Non-armored fiber optic cable protection from the freezing water pressure in fiber optic cable duct

Full Text

Введение На сетях связи в России и за рубежом в настоящее время широко используется технология строительства волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) с использованием защитных полимерных трубопроводов (ЗПТ). При данной технологии в грунт сначала прокладывается ЗПТ, а затем в ЗПТ задувается оптический кабель (ОК). Отличительной особенностью данной технологии является применение при строительстве ВОЛП оптических кабелей «облегченной конструкции», то есть без бронепокровов. Анализ опыта эксплуатации ВОЛП с оптическим кабелем в ЗПТ показывает, что при повреждении трубопровода и нарушении его герметичности, в канал трубопровода попадает вода. В России на большей территории грунт в зимнее время промерзает на глубину прокладки ЗПТ и более, а это приводит к вмерзанию оптического кабеля в лед, если трубопровод заполнен водой [1-3]. Таким образом, кабель, не имеющий бронепокровов и не рассчитанный на воздействие значительных механических нагрузок, может оказаться в более тяжелых условиях, чем бронированный кабель, проложенный непосредственно в грунт. С учетом этого возникает вопрос о том, каким образом защитить ОК от возможных нагрузок льда в случае повреждения ЗПТ и попадания в него воды. Обзор существующих решений Рассмотрим, какие меры могут быть приняты для защиты ОК от воздействия льда в ЗПТ. Одним из возможных решений может быть использование специального, незамерзающего при низких температурах, геля (IceFree™ Antifreeze Gel), который применяется на «проблемных» участках ЗПТ [4] (см. рис. 1). Однако данное решение подходит только для случаев, когда проблемный участок заранее известен. Помимо этого, заполнение ЗПТ гелем может привести к сложностям демонтажа старого кабеля, если потребуется задуть в трубопровод, вместо уже проложенного ОК, новый. Рис. 1. Применение «IceFree™ Antifreeze Gel» для защиты ОК от льда в ЗПТ Еще одним возможным решением является использование гидроизоляционных жгутов из пористой резины, которые также, как и в предыдущем случае, прокладываются в трубопровод вместе с кабелем. Данный метод защиты был предложен сотрудниками КО НИИС [5] для защиты медножильных кабелей в затапливаемой кабельной канализации. При этом резиновые жгуты предложено затягивать в канал вместе с кабелем. Это возможно в случае городской кабельной канализации, поскольку технология строительства предусматривает протяжку кабеля в канал с применением устройства затяжки кабеля (УЗК). Однако в случае с ЗПТ кабель прокладывается не методом затяжки, а методом задувки. Поэтому возникает вопрос о том, можно ли вместе с кабелем задуть резиновые жгуты, и возможно ли это сделать на достаточно протяженные расстояния (кабель в ЗПТ задувается в среднем на 2 км). Как видно, оба метода основаны на применение материалов, заполняющих часть внутреннего пространства ЗПТ. Это, во-первых, не дает попасть в канал трубопровода большому количеству воды, а во-вторых, такие элементы могут, сжимаясь, освобождать льду часть объема ЗПТ, тем самым снижая нагрузки на кабель. Однако, оба метода, как было уже отмечено выше, имеют свои недостатки. Чтобы избежать недостатки первых двух методов, по нашему мнению, для защиты ОК в ЗПТ от нагрузок замерзающей воды можно рекомендовать следующие меры. 1. Предпочтение отдавать технологии прокладки ОК в микротрубках. При задувке кабеля в микротрубки кабель заполняет микротрубку не полностью, между кабелем и стенкой микротрубки остается воздушная прослойка. Микротрубка с кабелем содержится в ЗПТ в герметичном состоянии. Таким образом, при повреждении ЗПТ, часть свободного пространства в микротрубке будет выполнять роль демпфера. Помимо этого, наличие в ЗПТ микротрубок уменьшает объем пространства, которое может быть заполнено водой, тем самым снижает давление, создаваемое льдом. 2. В случае применения технологии задувки в ЗПТ не микротрубок с ОК, а отдельно кабеля, рекомендуется совместно с оптическим кабелем в ЗПТ прокладывать одну или две полые, содержащиеся герметично, микротрубки. В этом случае микротрубки позволят не только снизить влияние раздавливающих нагрузок на ОК, но и обеспечить выполнение аварийно-восстановительных работ без проведения дополнительных земляных работ. Даже если кабель окажется вмороженным в лед, в микротрубку на аварийном участке можно будет дозадуть микрокабель. Это позволит обеспечить восстановление связи без извлечения из земли части ЗПТ с вмороженным в лед ОК, а проведение земляных работ запланировать на весенние месяцы. 3. Возможно также применять для прокладки в ЗПТ кабель с двухслойной оболочкой, внутренний слой которой выполнен из полимера с высокой жесткостью, а внешний слой состоит из более мягкого демпфирующего материала, поверх которого накладывается тонкая полимерная пленка, обеспечивающая низкий коэффициент трения. Однако данный вариант является более дорогостоящим, в сравнении с двумя перечисленными выше. Расчет требуемого диаметра микротрубки Как уже было сказано выше, в случае, когда для прокладки в ЗПТ используется ОК облегченной конструкции без демпфирующего слоя, предлагается вместе с ОК прокладывать в ЗПТ полую микротрубку (см. рис. 2). Выполним расчет требуемого диаметра микротрубки. Формула для расчета внешнего диаметра демпфера круглого сечения приведена в работе [5]: , (1) . где Dкомп - внешний диаметр компенсатора; Dзпт - внутренний диаметр ЗПТ; Dок - внешний диаметр оптического кабеля; Kр = 0,1 - коэффициент, характеризующий изменение объема воды при переходе в лед; Ку = 0,3…0,5 - коэффициент, характеризующий уплотнение компенсатора; Vл - объем занимаемый льдом, после замерзания воды; Vв - объем, занимаемый водой, до замерзания; Vк2 - объем компенсатора после его максимального сжатия; Vк2 - объем компенсатора до сжатия; - число кабелей в канале ЗПТ. Рис. 2. Поперечное сечение ЗПТ с кабелем и компенсирующей микротрубкой Результаты расчета необходимого внешнего диаметра микротрубки, используемой в качестве компенсатора, выполненные по формуле (1) для ЗПТ с различными типоразмерами представлены на графиках рис. 3. При расчете было принято Ку = 0,5; то есть предполагалась возможность 50% сжатия компенсирующей трубки. Рис. 3. Зависимость внутреннего диаметра компенсирующей трубки от внешнего диаметра ОК, для На графиках рис. 4 представлены результаты расчета внешнего диаметра микротрубки, для Ку = 0,7; то есть для 30% сжатия компенсирующей трубки. Рис. 4. Зависимость внутреннего диаметра компенсирующей трубки от внешнего диаметра ОК, для На магистральных участках обычно используются микротрубки следующих диаметров: 10/8, 12/10, 14/11, 16/13 мм [6-7]. Диаметры ОК для ЗПТ в зависимости от числа ОВ могут лежать в пределах от 10-14 мм [8]. В таблице 1 приведены диаметры и требуемое число микротрубок для различных вариантов Ку, значений DОК и размеров ЗПТ. Число перед скобками - это число микротрубок, число в скобках - диаметр микротрубки в мм. Таблица 1. Число микротрубок для различных диаметров ЗПТ и ОК Ку DОК, мм ЗПТ 32 40 50 0,5 10 1 (10) 1 (14) 1 (16) 14 0,7 10 1 (12) 1 (16) 2 (10) 14 Следует отметить, что графиками рис. 3-4 можно воспользоваться и в случае задувки в ЗПТ ОК в микротрубке. В этом случае вместо Dок необходимо брать внешний диаметр микротрубки, в которую задувается кабель. Расчет требуемой толщины демпфирующего слоя кабеля Для защиты ОК облегченной конструкции от нагрузок замерзающей воды в ЗПТ, также возможно применять ОК с демпфирующим слоем (см. рис. 5). Выполним расчет необходимой толщины демпфирующего слоя для предложенной конструкции кабеля. Площадь сечения компенсирующего слоя в кабеле должна быть равна площади сечения компенсатора с диаметром Dкомп: Sкомп = Sкомп ок. Рис. 5. Поперечное сечение кабеля с демпфирующим слоем Площадь сечения компенсатора с диаметром Dкомп равна Площадь сечения компенсирующего слоя в кабеле есть где Dкомп внеш - внешний диаметр компенсирующего слоя в кабеле; Dкомп внутр = Dок - внутренний диаметр компенсирующего слоя в кабеле равен диаметру ОК без компенсатора (то есть диаметру сердечника ОК). Тогда и толщину компенсирующего слоя определим из соотношений: . На графиках рис. 6-7 представлена зависимость требуемой толщины компенсирующего слоя от диаметра сердечника ОК для разных значений Ку. Видно, что при увеличении диаметра сердечника ОК, требуемая толщина компенсирующего слоя снижается. Это происходит за счет уменьшения свободного объема в ЗПТ, который заполняется водой. По этой же причине различается толщина компенсирующего слоя для одного и того же Dок, но для разных диаметров DЗПТ. Очевидно, что для ЗПТ 50/44 с внутренним диаметром 44 мм требуемая толщина слоя будет больше, чем для ЗПТ 32/26 с внутренним диаметром 26 мм. Рис. 6. Зависимость толщины компенсирующего слоя от диаметра сердечника ОК для Рис. 7. Зависимость толщины компенсирующего слоя от диаметра сердечника ОК для В таблице 2 приведены значения толщины демпфирующего слоя для различных вариантов Ку, значений Dс и типов ЗПТ. Заключение Для защиты ОК от нагрузок замерзающей в ЗПТ воды предложено предпочтение отдавать технологии прокладки ОК в микротрубках. В случае прокладки в ЗПТ кабеля не в микротрубках - использовать либо ОК с демпфирующим слоем, либо прокладывать вместе с ОК одну-две герметичные микротрубки. Выполнен расчет внешнего диаметра микротрубок для разных типоразмеров ЗПТ и значений Ку = 0,3 и 0,5. Также выполнен расчет толщины компенсирующего слоя в кабеле. Полученные результаты исследований могут быть использованы при реализации предложенных мер защиты ОК от воздействия льда в ЗПТ. Таблица 3. Толщина демпфирующего слоя Ку DОК, мм ЗПТ 32/28 32/27,2 32/26 40/35,2 40/34 40/32,6 50/44 50/42,6 50/40,8 0,5 10 2,3 2,2 2 3,5 3,3 3,1 5,1 4,8 4,5 14 1,6 1,5 1,3 2,6 2,4 2,2 4 3,8 3,5 0,7 10 3,2 3,1 2,8 4,8 4,5 4,2 6,8 6,5 6,1 14 2,3 2,1 1,9 3,7 3,4 3,2 5,6 5,3 4,9

About the authors

Tatiana Gennadyevna Nikulina

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: ntg81@list.ru

References

Supplementary files