Brevet FR2344103A1 — publié le 19771007

L'invention est relative à un cible coaxial, c'est-àdire un câble électrique comportant un conducteur intérieur, un conducteur extérieur, entourant le conducteur intérieur et séparé de celui-ci par un matériau diélectrique, et une gaine de matière plastique entourant le conducteur extérieur, en général extrudée, L'invention porte plus particulièrement sur un cible coaxial dans lequel le conducteur extérieur est enroulé autour du matériau diélectrique de manière que ses bords avoisinants se recouvrent. Un tel câble sera appelé ci-après "câble coaxial du genre précité". On utilise couramment des câbles coaxiaux du genre précité pour les télécommunications et plus particulièrement comme câble sous-marin. On sait qu'un tel cible présente des phénomènes de vieillissement en service. Ce vieillissement se manifeste sous la forme d'une lente augmentation avec le temps de l'atténuation du cible et est particulièrement sensible dans les cibles à hautes fréquences, fonctionnant à des fréquences égales ou supérieures à 5 NHz. Ce vieillissement est attribué à la diffusion de vapeur d'eau à travers la gaine et, par conséquent, entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur, et à sa pénétration dans le matériau diélectrique. L'augmentation de la teneur en eau du matériau diélectrique se traduit par une augmentation des pertes diélectriques de ce matériau (tg ô) et par une augmentation de l'atténuation du cible.Un ruban de matière plastique est parfois prévu entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur et, dans les eaux profondes, la pression hydrostatique peut suffire à amener ce ruban à servir de Joint d'étanchéité s'opposant à la pénétratinn d'eau dans le matériau diélectrique, l'eau diffusant à travers la gaine étant ensuite séparée du matériau diélectrique par un trajet de perméabilité extrêmement faible à la vapeur d'eau. En eau peu profonde cependant, un tel ruban ne fournit pas une étanchéité satisfaisante contre la pénétration d'eau dans le matériau diélectrique. De nombreuses tentatives ont été effectuées pour arrêter la pénétration de l'eau. On a proposé de mettre une barrière métallique continue, en brasant tous les joints d'assemblage du conducteur extérieur, mais il s'est révélé impossible d'effectuer ce brasage à une vitesse comparable à celle d'extrusion de la gaine de matière plastique. Pour éviter un ralentissement de la production on a alors proposé de mettre en oeuvre une gaine de métal dont les recouvrements sont rendus étanches à l'aide d'un ciment visqueux. Nais une telle barrière de métal augmente considérablement le prix du cible et le rend plus difficile à manipuler. Le brevet anglais nO 886 417 décrit une variante de solution apportée au problème de la pénétration de l'eau, selon laquelle une feuille de métal revêtue d'un polymère est collée à la surface intérieure de la gaine du câble. Cette technique a été largement appliquée et a montré qu'elle permettait de réduire la vitesse de pénétration de l'eau d'un facteur compris entre 30 et 300 selon la qualité de la fabrication. Cependant elle augmente encore d'une manière importante le coat de la fabrication et il est évident à tout technicien qu'elle peut diminuer les contraintes de frettage entre la gaine et le conducteur extérieur avec, pour conséquence, une diminution des propriétés mécaniques désirées pour le câble. Le brevet anglais nO 1 122 076 décrit un cible coaxial du genre précité dans lequel la surface intérieure du conducteur extérieur est collée au matériau diélectrique. Ce brevet propose que la bande de métal enroulée pour former le conducteur extérieur soit préalablement revêtue d'une matière thermoplastique qui assurera son adhérence sur le matériau diélectrique, dans des conditions de température et de pression telles, précise ce document, que la résistance à la déformation de flexion du câble soit augmentée et que l'on obtienne une résistance élevée à la pénétration de l'humidité.Cependant il peut être difficile d'appliquer une température et une pression suffisantes pour assurer un collage efficace et, de plus, on n'est pas absolument certain d'obtenir une étanchéité satisfaisante tout le long du recouvrement des bords avoisinants du conducteur extérieur. L'invention a pour but de fournir, d'une manière simple mais efficace, une étanchéité contre toute pénétration d'eau à l'intérieur du matériau diélectrique et, par conséquent, selon un premier aspect de l'invention, c\e fournir un câble coaxial du genre précité présentant un joint d'étanchéité mou entre bords se recouvrant du conducteur extérieur. Le terme "mou" veut dire que le joint d'étanchéité se déformera plastiquement sous l'action d'une pression, laquelle pression peut être constituée par la contrainte de frettage seule ou augmentée d'une pression hydrostatique modérée dans le cas d'un cible immergé à une certaine profondeur, de manière à s'écouler, en le remplissant, dans tout espace compris entre les bords se recouvrant, sans s'écouler cependant d'une manière appréciable à la température atteinte lors de llextrusion de la gaine. En d'autres termes le joint d'étanchéité doit s'écouler plastiquement à la pression de service ambiante et résister à la température ambiante de fabrication. L'invention peut être appliquée en mettant en oeuvre un ruban de-matière plastique légèrement plus épais et plus mou (par exemple par addition d'un plastifiant) que celui parfois antérieurement disposé entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur. Un tel ruban pourrait absorber d'éventuelles irrégularités des bords se recouvrant et assurer une étanchéité convenable aux pressions ambiantes supérieures à environ 1,4 kg/cm. Toutefois la mise en oeuvre d'un ruban d'une épaisseur atteignant 0,05 mm a entratné une augmentation des pertes suivant les bords. En outre, lorsqu'un tel câble est lové dans des cuves, comme au cours d'essais, les faibles pertes du signal à travers l'espace compris entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur entratnent une certaine diaphonie entre couches avoisinantes du cible et ce problème d'essais peut encore s'aggraver avec un ruban plus épais. Par conséquent il est préférable que le joint d'étanchéité mou soit constitué par une cire ou une matière analogue à de la graisse, dont les caractéristiques souhaitables sont les suivantes a) le matériau d'étanchéité doit présenter une certaine plasticité aux faibles contraintes de cisaillement, b) le matériau d'étanchéité doit de préférence ne pas fondre à la température obtenue lors de l'extrusion de la gaine s'il fond1 - il doit former un liquide de très haute viscosité qui demeurera en place au cours du refroidissement de la gaine chaude, c) le matériau d'étanchéité doit présenter un coefficient de pertes diélectriques relativement faible dans toute la bande de fréquences d'utilisation du cible ; le facteur tg ô doit de préférence être inférieur à quelques centaines. Il va de soi aussi que le matériau d'étanchéité doit être compatible avec les autres matériaux utilisés dans le câble, c'est-à-dire ne pas affecter sérieusement les propriétés désirées pour ces matériaux. Un matériau, déjà utilisé dans la technique des câbles sous-marins, satisfait dans l'ensemble à ces exigences. Il comprend un polyisobutylène de masse moléculaire moyenne, gélifié par incorporation de 5 à 10% d'un polyéthylène de faible masse moléculaire et est disponible dans le commerce sous le nom de marque "Telcompound". Selon une variante, on peut utiliser un polymère dthydro- carbures de faible masse moléculaire, ou une gelée de pétrole,ou une cire molle, à laquelle est ajouté un polymère d'hydrocarbures destiné à lui donner de la rigidité et à accrortre sa viscosité à l'état fondu. Le Joint d'étanchéité peut comporter un revêtement mou, disposé sur les deux faces d'un ruban de matière plastique interposé entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur. L'utilisation d'un tel matériau peut donner lieu à deux difficultés de fabrication. Le matériau mou assurant l'étanchéité peut être aspiré hors de la région comprise entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur, par la gaine fondue au courus de l'extrusion de celle-ci. En second lieu le matériau mou peut tendre à s'étaler et, par exemple, à contaminer la tête d'extrusion de la gaine. Pour y remédier, le câble peut être muni d'une feuille qui recouvre les bords se recouvrant du conducteur extérieur. Cette feuille, de préférence, est réalisée en un métal tel que l'aluminium ou le cuivre. La feuille peut se présenter sous forme de bande dirigée le long des régions de recouvrement ou peut être enroulée hélicoidalement, de manière à se recouvrir elle-même. Selon un second aspect de l'invention, un procédé pour réaliser un cible coaxial du genre précité consiste à assurer l'étanchéité entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur à l'aide d'un matériau mou. L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide de certains de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexes dans lesquels - la figure 1 représente graphiquement, en fonction de la profondeur d'immersion, le vieillissement d'un câble coaxial du genre précité - la figure 2 est une coupe transversale schématique d'un câble, du genre précité, antérieurement connu - la figure 3 est une coupe transversale schématique d' un câble conforme à l'invention et - la figure 4 est une coupe transversale schématique d'une variante de câble coaxial conforme à l'invention. La figure 1 illustre graphiquement le vieillissement d'un cabale sous-marin du genre précité. Les points qui y sont portés proviennent d'essais de câbles effectués un certain temps après leur pose. Les abscisses représentent, en mètres, la profondeur moyenne d'immersion du câble et les ordonnées expriment, en pour cents, l'augmentation d'atténuation du câble à sa fréquence d'utilisation la plus élevée. Les points désignés par a sont relatifs à des mesures effectuées à une fréquence de 14 MEz sur un câble posé depuis deux ans et demi. Dans tous les cas le câble comporte un ruban de matière plastique interposé entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur (comme représenté sur la figure 2 et décrit cidessous). A l'aide des points a on peut tracer une droite qui coupe l'axe des abscisses en un point correspondant à une valeur un peu inférieure à 70 m, ce qui indique que le ruban assure l'étanchéité le long des bords se recouvrant, jusqu'à cette profondeur. Les points désignés par b correspondent à des mesures effectuées au bout de cinq ans sur un câble du type "humide". Le conducteur extérieur de ce câble est constitué par du cuivre enroulé hélicoldalement et est entouré, non par une gaine de matière plastique, mais par du jute et une cuirasse métallique. Dans ces conditions la résistance à la pénétration de l'eau est moindre et on remarquera que le vieillissement est, dans tous les cas, beaucoup plus prononcé. La dispersion présentée par les points b doit être attribuée aux variations d'épaisseur de 11 enroulement hélicoldal de cuivre, du fait que celui-ci est soumis à une torsion dans un sens ou dans l'autre lors de la pose du câble, et, contrairement au cas des points a, le vieillissement n'est apparemment pas fonction de la profondeur d'immersion du cible. Un autre câble (autre que celui correspondant àla figure 1) fournit une augmentation de 0,45 de l'atténuation au bout de cinq ans à une profondeur moyenne de 150 m. En outre, deux câbles du genre de ceux correspondant aux points a, munis d'un ruban de matière plastique interposé entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur, n'ont présenté aucune tendance au vieillissement au bout de deux ans et demi, à des profondeurs moyennes respectives de 900 m et de 500 m. I1 est donc évident que lorsqu'on prévoit un ruban de matière plastique entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur, le problème du vieillissement est le plus prononcé en eau peu profonde. La figure 2 représente le genre de câble correspondant aux points a de la figure 1. Ce câble comporte une âme 12 constituée d'un certain nombre de fils d'acier sur lesquels est placé le conducteur intérieur. Le conducteur intérieur est intimement entouré par une couche de matériau diélectrique 14, autour de laquelle est enroulé le conducteur extérieur 16. Le conducteur extérieur 16 est constitué par une bande de métal enroulée circonférentiellement autour du matériau diélectrique 14 de telle manière que les bords avoisinants 16a, 16b du conducteur extérieur se recouvrent, en direction périphérique, suivant la longueur du câble. Un ruban allongé de matière plastique 18 est disposé entre les bords se recouvrant 16a et 16b du conducteur extérieur et une gaine de matière plastique 20 est extrudée sur l'ensemble ainsi constitué. il y a lieu de noter que les espaces compris entre le matériau diélectrique 14, le conducteur extérieur 16, le ruban de matière plastique 18 et la gaine 20 ont été représentés à une échelle exagérée sur la figure 2 pour une meilleure lisibilité de celle-ci. La gaine 20 permet la diffusion de la vapeur d'eau et il y a lieu de noter qu'il existe des interstices entre le ruban de matière plastique 18et les bords se recouvrant 16a et 16b du conducteur extérieur 16, de sorte que l'eau diffusée peut pénétrer dans le matériau diélectrique 14. Le calcul indique qu'un interstice de 0,0025 mm permettrait déjà une pénétration d'eau dans le matériau diélectrique en quantité suffisante pour produire un vieillissement du câble tel que celui représenté par la ligne 10 sur la figure 1. La figure 3 montre comment l'invention cherche à surmonter cette difficulté. Sur cette figure on a utilisé les mêmes références numériques que sur la figure 2 pour désigner les éléments ànalogues. On voit qu'il n'est pas prévu de ruban de matière plastique entre les bords se recouvrant 16a, 16b du conducteur extérieur 16 et qu'à la place d'un tel ruban est prévu un joint d'étanchéité mou 22 ; ce joint mou 22 est constitué-par unpoly- isobutylène de masse moléculaire moyenne gélifié par incorporation de 5 à 10 d'un polyéthylène de faible masse moléculaire.Ici encore les dimensions des interstices formés entre les éléments du câble ont été exagérés pour une meilleure lisibilité de la figure, mais il y a lieu de noter que l'espace compris entre les bords se recouvrant 16af 16b du conducteur extérieur 16 est complètement rempli par le Joint mou 22, ce qui fournit une barrière contre toute pénétration d'eau dans le matériau diélectrique 14. Il y a peu de chances que ce joint mou 22 arrête vraiment absolument toute pénétration d'eau du fait que sa perméabilité est inévitablement non absolument nulle. En'effet, la perméabilité des matériaux appropriés pour la confection de ce joint est vraisemblablement supérieure, de deux ordres de"grandeur, à celle d'une matière plastique solide telle qu'un polypropylène. Néanmoins des matériaux d'étanchéité appropriés sont à leur tour moins perméable d'au moins deux puissances de dix qu'un simple interstice, comme celui dont on disposait Jusqu'à présent,et la diminution, qui en résulte, de la transmission de vapeur d'eau doit limiter le vieillissement du câble à un faible niveau acceptable. Evidemment, en réalité le câble ne présente pas des interstices aussi importants que ceux indiqués sur la figure 3. En fait la gaine extrudée 20 se contracte sur l'ensemble et la contrainte qui en résulte amène, dans la plupart des cas, le matériau d'étanchéité constituant le joint mou 22 à s1 écouler plastiquement dans l'espace compris éntre les bords se recouvrant 16a, 16b du conducteur extérieur 16 et à remplir cet espace. Un écoulement plastique supplémentaire, éventuellement nécessaire, du matériau d'étanchéité sera assuré par la pression hydrostatique de l'eau dans laquelle le câble est installé. Evidemment si le cible n'était pas utilisé dans un milieu sous-marin il serait judicieux de faire en sorte que la contraction de la gaine soit à elle seule suffisante pour assurer une étanchéité correcte entre les bords se recouvrant 16a, 16b du conducteur extérieur 16. Bien qu'on n'ait pas représenté de ruban de matière plastique sur la figure 3, il y a lieu de noter qu'un Joint d'étanchéité mou pourrait être constitué par un tel ruban de matériau approprié. Selon une variante les deux faces d'un ruban de type connu usenn être revêtues d'un matériau d'étanchéité mou, ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 4. Sur la figure 4 un ruban de matière plastique 18, disposé entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur 16zest revêtu, sur ses deux faces, du matériau commercialisé sous la marque "Telcompound". Dans ces conditions le ruban muni de ces revêtements constitue un joint d'étanchéité mou entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur. Le câble est cependant modifié par la mise en oeuvre d'une feuille de métal 24 qui recouvre les bords se recouvrant du conducteur extérieur 16. Cette feuille 24 empêche le matériau d'étanchéité mou de s'échapper d'entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur, ce qui détruirait l'étanchéité du Joint mou ou contaminerait la tête utilisée pour l'extrusion de la gaine 20. La feuille 24 augmente aussi dans une certaine mesure la résistance à la pénétration d'eau dans le diélectrique 14. Tout spécialiste de cette technique p o u r r a concevoir un procédé de fabrication de câbles conformes à l'invention. Par exemple le conducteur extérieur est enroulé, de manière usuelle, à l'aide d'une machine de formage appropriée et des buses chauffées permettent de déposer une bande de matériau d'étanchéité mou sur l'un des bords, ou sur les deux, du conducteur extérieur avant que ces bords soient amenés finalement à se recouvrir. Selon une variante, on peut modifier le procédé connu de fabrication d'un câble comportant un ruban de matière plastique entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur, en prérevêtant ce ruban par passage dans un bain chaud de matériau d'étanchéité mou. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. Par exemple on peut utiliser comme matériau d'étanchéité mou un matériau électriquement conducteur, qui assure alors la continuité électrique entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur. Dans ce cas il faut prendre soin d'empêcher toute infiltration de matériau d'étanchéité qui donnerait une surface intérieure irrégulière au conducteur extérieur. En particulier pour une utilisation en eau relativement profonde on pourrait utiliser comme matériau d'étanchéité mou un métal ou un alliage de métaux, à la fois pour assurer une étanchéité absolument hermétique et pour compléter la connexion électrique du conducteur extérieur. On pourrait utiliser par exemple l'indium, en couche sélectivement disposée, ne dépassant pas-0,0025 mm d'épaisseur ou une couche probablement plus épaisse de plomb ou de bismuth. Une brasure étain/plomb pourrait être utilisée comme joint d'étanchéité plus que comme joint d'assemblage mécanique. REVENDICATIONS 1. Cabale coaxial comportant un conducteur intérieur, un conducteur extérieur, entourant le conducteur intérieur et séparé de celui-ci par un matériau diélectrique, et une gaine de matière plastique entourant le conducteur extérieur,en général extrudée,dans le- quelleconducteur extérieur est enroulé autour du matériau diélectrique de manière que ses bords avoisinants se recouvrent, lequel câble coaxial est caractérisé en ce qu'un joint d'étanchéité mou est disposé entre les bords se recouvrant du conducteur extérieur. 2. Câble coaxial selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint mou est constitué par une cire ou un matériau de la nature d'une graisse. 3. Câble coaxial selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une feuille métallique qui recouvre les bords se recouvrant du conducteur extérieur (16).