ЭНЕРГОПЕРЕДАЮЩИЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК C09K13/02 H01B7/28 

Настоящее изобретение относится к энергопередающему кабелю для работы в химически сложных условиях и при очень низкой температуре.

Определенные применения электрических кабелей, такие как шельфовые, наземные буровые установки, морские плавучие основания и нефтяные и газовые буровые установки, требуют, чтобы кабель был защищен с помощью внешней оболочки, пригодной для противостояния механическим напряжениям и/или суровым окружающим условиям.

Такая оболочка энергопередающего кабеля должна соответствовать различным требованиям.

Ввиду окружающих условий, где должны работать такие кабели, требуется устойчивость к химическим реагентам, таким, например, как морская вода, углеводороды, нефти, буровые растворы. Электрические кабели должны обеспечиваться оболочкой, химически устойчивой к воздействию этих веществ, согласно государственным и международным рекомендациям, таким как NEK (Norsk Elektroteknisk Komite) 606 или IEC 60092-359.

По причинам здоровья и безопасности такие кабели необходимо квалифицировать как малодымные безгалогенные (не содержащие галоген), т.е. покрывающие их слои, такие как изолирующий слой и оболочка, должны выделять ограниченный дым и не выделять хлор (галоген, обычно присутствующий в соединениях покрытий) при контакте с источниками тепла или огня.

Многие применения имеют место в холодной среде окружении, где "холодный" означает температуры ниже -30°С или больше. Такие кабели должны быть способны сохранять механические характеристики, требуемые данным применением, например гибкость и ударопрочность, даже при такой низкой температуре.

Описание предшествующего уровня техники

Патент США 4547626 описывает кабель, который имеет улучшенные свойства устойчивости к пламени/огню и маслу/истиранию. Данный кабель не содержит галогенов, так как изоляция проводника и все оболочки относятся к самозатухающему типу. Внешний защитный экран включает в себя скрученную полиэфирную ленту и самозатухающую оболочку, а также возможную тонкую экструдированную оболочку из нейлона, которая эффективно защищает сердцевину кабеля от истирания и вредных углеводородов, таких как нефть и буровой раствор. Поскольку возможный внешний устойчивый к маслу и истиранию слой нейлона не содержит галогенов, данный материал сам по себе является горючим, но этот слой является таким тонким (порядка 0,2-0,6 мм), что, находясь поверх самозатухающей внешней защитной оболочки, он не поддерживает горение.

Авторы обнаружили, что этот самый внешний слой не может эффективно работать при низких температурах, так как температура стеклования нейлона существенно выше, чем 0°С. Поэтому данный слой является хрупким и трескается при низких температурах, оставляя нижележащие слои без защиты от указанных химических реагентов.

Патент США 6133367 описывает устойчивую к пламени и маслу термореактивную композицию, содержащую смесь

(а) 50-95 мас.% относительно компонента (b) сополимера этилена-винилацетата, имеющего процентное содержание винилацетата приблизительно 18-60 мас.%; и

(b) 5-50 мас.% терполимера этилена-винилацетата-моноксида углерода, имеющего процентное содержание винилацетата 18-35 мас.%; процентное содержание СО 3-20 мас.%; и

(с) проволоку и допустимые в кабеле наполнители, где, по меньшей мере, включен один сшивающий агент и где пластификатор не требуется в качестве допустимого наполнителя.

Авторы столкнулись с проблемой обеспечения энергопередающего кабеля с оболочкой, способной противостоять химической агрессии, особенно от нефти и бурового раствора, и сохранять механические характеристики, такие как гибкость и ударопрочность, при очень низких температурах (ниже -30°С).

Сущность изобретения

Авторы обнаружили, что энергопередающий кабель может быть эффективно защищен от агрессивных химических агентов и может использоваться даже при очень низких температурах путем обеспечения данного кабеля огнестойкой безгалогенной оболочкой (не содержащий галоген), содержащей внутренний и внешний слои, причем внешний слой устойчив к химическим агентам, а внутренний слой наделен такими физическими свойствами, что противостоит очень низким температурам, причем упомянутый внутренний слой имеет толщину, по меньшей мере, равную толщине упомянутого внешнего слоя.

Применяемые в данном описании следующие выражения имеют следующие значения:

"Буровой раствор" означает текучую сложную смесь, применяемую в нефтяных и газовых скважинах и при эксплуатации буровых установок. Буровой раствор может включать в себя бентонитовую глину (гель), сульфат бария (барит) и гематит или может основываться на нафтеновых соединениях, сложных эфирах, ароматических маслах, олефинах.

"Устойчивость к буровому раствору" означает способность противостоять буровому раствору так, как определяется надлежащими рекомендациями, такими как NEK 606:2004.

"Температура стеклования (T_g)" означает температуру, ниже которой полимер меняется из резиноподобного в стекловидное состояние. Эта температура может быть измерена с помощью известных технологий, таких как, например, дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК).

"Огнестойкий не содержащий галоген (безгалогенный)" означает материал, способный предотвращать распространение горения посредством низкой скорости его перемещения, так что пламя не будет передаваться, причем упомянутый материал имеет содержание галогенов ниже, чем 5 мас.%, как обеспечивается, например, в IEC 60092-359 SHF2.

Подробное описание изобретения

Данное изобретение касается энергопередающего кабеля, содержащего:

- по меньшей мере, один проводник электричества;

- изолирующий слой, окружающий упомянутый проводник, с образованием, по меньшей мере, одного изолированного проводника;

- огнестойкую защитную оболочку, не содержащую галоген, расположенную в радиально внешнем положении относительно упомянутого изолированного проводника,

где:

- упомянутая оболочка имеет внутренний и внешний слои в контакте друг с другом,

- упомянутый внутренний слой имеет толщину, по меньшей мере, равную толщине упомянутого внешнего слоя,

- внутренний слой содержит полимерный материал, имеющий температуру стеклования, равную или меньшую, чем -30°С; и

- внешний слой содержит полимерный материал, устойчивый к буровому раствору.

Для целей настоящего описания и последующей формулы изобретения, если не указано иное, все числа, выражающие количества, процентные содержания и так далее, следует понимать как модифицируемые во всех случаях термином "приблизительно". Также все диапазоны включают в себя любую комбинацию указанных максимальной и минимальной точек и включают в себя любые промежуточные диапазоны между ними, которые могут быть или могут не быть конкретно перечислены здесь.

Преимущественно, упомянутый внутренний слой имеет толщину, по меньшей мере, 1,5 от толщины внешнего слоя, более предпочтительно 2 толщины внешнего слоя. Толщина внутреннего слоя может достигать до 20 величин толщины внешнего слоя.

Предпочтительно, упомянутый внутренний слой имеет толщину от 1,0 мм до 10,0 мм.

Предпочтительно, полимерный материал внутреннего слоя выбирают из:

а) сополимера алкилена/винилацетата или смеси сополимеров алкилена/винилацетата, имеющего среднее содержание винилацетатного сомономера от 20 до 50 мас.% относительно массы сополимера;

b) сополимера алкилена/алкилакрилата или смеси сополимеров алкилена/алкилакрилата, имеющего среднее содержание алкилакрилатного сомономера, равное или меньшее 40 мас.% относительно массы сополимера.

Предпочтительно, алкиленовый сомономер сополимера а) или сополимера b) представляет собой этиленовый сомономер.

Более предпочтительно, среднее содержание винилацетатного сомономера в сополимере а) составляет от 30 до 40 мас.% относительно массы сополимера.

Преимущественно, алкилакрилат сополимера b) выбирают из метилакрилата и бутилакрилата.

Предпочтительно, среднее содержание алкилакрилатного сомономера в сополимере b) равно или выше, чем 20 мас.%, относительно массы сополимера.

Предпочтительно, полимерный материал внутреннего слоя составляет от 40 до 80 мас.% относительно массы полимерного материала огнестойкого наполнителя.

Предпочтительно, огнестойкий наполнитель выбирают из неорганических солей, оксидов, гидроксидов или их смесей. Гидроксид магния [Mg(OH)₂], гидроксид алюминия [Al(OH)₃], карбонат магния (MgCO₃) и их смеси являются предпочтительными.

Гидроксид магния имеет натуральное происхождение, например, полученный путем измельчения минерала, такого как брусит, или синтетическое происхождение.

Применяемый в данном описании термин "синтетический гидроксид магния" означает гидроксид магния в виде сплющенных гексагональных кристаллитов, по существу, однородных по размеру и морфологии. Такой продукт может быть получен путем различных синтетических маршрутов, включая добавление щелочей к водному раствору соли магния и последующее осаждение гидроксида путем нагрева при высоком давлении (см., например, US-4098762, или ЕР-780425, или US-4145404).

Полимерный материал внутреннего слоя может содержать добавки, такие как термо- и окислительно-стабилизирующие агенты, пероксиды, антиоксиданты, смоляные модификаторы и подобные.

Предпочтительно, упомянутый внешний слой имеет толщину от 0,5 до 5,0 мм.

Предпочтительно, полимерный материал внешнего слоя представляет собой сополимер алкилена/алкилакрилата или смесь сополимеров алкилена/алкилакрилата, имеющий среднее содержание алкилакрилатного сомономера, равное или более высокое, чем 40 мас.% относительно массы сополимера/ов.

Более предпочтительно, среднее содержание алкилакрилатного сомономера равно или выше, чем 50 мас.% относительно массы сополимера/ов. Среднее содержание алкилакрилатного сомономера может составлять до 80 мас.% относительно массы сополимера/ов.

Предпочтительно, алкиленовый сомономер сополимера представляет собой этиленовый сомономер.

Преимущественно, алкилакрилатный сомономер выбирают из метилакрилата и бутилакрилата.

Преимущественно, полимерный материал внешнего слоя имеет T_g, равную или меньшую, чем -20°С.

В предпочтительном варианте осуществления внешний слой содержит огнестойкий наполнитель. Тип и количество упомянутого наполнителя могут быть аналогичны типу и количеству огнестойкого наполнителя внутреннего слоя.

В предпочтительном варианте осуществления кабель настоящего изобретения содержит изоляционную ленту, расположенную в радиально внутреннем положении относительно данной оболочки. Преимущественно, упомянутая лента спирально скручена вокруг изолированного проводника так, чтобы иметь перекрывающиеся витки. Другими словами, не обеспечивается никаких промежутков, приводящих внутренний слой в контакт с нижележащими слоями.

Преимущественно, упомянутая лента выполнена из материала, выбранного из полиамида и полиэфира.

Преимущественно, упомянутая лента присутствует в форме тканого материала, предпочтительно введенного в полимерную матрицу.

Предпочтительно, полимерная матрица, в которую введена тканая лента, основана на эластомерном полимере, например, выбранном из натурального каучука (НК), стирол-бутадиенового каучука (СБК), бутилкаучука (БК), каучука из этилен-пропиленового диенового мономера (ЭПДМ), этил-винилацетатного каучука (ЭВА).

Эти и другие признаки данного изобретения станут видны из фигуры 1, показанной ниже, и из последующих примеров.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 показывает сечение энергопередающего кабеля согласно первому варианту осуществления данного изобретения;

Фигура 2 показывает сечение энергопередающего кабеля согласно второму варианту осуществления данного изобретения.

Кабель на фигуре 1 является кабелем промежуточного напряжения и содержит три проводника каждый из которых окружен изолирующим слоем обеспечивая три изолированных проводника .

Термин "промежуточное напряжение" означает напряжение от 1 до 35 кВ.

Изолированные проводники скручены вместе и, возможно, обернуты лентой, например, в бумагу или тканый материал (не показан).

Скручивание изолированных проводников обеспечивает множество пустот, т.е. промежуточных зон, которые в сечении вдоль продольной длины жилы задают профиль внешнего периметра последней некругового типа.

Следовательно, чтобы сделать возможным правильное нанесение радиально внешних слоев в положении, радиально внешнем к упомянутому скручиванию, основу из полимерного материала (например, эластомерной смеси) наносят путем экструзии, заполняя упомянутые промежуточные зоны так, чтобы придать скрученной жиле, по существу, ровное сечение, предпочтительно круглого типа.

В настоящем изображенном кабеле основа окружена оплеткой , например, в виде медной оплетки или полимерного тканого материала.

Оплетка на фигуре 1 в свою очередь окружена оболочкой, содержащей внутренний слой и внешний слой .

Кабель на фигуре 2 подобен кабелю на фигуре 1, так что одинаковые ссылочные позиции используются для их общих компонентов. Кабель не имеет оплетки.

Оболочка кабеля содержит внутренний слой внешний слой и ленту обеспеченную в радиально внутреннем положении относительно внутреннего слоя . В настоящем случае лента обеспечена, окружая основу .

Внутренний слой и внешний слой находятся в тесном контакте друг с другом. Этот тесный контакт предпочтительно получают путем экструзии внешнего слоя на внутренний слой или путем соэкструзии оболочки, образованной внутренним слоем и внешним слоем .

Пример 1 и сравнительный пример 2

Внутренний слой энергопередающего кабеля согласно данному изобретению получали путем экструзии полимерной композиции согласно таблице 1.

Таблица 1 Ингредиенты   Проценты по массе ELVAX 40^® L-03 50,0 24,2 ELVAX^® 265 477,0 22,8 HYDROFY^® GS 34,0 16,5 MARTINAL^® OL 107 LE 67,0 32,5 Антиоксидант 1,5 0,7 Пероксид 2,2 1,1 Другие добавки 4,5 2,2 Всего 206,2 100,0 Elvax^® 40L-03 - сополимер этилена/винилацетата с содержанием винилацетатного сомономера 40% по массе; температура стеклования -32°С (продается от DuPont).
Elvax^® 265 - сополимер этилена/винилацетата с содержанием винилацетатного сомономера 28% масс; температура стеклования 5°С (продается от DuPont).
Hydrofy^® G-1.5 - порошок природного гидроксида магния, полученный измельчением брусита, продаваемый от Nuova Sima Srl.
Martinal^® OL-107 LE - гидроксид алюминия, продаваемый от Albemarle.

Данная смесь двух сополимеров этилена/винилацетата обеспечивала смесь, имеющую количество винилацетатного сомономера 35% по массе и температуру стеклования -34°С.

Внутренний слой энергопередающего кабеля, обеспеченного для сравнения, получали путем экструзии полимерной композиции согласно таблице 2.

Таблица 2 Ингредиенты   Проценты по массе LEVAPREN^® 600 HV 100,0 47,6 HYDROFY^® GS 1.0 32,9 15,6 MARTINAL^® OL-107 LE 67,1 31,9 Антиоксидант 1,4 0,70 Пероксид 5,5 2,6 Другие добавки 3,4 1,6 Всего 210,3 100,0 Levapren^® 600 HV - сополимер этилена/винилацетата с содержанием винилацетатного сомономера 60 мас.%; температура стеклования -26°С (продается от Lanxess).
Hydrofy^® GS 1.0 - порошок природного гидроксида магния, полученный измельчением брусита, продаваемый от Nuova Sima Srl.
Martinal^® OL-107 LE - гидроксид алюминия, продаваемый от Albemarle.

Пример 3 и сравнительный пример 4

Внешний слой энергопередающего кабеля согласно данному изобретению получали путем экструзии полимерной композиции согласно таблице 3.

Таблица 3 Ингредиенты Частей по массе Проценты по массе VAMAC^® DP 95,0 41,1 KISUMA^® 5-A 60,0 26,0 MARTINAL^® OL-107 LE 60,0 26,0 Антиоксидант 1,4 0,60 Пероксид 2,4 1,0 Другие добавки 8,4 5,3 Всего 230,9 100,0 Vamac^® DP - сополимер этилена/метилакрилата с содержанием метилакрилатного сомономера 58 мас.%; температура стеклования -29°С (продается от DuPont).
Kisuma^® 5-A - осажденный гидроксид магния (продается от Kyowa Chemical Industry).
Martinal^® OL-107 LE - гидроксид алюминия, продаваемый от Albemarle.

Внешний слой энергопередающего кабеля, обеспеченного для сравнения, получали путем экструзии полимерной композиции согласно таблице 4.

Таблица 4 Ингредиенты Частей по массе Проценты по массе LEVAPREN^® 800 HV 100,0 32,5 BRUCITE SFP + MARTINAL^® OL-107 LE 130,0 42,2 FRIMIZ MZ-1 69,8 22,6 Антиоксидант 1,0 0,4 Пероксид 2,5 0,8 Другие добавки 4,7 1,5 Всего 308,0 100,0 Levapren^® 800 HV - сополимер этилена/винилацетата с содержанием винилацетатного сомономера 80 мас.%; температура стеклования -3°С (продается от Lanxess).
Brucite SFP - природный гидроксид магния, полученный измельчением брусита.
Martinal^® OL-107 LE - гидроксид алюминия, продаваемый от Albemarle.
Frimiz MZ-1 - карбонат магния (продаваемый от Alpha Calcit Fullstoff GmbH & CO).

Пример 5

Три кабеля изготовили с оболочкой, образованной из внутреннего слоя толщиной 3,0 мм и внешнего слоя толщиной 1,5 мм, причем упомянутые внутренний и внешний слои были следующие:

кабель 1: внутренний слой из примера 1 и внешний слой из примера 3;

кабель 2: внутренний слой из примера 1 и внешний слой из примера 4;

кабель 3: внутренний слой из примера 2 и внешний слой из примера 3.

Кабель 1 согласно данному изобретению, тогда как кабели 2 и 3 обеспечены для сравнения.

Каждый кабель тестировали согласно CSA (канадская ассоциация стандартов) С22.2 №0.3-01 (2001), чтобы проверить реакцию кабеля на воздействие головки молотка (масса = 1,36 кг) после охлаждения до -40°С в течение 4 часов.

После теста кабель 1 согласно данному изобретению не показывал трещин или разрывов. Полимерный материал внутреннего слоя имеет такую температуру стеклования, чтобы придать данному слою способность поглощать удар, действующий на оболочку, без повреждений внешнего слоя, сделанного из полимерного материала с более высокой температурой стеклования.

Кабель 2, в котором внутренний слой оболочки изготовлен из полимерного материала, имеющего температуру стеклования меньше, чем -30°С (пример 1), но внешний слой имеет температуру стеклования выше, чем -20°С (пример 4), показывал трещины во внешнем слое после ударного теста. Этот результат показывает, что несмотря на присутствие внутреннего слоя с очень низкой температурой стеклования внешний слой оболочки не может противостоять удару, когда упомянутый внешний слой изготовлен из материала с температурой стеклования немного ниже 0°С. В результате кабель, подобный кабелю 2, не может использоваться, например, в буровых установках, находящихся в очень холодном окружении, так как трещины устойчивого к буровому раствору внешнего слоя сделают внутренний слой (не устойчивый к буровому раствору) подверженным химическому воздействию бурового раствора.

Кабель 3, в котором внешний слой оболочки изготовлен из полимерного материала, имеющего температуру стеклования ниже, чем -20°С (пример 3), но внутренний слой изготовлен из полимерного материала, имеющего температуру стеклования выше, чем -30°С (пример 4), показывал трещины и разрывы в обоих слоях. Этот результат показывает, что, когда внешний слой с низкой температурой стеклования не поддерживается внутренним слоем, пригодным для сохранения его механических характеристик при очень низких температурах, упомянутый внешний слой не может противостоять удару при таких температурах, лишая, таким образом, внутренний слой (и другие слои, обеспеченные в радиально внутреннем положении) защиты от химического воздействия бурового раствора. Опять кабель, такой как кабель 3, не может использоваться, например, в буровых установках, находящихся в очень холодном окружении, так как трещины устойчивого к буровому раствору внешнего слоя сделают внутренний слой (не устойчивый к буровому раствору) подверженным химическому воздействию бурового раствора.

Изобретение относится к энергопередающему кабелю для работы в химически сложных условиях и при очень низкой температуре. Согласно заявленному изобретению энергопередающий кабель содержит: по меньшей мере, один проводник электричества; изолирующий слой, окружающий указанный проводник, с образованием по меньшей мере одного изолированного проводника; огнестойкую защитную оболочку, не содержащую галоген, расположенную в радиально внешнем положении относительно указанного изолированного проводника; указанная оболочка имеет внутренний и внешний слои в контакте друг с другом. Внешний слой имеет толщину по меньшей мере равную толщине указанного внешнего слоя. Внутренний слой содержит полимерный материал, имеющий температуру стеклования, равную или меньшую, чем -30°С. Внешний слой содержит полимерный материал, устойчивый к буровому раствору. Техническим результатом изобретения является создание энергопередающего кабеля с оболочкой, способной противостоять химической агрессии и сохранять механические характеристики при очень низких температурах. 22 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Энергопередающий кабель, содержащий:
- по меньшей мере, один проводник электричества;
- изолирующий слой, окружающий указанный проводник, с образованием, по меньшей мере, одного изолированного проводника;
- огнестойкую защитную оболочку, не содержащую галоген, расположенную в радиально внешнем положении относительно указанного изолированного проводника; где
- указанная оболочка имеет внутренний и внешний слои в контакте друг с другом,
- указанный внутренний слой имеет толщину, по меньшей мере, равную толщине указанного внешнего слоя,
- внутренний слой содержит полимерный материал, имеющий температуру стеклования, равную или меньшую чем -30°С; и
- внешний слой содержит полимерный материал, устойчивый к буровому раствору.

2. Энергопередающий кабель по п.1, где указанный внутренний слой имеет толщину, по меньшей мере, 1,5 от толщины внешнего слоя.

3. Энергопередающий кабель по п.2, где указанный внутренний слой имеет толщину в 2 толщины внешнего слоя.

4. Энергопередающий кабель по п.1, где указанный внутренний слой имеет толщину от 1,0 до 10,0 мм.

5. Энергопередающий кабель по п.1, где полимерный материал внутреннего слоя выбирают из:
a) сополимера алкилена/винилацетата или смеси сополимеров алкилена/винилацетата, имеющего среднее содержание винилацетатного сомономера от 20 до 50 мас.% относительно массы сополимера;
b) сополимера алкилена/алкилакрилата или смеси сополимеров алкилена/алкилакрилата, имеющего среднее содержание алкилакрилатного сомономера, равное или меньшее 40 мас.% относительно массы сополимера.

6. Энергопередающий кабель по п.5, где алкилен сополимера а) или сополимера b) представляет собой этиленовый сомономер.

7. Энергопередающий кабель по п.5, где содержание винилацетатного сомономера в сополимере а) составляет от 25 до 45 мас.% относительно массы сополимера.

8. Энергопередающий кабель по п.5, где алкилакрилат сополимера b) выбирают из метилакрилата и бутилакрилата.

9. Энергопередающий кабель по п.5, где содержание алкилакрилатного сомономера в сополимере b) равно или больше, чем 20 мас.% относительно массы сополимера.

10. Энергопередающий кабель по п.1, где полимерный материал внутреннего слоя составляет от 40 до 70 мас.% относительно массы полимерного материала огнестойкого наполнителя.

11. Энергопередающий кабель по п.10, где огнестойкий наполнитель выбирают из неорганических оксидов и гидроксидов или их смесей.

12. Энергопередающий кабель по п.11, где огнестойкий наполнитель выбирают из гидроксида магния, гидроксида алюминия и их смесей.

13. Энергопередающий кабель по п.1, где указанный внешний слой имеет толщину от 0,5 до 5,0 мм.

14. Энергопередающий кабель по п.1, где полимерный материал внешнего слоя представляет собой сополимер алкилена/алкилакрилата или смесь сополимеров алкилена/алкилакрилата, имеющий среднее содержание алкилакрилатного сомономера, равное или более высокое, чем 40 мас.% относительно массы соплимера/ов.

15. Энергопередающий кабель по п.14, где среднее содержание алкилакрилатного сомономера равно или выше, чем 50 мас.% относительно массы соплимера/ов.

16. Энергопередающий кабель по п.14, где алкилен представляет собой этиленовый сомономер.

17. Энергопередающий кабель по п.14, где алкилакрилатный сомономер выбирают из метилакрилата и бутилакрилата.

18. Энергопередающий кабель по п.1, где полимерный материал внешнего слоя имеет температуру стеклования T_g, равную или меньшую чем -20°С.

19. Энергопередающий кабель по п.1, имеющий изоляционную ленту, расположенную в радиально внутреннем положении относительно данной оболочки.

20. Энергопередающий кабель по п.19, где указанная лента выполнена из материала, выбранного из полиамида и полиэфира.

21. Энергопередающий кабель по п.19, где указанная лента присутствует в форме тканого материала.

22. Энергопередающий кабель по п.21, где указанный тканый материал введен в полимерную матрицу.

23. Энергопередающий кабель по п.22, где данная полимерная матрица основана на полимере.