Разработка методики оценки устойчивости оптических кабелей к сейсмическим воздействиям тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат наук Корякин Алексей Григорьевич

• Корякин Алексей Григорьевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Корякин Алексей Григорьевич

Введение

Глава 1. Основные конструкции оптических кабелей и факторы, обусловливающие влияние на оптические кабели связи нри сейсмических воздействиях

1.1. Основные конструкции оптических кабелей

1.2. Сейсмические воздействия на оптические кабели

1.3. Анализ документации, устанавливающей требования по сейсмостойкости к оптическим кабелям

1.4. Методы испытаний кабельных изделий на сейсмостойкость

1.5. Основные направления работ по определению и повышению сейсмостойкости оптических кабелей

Глава 2. Анализ влияния сейсмических воздействий на оптические волокна и оптические кабели

2.1 Разработка порядка расчета сейсмостойкости оптических кабелей и выбор расчетной модели элемента конструкции кабелей

2.2. Оценка поведения оптического волокна при воздействии сейсмических волн

2.2.1. Воздействие продольной сейсмической волны

2.2.2. Влияние на оптические волокна в окружающей среде

2.3. Расчет резонансной частоты оптического волокна

2.4. Поведение оптического волокна в различных конструкциях вторичных защитных полимерных покрытий (в условиях ограниченного объема)

2.5 Поведение оптического волокна в пазах профилированного сердечника

2.6. Оценка воздействия поперечной волны на оптическое волокно

Глава 3 Теоретический анализ поведения оптических кабелей в различных условиях эксплуатации

3.1 Прокладка оптических кабелей в воздухе

3.2. Оценка повторно-переменных нагрузок, действующих на оптические кабели при воздушной прокладке

3.3. Прокладка оптических кабелей в земле

3.4. Приведенная нагрузка на оптический кабель

3.5. Рекомендации по выбору и прокладке оптических кабелей в сейсмоопасных зонах

3.5.1. Рекомендации по выбору оптических кабелей

3.5.2. Рекомендации по конструированию входных втулок с переменной жесткостью

Глава 4. Разработка методики испытаний оптических кабелей на сейсмостойкость

Глава 5. Испытания оптических кабелей на сейсмостойкость

5.1. Основные типы оборудования для проведения испытаний на сейсмостойкость

5.2 Результаты испытаний оптических кабелей на сейсмостойкость

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики оценки устойчивости оптических кабелей к сейсмическим воздействиям»

Актуальность темы исследования

Надёжная и безопасная эксплуатация атомных электрических станций (АЭС) во многом зависит от бесперебойной работы кабелей, в том числе и кабелей связи, входящих в многочисленные системы сбора информации, управления и контроля.

При эксплуатации кабели связи подвергаются целому комплексу внешних воздействующих факторов (ВВФ), включающих температуру, влажность, многократные и однократные изгибы, кручения, удары, напряжения сдвига, вибрации. Стойкость кабелей к этим ВВФ обычно подтверждается на стадии разработки и освоения в производстве.

Кабели связи, проложенные по склонам гор, а также в районах, подвергающихся сейсмическим колебаниям грунта, испытывают на себе повышенную механическую нагрузку смещающихся масс-оползней и влияния землетрясения. По данным наблюдения повреждения кабелей связи, проложенных в грунте вызванные только землетрясениями, составляют около трети за счёт смещения грунта на 10 - 15%. При различных воздействиях в конструкциях кабеля возникают различные виды деформации, которые могут приводить к ухудшению или полной потере его эксплуатационных качеств.

Конструкции магистральных оптических кабелей связи, выпускаемых

промышленностью и прокладываемых в канализации и в земле хорошо

известны. Методика определения параметров передачи и механических

характеристик освещена достаточно полно [1]. Однако, поведение этих

кабелей при применении в районах, подверженных сейсмическому

воздействию, то есть изменение оптических параметров и механических

характеристик, практически не исследовалось. Это приводит к

необходимости изучения вопроса о влиянии землетрясений и других сильных

4

механических воздействий на параметры передачи по оптическим кабелям, а также механические характеристики существующих магистральных кабелей связи.

Настоящая работа посвящена изучению влияния сейсмических и других подобных ему колебаний грунта на оптические характеристики кабеля и разработке рекомендаций по испытанию и применению различных подобных конструкций кабелей связи в районах, подверженных землетрясению.

Степень разработанности темы исследования

В работах, посвященных изучению сейсмостойкости кабельных изделий нет упоминаний об оптических кабелях, их поведении при сейсмических колебаниях. В большей степени работы посвящены воздействию фиксированных вибрационных нагрузок на оптические кабели. Отсутствуют методы расчёта оптических кабелей, имитирующие воздействия землетрясения, нет рекомендации для проведения испытаний симулирующих воздействие сейсмических волн на оптические кабели.

Целью диссертационной работы является:

- Разработка методов оценки поведения оптических кабелей при сейсмических воздействиях для различных условий эксплуатации.

- Разработка методики испытания различных типов оптических кабелей на сейсмостойкость при различных условиях прокладки.

Проведение экспериментальных исследований оптических кабелей в соответствии с разработанными методиками.

Научная новизна работы

1.Разработаны методы расчёта сейсмостойкости различных типов оптических кабелей и их элементов.

2. Апробированы теоретические методы расчёта резонансных частот основных элементов оптических кабелей и кабеля в целом.

3.Проведена оценка воздействия продольной и поперечной сейсмической волны на оптические волокна и оптические кабели.

4. Проведён теоретический и экспериментальный анализ поведения оптического кабеля при воздействии сейсмических нагрузок для различных условий эксплуатации.

Практическая значимость исследования

Результаты диссертационной работы используются при проведении испытаний оптических кабелей на сейсмостойкость, поставляющихся на АЭС. Получаемые в ходе экспериментальных и теоретических исследований данные используются при конструировании оптических кабелей для эксплуатации в сейсмоактивных районах РФ. Разработана и утверждена межотраслевая методика испытаний оптических кабелей на сейсмостойкость.

Методы исследований.

Для решения поставленной цели использованы методы классической теории деформации материалов, теории колебаний, использованы математические аппараты интегрального и дифференциального исчисления.

Основные положения, вносимые на защиту.

- Метод оценки воздействия продольный и поперечной волны на оптические волокна и оптические волокна в составе элементов конструкции оптических кабелей.

-Теоретический анализ поведения оптических кабелей в различных условиях эксплуатации при сейсмических воздействиях.

- Метод оценки воздействия продольный волны на оптические кабели.

-Методика испытаний оптических кабелей на сейсмостойкость.

-Результаты испытаний оптических кабелей на сейсмостойкость.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Материал изложен на 134 страницах текста, иллюстрирован 37 рисунками и 27 таблицами. Список литературы содержит 63 источника.

Публикации:

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

-на всероссийской конференции по волоконной оптике ВКВО в 2011, 2013, 2015 и 2017 г. (г. Пермь, РФ);

-на международной конференции по электротехнике, электронике и электроприборам МКЭЭЭ в 2012,2014, 2016 и 2018 г. (Крым, Алушта);

- на двадцатой молодёжной научной школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (г. Ульяновск, РФ) 2017 г.

Основные положения диссертации опубликованы в учебном пособии, в четырёх печатных работах, три из которых из перечня ВАК, указанных в списке литературы.

Получены три патента на изобретения.

Глава 1. Основные конструкции оптических кабелей и факторы, обусловливающие влияние на оптические кабели связи нри сейсмических воздействиях.

1.1 Основные конструкции оптических кабелей.

Все конструкции оптических кабелей (ОК) (в соответствии с ГОСТ Р 52266-2004) по области применения разделяются на одиннадцать классов.

Требования по сейсмостойкости предъявляются к кабелям, работающим на атомных электростанциях (АЭС). Согласно редакции «Номенклатура кабельных изделий для атомных станций», в АЭС используются три класса оптических кабелей: «3» - кабель для подземной прокладки ( в канализациях, трубах, блоках, коллекторах, в грунтах всех категорий, в воде при пересечении болот и не глубоких рек, максимальная глубина рек не более 10 метров); «С» - кабель для прокладки внутри помещений и стационарных объектов (распределительные, абонентские, станционные); «М» - монтажные кабели (Рис 1.1 а,б,в) [Г|.

Рис. 1.1.а. Пример конструкции оптического кабеля для подземной прокладки (Класс «3»)

Оптическое волокно

Буферное покрытие 900 и км

Арамидныс нити

'Защитная оболочка

Рис. 1.1.6. Пример оптического кабеля для прокладки внутри помещений (Класс "С")

Оптическое волокно

Буферное покрытие

Рис 1.1.в. Пример конструкции монтажного оптического кабеля (Класс «М»)

В общем случае конструктивно это может быть оформлено в виде элементов, представленных на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Оптические волокна внутри сложной конструкции защищенных оболочек оптического кабеля.

а) конструкция повивной скрутки с плотной защитной оболочкой (ПЗО) или в трубчатой защитной оболочке (ТЗО);

б) ленточная конструкция;

в) конструкция с профилированным сердечником;

г) конструкция с центральной трубкой.

1- оптическое волокно в ПЗО; 2-центральный силовой элемент; 3-полимерная оболочка; 4-оптическое волокно в ТЗО; 5- профилированный сердечник

Для ОК типа «3», «С» и «М» типичными являются конструкции повивной скрутки (рис. 1.2а) или с центральным трубчатым элементом (рис. 1.26).

Ленточные элементы в данной работе не рассматриваются, т.к. подобные конструкции ОК в России не производятся и практически не используются.

Оптическое волокно (ОВ) рассматривается для случая его размещения в трубчатой (ТЗО) или плотной защитной (ПЗО) оболочках.

1.2. Сейсмические воздействия на оптические кабели.

Землетрясение - подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или в ряде случаев искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушение подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызываться также подъёмом лавы при вулканическом извержении.

Анализ исследований, выполненных многими учёными, показал, что землетрясения связаны с геологическими структурами, испытывающими новейшие и современные тектонические движения [2-6,57].

Землетрясения обычно продолжаются несколько секунд и выражаются в подземных толчках большей либо меньшей силы, в волнообразных колебаниях земной поверхности. Возникающие в очаге землетрясения колебательные движения частиц распространяются в виде сейсмических волн, высвобождая большое количество энергии. Сейсмические волны подразделяются на продольные, поперечные и поверхностные (табл. 1.1.).

Таблица 1.1. Типы сейсмических волн, возникающие при землетрясении.

№ Типы сейсмической волны Обозначение Характеристики

1 Продольная Р Приводит к сжатию или расширению вещества, т.е. характеризуют колебательные движения частиц среды вдоль сейсмического луча.

2 Поперечная Б Отображает процесс колебательных движений частиц поперёк сейсмического луча, т.е. представляет собой реакцию среды на изменение формы.

3 Поверхностная Ь Возникает при выходе продольных и поперечных волн на поверхность Земли. Обладают значительной амплитудой в эпицентре.

Сейсмические волны (рис. 1.3.), порождают колебания земной поверхности. Продольные (Т-волны) и поперечные (Л-волны) распространяются в твердом веществе Земли, они представляют собой объемные волны, при этом Р-волны в отличие от Л-волн могут проходить и через жидкость. Вследствие сложных многократных отражений Р- и Л-волн в верхнем слое земной коры появляется поверхностная волна Ь.

Сжатия — А

------ -г—

у • 1 г

I- Разряжения -I

Неьозмущенная

Направление распространения } среда

5-волна

ДПИНЭ БОЛНЫ

Удвоенная аиплитуда

I-волна

Рис. 1.3 Сейсмические волны, порождающие колебания земной поверхности.

При сейсмических явлениях главное значение имеют упругие продольные и поперечные волны. Выделение большого количества энергии при землетрясении приводит к поднятию или опущению поверхности земли, то есть к перемещению значительных масс вещества.

На интенсивность колебательного движения грунта в данной точке влияет широкий комплекс условий: энергия очага землетрясения, спектральный состав и направленность излучения, расстояние и глубина очага, состав и строение участков земной коры, степень рассеяния сейсмической энергии на неупругие процессы, грунтовые условия данной местности [7].

Статистика демонстрирует, что ежегодно суммарное количество землетрясений на Земле составляет порядка 90 ООО - 100 ООО, из которых около 20 разрушительных и около одной катастрофической [4,7,8]. Интенсивность землетрясений оценивается в баллах: чем выше

13

интенсивность землетрясений, тем выше бальность землетрясения (табл. 1.2)

Таблица 1.2. Количество землетрясений различной интенсивности.

Интенсивность в баллах Число землетрясений в год

10 3

9 11

8 80

7 400

6 1300

На территории Российской Федерации достаточно большую площадь занимают сейсмоактивные районы. В табл. 1.3 приводятся основные зоны сейсмической опасности России [5,8,9].

Таблица 1.3. Зоны различной интенсивности сейсмических воздействий Российской Федерации

Регион Площадь (тыс. кв. км) при интенсивности в баллах

6 7 9 более 9

Алтай и Саяны 330 176 96 17

Восточная Сибирь 738 820 187 182

Якутия и районы Магадана 903 233 124 —

Чукотка 114 26 — —

Камчатка и Камчатские острова 148 63 53 41

Курильские острова - - - 16

Сахалин 30 46 — —

Приморье 155 9 — —

Эффект проявления воздействия землетрясений зависит как от интенсивности самого землетрясения, так и от динамических характеристик конструкции в целом и её отдельных частей. В естественных условиях сейсмические волны могут подходить к сооружениям под любым углом, поэтому существенное значение в определении величины сейсмического воздействия имеет оценка характера и интенсивности передачи колебания от грунта к кабелю.

На рисунке 1.4 показана зависимость напряжения в грунте а от интенсивности землетрясения в баллах для различных типов грунта [3].

5

4 5

4

3.5

3

2.5

б. МПа

2

1 5

1

0 5

1 4 • бап

Рис. 1.4 Зависимость напряжения в грунте от интенсивности землетрясений

1 -граниты;

2-извесняки и песчаники;

3-щебень;

4-песчанные и глинистые почвы;

5- насыпные и рыхлые почвы.

у

/

/

/ г 2

/ ■ /

/ / 3

4

5

Допустимость воздействий определяется механическими параметрами ОК, к которым относятся допустимая нагрузка при растяжении, стойкость по отношению к перегибам, ударам, истиранию, к раздавливающим нагрузкам [10]. В реальных условиях на ОК воздействуют большое количество различных факторов, полностью учесть которые практически невозможно.

Наблюдения за подземными трубопроводами и телефонной канализацией показывают, что разрушение трубопроводов и телефонных канализаций происходят при сдвиге и посадке грунта, а также при продольных деформациях грунтовой среды в момент прохождения сейсмических волн вдоль подземных сооружений.

Изучение повреждений подземных сооружений связи в Японии [11| показало следующую статистику повреждений, приведенную в табл. 1.4.

Таблица 1.4 Статистика повреждений кабельных коммуникаций от землетрясений в Японии.

№ Объект Число повреждений, %

1 Телефонная канализация 55,6

2 Кабели, проложенные в канализации 53,9

3 Кабели в свинцовой оболочке, проложенные в грунте 31,9

4 Коаксиальные кабели, проложенные в грунте 3,9

При аварии на Японской АЭС «Фукусима-1» избежать повреждения кабелей удалось только потому, что японские проектировщики предусмотрели строительство усиленных сейсмостойких кабельных каналов и канализаций, которые частично пострадали от землетрясения, но сохранили почти 100% работоспособность. При этом следует учитывать, что эти кабельные сети не были специально спроектированы с учетом воздействия сейсмических нагрузок.

1.3. Анализ документации, устанавливающей требования но сейсмостойкости к оптическим кабелям.

Требования к сейсмостойкости содержатся в комплексе технических требований к объектам и изделиям для атомной энергетики. Ранее данные требования были отражены в [1].

Основным документом является ГОСТ 30546.1-98 «Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости». В соответствии с этим документом при предъявлении к изделиям требований по стойкости к воздействию землетрясений (сейсмостойкости) исходят из условной интенсивности землетрясения и уровня установки изделий над нулевой отметкой (далее - уровень установки), а также из расчетной повторяемости землетрясений (если она отличается от повторяемости 1 раз в 500 лет) и/или расчетного срока службы изделия (далее - срок Ь, если он отличается от 50 лет). Под нулевой отметкой подразумевается уровень расположения линий состыковки стен зданий с поверхностью площадки, на которой расположено здание. Во многих случаях этот уровень практически совпадает с верхней границей фундамента. Сейсмические воздействия считают приложенными к изделию в местах его крепления, если нет иных требований к способу его установки или прокладки [12].

Кабельные изделия обычно прокладывают в коробах, трубах или металлорукавах, в первом приближении можно считать, что землетрясение воздействует на кабель по всей его длине. Могут быть варианты, когда кабель и оконечное устройство расположены на раздельных несущих конструкциях (стенах, потолках, фундаментах, колоннах, перекрытиях, фермах), которые могут иметь различную частоту и амплитуду перемещения рис. 1.5 и рис.1.6[13 ].

а)

б)

ЦТ*0

и» \

. 9

т 1%

Ш

Лит

7«

о Ж

> >

т

Рис. 1.5 Примеры схематизации конструкций в виде систем с одной степенью свободы

а) здания типа пакгауса и его расчётная схема при горизонтальном сейсмическом возмущении; б) осесимметричное здание и его расчётная схема при вертикальном сейсмическом возмущении; в) теплообменник на упругой опорной конструкции при вертикальном сейсмическом возмущении (прямолинейные колебания); г) теплообменник на упругой опорной конструкции и его расчётная схема при горизонтальном сейсмическом возмущении (угловые колебания)

а) б) в)

Г0(О Х0СО *о(0

Рис 1.6. Примеры схематизации конструкций в виде систем с п степенями свободы

а) колебания осесимметричного здания в плоскости симметрии при горизонтальном сейсмическом возмущении (две степени свободы); б) колебания ассиметричного здания при горизонтальном сейсмическом возмущении (три степени свободы х,г,(р); в) система с п степенями свободы (зал АЭС с деаэраторной этажеркой)

В соответствии с ГОСТ 30546.2-98 подтверждение на сейсмостойкость (устойчивость и/или прочность) осуществляют испытанием на воздействие синусоидальной вибрации в течение 1 мин. [14].

Обобщенный спектр воздействия землетрясения зависит от интенсивности землетрясения (в баллах по М8К-64) [15] и уровня установки над нулевой отметкой. Максимальная интенсивность землетрясения 9 баллов и уровня установки 70 м.

Общий диапазон рассматриваемых частот составляет от 0 до 30 Гц. При выборе значений ускорения землетрясений, как правило, расчетный срок службы изделия принимают равным 50 годам, а расчетную повторяемость землетрясений - 1 раз в 500 лет.

Обычно принимается, что во время и после сейсмического воздействия работоспособность кабельного изделия не должна прерываться (группа сейсмостойкости «0»), так как отказ или последствия

отказа кабелей ведут к аварии или несчастным случаям (категория 1 согласно MATATE 50-SG-D15) [16].

При этом группа сейсмической безопасности кабельного изделия может не совпадать с группой сейсмической безопасности объекта в целом. При установке кабельных изделий на промежуточных конструкциях (трубопроводах, арматуре) могут быть предъявлены дополнительные требования к увеличенным максимальным амплитудам ускорения -удвоение.

Для расчёта максимального ускорения в горизонтальном направлении при расчётной повторяемости землетрясения 1 раз в 500 лет необходимо

л

максимальную амплитуду 2,5 м /с умножить на коэффициент 2,5, то есть эта величина составит 6,25 м/с2. В вертикальном направлении ускорение будет характеризоваться значением 4,375 м"/с. При расчёте ускорений для срока службы кабеля, отличном от 50 лет, в [14] предложена методика, суть которой заключается в корректировке величины ускорения с помощью рассчитываемых коэффициентов [17].

В табл. 1.5 приведён обобщённый перечень факторов воздействия сейсмической волны на оптические кабели.

Таблица 1.5 Обобщённый перечень факторов воздействия сейсмической волны на оптические кабели

№ Наименование, учитываемых при проектировании факторов Характеристики Примечания

1 2 3 4

1 Продольная сейсмическая волна (тип Р) Колебания частиц среды (изделия) вдоль сейсмического луча. Определяет характер воздействия механических факторов

2 Продольная сейсмическая волна (тип Б) Колебания частиц(изделия) поперёк сейсмического луча. Вызывает изгибные деформации изделия. Определяет характер воздействия механических факторов

3 Поверхностная сейсмическая волна (тип Ь) При расчётах не учитывается Проявляется на поверхности земли и выше в виде акустической волны.

4 Грунтовые условия местности прокладки Учитывается с помощью расчётных коэффициентов и оценке напряжения в грунте (рис. 1.4) Используется для оценки механической прочности оптического кабеля и расчёта его механических характеристик.

5 Количество землетрясений Таблица 1.2. Определение вероятности возникновения землетрясения согласно ГОСТ 30.546.1-98

Продолжение таблицы 1.5

1 3 4

6 Интенсивность землетрясения Максимальная интенсивность 9 баллов (при уровне установки 70 метров) Коэффициент усиления воздействий равен 2,5. Принимается при всех расчётах, исходя из требований стойкости ОК (работоспособность во время и после воздействия землетрясений). Группа сейсмической безопасности «0».

7 Площадь сейсмической активности Таблица 1.3 Учитывается при выборе маршрута прокладки линий связи

8 Механические параметры, выбираемые в качестве критериев годности Растяжение, стойкость к перегибам, удары, истирания, раздавливающие нагрузки, сдвиговая деформация. Определяющими являются растягивающие и изгибающие нагрузки.

9 Диапазон частот синусоидальных колебаний Общий диапазон 0-35 Гц. Характеризующиеся максимальной амплитудой ускорения Для обобщенного спектра воздействия землетрясения: -в горизонтальной плоскости Кн=1 -в вертикальной плоскости Кн=0,7

10 Срок службы кабельной линии 50 лет при расчетной повторяемости землетрясений 1 раз в 500 лет. Учитывается при прогнозировании вероятности отказа линии связи.

11 Собственные резонансные частоты Определяется динамическими характеристиками изделий в диапазоне частот (1-35) Гц. Рассчитывается исходя из массогабаритных жесткостных характеристик.

1.4. Методы испытаний кабельных изделий на сейсмостойкость.

Конструкции кабелей определяются назначением, условиями применения, прокладки и эксплуатации. В процессе разработки и производства оптических кабелей закладывается основа надёжной работы кабельной линии. Условно все факторы, влияющие на качество работы кабельной магистрали, можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние факторы определяются физической природой конструкции кабелей, а также типом и назначением кабельных линий. К внутренним факторам, воздействующим на работу кабелей, относятся недостатки конструкции и контроля качества, упущения при их производстве, недостатки эксплуатации и строительства линий. Внешние факторы определяются условиями среды, в которой происходит эксплуатация кабельных магистралей. К внешним факторам, действующим на оптические кабели, относятся изгибы, растяжения, вибрация, истирание, климатические и электрические воздействия, различные механические нагрузки. Степень влияния внешних факторов зависит от конструкций кабеля, от проектирования, строительства и эксплуатации кабельных линий. Следовательно, к любым кабельным изделиям, в зависимости от их назначения, способов прокладки и монтажа, условий эксплуатации, предъявляются определенные требования в части оптических, механических, климатических параметров, а так же по эксплуатационной надёжности и долговечности.

Допускаемая нагрузка при растяжении оценивается максимально допустимым растягивающим усилием. Кроме того, осевые растягивающие усилия проявляются при понижении температуры, прогибе грунта под действием проходящего транспорта. При этом может оказаться, что растягивающие усилия при прокладке будут больше, чем допустимое усилие в соответствии с техническими условиями и может привести к смятию

оболочки и даже обрывам оптического волокна. Для различных типов оптических кабелей в зависимости от конструкции кабеля связи пределы допустимых растягивающих нагрузок различны. Они находятся в широких пределах от 3,5 до 80 Н.

Стойкость к перегибам количественно оценивается числом двойных перегибов при заданном радиусе и для оптических кабелей регламентируется техническими условиями. Стойкость к вибрации оценивают временем воздействия вибрационных нагрузок определённой частоты и ускорения, допустимым для данного изделия. Стойкость к продавливающим нагрузкам количественно оценивается допустимым сжимающим усилием, перпендикулярным к оси кабеля. От того, насколько полно учтены при разработке и изготовлении кабеля условия его работы, в значительной степени будет зависеть надёжность при последующей эксплуатации.

Расчёт конструкций кабеля связи разделяется на ряд расчётов отдельных элементов, входящих в его состав. От выбора конструктивных элементов и шагов скрутки, отдельных повивав сердечника так же, как и шагов скрутки элементарных групп, зависят характеристики кабеля.

Однако, влияние требования по сейсмостойкости на элементы оптических кабелей и их конструкции ОК в целом остаются неизученными.

Нужно принимать во внимание, что оптические кабели могут прокладываться не только в защищенных каналах и специальных трассах, но и монтироваться на сооружениях путём подвески на элементах конструкции зданий и в кабельных каналах, а также на фермах, которые обладают своими особенностями перемещения при воздействии сейсмических колебаний.

Кроме того, отсутствуют данные по поведению оптических волокон при воздействии сейсмических волн.

Испытания по определению сейсмостойкости кабельных изделий

проводят по [14]. С этой целью их подвергают испытаниям на

виброустойчивость. Эти испытания могут включать в себя методы:

24

- качающейся частоты при воздействии синусоидальной вибрации (102-1);

- фиксированных частот во всем диапазоне частот при воздействии синусоидальной вибрации (102-3);

определения границы виброустойчивости при воздействии синусоидальной вибрации (102-4);

воздействия колебаний соответствующих акселерограмм землетрясения (102-5);

- одной или нескольких фиксированных частот (102-6).

Испытания методом 102-4 являются определительными.

Испытания методом 102-6 подвергают кабельные изделия, низкая критическая частота которых составляет 45 Гц и более, а также при их расположении в качестве встроенных элементов или закреплении в местах, где имеются резонансы конструкции конкретных изделий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Корякин Алексей Григорьевич, 2019 год

Список литературы

1. СТО 1.1.1.01.001.0902-2012 «Кабельные изделия для атомных электростанций. Технические требования эксплуатирующей организации»

2. Землетрясения в СССР в 1970г. - М: Наука, 1973 г., 274 с.

3. Красиков Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их определения М: Стройиздат, 1970 г., 239 с.

4. Медведев С.В. Инженерная сейсмология - М: Госстройиздат, 1962г.,283 с.

5. Медведев С.В., Карапетян В.К., Быховский В.А. Сейсмические воздействия на здания и сооружения - М: Госстройиздат, 1968 г., 191 с.

6. Fukui. Earthquake region Hokuziki, Japan, 28 june Tokyo, 1953

7. Физика сейсмических волн и внутреннее строение Земли / Академия наук СССР; Междуведомственный совет по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (Москва); отв. ред. Е. Ф. Саваренский. — М.: Наука, 1983. — 223 с.

8. Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений (под редакцией д.т.н., проф. ИИ. Гольденблата - М: Стройиздат, 1972, 215 с.

9. Голиков В.И., Надточий И.А., Учебно-методический комплекс «Защита в чрезвычайных ситуациях», Томск, 2007 г.

10.ГОСТ Р МЭК 794-1-93 Кабели оптические. Общие технические требования.

11.Mitsuhiko Miwa, Tsuyoshi Okumuza, New seismic countermeasures ford underground telecommunications facilities, Japan Telecommunication review, Vol.24, #3, 1982, p. 239-350

12. ГОСТ 30546.1-98 Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости.

13. Бирбаер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. - Санкт-Петербург: «Наука», 1998 г., 255 с.

14. ГОСТ 30546.2-98 Испытания на сейсмостойкость машин, приборов и других технических изделий. Общие положения и методы испытаний.

15. Medvedev S., Sponheuer W., Karnik V., Neue seismische Skala Intensity scale of earthquakes, 7. Tagung der Europäischen Seismologischen Kommission vom 24. 9. bis 30. 9. 1962 in Jena, DDR, Berlin: Akademie-Verlag, 1964, pp.69-76

16. МАГАТЭ (N 50-SG-D15*, Вена, 1992 г. и N 50-SG-S1 (rev.l), Вена, 1994 г.).

17. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т., Холодный С.Д. Сейсмостойкость оптических кабелей. - Кабели и провода, 2011, №3 (328), с. 19-23.

18. Ларин Ю.Т. «Теоретическая и экспериментальная разработка методов конструирования оптических кабелей», Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 2005 г., 215 с.

19. ГОСТ 30546.3-98 Методы определения сейсмостойкости машин, приборов и других технических изделий, установленных на месте эксплуатации, при их аттестации или сертификации на сейсмическую безопасность. -Минск, 1998.

20. ГОСТ 28231-89. Основные методы испытания на воздействия внешних факторов.Ч.2. Испытания. Крепление элементов, аппаратуры и других изделий в процессе динамических испытаний, включая удар (Еа), многократные удары (Ев), вибрацию (Ее и Ed), линейное ускорение (Ga) и руководство.

21. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи: Конструкции и характеристики. Горячая линия-Телеком, Радио и связь, 2002 г., 232стр.

22. Ларин Ю.Т. Оптические кабели: методы расчета конструкций. Материалы. Надежность и стойкость к ионизирующему излучению. -М., «Престиж», 2006 г., 304 стр.

23. Иоргачёв Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии связи - М.: Эко-Трендз, 2002. - 282 с.

24. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т., Рязанов И.Б.- «Основы теории передачи по оптическим волокнам»: учебное пособие / М.: Издательство, МЭИ, 2015 г. - 48 с.

25. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. - М.:, "Гостехиздат" ,1953.-788 с.

26. Ольшанский В.П., Тищенко Л.Н., Ольшанский С.В.

Колебания стержней и пластин при механическом ударе. - Харьков: Мюькдрук", 2012-319 с.

27. Теория упругости, перев. с англ., Тимошенко С. П., Гудьер Дж., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука». 1975 г. - 576 с.

28. Голубев И. Ф. Вязкость газов и газовых смесей (Справочное руководство). М.: ГИФМЛ, 1959, 375 с.

29. Френкель, Я. И. Кинетическая теория жидкостей. - Ленинград: Наука. Ленинградское отделение, 1975. - 594 с.

30. Менке М. «Гидрофобный заполнитель для оптических кабелей» // Кабели и провода. -№ 2. 2009. С.26

31. Компаунд «СИЭЛ» 159-356. ТУ 6-02-1-710-90.

32. Смирнов Ю.В., Черенков Г.А., Ларин Ю.Т. Вопросы механики и оптики при конструировании и изготовлении оптических кабелей. Тезисы доклада XI Всесоюзн.научно-техн. Конф. "Состояние и перспективы развития кабелей связи в XI пятилетке» 1982, 7-10 сентября, г. Одесса

33. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций НП-031-01. Введены в действие с 1 января 2002 г.

34. Фридкин И. А., Эксплуатация кабельных линий 1—35 кВ. Москва, «Энергия», 1972.

35. Инденбаум Д., Сироткин С. Оптические кабели с вынесенным силовым элементом и оптической частью в виде трубки: недостатки конструкции. Первая миля. Выпуск N4. 2011 с. 44-47.

36. Авдеев Б.В., Барышников Е.Н., Длютров О.В., Стародубцев И.И. Изменение избыточной длины в процессе изготовления ВОК // Кабели и провода. - 2002. - № 3, - С. 32-34.

37. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов -М: МГТУ им. Баумана, 1999 г., 592 стр.

38. Геча Э.Я. Теория конструирования оптических кабелей для эксплуатации при многофакторных воздействиях: диссертация доктора технических наук: 05.09.02, 01.02.06 /. - Москва, 2008,- 320 с.

39. Ларин Ю.Т. Надежность оптических волокон. Аналитическая информация. М. Информэлектро. 1990г. 39с.

40. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т., Портнов Э.Л. Расчёт сейсмостойкого оптического кабеля на прочность при воздушной прокладке в условиях воздействия сейсмических волн. Журнал «Фотон-Экспресс»№ 3,2012 г.

41. Flexural Rigidity and Axial Force of communication cables. Materials of Conférence/ Communication lines and cables. Japan p.p.7-11,1982 r.

42. Меркин Д. P. Введение в механику гибкой нити. — М.: Наука, 1980. — 240 с.

43. Руководство по строительству линейных сооружений местных сетей связи /Минсвязи России - АООТ «ССКТБ-ТОМАСС» - М. 1996

44. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели. Конструкции, характеристики, производство и применение. — М.: Энергоатомиздат, 1991. —264 с.

45. Мукурдумов Р.М. Вопросы сейсмостойкости подземных трубопроводов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук,- Ташкент, 1953.-12 с.

46. Ветров Ю.А. Коэффициент трения стали по грунтам. Сборник трудов. КИСИ, вып. 9, 1951.

47. Хмелевской B.K. Геофизические методы исследования земной коры. Кн. 1,- Дубна: Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 1997. 203 с.

48. ГОСТ Р 52266-2004 «Кабельные изделия. Кабели оптические. Общие технические условия».

49. ГОСТ 25100-95 «Грунты, Классификация»

50. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т. «Расчёт сейсмостойкости оптических кабелей, при различных методах прокладки» //Специальный выпуск «Фотон-экспресс» - Наука 2011», № 6, 2011. с. 15-16.

51. ГОСТ РВ 20.57.416-98 "Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехники военного назначения. Методы испытаний"

52. Чан Нят Минь. Исследование и разработка методов определения вероятностно-временных параметров волоконно-оптических направляющих систем при воздействии вибрационных нагрузок: диссертация ... кандидата технических наук: 05.12.13. - Москва, 2001. -211 с.

53. [Электронный ресурс] http://www.rosteh.ru/catalog/products/electrodynamic-vibration-test-setup-shakers/66/28/ (дата обращения 21.11.2018 г.).

54. Байдаков A.B., Корякин А.Г., Ларин Ю.Т. «Комплекс мер для безопасной эксплуатации оптических кабелей на АЭС», конференция НИУ (МЭИ) "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" март 2017 г.

55. ТУ 16. К71-467-2014 «Кабели оптические пожаробезопасные и огнестойкие для атомных станций»

56. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т. Разработка методики испытаний на надежность сейсмических оптических кабелей связи. - Кабели и провода, 2013, №1 (338), с. 18-20.

57. Завриев К.С., Назаров А.Г., Айзенберг Я.М. Основы теории сейсмостойкости зданий и сооружений. Руководство по проектированию зданий и сооружений. Том 2 -М: Стройиздат, 1970 г., 224 с.

58. ПНСТ 167-2016. Изделия кабельные для атомных станций. Общие технические требования. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации.

59. Патент на изобретение № 2617793 от 04.09.2015 г. с приоритетом от 04 сентября 2015 г. Устройство для испытания монтажного оптического кабеля. Корякин А.Г., Овчинникова И.А., Тарасов Д.А., Ларин Ю.Т.

60. Патент на изобретение № 2607729 от 04.09.2015 с приоритетом от 04 сентября 2015 г. Устройство для испытания кабеля для прокладки внутри помещений и стационарных объектов. Корякин А.Г., Овчинникова И.А., Тарасов Д.А., Ларин Ю.Т.

61. Патент на изобретение № 2617638. приоритет 04.09.2015, дата опубликования 25.04.2017 г. Устройство для испытания кабеля для подземной прокладки. Корякин А.Г., Овчинникова И.А., Тарасов Д.А., Ларин Ю.Т.

62. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т. Результаты испытаний различных конструкций оптических кабелей, эксплуатирующихся на территории России и СНГ, на сейсмостойкость//Фотон-Экспресс, спецвыпуск, №6 (142), 2017. С. 98

63. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т. Современные методики испытаний оптических волокон и оптических кабелей на сейсмостойкость. //Актуальные проблемы физической и функциональной электроники: материалы 20-ой Всероссийской молодежной научной школы-семинара - Ульяновск: УлГТУ, 2017.-254 стр.

Приложение 1

Методика испытания оптических кабелей па сейсмостойкость

УТВЕРЖДАЮ

УТВЕРЖДАЮ

Первый заместитель генерального директора ОАО "ВНИИАЭС"

с: , <21 Дунаев В. Г.

/

«- » . ' > ■ 2012 г.

Генеральный директор ОАО «ВНИИКП»

' г^ТГИ.Мещанов

» АурДрЛ 2012 г. /

МЕТОДИКА МИ 16.00-186-2012 ИСПЫТАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ

СОГЛАСОВАНО

СОГЛАСОВАНО

« »

Генеральный директор ОО0/< Еврокабель 1»

Э.Г.Ким 2012 г.

Заведуюн

« »

(аучным отделением ОАО «ВНИИКП»

Ю.Т.Ларин 2012 г.

СОГЛАСОВАНО

СОГЛАСОВАНО

Директор

ОАО "Электрокабель"Кольчугинский завод''

Ситько

« »

2012 г.

Технический директор ООО «ВНИИКП - ОПТИК»

« »

/ * Л.И.Ковылина 2012 г.

1. Область применения

1.1. Настоящая методика устанавливает общие требования, правила и порядок организации работ при проведении испытаний кабелей на сейсмостойкость в соответствии с ГОСТ 30546.2-98 (МЭК 60068-3-3).

2. Объект испытаний

Методики испытания кабелей на сейсмостойкость разрабатывалась для всех типов ОК по ГОСТ 52266 - 3, М и С.

3 - Кабель для подземной прокладки (в канализации, трубах, блоках, коллекторах, в грунтах всех категорий, в воде при пересечении болот и не глубоких рек). Максимальная глубина рек не более 10 м.

С- ОК для прокладки внутри помещений и стационарных объектов (распределительные, абонентские и пр.).

М - монтажные оптические кабели.

Основные технические требования, предъявляемые к ОК, приводятся в табл. 1.

Табл. 1

Основные технические требования к ОК

№ Наименование характеристики Значения

3 С м

1 Целостность оболочки + + +

2 Целостность ОВ + + +

3 Коэффициент затухания + + +

4 Стойкость к растягивающей нагрузке + + +

5 Сейсмостойкость + + +

6 Стойкость к изгибающей нагрузке + + +

3. Метод отбора образцов

3.1. Отбор образцов кабеля для испытаний производят методом случайного отбора из партии, прошедшей приемно-сдаточные испытания и удовлетворяющей требованиям технических условий (ТУ) по которым изготавливаются оптические кабели. Количество образцов кабеля - по 3 каждого наименования одного или разных типоразмеров.

3.2. Выбор типового представителя основывается на том, что указанные в соответствии с п. 3.1 марки должны охватывать:

- все основные элементы конструкций, содержащихся в используемой группе;

- весь спектр кабелей по условиям прокладки;

- все основные применяемые материалы, используемые при изготовлении кабеля.

3.3. Полученные результаты могут быть распространены на большинство видов оптических кабелей в связи с однородностью конструкции, аналогичной технологией производства, условиями эксплуатации и применяемыми материалами.

4. Требования к показателям сейсмостойкости испытываемых кабелей.

4.1. Сейсмостойкость кабелей должна сохраняться в пределах срока службы.

5. Параметры - критерии годности.

5.1. В качестве параметров-критериев годности устанавливают: -целостность оптических волокон; -целостность оболочек оптических кабелей;

- коэффициент затухания оптических волокон в соответствии с ГОСТ Р МЭК 793-1-93 или прирост затухания, который не должен превышать 0,05 дБ/км для одномодовых ОВ и 0,1 дБ/км для многомодовых ОВ;

-другие показатели в зависимости от конструкций оптических кабелей, например, электрическое сопротивление изоляции токопроводящих жил, испытательное напряжение постоянного или переменного тока, электрическая емкость пары или жилы.

6. Требования к подготовке испытаний. 6.1. Для кабелей типа «3»

Перед началом испытаний середину образца длиной 50-1000 м. плотно монтируют в специально закрепленный контейнер (лоток) наполненный грунтом, а контейнер непосредственно на платформу вибростенда. Оставшиеся части образца сматываются жестко и закрепляются по обеим сторонам вибростенда. Кабель с обеих сторон сматывается в две бухты с внутренним диаметром не менее 20 номинальных наружных диаметров кабеля или наматывают на барабаны с диаметром шейки аналогичным диаметру бухты (рис. 1).

оХ—

л ■

Рис. 1 - Схема проведения испытаний на сейсмостойкость оптического кабеля типа «3».

1 - испытуемый образец оптического кабеля;

2 - бухта оптического кабеля;

3 - лоток с грунтом;

4 - заполнение (грунт);

5 -платформа вибростенда;

6 - фиксирующие зажимы;

7- излучатель;

8 - оптоэлектрический приемник (измеритель оптической мощности).

Выбор грунта в соответствии с ГОСТ 25100-95 основан на создании экспериментальных воздействий на конструкцию кабеля и максимальном коэффициенте трения между грунтом и оболочкой ОК. Плотность грунта в лотке должна соответствовать коэффициенту трения Ктр (Приложение 1). Если не предъявляются особы требования в качестве грунта, принимаются суглинки.

Длина лотка должна составлять (0,5-1,0) м.

6.2. Для кабелей типа «С» (прокладка внутри помещений и стационарных объектов), которые прокладываются, в основном, по несущим конструкциям.

Для испытаний образец ОК в виде бухты (длина ОК в бухте (10-15) м) размещается на платформе вибростенда и жёстко закрепляется к его поверхности (Рис.2). Перед и после платформы вибростенда, испытуемый ОК, крепится в стойки для образования двух свободно висящих полупетель, имитирующих участки ввода-вывода ОК между фиксированными точками (воздушный ввод ОК от столба в здание) и характеризующиеся наиболее вероятной деформацией.

Рис. 2 - Схема проведения испытаний на сейсмостойкость кабеля типа «С» в виде бухты.

1 - испытуемый образец оптического кабеля;

2 - бухта кабеля;

3 - оптические соединители (соединительные муфты);

4 -фиксатор кабельной бухты;

5 - платформа;

6 - фиксирующие зажимы;

7 - излучатель;

8 - оптоэлектрический приемник (измеритель оптической мощности).

6.3. Для кабелей типа «М»

ОК скручивается в бухту с внутренним диаметром не менее десятикратного допустимого радиуса изгиба и крепится на платформе вибростенда согласно (рис. 3).

Рис 3 - Схема проведения испытаний на сейсмостойкость кабеля

1 - испытуемый образец оптического кабеля;

2 - бухта кабеля;

3 - оптические соединители (соединительные муфты);

4 -фиксатор кабельной бухты;

5 - платформа;

6 - фиксирующие зажимы;

7 - излучатель;

8 - оптоэлектрический приемник (измеритель оптической мощности).

4

7. Требования к испытательному оборудованию и средствам измерений.

Контрольно-измерительная аппаратура, испытательные стенды и механизмы для проведения испытаний, имитирующих сейсмостойкость -согласно действующим нормативным документам.

8. Требования к проведению испытаний.

Образцы, подвергающие испытанию, размещаются на платформе по центру испытательного стенда. Соединитель (при его наличии) в сочленённом состоянии крепится к платформе испытательного стенда любым способом, исключающее его самопроизвольное передвижение по платформе во время воздействия вибрационных нагрузок.

8.1. Контроль параметров-критериев годности проводят в нормальных климатических условиях по ГОСТ 20.57.416-98, после выдержки при этих условиях не менее 2 ч до и после проведения испытаний.

8.2. С помощью фиксирующих зажимов кабель жестко крепится к точкам, обеспечивающим его натяжение в пределах допустимого значения в соответствии с параметрами, указанными в ТУ на тип испытуемого ОК.

8.3. Испытание проводят по плану одноступенчатого контроля при приемочном числе С=0.

9. Последовательность испытания.

9.1. После установки образца на платформу вибростенда согласно п.8 его подвергают воздействию вибрации

Испытания проводят на фиксированных частотах от 5 до 100 Гц, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Режимы сейсмических воздействий для уровня максимального расчетного землетрясения со

значением 9 баллов на отметках установки 30 -70 метров от нулевой отметки по ГОСТ 30546.1-98 приводятся в табл. 2.

Таблица 2

Режимы сейсмических воздействий на оптический кабель для уровня МРЗ 9 баллов на отметках установки от 30-70 м по шкале М8К-64

Частота, Гц 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 50 100

Амплитуда ускорения колебаний, м/с2 6,25 6,25 6,25 6,25 6,25 6Д 5,1 4,5 4,0 4,0 4,0 4,0

Время воздействия при каждой частоте составляет 2 минуты.

10.Контроль результатов испытаний

10.1. Образцы считаются выдержавшими испытания, если:

- приращение коэффициента затухания соединенных образцов после испытания не превышает 10 %;

-отсутствуют обрывы оптического волокна и повреждения контактных частей соединителей;

-не произошло самопроизвольного раскрытия соединителя во время и после окончания испытаний;

- при внешнем осмотре отсутствуют повреждения конструктивных элементов ОК.

Оценка результатов испытаний производится по стабильности оптических характеристик соединителя, а также отсутствия механических повреждений его конструкции и самопроизвольного рассоединения.

10.2.Испытания образцов оптического кабеля соединённых при помощи неразъёмных соединений - аналогично п. 10.1.

11. Требования к обработке, оформлению и оценки результатов испытаний.

11.1. Результаты испытаний оформляют протоколом установленного образца.

Разработан ведуин t «а) чный сотрудник

Г

А.Г. Корякин

Проверил

Технический директор ООО «ВНИИК11-ОПТИК»

Л.И. Ковылина

/

ЙИРОЛОГИЧЁСМЯ эксперты УЛ

М. /Л У л/Л