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趋势

深水 ROV 的可靠性能

绝缘和光学包装领域的新技术让脐带电缆能够为 ROV 提供更多电力,并支持日益复杂的功能。作者:David Harris,船舶与海洋工程线缆部全球产品总监

随着海上活动不断迁移到更深的水域和更偏远的位置,勘探和开发的每一个环节所面临的挑战和复杂度均与日俱增。 关于这个主题的大多数标题都以平台和垂直干线技术的发展、新一代钻探船的趋势以及扩大生产能力以囊括海底加工为主。所有这些活动都需要非常复杂的解决方案,并将继续引领行业的变革;然而,它们的应用和成功仍将依赖于遥控潜水器 (ROV) 的发展,以跟上时代的步伐并在现实中部署这些技术。

33"

TE 多层脐带电缆的弯曲半径。

2771

TE 脐带电缆在水中的磅数(每 1,000 英尺)。

10K

TE STEEL-LIGHT 铠装的 PSI 静水压力承受力。

假设执行此任务必须在深水区域中实际放置一个 ROV(这是一项基本挑战)。 传统的 WROV 在水深大约 2500 米的位置运行,但当今的活动越来越多地发生在接近 4,000 米,甚至 5,000 米以上的深度。不难理解,为了支持这种活动,需要不断增加脐带电缆的尺寸、重量和电源容量。

耐恶劣条件

ROV 的脐带电缆需要满足一系列的机械和环境要求,而这在其他应用中是不需要的。在深水中,温度通常在 0-3°C 之间。压力也是一个问题。在 2,000 米深的位置,海水的压力超过 2,900 psi (2000 N/cm2)。除了电缆需要很长的长度以及需要承受扭转等运动以外,电缆上的拉力负荷也是一项巨大的挑战。

将所需元件组装到脐带组件中时,应同时在机械和环境方面实施保护。此外,设计不应过大或过重,并且应灵活机动,以适应 ROV 的移动。脐带电缆通常也用作 ROV 的主要提升缆索。设计上面临的挑战是在获得机械坚固的电缆与最大程度减小尺寸和减轻重量方面实现权衡。

鉴于设计的复杂性以及对可靠性的任务关键型需求,只有少数几家公司获得了全球 ROV 社区的信任,可以生产此类电缆。 如果电缆越小、越轻,那么吊运设备和电缆存储所需的空间也越小,从而简化船上的部署。由于深水脐带电缆长达数千米,如果电缆的直径减小 10%,则可以显著减少所需的甲板空间。高性能脐带电缆通常包含多种类型的元件,以实现供电、控制、视频和遥感功能。因此,您会发现导体较大的电源电缆、双绞多芯元件、同轴电缆以及光缆任意组合使用的情况,以满足应用的特定要求。

典型的脐带电缆。

典型的脐带电缆是一个铠装组件,其中包括信号导体、电源导体和光纤。

由直径决定 – 以保持同心度

脐带电缆通常分几个同心层构造。上图展示了 TE Connectivity (TE) 设计的一种结构,该结构将电源电缆、多模和单模光缆以及四芯屏蔽电缆组合到了一个双层铠装电缆中。如图所示,这是一种复杂的设计,并且所有元件都必须协调工作才能满足所需的电力、数据和机械标准。每一层都不由功能决定,而是由每个电缆元件的直径决定,以保持同心度。例如,有些电缆的电源电缆可能靠近芯线的中心,而其他电缆的则在外层。保持同心度对清洁、高效吊运以及实现更高的灵活性至关重要。

每一层都用缠带包裹,通常为铝质/聚合物缠带,空隙通常用阻水材料填充。图上未列出的是排扰线和填充物。可以根据需要添加。

外层铠装用作强度构件和芯线保护;其功能是使电缆元件脱离施加在电缆上的整体拉力负荷。电缆的直径为 1.670 英寸 (42.42 mm)。它在水中的重量为每 1000 英尺 2,771 磅 (4123 kg/km)。其工作负荷为 35,000 磅 (156 kN),弯曲半径为 33 英寸 (84 cm)。弯曲半径对于滑轮的直径至关重要。使用弯曲半径更小的电缆可提高抗疲劳性,但会缩短使用寿命。

考虑到制造坚固耐用脐带电缆所面临的挑战,设计人员使用先进的模拟工具来分析机械和电气性能。制造几千米的原型是不切实际的,因此必须专注于设计和模拟。

目前,脐带电缆的创新工作主要集中在电缆的芯线,目标是在相同或更小的空间中实现更多的功能。例如,开发 Rochester 电缆系列产品的工程师正致力于薄壁绝缘和光纤组装,这是新一代电缆的关键所在。

光纤在脐带电缆中的应用日益增加,因为它们在长距离的范围内可提供更高的带宽。 尽管光纤具有较高的抗拉强度来承受纵向拉力,但如果不妥善保护,它们很容易断裂或损坏。因此,光纤通常有自己的铠装。尽管使用了聚芳基酰胺线(与其他光缆相同的强度构件),但为了获得更稳固的设计,还会使用金属铠装。高静水应用压力会增加光纤内的衰减。

我们的三种方法
  • Fiber in Steel Tube (FIST) 将光纤放置在实心不锈钢管中,以对抗静水压力、高温效应和腐蚀性环境。FIST 组装是一种松套管设计,它可以适应松散放置在套管内以及封装在胶体中的若干光纤。因为光纤在管中“浮动”,因此光纤的长度略长于管,以确保张力保持在较低水平。FIST 技术是最简单且成本最低的方法。它通过分离管上的应力与光纤上的应力使电缆上的张力保持在较低水平。如果电缆在安装或使用期间拉伸,多余的光纤可以适应拉伸而不被拉紧。松管设计还容许极端的温度变化,但不太适合最严苛的应用,如极端深度和极端电缆长度。FIST 还可将光纤束高密度地组装到管中,并且有了这三项功能,便可轻松地进行端接。
  • STEEL-LIGHT 铠装使用精确大小的犁钢束将光纤缓冲器包裹在中心,可保护光纤不受损坏。
  • ELECTRO-LIGHT 铠装类似于 STEEL-LIGHT 铠装,但它使用铜代替了钢。铜也可用于电源,以便设计外径更小的复合电缆。

 

创新的光学包装使光纤的应用变得更容易。

创新的光学包装使光纤的应用变得更容易。

STEEL-LIGHT 和 ELECTRO-LIGHT 光纤元件都是进行包装的紧缓冲方法。 尽管紧缓冲需要更加细致的制造,但它在高度动态应用中提供更好的性能,是最可靠的选择。STEEL-LIGHT 铠装最坚固耐用,可承受 10,000 psi 的静水压力。STEEL-LIGHT 和 ELECTRO-LIGHT 光纤的直径都非常小,能够匹配电缆设计中的空隙。对于一些较新的使用薄壁铜导线的小直径脐带电缆,没有这样的空间。在这种情况下,FIST 可能有助于更好地减小电缆直径。 从这三个选项中进行正确的选择将让您解决许多遥感问题。这实际上是对给定应用的耐用性与成本、便利性和电缆尺寸进行必要的权衡。脐带电缆供应商具有引导您为应用做出最佳选择的经验。

芯线中蕴含更多电力

随着 ROV 的功能增加,ROV 需要的电力也随之增加。有两种方式可以提高脐带电缆的芯线中的电力承受容量。第一种方法是使用横截面更大的导线。但是,这将增大电缆的直径。第二种方法是使用薄壁绝缘电缆代替标准壁电缆。在 TE,我们使用交联聚乙烯 (XLPE) 作为电力导线的绝缘体。薄壁绝缘可以将电缆直径比可比标准壁电缆直径缩小 30%。尽管传统观点表示承受的电力增加时应使用更厚的绝缘,但新材料和新处理方法已经推翻了这种观点。

薄壁绝缘技术允许将更多的电力和功能装入相同的空间中。

薄壁绝缘技术允许将更多的电力和功能装入相同的空间中。

脐带电缆深入应用

军事和航空航天业中已建立了良好的薄壁技术,这些行业对坚固耐用性的一些要求与深水应用相同。薄壁绝缘具有良好的耐磨性,在宽温度范围内具有良好的热稳定性,还具有供电应用必需的电气属性。薄壁绝缘技术允许将更多的电力和功能装入相同的空间中。

使用薄壁绝缘导线时,可以向脐带电缆添加额外的导线,从而为 ROV 提供更多电力,而不会增大脐带电缆的尺寸。在上图展示的示例中,八根薄壁导线装入与七根标准壁导线相同的空间中。

为了支持研究以及石油和天然气的勘探和生产,对深水 ROV 的需求不断增加,而脐带电缆一直在为对稳固性能的需求提供支持。绝缘和光学包装领域的新技术让脐带电缆能够为 ROV 提供更多电力,并支持日益复杂的功能。这转化为功能更强大的深水设备,这些设备在更大范围内连接了紧凑电缆来提供更多电力,还具有更多数据处理功能。

撰稿作者
  • Mark Casselton,船舶和海洋工程电缆部产品经理
  • Sage Wadke,市场和业务开发、航空航天、国防和船舶部全球总监。