alta potencia.

2. El cable umbilical de potencia, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según reivindicación 1, caracterizado por que el medio (F) de fricción tiene forma de vulcanización, alternativamente un pegamento flexible.

3. El cable umbilical de potencia, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según reivindicación 2, caracterizado por que la vulcanización se realiza mediante una cinta de vulcanización que se enrolla alrededor del cable (7) de alta potencia en puntos específicos.

4. El cable umbilical de potencia, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según la reivindicación 1, 2 o 3, caracterizado por que el cable (7) de alta potencia y el material (2, 3, 4) de relleno se disponen en SZ, es decir, se disponen y cierran alternativamente mediante cambios regulares de dirección, en la totalidad o en partes de la extensión longitudinal del cable umbilical de potencia, combinado con que el haz depositado en SZ es retenido sustancialmente rígido a la rotación por la funda protectora (1), alternativamente depositada en una hélice.

5. El cable umbilical de potencia, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según la reivindicación 2, 3 o 4, caracterizado por que al menos un elemento (10) portador de carga está ubicado de manera predeterminada en la sección transversal del cable umbilical de potencia, cuyo al menos un elemento (10) portador de carga está depositado y cerrado en una configuración en SZ, alternativamente depositado en hélice y vulcanizado al material (2, 3, 4) de relleno, preferiblemente a intervalos.

6. El cable umbilical de potencia, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según cualquiera de las reivindicaciones 2-5, caracterizado por que incluye cables eléctricos (8) y/o conductores ópticos (9) que se disponen y cierran en una configuración en SZ y se ubican dentro de la funda (1), alternativamente dispuestos en una hélice, y están vulcanizados al material (2, 3, 4) de relleno.

7. El cable umbilical de potencia, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado por que incluye una banda antirrotación o cinta de resistencia, o una cinta, que se enrolla helicoidalmente alrededor del haz justo dentro de la funda (1), alternativamente, la cinta de resistencia, o la cinta, se enrolla helicoidalmente alrededor del haz en dos o más capas, dispuestas y cerradas en direcciones opuestas.

8. El cable umbilical de potencia, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según cualquiera de las reivindicaciones 4-7, caracterizado por que los elementos (10) portadores de carga son al menos uno de los siguientes elementos: varillas de fibra de carbono, alambre de acero, cable de fibra o cable de acero.

9. El cable umbilical de alimentación, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, caracterizado por que incluye al menos una tubería (5, 6) de fluido en su sección transversal, de metal y/o de material plástico, dispuesta y cerrada en la misma configuración que los demás elementos.

10. El cable umbilical de alimentación, el cable de potencia DEH o el cable umbilical general (U) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -9, caracterizado por que la disposición y cierre de los cables (7) de alta potencia, de los posibles cables eléctricos (8) y/o conductores ópticos (9), del material (2, 3, 4) de relleno y del al menos un elemento (10) portador de carga hace aproximadamente de media a tres revoluciones antes de que cambie de dirección.