Экранированный фторопластовый провод для высокотемпературного спутникового обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта

Система обогрева на основе поверхностного эффекта для протяженных трубопроводов включает в себя греющий электрокабель, расположенный в ферромагнитной или иной токопроводящей тепловой трубке. Полупроводниковая оболочка контактирует с внутренней поверхностью тепловой трубки, где плотность заряда обратного электрического тока, проводимого тепловой трубкой, достигает своего максимума. Материал полупроводниковой оболочки характеризуется удельным электрическим сопротивлением, достаточно низким для устранения или уменьшения риска возникновения событий, связанных с образованием электрической дуги, таких как коронный разряд, за счет обеспечения возможности рассеяния заряда, накопленного на тепловой трубке. Удельное электрическое сопротивление также достаточно велико, чтобы предотвращать поступление обратного тока на наружный полупроводниковый слой или его протекание через этот слой, благодаря чему максимально повышаются возможности системы по выработке тепла. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка является продолжающей заявкой патентной заявки США № 15/591,949 под названием «Экранированный провод для высокотемпературного спутникового обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта», поданной 10 мая 2017 года, и испрашивает приоритет согласно указанной заявке, которая представляет собой обычную заявку, испрашивающую приоритет в соответствии по предварительной заявке на патент США № 62/334,346, поданной под тем же названием 10 мая 2016 года, причем содержание обеих указанных патентных заявок полностью включено в настоящий документ посредством указания ссылки на них.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[0002] В нефтегазовой отрасли трубопроводы должны обогреваться на протяжении многих миль. Системы спутникового электрообогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта идеально подходят для протяженных магистральных трубопроводов длиной до 12 миль (20 км) в расчете на каждую цепь. Эта система спроектирована с возможностью использования в конкретной сфере применения. Сферы применения этой системы включают в себя линии транспортировки материалов, подводные линии перекачки, обогрев фундаментов резервуаров, растапливание снега и удаление льда, а также сборные и предварительно изолированные трубопроводы. В системе обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта тепло генерируется на внутренней поверхности ферромагнитной тепловой трубки, находящейся в тепловом контакте с трубопроводом, который подвергается сопроводительному обогреву. Внутри тепловой трубки располагается электрически изолированный термостойкий проводник, соединенный с трубкой на ее дальнем конце. Переменный ток (АС) проходит через изолированный проводник и возвращается через тепловую трубку.

[0003] В обычной системе обогрева на основе поверхностного эффекта жила греющего электрокабеля располагается внутри изоляционного слоя. Греющий электрокабель окружен воздухом за исключением точки, в которой изоляционная оболочка контактирует с внутренней поверхностью тепловой трубки. Частичный разряд обусловлен разницей в заряде между поверхностью изоляции и внутренней поверхностью заземленной тепловой трубки, которая переносит обратный АС в противоположном направлении; причем за счет поверхностного эффекта внутренняя поверхность тепловой трубки характеризуется наивысшей плотностью электрического заряда в сравнении с остальными частями тепловой трубки. Затяжной частичный разряд может оказывать корродирующее воздействие на твердую изоляцию, что в итоге может привести к разрыву изоляции в месте контакта. Затяжной частичный разряд может также стать причиной возникновения дефектов (пор, изъянов и загрязнений) в изоляционном слое. Он может также вызывать эффект короны, т.е. локализованный разряд, образуемый в результате переходной газовой ионизации на поверхности изоляционной системы, когда градиент электрического напряжения превышает критическое значение; причем он зарождается в воздухе комнатной температуры при около 3×10⁶ В/м. Изоляционный материал может характеризоваться предельно допустимой величиной частичного разряда: затяжной частичный разряд, не превышающий эту пороговую величину, может не оказывать негативного воздействия на материал или окружающие элементы, но при превышении предельно допустимого значения частичный разряд начинает оказывать разрушительное воздействие на материал. Указанный материал может также характеризоваться максимальным рекомендуемым рабочим напряжением, при котором частичный разряд с материала не превышает предельно допустимую величину.

[0004] Ферромагнитная тепловая трубка системы обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта характеризуется предрасположенностью к возникновению на ней эффекта короны, так как между поверхностью трубки и поверхностью изолированного проводника образуется разность в заряде, превышающая значение пробоя электрического поля для воздуха (3×10⁶ В/м). Этот эффект становится серьезной проблемой для протяженных трубопроводов, которым необходим более высокий потенциал напряжения для возбуждения тока, что также приводит к возникновению более высокого заряда между двумя поверхностями. Частичный разряд накопленного статического электричества может причинять вред изоляции и прочим компонентам или способствовать их преждевременному износу, а при высоком напряжении (относительно номинального напряжения материалов, из которого выполнены компоненты) он может разряжаться во время событий, связанных с образованием электрической дуги. Поэтому были разработаны отраслевые стандарты, ограничивающие частичный разряд. Материалы компонентов греющего электрокабеля и, в частности, материалы электрической изоляции характеризуются номинальным напряжением, при котором частичный разряд с материала не превышает 10 пикокулонов. Примечательно, что некоторые материалы могут выдерживать разряд, намного превышающий 10 пикокулонов (например, силикон, выдерживающий около 20 пикокулонов), но в условиях эксплуатации они должны выполнять свои функции при номинальном напряжении.

[0005] Следовательно, значения номинального напряжения материалов, используемых в греющих электрокабелях, должны рассматриваться во взаимосвязи с другими преимуществами материалов. Например, перфторалкоксиполимер (PFA) представляет собой идеальный изоляционный материал для высокотемпературных сфер применения, таких как линии перекачки серы, где температура рабочих кабелей составляет около 135-140 градусов Цельсия. Изоляция из PFA рассчитана на температуру 265°C и обеспечивает возможность выполнения своих функций при более высокой плотности тока в сравнении с низкотемпературной изоляцией, такой как полиэтилен высокой плотности (HDPE), каучук на основе этилен-пропилен-диенового мономера (EPDM), этилен-пропиленовый каучук (EPR) и силикон. Однако номинальное напряжение неэкранированного кабеля с изоляцией из PFA составляет около 2,5 кВ или 3 кВ, что обуславливает требование к тому, чтобы длина цепей и, соответственно, длина кабелей была короче, чем при использовании материалов с более высоким номинальным напряжением (например, силикона при 5 кВ), но с более низкой рабочей температурой.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[0006] Варианты осуществления настоящего изобретения устраняют указанные недостатки, предлагая греющий электрокабель, который может быть установлен для обогрева протяженных трубопроводов с использованием минимально возможного количества отдельных отрезков греющего электрокабеля с целью максимального увеличения длины цепи, что минимизирует количество отдельных цепей, необходимых для всего трубопровода. В частности, настоящее изобретение предлагает греющий электрокабель, который может быть рассчитан на высокое напряжение, но с возможностью удержания частичного разряда на приемлемом уровне. Греющий электрокабель включает в себя широко используемые материалы, в частности, электроизоляционные материалы, но при этом он может выдерживать непрерывно подаваемое напряжение, превышающее обычно применяемое номинальное напряжение таких материалов, не создавая частичный разряд недопустимого уровня. Греющий электрокабель содержит жилу и электроизоляционный слой, охватывающий указанную жилу. Греющий электрокабель дополнительно содержит наружный открытый полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой. Полупроводниковый слой находится в физическом и электрическом контакте с внутренним диаметром ферромагнитной тепловой трубки.

[0007] В одном из вариантов своего осуществления настоящее изобретение предлагает систему обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта, которая включает в себя: ферромагнитную тепловую трубку, передающую тепло рабочей трубе; и греющий электрокабель, расположенный внутри тепловой трубки и взаимодействующий с тепловой трубкой с целью выработки тепла и снабжения электрической цепи источником питания за счет поверхностного эффекта. Греющий электрокабель включает в себя проводник; внутренний полупроводниковый слой, охватывающий проводник; электроизоляционный слой, охватывающий внутренний полупроводниковый слой; и наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой и характеризующийся наличием наружной поверхности, которая контактирует с внутренней поверхностью тепловой трубки.

[0008] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения наружный полупроводниковый слой характеризуется таким удельным электрическим сопротивлением, что при подаче переменного тока на проводник при напряжении, превышающем 5 кВ и достигающим около 10 кВ или 14 кВ (например, наружный полупроводниковый слой нанесен на изоляционный слой из силикона), частичный разряд греющего электрокабеля не превышает 20 нанокулонов. Согласно другому аспекту наружный полупроводниковый слой характеризуется таким удельным электрическим сопротивлением, что при подаче переменного тока на проводник при напряжении в пределах от около 2,5 кВ до около 5 кВ или 7 кВ (например, наружный полупроводниковый слой нанесен на изоляционный слой из перфторалкоксиполимера (PFA)) частичный разряд греющего электрокабеля не превышает 1 нанокулон; и далее он может не превышать 10 пикокулонов. Кроме того, согласно любому аспекту лишь незначительная часть обратного электрического тока, т.е. обратного электрического тока, протекающего по внутренней поверхности тепловой трубки в направлении, противоположном направлению течения переменного тока, отводится на наружный полупроводниковый слой, благодаря чему потеря тепловой трубкой этой незначительной части не влияет на теплоотдачу тепловой трубки. Удельное электрическое сопротивление наружного полупроводникового слоя может лежать в пределах от 10^-1 до 10⁵ Ом⋅см включительно; или в предпочтительном варианте - в пределах от 5 до 1000 Ом⋅см включительно; или же в наиболее предпочтительном варианте - в пределах от 5 до 50 Ом⋅см включительно. Наружный полупроводниковый слой может представлять собой экструдированный слой, который экструдирован на электроизоляционный слой. В альтернативном варианте наружный полупроводниковый слой может представлять собой полупроводниковую ленту, намотанную вокруг электроизоляционного слоя.

[0009] В другом варианте осуществления настоящего изобретения электроизоляционный слой может быть выполнен из PFA, который в обычной сфере применения спутникового обогрева с использованием неэкранированных кабелей, где задействованы температуры свыше 200 градусов Цельсия, характеризуется максимальным рабочим напряжением (которое именуется также «номинальным напряжением»), составляющим около 2500-3000 В; при этом наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, выбранным таким образом, что частичный разряд греющего электрокабеля не превышает 1 нанокулон, в частности, 10 пикокулонов при подаче на жилу переменного тока при напряжении в диапазоне 3500-7500 В включительно. Наружный полупроводниковый слой может быть выполнен из PFA, совмещенного с токопроводящим материалом таким образом, что наружный полупроводниковый слой характеризуется требуемым удельным электрическим сопротивлением.

[0010] В другом варианте своего осуществления настоящее изобретение предлагает греющий электрокабель для системы обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта. Греющий электрокабель включает в себя жилу; электроизоляционный слой, охватывающий жилу; и наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой; при этом наружный полупроводниковый слой контактирует с внутренней поверхностью ферромагнитной тепловой трубки таким образом, что греющий электрокабель формирует электрическую цепь с тепловой трубкой и источник питания, подающий переменный ток на жилу, а электроизоляционный слой обеспечивает нагрев тепловой трубки за счет поверхностного эффекта. Наружный полупроводниковый слой уменьшает частичный разряд греющего электрокабеля при постоянной подаче переменного тока на жилу при напряжении, превышающем 3 кВ; или, в частности - 3,5 кВ; или даже, в частности, - 5 кВ.

[0011] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения для кабеля с изоляционным слоем из силикона наружный полупроводниковый слой может обладать удельным электрическим сопротивлением, которое ограничивает частичный разряд греющего электрокабеля 20 нанокулонами или 10 пикокулонами; при этом наружный полупроводниковый слой может дополнительно предотвращать поступление существенной части электрического тока, протекающего по внутренней поверхности тепловой трубки, на наружный полупроводниковый слой. Наружный полупроводниковый слой может уменьшить частичный разряд греющего электрокабеля при непрерывной подаче на жилу переменного тока при напряжении в пределах от 10 кВ до 14 кВ включительно. В другом варианте осуществления настоящего изобретения для кабеля с изоляционным слоем из PFA наружный полупроводниковый слой может характеризоваться удельным электрическим сопротивлением, ограничивающим частичный разряд греющего электрокабеля, как максимум, 1 нанокулоном или, в частности, как максимум, 10 пикокулонами при подаче на жилу напряжения от 3,5 кВ до 7,5 кВ включительно или, в частности, напряжения 3 кВ или от 3 кВ до 5 кВ.

[0012] Наружный полупроводниковый слой может характеризоваться удельным электрическим сопротивлением в пределах от 10^-1 до 10⁵ Ом⋅см включительно. Наружный полупроводниковый слой может быть соединен с электроизоляционным слоем путем выполнения процесса экструзии, или же наружный полупроводниковый слой может представлять собой отрезок полупроводниковой ленты, намотанный вокруг электроизоляционного слоя. Греющий электрокабель дополнительно включает в себя внутренний полупроводниковый слой, расположенный между жилой и электроизоляционным слоем. Электроизоляционный слой может представлять собой первый изоляционный материал, а наружный полупроводниковый слой может представлять собой комбинацию или соединение первого изоляционного материала и первого токопроводящего материала.

[0013] В еще одном из вариантов своего осуществления настоящее изобретение предлагает систему обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта, включающую в себя ферромагнитную тепловую трубку, которая подает тепло на рабочую трубу, и греющий электрокабель, расположенный внутри тепловой трубки. Греющий электрокабель включает в себя: проводник; внутренний полупроводниковый слой, охватывающий проводник; электроизоляционный слой, охватывающий внутренний полупроводниковый слой, причем электроизоляционный слой соотносится с частотой возникновения частичного разряда, который превышает требуемую максимальную величину, если электроизоляционный слой не экранирован и подвержен воздействию напряжения, превышающего первое номинальное напряжение; и наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой и экранирующий его, а также характеризующийся наличием наружной поверхности, которая контактирует с внутренней поверхностью тепловой трубки. Наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, которое в ответ на подачу на проводник переменного тока при подаваемом напряжении, превышающем первое номинальное напряжение, позволяет греющему электрокабелю удерживать величину частичного разряда греющего электрокабеля на уровне не выше допустимого максимального уровня, а также позволяет лишь незначительной части обратного электрического тока, протекающего по внутренней поверхности тепловой трубки в направлении, противоположном направлению течения переменного тока, отводиться на наружный полупроводниковый слой, благодаря чему потеря тепловой трубкой этой незначительной части не влияет на теплоотдачу тепловой трубки. Удельное электрическое сопротивление наружного полупроводникового слоя может лежать в диапазоне 5-1000 Ом⋅см включительно. Электроизоляционный слой может быть выполнен из перфторалкоксиполимера (PFA) с первым номинальным напряжением около 3000 вольт, причем подаваемое напряжение может лежать в диапазоне 3500-7500 вольт включительно. Наружный полупроводниковый слой может представлять собой экструдированный слой из токопроводящего PFA, который экструдирован на электроизоляционный слой.

[0014] Указанные и прочие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут понятными после ознакомления с последующим описанием. В этом описании даются ссылки на прилагаемые чертежи, которые образуют его неотъемлемую часть, и на которых в качестве иллюстрации представлен один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако такой вариант осуществления настоящего изобретения не обязательно отображают полный объем заявленного изобретения, и поэтому даются ссылки на формулу изобретения, также и для интерпретации объема заявленного изобретения.

Краткое описание фигур

[0015] Ниже представлены чертежи, где:

[0016] на фиг. 1 представлено перспективное изображение греющего электрокабеля согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;

[0017] на фиг. 2А представлен вид спереди в разрезе, а на фиг. 2В представлен вид сбоку в разрезе, которые иллюстрируют расположение греющего электрокабеля, показанного на фиг. 1, внутри тепловой трубки согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;

[0018] на фиг. 3 показан греющий электрокабель согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, расположенный в тепловой трубке и на рабочей трубе как части системы спутникового обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта; а

[0019] на фиг. 4 показан график зависимости частичного электрического разряда от рабочего напряжения для различных вариантов осуществления греющего электрокабеля с силиконовым изоляционным слоем согласно настоящему изобретению.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

[0020] На фиг. 1 показан греющий электрокабель 100 с последовательно снятыми слоями, чтобы можно было отчетливо видеть его устройство согласно, по меньшей мере, одному варианту осуществления настоящего изобретения. Греющий электрокабель 100 содержит в своей сердцевине проводник 102. Проводник 102 может быть выполнен из любого подходящего токопроводящего материала, включая луженую медь, никелированную медь, алюминий, сталь, золото, платину, серебро и прочие материалы. Проводник 102 может представлять собой одножильный провод или многожильный провод. Проводник 102 заключен в непроводящий электроизоляционный слой 104. Электроизоляционный слой 104 может быть выполнен из любого подходящего материала, включая силикон, перфторалкоксиполимер (PFA), каучук на основе этилен-пропилен-диенового мономера (EPDM), этилен-пропиленовый каучук (EPR), сшитый полиэтилен (XPLE) и прочие материалы. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения окружность проводника 102 целиком находится в физическом контакте с электроизоляционным слоем 104; иначе говоря, между проводником 102 и электроизоляционным слоем 104 отсутствуют какие-либо слои или другие компоненты.

[0021] В других вариантах осуществления настоящего изобретения проводник 102 заключен во внутренний полупроводниковый слой 106 или находится в прямом электрическом контакте с ним. В этих вариантах осуществления настоящего изобретения внутренний полупроводниковый слой 106 может быть заключен в электроизоляционный слой 104, а также может отделять проводник 102 от электроизоляционного слоя 104. Внутренний полупроводниковый слой 106 может полностью контактировать с электроизоляционным слоем 104, а также полностью или частично контактировать с проводником 102. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения греющий электрокабель может дополнительно включать в себя съемный слой (не показан), располагающийся между проводником 102 и полупроводниковым слоем 106. Съемный слой облегчает полную очистку проводника 102; иначе говоря, на проводнике 102 не остается остатков ни полупроводникового слоя 106, ни съемного слоя. Съемный слой может быть токопроводящим; или же он может быть непроводящим, но по-прежнему способным обеспечивать электрический контакт между проводником 102 и полупроводниковым слоем 106.

[0022] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения многожильный проводник 102 может быть причиной формирования воздушных карманов между жилами на внутреннем полупроводниковом слое 106 в процессе производства. Если между проводником 102 и электроизоляционным слоем 104 образуются такие воздушные карманы, то они могут стать источником частичного коронного разряда по мере накопления заряда на наружной поверхности проводника 102. Внутренний полупроводниковый слой 106 может использоваться для нейтрализации или «закорачивания» любых воздушных карманов, образуемых на наружной поверхности проводника 102, предотвращая частичный разряд за счет использования дополнительной токопроводящей дорожки для устранения накапливающегося заряда и поддержания гладкой поверхности раздела, обеспечивающей пологий градиент электрического поля, на границе «полупроводник-изоляция». Кабель 100 может дополнительно включать в себя тонкий токопроводящий съемный слой (не показан) между внутренним полупроводниковым слоем 106 и проводником 102. Этот слой облегчает полную очистку (т.е. снятие всех слоев, не оставляя каких-либо мешающих остатков или отложений) проводника 102 для его соединения с выводом, обжимной гильзой или другим проводником.

[0023] Наружный полупроводниковый слой 108 охватывает электроизоляционный слой 104. Наружный полупроводниковый слой 108 может представлять собой любой подходящий полупроводниковый материал, сочетание полупроводниковых материалов или комбинацию полупроводящего электроизоляционного материала/материалов с токопроводящим материалом/материалами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения основа наружного полупроводникового слоя 108 может быть выполнена из того же материала, что и изоляция (например, силикона, PFA и т.п.), но она может быть смешана, легирована или иным образом соединена с техническим углеродом или иным токопроводящим материалом для придания слою 108 свойства полупроводимости. В частности, и в соответствии с описанием, представленным ниже, состав наружного полупроводникового слоя 108 может быть выбран таким образом, чтобы наружный полупроводниковый слой 108, который контактирует с нагреваемой внутренней поверхностью греющего электрокабеля, уменьшал или устранял частичный коронный разряд, не влияя на электрическое взаимодействие между греющим электрокабелем 100 и тепловой трубкой, что обеспечивает возможность обогрева на основе поверхностного эффекта. Таким образом, удельное электрическое сопротивление материала, из которого выполнен наружный полупроводниковый слой 108, может быть достаточно низким, чтобы уменьшить или устранить электрическую корону на наружной поверхности греющего электрокабеля 100. В частности, удельное электрическое сопротивление может быть достаточно низким для предотвращения коронного разряда вдоль длины греющего электрокабеля 100 даже в тех местах, где греющий электрокабель 100 постоянно не контактирует с взаимодействующей тепловой трубкой.

[0024] Кроме того, удельное электрическое сопротивление наружного полупроводникового слоя 108 может быть достаточно высоким, чтобы обратный переменный ток, протекающей вдоль внутренней поверхности взаимодействующей тепловой трубки (например, тепловой трубки 200, показанной на фиг. 2) в направлении, противоположном направлению течения переменного тока в проводнике 102, по существу не поступал на наружный полупроводниковый слой 108. В частности, следует понимать, что передача тепловой трубой обратного тока, обеспечивающего поверхностный эффект, может давать более половины (обычно около 70%) тепловой энергии в системе спутникового обогрева на основе поверхностного эффекта (остальная часть тепловой энергии приходится на долю греющего кабеля); при этом наружный полупроводниковый слой 108 может характеризоваться таким удельным электрическим сопротивлением, которое позволяет, как максимум, лишь незначительной части обратного тока попадать на наружный полупроводниковый слой 108 или протекать через него, благодаря чему обогрев тепловой трубки на основе поверхностного эффекта не нарушается. Например, наружный полупроводниковый слой 108 может отводить с внутренней поверхности тепловой трубки менее чем около 1% обратного тока.

[0025] В различных вариантах осуществления настоящего изобретения, которые минимизируют или устраняют коронный разряд и тепловые потери, объемное удельное сопротивление наружного полупроводникового слоя 108 может лежать в диапазоне от 10^-1 до 10⁶ Ом⋅см, или в диапазоне от 10⁰ до 10² Ом⋅см, или в диапазоне от 5 до 50 Ом⋅см, включительно. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения объемное удельное сопротивление может составлять 109 или более, по-прежнему сохраняя свою эффективность. В другом примере осуществления настоящего изобретения греющий электрокабель 100 рассчитан на работу при температуре свыше 150 градусов Цельсия (т.е. проводник 102 выполнен с возможностью проведения электрического тока, который преобразуется кабелем 100 в тепловую энергию, нагревающую кабель 100 до температуры свыше 150 градусов Цельсия); при этом электроизоляционный слой 104 выполнен из PFA, а греющий кабель 100 рассчитан на работу при напряжении около 3500-7500 В внутри тепловой трубки из углеродистой стали при температуре до 260 градусов Цельсия, причем наружный полупроводниковый слой 108 может быть выполнен из экструдируемого токопроводящего PFA с объемным удельным сопротивлением около 5-1000 Ом⋅см. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения наружный полупроводниковый слой 108 может быть наложен поверх изоляционного слоя 104 методом обычной экструзии и/или соэкструзии, и может характеризоваться минимальной толщиной около 0,5 мм. В других вариантах осуществления настоящего изобретения наружный полупроводниковый слой 108 может накладываться другими способами, такими как намотка отрезка полупроводниковой ленты вокруг изоляционного слоя 104 для формирования наружного полупроводникового слоя 108. Пригодная для использования полупроводниковая лента (например, этиленпропиленовая) может характеризоваться минимальной толщиной около 0,1 мм. При использовании любого способа наложения максимальная подходящая толщина наружного полупроводникового слоя 108 ограничивается факторами стоимости, наличием материала, простотой наложения и прочностью (т.е. достаточным сопротивлением протаскиванию через тепловую трубку во время установки). С учетом таких практических соображений, как наибольший наружный диаметр греющего электрокабеля 100 и отношение его диаметра к внутреннему диаметру тепловой трубки, в которой установлен греющий электрокабель 100, толщина наружного полупроводникового слоя может характеризоваться верхним предельным значением, лежащим в диапазоне 5-10 мм включительно.

[0026] На фиг. 2А-2В показан греющий электрокабель 100, установленный в тепловой трубке 200. Жила 102 греющего электрокабеля может охватываться внутренним полупроводниковым слоем 106, хотя в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения внутренний полупроводниковый слой 106 может отсутствовать. Далее проводник и внутренний полупроводниковый слой 104 охватывается изоляционным слоем 104. Изоляционный слой 104 охватывается наружным полупроводниковым слоем 108. Греющий электрокабель 100 может располагаться внутри тепловой трубки 200 (не показана в масштабе). Греющий электрокабель 100 может быть окружен воздухом во внутреннем пространстве 202 тепловой трубки 200, за исключением той точки 204 или участка, где наружная поверхность 208 наружного полупроводникового слоя 108 контактирует с внутренней поверхностью 210 тепловой трубки 200. Когда проводник 102 и тепловая трубка 200 подключены к источнику 220 питания переменного тока (АС), образуя электрическую цепь согласно описанию, представленному в настоящем документе (т.е. когда проводник 102 соединен со стороной под напряжением, а тепловая трубка 200 соединена с нейтралью), то электрический заряд, который при отсутствии наружного полупроводникового слоя 108 накапливается на поверхности изоляции 104 и разряжается в виде коронного разряда (частичного разряда), теперь может рассеиваться без образования электрической короны через полупроводниковый слой 108, который находится в физическом и электрическом контакте с внутренней поверхностью 210 тепловой трубки 200, эффективно уменьшая или устраняя коронный разряд и его пагубные последствия.

[0027] Таким образом, экран греющего электрокабеля 100 повышает эффективность применения греющего электрокабеля 100 для обогрева на основе поверхностного эффекта в системах трубопроводов, где обратный переменный ток передается тепловой трубкой 200 и концентрируется (т.е. обладает наивысшей плотностью заряда) в «глубине поверхностного слоя», замеренной в тепловой трубке 200 с внутренней поверхности 210 (глубина поверхностного слоя обратно пропорциональна квадратному корню магнитной проницаемости тепловой трубки 200). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения полупроводящий экран греющего электрокабеля 100 согласно описанию, представленному в настоящем документе, облегчает использование полимерных материалов, которые рассчитаны на выполнение своих функций при температуре свыше 150 градусов Цельсия при напряжении, превышающем обычное номинальное напряжение таких материалов, заданное для предотвращения частичного коронного разряда. Например, PFA является подходящим теплостойким материалом, как для электроизоляционного слоя 104, так и в качестве токопроводящего соединения для наружного полупроводникового слоя 108; тогда как неэкранированный PFA, используемый в качестве диэлектрика, начинает испытывать воздействие частичного разряда при напряжении около 2500-3000 В; при этом экранированный греющий электрокабель, описанный выше, может использовать PFA в электроизоляционном слое 104 и выполнять свои функции при напряжении 3500-7500 В, не испытывая разрушительного или опасного воздействия частичного разряда.

[0028] В одной из схем обогрева на основе поверхностного эффекта, которая показана на фиг. 3, ферромагнитная тепловая трубка 300, в качестве которой может быть использована тепловая трубка 200, показанная на фиг. 2, прилегает к рабочей трубе 304, используемой для транспортировки нефти, газа или иных тяжелых текучих сред. Внутри тепловой трубки 300 располагается полупроводящий экранированный греющий электрокабель согласно настоящему изобретению. Вокруг рабочей трубы 304 и тепловой трубки 300 предусмотрена теплоизоляция, удерживающая тепло. Трансформатор 306 и блок 308 управления поддерживают электрическую связь с тепловой трубкой 300 через клеммные коробки 302. Эти клеммные коробки 302 обеспечивают возможность модификации, замены или обслуживания отдельных отрезков или цепей греющего электрокабеля и/или тепловой трубки 300, не затрагивая изоляцию 310. Отрезки цепи определяются сочетанием таких параметров, как размеры кабеля, напряжение кабеля, допустимый интервал температур, размеры тепловой трубки и способ соединения. В настоящее время можно обогревать до 20 километров (12 миль) от единого источника питания в средней точке с использованием напряжения, приближающегося к 5000 вольт, и применяя изоляционные материалы, рассчитанные на температуру до 150°C. Аналогичным образом, применяя изоляцию, рассчитанную на температуру свыше 150°C, можно обогревать до 6-10 километров от единого источника питания в средней точке при использовании напряжения в 2000-2500 В. На эти отрезки цепи накладываются частичные ограничения, связанные с риском возникновения электрической дуги, что определяется материалами и конструкцией греющих электрокабелей. Например, как было описано выше, использование широко распространенного материала PFA в качестве диэлектрика может ограничивать максимальное напряжение величиной в 2500-3000 В во избежание появления частичного разряда. И наоборот, поскольку представленная система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта устраняет или уменьшает накопление заряда, на греющий электрокабель может подаваться более высокое напряжение (например, до трех раз выше в греющем электрокабеле с изоляцией из PFA). Соответственно, тепловая трубка 300 может быть задействована при большем удалении друг от друга соединений 302 выводов линии.

[0029] На фиг. 4 представлены результаты экспериментов, выполненных для подтверждения улучшенных рабочих характеристик греющих электрокабелей согласно настоящему изобретению, снабженных полупроводниковой оболочкой и расположенных внутри тепловой трубки, в сравнении с греющими электрокабелями обычного типа, которые используются в данной области техники. По оси Y отложен средний частичный разряд в нанокулонах в зависимости от рабочего напряжения греющего электрокабеля применительно к разным тепловым трубкам. На графиках 404, 406, 408 и 410 показано, что тепловые трубки с обычными неэкранированными греющими электрокабелями для обогрева тепловой трубки на основе поверхностного эффекта, где в качестве электроизоляционного слоя используется силикон, сталкиваются с частичными разрядами крайне высокого уровня. Таким образом, обычно они ограничены рабочим напряжением 5 кВ или меньше. Греющие электрокабели, в которых используется полупроводниковый экранирующий слой согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, отображены на графиках 400 и 402; в частности, на графике 400 показан средний частичный разряд внутри тепловой трубки, использующей греющий электрокабель, представленный на графике 408, но дополненный описанным наружным полупроводниковым слоем согласно раскрытому выше варианту осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, даже при крайне высоком напряжении эти греющие электрокабели не испытывают частичные разряды свыше 20 нанокулонов, и они могут функционировать даже при напряжении 10 кВ без частичных разрядов свыше 10 нанокулонов. При дополнительном тестировании раскрытых вариантов осуществления настоящего изобретения был отмечен частичный разряд всего в 50-200 пикокулонов при напряжении до 14 кВ.

[0030] С учетом графика, показанного на фиг. 4, в отношении греющего электрокабеля, в котором используется силиконовая изоляция, понятно, что аналогичные улучшения, хотя и при более низких напряжениях, могут быть обеспечены в экранированном кабеле, описанном выше, в котором в качестве электроизоляционного слоя используется PFA.

[0031] Настоящее изобретение раскрыто на примере одного или нескольких предпочтительных вариантов его осуществления, но следует понимать, что возможны многие другие эквиваленты, альтернативные варианты, изменения и модификации, входящие в объем настоящего изобретения, но отличные от тех, которые были явным образом изложены в настоящем документе.

1. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта, содержащая:

ферромагнитную тепловую трубку, выполненную с возможностью подачи тепла на рабочую трубу; и

греющий электрокабель, расположенный внутри ферромагнитной тепловой трубки, причем греющий электрокабель содержит:

проводник;

внутренний полупроводниковый слой, охватывающий проводник, электроизоляционный слой, охватывающий внутренний полупроводниковый слой, причем электроизоляционный слой соотносится с частотой возникновения частичного разряда, который превышает заданную максимальную величину, если электроизоляционный слой не экранирован и подвержен воздействию напряжения, превышающего первое номинальное напряжение; и

наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой и экранирующий его, а также характеризующийся наличием наружной поверхности, которая находится в электрическом и прямом физическом контакте с внутренней поверхностью ферромагнитной тепловой трубки, причем наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, которое в ответ на подачу на проводник переменного тока при подаваемом напряжении, превышающем первое номинальное напряжение, позволяет греющему электрокабелю:

удерживать величину частичного разряда греющего электрокабеля на уровне не выше заданного максимального уровня частичного разряда; и

обеспечивать прохождение через наружный полупроводниковый слой не более чем одного процента обратного электрического тока, протекающего по внутренней поверхности ферромагнитной тепловой трубки в направлении, противоположном направлению течения переменного тока проводника.

2. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 1, в которой удельное электрическое сопротивление наружного полупроводникового слоя лежит в диапазоне 5-1000 Ом-см включительно.

3. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 1, в которой электроизоляционный слой представляет собой перфторалкоксиполимер (PFA), первое номинальное напряжение лежит в диапазоне 2500-3000 вольт включительно, а подаваемое напряжение лежит в диапазоне 3500-7500 вольт включительно.

4. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 3, в которой наружный полупроводниковый слой содержит экструдированный слой из токопроводящего PFA, который экструдирован на электроизоляционный слой.

5. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 1, в которой наружный полупроводниковый слой содержит полупроводниковую ленту, намотанную на электроизоляционный слой.

6. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта, содержащая:

ферромагнитную тепловую трубку, выполненную с возможностью подачи тепла на рабочую трубу; и

греющий электрокабель, содержащий:

жилу;

электроизоляционный слой, охватывающий, по меньшей мере, жилу и характеризующийся первым номинальным напряжением; и

наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой, причем наружный полупроводниковый слой находится в электрическом и прямом физическом контакте с внутренней поверхностью ферромагнитной тепловой трубки таким образом, что греющий электрокабель формирует электрическую цепь с тепловой трубкой и источник питания, подающий переменный ток на жилу при напряжении, превышающем первое номинальное напряжение, причем электрическая цепь обуславливает нагрев тепловой трубки за счет поверхностного эффекта.

7. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, которое ограничивает частичный разряд греющего электрокабеля на уровне не выше 1 нанокулона, когда на жилу подается переменное напряжение величиной до 7500 вольт.

8. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, которое ограничивает частичный разряд греющего электрокабеля на уровне, как максимум, 10 пикокулонов при подаче на жилу переменного напряжения величиной до 7500 вольт.

9. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой наружный полупроводниковый слой дополнительно предотвращает протекание электрического тока, величина которого на более чем один процент превышает электрический ток, протекающий по внутренней поверхности тепловой трубки, через наружный полупроводниковый слой.

10. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, лежащим в диапазоне 5-1000 Ом-см включительно.

11. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 10, в которой электроизоляционный слой представляет собой перфторалкоксиполимер.

12. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой наружный полупроводниковый слой соединен с электроизоляционным слоем с использованием процесса экструзии.

13. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой наружный полупроводниковый слой содержит отрезок полупроводниковой ленты, намотанный вокруг электроизоляционного слоя.

14. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой греющий электрокабель дополнительно содержит внутренний полупроводниковый слой между жилой и электроизоляционным слоем.

15. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой электроизоляционный слой содержит первый изоляционный материал, а наружный полупроводниковый слой содержит первый изоляционный материал и первый токопроводящий материал.

16. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 15, в которой первый изоляционный материал представляет собой перфторалкоксиполимер.

17. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 16, в которой первый токопроводящий материал выбран таким образом, что наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, лежащим в диапазоне 5-1000 Ом-см включительно.

18. Система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта по п. 6, в которой первое номинальное напряжение соответствует максимальному рабочему напряжению в неэкранированном состоянии, лежащему в пределах 2500-3000 вольт.