CN102483973B - 潜水复合缆线和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了潜水复合缆线的实施例，所述潜水复合缆线包括非复合导电芯缆线；围绕所述芯缆线的多个复合缆线，所述多个复合缆线包括多个复合线材；和围绕所述复合缆线的绝缘外皮。本发明还提供了其他实施例，包括导电芯缆线；多个构件，所述构件选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件，所述构件围绕所述芯缆线在至少一个圆柱层中布置，所述至少一个圆柱层在径向截面中看围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定；多个复合线材，在至少一个圆柱层中围绕所述构件，所述至少一个圆柱层围绕所述中心纵向轴线；以及绝缘外皮，围绕所述复合线材。所述复合线材可为金属基质或聚合物复合线材。本发明还公开了制造和使用潜水复合缆线的方法。

Description

潜水复合缆线和方法
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2009年7月16日提交的美国临时专利申请No.61/226,056和美国临时专利申请No.61/226,151的权益，这两个专利申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及潜水复合缆线和它们的制造和使用方法。本发明还涉及可用作脐带缆(umbilical)或系绳(tether)的潜水复合缆线。
背景技术
海下缆线用于将电力和信号传输至较大深度以用于许多海下应用，包括海洋石油井口、机器人运载工具操作、潜艇输电和光纤缆线。用于水下电力传输的潜水缆线是已知的，例如美国专利No.4,345,112(Sugata等人)和美国专利申请公布No.2007/0044992(Bremnes)。这种潜水输电缆线通常包括导电构件和承重构件，所述承重构件通常需要能够完全经受当在海面或水下从船放出和收回缆线时由绞盘所导致的拉出和卷绕而无断裂。一般需要较大的工作深度；然而，缆线的最大工作深度通常受限于缆线在其本身重量下能够经受的最大负载和应变。因此，最大深度和电力传送能力受限于导电构件和承重构件的材料性质。
潜水输电缆线通常使用金属(例如钢、铜、铝)导体线材和/或承重构件制造，并通常具有粗大的横截面，因此由于金属(特别是铜)的高比重而给缆线增加相当大的重量。此外，由于铜线材通常具有较差的承重能力，可使用的掺入铜导体的潜水输电缆线的水深一定程度地受到限制。已提出各种缆线设计以获得在长距离和深度(例如1,000米或更长的长度)下成功调配水下缆线所需的高拉伸强度和抗断裂性，如美国专利申请公布Nos.2007/0271897(Hanna等人)；2007/0237469(Espen)和美国专利申请公开Nos.2006/0137880、2007/0205009和2007/0253778(所有均为Figenschou)所例示。对于一些深水应用，已使用例如KEVLAR和铜构造非铠装的缆线。尽管如此，持续寻求能够在位于海面的设备与位于海底(特别是深水中)的设备之间传输大量电力、流体和电流/信号的重量轻、拉伸强度高的脐带缆或系绳。
发明内容
在一些应用中，期望进一步改进潜水输电缆线的构造及它们的制造方法和用途。在某些应用中，期望改进潜水输电缆线的物理性质，例如其重量、拉伸强度和断裂伸长率。在其他应用中，期望改进潜水输电缆线的可靠性并降低其成本。
因此，在一方面，本发明提供了一种潜水复合缆线，其包括非复合导电芯缆线；围绕所述芯缆线的多个复合缆线，其中所述复合缆线包括多个复合线材；以及包裹所述多个复合缆线的绝缘外皮。在一些示例性实施例中，所述潜水复合缆线还包括第二多个复合线材，其中所述第二多个复合线材的至少一部分围绕所述多个复合缆线在至少一个圆柱层中布置，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定。在某些当前优选实施例中，潜水复合缆线表现出至少0.5％的断裂应变极限。
在一些示例性实施例中，所述潜水复合缆线包括至少一个选自如下的构件：流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件。在某些示例性实施例中，所述光传输构件包括至少一个光纤。在另外的示例性实施例中，所述铠装构件包括围绕芯缆线的多个纤维，其中所述纤维选自聚(芳族聚酰胺)纤维、陶瓷纤维、碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。在另外的示例性实施例中，所述潜水复合缆线包括围绕芯缆线的多个线材，其中所述线材选自金属线材、金属基质复合线材、以及它们的组合。
在其他示例性实施例中，所述芯缆线包括至少一个金属线材、一个金属承重构件或它们的组合。在再有一些示例性实施例中，所述芯缆线包括多个金属线材。在另外的示例性实施例中，所述芯缆线为绞合的。在某些特定的示例性实施例中，所述绞合的芯缆线为螺旋绞合的。
在另外的示例性实施例中，围绕所述芯缆线的多个复合缆线在至少两个圆柱层中布置，所述至少两个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定。在某些另外的示例性实施例中，所述至少两个圆柱层中的至少一个仅包括复合缆线。在其他另外的示例性实施例中，所述至少两个圆柱层中的至少一个还包括至少一个选自如下的构件：流体传输构件、电力传输构件、光传输构件、重量构件、填料构件或铠装构件。
在一些特定的另外的示例性实施例中，至少一个复合缆线为绞合复合缆线，在径向截面中看时，所述绞合复合缆线包括复合线材的多个圆柱层，所述复合线材的多个圆柱层围绕所述至少一个复合缆线的中心纵向轴线绞合。在某些示例性实施例中，所述至少一个绞合复合缆线为螺旋绞合的。在其他示例性实施例中，所述复合线材中的每一个选自金属基质复合线材和聚合物复合线材。在另外的示例性实施例中，所述绝缘外皮形成潜水复合缆线的外表面。在一些示例性实施例中，所述绝缘外皮包括选自如下各项的材料：陶瓷、玻璃、(共)聚合物、以及它们的组合。
在另一方面，本发明提供了一种制造如上所述的潜水复合缆线的方法，所述方法包括(a)提供非复合导电芯缆线；(b)围绕所述芯缆线布置多个复合缆线，其中所述复合缆线包括多个复合线材；以及(c)用绝缘外皮包裹所述多个复合缆线。
在另外的方面，本发明提供了一种潜水复合缆线，其包括导电芯缆线；围绕所述芯缆线在至少一个圆柱层中布置的多个构件，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定，其中每个构件选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件；在至少一个圆柱层中围绕所述多个构件的多个复合线材，所述至少一个圆柱层围绕所述芯缆线的中心纵向轴线；以及包裹所述多个复合线材的绝缘外皮。在一些示例性实施例中，所述多个复合线材的至少一部分被绞合以形成至少一个复合缆线。
在另外的示例性实施例中，所述铠装构件包括围绕所述芯缆线的多个纤维，其中所述纤维选自聚(芳族聚酰胺)纤维、陶瓷纤维、碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。在其他示例性实施例中，所述铠装构件包括围绕所述芯缆线的多个线材，其中所述线材选自金属线材、金属基质复合线材、以及它们的组合。在另外的示例性实施例中，所述潜水复合缆线还包括第二绝缘外皮，其中所述第二绝缘外皮位于所述多个构件和所述多个复合线材之间，且其中所述第二绝缘外皮包裹所述多个构件。
在另一方面，本发明提供了一种制造如上所述的潜水复合缆线的方法，其包括(a)提供导电芯缆线；(b)围绕所述芯缆线在至少一个圆柱层中布置多个构件，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定，其中每个构件选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件；(c)用在至少一个圆柱层中布置的多个复合线材围绕所述多个构件，所述至少一个圆柱层围绕所述芯缆线的中心纵向轴线；以及(d)用绝缘外皮包裹所述多个复合线材。
根据本发明的潜水复合缆线的示例性实施例可具有使其能够使用且在各种应用中发挥优势的各种特征和特性。由于改进的材料性质，包括低密度、高模量、高强度、耐疲劳性和导电性，根据本发明的一些示例性实施例的潜水复合缆线可表现出改进的性能。因此，根据本发明的示例性潜水复合缆线可表现出大大增加的最大工作深度、最大工作负载和断裂强度，具有相比于现有非复合缆线更大的或至少可比的电力传送能力。此外，相比于非复合潜水缆线，根据本发明的潜水复合缆线的示例性实施例在海水中重量更轻，并因此更易于铺设到海底和从海底回收。与非复合缆线相比，所述潜水复合缆线的耐疲劳性也可得到改进。
对本发明的示例性实施例的各个方面和优点进行了汇总。上述发明内容并非意图描述本发明呈现的某些示例性实施例的每一个图示实施例或每种实施方式。随后的附图和具体实施方式将更具体地举例说明了使用本文所公开的原理的某些优选实施例。
附图说明
参照附图进一步描述本发明的示例性实施例，在附图中：
图1A-1C为根据本发明的示例性实施例的示例性潜水复合电缆的截面端视图。
图2A-2D为可用于制备本发明的潜水复合电缆的示例性实施例的示例性复合缆线的截面端视图。
图3A-3E为可用于制备本发明的潜水复合电缆的示例性实施例的各种复合缆线的截面端视图，所述复合缆线包括一个或多个层，所述一个或多个层包括围绕螺旋绞合复合线材绞合的多个金属线材。
图4A为可用于制备本发明的潜水复合电缆的示例性实施例的示例性绞合复合缆线的侧视图，所述示例性绞合复合缆线包括包裹在绞合复合线材芯上的保持材。
图4B-4D为可用于制备本发明的潜水复合电缆的示例性实施例的示例性绞合复合缆线的截面端视图，所述示例性绞合复合缆线包括包裹在绞合复合线材芯上的各种保持材。
图5为可用于制备本发明的潜水复合电缆的示例性实施例的示例性绞合复合缆线的截面端视图，所述示例性绞合复合缆线包括包裹在绞合复合线材芯上的保持材，以及包括围绕绞合复合线材芯绞合的多个金属线材的一个或多个层。
图6A-6C为根据本发明的一些实施例的包括各种示例性铠装构件的潜水复合电缆的示例性实施例的截面端视图。
图7为比较使用本发明的复合导体的示例性潜水复合电缆和使用铜或钢导体的相应潜水缆线的相对强度、模量和导电率的图表。
附图中的类似附图标记指示类似的构件。本文中的附图未按比例绘制，并且在附图中，复合缆线的构件被以强调选定特征的尺寸显示。
具体实施方式
在整个说明书和权利要求书中采用的某些术语大部分是人们所熟知的，但可能仍然需要作一些解释。应当理解，如本文中所使用的，当涉及“线材”是“易碎的”，这指的是线材在拉伸载荷下将以最小塑性变形断裂。
术语“线材”用来一般地包括可延展金属线材、金属基质复合线材、聚合物基质复合线材、光纤线材、和用于流体传送的中空管状线材。
术语“可延展”在用于涉及线材的变形时，指的是线材在弯曲而不断裂或破裂期间基本承受的塑性变形。
术语“弯曲”在用来涉及线材的变形时包括二维和/或三维弯曲变形，例如在绞合期间使线材螺旋地弯曲。当涉及具有弯曲变形的线材时，这不排除线材还具有由于拉伸力和/或扭转力产生的变形的可能性。
“显著的弹性弯曲”变形指的是线材弯曲成曲率半径直到线材半径的10,000倍时发生的弯曲变形。当应用于圆形横截面的线材时，这个显著的弹性弯曲变形将在线材的外纤维处赋予至少0.01％的应变。
术语“复合线材”涉及由成分或形式不同的材料的组合形成的线材，这些材料结合在一起并且具有易碎或非延展行为。
术语“非复合导电芯缆线”指的是可包括不是复合线材的单个线材或多个线材的缆线，其中所述线材能够传导电流，并在系绳或脐带缆的中心形成。
术语“金属基质复合线材”涉及这样的复合线材，其包括一个或多个结合到基质中以构成一个或多个可延展金属相的强化材料。
术语“聚合物基质复合线材”类似地涉及这样的复合线材，其包括一个或多个结合到基质中以构成一个或多个聚合物相的强化材料。
术语“陶瓷”指的是玻璃、晶体陶瓷、玻璃陶瓷、以及它们的组合。
术语“多晶”指的是主要具有多个结晶颗粒的材料，其中颗粒的尺寸小于颗粒所在的纤维的直径。
术语“卷缆”和“绞合”可以互换使用，“卷缆的”和“绞合的”也可以互换使用。
术语“捻制”说明了线材在螺旋绞合缆线的绞合层中被缠绕成螺旋的方式。
术语“捻向”涉及线材股线在螺旋绞合层中的绞合方向。为了确定螺旋绞合层的捻向，当缆线离开观察者时观察者看螺旋绞合线材层的表面。如果当股线离开观察者时线材股线呈现为沿顺时针方向转动，那么缆线被称为具有“右手捻制”。如果当股线离开观察者时线材股线呈现为沿逆时针方向转动，那么缆线被称为具有“左手捻制”。
术语“中心轴线”和“中心纵向轴线”可互换地用来表示径向地定位在多层螺旋绞合缆线的中心处的共同纵向轴线。
术语“捻角”涉及由绞合线材相对于螺旋绞合缆线的中心纵向轴线形成的角度。
术语“相交角度”指的是螺旋绞合线材缆线的相邻线材层的捻角之间的相对(绝对)差。
术语“捻距”涉及螺旋绞合层中的单个线材围绕螺旋绞合缆线的中心纵向轴线完成一个完全螺旋回转的绞合缆线长度。
术语“连续纤维”指的是当与平均纤维直径相比长度相对无限大的纤维。通常，这意味着纤维的纵横比(即，纤维的长度与纤维平均直径的比)为至少1×105(在某些实施例中，为至少1×106，或者甚至为至少1×107)。通常，这种纤维具有至少约15cm到至少几米量级的长度，并且甚至可以具有几千米或者更长量级的长度。
本发明涉及潜水复合缆线。潜水复合缆线可用于各种应用，例如，用作将电力、能量和信息从海面传输至海底的水下系绳或脐带缆，以及用作设于海底基地内的遥控运载工具缆线。其他用途包括用作用于将流体传输至海上油井和气井或从海上油井或气井传输的介入缆线和立管。其他用途为作为用于潮湿环境(例如沼泽、雨林等)中的地下或架空输电缆线。示例性的地下或架空输电缆线和应用记载于共同待审的美国临时专利申请Ser.No.61/226,151中，其于2009年7月16日提交，名称为“INSULATED COMPOSITE POWER CABLE ANDMETHOD OF MAKING AND USING(绝缘复合电缆及其制造和使用方法)”。
复合材料提供改进的性能，所述改进的性能使得深度的加大和能量传输的增加成为可能。通常，脐带缆或系缆被设计用于特定深度(例如3,000m的典型深度)。延伸至6,000m或更深的缆线是理想的。缆线铺设或延伸至3,000m或更深处，不发生断缆可能很难。为了达成轻量、低应变条件下的高承重能力，需要低密度、较高模量的复合材料。
潜水电缆的另一重要考虑是海水中每单位长度的缆线重量。缆线的重量和强度决定了缆线不在其自身重力下超过其机械负荷极限(即断裂强度)的铺设或延伸深度。此外，可能必须将缆线提升至海平面以进行修理，这将不可避免地需要拖拉沉重的缆线，可能需要使用大功率绞车和大型支援船。潜水缆线的耐疲劳性可能也很重要。在整个5年的使用寿命内脐带缆被频繁地升起，每次缆线被升起时其通常穿过一系列滑轮。这在滑轮处产生极高的拉伸和弯曲负荷，由于滑轮支承整个缆线重量，因此在滑轮处张力最大。由于海浪导致的平台的竖直和水平摆动，会发生附加的动态弯曲负荷。因此复合缆线可提供潜水输电缆线的改进的耐疲劳性。
现在将具体参照附图描述本发明的各种示例性实施例。本发明的示例性实施例可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行多种修改和更改。因此，应当理解，本发明的实施例不应限于以下所述的示例性实施例，但应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制的控制。
现在参照图1A，在一方面，本发明提供了一种潜水复合缆线20，其包括在潜水复合缆线20的芯部11的导电非复合承重导体缆线16；围绕芯部11布置的多个复合缆线10，其中复合缆线10包括多个复合线材；以及包裹多个复合缆线10的绝缘外皮26。
在图1A示出的一些示例性实施例中，围绕芯部11形成至少两个圆柱层；第一圆柱层22围绕导电非复合缆线14形成，且第二圆柱层24包括多个复合缆线10，并围绕第一圆柱层22形成。在图1A示出的特定实施例中，芯部11包括承重导体缆线16；且第一圆柱层22任选地包括多个导电非复合缆线14，导电非复合缆线14可为导体和/或承重构件，以及其他任选的构件12，构件12可选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件。在图1A示出的特定示例性实施例中，所述至少两个圆柱层(22和24)的至少一个(在此情况下为圆柱层24)仅包括多个复合缆线10。
尽管图1A示出了一个特定的实施例(其具有特定的芯部11，以及用于形成围绕所述芯部的至少两个圆柱层的每一个的复合缆线10、任选的另外的导电非复合缆线14和/或构件12的特定布置)，但应当理解具有其他布置的其他实施例也是可能的。
因此，例如，特别参照图1B，本发明还提供了一种潜水复合缆线20′，其包括在潜水复合缆线20′的芯部11”处的非复合导电多线材缆线14；围绕芯部11′的多个复合缆线10，其中复合缆线10包括多个复合线材；以及包裹多个复合缆线10的绝缘外皮26。在图1B示出的特定实施例中，芯部11’包括导电非复合缆线14，且多个复合缆线10围绕芯部11’在至少两个圆柱层(第一(内)圆柱层22′，和第二(外)圆柱层24′)中对称布置，所述至少两个圆柱层在径向截面中看时围绕芯部11′的中心纵向轴线而限定。
在图1B示出的特定实施例中，所述至少两个圆柱层22’和24’的每一个另外包括其他任选的构件12，所述构件12可选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件。任何任选的构件可优选地为复合增强构件，例如用金属基质和/或聚合物基质复合线材、棒、管、层等增强的构件。如图1B所示，所述多个复合缆线10无需完全形成所述至少两个圆柱层22’和24’中的一者或二者，且复合缆线10可在层中与一个或多个任选的非复合导电缆线14和/或任选的构件12组合。
在图1C示出的其他示例性实施例中，本发明还提供了一种潜水复合缆线20″，其包括在潜水复合缆线20″的芯部11″处的非复合导电单线缆线5；围绕芯部11″的多个复合缆线10，其中复合缆线10包括多个复合线材；以及包裹所述多个复合缆线10的绝缘外皮26。在图1C示出的特定实施例中，芯部11″包括非复合导电单线缆线5，且所述多个复合缆线10围绕芯部11″在至少两个圆柱层(第一(内)圆柱层22″，和第二(外)圆柱层24″)中不对称布置，所述至少两个圆柱层在径向截面中看时围绕芯部11′的中心纵向轴线而限定。
在图1C示出的特定实施例中，所述至少两个圆柱层22″和24″的每一个另外包括其他任选的构件12，所述构件12可选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件。如图1C所示，多个复合缆线10无需完全形成所述至少两个圆柱层22″和24″中的一者或二者，且复合缆线10可在层中与一个或多个任选的非复合导电缆线14和/或任选的构件12组合。
在其他另外的示例性实施例中，所述至少两个圆柱层中的至少一个还包括至少一个选自如下的构件：流体传输构件、电力传输构件、光传输构件、重量构件、填料构件或铠装构件。因此，如图1A-1C所示出，潜水复合缆线可任选地包括至少一个构件12，所述至少一个构件12选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件。在某些示例性实施例中，所述光传输构件包括至少一个光纤。此外，如图1A-1C示出的特定示例性实施例所示，芯部(11、11’或11”)包括非复合导电缆线，所述非复合导电缆线可选自单金属线缆线5、多金属线缆线14或金属线材和金属承重构件的组合16。
在另外的示例性实施例中，所述潜水复合缆线还包括第二多个复合线材，其中所述第二多个复合线材的至少一部分围绕多个复合缆线在至少一个圆柱层中布置，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定。在图1B-1C示出的一些示例性实施例中，所述第二多个复合线材可以以一个或多个附加复合缆线10的形式提供。在图1B示出的一些特定的示例性实施例中，所述第二多个复合线材包括围绕芯部11′和第一圆柱层22′对称布置的多个复合缆线10，从而与任选的非复合导电缆线14和/或任选的构件12形成第二圆柱层24′。在图1C示出的另外的特定示例性实施例中，所述第二多个复合线材包括围绕芯部11″和第一圆柱层22″不对称布置的多个复合缆线10，从而与任选的非复合导电缆线14和/或任选的构件12形成第二圆柱层24″。
此外，在一些示例性实施例中，本发明提供了包括一个或多个复合缆线10的潜水复合缆线(例如20、20’、20”)，所述复合缆线10包括多个绞合复合线材，所述绞合复合线材可被绞合且更优选地被螺旋绞合。所述复合线材可为非延展的，并且由此可以在常规缆线绞合处理过程中不充分变形，从而保持其螺旋配置。因此，本发明在某些实施例中提供一种较高抗拉强度的绞合复合缆线，并且在某些实施例中还提供一种用于保持绞合缆线中线材的螺旋布置的装置。这样，绞合缆线可以被便利地提供成中间制品或成品。当用作中间制品时，绞合复合缆线可在之后被装入最终制品，所述最终制品如输电缆线，例如潜水输电缆线，或流体传输缆线，例如介入缆线。
因此，图2A-2D示出了示例性复合缆线10的截面端视图，所述复合缆线10可为绞合的或更优选地为螺旋绞合缆线，并可用于形成根据本发明的一些非限制性示例性实施例的潜水复合缆线(例如20、20’或20”)。如图2A和2C所示的示例性实施例所示出，复合缆线10可包括单个复合线材2，其限定中心纵向轴线；包括第一多个复合线材4的第一层，所述第一多个复合线材4可在第一捻向上围绕所述单个复合线材2绞合；以及包括第二多个复合线材6的第二层，所述第二多个复合线材6可在第一捻向上围绕所述第一多个复合线材4绞合。
任选地，如图2C所示，包括第三多个复合线材8的第三层可在第一捻向上围绕所述第二多个复合线材6绞合以形成复合缆线10。任选地，复合线材的第四层(未示出)或甚至更多的附加层可在第一捻向上围绕所述第二多个复合线材6绞合以形成复合缆线。
在图2B和2D所示的其他示例性实施例中，复合缆线10可包括单个非复合线材1(其可为例如可延展金属线材)，其限定中心纵向轴线；包括第一多个复合线材4的第一层，所述第一多个复合线材4可在第一捻向上围绕所述单个非复合线材1绞合；以及包括第二多个复合线材6的第二层，所述第二多个复合线材6可在第一捻向上围绕所述第一多个复合线材4绞合。
任选地，如图2D所示，包括第三多个复合线材8的第三层可在第一捻向上围绕所述第二多个复合线材6绞合以形成复合缆线10。任选地，复合线材的第四层(未示出)或甚至更多的附加层可在第一捻向上围绕所述第二多个复合线材6绞合以形成复合缆线。
如上所述，在一些示例性实施例中，复合缆线10包括多个复合线材。在一些示例性实施例中，一个或多个复合缆线10可为绞合的。在某些示例性实施例中，作为另外一种选择或除此之外，包括芯部(例如11、11’或11″)的导电非复合缆线可为绞合的。在某些特定的示例性实施例中，绞合缆线(无论其为完全复合的、部分复合的或完全非复合的)可为螺旋绞合的。合适的绞合方法、构造和材料公开于美国专利申请公布No.2010/0038112(Grether)中。
在涉及用于形成潜水复合缆线(例如20、20’或20”)的螺旋绞合复合缆线10的本发明的另外的示例性实施例中，可将两个或更多个复合线材(例如4、6和8)的绞合层围绕限定中心纵向轴线的单个中心复合线材2(图2A-2C)或非复合线材1(图2B-2D)螺旋卷绕，条件是每个相继的复合线材层在与每个之前的复合线材层相同的捻向上卷绕。此外，应当理解尽管右手捻制可用于每个层(12、14和16)，但左手捻制也可选择地用于每个层(12、14和16)。
在一些示例性实施例(图2A-2D)中，绞合复合缆线10包括单个复合线材2(图2A-2C)或非复合线材1(图2B-2D)，其限定中心纵向轴线；第一多个复合线材4，在第一捻向上以相对于所述中心纵向轴线限定的第一捻角围绕所述单个复合线材2绞合并具有第一捻距；以及第二多个复合线材6，在第一捻向上以相对于所述中心纵向轴线限定的第二捻角围绕所述第一多个复合线材4绞合并具有第二捻距。
在另外的示例性实施例中，绞合复合缆线10任选地还包括第三多个复合线材8，在第一捻向上以相对于所述中心纵向轴线限定的第三捻角围绕所述第二多个复合线材6绞合并具有第三捻距，所述第二捻角和第三捻角之间的相对差不大于约4°。
在另外的示例性实施例(未示出)中，绞合缆线还可包括复合线材的附加(例如后续)层(例如第四、第五或其他后续层)，其在第一捻向上以相对于共同纵向轴线限定的捻角围绕所述第三多个复合线材8绞合，其中在每一层中的复合线材具有特征捻距，所述第三捻角和第四或后续捻角之间的相对差不大于约4°。采用四个或更多个绞合复合线材层的实施例优选地使用直径为0.5mm或更小的复合线材。
在一些示例性实施例中，所述第一捻距和第二捻角之间的相对(绝对)差大于0°且不大于约4°。在某些示例性实施例中，(一个或多个的)第一捻角和第二捻角之间、第二捻角和第三捻角之间的相对(绝对)差不大于4°、不大于3°、不大于2°、不大于1°、或不大于0.5°。在某些示例性实施例中，有一个或多个属下列情况：第一捻角等于第二捻角、第二捻角等于第三捻角、和/或各个后续捻角等于之前紧接着的捻角。
在另一实施例中，有一个或多个属下列情况：所述第一捻距小于或等于所述第二捻距，所述第二捻距小于或等于所述第三捻距，所述第四捻距小于或等于紧后续的捻距，和/或各个后续捻距小于或等于之前紧接着的捻距。在其它实施例中，有一个或多个属下列情况：第一捻距等于第二捻距、第二捻距等于第三捻距、和/或各个后续捻距等于之前紧接着的捻距。在一些实施例中，优选的是使用平行捻，这是现有技术中公知的。
在另外的示例性实施例中，所述复合缆线还可包括多个金属线材。包括多个金属线材(例如28、28′、28″)的各种示例性绞合复合缆线(例如10’、10”)在图3A-3E中以截面端视图示出。在图3A-3E的所示实施例的每一个中，应当理解复合线材(4、6和8)优选地在与复合线材(4、6和8)的每个相应的层相同的捻向(未示出)上，围绕限定中心纵向轴线的单个中心复合芯线材2绞合。这种捻向可为顺时针(右手捻制)或逆时针(左手捻制)。绞合复合缆线10可用作之后被装入最终潜水复合缆线(例如，如之前图1A-1C所示的20、20’、20”)的中间制品，所述最终潜水复合缆线例如有潜水复合系缆、潜水复合脐带缆、介入缆线等。
图3A-3E示出了绞合复合缆线(例如10’和10”)的示例性实施例，其中可延展线材(例如28、28’、28”)(例如可延展金属导体线材)的一个或多个附加层围绕图2A的示例性复合缆线10绞合，更优选地被螺旋绞合。然而，应当理解本发明不限于这些示例性实施例，且使用其他复合缆线芯部(例如图2B、2C和2D的复合缆线10等)的其他实施例也在本发明的范围内。
因此，在图3A示出的特定实施例中，绞合复合缆线10′包括第一多个可延展线材28，所述第一多个可延展线材28围绕图2A中所示的绞合复合芯缆线10绞合。在图3B示出的另外的实施例中，绞合复合缆线10′包括第二多个可延展线材28′，所述第二多个可延展线材28′围绕图4A的绞合复合缆线10的所述第一多个可延展线材28绞合。在图4C示出的另外的实施例中，绞合复合缆线10′包括第三多个可延展线材28”，所述第三多个可延展线材28″围绕图2A的绞合复合缆线10的所述第二多个可延展线材28’绞合。
在图3A-3C示出的特定实施例中，各自的绞合缆线10′具有芯部，所述芯部包括图2A的绞合复合缆线10，所述绞合复合缆线10包括单个线材2，限定中心纵向轴线；第一层，包括在第一捻向上围绕所述单个复合线材2绞合的第一多个复合线材4；以及第二层，包括中第一捻向上围绕所述第一多个复合线材4绞合的第二多个复合线材6。在某些示例性实施例中，所述第一多个可延展线材28在与邻接径向层的捻向相反的捻向上绞合，所述邻接径向层例如是包括第二多个复合线材6的第二层。
在其他示例性实施例中，所述第一多个可延展线材28在与邻接径向层的捻向相同的捻向上绞合，所述邻接径向层例如是包括第二多个复合线材6的第二层。在另外的示例性实施例中，所述第一多个可延展线材28、第二多个可延展线材28’或第三多个可延展线材28”的至少一个在与邻接径向层的捻向相反的捻向上绞合，所述邻接径向层例如是包括第二多个复合线材6的第二层。
在另外的示例性实施例中，每个可延展线材(28、28′或28″)在沿与中心纵向轴线基本垂直的方向上都具有选自圆形、椭圆形或梯形的横截面形状。图3A-3C示出实施例，其中每个可延展线材(28、28″或28″)在基本上垂直于中心纵向轴线的方向上具有基本上为圆形的横截面形状。在图3D示出的特定实施例中，绞合复合缆线10″包括围绕图2A所示的绞合复合芯缆线10绞合的通常为梯形的第一多个可延展线材28。在图3E示出的另外的实施例中，绞合复合缆线10″还包括围绕图2A的绞合复合缆线10绞合的通常为梯形的第二多个可延展线材28’。
在另外的示例性实施例中，一些或所有的可延展线材(28、28′或28″)在沿与中心纵向轴线基本垂直的方向上可以具有“Z”或“S”形(未示出)的横截面形状。这种形状的线材是本领域公知的，并且是期望的，例如以形成缆线的互锁外层。
在另外的实施例中，可延展线材(28、28′或28″)包括从铜、铝、铁、锌、钴、镍、铬、钛、钨、钒、锆、锰、硅及其合金以及它们的组合的组中选择的至少一种金属。
尽管图3A-3E显示了限定中心纵向轴线的单个中心复合芯线材2，另外应当理解单个中心复合芯线材2可选择地为可延展金属线材1，如之前图2B和2D所示出。还应当理解复合线材的每一层表现出捻距，且复合线材的每一层的捻距可以不同，或者优选地可以为相同的捻距。
此外，应当理解，在一些示例性实施例中，复合线材中的每一个在沿与中心纵向轴线垂直的方向上具有横截面形状，通常为圆形、椭圆形或梯形。在某些示例性实施例中，复合线材中的每一个具有通常为圆形的横截面形状，各个复合线材的直径为至少约0.1mm，更优选地为至少0.5mm；还更优选地为至少1mm，更优选地为至少2mm，最优选地为至少3mm；且至多约15mm，更优选地为至多10mm，还更优选地为至多5mm，甚至更优选地为至多4mm，最优选地为至多3mm。在其它的示例性实施例中，每个复合线材的直径可以小于1mm，或大于5mm。
通常，具有大致圆形横截面形状的单个中心线材的平均直径的范围为从约0.1mm至约15mm。在一些实施例中，单个中心线材的平均直径期望地为至少0.1mm，至少0.5mm，至少1mm，至少2mm，至少3mm，至少4mm，或者甚至高达约5mm。在其它实施例中，单个中心线材的平均直径小于约0.5mm，小于1mm，小于3mm，小于5mm，小于10mm，或小于15mm。
在图3A-3E中未示出的另外示例性实施例中，绞合复合缆线可包括围绕限定中心纵向轴线的单个线材的超过三个的复合线材绞合层。在复合缆线的每一层中的每一个复合线材可具有相同的构造和形状；然而这并不是为了达成本文所述益处而要求的。
在另一方面中，本发明提供绞合电力输送缆线的各种实施例，所述绞合电力输送缆线包括复合芯和围绕复合芯的导体层，并且其中复合芯包括上述的绞合复合缆线中的任一种。在一些实施例中，输电缆线可用作潜水输电缆线。在某些示例性实施例中，导体层包括金属层，所述金属层基本接触复合缆线芯的整个表面。在其它的示例性实施例中，导体层包括围绕复合缆线芯绞合的多个可延展金属导体线材。
对于包括多个复合线材(例如2、4、6)和任选的可延展金属线材(例如28、28’、28”)的绞合复合缆线，在一些实施例中期望的是在绞合过程中或在绞合之后，使用保持材(例如，具有或不具有粘合剂的外包裹带，或者粘结剂(参见例如美国专利No.6,559,385 B1(Johnson等人))将复合线材(例如至少在图4A-4D的第二层14中的第二多个复合线材6)保持在一起。图4A-4D和5示出了在绞合之后使用条带18形式的保持材将复合线材保持在一起的各种实施例。
图4A为使用保持材的示例性绞合复合缆线10″′的侧视图，其中示例性保持材包括部分施用至图1A的绞合复合芯缆线10的条带18，其中所述条带18围绕复合线材(2、4、6，尽管图4A中仅显示复合线材6的外层)缠绕。尽管图1A的示例性绞合复合缆线10为了说明的目的而在图4A-4D中显示，但应当理解本发明的任何绞合复合缆线(例如图2B-2D的绞合复合缆线10，图3A-3C的绞合复合缆线10′等)可在本文所述的任何说明性实施例(特别是附图中所示的那些实施例)中代替图1A的示例性绞合复合缆线10。
如图4B所示，条带18可包括具有粘合剂层32的背衬27。或者，如图4C所示，条带18可仅包括背衬27而无粘合剂。在某些实施例中，条带18可充当包裹复合线材的电绝缘外皮。
在某些示例性实施例中，条带18可被缠绕成使得各个相继的带匝无间隙且无重叠地邻接之前的带匝，如图4A所示。或者，在一些实施例中，相继的带匝可以间隔开而在各个带匝之间留出间隙，或者与之前的带匝重叠。在一个优选实施例中，条带18缠绕成使得各个带匝与之前的带匝重叠条带宽度的大约1/3至1/2。在某些当前优选实施例中，条带18包裹部分仅覆盖复合芯缆线10的外表面的一部分。优选地，复合芯缆线10的外表面的至多90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％或甚至25％被条带18覆盖。
图4B为图4A的绞合缆线的端视图，其中保持材为包括具有粘合剂32的背衬27的条带18。在该示例性实施例中，合适的粘合剂包括，例如，(甲基)丙烯酸酯(共)聚合物基粘合剂、聚(α-烯烃)粘合剂、嵌段共聚物基粘合剂、天然橡胶基粘合剂、有机硅基粘合剂、和热熔粘合剂。在某些实施例中，压敏粘合剂可以是优选的。
在另外的示例性实施例中，用于条带18或背衬27的合适的材料包括金属箔，特别是铝；聚酯；聚酰亚胺；和玻璃增强的背衬；其条件是条带18的强度足以保持弹性弯曲变形，且本身能够保持其缠绕构造，或充分地受约束(如果需要)。一种特别优选的背衬20是铝。这种背衬优选地具有0.002至0.005英寸(0.05至0.13mm)的厚度，并基于绞合复合缆线10的直径选择宽度。例如，对于具有两层绞合复合线材(例如图4A所示出)并具有约0.5英寸(1.3cm)的直径的绞合复合芯缆线10，优选宽度为1.0英寸(2.5cm)的铝条带。
一些近期优选的商购的条带包括以下的金属箔条带(得自明尼苏达州圣保罗市的3M公司)：条带438，0.005英寸厚(0.13mm)的铝背衬，具有丙烯酸粘合剂，总条带厚度为0.0072英寸(0.18mm)；条带431，0.0019英寸厚(0.05mm)的铝背衬，具有丙烯酸类粘合剂，总条带厚度为0.0031英寸(0.08mm)；以及条带Tape 433，0.002英寸厚(0.05mm)的铝背衬，具有有机硅粘合剂，总条带厚度为0.0036英寸(0.09mm)。合适的金属箔/玻璃布条带为条带363(可得自3M Company，St.Paul，MN)，如实例中所述。合适的聚酯背衬的条带包括聚酯条带8402(得自尼苏达州圣保罗市的3M公司)，具有0.001英寸厚(0.03mm)的聚酯背衬，有机硅基粘合剂，并且总条带厚度为0.0018英寸(0.03mm)。
图4C为图4A的绞合缆线的端视图，其中条带18包括不具有粘合剂的背衬27。当条带18为不具有粘合剂的背衬27时，用于背衬27的合适的材料包括任何刚描述的与粘合剂一起使用的那些材料，其中优选的背衬为厚度为0.002至0.005英寸(0.05至0.13mm)且宽度为1.0英寸(2.54cm)的铝背衬。
当条带18用作保持材时，无论具有或不具有粘合剂32，都可采用本领域已知的常规条带缠绕设备将条带施用至绞合缆线。合适的绑带机包括可得自Watson Machine，International，Patterson，New Jersey的那些，如型号为CT-300的同心绑带头。条带包裹工位通常位于缆线绞合设备的出口处，并且在缆线10缠绕到线轴上之前包裹于螺旋绞合复合线材。条带18被选择成保持弹性变形的复合线材的绞合布置。
图4D说明了绞合复合缆线10″′的可选择的示例性实施例，所述绞合复合缆线10″′具有粘结剂34形式的保持材，所述粘结剂34被施用至图2A的绞合复合芯缆线10以将复合线材(2、4、6)保持为其绞合配置。合适的粘结剂34包括压敏粘合剂组合物，所述压敏粘合剂组合物包含衍生自含有6至20个碳原子的单体的一种或多种聚(α-烯烃)均聚物、共聚物、三元共聚物、和四元共聚物，以及光敏交联剂，如美国专利No.5,112,882(Babu等人)所描述。这些材料的辐射固化提供粘合剂膜，所述粘合剂膜具有剥离性能和剪切粘合剂性能的有利的平衡。
或者，粘结剂34可包含热固性材料，包括但不限于环氧树脂。对于一些粘结剂，优选的是在线材离开如上所述的卷缆机时，将粘结剂34挤压或以其他方式涂敷在绞合复合芯缆线10上。或者，所用的粘结剂34可以具有用作无基材胶带的粘合剂的形式。在这种情况下，粘结剂34被涂敷在转印或剥离片材(未示出)上。所述剥离片材围绕绞合复合芯缆线10的复合线材缠绕。然后去除背衬，留下粘合剂层作为粘结剂34。在另外的实施例中，可任选地围绕每个单独的复合线材，或在复合和非复合线材的任何合适的层之间(按需)施用粘合剂32或粘结剂34。
此外，在图5示出的特定实施例中，绞合复合缆线10″包括围绕图4C示出的条带缠绕的复合芯缆线10″′绞合的第一多个可延展线材28和第二多个可延展线材28”，且所述第二多个可延展线材28’围绕所述第一多个可延展线材28绞合。通过围绕图2A所示的复合芯缠绕背衬27而形成条带18，所述复合芯包括限定中心纵向轴线的单个复合线材2、包括第一多个复合线材4的第一层，所述第一多个复合线材4可在第一捻向上围绕所述单个复合线材2绞合，以及包括第二多个复合线材6的第二层，所述第二多个复合线材6可在第一捻向上围绕所述第一多个复合线材4绞合。
在一个当前优选实施例中，保持材不会显著增加绞合复合芯缆线10″′的总直径。优选地，包括保持材的绞合复合缆线的外径不大于不包括保持材的多个绞合复合线材(2、4、6、8等)的外径的110％，更优选地不大于105％，并且最优选地不大于102％。
会认识到，当复合线材在常规的卷缆设备上绞合时，其具有显著的弹性弯曲变形量。如果没有用于保持线材螺旋布置的保持装置，那么这种显著的弹性弯曲变形将引起线材回到其未绞合或未弯曲形状。因此，在一些实施例中，保持材被选择成可保持多个绞合复合线材(例如，图2A中的2、4、6)的显著的弹性弯曲变形。
此外，绞合复合缆线10″(或10’、10”’等)的预期应用可能启示某些保持材更适合于应用。例如，当绞合复合缆线10″用于潜水复合系缆或脐带缆中的电力传输时，粘结剂24或不具有粘合剂22的条带18应被选择成不会负面地影响在该应用中所经历的温度、深度和其他条件下的电力传输。当粘合剂条带18用作保持材时，粘合剂32和背衬27都应被选择成适用于预期应用。
在某些示例性实施例中，绞合复合线材(例如，图2A中的2、4、6)各自包括在基质中的多个连续纤维，如以下更详细地描述。由于线材为复合材料，在卷缆或绞合操作过程中它们大体上不受塑性变形，所述塑性变形对于可延展金属线材是可能的。例如，在包括可延展线材的现有技术的布置中，可以执行常规的卷缆处理来使得其螺旋布置中的复合线材永久性地塑性变形。本发明允许使用这样的复合线材，与常规的非复合线材相比，其能够提供优良的所需的特性。当绞合复合缆线被装进后续的最终制品(如潜水复合系缆或脐带缆)中时，保持材使所述绞合复合缆线易于操作。
在图6A-6C示出的另外的方面中，本发明提供了一种潜水复合缆线30，其包括芯缆线(11、11′、11”)，例如导电芯缆线、光纤缆线、结构构件和/或载液构件或管子；多个构件12，围绕芯构件在至少一个圆柱层(例如对于图6A-6B分别为22”、22”’、22””)(对于图6A-6B分别为11、11’、11”)中布置，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定；多个复合线材(其可为一个或多个复合缆线10的形式)，在至少一个圆柱层(例如图6A的24″′；图6B-6C的24)中围绕所述多个构件12，所述至少一个圆柱层围绕所述导电芯缆线(11、11′、11”)的中心纵向轴线；以及外皮26，其可为包裹所述多个复合线材的绝缘外皮。每个构件12优选选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件。
在一些示例性实施例中，所述外皮26可具有所需的特性。例如，在一些实施例中，所述外皮26可为绝缘的(即电绝缘和/或热绝缘或声绝缘)。在某些示例性实施例中，所述外皮26为其下面的芯缆线(11、11’、11”)、多个构件12、和任选的多个导电非复合缆线14提供保护能力。所述保护能力可为(例如)改进的抗穿刺性、改进的耐腐蚀性、对极端高低温的改进的耐受性、改进的耐摩擦性等。
优选地，所述外皮26包含热塑性聚合物材料，更优选地包含选自高密度聚烯烃(例如高密度聚乙烯)、中密度聚烯烃(例如中密度聚乙烯)、和/或热塑性含氟聚合物的热塑性聚合物材料。合适的含氟聚合物包括氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、四氟乙烯聚合物(TFV)。特别合适的含氟聚合物为以商品名DYNEON THV FLUOROPLASTICS、DYNEON ETFEFLUOROPLASTICS、DYNEON FEP FLUOROPLASTICS、DYNEONPFA FLUOROPLASTICS、和DYNEON PVDF FLUOROPLASTICS(全部可得自3M Company，St.Paul，MN)销售的那些。
在一些示例性实施例中，所述外皮26还可包括铠装构件，所述铠装构件优选地也用作强度构件。在图6A-6B所示的其他当前优选的示例性实施例中，所述铠装和/或强度构件39包括多个线材37，所述线材37围绕所述芯缆线，且在圆柱层38(图6A-6B)中布置。优选地，线材37选自金属(例如钢)线材、金属基质复合线材、聚合物基质复合线材、以及它们的组合。
在图6A-6B所示的一些示例性实施例中，所述潜水复合缆线30还可包括铠装或增强层(例如32、36)。在某些示例性实施例中，所述铠装层包括围绕至少芯缆线(11、11″)的一个或多个圆柱层(例如32、36)。在图6A-6B所示的一些示例性实施例中，所述铠装层或增强层(32、36)可采取在潜水复合缆线30内径向形成的条带或织物层(例如32、36)的形式，并优选地包括多个纤维，所述多个纤维围绕或包裹至少芯缆线(11、11″)和多个复合线材，以及更优选的构件12和任选的导电非复合缆线14，如图6A-6B所示。优选地，所述纤维选自聚(芳族聚酰胺)纤维、陶瓷纤维、硼纤维、碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。
在某些实施例中，所述铠装层或增强层(32、36)和/或外皮26也可充当用于导电复合或非复合缆线的绝缘构件。在这类实施例中，所述铠装层或增强层(32、36)和/或外皮26优选地包括绝缘材料，更优选地包括如上所述的绝缘聚合物材料。
在图6A-6C示出的某些示例性实施例中，包括芯部(11、11′、11″)的绞合复合缆线和/或导电非复合缆线包括至少一个可延展金属线材，且优选地包括多个可延展金属线材。在另外的示例性实施例中，在径向截面中看时各个所述多个金属线材具有选自圆形、椭圆形、梯形、S形和Z形的截面形状。在某些当前优选的示例性实施例中，所述多个金属线材的至少一部分可包括可用于传输流体的中空线材或管子。
在一些特定的示例性实施例中，所述多个金属线材包括选自如下的至少一种金属：铁、钢、锆、铜、锡、镉、铝、锰、锌、钴、镍、铬、钛、钨、钒、它们彼此的合金、它们与其他金属的合金、它们的硅合金、以及上述各项的组合。
在一些特定的另外的示例性实施例中，在潜水电缆30内的复合缆线10的至少一个为绞合复合缆线，在径向截面中看时，所述绞合复合缆线包括复合线材的多个圆柱层，所述复合线材的多个圆柱层围绕所述至少一个复合缆线的中心纵向轴线绞合。在某些示例性实施例中，所述至少一个绞合复合缆线为螺旋绞合的。在某些特定的示例性实施例中，各个圆柱层在与各个邻接圆柱层的捻向相同的捻向上以某个捻角绞合。在某些当前优选实施例中，各个邻接圆柱层的捻角之间的相对差不大于3°。
在另外的示例性实施例中，多个导电非复合缆线14(其可为导体和/或承重构件)可被包括于一个或多个圆柱层中。此外，应当理解在本发明的潜水复合缆线30的任何实施例中，多个构件12和任选的多个导电非复合缆线14可围绕潜水复合缆线30的中心纵向轴线形成多种绞合径向层(参见例如图6A-6C)。优选地，每个绞合径向层围绕缆线的中心纵向轴线螺旋绞合。
在另外的示例性实施例中，所述复合线材具有选自圆形、椭圆形、和梯形的截面形状。在一些示例性实施例中，所述复合线材中的每个为纤维增强的复合线材。在某些示例性实施例中，所述纤维增强的复合线材中的至少一个用纤维丝束和单丝纤维之一增强。在其他示例性实施例中，所述复合线材中的每一个选自金属基质复合线材和聚合物复合线材。在另外的示例性实施例中，一些复合线材被选择为金属基质复合线材和聚合物基质复合线材。在某些其他示例性实施例中，所述聚合物复合线材在聚合物基质中含有至少一个连续纤维。在一些示例性实施例中，所述至少一个连续纤维包括金属、碳、陶瓷、玻璃、或它们的组合。
在一些示例性实施例中，所述至少一个连续纤维包括钛、钨、硼、形状记忆合金、碳、碳纳米管、石墨、碳化硅、聚(芳族聚酰胺)、聚(对亚苯基-2，6-苯并双噁唑)、或它们的组合。在某些示例性实施例中，所述聚合物基质包括(共)聚合物，所述(共)聚合物选自：环氧树脂、酯、乙烯基酯、聚酰亚胺、聚酯、氰酸酯、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚醚醚酮、以及它们的组合。
在其他示例性实施例中，所述金属基质复合线材在金属基质中包括至少一个连续纤维。在一些示例性实施例中，所述至少一个连续纤维包括选自如下各项的材料：陶瓷、玻璃、碳纳米管、碳、碳化硅、硼、铁、钢、铁合金、钨、钛、形状记忆合金、以及它们的组合。在某些示例性实施例中，所述金属基质包括铝、锌、锡、镁、其合金、或它们的组合。在某些当前优选实施例中，所述金属基质包括铝，并且所述至少一个连续纤维包括陶瓷纤维。合适的陶瓷纤维可以商品名NEXTEL陶瓷纤维(可得自3M Company，St.Paul.MN)获得，并包括例如NEXTEL 312陶瓷纤维。在一些特定的当前优选实施例中，所述陶瓷纤维包括多晶α-Al2O3。
在另外的示例性实施例中，所述绝缘外皮形成潜水复合缆线的外表面。在一些示例性实施例中，所述绝缘外皮包括选自如下各项的材料：陶瓷、玻璃、(共)聚合物、以及它们的组合。
虽然本发明可以实施为任何合适的复合线材，但是在某些示例性实施例中，复合线材中的每一个选择为纤维强化复合线材，所述纤维强化复合线材包括基质中的连续纤维丝束或连续单丝纤维中的至少一种。
复合线材的优选的实施例包括基质中的多个连续纤维。当前优选的纤维包括多晶α-Al2O3。复合线材的这些优选的实施例优选地具有至少0.4％、更优选地为至少0.7％的断裂拉伸应变。在一些实施例中，金属基质复合芯中的纤维数的至少85％(在一些实施例中，至少90％，或者甚至至少95％)是连续的。
可用于本发明的其他复合线材包括玻璃/环氧树脂线材；碳化硅/铝复合线材；碳/铝复合线材；碳/环氧树脂复合线材；碳/聚醚醚酮(PEEK)线材；碳/(共)聚合物线材；和这种复合线材的组合。
合适的玻璃纤维的实例包括A-玻璃、B-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、S-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、玻璃纤维和仿玻璃，如本领域周知。也可使用其他玻璃纤维；该列表是非限制性的，还有许多不同类型的市售玻璃纤维，例如购自Corning Glass Company(Corning，NY)的玻璃纤维。
在一些示例性实施例中，连续玻璃纤维可以是优选的。通常，连续玻璃纤维的平均纤维直径在约3微米至约19微米的范围内。在一些实施例中，玻璃纤维的平均抗拉强度为至少3GPa、4GPa，或者甚至至少5GPa。在一些实施例中，玻璃纤维的弹性模量在约60GPa至95GPa的范围内，或者在约60GPa至约90GPa的范围内。
合适的陶瓷的纤维的实例包括金属氧化物(例如，氧化铝)纤维、氮化硼纤维、碳化硅纤维和任何这些纤维的任意组合。通常，氧化陶瓷纤维为结晶陶瓷和/或结晶陶瓷和玻璃的混合物(即纤维可包含结晶陶瓷和玻璃相)。通常，此类纤维的长度为大约至少50米，并且可能甚至为大约上千米或更长。通常，连续陶瓷纤维的平均纤维直径在约5微米至约50微米、约5至约25微米、约8微米至约25微米或者甚至约8微米至20微米的范围内。在一些实施例中，结晶陶瓷纤维的平均抗张强度为至少1.4GPa、至少1.7GPa、至少2.1GPa或者甚至至少2.8GPa。在一些实施例中，结晶陶瓷纤维的弹性模量大于70GPa到大约不大于1000GPa，或者甚至不大于420GPa。
合适的单丝陶瓷纤维的实例包括碳化硅纤维。通常，碳化硅单丝纤维为结晶陶瓷和/或结晶陶瓷和玻璃的混合物(即纤维可包含结晶陶瓷和玻璃相)。通常，此类纤维的长度为大约至少50米，并且可能甚至为大约上千米或更长。通常，连续聚碳化硅单丝纤维的平均纤维直径在约100微米至约250微米的范围内。在一些实施例中，结晶陶瓷纤维的平均抗张强度为至少2.8GPa、至少3.5GPa、至少4.2GPa或者甚至至少6GPa。在一些实施例中，结晶陶瓷纤维的弹性模量大于250GPa到大约不大于500GPa，或者甚至不大于430GPa。
合适的氧化铝纤维记载于例如美国专利No.4,954,462(Wood等人)和No.5,185,299(Wood等人)中。在一些实施例中，氧化铝纤维是多晶α-氧化铝纤维，并且包含(根据理论氧化物)大于99重量％的Al2O3和0.2-0.5重量％的SiO2(基于氧化铝纤维的总重量)。在另一方面，一些可取的多晶α-氧化铝纤维包含平均粒度小于1微米(或者甚至在一些实施例中小于0.5微米)的α-氧化铝。在另一方面，在一些实施例中，多晶α-氧化铝纤维具有至少1.6GPa(在一些实施例中，为至少2.1GPa，或者甚至至少2.8GPa)的平均抗拉强度。示例性α-氧化铝纤维由明尼苏达州圣保罗市的3M公司以商品名“NEXTEL 610”销售。
合适的硅铝酸盐纤维在(例如)美国专利No.4,047,965(Karst等人)中有所描述。示例性硅铝酸盐纤维由明尼苏达州圣保罗市的3M公司以商品名“NEXTEL 440”、“NEXTEL 550”和“NEXTEL 720”售出。铝硼硅酸盐纤维在(例如)美国专利No.3,795,524(Sowman)中有所描述。示例性铝硼硅酸盐纤维由3M公司以商品名“NEXTEL 312”售出。氮化硼纤维可以如例如美国专利No.3,429,722(Economy)和No.5,780,154(Okano等人)中所述的制成。示例性碳化硅纤维由(例如)加利福尼亚州圣地亚哥市的COI陶瓷公司(COI Ceramics)以商品名为“NICALON”的每束有500根纤维的纤维束销售，由宇部兴产株式会社(Ube Industries)(日本)以商品名“TYRANNO”销售，以及由道康宁公司(密歇根州米德兰市)以商品名“SYLRAMIC”销售。
合适的碳纤维包括商购的碳纤维，例如名为
Figure BDA0000141587460000281
和
Figure BDA0000141587460000282
(得自密苏里州布里治顿市的ZOLTEK)、THORNEL(得自新泽西州西帕特森市的CYTEC工业公司)、HEXTOW(得自康乃迪克州绍斯伯里(Southbury)市的HEXCEL公司)、和TORAYCA(得自日本东京的TORAY工业公司)。这样的碳纤维可以衍生自聚丙烯腈(PAN)前体。其它合适的碳纤维包括PAN-IM、PAN-HM、PAN UHM、PITCH或人造丝副产品，如本领域公知的。
另外合适商购的纤维包括ALTEX(得自日本大阪的Sumitomo化学公司)和ALCEN(得自日本东京的Nitivy有限公司)。
合适的纤维也包括形状记忆合金(即，经历了马氏体转变的合金，使得合金能够在转变温度下通过孪晶机制而变形，其中当孪生结构在加热到转变温度之上的情况下回复到初始相时，这种变形是可逆的)。商购的形状记忆合金纤维是可获取的，例如，获取自宾夕法尼亚州西怀特兰市的Johnson Matthey公司。
在一些实施例中，陶瓷纤维是成束的。丝束在纤维领域中是已知的，并且是指收集成粗纱形式的多根(单独的)纤维(通常为至少100根纤维，更典型的是为400根纤维)。在一些实施例中，纤维束包括每束至少780根单纤维，并且在一些情况下，每束至少2600根单纤维，而在其它情况下，每束至少5200根单纤维。陶瓷纤维的丝束通常有多种长度可供选择，包括300米、500米、750米、1000米、1500米、2500米、5000米、7500米以及更长。纤维的横截面形状可以是圆形或椭圆形。
商购的纤维通常可以包括有机施胶材料，其在制造期间添加到纤维中，从而提供润滑性并且在处理期间保护纤维股线。胶料可以(例如)通过溶解或灼热胶料使之从纤维上脱离来移除。通常，希望在形成金属基质复合线材之前移除胶料。纤维还可以具有涂层，所述涂层用来例如提高纤维的可湿性，降低或抑制纤维和熔化的金属基质材料之间的反应。这样的涂层和提供这种涂层的技术是纤维和复合材料领域中公知的。
在另外的示例性实施例中，复合线材中的每一个选自金属基质复合线材和聚合物复合线材。合适的复合线材公开于例如美国专利Nos.6,180,232；6,245,425；6,329,056；6,336,495；6,344,270；6,447,927；6,460,597；6,544,645；6,559,385，6,723,451；和7,093,416中。
一个当前优选的纤维强化金属基质复合线材为陶瓷纤维强化铝基质复合线材。陶瓷纤维增强铝基质复合线材优选地包括多晶α-Al2O3的连续纤维，所述连续纤维被包封于基本上纯的元素铝的基质中，或者被包封于纯铝与至多约2重量％(以基质总重量计)的铜的合金的基质中。优选的纤维包括尺寸小于约100nm且纤维直径的范围为约1-50微米的等轴晶。纤维直径的范围为约5-25微米是优选的，而约5-15微米的范围是最优选的。
本发明优选的纤维强化复合线材的纤维密度在约每立方厘米3.90-3.95克之间。优选的纤维为记载于美国专利No.4,954,462(Wood等人，转让给Minnesota Mining and Manufacturing Company，St.Paul，MN)中的那些。优选的纤维是商购自商品名“NEXTEL 610”α氧化铝基纤维(得自明尼苏达州圣保罗市的3M公司)。封装的基质选择成使其不会与纤维材料发生明显的化学反应(也就是，相对于纤维材料是较为化学惰性的)，从而不需要在纤维外部上提供保护性涂层。
在复合线材的某些当前优选实施例中，使用包括基本上纯的元素性铝或者根据基质的总重量纯铝与最多2重量％的铜的合金的基质，已经显示出形成成功的线材。本文所用的术语“基本上纯的元素铝”、“纯铝”和“元素铝”可互换，均用来意指含有小于约0.05重量％的杂质的铝。
在一个当前优选实施例中，在基本上为元素铝的基质中，复合线材包括以复合线材总体积计约30-70体积％的多晶α-Al2O3纤维。当前优选的是，根据基质的总重量，基质包含小于约0.03重量％铁，并且最优选的是小于约0.01重量％的铁。优选纤维含量为约40-60％的多晶α-Al2O3纤维。已经发现，形成有屈服强度小于约20MPa的基质和纵向抗张强度为至少约2.8GPa的纤维的这样的复合线材具有优良的强度特性。
基质还可以由根据基质的总重量元素性铝与最多2重量％的铜的合金形成。如同其中使用基本上纯的元素铝基质的实施例中一样，具有铝/铜合金基质的复合线材优选地包括以复合材料总体积计约30-70体积％的多晶α-Al2O3纤维，并且因此更优选地包括约40-60体积％的多晶α-Al2O3纤维。此外，根据基质的总重量，基质优选地包含小于约0.03重量％的铁，并且最优选的是小于约0.01重量％的铁。铝/铜合金基质优选地具有小于约90MPa的屈服强度，并且如上所述，多晶α-Al2O3纤维具有至少约2.8GPa的纵向拉伸强度。
复合线材优选由基本上连续的多晶α-Al2O3纤维形成，所述多晶α-Al2O3纤维包含于基本上纯的元素铝基质中或者包含于由元素铝和至多约2重量％的铜的合金形成的基质中，如上所述。这类线材通常通过这样的工序制备，其中将布置于纤维丝束中的基本上连续的多晶α-Al2O3纤维的线轴被拉引而通过熔融的基质材料浴。然后，所产生的区段凝固，从而提供封装在基质中的纤维。
示例性的金属基质材料包括铝(例如高纯度(例如大于99.95％)元素铝)、锌、锡、镁、及其合金(例如，铝和铜的合金)。通常，基质材料选择成使得基质材料与纤维不发生明显的化学反应(也就是说，相对于纤维材料呈化学惰性)，(例如)以消除在纤维外部上提供保护性涂层的需要。在一些实施例中，基质材料有利地包含铝及其合金。
在一些实施例中，金属基质包含至少98重量％的铝，为至少99重量％的铝，大于99.9重量％的铝，或者甚至大于99.95重量％的铝。示例性的铝和铜的铝合金包括至少98重量％的Al和高达2重量％的Cu。在一些实施例中，可用的合金是1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000和/或8000系列的铝合金(铝协会标号)。虽然制造高抗拉强度线材倾向于需要高纯度金属，但是低纯度形式的金属也是可用的。
适用的金属可商购获得。例如，铝可以用商品名“超纯铝；99.99％铝”(SUPER PURE ALUMINUM；99.99％Al)得自美铝公司(宾夕法尼亚州匹兹堡)。铝合金(例如，Al-2重量％Cu(0.03重量％的杂质))可得自(例如)贝尔蒙特金属公司(Belmont Metals)(纽约州纽约市)。锌和锡可得自例如明尼苏达州圣保罗市的Metal Services(“纯锌”；99.999％的纯度，和“纯锡”；99.95％的纯度)。例如，镁可以用商品名“PURE”得自亿莱科特镁业公司(Magnesium Elektron)(英格兰曼彻斯特)。镁合金(例如，WE43A、EZ33A、AZ81A和ZE41A)可以得自例如科罗拉多州丹佛市的TIMET。
金属基质复合线材通常包括至少15体积％(在一些实施例中，为至少20、25、30、35、40、45或者甚至50体积％)的纤维(基于纤维和基质材料的总组合体积)。更常见的是，复合线芯和线材包含40至75(在一些实施例中，为45至70)体积％范围内的纤维(基于纤维和基质材料的总组合体积)。
金属基质复合线材可以使用本领域中公知的技术制造。例如，连续金属基质复合线材可采用连续金属基质浸渗方法制造。一种适用的方法在(例如)美国专利No.6,485,796(卡彭特(Carpenter)等人)中有所描述。包含聚合物和纤维的线材可通过本领域已知的挤拉成型法制造。
在另外的示例性实施例中，复合线材选择成包括聚合物复合线材。聚合物复合线材包括聚合物基质中的至少一个连续纤维。在一些示例性实施例中，所述至少一个连续纤维包括金属、碳、陶瓷、玻璃、以及它们的组合。在某些当前优选实施例中，所述至少一个连续纤维包括钛、钨、硼、形状记忆合金、碳纳米管、石墨、碳化硅、硼、聚(芳族聚酰胺)、聚(对亚苯基-2，6-苯并双噁唑)3、以及它们的组合。在另外的当前优选实施例中，聚合物基质包括(共)聚合物，其选自环氧的、酯基、乙烯基酯、聚酸亚胺、聚酯、氰酸酯、酚醛树脂、双-马来酰亚胺树脂、以及它们的组合。
在任何当前公开的实施例中，复合缆线中的一个或多个复合线材可有利地被选择为金属包覆复合线材。在某些示例性实施例中，所有复合线材被金属包层裹住，所述金属包层即为围绕复合缆线中的所有复合线材的可延展金属或可延展金属合金(如铜或铜合金)的层。在一些示例性实施例中，每个单独的复合线材单独地被金属包层裹住，使得所述金属包层基本上接触所述复合线材的整个外表面。合适的金属包覆复合线材公开于(例如)美国专利No,7,131,308中。
用于围绕复合芯绞合以提供复合缆线(例如，根据本发明某些实施例的输电缆线)的可延展金属线材是本领域已知的。优选的可延展金属包括铁、钢、锆、铜、锡、镉、铝、锰、和锌；它们与其他金属和/或硅的合金等等。铜线材可商购自例如佐治亚州卡洛顿市的Southwire公司。铝线材可以以商品名“1350-H19 ALUMINUM”和“1350-H0 ALUMINUM”商购自例如加拿大威伯恩市的Nexans或佐治亚州卡洛顿市的Southwire公司。
通常，在至少从约20℃至约800℃的温度范围内，铜线材的热膨胀系数处于从约12ppm/℃至约18ppm/℃的范围内。铜合金(例如青铜，如Cu-Si-X、Cu-Al-X、Cu-Sn-X、Cu-Cd；其中X＝Fe、Mn、Zn、Sn和或Si；可购自例如Southwire Company，Carrolton，GA.；可以名称“GLIDCOP”得自例如OMG Americas Corporation，Research TrianglePark，NC的氧化物分散体加强的铜)线材。在一些实施例中，在至少从约20℃至约800℃的温度范围内，铜合金线材的热膨胀系数在从约10ppm/℃至约25ppm/℃的范围内。线材可以具有任意的各种形状(例如，圆形、椭圆和梯形)。
通常，在至少从约20℃至约500℃的温度范围内，铝线材的热膨胀系数在从约20ppm/℃至约25ppm/℃的范围内。在一些实施例中，铝线材(例如，“1350-H19 ALUMINUM”)的抗拉断裂强度为至少138MPa(20ksi)、至少158MPa(23ksi)、至少172MPa(25ksi)或者至少186MPa(27ksi)或至少200MPa(29ksi)。在一些实施例中，铝线材(例如，“1350-H0 ALUMINUM”)的抗拉断裂强度大于41MPa(6ksi)至不大于97MPa(14ksi)，或者甚至不大于83MPa(12ksi)。
铝合金线材是商购的，例如，铝-锆合金线材以商品名“ZTAL”、“XTAL”和“KTAL”(得自日本大阪的Sumitomo Electric Industries)，或“6201”(得自佐治亚州卡洛顿市的Southwire公司)销售。在某些实施例中，在至少从约20℃至约500℃的温度范围内，铝合金线材的热膨胀系数在从约20ppm/℃至约25ppm/℃的范围。
在潜水复合缆线内的复合线材的重量百分比将取决于潜水缆线的设计和其预期使用的条件。
在大多数其中绞合复合缆线拟用作潜水复合缆线中的组件的应用中，优选的是所述绞合缆线不含围绕多个复合缆线的电力导体层。在某些当前优选实施例中，潜水复合缆线表现出至少0.5％的断裂应变极限。
本发明可优选地加以实现，以提供非常长的潜水复合缆线。另外优选的是，绞合复合缆线10自身内的复合线材在绞合缆线的整个长度上连续。在一个优选实施例中，复合线材为基本上连续的并且为至少150米长。更优选地，在绞合复合缆线10中的复合线材是连续的并且为至少250米长，更优选地为至少500米，更优选地为至少750米，并且最优选地为至少1000米长。
在另一方面，本发明提供了一种制造潜水复合缆线的方法，所述方法包括(a)提供非复合导电芯缆线；(b)围绕所述芯缆线布置多个复合缆线，其中所述复合缆线包括多个复合线材；以及(c)用外皮、优选地用绝缘外皮包裹所述多个复合缆线。
在另一方面，本发明提供了一种制造如上所述的潜水复合缆线的方法，所述方法包括(a)提供导电芯缆线；(b)围绕所述芯缆线在至少一个圆柱层中布置多个构件，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定，其中每个构件选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件；(c)用在至少一个圆柱层中布置的多个复合线材围绕所述多个构件，所述至少一个圆柱层围绕所述芯缆线的中心纵向轴线；以及(d)用绝缘外皮包裹所述多个复合线材。
在另外的方面，本发明提供了一种制造如上所述的绞合复合缆线的方法，所述方法包括围绕限定中心纵向轴线的单个线材绞合第一多个复合线材，其中绞合所述第一多个复合线材在第一捻向上以相对于所述中心纵向轴线限定的第一捻角进行，且其中所述第一多个复合线材具有第一捻距；以及围绕所述第一多个复合线材绞合第二多个复合线材，其中绞合所述第二多个复合线材在第一捻向上以相对于所述中心纵向轴线限定的第二捻角进行，且其中所述第二多个复合线材具有第二捻距，其中所述第一捻角和第二捻角之间的相对差不大于4°。在一个当前优选实施例中，所述方法还包括围绕复合线材绞合多个可延展线材。
复合线材可以如本领域中已知的绞合或螺旋地缠绕在任何合适的缆线绞合设备上，例如得自意大利贝加莫的Cortinovis公司以及新泽西州帕特森市的Watson Machinery International的行星缆线绞合器。在一些实施例中，可有利地采用本领域中公知的刚性绞合器。
虽然可以使用任何尺寸合适的复合线材，但是对于许多实施例和许多应用而言优选的是，复合线材的直径为从1mm至4mm，然而也可以使用更大的或更小的复合线材。
在一个优选实施例中，绞合复合缆线包括多个绞合复合线材，所述多个绞合复合线材在捻向上螺旋绞合以具有10至150的绞捻系数。绞合缆线的“绞捻系数”通过绞合缆线的长度(其中单个线材完成一个螺旋回转)除以包括该股线的层的标称外径而确定。
在缆线绞合过程中，具有一个或多个缠绕在其上的附加层的中心缆线或中间非成品绞合复合缆线被拉过各个滑架的中心，其中每个滑架向绞合缆线增加一个层。将作为一个层增加的单独线材被同时从其相应线轴上拉动，同时通过马达驱动的滑架围绕缆线的中心轴线转动。对于各个期望的层而言，这是顺序进行的。结果制成了螺旋绞合线芯。任选地，保持材(如上述的条带)例如可被施加于所得到的绞合复合芯上，以有助于将绞合线材保持在一起。
通常，根据本发明的绞合复合缆线可通过在相同捻向上围绕单个线材绞合复合线材而制得，如上所述。单个线材可以包括复合线材或可延展线材。通过围绕单个线材芯绞合复合线材来形成复合线材的至少两个层，例如，围绕单个中心线材在至少两个层中形成的19或37根线材。
在一些示例性实施例中，绞合复合缆线包括绞合复合线材，所述绞合复合线材的长度为至少100米、至少200米、至少300米、至少400米、至少500米、至少1000米、至少2000米、至少3000米或者甚至至少4500米或更长。
处理绞合缆线的能力是期望的特征。虽然不想受到理论的限制，但是缆线保持其螺旋绞合的布置，这是因为在制造期间，金属线材受到超过线材材料的屈服应力但是低于极限或失效应力的应力(包括弯曲应力)。随着线材螺旋地缠绕在半径更小的前一层或中心线材上，所述应力便被施加。通过闭合模具而施加另外的应力，所述模具在制造过程中向缆线施加径向力和剪切力。因此，线材塑性变形并且保持其螺旋绞合形状。
在一些实施例中，本领域中公知的用于矫直缆线的技术可能是期望的。例如，成品缆线可以穿过矫直装置，所述矫直装置包括辊(每个辊都为例如10-15cm(4-6英寸)，直线地布置成两层，每层中有例如5-9辊。两层辊之间的距离可以改变成使得辊正好撞击在缆线上或者引起缆线的严重弯曲。两层辊定位在缆线的相对侧上，同时一层中的辊与另一层中相对的辊产生的空间匹配。从而，两个层可以彼此偏移。随着缆线穿过矫直装置，缆线在所述辊上来回弯曲，以允许导体中的股线拉伸至相同长度，从而减少或消除股线松散。
在一些实施例中，可能有利的是在环境温度(例如22℃)之上的高温(例如至少25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃，或者甚至，在一些实施例中，至少500℃)下提供单个中心线材。单个中心线材可以通过加热成卷的线材(例如，在烘箱中加热几个小时)而加热到期望的温度。经加热的绕在线轴上的线材置于绞合机的放线卷轴上有利地，高温下的线轴处于绞合过程中，同时线材仍然处于或接近期望的温度(通常在约2个小时内)。
还期望的是，在形成缆线外层的放线线轴上的复合线材处于环境温度下。即，在一些实施例中，可能有利的是在绞合处理过程中在单个线材和形成外复合层的复合线材之间具有温差。在一些实施例中，可能有利的是利用至少为100kg、200kg、500kg、1000kg或甚至至少5000kg的单个线材张力进行绞合。
将参照下面的详细实例进一步描述本发明的操作。这些实例提供成进一步说明各种具体的和优选的实施例和技术。然而，应当理解，可以在不脱离本发明范围的前提下进行多种变型和更改。
实例
在如下比较例和实例中使用如下材料：
NEXTEL 610，α氧化铝陶瓷纤维(3M Company，St.Paul，MN)；
AMC30，铝基质复合线材，包括30重量％的NEXTEL 610纤维，和70重量％的铝(3M Company，St.Paul，MN)；
AMC50，铝基质复合线材，包括50重量％的NEXTEL 610纤维，和70重量％的铝(3M Company，St.Paul，MN)；
KEVLAR 49，聚(芳族聚酰胺)纤维(E.I.DuPont de Nemours，Inc.，Wilmington，DE)。
图7示出了与铜或钢导体线材相比，示例性复合导体线材在线材的比强度、比模量、和比(电)导率方面的优越特性。各种性质以每单位重量为表述基准。图7记录的值表示复合导体线材的比性质值分别除以铜或钢的比性质值。复合导体线材表现出约十倍于铜的比强度(两倍于钢的比强度)；约四倍于铜的比模量(约两倍于钢的比模量)；以及约九倍于钢的比(电)导率(与铜的(电)导率大约相同)。图7中的比性质数据用于计算潜水复合缆线的相对比性质值，其中铜导体线材和/或钢铠装线材被复合导体线材代替。
表I汇总了根据本发明的示例性复合缆线和非复合缆线的比较例的缆线性质。
表I
Figure BDA0000141587460000391
比较例1对应于仅具有铜导体和单个KEVLAR 49纤维层铠装构件的缆线。实例1对应于根据本发明的铠装潜水复合缆线的示例性实施例，其中保持了铜导体，但其中多个NEXTEL 610陶瓷纤维用作围绕所述铜导体的铠装构件。实例2-3对应于根据本发明的无铠装潜水复合缆线的示例性实施例，其中所述铜导体分别被AMC30和AMC50复合线材缆线代替。AMC 30为铝基质复合缆线，其包括30％的(截面)面积分数的陶瓷纤维；AMC 50为铝基质复合缆线，其包括50％的(截面)面积分数的陶瓷纤维。
表II汇总了根据本发明的另外的示例性复合缆线和另外的非复合缆线比较例的缆线性质。
表II
Figure BDA0000141587460000401
比较例2对应于这样的缆线，其仅具有铜导体和3个钢线材铠装构件的层，如表II中记载。实例4-5对应于根据本发明的铠装潜水复合缆线的示例性实施例，其中铜导体被AMC50复合线材缆线代替，且其中两个AMC50复合线材层的任一者与钢线材铠装的外层结合用作铠装构件(实例4)，或其中一个AMC50复合线材层与钢线材铠装的外层结合用作铠装构件(实例5)。实例6对应于根据本发明的无铠装潜水复合缆线的示例性实施例，其中铜导体被AMC50复合线材代替。
如表I和II所示，根据本发明的潜水复合缆线的示例性实施例具有使其能够使用且在各种应用中发挥优势的各种特征和特性。另外，由于改进的材料性质，包括低密度、高模量、高强度、耐疲劳性和导电性，根据本发明的一些示例性实施例的潜水复合缆线可表现出改进的性能。
因此，实例和比较例表明，示例性潜水复合缆线可表现出大大增加的最大工作深度、最大工作负载和断裂强度，与现有非复合缆线相比具有更大的或至少可比的电力传送能力。此外，与非复合潜水缆线相比，根据本发明的潜水复合缆线的示例性实施例在海水中重量更轻，并因此更易于铺设到海底和从海底回收。
与非复合缆线相比，所述潜水复合缆线的耐疲劳性也可得到改进。脐带缆在5年或更长的寿命中被频繁地升起，每次缆线被升起时其穿过一系列滑轮。这在滑轮处产生极高的拉伸和弯曲负荷，由于滑轮支承整个缆线重量，因此在滑轮处张力最大。由于海浪所导致的平台的竖直和水平摆动，发生另外的动态弯曲负荷。因此复合缆线可提供相比于非复合缆线改进的耐疲劳性。
在其他示例性实施例中，当相比于其他复合缆线时，根据本发明的潜水复合缆线可在制造或使用过程中表现出在较低的缆线拉伸应变值下过早断裂或失效的发生趋于降低。在一些特定的示例性实施例中，相比于现有技术的缆线，根据本发明的实施例制得的加入绞合复合缆线的潜水复合缆线可表现出10％或更大的拉伸强度的增加。在一些实施例中，由于改进的材料性质，包括例如低密度、高模量、高强度、更大的耐疲劳性和更大的每单位长度的电导率，所述潜水复合缆线为性能改进提供了条件。
在另外的示例性实施例中，相比于常规的绞合可延展金属线材缆线，将根据本发明制得的绞合复合缆线加入潜水复合缆线可提供改进的抗腐蚀性、环境耐久性(例如抗UV性和抗湿性)、在高温下对强度损失的抗性、抗蠕变性、以及相对较高的弹性模量、低密度、低热膨胀系数、高电导率、高抗下垂性、和高强度。
加入根据本发明的某些实施例制得的绞合复合缆线的潜水复合输电缆线还能够以较低的成本制造，这是因为在满足用于某些重要应用中(例如用于潜水输电缆线应用中)的最小拉伸强度要求的缆线绞合方法中成品率提高。
整个说明书中提及的“一个实施例”、“某些实施例”、“一个或多个实施例”或“实施例”，无论在术语“实施例”前是否包括术语“示例性”，都意指结合该实施例描述的特定特征、结构、材料、或特性被包括于本发明的某些示例性实施例中的至少一个实施例内。因此，在本说明书全文的各处出现的如“在一个或多个实施例中”、“在某些实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”等短语未必是指本发明的某些示例性实施例的相同实施例。另外，具体的特征、结构、材料或特点可以任何适合的方式结合到一个或多个实施例中。
虽然本说明书详细描述了某些示例性实施例，但应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可以易于设想这些实施例的更改形式、变型形式和等同形式。因此，应当理解，本发明不应不当地受限于以上示出的示例性实施例。具体而言，本发明中，数值范围以端值记载旨在包括纳入该范围内的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数值均视为附带修饰词“约”。
此外，本文引用的所有出版物和专利全文以引用方式并入本文，犹如被特别地和单独地指出的各个出版物或专利，都以引用方式并入。各种示例性实施例已经进行了说明。这些以及其它实施例都归于以下权利要求的范围以内。

Claims (46)

1.一种潜水复合缆线，包括：
非复合导电芯缆线；
围绕所述芯缆线的多个复合缆线，其中所述复合缆线包括多个复合线材；以及
包裹所述多个复合缆线的绝缘外皮。
2.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述复合线材中的至少一个为金属包覆复合线材。
3.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，还包括第二多个复合线材，其中所述第二多个复合线材的至少一部分围绕所述多个复合缆线在至少一个圆柱层中布置，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定。
4.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，还包括至少一个选自如下的构件：流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件。
5.根据权利要求4所述的潜水复合缆线，其中所述光传输构件包括至少一个光纤。
6.根据权利要求4所述的潜水复合缆线，其中所述铠装构件包括围绕所述芯缆线的多个纤维，其中所述纤维选自聚(芳族聚酰胺)纤维、陶瓷纤维、硼纤维、碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。
7.根据权利要求4所述的潜水复合缆线，其中所述铠装构件包括围绕所述芯缆线的多个线材，其中所述线材选自金属线材、金属基质复合线材、金属包覆复合线材、以及它们的组合。
8.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述芯缆线包括至少一个金属线材、一个金属承重构件、或它们的组合。
9.根据权利要求8所述的潜水复合缆线，其中所述芯缆线包括多个金属线材。
10.根据权利要求9所述的潜水复合缆线，其中所述多个金属线材为绞合的。
11.根据权利要求10所述的潜水复合缆线，其中所述多个金属线材为螺旋绞合的。
12.根据权利要求9所述的潜水复合缆线，其中当在径向截面中看时，所述多个金属线材中的每个具有选自圆形、椭圆形、梯形、S形和Z形的截面形状。
13.根据权利要求9所述的潜水复合缆线，其中所述多个金属线材包括选自如下的至少一种金属：铁、钢、锆、铜、锡、镉、铝、锰、锌、钴、镍、铬、钛、钨、钒、它们彼此的合金、它们与其他金属的合金、它们的硅合金、以及上述各项的组合。
14.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中，围绕所述芯缆线的所述多个复合缆线在至少两个圆柱层中布置，所述至少两个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定。
15.根据权利要求14所述的潜水复合缆线，其中所述至少两个圆柱层中的至少一个仅包括复合缆线。
16.根据权利要求14所述的潜水复合缆线，其中所述至少两个圆柱层中的至少一个还包括至少一个选自如下的构件：流体传输构件、电力传输构件、光传输构件、重量构件、填料构件或铠装构件。
17.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述复合缆线中的至少一个为绞合复合缆线，当在径向截面中看时，所述绞合复合缆线包括所述复合缆线的多个圆柱层，所述复合缆线的多个圆柱层围绕该至少一个复合缆线的中心纵向轴线绞合。
18.根据权利要求17所述的潜水复合缆线，其中该至少一个绞合复合缆线为螺旋绞合的。
19.根据权利要求18所述的潜水复合缆线，其中每个圆柱层在与每个邻接圆柱层的捻向相同的捻向上以某个捻角绞合。
20.根据权利要求19所述的潜水复合缆线，其中各个邻接圆柱层的捻角之间的相对差大于0°且不大于3°。
21.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述复合线材具有选自圆形、椭圆形和梯形的截面形状。
22.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述复合线材中的每个为纤维增强复合线材。
23.根据权利要求22所述的潜水复合缆线，其中所述纤维增强复合线材中的至少一个用纤维丝束和单丝纤维之一增强。
24.根据权利要求23所述的潜水复合缆线，其中所述复合线材中的每个选自金属基质复合线材和聚合物复合线材。
25.根据权利要求24所述的潜水复合缆线，其中所述聚合物复合线材在聚合物基质中含有至少一个连续纤维。
26.根据权利要求25所述的潜水复合缆线，其中所述至少一个连续纤维包括金属、碳、陶瓷、玻璃、或它们的组合。
27.根据权利要求25所述的潜水复合缆线，其中所述至少一个连续纤维包括钛、钨、硼、形状记忆合金、碳、碳化硅、聚(芳族聚酰胺)、聚(对亚苯基-2,6-苯并双噁唑)、或它们的组合。
28.根据权利要求27所述的潜水复合缆线，其中所述至少一个连续纤维包括碳纳米管、石墨、或它们的组合。
29.根据权利要求25所述的潜水复合缆线，其中所述聚合物基质包括（共）聚合物，所述（共）聚合物选自环氧树脂、酯、聚酰亚胺、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚醚醚酮、以及它们的组合。
30.根据权利要求29所述的潜水复合缆线，其中所述聚合物基质包括选自乙烯基酯、聚酯、氰酸酯、以及它们的组合的（共）聚合物。
31.根据权利要求24所述的潜水复合缆线，其中所述金属基质复合线材在金属基质中包括至少一个连续纤维。
32.根据权利要求31所述的潜水复合缆线，其中所述至少一个连续纤维包括选自如下各项的材料：陶瓷、玻璃、碳、碳化硅、硼、铁、钢、铁合金、钨、钛、形状记忆合金、以及它们的组合。
33.根据权利要求32所述的潜水复合缆线，其中所述至少一个连续纤维进一步包括碳纳米管。
34.根据权利要求31所述的潜水复合缆线，其中所述金属基质包括铝、锌、锡、镁、它们的合金、或它们的组合。
35.根据权利要求34所述的潜水复合缆线，其中所述金属基质包括铝，且所述至少一个连续纤维包括陶瓷纤维。
36.根据权利要求35所述的潜水复合缆线，其中所述陶瓷纤维包括多晶α-Al2O3。
37.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述绝缘外皮形成所述潜水复合缆线的外表面。
38.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述绝缘外皮包括选自如下各项的材料：陶瓷、玻璃、（共）聚合物、以及它们的组合。
39.根据权利要求1所述的潜水复合缆线，其中所述潜水缆线表现出至少0.5%的断裂应变极限。
40.一种制造根据权利要求1所述的潜水复合缆线的方法，所述方法包括：
提供非复合导电芯缆线；
围绕所述芯缆线布置多个复合缆线，其中所述复合缆线包括多个复合线材；以及
用绝缘外皮包裹所述多个复合缆线。
41.一种潜水复合缆线，包括：
导电芯缆线；
多个构件，围绕所述芯缆线在至少一个圆柱层中布置，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定，其中每个构件选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件；
多个复合线材，在至少一个圆柱层中围绕所述多个构件，所述至少一个圆柱层围绕所述芯缆线的所述中心纵向轴线；以及
绝缘外皮，包裹所述多个复合线材。
42.根据权利要求41所述的潜水复合缆线，其中所述多个复合线材的至少一部分被绞合而形成至少一个复合缆线。
43.根据权利要求41所述的潜水复合缆线，其中所述铠装构件包括围绕所述芯缆线的多个纤维，其中所述纤维选自聚(芳族聚酰胺)纤维、陶瓷纤维、碳纤维、金属纤维、玻璃纤维、以及它们的组合。
44.根据权利要求41所述的潜水复合缆线，其中所述铠装构件包括围绕所述芯缆线的多个线材，其中所述线材选自金属线材、金属基质复合线材、以及它们的组合。
45.根据权利要求41所述的潜水复合缆线，还包括第二绝缘外皮，其中所述第二绝缘外皮位于所述多个构件和所述多个复合线材之间，且其中所述第二绝缘外皮包裹所述多个构件。
46.一种制造根据权利要求41所述的潜水复合缆线的方法，所述方法包括：
提供导电芯缆线；
围绕所述芯缆线在至少一个圆柱层中布置多个构件，所述至少一个圆柱层在径向截面中看时围绕所述芯缆线的中心纵向轴线而限定，其中每个构件选自流体传输构件、电力传输构件、电信号传输构件、光传输构件、重量构件、浮力构件、填料构件或铠装构件；
用在至少一个圆柱层中布置的多个复合线材围绕所述多个构件，所述至少一个圆柱层围绕所述芯缆线的所述中心纵向轴线；以及
用绝缘外皮包裹所述多个复合线材。
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