Brevet FR2511161A1 — publié le 19830211

La présente invention concerne un câble optique destiné à supporter notamment des pressions élevées combinées éventuellement avec d'autres facteurs d'environnement hostiles. Les caractéristiques extrêmement intéres- santes des fibres optiques ont favorisé le développement de c&bles à fibres optiques pour la transmission de signaux télé- phoniques, de signaux vidéo sous forme numérique etc En géné- ral, de tels câbles à fibres optiques sont enfouis dans le sol à la manière de câbles habituels Les problèmes qui se posent à de tels câbles bien qu'étant particuliers du fait de la nature particulière des fibres optiques, ne sont pas insurmon- tables. Il existe d'autres applications dans lesquelles les problèmes sont plus délicats En effet, il serait intéressant d'utiliser des câbles à fibres optiques pour la transmission de signaux vidéo numériques entre des caméras d'exploration ou de surveillance sous-marines et les systèmes d'exploitation des signaux (écrans vidéo, enregistreurs, etc), par à bord de navires d'exploration sous-marine pour la recher- che de nodules polymétalliques ou les exploitations de forages pétroliers en mer etc Dans de telles conditions d'utilisation, le câble à fibres optiques,immergé est vertical et supporte une charge telle que des caméras de télévision, des projecteurs, les moyens de commande de mouvement des projecteurs et des téléviseurs, et enfin le câble comporte les conducteurs élec- triques pour l'alimentation de ces appareils. Dans ces conditions, le cable doit satis- faire aux exigences suivantes: il doit être protégé contre la corrosion, pouvoir soutenir non seulement son poids mais également des charges, comporter des conducteurs électriques pour alimenter l'appa- reillage en bout de câble, protéger les fibres optiques contre toutes les contraintes de pression qui en détérioreraient considérablement les caractéristiques de transmission optique. être suffisamment souple pour pouvoir être enroulé. Les câbles à fibres optiques actuellement connus sont de deux types: les cables à fibres captives et les câbles à fibres libres Les fibres ellesmêmes sont en général des fibres optiques dites 50/125, c'est-à-dire une fibre optique dont le diamètre de coeur est de 50 microns et le diamètre de gaine (ou cladding) est de 125 microns. Les câbles à fibres captives sont consti- tués par plusieurs fibres entourées chacune d'une masse de pro- tection, et les diverses fibres ainsi enrobées sont réunies par un matériau de liaison de façon à constituer un jonc unique, les fibres ayant une certaine mobilité à l'intérieur du jonc, grâce à leur enrobage L'ensemble du câble est muni d'un ruba- nage extérieur. Le second type de câbles optiques dits à fibres libres se compose d'un jonc muni d'une âme centrale, ce jonc comporte des alvéoles périphériques en forme de rainures hélicoïdales dont la section est beaucoup plus importante que la section des fibres optiques Dans chaque alvéole ainsi formée, on place une fibre optique en la laissant libre c'est-à-dire de façon que la longueur de la fibre soit légèrement supérieure à la longueur de l'alvéole Lorsque le câble est ainsi soumis à des efforts de traction, ces efforts ne se répercutent pas (dans certaines limites) sur les fibres. Chacun des deux types de cables présente des avantages et des inconvénients, le premier type de câbles ayant l'avantage d'8 tre d'une fabrication plus simple que le second câble. Le second type de cable est intéressant par son faible encombrement, ses excellentes caractéristiques notamment lorsqu'il n'est pas utilisé et mis en place comme un câble habituel mais au contraire est utilisé comme câble mobile ou comme câble risquant d'être soumis à des contraintes de traction, de compression ou de température. La présente invention a pour but de créer un câble de transmission optique de faible poids qui soit non seulement auto-porteur mais puisse également accepter une charge, un câble qui soit souple,puissefonctionner sous des pressions élevées, qui comporte un nombre relativement élevé de fibres optiques pour la transmission d'une quantité importante d'infor- mations et sur des distances relativement grandes. A cet effet, l'invention concerne un câble de transmission optique, souple, destiné à un service sous pression, câble caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins un câble élémentaire comprenant des fibres optiques dis- posées dans un support cylindrique circulaire et entouré par au moins un feuillard rubané assurant un recouvrement supérieur à 100 %, ce feuillard étant lui-même entouré par une gaine d'étanchéité, le ou les câbles élémentaires étant eux-mêmes entourés par des moyens porteurs, des moyens de protection méca- niques et des moyens conducteurs d'électricité. Suivant une autre caractéristique, l'épaisseur du ou des feuillards de rubanage et le rayon de rubanage sont liés par la formule suivante: Pc= E 2 e)3 4 ( 1-e) R relation dans laquelle: Pc = pression critique de flambage E = module d'élasticité du matériau des feuillards, t 4 V = coefficient de Poisson du matériau des feuillards, e = épaisseur du feuillard, R = rayon moyen sur lequel est rubané le feuillard le plus extérieur. Dans le câble élémentaire, le ou les feuillards rubanés avec un recouvrement global supérieur à 100 % en combinaison avec la gaine d'étanchéité assurent la résistance au flambage jusqu'à la pression critique, dans des conditions optimales de réalisation de fonctionnement et de coût En effet grâce au recouvrement et à la gaine, il n'est pas nécessaire de réaliser un tube fermé entourant le support et les fibres optiques, ce qui serait très coûteux et ne donnerait pas de câble souple Or, cette souplesse est indispensable à la fois pour un câble élémentaire utilisé seul ou de façon câblée avec d'autres câbles élémentaires. Suivant une caractéristique avantageuse, le support des fibres optiques est entouré par deux feuillards rubanés chacun suivant un même pas très court, en laissant un faible intervalle, les deux feuillards étant rubanés dans le mime sens et suivant un recouvrement précis, l'intervalle (des joints) de chacun des feuillards coïncidant de préférence avec la ligne médiane longitudinale de l'autre feuillard et la lar- geur des joints étant notablement inférieure à la largeur des feuillards. Comme en général, un jonc muni d'alvéoles garnies de fibres optiques libres (une ou plusieurs fibres par alvéole) constitue le mode de réalisation le moins encombrant, cela réduit le rayon de rubanage R et par suite l'épaisseur e des feuillards, pour une même pression critique. Le rejet des moyens porteurs, des tresses, des conducteurs, à l'extérieur des câbles élémentaires permet de réduire le poids en diminuant la quantité de feuillards utilisés pour le rubanage, d'améliorer ainsi la protection des fibres optiques, d'éviter toute surcharge et de permettre l'ob- tention d'un câble qui non seulement est auto-porteur mais peut également recevoir une charge et cela avec un nombre minimum d'éléments porteurs L'invention permet de simplifier la fabri- cation, de réduire le coût et d'obtenir un càble plus souple. Il n'est de ce fait pas nécessaire d'entourer avec du feuillard rubané, l'ensemble que constituerait le support des fibres optiques, les moyens porteurs, les conducteurs etc, c'est-à-dire des éléments qu'il est inutile de protéger contre les pressions m 8 mes importantes du milieu dans lequel se trouve le câble. De plus, comme les moyens porteurs tels que des brins d'acier ou autre peuvent être isolés ou protégés séparément, il est inutile de prévoir une gaine coûteuse entou- rant l'ensemble du câble. Suivant le m 9 me principe, en application notamment de la formule liant la pression critique à l'épais- seur et au rayon de rubanage et en tenant compte des conditions relatives à la fabrication des supports des fibres, on peut déterminer pour un nombre donné de fibres optiques, le nombre optimum de câbles élémentaires entre lesquels il faut répartir ces fibres. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe trans- versale schématique d'un câble élémentaire selon l'invention. les figures 2 a, 2 b, 2 c, 2 d sont diverses coupes axiales schématiques de cables élémentaires selon l'in- vention, ne représentant que la disposition des feuillards. la figure 3 est une vue de face partielle montrant la disposition de feuillards rubanés dans des sens opposés, et de poids quelconque, n'assurant pas la couverture optique requise selon l'invention. la figure 4 est une vue en coupe d'un exemple pratique de câble selon l'invention avec deux feuillards rubanés en hélice. la figure 5 est une demi-coupe axiale d'un câble selon la figure 4. la figure 6 est une vue de face du câble selon les figures 4 et 5 avant la mise en place de la gainé extérieure. la figure 7 est une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation d'un câble selon l'invention. -La-coupe de la figure 1 montre un câble dont la partie centrale 1 est constituée par le jonc de support et les fibres optiques non représentés en détail Cette partie centrale 1 est entourée par un premier feuillard de rubanage 2 laissant entre les spires un intervalle déjoint 3 (dont la lar- geur est exagérée à la figure) Ce feuillard 2 est lui-m 9 me entouré d'un autre feuillard 4 laissant entre ses bords un in- tervalle déjoint 5 Enfin l'extérieur de l'ensemble 1-5 est entouré par une gaine d'étanchéité 6 de matière synthétique. Les feuillards ou rubans 2, 4 sont enrou- lés en hélice autour de la partie centrale 1, dans le meme sens, Comme dans l'exemple de la figure 2 a, les feuillards 2, 4 sont chaque fois décalés d'une demi-largeur de rubanage de façon que l'intervalle 3 du feuillard 2 soit situé au milieu de la largeur du feuillard 4 et que de la même manière l'intervalle 5 entre les bords des spires du feuillard 4 chevauche le milieu du feuillard 2 qui se trouve en-dessous. De façon générale, bien que les diffé- rents feuillards laissent entre leurs spires un intervalle, le rubanage à l'aide des feuillards, est tel que la surface de câble occupée par les feuillards représente un recouvrement dit recouvrement optique qui est supérieur à 100 % de la surface. Selon la théorie de la résistance des matériaux, on établir en premier approximation, que lorsqu'une pression s'exerce extérieurement sur le câble ainsi réalisé (sans tenir compte de la gaine 6), le rubanage 2, 4 commence à flamber lorsque l'on atteint la pression critique Pc donnée par la formule suivante Pc =_E 2 e)3 4 ( 1->') R Dans cette formule: E = module d'élasticité du matériau du feuillard, = coefficient de Poisson du matériau du feuillard, e = épaisseur du feuillard, R = rayon moyen sur lequel le feuillard est enrubanné,- Pc = pression critique. A titre d'exemple pour une partie inté- rieure de cible d'un diamètre d'environ 2,25 mm et pour un feuil- lard d'acier d'une épaisseur de 0,1 mm, la pression critique Pc calculée est de l'ordre de 350 bars. De façon schématique outre que la pres- 2- sion dépend du rapport E/4 ( 1->*) c'est-à-dire des paramètres dépendant du matériau, la pression critique Pc dépend de façon importante du rapport épaisseur/rayon de rubanage. Il est donc intéressant d'avoir un rayon de rubanage aussi faible que possible pour ne pas etre obligé d'augmenter l'épaisseur e (pour une même pression critique) et par suite aboutir à un poids de matériau de rubanage constituant une charge prohibitive pour le câble. Divers exemples de rubanage seront décrits ci-aptès à l'aide des figures 2 a-2 d. Ces figures ne montrent qu'une faible longueur du rubanage, le câble étant coupé axialement (axe xx). la figure 2 a correspond à un rubanage dans lequel les intervalles 3, 6 entre les bords des spires d'un même ruban 2, 4 se trouvent chaque fois recouverts par une- spire de l'autre ruban 4, 2. La figure 2 b montre un premier type de rubanage par chevauchement: le feuillard 7 se chevauche chaque fois par ses moitiés 7 a, 7 b pour arriver à l'épaisseur appropriée tout en ne laissant subsister que des joints 7 c très faibles sans risque de fluage de la gaine à travers ces joints dans un environnement à haute pression. La figure 2 c montre un double rubanage dans lequel le ruban intérieur 8 est plus large que les rubans extérieurs 9 et 10 dont les intervalles de jonction 9 ', 10 ' se trouvent chaque fois au niveau d'une spire du ruban 8. 251 i 161 La figure 2 d correspond à la disposition inverse du mode de réalisation de la figure 2 c en ce que les -rubans les moins larges 11, 12 sont situés à l'intérieur et sont recouvertes par le ruban le plus large 13. La figure 3 est une vue coupée d'un câble sans gaine, comportant trois rubans 14, 15, 16, posés avec des angles de rubanage différents et opposés, et montrant une zone A non couverte, c'est-à-dire laissant apparaître la partie centrale. Les vues en coupe des figures 4 et 5 montrent un mode de réalisation particulier d'un câble selon l'invention Dans ce câble, la partie centrale est constituée par un membre central 17 entouré par un matériau par exemple de la matière synthétique formant le corps 18 du jonc proprement dit Le membre: central 17 est destiné à recevoir la réaction des feuillards pendant le rubanage Dans ce membre central 17 sont aménagées des alvéoles hélicoïdales 19, 19 ', 19 ", 19 "' contenant chacune une fibre optique 20, 20 ', 20 ", 20 "' Les alvéoles sont fermées par un ruban 21 enroulé autour du corps 18 du jonc. Puis, on enroule des feuillards 22, 23 dans le même sens de façon que les intervalles entre les bords d'un m 9 me feuillard entouré en hélice soient recouverts par la ligne médiane de l'autre feuillard comme cela a déjà été décrit (figures 1, 2 a) Les intervalles entre les feuillards portent respectivement les références 24 pour le feuillard 22 et 25 pour le feuillard 23. Ainsi en vue en coupe (figure 5), les intervalles 24, 25 sont diamétralement opposés puisque le recouvrement se fait au milieu de chaque feuillard et que les feuillards ont la m 9 me largeur. L'ensemble ainsi formé est entouré d'une gaine 26 assurant l'étanchéité; cette gaine s'appuie sur les feuillards 22, 23 et n'a pas à subir la résultante des forces de pression autrement qu'en écrasement lorsque le câble est soumis à une pression hydrostatique On remarque en outre que les feuillards sont choisis de façon appropriée (nature du matériau, épaisseur, densité) pour que lorsqu'ils sont soumis à la pression hydrostatique, ils ne prennent pas appui sur le jonc et n'exercent sur ce dernier aucun effort susceptible de se répercuter sur les fibres optiques. La coupe axiale de la figure 5 montre la disposition des alvéoles des feuillards et de la gaine. On remarque dans ce mode de réalisation le membre central 17, essentiellement destiné à recevoir la réaction des feuillards pendant le rubanage, mais qui constitue également un élément porteur. La figure 6 est une vue d'*un câble selon les figures 4 et 5 avant la mise en place de la gaine. Le câble décrit ci-dessus est susceptible de résister à de fortes pressions extérieures Toutefois l'ar- mature anti-pression ainsi réalisée n'est pas autoporteuse, si bien qu'en général on combine ce câble à des éléments por- teurs Si ces éléments porteurs sont mis à l'intérieur du câble précédemment décrit, on augmente la section du câble et par suite la longueur de feuillard, le poids, l'épaisseur du feuil- lard etc. Selon une solution avantageuse de l'in- vention représentée à la figure 7, on place des câbles à fibres optiques 30, 31 34 munis des feuillards au coeur du câble définitif autour de l'élément central 35 et on entoure ce coeur par une ou plusieurs nappes d'éléments porteurs 36, 37 éventuel- lement protégées contre la corrosion par une gaine 38 La des- cription des câbles 30-35 dits câbles élémentaires entrant dans la composition d'ensemble ne sera pas décritepuisque ces câbles correspondent-à des modes de réalisation déjà décrits L'ensem- ble ainsi formé peut lui-même être entouré par une tresse exté- rieure 39 ainsi que d'une gaine. Les éléments porteurs sont des cables suivant des angles faibles pour que la réaction de compression soit faible Les éléments ne sont pas jointifs pour faciliter la pénétration du fluide sous pression à l'intérieur du câble. Il faut, dans ces conditions, un guipage et un maintien par un élément de protection (tresse) non étanche pour maintenir correctement l'assemblage du câble pendant les manipulations. Enfin, les angles respectifs des éléments porteurs sont choisis pour éviter que le câble ne tende à tourner sur lui-méne. Suivant les applications des câbles, certaines des alvéoles qui ne reçoivent pas de fibres optiques peuvent recevoir des conducteurs électriques homogénéisés en diamètre avec les fibres optiques pour ne pas créer d'incompa- tibilités ou de tensions internes Ces conducteurs électriques peuvent également être disposés en couches coaxiales convena- blement isolées autour des éléments optiques. Enfin dans le cas o la partie centrale du câble c'est-à-dire la partie à l'intérieur des feuillards est constituée par un jonc muni d'alvéoles recevant des fibres optiques libres, il est avantageux de prévoir dans ces alvéoles et de distance en distance, des éléments de bourrage évitant la transmission des pressions Ainsi, on compartimente longitudi- nalement le câble pour éviter qu'en cas d'endommagement de la gaine d'étanchéité, du fluide sous pression notamment de l'eau sous très haute pression ne puisse pénétrer à l'intérieur de la gaine et remonter à travers le câble le long des alvéoles A titre d'exemple, la distance qui sépare de tels bouchons peut être de l'ordre de 20 à 40 mètres Les faibles contraintes qui agissent sur les fibres dites libres, n'entra nent qu'une atté- nuation négligeable sur l'ensemble du câble. Il est également possible de remplir complètement les alvéoles à l'aide d'un matériau de bourrage laissant les fibres optiques libres mais empochant au moins partiellement la pénétration de liquide extérieur (eau) en cas de rupture de la gaine d'étanchéité. Les conducteurs électriques qui servent à l'alimentation électrique et à la transmission des signaux d'une extrémité du câble à l'autre peuvent 9 tre soit les élé- ments de renforcement des joncs des câbles élémentaires ou encore des conducteurs isolés, extérieurs aux câbles élémentai- res. Exemple de câble Le câble de la figure 7, décrit ci-dessus est un câble à 20 fibres réparties en cinq groupes de 4 fibres chacune sur un jonc avec un porteur central L'ensemble est entouré par deux couches d'éléments porteurs. Fibres optiques: Type 50/125 à gradient d'indice à revêtement mince, atténuation: 3,5 d B/Km, Bande passante: 400 mn Hz km jonc: diamètre 2,25 mm 0 lo 2511161 membre central du jonc: 7 brins de 0,35 en invar profondeur des alvéoles: 0,45 mm armature: deux feuillards d'acier d'épaisseur de 0,1 mm, gaine: matériau synthétique fluoré, diamètre 3,8 mm, éléments porteurs: deux nappes respectivement de 27 et 33 éléments, porteur: formé de 7-brins d'invar demi écroui, diamètre 0,25, gaine de protection: diamètre extérieur du cable: 16,5 mm poids du câble: 535 kg/km (autoporteur dans l'eau jusqu'à 1500 m), Charge utile: 300 kg, Ecart de température possible: -70 à + 95 C, Rayon de courbure de bobinage: supérieur à 250 mm, Atténuation pour conditions extrêmes: l'atténuation des fibres de charges (poids, pression) de tem: varie de moins de 0,15 d B/km pérature. De façon générale, diverses combinaisons de câbles élémentaires et d'éléments porteurs ou éléments de protection sont possibles, suivant le cas (notamment suivant le nombre de câbles élémentaires), on prévoit un élément central porteur ou non. Dans les mêmes conditions de générali- sation, les divers types de rubanage représentés aux figures 2 a, 2 b, 2 c et 2 d, peuvent être utilisés soit séparément, soit de façon superposée, en combinaison ou encore de façon panachée, différemment pour chaque câble élémentaire. il R E V E N D I C A T I 0 N S ) Câble de transmission optique, souple, destiné à un service sous pression, câble caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins un cable élémentaire ( 30, 31) comprenant des fibres optiques ( 20) disposées dans un support cylindrique circulaire ( 1) et entouré par au moins un feuillard rubané ( 2, 4) assurant un recouvrement supérieur à 100 %, ce feuillard ( 2, 4) étant lui-même entouré par une gaine d O étan- chéité ( 6), le ou les câbles élémentaires étant eux-mêmes entourés par des moyens porteurs ( 36, 37), des moyens de pro- tection mécaniques ( 39) - ) Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour une pression critique ou pression de flambage (Pc) déterminée, l'épaisseur du ou des feuillards de rubanage et le rayon de rubanage sont liés par la formule suivante Pc= E e)3 4 (l-" caractérisé en ce que le support des fibres optiques est en- touré par deux feuillards rubanés, chacun suivant un même pas très court, en laissant un faible intervalle, les deux feuil- lards étant rubanés dans le même sens et suivant un recouvrement précis, l'intervalle (des joints) de chacun des feuillards coïncidant de préférence avec la ligne médiane longitudinale de l'autre feuillard et la largeur des joints est notablement inférieure à la largeur des feuillards - ) Cible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support des fibres optiques est constitué par un jonc à porteur central muni à sa périphérie de rainures ou alvéoles en hélice, pour recevoir les fibres optiques déposées libres. ) Cible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens conduc- teurs d'électricité sont constitués par des couches coaxiales cylindriques isolées entre elles, la dernière couche étant elle-m 8 me isolée du-milieu extérieur, les couches conductrices étant constituées par des guipages, des tressages, des rubana- ges. ) Câble selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les alvéoles du jonc, non occupées par des fibres optiques, reçoivent des conducteurs électriques. 70) Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens conduc- teurs d'électricité sont les armatures et/ou les éléments de traction, pour acheminer les signaux électriques et/ou les courants électriques. 80) Câble selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que chaque alvéole contient plus d'une fibre optique. ) Câble selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les alvéoles sont compartimentées longitudinalement par des bourrages. ) Câble selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les alvéoles sont entièrement remplies d'un matériau n'exerçant qu'une contrainte négligeable sur les fibres et emp&chant la pénétration du fluide extérieur. ) Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il se compose de plusieurs câbles élémentaires câblés autour d'un élément cen- tral, l'ensemble des câbles élémentaires étant entouré par des couches d'éléments porteurs, eux-mlmes entourés par des moyens de maintien.