Brevet FR2475238A1 — publié le 19810807

Câble à fibres optiques, étanche à l'eau, et procédé et dispositif de fabrication de ce câble La présente invention concerne un câble à fibres optiques compre- nant au moins une structure cylindrique dans laquelle les fibres sont logées dans des alvéoles entourés par une gaine en matériau plastique. Elle s'étend en outre à un procédé et à un dispositif de fabrication d'un tel câble. On désire souvent disposer de câbles de communication pour des applications sous-marines, résistant à la fois à la pression de l'eau et à des efforts mécaniques survenant au cours de la pose ou même en service. Les câbles à fibres optiques présentent vis-à- vis des câbles habituels à conducteurs électriques les avantages d'un affaiblissement réduit, d'une grande bande de fréquences trans- mises et d'un poids plus faible. On connaît déjà par la demande de brevet français 2 393 503 de la Société Les Câbles de Lyon des câbles comportant des fibres optiques logées dans des alvéoles fermés, creusés dans une structure cylindrique ou formée de tubes en matériau thermoplastique soudés ensemble, ces alvéoles étant parallèles à l'axe de la structure cylin- drique ou enroulés en hélice autour de cet axe. Toutefois ces alvéoles étaient remplis d'air, de sorte qu'une rentrée d'eau due à une lésion accidentelle de la structure pouvait se propager très loin sans obstacle et perturbait gravement le fonctionnement du câble. Il était également connu de noyer des fibres optiques dans des matériau visqueux tels que le polybutène, mais seulement sur des fibres optiques enroulées en faisceaux dans une structure ouverte, une gaine externe étant appliquée sur le tout après avoir noyé les fibres dans le matériaux visqueux, ce qui compliquait les opérations de fabrication et comportait le risque d'emprisonnement d'air entre les fibres, et par suite d'un - cheminement relativement facile de l'eau. Le but de la présente invention est de procurer un câble à fibres optiques comprenant au moins une structure cylindrique dans laquelle les fibres sont logés dans des alvéoles entourés par une gaine en matériau plastique, mais dans laquelle la présence d'espaces vides au voisinage des fibres soit exclue par le processus de fabrication, - 2 - de sorte qu'il ne présente aucune possibilité de cheminement longitu- dinal de l'eau ayant pu pénétrer par une lésion du câble. Le câble selon l'invention est caractérisé en ce que les alvéoles de la structure cylindrique sont entièrement remplis d'un matériau visqueux. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des carac- téristiques suivantes: - Il comprend plusieurs structures cylindriques enroulées en hélice autour d'un noyau central formé de torons de fils à résistance élevée à la traction. - Il comprend une structure cylindrique axiale et six autres structures cylindriques enroulées en hélice autour de la structure axiale. - La structure cylindrique est entourée d'un matelas amortisseur formé de rubans de tissu ou feutre de fibres de verre ou de matière plastique. - Le matelas amortisseur est entouré d'une armure de fils à résistance élevée à la traction, bobinés hélicoidalement en deux couches à pas inverses.- - Le matelas amortisseur est entouré d'une armure formée de fils d'acier de section droite en forme de V, imbriqués les uns dans les autres, recouverte elle-même d'une gaine extérieure en matière plas- tique ou élastomère. L'invention s'étend en outre à un procédé de fabrication d'un câble tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'on introduit des fibres optiques dans des tubes interrompus sur une certaine longueur, en ce que l'on injecte un matériau visqueux sous pression dans lesdits tubes, de façon que ledit matériau visqueux vienne remplir les tubes autour des fibres optiques, en ce que l'on fait sortir les fibres optiques entourées de matériau visqueux à l'extrémité desdits tubes, en ce que l'on extrude simultanément autour de celles-ci par un orifice annulaire un matériau thermoplastique sous une pression suffisante pour noyer complètement lesdites fibres entourées de matériau visqueux, et en ce que l'on refroidit rapidement la structure cylindrique ainsi obtenue. De préférence, l'on injecte le produit visqueux et l'on extrude - 3 - le matériau thermoplastique sous des pressions relatives telles que l'on évite tout gonflement radial du matériau thermoplastique avant son refroidissement, et que l'on assure un remplissage uniforme en produit extrudé autour des fibres optiques entourées de matériau visqueux. De préférence encore, l'on asservit la vitesse d'avance de la structure cylindrique refroidie à la vitesse d'introduction des fibres optiques nues. L'invention s'étend encore à un dispositif de mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte cylindrique interne à extrémité avant conique formant poinçon et fond arrière, des tubes de guidage des fibres optiques et parallèles à l'axe de l'enceinte cylindrique interne, traversant le fond arrière et l'extrémité avant conique, et interrompus longitudinalement pour l'introduction à leur intérieur d'un matériau visqueux, un conduit d'alimentation en matériau visqueux débouchant dans ladite enceinte interne, une enceinte cylindrique externe d'alimentation en matériau thermoplastique fondu, se terminant à l'avant par une filière conique entourant ledit poinçon de l'enceinte cylindrique interne, et un conduit d'alimentation en matériau thermoplastique débouchant dans ladite enceinte externe. De préférence le dispositif comprend en outre des moyens d'asser- vissement de la vitesse d'avance de la structure cylindrique refroidie à la vitesse d'introduction des fibres optiques nues dans l'enceinte interne. Il est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des câbles sous-marins à fibres optiques et des procédés et appareils de fabrication de structures cylindriques constitutives de tels câbles. La figure 1 représente en coupe transversale un câble à noyau central porteur et quatre structures alvéolées. La figure 2 représente en coupe transversale un câble à sept structures alvéolées. La figure 3 représente en coupe transversale un câble à armure interne indéformable sous l'effet de la pression de l'eau. 2475238. - 4- La figure 4 représente en perspective avec coupe diamétrale partielle un appareil de fabrication d'une structure cylindrique à alvéoles entourant les fibres optiques remplis d'un matériau visqueux. La figure 5 représente en coupe diamétrale un appareil analogue à celui de la figure 4, muni de dispositifs d'alimentation en matériau visqueux et en matériau thermoplastique de gainage. La figure 1 représente un câble de forage pétrolier comportant, en allant du centre vers la périphérie du câble: - un noyau central porteur 1 formé de torons de fils d'acier ou de fils de polyester ou de polyamide aromatique à haute résistance à la traction, telle que la polyamide "Kevlar" vendue par la Société du Pont de Nemours, - autour de ce noyau, plusieurs structures alvéolées telles que 2, 3, 4, contenant des fibres optiques 8 logées dans les alvéoles 9 remplis d'un matériau tel que le polybutène. L'ensemble est contenu dans le matériau thermoplastique 10, par exemple du polyéthylène ou une polyamide telle que celle commercialisée sous la marque "Nylon" par la société du Pont de Nemours. Ces structures sont enroulées en hélice autour du noyau central 1, - un matelas amortisseur 5 formés de rubans de tissu de verre enroulés en hélice autour de l'âme du câble, - une double armure formée de fils d'acier à haute résistance répartis en deux couches 6 et 7 superposées enroulées à pas inverses. Dans la variante représentée en figure 2, le porteur central du câble est remplacé par la structure alvéolée 1i formée de fibres optiques noyées dans un matériau de remplissage visqueux, l'ensemble étant enrobé dans un matériau thermoplastique, comme les structures 2, 3, 4 de la figure 1. Cette structure axiale est entourée de six autres structures identiques 2, 3, 4,... de même diamètre qu'elle, mutuel- lement tangentes et enroulées en hélice autour d'elle. L'espace dispo- nible est ainsi rempli au maximum. Le matelas amortisseur 5 et les couches 6 et 7 d'armure sont identiques à ceux de la figure 1. La figure 3 représente une autre variante de câble sous-marin à fibres optiques selon l'invention. Dans ce câble, une structure cylindrique unique, à fibres optiques 8 disposées dans des alvéoles fermés 9 remplis d'un matériau visqueux, eux-mgmes noyés dans un - 5 - matériau thermoplastique 10, est recouverte d'un matelas 5 formé de rubans de soie de verre enroulés en hélice, puis d'une armature 15 formant vo te constituée par des fils d'acier 16 profilés en forme générale de Ve imbriqués les uns dans les autres de façon à former une structure indéformable sous les effets de la pression de l'eau. Le tout est recouvert d'une gaine extérieure 17 en polyéthylène. Dans la figure 4, l'appareil de formation d'une structure alvéolée est alimenté en fibres optiques nues ou gainées 21 provenant d'une ou plusieurs bobines de stockage placées en amont, non représentées. L'appareil de remplissage et d'extrusion 22 comporte une série de tubes 23 placés concentriquement ou parallèlement par rapport à son axe, et entourés de l'enveloppe cylindrique externe 25 fermée à ses deux extrémités. A l'arrière, la cloison plane 26 est traversée par les tubes. A l'avant, l'embouchure conique 27 est également traversée par les tubes, qui viennent légèrement en saillie au-delà de son extrémité. Un tube central 23A, non interrompu est prévu pour le passage d'un élément métallique interne 23B, destiné à assurer la résistance mécanique du câble. Il débouche au ras de l'extrémité de l'embouchure conique 27. La paroi latérale de l'enveloppe 25 est traversée par la tubulure 28 d'alimentation en matériau de remplis- sage à l'état liquide, par exemple de polybutène. L'extrémité avant 27 constitue le nez d'un poinçon incorporé au dispositif d'extrusion. L'enveloppe extérieure 29 se referme côté amont sur l'enveloppe interne 25 et se termine côté aval par un filière conique 30 coaxiale au poinçon 27. Elle est reliée par une tubulure latérale 31 à une extrudeuse, non représentée, d'alimentation en matériau thermoplastique fondu (polyéthylène, polyamide, etc....) qui forme le gainage des alvéoles. La structure formée est représentée schématiquement en 34. La figure 5 représente schématiquement l'ensemble de l'appareil- lage. Le touret 20 approvisionne l'appareil en fibres optiques (une seule fibre 21 étant représentée pour plus de clarté). La buse d'entrée 31 du tube 22 guide la fibre à son entrée dans l'appareil de remplis- sage et d'extrusion. L'alimentation en matériau de remplissage des alvéoles par l'interruption des tubes 23 est effectuée par le pistolet chauffant 32 débouchant dans le tubulure 28 pénétrant à l'arrière de l'enveloppe 25. - D'autre part, le matériau thermoplastique fondu refoulé par 2475238.:- - 6 - la machine à extruder ou boudineuse 33 à vis 35 pénètre par le tubu- lure 31 dans l'espace entre le poinçon 27 et la filière 30 pour cons- tituer la structure cylindrique plastique 34 dans laquelle est formé l'alvéole 36 de logement de la fibre 21, entièrement rempli de matériau visqueux au cours du passage de la fibre dans l'enveloppe interne 25. Pour que ces opérations s'effectuent correctement, il est bon de respecter plusieurs conditions: - la pression d'injection du matériau visqueux doit être choisie de façon à éviter un gonflement radial du matériau thermoplastique chaud à sa sortie de l'ensemble poinçon-filière. - il convient d'effectuer un refroidissement immédiat et énergique du matériau thermoplastique à la sortie de l'ensemble poinçon-filière pour réduire les retraits longitudinal et radial du matériau à une valeur acceptable, par exemple à l'aide d'un dispositif connu d'arrosage à l'eau (non représenté) - il convient d'égaliser les vitesses d'avance de la fibre optique nue ou protégée de la bobine de stockage, à celle de la structure extrudée complètement refroidie, au moyen d'un dispositif connu en lui-même d'asservissement de la vitesse linéaire du produit extrudé froid à la vitesse de déroulement de la fibre (non représenté). Bien que les variantes de réalisation de câble, et le procédé et le dispositif de fabrication décrits en référence aux figures du dessin, paraissent les formes préférable de mise en oeuvre de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'ouverture, certains de leurs organes ou opérations pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient le même rôle technique. - 7 - REVENDICATIONS 1/ Câble à fibres optiques, comprenant au moins une structure cylin- drique (2, 3, 4 ---) dans laquelle les fibres (8) sont logées dans des alvéoles (9) entourés par une gaine (10) en matériau plastique, caractérisé en ce que lesdits alvéoles sont entièrement remplis d'un matériau visqueux. 2/ Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs structures cylindriques enroulées en hélice autour d'un noyau central (1, fig. 1) formé de torons de fils à résistance élevée à la traction. 3/ Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une structure cylindrique axiale (11, fig.2) et six autres structures cylindriques (12, 13, 14, ---) enroulées en hélice autour de la struc- ture axiale. 4/ Câble selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite structure cylindrique est entourée d'un matelas amortisseur (5, 15) formé de rubans de tissu ou feutre de fibres de verre ou de matière plastique. / Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matelas amortisseur est entouré d'une armure de fils à résistance élevée à la traction, bobinés hélicoldalement en deux couches (6, 7) à pas inverses. 6/ Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matelas amortisseur est entouré d'une armure (15, fig.3) formée de fils d'acier (16) de section droite en forme de V, imbriqués les uns dans les autres, recouverte elle-même d'une gaine extérieure (17) en matière plastique ou élastomère. 7/ Procédé de fabrication d'un câble selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on introduit des fibres optiques dans des tubes interrompus sur une certaine longueur, en ce que l'on injecte un matériau visqueux sous pression dans lesdits tubes, de façon que ledit matériau visqueux vienne remplir les tubes autour des fibres optiques, en ce que l'on fait sortir les fibres optiques entourées de matériau visqueux à l'extrémité desdits tubes, en ce que l'on extrude simultanément autour de celles-ci par un orifice annulaire un matériau thermoplastique sous une pression suffisante pour noyer complètement lesdites fibres entourées de matériau visqueux, et en ce que l'on refroidit rapidement la structure cylindrique ainsi obtenue. 8/ Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on injecte le produit visqueux et l'on extrude le matériau thermoplastique sous des pressions relatives telles que l'on évite tout gonflement radial du matériau thermoplastique avant son refroidissement, et que l'on assure un remplissage uniforme en produit extrudé autour des fibres optiques entourées de matériau visqueux. 9/ Procédé selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que l'on asservit la vitesse d'avance de la structure cylindrique refroidie à la vitesse d'introduction des fibres optiques nues. / Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendi- cations 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte cylin- drique interne (25, fig.4) à extrémité avant conique (27) formant poinçon et fond arrière (26), des tubes (23) de guidage des fibres optiques et parallèles à l'axe de l'enceinte cylindrique interne, traversant le fond arrière et l'extrémité avant conique, et interrompus pour l'introduction à leur intérieur d'un matériau visqueux, un conduit (28) d'alimentation en matériau visqueux débouchant dans ladite enceinte interne, une enceinte cylindrique externe (29) d'alimen- tation en matériau thermoplastique fondu, se terminant à l'avant par une filière conique (30) entourant ledit poinçon de l'enceinte cylindrique interne, et un conduit (31) d'alimentation en matériau thermoplastique débouchant dans ladite enceinte externe. 11/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'asservissement de la vitesse d'avance de la structure cylindrique refroidie à la vitesse d'introduction des fibres optiques nues dans l'enceinte interne.