Ввод герметичный волоконно-оптических кабелей с внутренним и внешним узлами герметизации через защитную оболочку
INPUT OF SEALED FIBER-OPTIC CABLES WITH INTERNAL AND EXTERNAL SEALING UNITS THROUGH PROTECTIVE COVER

Изобретение относится к волоконно-оптической технике, используемой в электроэнергетических устройствах для передачи электрических управляющих сигналов посредством волоконно-оптических кабелей в герметичных системах с обеспечением огнестойкости, сейсмостойкости и радиационной защиты, например, в атомных энергетических установках, химических реакторах, испытательных стендах и других аналогичных объектах и строительных сооружениях
В связи с широким развитием автоматизированных систем управления технологическими процессами, использующими сильноточные источники питания, коммутаторы, переключатели возникают проблемы электромагнитной совместимости оконечных и исполнительных устройств с устройствами контроля. Кроме этого, часто исполнительные устройства находятся в зоне действия или высоких напряжений со значениями в десятки и сотни киловольт, или агрессивных химических сред или в условиях с повышенным уровнем радиационной обстановки.
Многие задачи по включению, выключению исполнительных устройств малой и средней мощности могут быть решены с использованием комплектов, состоящих, например, из волоконно-оптического передатчика типа ОМТД-01(А,В), приемника оптического сигнала типа ОМРД-02(А,В) и волоконно-оптического кабеля, оконцованного разъемами того или иного типа.
Функциональная схема оптического передатчика ОМТД-01 приведена на рис. 1а
Приемник волоконно-оптического оптрона ОМРД-02 выполнен по традиционной для оптронов схеме фотодиод + усилитель тока. Функциональная схема ОМРД-02 приведена на рис. 1б
Внешний вид изделий ОМТД-01 и ОМРД-02 показан на рис 1в
Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько спайс-пластин. Спайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей. После того, как оптический кабель проложен необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов(соединителей). В оптосистемах используются коннекторы многих видов, внешний вид разъемов показан нак рис. 1Г.
Схема включения оптрона с многомодовым кабелем (ММФ 62,5-125) показана на рис. 1д
Широкое использование высокоперспективных волоконно-оптических кабелей (ВОК) на объектах атомной энергетики сдерживается возникающими трудностями и сложностями герметизации оптических кабелей при их пропускании через защитную оболочку АЭС, представляющую собой железобетонную стену с толщиной стенки в пределах 500-2000 мм.
Известен узел продольной герметизации оптических кабелей [патент РФ №2091828, МПК G02B 6/24, 6/44, опубл. 27.09.1997 г.], который представляет собой устройство гермоузла, применяемого в кабельных переходах между областями с различным давлением. Устройство содержит герметично установленный в стенке корпус с размещенными в нем оптическими кабелями, освобожденными от оплетки и помещенными в герметизирующий материал. На посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец. Герметизирующий материал и корпус, представляющие единое целое, выполнены из одного и того же компаунда. В состав компаунда входит эпоксидная диановая смола, титанорганический сложный полиэфир, лапрол марки 503 и катализатор.
Данное устройство просто в выполнении. Отсутствие разнородных материалов исключает возникновение и накопление внутренних напряжений в узле, что препятствует снижению прочности оптических волокон и повышает, срок их эксплуатации;
Однако недостатком данного узла герметизации является низкая надежность данного устройства из-за низкой ударопрочности при организации работ в условиях взрывного эксперимента. Так как корпус с волокнами, залитыми в компаунд, представляет единое целое, то площадь ударного воздействия относительно велика, что отрицательно влияет на ударопрочность. Так как компаунд является хрупким материалом для взрывного воздействия, то при ударах по корпусу возможны трещины или полное его разрушение. В данной конструкции герметизирующий элемент является единственным для всех волокон, размещенных в корпусе, что также является недостатком; так как появление трещины в одном из волокон приведет к нарушению герметичности всей конструкции. Кроме того, данный процесс герметизации пучка из волокон, освобожденных от оплетки оптического кабеля, является ненадежным при исследовании объема, содержащего высокотоксичные экологически опасные продукты, после подрыва его в полости ВЗК. Так как каждое волокно представляет собой кварцевую нить, покрытую полимерным слоем, то при наличии высокого давления и высокотоксичных материалов возможно их проникновение между кварцевой нитью л полимерным покрытием. Удаление полимерного покрытия привело бы к возникновению царапин, рисок на кварцевой нити, что, в свою очередь, приведет к обрыву нити. Все это правда отрицательно влияет на герметичность и ударопрочность, снижая надежность конструкции перехода, и может привести к потере герметичности камеры При взрыве экологически опасных объектов в полости ВЗК.
Известен переход волоконно-оптический (патент РФ №2 484505 С1 МПК G02B 6-36 опубл. 27.09.1997 г.), конструктивное исполнение которого представлено на рис. 1е.
Технический результат достигается тем, что в переходе волоконно-оптическом в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции, в частности взрывозащитной камеры (ВЗК), содержащем герметично установленный в стенке металлический корпус, выполненный составным из двух скрепленных по резьбе частей, с проходным отверстием для оптического волокна, закрепленного в установленном герметично на корпусе металлическом держателе, согласно изобретению, держатель волокна выполнен в виде двух втулок, поджатых к корпусу со стороны входа и выхода волокна при помощи гаек и имеющих на посадочной поверхности диаметральные канавки с уплотнительными кольцами, оптическое волокно металлизировано и герметично закреплено в осевом отверстии каждой втулки клеем, при этом в одной из втулок волокно дополнительно закреплено при помощи пластичного металлического припоя, на посадочной поверхности обеих частей корпуса, размещенных с образованием внутренней полости между ними, выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец, место стыка частей закреплено снаружи накидной гайкой.
Данное устройство принимается за прототип как наиболее близко по технической сущности к заявляемому техническому предложению.
К волоконно-оптическим переходам через защитную оболочку АЭС предъявляется ряд специфически жестких требований, а именно:
- способность функционировать в условиях полно масштабного пожара (кривая стандартного пожара) в течение 90 - минутного интервала времени с обеспечением герметичности конструкции.
- сохранять работоспособность и герметичность при воздействии нагрузок на оболочку блока АЭС при землетрясениях силы до 9 баллов по Рихтеру, при ударе падающего летающего аппарата, и др.
- механические соединения в конструкциях волоконно-оптических переходов должны быть выполнены по технологии сварки, в отдельных случаях по технологии Пайки элементов конструкции с исключением болтовых, муфтовых, резьбовых и типовых уплотнительных соединений.
- используемые в системе герметизации переходов материалы должны быть негорючими вакуумплотными, со сроком службы более 60 лет.
-по степени убывания радиационной стойкости конструкционные материалы в ядерной энергетике образуют ряд:
металлы, керамика, стекло, полимеры в ограниченном применении с их расположением в конструкциях, исключающих воздействие высоких температур.
При рассмотрении волоконно-оптического перехода (рис. 1 е) на соответствие вышеперечисленным требованиям выявляются основные недостатки узла герметизации по патенту РФ №2484505, устранение которых позволит повысить эксплуатационную надежность герметичных вводов.
Задачей и целью предлагаемого изобретения является создание высоконадежного герметичного ввода волоконно-оптических кабелей через защитную оболочку с формированием многобарьерного контура герметичности.
Техническое предложение (рис. 1). Указанные технические результаты достигаются тем, что может быть технически реализовано изобретение, представляющее собой герметичный ввод волоконно-оптических кабелей (рис. 1) через защитную оболочку, при этом основная спецификация ввода содержит нижеследующие конструктивные элементы
Основная спецификация элементов
«Ввода герметичного волоконно-оптических кабелей с внутренним и внешним узлом герметизации через защитную оболочку«
1 - волоконно-оптический кабель ВОК
2 - внутренняя металлическая труба кабеля ВОК
2а - монтажная труба для прокладки кабеля ВОК
3 - оптическое волокно кабеля
4 - обойма составная
4а - внешняя герметизирующая обойма ввода
5 - центральная металлическая труба ввода
6 - боковая металлическая труба ввода
7 - штуцер контроля герметичности
7а - трубка дистанционного контроля герметичности
8 - операция сварки
8а - операция пайки
9 - крепление кожуха ввода
10 - кожух ввода
11 - биологическая защита
12 - закладная металлическая труба защитной оболочки
13 - металлическое кольцо для крепления кожуха
14 - радиационностойкий полимерный герметик
15 - торцевой фланец ввода
16 - центральный внутренний узел герметизации ввода
16а - выносной внешний узел герметизации ввода
17 - кожух внешнего узла герметизации ввода
18 - герметичный монтаж кожуха внешнего узла герметизации ввода
19 - приемо-передающее устройство оптрона
20 - электропроводники внешнего узла герметизации
21 - герметичный проходной изолятор(электромодуль)
22 - зона соединения электропроводников входного сигнала с элементами ВОК
I - центральный внутренний узел герметизации ВОК
II - выносной внешний узел герметизации ВОК
- переход: электрический сигнал- световой поток
- переход: световой поток - электрический сигнал
КРУ-1 - комплектное распределительное устройство в « чистой « зоне
КРУ-2 - комплектное распределительное устройство в « грязной « зоне
Z1 - расстояние монтажа кабеля ВОК в герметичных трубах от ввода герметичного в защитной оболочке до устройства КРУ-1 в «чистой» зоне
Z2 - расстояние монтажа кабеля ВОК в герметичных трубах от ввода герметичного в защитной оболочке до устройства КРУ-2 в «грязной» зоне
Ввод герметичный ВОК-кабелей, содержащий внутренний герметизирующий узел, образуемый объединением двух герметизирующих составных обойм 4 в вводе посредством центральной металлической трубы 5 корпуса ввода с проходящим внутри ее волоконно-оптическим кабелем 1, прошедшем во внутреннем герметизирующем узле разделку до волоконно-оптических жил 3, изогнутых и герметично находящихся в кремний -органическом компаунде, выступающих концов внутренней металлической трубы кабеля, герметично армированных составными обоймами 4 ввода с закреплением в торцевых фланцах 15 устанавливаемых в боковых металлических трубах 6, герметично соединяемых на составных обоймах 4 ввода с центральной металлической трубой 5 и механически 9 закрепляемых с защитными кожухами 10, внутри которого со стороны «чистой зоны « находится штуцер дистанционного контроля 7 с трубкой проверки герметичности 7а, проходящей через дополнительную биологическую защиту 11 во внутренний узел герметизации ввода.
По предлагаемой схеме (рис. 1) технического предложения в качестве волоконно-оптического кабеля (ВОК) используются кабели, имеющие в своей конструкции внутреннюю герметичную металлическую трубу 2. Такой конструкцией обладают подводные волоконно-оптические кабели производство которых освоено в г. Перми. При разделке подводного ВОК во внутреннем узле герметизации ввода выступающий конец трубы 2 герметично 8, 8а (сваркой, пайкой) соединяется с составной обоймой ввода 4. Составная обойма 4 включает в себя в сборе две осесимметричные половины, которые при монтаже внутреннего узла герметизации пропускают волоконно-оптический кабель 1 и герметично соединяются в единое целое 8, 8а с герметизацией соединения также с концом металлической трубы 2а кабеля ВОК внутри гермоузла.
Внутренний узел герметизации ввода с находящимися в нем оптическими волокнами 3, торцевыми элементами металлической трубы кабеля и составной обоймы 4 заполняется радиационностойким герметичным компаундом. В данной схеме реализуется 2-х сторонний вид герметизации как со стороны «чистой», так и со стороны «грязной« зоны, и дополнительная герметизация за счет не «точечного«, а протяженного участка радиационностойкого герметичного материала во внутреннем узле герметизации ввода.
При монтаже герметичного ввода (рис. 1) в защитных кожухах предусматриваются определенной длины выпуски волоконно-оптических кабелей для последующего монтажа трассы, монтажа дополнительной соединительной арматуры. В связи с этим для повышения надежности продольной герметизации кабеля ВОК в конструкции (рис. 1) предлагается реализовать схему продления на заданные расстояния Z1, Z2 волоконно-оптических кабелей 1 в герметичных трубах 2а от составных обойм 4 внутренних узлов герметизации до комплектных распределительных устройств КРУ-1, КРУ-2 в «чистой» и «грязной» зонах, где во внешних герметизирующих устройствах производится преобразование световых потоков 19 волоконно-оптических кабелей в электрические сигналы на электрических проводниках 20, которые герметизируются на обоймах 4а через проходные электромодули 21. Подробно конструкции электромодулей 21 и схемы их включения изложены в патентах: изобр. РФ №2572824, ПМ РФ №1G8734, рассматривающих конструкции герметичных вводов электрических проводников через защитную оболочку. При этом в техническом предложении (рис. 1) количество герметизирующих барьеров по трассе кабеля ВОК составит 4, что обеспечивает высокую надежность герметичного ввода ВОК-кабелей.
Рассмотренные технические результаты достигаются тем, что может быть технически реализовано изобретение, представляющее собой герметичный ввод волоконно-оптических кабелей (рис 1) через защитную оболочку, содержащий внутренний герметизирующий узел, образуемый объединением двух герметизирующих составных обойм 4 в вводе посредством центральной металлической трубы 5 корпуса ввода с проходящим внутри ее волоконно-оптическим кабелем 1, прошедшем во внутреннем герметизирующем узле разделку до волоконно- оптических жил 3, изогнутых и герметично находящихся в кремний-органическом компаунде, до выступающих концов внутренней металлической трубы кабеля, герметично армированных составными обоймами 4 ввода с закреплением в торцевых фланцах 15, устанавливаемых в боковых металлических трубах 6, герметично соединяемых на составных обоймах 4 ввода с центральной металлической трубой 5 и механически 9 закрепляемых с защитными кожухами 10, внутри которого со стороны « чистой зоны « находится штуцер дистанционного контроля 7 с трубкой проверки герметичности 7а, проходящей через дополнительную биологическую защиту 11 во внутренний узел герметизации ввода, а находящиеся в кожухах и выступающие из корпуса ввода концы волоконно-оптического кабеля удлиняются на расчетные расстояния Z1, Z2 и после их герметичного пропускания в металлических оболочках в "чистой» и «грязной» зонах проходят дополнительную герметизацию во внешних узлах герметизации ввода, располагаемых в устройствах КРУ-1, КРУ-2.
В технических предложениях (рис. 1) подробно рассмотрены вопросы герметизации волоконно-оптических кабелей через защитную оболочку в случаях, когда в существующих конструкциях кабелей ВОК, например подводного исполнения, уже имеются металлические трубы, герметично закрывающие и охватывающие оптические волокна. В большинстве конструкций выпускаемых волоконно-оптических кабелей рассматриваемые металлические трубы отсутствуют. Организация производства кабелей ВОК расширенной номенклатуры с металлической герметичной трубой в качестве внутренней оболочки кабеля ВОК потребует значительных финансовых, материальных и трудовых затрат и экономически невыгодно.
По техническому предложению (рис 1) для уже существующей номенклатуры выпускаемых в стране волоконно-оптических кабелей с отсутствующими конструктивными металлическими трубами в герметичном вводе волоконно-оптический кабель 1 заключается в оболочку 2а, представляющую собой трубу, которая одним концом во внутреннем узле герметизации ввода герметично армирована на составной обойме 4, а вторым концом герметизируется на корпусе 16а во внешнем узле герметизации ввода, и герметично проходит через корпус ввода (трубы 5, 6, торцевые фланцы 15), внутренний объем которого заполнен биологической защитой 11, с герметичным соединением 8 ввода с облицовкой защитной оболочки блока АЭС и дальнейшим прохождением герметичного трубопровода 2а с расположенным внутри его ВОК-кобелем до внешних герметизирующих устройств (элементы 4а, 21,20,19) в камерах устройств КРУ-1, КРУ-2
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающихся от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию « Новизна».
В техническом предложении (рис 1) новыми признаками являются:
- 1) вместо герметичного пропускания отдельных стекловолокон решены вопросы герметичного пропускания через защитную оболочку стандартных волоконно-оптических кабелей всей номенклатуры выпускаемых в нашей стране указанных изделий.
2) - при герметизации кабелей ВОК используется принцип многобарьерной герметизации, включающей в себя:
а) центральный внутренний узел герметизации непосредственно в корпусе ввода, в глубине защитной оболочки, исключающей влияние ударных нагрузок, термических ударов при пожарах на особо чувствительные к повышенным температурам элементы герметизации (полимерные радиационностойкие герметики, хрупкие стекловолокна и т.д.)
б) внешние узлы герметизации ввода в ячейках КРУ-1, КРУ-2
- исключение из схем герметизации ввода примененных в прототипе клеевых, болтовых, муфтовых и др. соединений с элементами уплотнения в виде малонадежных полимерных прокладок с их заменой в предлагаемых вводах на герметичные соединения, образуемые сваркой, пайкой, применением высоконадежных изоляционных модулей.
На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Представленная информация свидетельствует о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
- обеспечение повышения эксплуатационной надежности герметичных вводов волоконно-оптических кабелей.
- обеспечение герметичности вводов герметичных ВОК-кабелей в режимах «малой» и «большой» аварий на блоках АЭС.
- для заявляемого устройства(вводы герметичные волоконно-оптических кабелей) в том виде, в котором оно охарактеризовано в технических предложениях изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств, методов, технологий.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость«.