Введение к работе
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 одной из наиболее прогрессивных технологий строительства волоконно-оптических линий передачи, поскольку обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной технологией прокладки оптического кабеля (ОК) непосредственно в грунт.
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 этого, прокладку 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 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 востребованной 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 стои-
мости линейно-кабельных сооружений. По прогнозам в перспективе эта тенденция будет только усугубляться. Таким образом, данная 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 оптическим 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. 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 время иметь повреждения и быть негерметичными. 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. Это отмечается в работах Киушова А.В., Спиридонова В.Н., Павлова А.В. 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 (ОВ) 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. Известно, что собственное затухание ОВ во многом обеспечивается технологическим решением его вытяжки, которое описано в работах Чостковского Б.К. В работах Ларина Ю.Т. Теуми-наИ.И., Мурадяна А.Г., Гольдфарба И.С., Иноземцева В.П. 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.
Tanaka М., Kobayashi Т., Sugawara Y., Inada К. экспериментально исследовали приращения затухания в волокнах оптического кабеля при вмораживании его в лед в стальном трубопроводе. В работах под руководством Калягина А.В. 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.
Экспериментальным исследованиям электрических кабелей и давлений в асбоцементных трубах посвящены работы Ляховича И.Ф., Рака СМ., Поляко-
ва СТ. Математические модели трубопроводов с замерзающей водой описаны в работах Пеховича А.И., Сугавары Н., Отставнова А.А., Зотова Г.А. Однако непосредственно для ОК в ЗПТ их использовать нельзя.
С учетом вышеизложенного, сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.
Цель диссертационной работы. 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.
Исследование прироста затухания ОВ при деформации модуля ОК.
Теоретические и экспериментальные исследования влияния внешних защитных покровов ОК на его стойкость к деформациям, обусловленным раздавливающими нагрузками, при замерзании воды в трубопроводе.
Разработка методики испытаний ОК в ЗПТ на стойкость к раздавливающим нагрузкам, возникающим при замерзании воды в трубопроводе.
Разработка практических рекомендаций по снижению влияния раздавливающих нагрузок при замерзании воды в трубопроводе на параметры линейного тракта на регенерационном участке (РУ) ВОЛП.
Методы исследований. 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 заключается в следующем:
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.
Экспериментально доказано, что критическая деформация, при которой прирост затухания ОВ превышает некоторое заданное пороговое значение, прямо пропорциональна площади свободного пространства в модуле ОК.
Получено выражение, связывающее вероятность превышения заданного порогового значения прироста затухания и величину критической деформации модуля с конструктивными параметрами модульной трубки и ОВ, а также количеством волокон в модуле.
Предложена методика прогноза срока службы ОК в ЗПТ при замерзании на заданном интервале времени воды в трубопроводе.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Получены теоретические и экспериментальные оценки раздавливающих нагрузок на ОК в ЗПТ при замерзании воды в трубопроводе.
Разработана методика испытаний ОК в ЗПТ на стойкость к раздавливающим нагрузкам при замерзании воды в трубопроводе.
Разработаны практические рекомендации по выбору контролируемого числа модулей и оптических волокон при проведении испытаний на стойкость ОК к раздавливающим нагрузкам.
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.
Получены оценки параметров линейного тракта на регенерационном участке ВОЛП при замерзании воды в поврежденном трубопроводе с ОК.
Реализация результатов работы.
Основные результаты работы внедрены на таких предприятиях, как ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания», ОАО «Связьстрой-4», ООО «УСП Компьюлинк».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XX Международной научной сессии НТО РЭС, 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.
