ПРОХОДКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ Российский патент 2023 года по МПК G02B6/44 

Изобретение относится к волоконно-оптической технике, а именно к проходным устройствам для герметичного ввода оптических волокон через перегородку, и может быть использовано для ввода оптических волокон между областями с различным давлением.

Из области техники известен узел продольной герметизации оптических кабелей [патент РФ №2091828, МПК G02B 6/24, 6/44, опуб. 27.09.1997 г.], содержащий корпус (оболочку), внутренняя полость которого заполнена герметизирующим материалом с помещенными в нем оптическими волокнами (кабелями). Герметизирующий материал и корпус, представляющие единое целое, выполнены из одного и того же компаунда. С наружной стороны корпуса выполнены диаметральные канавки для уплотнительных колец. Наличие резиновых колец позволяет многократно устанавливать и демонстрировать элементы волоконно-оптических линий передач без нарушения герметичности узла.

Достоинством данного узла является простота конструкции и отсутствие разнородных материалов в составе, что минимизирует возникновение и накопление внутренних напряжений, препятствует снижению прочности и повышает срок эксплуатации.

Однако, известное устройство имеет следующие недостатки: низкая надежность герметизации, за счет наличия единственной герметичной полости, а также за счет выполнения корпуса из компаунда, являющегося хрупким материалом для ударных или взрывных воздействий, а также материалом невысокой прочности и износостойкости, что способствует повреждению или полному разрушению корпуса при эксплуатации узла. Также недостатком известного узла является возможность соприкосновения оптических волокон между собой и образования пустот и прочих неоднородностей при заливке компаунда (за счет не контролируемого перемещения волокон во время помещения их в герметизирующий материал), что снижает прочность корпуса и повышает вероятность потери герметичности. Формирование канавок под уплотнительные кольца осуществляется при заливке компаунда, что снижает качество поверхности канавок, а последующая механическая обработка появившихся дефектов затруднительна или невозможна за счет вклеенных оптических волокон.

Также известен оптоволоконный герметичный переход [патент РФ №2685083, МПК G02B 6/24, опуб. 16.04.2019 г.], содержащий корпус с проходящими сквозь него со стороны высокого до стороны низкого давления оптическими волокнами, в корпус введены гермоблоки (сепараторы), которыми образованы полости, по меньшей мере две из которых заполнены эпоксидным герметизирующим составом, при этом гермоблоки выполнены с индивидуальными под каждое оптическое волокно сквозными заполненными герметизирующим составом отверстиями. Корпус в данном устройстве герметично установлен в проходное отверстие герметичного устройства. По меньшей мере одна полость между сепараторами образует воздушный зазор. Для уменьшения внутренних тепловых напряжений, обусловленных разнородными материалами, отверстия в сепараторах расположены равномерно по всей поверхности сепараторов. Причем отверстия в паре сепараторов, ограничивающих каждую полость, выполнены различного диаметра. В одной паре сепараторов диаметр отверстий равен диаметру оптических волокон, проходящих через отверстия, а в другой паре сепараторов диаметр отверстий превышает диаметра проходящих через них оптических волокон, обеспечивая заданный зазор для создания условий качественной сплошной заливки и контролируемого выхода излишков герметизирующего материала. Данное устройство принято за прототип.

Недостатком прототипа является относительно низкая эксплуатационная надежность в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружений, предполагающая длительный срок службы и длительную эксплуатацию. В прототипе в полостях между сепараторами имеется большой объем герметизирующего материала (клей ЭЛ-20), который со временем (по истечении двух лет с даты изготовления) полимеризуется, вследствие чего происходит его усадка. Происходит образование микротрещин, отслоение клея от внутренней поверхности корпуса и оптических волокон, что при эксплуатации в условиях избыточного давления приведет к утечке продуктов взрыва, снижая эксплуатационную надежность перехода. Данные процессы происходят одновременно в обеих полостях, ограниченных сепараторами. Кроме того, в описании прототипа указано, что отверстия в сепараторах для герметизации оптического волокна имеют диаметры, обеспечивающие зазор с проходящими через них волокнами. Диаметр данных отверстий, исходя из условий минимизации клеевого шва между внутренними поверхностями каждого отверстия и оптическим волокном, должен обеспечивать свободный проход клея ЭЛ-20. Этот минимальный диаметр, как правило, определяется возможностями технологии изготовления. Например, при изготовлении отверстий по технологии резания для прохода текучего клея при диаметре оптического волокна диметром 0,125 мм диаметр отверстия может быть 0,3…0,4 мм. При этом при герметизации сепараторов излишки клея выдавливаются через зазоры и создают вокруг волокон клеевые потеки. При взрывных экспериментах, где ударные линейные ускорения достигают 4000 g, излишки клея, адгезионно связанные с оптическими волокнами и не связанные механически с корпусом сепаратора, перемещаются, механически воздействуя на оптическое волокно. Данные явления могут привести как к искажению светового сигнала, так и потере герметичности, отрицательно влияя на эксплуатационную надежность перехода. Технологически, при показанных выше размерах клеевого шва обеспечить надежную герметизацию оптических волокон при минимальных излишках выдавливаемого клея крайне затруднительно.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение является повышение эксплуатационной надежности проходки в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружений при увеличении ее срока службы.

Технический результат достигается тем, что проходка волоконно-оптическая, содержащая корпус с проходящими сквозь него со стороны высокого до стороны низкого давления оптическими волокнами, в корпус введены гермоблоки, которыми образованы полости, по меньшей мере две из которых заполнены эпоксидным герметизирующим составом, при этом гермоблоки выполнены с индивидуальными под каждое оптическое волокно сквозными заполненными герметизирующим составом отверстиями, согласно изобретения по крайней мере одна корпусная полость между гермоблоками заполнена вязким жидким материалом, при этом внутренняя поверхность корпуса в указанной корпусной полости оснащена поперечными кольцевыми проточками, а каждое отверстие в гермоблоках, ограничивающих указанную корпусную полость, имеет гантелеобразную форму.

Заполнение по крайней мере одной корпусной полости между гермоблоками вязким жидким материалом, при этом внутренняя поверхность корпуса в указанной корпусной полости оснащена поперечными кольцевыми проточками, дает возможность организовать «ловушки» для мелкодисперсных аэрозолей (активного газа), которые будут накапливаться внутри корпуса в виде «пузыря» из-за вязкости жидкого материала. Величина «пузыря» будет определяться наличием воздуха, растворенного в вязкой жидкости и возможно появившегося при заливке жидкости в корпус. Надо отметить, что вакуумирование жидкости исключает наличие воздуха лишь частично. Таким образом, газовый «пузырь» будет увеличиваться до тех пор, пока давление внутри корпуса не уравновесится высоким внешним давлением. Как известно, при эксплуатации в подземном сооружении положение проходки близко к горизонтальному. Исходя из этого газовый «пузырь» будет подниматься вверх, накапливаться внутри корпуса и перемещаться по верхней образующей корпусной полости в сторону гермоблока низкого давления, в том числе и в места захода оптических волокон. Наличие «ловушек» создает дополнительное сопротивление продвижению активного газа, исключая его перемещение от стороны высокого давления в сторону низкого давления, тем самым локализует возможный прорыв газа через клеевую герметизацию оптических волокон со стороны низкого давления, повышая тем самым эксплуатационную надежность проходки. При длительной эксплуатации проходки (увеличение срока службы) в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружений существует вероятность разгерметизации гермоблоков по причинам, свойственных прототипу. Однако в заявляемом решении, когда молекулы активного газа будут непрерывно просачиваться в микропоры клеевого соединения гермоблока со стороны высокого давления в области «клей (эпоксидный герметизирующий состав) - оптическое волокно -корпус», из-за разницы размеров молекул вязкой жидкости и величин микрозазоров, молекулы жидкости в зазоры не проникнут.В зазоры будут диффундировать молекулы активного газа из-за разницы давлений - высокого снаружи корпуса, первоначально нормального внутри корпуса.

Выполнение каждого отверстия в гермоблоках, ограничивающих указанную корпусную полость, гантелеобразной формы повышает эксплуатационную надежность в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружений. Гантелеобразная форма каждого отверстия, в котором узкая (средняя) часть является основным элементом герметизации, обеспечивающего минимизацию масштабного фактора клеевого шва, а крайние части (большего диаметра) необходимы для подачи клея и контроля качества заливки. Клеевой состав под давлением подается в указанные отверстия через общую полость внутри гермоблока, при этом в месте входа клея в среднюю часть каждого отверстия скорость их заполнения возрастает, гарантируя качественную, без полостей, заливку оптических волокон. В прототипе при заливке отверстий в гермоблоках эпоксидным герметизирующим составом о качестве заливки судят по выходу клея из указанных отверстий, при этом снаружи образуются излишки (наплывы) клея, которые при ударных ускорениях в условиях взрывных экспериментов могут резко переместиться, подхватывая волокно, что может привести к искажению оптического сигнала и разгерметизации соединения. Важно исключить наличие излишек клея, механически не связанных с корпусом гермоблока снаружи отверстий, это позволяет осуществить выполнение в заявляемом техническом решении отверстий гантелеобразной формы. В отверстиях гантелеобразной формы излишки клея размещаются в «раструбе» (крайних частях большего диаметра отверстия) без выхода клея наружу. По уровню выхода клея из узкой (средней) части отверстий можно судить о наличии клея и качестве заливки в заливаемых отверстиях. Значительный объем «раструба» гантелеобразного отверстия, который может быть заполнен герметизирующим клеевым составом полностью или частично, позволяет это обеспечить технологически. При этом клеевой объем создаваемой клеевой «пробки» механически связан с внутренней поверхностью отверстия, что при ударных нагрузках препятствует ее перемещению, при этом воздействие на оптическое волокно минизируется. Кроме того, гантелеобразная форма отверстия указывает на то, что диаметр его узкой части соизмерим с диаметром проходящего сквозь него оптического волокна, а длина узкой части превышает диаметр узкой части отверстия, что также оказывает положительное влияние на обеспечение герметичности проходки, обеспечивая эксплуатационную надежность в условиях эксплуатации во взрывных экспериментах. Это связано с увеличением поверхности сопряжения каждого оптического волокна с металлической поверхностью узкой части каждого гантелеобразного отверстия. Диаметр отверстия под оптическое волокно минимизируется, его величина минимизируется существующей технологией изготовления. Поверхности сопряжения заполняются клеем, при этом надежность соединения зависит от протяженности клеевого шва. За счет усадки клея возможная разгерметизация носит локальный характер, создавая так называемый «туннельный» эффект, когда герметичность сохраняется за счет сохранения возможных перемычек в клеевом шве. На качество герметизирующего клеевого ввода влияет объем клея (толщина клеевого шва), обволакивающего оптическое волокно. Чем меньше толщина клеевого шва, тем меньше усадка и выше надежность соединения, а соответственно и дольше срок службы.

Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков заявляемого устройства обеспечивает повышение эксплуатационной надежности проходки в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружений при увеличении ее срока службы.

Наличие в заявляемом изобретение признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведен осевой разрез заявляемой проходки волоконно-оптической, а на фиг. 2 показано гантелеобразное отверстие в гермоблоке.

На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - гермоблок со стороны высокого давления;

3 - заглушка со стороны высокого давления;

4 - гермо блок со стороны низкого давления;

5 - заглушка со стороны низкого давления;

6 - оптическое волокно;

7 - резиновое уплотнительное кольцо;

8 - гайка;

9 - пробка;

10 - резиновое уплотнение;

11 - полость между гермоблоком и заглушкой со стороны высокого давления, заполненная эпоксидным клеевым составом;

12 - полость между гермоблоком и заглушкой со стороны низкого давления, заполненная эпоксидным клеевым составом;

13 - корпусная полость, заполненная вязким жидким материалом;

14 - кольцевая проточка в корпусной полости;

15 - гантелеобразное отверстие;

16 - отверстие под оптическое волокно в заглушке;

17 - втулка;

18 - кевларовая защитная трубка на оптическом волокне;

19 - вязкий жидкий материал.

Устройство выполнено следующим образом.

Проходка волоконно-оптическая (фиг. 1-2) содержит корпус 1, выполненный в виде стального полого цилиндра с проходящими сквозь него со стороны высокого до стороны низкого давления оптическими волокнами 6 (до 48 шт.). Для установки проходки в стенку, например герметичного устройства (не показано), на внешней поверхности корпус 1 имеет кольцевые канавки для установки резиновых уплотнительных колец 7. В корпус 1 введены гермоблоки 2, 4 с заглушками 3, 5, которыми образованы полости. По крайней мере две полости 11, 12 заполнены эпоксидным герметизирующим составом, а одна корпусная полость 13 заполнена вязким жидким материалом 19 (например маслом), который удерживается в корпусе 1 пробками 9. Гермоблоки 2, 4 с заглушками 3, 5 выполнены с индивидуальными под каждое оптическое волокно 6 сквозными заполненными эпоксидным герметизирующим составом отверстиями 15, 16 соответственно. Гермоблоки 2, 4 установлены в корпусе 1 посредством резиновых уплотнений 10. Заглушки 3, 5 зафиксированы в корпусе 1 со стороны высокого и низкого давлений гайками 8. Внутренняя поверхность корпуса 1 в корпусной полости 13 оснащена поперечными кольцевыми проточками 14. Каждое отверстие 15 в гермоблоках 2, 4, ограничивающих полость 13, имеет гантелеобразную форму. Узкая часть каждого отверстия 15 имеет диаметр, соизмеримый диаметру проходящего сквозь него оптического волокна 6 и длину, значительно превышающую диаметр узкой части отверстия 15.

Сборка проходки осуществляется следующим образом.

Вначале оптические волокна 6 продевают в соответствующие проходные отверстия 15 гермоблока 2 и отверстия 16 в заглушке 3. Сборку ориентируют вертикально и под давлением через отверстия 16 в заглушке 3, в дальнейшем заглушаемое втулкой 17, заполняют клеевым составом полость 11 между гермоблоком 2 и заглушкой 3, при этом герметизируя оптические волокна 6 в гантелеообразных отверстиях 15. В процессе герметизации контролируют количество необходимого для герметизации клея без выхода его из отверстий 15.

После полимеризации клея гермоблок 2 с заглушкой 3 через резиновые уплотнения 10 устанавливают в корпус 1 и фиксируют гайкой 8. Далее оптические волокна 6 через полость 13 продевают в соответствующие отверстия 15, 16 гермоблока 4 и заглушки 5, помещая их в корпус 1. Заглушку 5 фиксируют гайкой 8. Герметизацию оптических волокон 6 в гермоблоке 4 с заглушкой 5 осуществляют аналогично герметизации гермоблока 2 с заглушкой 3. Так как конструкции гермоблоков 2, 4 и заглушек 3, 5 одинаковы, то для заливки гермоблока 4 с заглушкой 5 используется объем клеевого состава, определенный при герметизации гермоблока 2 с заглушкой 3.

После полимеризации клея в гермоблоке 4 с заглушкой 5 корпус 1 ориентируют вертикально гермоблоком 4 вверх и заливают полость 13 вязким жидким материалом 19 через отверстия, закрываемые в дальнейшем пробками 9. На внешней поверхности корпуса 1 в кольцевые канавки устанавливают резиновые уплотнительные кольца 7. На свободные концы оптических волокон 6 надевают кевларовые защитные трубки 18, которые фиксируют клеем в соответствующие отверстия 16 в заглушках 3, 5.

Проверка проходки на герметичность проводится подачей избыточного давления газа (хладона, гелия) на торец корпуса 1 (со стороны высокого давления) с контролем извне в областях выхода из корпуса 1 защитных трубок 16 оптических волокон 6 (со стороны низкого давления). После проверки проходки на герметичность, по отсутствию молекул газа со стороны высокого давления, судят о годности проходки к эксплуатации.

Существенным фактором, влияющим на надежность клеевого соединения, является подбор эпоксидного герметизирующего клеевого состава и качество заливки оптических волокон 6 в отверстиях 15. Практически все клеевые составы имеют растянутый период полной полимеризации, время которого зависит от температуры эксплуатации: ускоряется при положительных температурах и замедляется при отрицательных. Полимеризация клеевого состава сопровождается уменьшением его объема, что при длительной эксплуатации проходки приводит к появлению микрозазоров по оболочке каждого оптического волокна 6 и собственно микротечи - диффундированию сверх текучих опасных аэрозолей во внутреннюю полость корпуса 1. Для минимизации величин микротечи за срок общей эксплуатации проходки герметизирующий клеевой состав подбирают из условий повышенной текучести и замедленной полимеризации. Так как срок службы проходки в условиях подземного сооружения характеризуется длительной эксплуатацией (15 лет и более) при отрицательных температурах - минус 5°С, то в этих условиях текущая полимеризация, сопровождающая усадкой клеевого объема, значительно замедлена и растянута во времени эксплуатации. При этом ограничивают время изготовления, хранение на складе и транспортирование к месту использования при положительных температурах.

Проходка работает следующим образом.

При проведении взрывных экспериментов в условиях подземных сооружений возможны несколько сценариев использования предлагаемого технического решения:

- проведение непосредственно взрывного эксперимента и дальнейшая длительная эксплуатация проходки, соответствующая общему сроку эксплуатации (обеспечение герметичности при постоянном избыточном давлении);

- эксплуатация проходки в течение 2…3 лет и более, затем проведение взрывного эксперимента и дальнейшая эксплуатация проходки в течение общего срока эксплуатации (обеспечение герметичности при постоянном избыточном давлении).

Наиболее критичным для обеспечения надежной эксплуатации является второй сценарий. В данном сценарии клеевые составы герметизирующих соединений уже подвержены полимеризации до эксперимента, далее проведен взрывной эксперимент, в результате чего на соединение воздействует ударная нагрузка, а по защитным оболочкам на оптических волокнах воздействует высокое давление. При последующей эксплуатации происходит дальнейшая полимеризация клеевых составов с неизбежной усадкой герметизирующих объемов. В данном сценарии, в случае разгерметизации гермоблока 2 со стороны высокого давления и появления микротечи в клеевом соединении сверхтекучие аэрозоли через гермоблок 2 начнут проникать во внутренний объем корпусной полости 13 проходки, заполненной вязким жидким материалом 19. Пузырьки газа будут накапливаться в месте выхода оптического волокна из гермоблока 2, объединяться между собой в общий «пузырь», величина которого будет увеличиваться до уравновешивания давлений внешнего и давления создаваемого в вязком жидким материале 19, вследствие наличия воздушных включений. При этом вследствие своей повышенной вязкости жидкий материал 19 не будет выдавливаться через возможные микрозазоры в герметизированном соединении. При относительно горизонтальном расположении проходки «пузырь» может перемещаться, преодолевая сопротивление вязкой среды 19, в сторону гермоблока 4 со стороны низкого давления, где качественное состояние клеевых соединений аналогично гермоблоку 2. «Пузырь» газа будет подниматься в верхнюю область внутреннего объема корпусной полости 13 и улавливаться в ней кольцевыми проточками 14. При достижении описанного выше равновесия давления, объем и положение газового «пузыря» будут стабилизированы. Газовые включения будут фиксироваться в кольцевых проточках 14 корпусной полости 13, не достигая гермоблока 4. Таким образом, возможная разгерметизация клеевых соединений будет локализована вязким жидким материалом 19. Герметичность, эксплуатационная надежность проходки на основе заявляемого технического решения будут сохранены.

В настоящее время разработана конструкторская документация, изготавливаются опытные образцы проходки волоконно-оптической, выполненной в соответствии с заявляемым изобретением. Работоспособность заявляемой проходки подтверждена расчетами.

Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявляемая проходка относится к волоконно-оптической технике, а именно к проходным устройствам для герметичного ввода оптических волокон через перегородку, и может быть использована для ввода оптических волокон между областями с различным давлением;

- заявляемая проходка при использовании способна повысить эксплуатационную надежность проходки в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружений при увеличении ее срока службы;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленная проходка волоконно-оптическая соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к волоконно-оптической технике, а именно к проходным устройствам для герметичного ввода оптических волокон через перегородку, и может быть использовано для ввода оптических волокон между областями с различным давлением. Проходка волоконно-оптическая, содержащая корпус с проходящими сквозь него со стороны высокого до стороны низкого давления оптическими волокнами, в корпус введены гермоблоки, которыми образованы полости, по меньшей мере две из которых заполнены эпоксидным герметизирующим составом, при этом гермоблоки выполнены с индивидуальными под каждое оптическое волокно сквозными заполненными герметизирующим составом отверстиями. По крайней мере одна корпусная полость между гермоблоками заполнена вязким жидким материалом. Внутренняя поверхность корпуса в указанной корпусной полости оснащена поперечными кольцевыми проточками. Каждое отверстие в гермоблоках, ограничивающих указанную корпусную полость, имеет гантелеобразную форму. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности проходки в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружениях при увеличении ее срока службы. 2 ил.

Проходка волоконно-оптическая, содержащая корпус с проходящими сквозь него со стороны высокого до стороны низкого давления оптическими волокнами, в корпус введены гермоблоки, которыми образованы полости, по меньшей мере две из которых заполнены эпоксидным герметизирующим составом, при этом гермоблоки выполнены с индивидуальными под каждое оптическое волокно сквозными заполненными герметизирующим составом отверстиями, отличающаяся тем, что по крайней мере одна корпусная полость между гермоблоками заполнена вязким жидким материалом, при этом внутренняя поверхность корпуса в указанной корпусной полости оснащена поперечными кольцевыми проточками, а каждое отверстие в гермоблоках, ограничивающих указанную корпусную полость, имеет гантелеобразную форму.