Исследование давления в защитном полимерном трубопроводе с замерзающей водой

Представлены результаты экспериментальных исследований давления в защитных полимерных трубопроводах, применяемых на кабельных линиях связи, создаваемого при замерзании воды в трубопроводе. Описана методика эксперимента. Приведены оценки давления в трубопроводе.

Постановка задачи

На отечественных сетях связи широко используется технология строительства волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) с использованием защитных полимерных трубопроводов (ЗПТ) или, другими словами, прокладки оптического кабеля (ОК) в междугородной кабельной канализации (МКК) [1-4]. Технология прокладки ОК в МКК обладает важнейшим преимуществом по сравнению с технологией прокладки бронированных кабелей непосредственно в грунт: это, во-первых, возможность замены и резервирования ОК без выполнения больших объемов земляных работ; во-вторых, использование более дешевых облегченных кабелей. Однако, при повреждениях трубопроводов, нарушении их герметичности с последующим заполнением их водой, грязью, заиливанием и т.п. кабель, проложенный в канале защитного трубопровода, оказывается в более тяжелых условиях эксплуатации по сравнению с проложенными непосредственно в грунт бронированными ОК.

Анализ опыта эксплуатации ВОЛП с оптическим кабелем в защитном полимерном трубопроводе показывает, что вероятность проникновения влаги в каналы междугородной кабельной канализации достаточно велика. Учитывая, что более чем на 70% территории нашей страны грунт в зимнее время промерзает на глубину до 1,4 м и более, достаточно велика вероятность и вмерзания кабеля при заполнении трубопровода с кабелем водой. Представляет интерес, как при этом будет вести себя оптический кабель облегченной конструкции, будет ли наблюдаться увеличение затухания.

На сегодняшний день имеется целый ряд работ отечественных и зарубежных авторов [5-7], посвященных исследованию изменения затухания в волокне при действии раздавливающих нагрузок на кабель. Однако, для того, чтобы воспользоваться изложенными в работах методика- ми расчета затухания, необходимо определить, какие давления будут возникать в полимерных трубопроводах при замерзании воды.

Исследования давлений, возникающих при замерзании в кабельном канале воды, проводились и ранее. Согласно экспериментальным данным П.В. Бриджмена, давление замерзающей воды в замкнутых резервуарах при температуре (–200С) может достигать 200 МПа [8]. В работе [9] представлены результаты исследований давления в асбоцементных трубах с замерзающей водой, которые показали, что давление воды при переходе в лед в закрытом цилиндре, полностью заполненном водой, состаляет 83,4 МПа. Давление замерзающей воды в экспериментальном стенде с кабелем марки КМБ-4 лежит в пределах 60-70 МПа, что на 16-20 % меньше давления, развиваемого без кабеля. Разница в величине давлений объясняется уменьшением объема воды и деформацией кабеля под воздействием замерзающей воды.

Следует учитывать, что поведение трубопровода, выполненного из асбоцемента и полиэтилена, под действием нагрузок различно. Труба из полиэтилена, испытывая давление замерзающей воды, может менять свой диаметр (расширяться) [4], вследствии чего, давление в трубопроводе будет изменяться. Таким образом, давление на проложенный в полимерном трубопроводе кабель будет отличаться, от давления на тот же кабель, проложенный в асбоцементную трубу.

Для того чтобы оценить, какое давление воздействует на оптический кабель в полимерном трубопроводе, была разработана методика и выполнены экспериментальные исследования.

Экспериментальные исследования давления в полимерном трубопроводе с замерзающей водой

В целях экспериментального исследования давления, создаваемого в полимерном трубопроводе замерзающей водой, предложена методика, основанная на измерении деформаций трубы при замерзании воды и последующем расчете давления в ЗПТ по известным соотношениям между деформацией полого цилиндра и внутренним давлением в нем [10]. Эксперимент выполнялся в следующей последовательности.

Образец ЗПТ заливался водой и герметизировался с двух сторон заглушками, которые стягивались двумя пластинами. Пластины насаживались на штыри (см. рис. 1).

Пластины

Штыри

ЗПТ

Зависимость деформации от внешнего давления для цилиндра из однородного материала

Для полого цилиндра, находящегося под воздействием равномерного давления (рис. 2), можно записать [11]:

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

До проведения эксперимента измерялся диаметр ЗПТ в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях по длине ЗПТ с шагом 4 см. Затем, конструкция помещалась в термокамеру и выдерживалась при температуре (–160С) в течение восьми часов. Вода в образце ЗПТ замерзала полностью. Под действием давления со стороны замерзающей воды ЗПТ деформировался. После полного промерзания диаметр образца повторно измерялся в контрольных точках. Таким образом, определялась деформация трубопровода. Экспериментальные исследования выполнялись с тремя образцами ЗПТ, имевшими различные геометрические размеры (диаметр и толщина стенки трубопровода). Характеристики образцов ЗПТ приведены в таблице 1 [10].

;

где – внутренний и внешний радиусы цилиндра соответственно;

– деформация внутренней и внешней стенок цилиндра;

– модуль Юнга и коэффициент Пуас-со-на цилиндра.

Образец ЗПТ при замерзании воды будет испытывать внутреннее, равномерно-распределенное давление При этом внешнее давление будет отсутствовать, то есть рЛ=О.Тогдадеформация внешнего радиуса цилиндра будет равна:

Таблица 1. Характеристики образцов ЗПТ

Параметр	Значение
	Образец №1	Образец №2	Образец №3
Модуль Юнга Етр , МПа	513,3	426,8	331,7
Коэффициент Пуассона цТР	0,43
Внешний диаметр DBH, мм	40	32	25
Толщина стенки S , мм	3,5	3	2,3

Длина ЗПТ составляла 37 см, число контрольных точек: 9.

Для каждого образца ЗПТ эксперимент выполнялся с талой снеговой водой. Для того чтобы учесть влияние состава воды на величину деформации трубопровода, с образцом №1 эксперимент был проведен также с водопроводной и дистиллированной водой.

Рис.2.Схема приложения нагрузки в полом цилиндре

Отсюда, зная деформацию A_b , можно определить внутреннее давление на стенки ЗПТ Pa *

В таблице 2 приведены результаты обработки экспериментальных данных по формулам (4)-(5).

Таким образом, расчет давления в ЗПТ с замерзающей водой выполняется по формуле (4).Для того,чтобы воспользоваться этой формулой,сле-дует определить изменение внешнего радиуса ЗПТ A^ . Величина A^ может быть найдена через приращение объема ЗПТ при замерзании в ней воды. Будем считать, что сечение деформированной трубы можно аппроксимировать эллипсом.Используя массив измеренных диаметров ЗПТ, разобьем всю длину образца ЗПТ на элементарные сегменты,ко-торые будут представлять собой усеченные конусы с основанием эллипса.Результирующий объем будет равен сумме объемов элементарных сегментов. Для нахождения объема элементарного сегмента воспользуемся следующей формулой [12]:

гЦад + Тзд+sj, где L – длина ЗПТ; Si – площади оснований эллипсоидного цилиндра.

Зная деформацию ЗПТ, определим приращение объема AK. Будем считать, что это приращение равномерно распределяется вдоль всей длины, тогда Ab будет равно л - AF

‘"ТГ^Пй' (5)

где R_b – внешний радиус ЗПТ после деформации; R_a – внешний радиус ЗПТ до деформации.

Результаты эксперимента

Расчет давления в ЗПТ был выполнен по формуле (4).Ниже на рис.3 представлены графики распределения деформаций по длине образцов ЗПТ №1-3.

Рис. 3. Экспериментальные графики распределения деформаций по длине образцов ЗПТ №1-3 (используется талая вода)

Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований давления в образцах ЗПТ №1-3 (используется талая вода)

Параметр	№1	№2	№3
	40/3,5	32/3	25/2,3
Ab, мм	0,46	0,51	0,19
pa , МПа	0,87	1,12	0,25

Результаты исследований давления при использовании талой, дистиллированной и водопроводной воды, представлены на рис. 4 и в таблице 3. Испытания проводились с образцом ЗПТ №1.

Рис. 3. Экспериментальные графики распределения деформаций по длине образца ЗПТ №1

Как видно из графика рис. 3, наибольшая деформация ЗПТ наблюдалась при замерзании воды без примесей. Это вывод подтверждают и результаты расчетов (см. таблицу 3).

Таблица 3. Результаты экспериментальных исследований давления в образце ЗПТ №1

Параметр	1	2	3
АГ,10"6 м3	9,97	20	18,8
Аъ, мм	0,24	0,49	0,46
Ра , МПа	0,47	0,93	0,87
1 - водопроводная 2 - дистиллированная 3 - талая вода

Заключение

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.

В ЗПТ диаметром 40 мм, 32 мм и 25 мм, применяемых для кабельных линий связи, при отсутствии кабеля в трубопроводе и без учета действия внешней среды, давление при замерзании талой воды достигает значений порядка 0,87; 1,12 и 0,25 МПа, соответственно.

На давление в трубопроводе влияет химический состав воды. Максимальное давление при замерзании создает дистиллированная вода. В ЗПТ с внешним диаметром 40 мм, при замерзании воды давление достигает 0,93 МПа.