home  |  o nas  |  kontakt  |  mapa strony
Gamm-Bud Sp. z... » Publikacje » Wdmuchiwanie kabli światłowodowych to też technologia bezwykopowa

Wdmuchiwanie światłowodów

Bardzo dawno już nie pisałem o zagadnieniach związanych z kablami. A układanie kabli tez często jest dokonywane przy użyciu technologii bezwykopowych. W związku z tym, że w ciągu ostatnich dwóch miesięcy zaobserwowaliśmy bardzo wzmożony „ruch w interesie” jeśli chodzi o wdmuchiwanie kabli światłowodowych, postanowiłem omówić tę , jak najbardziej bezwykopową technologię. Kable światłowodowe w tej chwili już zdecydowanie wyparły kable miedziane jako medium do transportu sygnałów w telefonii , telewizji kablowej oraz Internecie. W tak zwanych sieciach szkieletowych czyli w dużym skrócie na trasach między miastami światłowody stały się standardem już kilkanaście lat temu. Ale w tak zwanych sieciach dostępowych czyli znowu w dużym skrócie w obrębie miast, od central do użytkowników do dziś królowała i często króluje jeszcze miedź. Ale to już ostatnie chwile. Jeśli chcemy myśleć poważnie o oglądaniu filmów „on Line” i innych usługach tzw. szerokopasmowych, musimy mieć sieć dostępową na światłowodach .A za chwilę „fiber to the Home” czyli światłowód do domu a nawet „fiber to the desk” czyli światłowód na biurku będzie bezwzględną koniecznością. I to już zaczyna się dziać. W Warszawie nasz główny operator przystępuje do pilotażowego projektu „fiber to the home” .Inni operatorzy też muszą to zrobić. Stąd zwiększone zainteresowanie techniką wdmuchiwania.

Kabel światłowodowy nie jest nigdy układany bezpośrednio w ziemi czy kanalizacji teletechnicznej pierwotnej. Zawsze układany jest w rurze wtórnej , najczęściej jest to rura z HDPE (polietylen wysokiej gęstości) o średnicy 40mm lub 32 mm. Można ten kabel do rury wtórnej wciągnąć linką lub włóknem szklanym przy użyciu siły rąk ludzkich lub małą wciągarką. Jednakże ta technika niesie w sobie bardzo duże niebezpieczeństwo uszkodzenia kabla i jest bardzo rzadko stosowana. Standardem już od wielu lat jest wprowadzanie kabla przy użyciu sprężonego powietrza oraz podajników mechanicznych, czyli popularnie mówiąc „wdmuchiwanie”.

Aby „wdmuchnąć” kabel musimy wywrzeć na niego siłę, która pokona jego ciężar oraz opory tarcia o ściankę rury wtórnej. Sytuacja w dużym uproszczeniu wygląda tak, jak na rys 1.

Rys.1 Siły działające na kabel

Kabel tak długo będzie przemieszczał się w rurze, dopóki siła tarcia nie zrównoważy sumy sił ciągnącej i pchającej.

Rys.2 Rozkład sił w rurze prostej

Siła tarcia opisana jest równaniem :

F= m ∙l∙ g∙µ

Gdzie:

m – masa właściwa kabla, l – długość kabla , g- stała grawitacyjna , µ - współczynnik tarcia

I tak przykładowo : dla kabla o długości 2000 m o masie właściwej 0,2 kg/m i współczynniku tarcia 0,08

F=0,2 kg/m ∙ 2000m ∙ 9,81 m/s2∙ 0,08 = 314 N

Czyli dla starszych ludzi około 30 kG

Czyli do pokonania siły tarcia przy wdmuchiwaniu kabla na odległość 2000m potrzebna jest siła ok. 30 kG. Oczywiście przy założeniu że rura jest na całej długości prosta.

Jako, że rura tak jaki życie nigdy nie jest prosta , musimy rozpatrzeć przypadek rozkładu sił w wygiętej rurze. Przedstawiono to na rys 3. Siła działająca na kabel za łukiem o kącie a Wynosi : F2 = F1 • eam

Gdzie e to podstawa logarytmu naturalnego , a µ - współczynnik tarcia.

eam dla łuku 30° wynosi 1,04

eam dla łuku 60° wynosi 1,09

eam dla łuku 90° wynosi 1,13

Rys. 3 Rozkład sił w rurze wygiętej

I tak dla łuku 90° Siła przed łukiem wynosi na przykład 500 N a za łukiem 565 N .Czyli jest o 13% większa .Warto o tym pamiętać przy planowaniu trasy kabla. Należy pamiętać jeszcze o tym , że przy wyliczeniach przyjęliśmy dynamiczny układ występujących zjawisk. Kabel przemieszcza się w rurze z dość znaczną prędkością, z reguły ok. 60 m/min. przypadku zatrzymania kabla i próbie ponownego wprowadzenia go w ruch będziemy mieli do czynienia z tarciem statycznym, które jest prawie dwukrotnie większe.

Rys.4 Metoda tłoczkowa

Znając już opory, zastanowimy się jakie siły i skąd pochodzące pozwalają nam na ruch kabla do przodu.

Możemy wyróżnić dwie podstawowe metody wdmuchiwania kabla : metodę tłoczkową i metodę strumieniową. Przy metodzie tłoczkowej na początku kabla zamocowany jest tłoczek który dość szczelnie przylega do ścianek rury osłonowej , i poddany naporowi sprężonego powietrza powoduje powstanie siły ciągnącej kabel. Przy metodzie strumieniowej nie ma tłoczka i siła ciągnąca pochodzi od tarcia przepływającego powietrza o powierzchnię zewnętrzną kabla.

Wdmuchiwanie metodą tłoczkową przedstawione jest schematycznie na rys.4

Siła powstająca na tłoczku opisana jest równaniem

F = (D2 – d2) · p/4 · P

Gdzie F – siła ciągnąca, D – średnica wewnętrzna rury, d – średnica zewnętrzna kabla, P – ciśnienie powietrza , a właściwie nadciśnienie ( Częsty błąd przy obliczaniu polega na tym , że jeżeli manometr pokazuje ciśnienie 10 bar, to taka wartość przyjmuje się do obliczeń. A przecież przed tłoczkiem panuje ciśnienie atmosferyczne czyli ok. 1 bar. Należy o tym pamiętać i przyjmować do obliczeń wartość o 1 bar mniejszą niż wskazania manometru na sprężarce).

Przykładowo dla rury „czterdziestki” D wynosi 32 mm d kabla 16 mm i nadciśnienie 7 bar daje nam siłę ok. 420 N czyli ca 40 kG.

Jak widać ze wzoru, wartość siły będzie tym mniejsza, im mniejsza różnica między średnicą wewnętrzną rury, a średnicą kabla. Przy małych rurach i grubych kablach lepiej stosować jest metodę strumieniową. Rozkład sił pokazany jest na rys.5

Siła ciągnąca kabel jest wyrażona wzorem

F = π/4 · d · (D – d) · P/T · L

Gdzie : F - Siła działająca na kabel , P - nadciśnienie na kompresorze , d - średnica zewnętrzna kabla , D - średnica wewnętrzna rury wtórnej, T - długość trasy, L - długość kabla.. Dla średnic 32 i 16 mm oraz długości trasy i kabla 2000 m daje to wartość około 180 N .

Oprócz sił ciągnących mamy jeszcze siłę pchającą kabel, pochodzącą od mechanicznego podajnika Wdmuchiwarki. Wartość tej siły w zależności od modelu maszyny i sztywności kabla wynosi od 500 do 2000 N.

I na tym skończymy rozważania teoretyczne , które są na pewno pomocne przy zrozumieniu istoty procesu wdmuchiwania i pomagają podjąć różne decyzje, ale należy pamiętać , że rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana , i czynników decydujących o powodzeniu przy tej technologii jest dużo , dużo więcej.

Rys.5 Rozkład sił przy wdmuchiwaniu strumieniowym

Z grubsza możemy podzielić je na trzy grupy:

1. zależne od materiałów , czyli kabla, rur wtórnych ,złączek , płynu poślizgowego

2. zależne od sprzętu, czyli wdmuchiwarki, sprężarki, przewodów powietrznych , odwijaków kabla , dodatkowych głowic itp.

3. zależne od warunków zewnętrznych , czyli od przebiegu trasy kabla, sposobu ułożenia rur wtórnych, pogody , temperatury itp.

Czynniki z grupy pierwszej

Kable przewidziane do wdmuchiwania powinny charakteryzować się dużą sztywnością umożliwiającą przenoszenie siły wpychającej od podajnika, z drugiej strony nadmierna sztywność powoduje zwiększone opory przy pokonywaniu łuków. Powłoka zewnętrzna kabla powinna mieć jak najmniejszy współczynnik tarcia w zetknięciu z rurą osłonową. Jednocześnie musi być odporna na działanie płynu poślizgowego. Rury osłonowe muszą mieć niski współczynnik tarcia , dużą sztywność obwodową, aby nie ulegały deformacji na łukach i nie zmieniały przekroju poprzecznego pod naporem gruntu. Materiał nie powinien utleniać się, ani ulegać starzeniu. Współcześnie często stosuje się rury osłonowe wykonane z HDPE z dodatkową wewnętrzną warstwą poślizgową oraz wzdłużnymi rowkami zmniejszającymi powierzchnię styku z kablem. Znakomite efekty dają rury z rowkami spiralnymi o zmiennym kierunku , ale są one stosunkowo drogie i trudno dostępne. Bardzo ważnym elementem rurociągu teletechnicznego są złączki. Muszą zapewniać pełną szczelność i gwarantować idealne połączenie rur , bez karbów , uskoków czy deformacji. Płyn poślizgowy musi jak najbardziej zmniejszać tarcie pomiędzy kablem a rurą osłonową. Jednocześnie nie może absolutnie być toksyczny, nie może zwiększać swej lepkości w wysokiej temperaturze , nie może wchodzić w reakcje z materiałem rury lub kabla , nie może starzejąc się powodować sklejania kabla z rurą osłonową. Do tego powinien być tani i łatwo dostępny.

Czynniki z grupy drugiej

Podstawowym sprzętem jest sprężarka. Minimalne wymagania to ciśnienie powietrza 8 bar i wydatek 8 m3/min. , a dla metody strumieniowej wydatek 11 m3/min. Sprężarka nie powinna być zbyt duża i ciężka , aby nie utrudniać manewrowania. Pożądane jest , aby sprężarka była wyposażona w osuszacz powietrza oraz chłodnicę powietrza. Niedopuszczalne jest aby powietrze było zaolejone. Przewody powietrzne łączące kompresor z wdmuchiwrką muszą mieć odpowiednią do ciśnienia wytrzymałość , powinny być elastyczne i co najważniejsze mieć złącza gwarantujące trwałe i bezpieczne połączenie oraz nie dławiące przepływu powietrza.

Wdmuchiwarka , czyli bardziej elegancko „przyrząd do mechaniczno-pneumatycznego wdmuchiwania kabli” to serce każdego systemu do wdmuchiwania.

Rys.6 Schemat wdmuchiwarki

Wdmuchiwarka składa się przede wszystkim z głowicy wdmuchującej oraz podajnika.

Głowica wdmuchująca jest to przyrząd, w którym dzięki systemowi uszczelnień oraz dyszom sprężone powietrze wprowadzane jest wraz z kablem do rury osłonowej, wywołując jego ruch postępowy. Bardzo ważny jest dobór materiału uszczelnień, tak aby nie wywoływały one nadmiernego tarcia o płaszcz kabla. Istotna jest również geometria dysz, odpowiednio kształtująca przepływ strugi powietrza, niedopuszczając do powstawania szkodliwych zawirowań. Łatwość dostosowywania osprzętu głowicy do średnicy wdmuchiwanego kabla decyduje o szybkości i komforcie pracy obsługi.

Podajnik to urządzenie w sposób mechaniczny wywołujące ruch kabla do przodu. Podajniki mogą być :

rolkowe - te są najmniej wydajne oraz dość niebezpieczne dla kabla i w tej chwili odchodzą już w zasłużoną niepamięć

gąsienicowe – najbardziej rozpowszechnione i najefektywniejsze, szczególnie zalecane do wdmuchiwania na długich trasach oraz przy ciężkich kablach.Rys.7

Rys.7 Wdmuchiwarka z podajnikiem gąsienicowym

z tarczami zębatymi – zalecane dla metody strumieniowej (zęby tarcz wygniatają na płaszczu kabla poprzeczne zagłębienia zwiększające wydatnie siłę ciągnącą kabel).Ze względu na małe gabaryty i niewielki ciężar znakomite do pracy w miastach, na krótszych trasach.Rys.8

Rys.8 Podajnik z tarczami zębatymi

z paskami zębatymi – niezbyt godne polecenia ze względu na bardzo szybkie zużycie pasków .Ich podstawowa zaleta to niska cena.

Ze względu na sposób napędu podajnika możemy rozróżnić : elektryczne , pneumatyczne i hydrauliczne. Te pierwsze dość rzadko stosowane, pneumatyczne są najbardziej rozpowszechnione, a hydrauliczne stosuje się do bardzo ciężkich i sztywnych kabli. Można przy ich pomocy wdmuchiwać nawet kable miedziane.Rys.9

Ważne jest , aby kabel podawany do wdmuchiwarki mógł swobodnie odwijać się z bębna a jednocześnie aby nie dopuścić do nadmiernej prędkości bębna, co może doprowadzić do splątania i uszkodzenia kabla. Bębny powinny być umieszczane na łożyskowanych osiach na specjalnych stojakach lub przyczepach wyposażonych w hamulec pozwalający kontrolować prędkość odwijania.

Wartym omówienia urządzeniem jest tzw. karuzela. Jeśli mamy na bębnie 3 000 m kabla, to na pewno nie uda się ich wdmuchnąć w jednym kierunku przy użyciu jednej maszyny. Wdmuchujemy więc około 1500 m a następnie pozostałą długość przy użyciu podajnika wdmuchiwarki wprowadzamy do specjalnego kosza z ramieniem układający kabel. To jest właśnie karuzela. Następnie po odwróceniu wdmuchiwarki i pobieraniu kabla z kosza wdmuchujemy resztę długości w drugą stronę.

W celu zwiększenia zasięgu wdmuchiwania można kaskadowo połączyć kilka wdmuchiwarek, lub wdmuchiwarkę i głowice dodatkowe tzw „cable booster”. Wymaga to jednak także zastosowania większej ilości kompresorów.Rys.10

Rys.9 Wdmuchiwarka z napędem hydraulicznym

Istnieje także możliwość wdmuchiwania dwóch kabli jednocześnie lub dodmuchiwania kabla do rury osłonowej, w której jest już jeden kabel. Przyrząd umożliwiający tę operację to „złącze Y”

Rys.10 Wdmuchiwanie kaskadowe

Czynniki z grupy trzeciej

Zasięg wdmuchiwania ze względu na przebieg trasy kabla może zmienić się bardzo mocno. Każdy łuk powoduje skrócenie odległości. Także wdmuchiwanie pod górę zmniejsza zasięg.

Wysoka temperatura otoczenia, szczególnie jeśli kompresor nie jest wyposażony w chłodnicę powietrza powoduje podgrzanie kabla, a w konsekwencji zmniejszenie jego sztywności co zmniejsza wydajność dopychania. Także mniejsza gęstość gorącego powietrza obniża wartość siły ciągnącej kabel. Wysoka temperatura obniża także skuteczność działania płynu poślizgowego.

Wysoka wilgotność powietrza w temperaturach kilku stopni powyżej zera może spowodować znaczne komplikacje. Rozprężające się w silniku pneumatycznym powietrze obniża gwałtownie swoją temperaturę co prowadzi do zamarznięcia zawartej w nim pary wodnej i oblodzenia , a konsekwencji zablokowania silnika. Może dojść także do oblodzenia wnętrza głowicy wdmuchującej. Zalecane jest więc stosowanie osuszaczy powietrza.

Przy omawianiu wdmuchiwania kabli światłowodowych należy wspomnieć o pewnej mutacji tej technologii opracowanej i dość często stosowanej w Skandynawii. Chodzi o wprowadzanie kabli w rury osłonowe przy użyciu wody pod ciśnieniem. Jest oczywiste że siła ciągnąca wywoływana przez tarcie wody o kabel jest większa niż przy użyciu powietrza. Metodę „wpłukiwania” (tak pozwoliłem sobie ją nazwać) można stosować przy użyciu standardowych wdmuchiwarek , należy jedynie zastosować inne , sztywniejsze uszczelki. Oczywiście trzeba zapewnić osobne zasilanie silników i siłowników pneumatycznych sprężonym powietrzem. Dodatkowo trzeba zastosować pompy wody i zapewnić jej recyrkulację. Wyniki osiągane przy tej metodzie budzą szacunek. Znane są instalacje nawet 7000 m kabla w jednym kierunku.

Literatura :

[1] Prezentacja firmowa - Gamm-Bud 2005 r

[2] Alles Wissenswerte zur luftunterstützten Kabelverlegung –materiały firmowe Lancier-Cable GmbH 2006 r

[3] Urządzenia do instalowania kabli telekomunikacyjnych i teleinformatycznych – materiały firmowe PLUMETTAZ S.A. 2001 r


© Copyright Gamm-Bud Sp. z o.o.