本发明涉及提供有耐腐蚀铠装的电力电缆。
更特别地，本发明涉及具有优选，但不专门用于不利环境条件，例如油井中存在的那些条件的电力电缆。
更特别地，本文公开的实施方案涉及可给井下泵提供电能的电缆，其中该电缆具有多层和就耐腐蚀性而言增加可靠性的外部铠装。
背景技术：
在油气工业中且正如在国际专利申请wo2011/146353中所描述的，为了从地下岩层中生产流体，宽泛的各种系统是已知的。
油井典型地依赖于天然气压力以推进原油到达地面。在提供充足压力强制流体到达地面的岩层中，可在没有使用人工提升系统情况下，收集并加工流体。
常常尤其在气压减少的比较成熟的油田中或者具有重油的井中，这一压力不足以将油带出油井。在这些情况下，使用泵送系统，将油从油井中泵送出。
目前广泛使用泵送系统，所述泵送系统包括布置在油井内井底的电动潜水泵(esps)，以泵送所需的流体到地面。潜水泵通常安置在生产流体内，然后甚至在深水的海底油井内通过产生足以提升生产流体的增压，泵送所需流体到地面。
以上提及的wo2011/146353公开了一种潜水泵送系统，该专利述及典型地，地下环境呈现出具有高的温度和压力的极端环境。
地下环境的温度可以达到200℃，和压力为约200-250bar，但在一些情况下甚至最多800bar。
进一步地，含有一种或多种腐蚀性化合物，例如二氧化碳，硫化氢和/或盐水的流体也可从表面注入到井眼内(例如酸处理剂)。这些极端条件可能对潜水泵系统的组件和尤其对电力电缆的内部电子组件有害。
具体地，用于潜水泵送系统的电力电缆典型地含有含金属导体(例如铜导体)的缆芯，和绕金属导体的聚合物层，所述聚合物层必须受到保护避免围绕电缆的油井流体的腐蚀效应。
为了保护电力电缆，本领域已知，在径向向外的位置处，相对于缆芯本身，提供含缆芯的外部铠装。
一般地，这一外部金属铠装包括绕包围缆芯的橡胶护鞘，根据短-节距螺旋线圈(windings)缠绕的电镀碳钢带。通过一起适配凸出和凹陷，线圈彼此咬合。这一线圈构造在本文中称为“互锁”。
按照这一方式，外部金属铠装旨在保护绝缘导体避免冲击和磨蚀，并在油井内保护缆芯防止腐蚀性化合物，同时维持适合于该应用的挠性。
已经提及过的wo2011/146353教导了，通过提供至少一种强度元件层粘结到缆芯上的电缆，保护电力电缆，其中至少一层强度元件层包括多个聚合物粘结的强度元件。聚合物粘结的强度元件所使用的材料可以选自不同碳含量的电镀改良犁钢，不锈钢，铝包钢，阳极化铝包钢，高强度电镀碳钢和/或任何其他合适强度的材料。包围聚合物粘结强度元件的聚合物材料所使用的材料可选自改性聚烯烃，例如用若干种粘合促进剂之一修改的改性聚烯烃。
国际专利申请wo2015/004597教导了通过用铝包覆层涂布水下挠性管道的机械铠装结构的碳钢延长元件(长条或带)，来保护这些延长元件。
根据这一参考文献，每一延长元件的铝包覆层优选厚度不低于约250微米，更优选为约250-900微米，以便具有大于20年，一直最高到40年的预期的管道工作寿命。
通过任何下述方法，施加铝包覆层：在熔融铝内浸渍，用铝的薄箔涂布，火焰和/或等离子体喷涂，铝挤出。
saakiyan,l.s.等人，materialsscience，第29卷第6期，1993年，第600页公开了描述在硫化氢环境作用下，碳钢样品拉伸强度下降的模型。
根据这一参考文献，铝和氧化铝涂层显著增加钢部件硫化氢龟裂的常规极限及其操作寿命时间。更具体地，据说用铝涂布钢增加硫化氢龟裂的常规极限3.5-4倍，若铝层的厚度为50微米。铝层厚度增加导致硫化氢龟裂极限进一步增加。
技术实现要素：
申请人观察到在不利的环境条件下，例如在油井中存在的那些条件下，提供井下泵电力且由互锁的电镀碳钢带制成的电力电缆的已知的外部金属铠装遭受严重的腐蚀现象，这显著限制了电缆的工作寿命，尽管存在电镀保护层。
在一些情况下，因酸性环境，其中包括硫化氢导致的外部金属铠装的腐蚀速率如此快，以致于电缆故障可在100天左右发生。
另外，申请人观察到由互锁的电镀碳钢带制成的外部金属铠装在这一酸性环境内腐蚀会导致结垢和/或污染井眼。
当电缆和/或泵在电力上出现故障时，它/它们必须带到地面并修理或更换。这是极端耗时且昂贵的，因为通常整个管道串必须带回到地面，以取出潜水泵和相关电缆。
关于水下挠性管道铠装结构，以上提及的wo2015/004597建议这一结构的延长元件的铝涂层的最小厚度为约250微米。
申请人观察到这一厚度与成型并缠绕碳钢带以便形成井下使用的电缆的互锁外部金属铠装所要求的机械变形操作不相容。
相对高的最小厚度也带来涂布的钢带尺寸与重量非所需的增加。在油井中操作的电力电缆应当具有最小的尺寸，因为这一操作环境具有有限的空间。而且，重量在选择油井用电缆中扮演重要作用，因为这些电缆常常垂直操作，可能地悬挂或附着在使用中也可能移动的其他井结构上。
申请人考虑到避免或至少显著减少在不利的环境条件下，例如在油井中存在的那些条件下，在所用电力电缆中硫化氢的腐蚀现象的问题，并提供有不在任何聚合物基体内包埋和因此直接暴露于这一不利环境下的由互锁的碳钢带制成的外部金属铠装。
申请人发现井下使用的电力电缆的钢带铠装可耐受环境挑战操作条件，特别地硫化氢腐蚀，甚至当提供有相对薄的保护铝涂层时。
保护铝涂层应当尽可能薄，以保持电缆尺寸受限。铝涂层还应当基本上没有缺陷或者脱层以确保在整个电缆的操作寿命期间，安全的钢保护，防止腐蚀。
因此，本发明涉及一种电力电缆，它包括：
-含电力传输绝缘元件的缆芯；和
-含缆芯的金属外部铠装；
其中外部铠装包括根据螺旋互锁线圈缠绕的碳钢带，该带用厚度等于或低于50微米的铝涂层涂布。
根据本发明第二方面，本发明涉及制造电力电缆的方法，该电力电缆包括：
-含电力传输绝缘元件的缆芯；和
-含缆芯的金属外部铠装；
其中外部铠装包括根据螺旋互锁线圈缠绕的碳钢带，该带用厚度等于或低于50微米的铝涂层涂布；该方法包括：
生产扁平碳钢带；
在熔融铝中浸渍扁平碳钢带，获得扁平的铝涂布的钢带；
在室温下成型扁平的铝涂布的钢带；和
绕缆芯缠绕互锁扁平铝涂布的钢带。
在本发明说明书当中和在随后的权利要求书中，使用术语“缆芯”，表示一种半成品结构，其包括传输元件，例如电导体，和含绝缘层的电绝缘系统，以及任选地相对于电导体，在径向向外的位置处的半导层。
在本发明说明书当中和在随后的权利要求书中，术语“导体”是指延长形状和优选金属材料的导电元件。
在本发明说明书当中和在随后的权利要求书中，使用措辞“径向向内”和“径向向外”分别表示相对于电缆的纵轴，沿着径向方向的比较近和远的位置。
在本发明说明书当中和在随后的权利要求书中，使用术语“碳钢”表示因其机械性能而选择的钢或钢合金，且预期在不利的环境条件下，例如在油井中存在的那些条件下，本身没有提供显著的耐腐蚀性。
在本发明说明书的框架内和在随后的权利要求书中，表达数量，用量百分比等等的所有数值要理解为在所有情况下用术语“约”来修饰，除非另外指明。此外，所有数字实体的范围包括最大和最小数值的所有可能的组合，和除了本文以下具体地指明的那些以外，在其内的所有可能的中间范围。
申请人发现，厚度等于或低于50微米的铝涂层能赋予在井下环境中操作所要求的钢带所需的耐硫化氢腐蚀和抗龟裂性。
本发明电缆中的铠装具有减少的重量，尺寸和成本，所述电缆包括用厚度等于或低于50微米的铝层涂布的碳钢带。
本发明的电力电缆可具有下面的优选特征中至少一个。
优选地，本发明铠装中的钢带有利地根据短节距螺旋互锁线圈缠绕。
在本发明说明书当中和在随后的权利要求书中，使用术语“短节距”，表示外部铠装的钢带的螺旋线圈形成70°至90°，优选约90°的缠绕角，相对于铠装，即电缆的纵轴。
本发明的电缆可以是圆形电缆或扁平电缆。
在本发明说明书当中和在随后的权利要求书中，使用术语“扁平电缆”表示含在平面结构内布置的至少两个芯的电缆，其中所有芯在共平面内基本上彼此平行。在横跨相对于同一电缆纵向的扁平电缆的截面中，芯基本上校准至共同的横轴。
铝涂层的厚度优选为20微米至45微米。
铝涂层有利地连续粘结到本发明电缆的互锁碳钢带上。
本文中使用的术语“连续粘结”是指沿着碳钢带的整个长度，基本上完全粘结并粘附到碳钢带上的铝涂层，而没有留下直接暴露于外部环境下的碳钢带部分。
在不希望束缚于理论的情况下，认为在钢带和铝涂层之间的界面处形成的金属间化合物提供这种连续粘结。
因此，在优选的实施方案中，本发明的电缆包括在钢带和铝涂层之间的界面处的al-fe金属间化合物。
可在本文公开的钢带的涂布工艺期间，形成这一金属间化合物。
优选地，本发明电缆的外部铠装中碳钢带的铝涂层包括硅。
在优选的实施方案中，本发明的电缆包括在钢带和铝涂层之间的界面处含铁，铝和硅(fe-al-si)的金属间化合物。
可在本文公开的钢带的涂布工艺期间，形成这一金属间化合物。
申请人发现，含al-fe或fe-al-si的金属间化合物有利地促进铝涂层对碳钢带的粘合，以便在钢带的起皱或弯曲操作期间，铝涂层不从钢带中脱层。
含fe-al-si的金属间化合物在提供铝涂层连续粘结到电缆铠装的碳钢带方面证明尤其有效。
更优选铝涂层包括5至15wt％si，基于其总重量。
在优选的实施方案中，fe-al-si金属间化合物具有下式：
alxsifey
其中x是包括3至7的数值，和y是包括1至3的数值。
最优选，fe-al-si金属间化合物具有下式：
al5.3sife1.5
优选地，在厚度为至少2微米和最多7微米的界面层内包括al-fe或fe-al-si金属间化合物。
优选地，外部电缆铠装的碳钢带的厚度为550微米至750微米(不包括铝涂层)。
优选地，碳钢是基于钢的总重量，碳含量为0.05至0.15wt％的低碳钢。
优选地，碳钢是根据astme45-11a，具有d型球状包裹体的低碳钢。
在本发明说明书当中和在随后的权利要求书中，使用术语“包裹体(inclusions)”表示在钢合金内作为化学反应、物理效应和在熔融与倾倒工艺期间出现的污染物的结果而存在的化合物和非金属。
包裹体的典型实例是硫化物，例如fes，mns，al2s3，cas，mgs，zr2s3，氮化物，例如zrn，tin，aln，cen；硅酸盐，和氧化物，例如feo，mno，cr2o3，sio2，al2o3，tio2，feo·fe2o3，feo·al2o3，feo·cr2o3，mgo·al2o3，2feo·sio2。
最有利地，使用合适地通过铝涂层保护的这种低成本钢允许降低电缆的外部铠装的成本，由此降低电缆本身的总成本。
在优选的实施方案中，低碳钢包括0.001至0.015wt％碳(c)，0.05至0.3wt％硅(si)和0.1至0.6wt％锰(mn)。
可通过包括热辊步骤，任选地酸浸(pickle)步骤和冷辊步骤的工艺，制造碳钢带，以实现所需的带厚并提供具有所需机械性能的扁平带。
然后用铝层涂布扁平碳钢带。
在优选的实施方案中，通过热浸涂，即通过在熔融铝，优选以上定义的含硅的铝中浸渍，将铝涂层施加在扁平碳钢带的表面上。
优选地，涂布步骤之前是热处理碳钢带的步骤。
优选地，在露点为-40℃的氮气和氢气(30％)的还原氛围中，在800℃-850℃的温度下，热处理脱脂的轧制钢。
优选地，将热处理的钢带冷却到600℃至700℃的温度并浸泡0.5-2小时的时间。
优选地，通过在含铝的涂布浴中浸渍热处理的钢带，进行涂布步骤。
优选地，涂布步骤后接着均等化在钢带表面上沉积的铝涂层厚度的步骤。
优选地，使用已知技术，通过气体擦拭(wiping)，进行均等化步骤。
优选地，均等化步骤后接着缓慢冷却步骤。
优选地，通过使al-涂布的钢带保留在平静的空气中，进行冷却步骤。
然后将扁平的铝涂布的钢带弯曲成所需的形状。优选在室温下进行带弯曲。
在本说明书当中和在随后的权利要求书中，术语“室温”表示15至35℃的温度。
可通过使带成型，然后缠绕并互锁成型的带所要求的塑料变形的常见操作，进行具有所需机械特征的外部铠装的制造。
附图说明
根据本发明优选实施方案的下述详细说明，本发明的额外的特征和优点将更清楚地显而易见，这种说明仅仅以非限制性实例形式提供且参考所附附图进行这种说明。在这种附图中：
-图1示出了根据本发明第一优选实施方案的电力电缆的示意性透视图；
-图2是图1的电力电缆的截面视图；
-图3示出了根据本发明的第二优选实施方案的电力电缆的示意性剖视图；
-图4是图3的电力电缆的截面视图；
-图5是图1-4的电力电缆的外部铠装的外部部分的放大比例的细节，它示出了布置在形成铠装的钢带和片材的铝涂层之间的金属间层；
-图6是在钢带和铝涂层之间的界面处金属间化合物的能量色散谱(eds)元素分析的图表。
目前优选实施方案的详细说明
在本发明公开内容的优选实施方案的下述详细说明中，列出了许多具体细节，以便提供要求保护的主题的更全面理解。
然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，可在没有这些具体细节情况下，实践本文公开的优选实施方案。在其他情况下，未详细地描述公知的特征，以避免说明书的不必要的复杂化。
本文公开的优选实施方案涉及与井下泵一起使用的电缆10。井下泵可以是本领域已知的任何泵，例如电动潜水泵。
正因为如此，本发明公开内容的电缆10可以能更好地耐受长期暴露于井下遇到的苛刻的环境下，尤其暴露于在其内溶解的含硫化氢和二氧化碳的水性介质下。
因此，根据图1-4，电缆10提供有外部铠装19，所述外部铠装19包括含连续粘结的铝涂层22的互锁碳钢带(如图5中所示)。
在图1和2中示出了根据本发明与井下泵2一起使用的圆形电力电缆10。
电缆10沿着纵轴x-x延伸。
圆形电缆10包括各自含一个电力传输元件或导体12的三个缆芯11。
然而，本发明也可还涉及单-极性或多-极性电缆。
电缆10也可包括具有不同传输元件，例如光学传输元件或组合的电-光传输元件(未示出)的额外的缆芯。
每一缆芯11从中心向外依次包括导体12和绝缘层14。
对于根据本发明公开内容的电缆10来说，导体12所使用的材料可包括本领域已知的任何金属导电材料。
正因为如此，金属导体可包括实心铜或铝棒，铜或铝股线，铜或铝包覆的钢线，钛包覆的铜线，和/或本领域已知的任何其他传导性线材。
绝缘层14包括本领域已知且适合于该目的的聚合物基础材料。
优选地，绝缘涂层14包括聚丙烯或乙烯丙烯二烯烃单体(epdm)合成橡胶作为聚合物基础材料。
电缆10的缆芯11包埋在优选由合适的聚合物材料，例如聚乙烯制造的填充料17内。
在相对于填充料17的径向向外位置处，电缆10优选包括由任何采用来保护缆芯11避免机械损坏的合适的材料制造的护鞘18。
优选地，护鞘18可由选自腈类和epdm橡胶中的材料制成。
在附图所示的实施方案中，在相对于护鞘18径向向外的位置处，提供含电缆10的缆芯11的外部铠装19。
根据具体的应用要求，可在相对于外部铠装19的径向向内位置中存在进一步的保护层(未示出)，参见例如http://petrowiki.org/esp_power_cable。
正如图5详述的，外部铠装19可包括碳钢带20，所述碳钢带20根据短-节距螺旋互锁的线圈缠绕且包括在外表面和内表面二者上和优选还在其边缘上施加的铝涂层22。
优选地，铝涂层22包括硅。
优选在钢带20和铝涂层22之间的界面处形成由含fe-al-si金属间化合物的合金制造的金属间层21。
可通过沉积合适的材料层的任何已知技术，制造根据本发明公开内容的圆形电缆10。
参考图3-4，现阐述根据本发明的电缆10的进一步的实施方案。
在下述说明中和在这些附图中，在结构上和功能上与以上参考图1和2所示的实施方案描述的那些相当的电缆10的元件用相同的标记数字表示且将不做进一步描述。
在图3-4所示的优选实施方案中，电缆10是含在共平面构造内布置的三根缆芯11的扁平电缆。
所有缆芯11基本上平行地位于共平面内且彼此相邻。在相对于其纵向横跨电缆10的截面中，缆芯11基本上位于共同的横向平面"y-y"中央。
在电缆10的这一实施方案中，外部铠装10具有与以上引述的共平面y-y平行的两个基本上扁平侧19a和围绕两个侧缆芯11的一部分的两个相对弯曲的侧面19b。
类似于前面的实施方案，外部铠装19优选包括根据短-节距螺旋互锁线圈缠绕且包括在两个表面上和在其边缘上施加的铝涂层12的碳钢带20。
类似于前面的实施方案，铝涂层22优选包括硅。
如图5所示，在这一情况下，还在钢带20和铝涂层22之间的界面处形成优选由含fe-al-si金属间化合物的合金制造的金属间层21。
图1-5示出了根据本发明电缆的仅仅两种可能的实施方案：显而易见的是可对这些实施方案做出本领域已知的改性，同时仍然保持在本发明的范围内。
在下述实施例中进一步描述本发明，所述实施例仅仅是为了阐述，且一定不能以任何方式视为限制本发明。
实施例1
为了评价建造根据本发明电缆的外部铠装所使用的al-涂布碳钢带的耐硫化氢腐蚀和抗龟裂性，根据nacestandardtm0177-96硫化物应力腐蚀龟裂(sscc)试验技术规范，对碳钢带样品进行第一老化试验操作。
如上所述通过在包括含硅(10wt％)的铝的浴中热浸涂碳-锰钢带，获得al-涂布的碳钢带。
铝涂层的厚度为约30微米，而含fe-al-si金属间化合物的金属间层的厚度为约5微米。
在所进行的试验中，测定到在金属间层内的fe-al-si金属间化合物的化学式为al5.3sife1.5。
在下述条件下进行试验：
·采用比较仪，通过偏移法，预加载样品
·试验溶液：efc16a(欧洲腐蚀联盟)
·溶液ph值：3.8-4.2
·体积/表面之比：30cm3/cm2
·气体试验：10wt％h2s+90wt％co2或100wt％h2s
·应力水平：90％ays(平均屈服应力)
·在腐蚀试验之后，在每一样品上的目视检查
采用环氧漆，保护铝涂布的碳钢带的相对端。
根据nace标准技术规范，预加载样品，并在试验溶液中，在饱和段下浸渍。
在下表1中概述了sscc试验的参数。
表1
所测试的样品是：下表2中规定的铝涂布的碳钢带和对比的未涂布的碳钢带。
具体地，在室温下，将样品浸渍在含由10wt％h2s+90wt％co2在水中形成的气体的试验溶液中。
在下表2中，列出了采用由10wt％h2s+90wt％co2形成的气体，nacestandardtm0177-96sscc试验的老化试验细节。
表2
*＝对比
**长×宽×厚
在仅仅480小时老化之后，对比的未涂布的钢带已经被破坏。
在老化试验最后，溶液是脏的，这是对比的未涂布样品腐蚀的结果。
用不同的方式来说，在老化试验最后，根据本发明的铝涂布的样品基本上没有损坏，和它们的溶液是清澈的，这是铝发挥保护作用的迹象。
在下表3中，针对根据本发明的al-涂布的碳钢带列出了采用100wt％h2s，nacestandardtm0177-96sscc试验的老化试验细节和结果。
表3
**长×宽×厚
在与100wt％硫化氢气体溶液长期接触之后，涂布的样品保持基本上未损坏。
实施例2
为了验证al涂层对碳钢带的粘附特征，进行三点弯曲试验。将根据本发明的铝涂布的钢带(0.625mmx120mm；铝涂层厚度：30μm)弯曲到70°，90°或180°且相应的塑料变形最多30％(外部)和68％(内部)。所测试的样品无一显示出在铝涂层内脱层或龟裂。
实施例3
通过能量色散谱(eds)，观察根据本发明用含10wt％硅的铝热浸涂的钢带(0.625mmx120mm)以供元素分析。
图6示出了在钢带(右侧上)和铝涂层(在左侧上)之间的界面处的截面分析结果。在这一附图中，在纵坐标中报道了％元素浓度和在横坐标中由铝涂层为起始报道了厚度(微米)。
在(总厚度为约9.46μm的)界面层的正中平面的两侧上约4.73微米的区域内(在图6中用加粗的垂直线显示)，含有铝(连续线)，硅(虚线)和铁(点线)的金属间化合物以显著量存在。