Исследование затухания оптических волокон кабеля в защитном полимерном трубопроводе с замерзающей водой и разработка мер защиты

Актуальность темы

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). Данная технология является однойиз наиболее прогрессивных технологий строительства волоконно-оптических линий передачи, поскольку обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной технологией прокладки оптического кабеля (ОК) непосредственно в грунт [1−5].

Существенным преимуществом является то, что полимерный трубопровод выполняет функцию механической защиты кабеля, и это позволяет применять кабели облегченной конструкции, т. е. менее материалоемкие и, соответственно, более дешевые. Помимо этогопрокладку ЗПТ можно производить с помощью традиционных технических средств без опасения повредить кабель, поскольку операция пневомозадувки, облегченных ОК производится только после выполнения основной части земляных работ. Гарантированный срок службы ЗПТ составляет не менее 50 лет, что заметно превышает срок службы оптического кабеля, и это — позволяет, в' случае необходимости, осуществлять замену ОК в уже проложенном трубопроводе. Например, для увеличения пропускной способности ВОЛП можно заменить ОК со стандартными оптическими волокнами на кабели, имеющие волокна со смещенной ненулевой дисперсией. В случае если ОК поврежден, также возможно оперативно осуществить его замену.

Применение ЗПТ с твердым внутренним антифрикционным' слоем, обладающих пониженным трением внутренней поверхности, позволяет прокладывать ОК большей строительной длины, тем самым уменьшая число сварных соединений. Это в свою очередь влечет за собой: снижение трудозатрат на строительство пунктов оперативного доступа для оптических муфт, затрат на монтаж ОК, повышение эксплуатационной надежности линии связи за счет снижения числа соединений оптических волокон (ОВ), снижение трудозатрат и времени на устранение повреждений, уменьшение количества муфт для соединения оптического кабеля. Использование ЗПТ позволяет осуществлять «наложенное проектирование», т. е. одновременное или последовательное создание линий, относящихся к разным сетям (магистральным, внутризоновым, местным, ведомственным, коммерческим).

Строительство ВОЛП по технологии прокладки ОК в ЗПТ дает возможность более рационально использовать финансовые ресурсы, т.к. значительная часть строительных затрат может быть существенно сдвинута по времени относительно начала строительных работ и приближена к началу эксплуатации ВОЛП, т. е. данная технология позволяет увеличить строительный сезон.

Кроме всего вышеперечисленного, существенным достоинством данной технологии, делающей ее перспективной и востребованной1 и в. будущем, является то, что строительство ВОЛП с использованием ЗПТ позволяет исключить большие объемы, земляных работ при необходимости дополнительной прокладки по трассе нового*кабеля, или замене устаревших кабелей, что практически исключает затраты, на землеотводы. по кабельной трассе на длительный срок. Уже’сегодня* затраты, на землеотводы составляют значительную долю от стоимости линейно-кабельных сооружений. По прогнозам в перспективе эта тенг денция будет только усугубляться: Таким-образомданная'технология строительства ВОЛП находит все большее применение в России, и будет применяться и в дальнейшем, а вопросы, связанные с ней, являются весьма актуальными.

Анализ опыта эксплуатации волоконно-оптических линий передачи с опв тическим кабелем в защитном полимерном трубопроводе показывает, что при повреждении трубопровода и нарушении его герметичности, в. канал трубопровода попадает вода и грязь, ЗПТ заиливается. На сегодняшний день, по состоянию нормативно-технической документации, техническое обслуживание каналов ЗПТ не осуществляется [6−8]. Состояние трубопроводов не контролируется. Все это приводит к тому, что повреждения ЗПТ выявляются только при выполнении работ, проводимых на ОК. В результате трубопроводы могут достаточно длительное времяиметь повреждения и быть негерметичными. В России на большей территории грунт в зимнее время промерзает на глубину прокладки.

ЗГГГ и более, а это приводит к вмерзанию оптического кабеля в лед, если трубопровод заполнен водой. Это отмечается в работах Киушова А. В., Спиридонова В. Н., Павлова А. В. [3−5]. 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 вышесказанного, актуальной является задача исследования изменений затухания оптических волокон^ кабеля в защитном полимерном трубопроводе под действием раздавливающих нагрузок замерзающей в нем воды, а также разработка практических рекомендаций по снижению их влияния на параметры передачи оптического кабеля.

Состояние вопроса. Исследованиям потерь в ОВ под нагрузкой посвящено достаточно много работ отечественных и зарубежных авторов [9−16]. Известно, что собственное затухание ОВ, во многом обеспечивается технологичеч ским решением его вытяжки, которое описано в работах Чостковского Б. К. [9−11]. В работах Ларина Ю. Т. Теумина И.И., Мурадяна А. Г., Гольдфарба И. С., Иноземцева В. П. [12−16] проводились исследования затухания ОВ при действии раздавливающих нагрузок. Однако в них исследовались зависимости затухания ОВ при раздавливающих нагрузках на волокно и кабель, создаваемых плоскопараллельными пластинами, что не вполне адекватно отражает физические процессы и поведение ОК и элементов его конструкции при замерзании воды в трубопроводе.

Тапака М., КоЬауазЫ Т., З^алуага У., 1пас1а К. [17] экспериментально исследовали приращения затухания в волокнах оптического кабеля при вмораживании его в лед в стальном трубопроводе. В работах под руководством Калягина А. В. [18] выполнены испытания ОК в ЗПТ, при проведении которых также измерялся прирост затухания в ОВ кабеля. Однако, в процессе вышеуказанных исследований закономерности выявлены не были, а полученные результаты носят противоречивый характер. и.

Экспериментальным исследованиям электрических кабелей и давлений в асбоцементных трубах посвящены работы Ляховича И. Ф., Рака С. М., Полякова С. Т. [19−20]. Математические модели трубопроводов с замерзающей водой описаны в работах Пеховича А. И., Сугавары Н., Отставнова А. А., Зотова Г. А. [21−25]. Однако непосредственно для ОК в ЗПТ их использовать нельзя.

С учетом вышеизложенного, сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Цель работы и задачи исследования. Теоретические и экспериментальные исследования изменений затухания оптических волокон кабеля в защитном полимерном трубопроводе с замерзающей водой и разработка мер защиты, обеспечивающих снижение влияния на параметры передачи ОК раздавливающих нагрузок со стороны замерзающей воды.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Теоретические и экспериментальные исследования раздавливающих нагрузок на ОК в ЗПТ при замерзании воды в трубопроводе.

2. Исследование’прироста затухания ОВ при деформации модуля ОК.

3. Теоретические и экспериментальные исследования влияния внешних защитных покровов ОК на его стойкость к деформациям, обусловленным раздавливающими нагрузками, при замерзании воды в трубопроводе.

4. Разработка методики испытаний ОК в ЗПТ на стойкость к раздавливающим нагрузкам, возникающим при замерзании воды в трубопроводе.

5. Разработка практических рекомендаций по снижению влияния раздавливающих нагрузок при замерзании воды в трубопроводе на параметры линейного тракта на регенерационном участке (РУ) ВОЛП.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории оптических волноводов, теории вероятности и математической статистики, теории упругости и пластичности. Выводы и рекомендации, сформулированные в работе, основаны на результатах проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Личный вклад. Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертационной работы, разработаны соискателем лично.

Научная новизна работы.

1. Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о том, что прирост затухания оптических волокон ОК модульной конструкции-на локальном участке под действием раздавливающих нагрузок обусловлен в основном микроизгибами ОВ при их взаимодействии в модуле:

2. Экспериментально доказано, что критическая деформация, при которой прирост затухания ОВ превышает некоторое заданное пороговое значение, прямо пропорциональна площади свободного пространства в модуле ОК.

3. Получено выражение, связывающее вероятность превышения задан! ного порогового значения прироста1 затухания и величину критической деформации модуля с конструктивными параметрами модульной трубки и ОВ, а также количеством волокон в модуле:

4*. Предложена. методика прогноза срока службы ОК в ЗПТ при замерзании на заданном интервале времени воды в трубопроводе.

Практическая ценность.

1. Получены теоретические и экспериментальные оценки раздавливающих нагрузок на ОК в ЗПТ при замерзании воды в трубопроводе.

2. Разработана-методика испытаний ОК в ЗПТ на стойкость к раздавливающим нагрузкам при замерзании, воды в трубопроводе.

3. Разработаны практические рекомендации. по выбору контролируемого числа модулей и оптических волокон при проведении испытаний на стойкость ОК к раздавливающим нагрузкам.

4. Предложен способ защиты ОК в ЗПТ от раздавливающих нагрузок при замерзании, воды в трубопроводе, заключающийся в том, что совместно с оптическим кабелем в ЗПТ прокладывается микротрубка, которая позволяет снизить влияние раздавливающих нагрузок на параметры передачи ОК и обеспечить выполнение аварийно-восстановительных работ, без проведения дополнительных земляных работ.

5. Получены оценки параметров линейного тракта на регенерационном участке ВОЛП при замерзании воды в поврежденном трубопроводе с ОК.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прироста затухания оптических волокон ОК в ЗПТ при замерзании воды в трубопроводе.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование гипотезы о том, что прирост затухания оптических волокон ОК модульной конструкции на локальном участке под действием раздавливающих нагрузок обусловлен в основном микроизгибами ОВ при их взаимодействии в модуле.

3. Эмпирическая формула, связывающая критическую деформацию модуля ОК, при которой прирост затухания превысит некоторое заданное пороговое значение с площадью свободного пространства в модуле.

4. Методика испытаний ОК в ЗПТ на стойкость к, раздавливающим нагрузкам при замерзании воды в трубопроводе.

5. Способ защиты ОК в ЗПТ от раздавливающих нагрузок при замерзании воды в трубопроводе, заключающийся в том, что совместно с оптическим кабелем в ЗПТ прокладывается микротрубка, которая' позволяет снизить влияние раздавливающих нагрузок на параметры передачи ОК и обеспечить выполнение аварийно-восстановительных работ без проведения дополнительных земляных работ.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены на таких предприятиях, как ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания», ОАО «Связьстрой-4», ООО «УСП Компьюлинк».

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XX Международной научной сессии НГОРЭС, посвященной Дню радио (Москва, 2009) — III, IV, V, VI, VII, VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 2004; Самара, 2006, 2008; Нижний Новгород, 2005; Казань, 2007; Санкт-Петербург, 2009) — XI, XII, XIII, XIV, XVI Российских научно-технических конференциях проф.-преп. и инженерно-технического состава ПГУТИ (Самара, 2004;2007, 2009) — V, VI, VII Международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2004,2006; Уфа, 2005).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 40 научных трудах, включая 11 статей, 5 из которых опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК и 29 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 180 страниц машинописного текста, 83 рисунка, 45 таблиц.

Список литературы

включает 100 наименований.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Получены количественные оценки давлений, создаваемых замерзающей водой в ЗПТ без кабеля и с оболочкой ОК внутри него. Для ЗПТ без ВПТ давление изменяется в пределах от 0,8 до 1,5 МПа. Наличие внутри ЗПТ оболочки кабеля снижает давление, создаваемое замерзающей водой, на 30−40%. Показано, что раздавливающие нагрузки, воздействующие на ОК в ЗПТ с замерзающей водой, существенно зависят от множества непрогнозируемых факторов (характеристик трубопровода и ОК, состава воды, свойств внешней среды, в которой расположен трубопровод). Это не позволяет выполнить их оценку теоретически, следовательно, требуется разработка методики экспериментальных испытаний ОК в ЗПТ на стойкость к раздавливающим нагрузкам при замерзании воды в трубопроводе.

2. Выдвинута и подтверждена гипотеза о том, что среда, в которой расположена трубка с кабелем, оказывает влияние на давление, создаваемое в микротрубке. Доказано, что нагрузки, воздействующие на ОК в полимерной трубке, вмороженной в лед больше, чем нагрузки, воздействующие на кабель в полимерной трубке, находящейся в свободном пространстве.

3. Разработана методика испытаний ОК в ЗПТ на стойкость к раздавливающим нагрузкам при замерзании воды в трубопроводе.

4. Разработаны практические рекомендации по выбору контролируемого числа модулей и оптических волокон при проведении испытаний на стойкость ОК к раздавливающим нагрузкам.

5. По результатам проведенных исследований для снижения влияния раздавливающих нагрузок, возникающих в ЗПТ с ОК при замерзании воды, на параметры передачи ОК, разработаны и рекомендуются следующие меры:

— предпочтение следует отдавать технологии прокладки ОК в микротрубках;

— совместно с оптическим кабелем в ЗПТ прокладывать микротрубку, которая позволяет снизить влияние раздавливающих нагрузок на параметры передачи ОК и обеспечить выполнение аварийно-восстановительных работ без проведения дополнительных земляных работ.

— использовать для прокладки в ЗПТ оптический 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.

6. Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о том, что прирост затухания оптических волокон ОК модульной конструкции на локальном участке под действием раздавливающих нагрузок обусловлен в основном микроизгибами ОВ в кабеле при их взаимодействии. Разработаны схема изгиба волокна на волокне и экспериментальная установка, для определения критического радиуса изгиба ОВ при деформации модуля. Проведены экспериментальные исследования, по результатам которых получены зависимости, однозначно связывающие радиусы изгиба ОВ от относительной деформации модулей с разным числом волокон.

7. Экспериментально доказано, что критическая деформация, при которой затухание ОВ превышает некоторое заданное пороговое значение, прямо пропорциональна площади свободного пространства в оптическом модуле.

8. Получена эмпирическая формула, связывающая критическую деформацию модуля ОК, при которой прирост затухания превысит некоторое заданное пороговое значение с площадью свободного пространства в модуле;

9. Получено выражение, позволяющее определять вероятность превышения заданного порогового значения прироста затухания ОВ в модуле ОК под действием раздавливающих нагрузок в зависимости от числа ОВ в модуле, степени деформации и площади свободного от волокон пространства модуля.

10. Предложена методика прогноза срока службы ОК в ЗПТ при замерзании на заданном интервале времени воды в трубопроводе, которая базируется на: двухстадийной модели разрушения ОВположениях о том, что деформации ОК приводят к микроизгибам ОВ при их взаимодействии в модулерезультатах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в настоящей работе. Показано, что если относительная деформация модуля не превысит критическое значение 6с} = 0,7, то ожидаемый срок службы ОВ составит не менее одного года. В этом случае срочного выполнения аварийно-восстановительных работ на участке с поврежденным защитным трубопроводом не требуется.

11. Получены оценки параметров линейного тракта на регенерационном участке ВОЛП при замерзании воды в поврежденном трубопроводе с ОК. Показано, что для обеспечения коэффициента ошибок не больше требуемого по.

1 л нормам значения в 10″ для ВОСП, работающей со скоростью 2,5 Гбит/с, длина участка ЗПТ, заполненного замерзающей водой, не должна превышать 0,15 м. Получены, зависимости (^-фактора от оптического отношения сигнал/шум 08№ 1 ВОСП и длины участка ЗПТ, заполненного «водой, позволяющие прогнозировать критическую длину вмораживания ОК на участке поврежденного ЗПТ для систем передачи в различными значениями ОЗЫЯ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.