DE3882510T2

DE3882510T2 - Durchführungseinheit für Hoch- und Niederdruckanwendung.

Info

Publication number: DE3882510T2
Application number: DE88300363T
Authority: DE
Inventors: Ali Adl
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-12-11
Filing date: 1988-01-18
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2008-01-19
Also published as: EP0325006A1; US4834479A; EP0325006B1; DE3882510D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Durchführungseinheit, die insbesondere als Durchführungseinheit zur Absperrung eines Flüssigkeits- oder Gasstromes bei Drücken dient, die von sehr niedrigen Drücken bis zu sehr hohen Drücken am Meeresgrund reichen.
Im Stand der Technik wurden Durchführungseinheiten bislang nicht dafür verwandt, zu verhindern, daß Wasserlecke von einem paarverseilten oder koaxialen Unterseekabel aus in die sehr teure elektronische Repeaterausrüstung eindringen, die in einem sonstwie wasserdichten Druckbehälter gekapselt ist. Die Dichtungen haben ausgereicht, um zu verhindern, daß Wasser in den Behälter eindringt.
Es wurde festgestellt, daß die derzeitigen optischen Faserkabel eine wertvolle Alternative zu paarverseilten und koaxial Unterwasser-Übertragungssystemen darstellen. Für ein optisches Unterwasserkabel ist eine wassersperrende Durchführungseinheit wesentlich. Im Falle eines Bruches der Umhüllung eines optischen Faserkabels, soll dem Wasser der Weg in die teure elektronische Repeaterausstattung versperrt werden.
Da optische Fasern etwas zerbrechlich sind und andere physikalische Eigenschaften als metallische Leiter besitzen, entstehen Probleme bei der Herstellung einer wassersperrenden Durchführungseinheit für optische Fasern, die in einem Unterwasserkabelsystem verwendet werden können. Eine wassersperrende Durchführungseinheit und ein Verfahren zur Herstellung derselben ist in "Technical Digest" der Western Electric, Nr. 73, Januar 1984, auf den Seiten 1 bis 2 offenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Anspruch 1 ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer wassersperrenden Durchführungseinheit definiert.
Eine wassersperrenden Durchführungseinheit kann eine Dose umfassen, die einen Hohlraum besitzt, der eine Öffnung an einem Ende und eine Sperrwand am entgegengesetzten Ende aufweist, wobei mindestens ein Loch die Sperrwand durchschneidet. Die Durchführungseinheit ist dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Stopfen auf die Gestalt des Hohlraumes abgestimmt ist und in den Hohlraum eingepaßt ist, wobei mindestens eine Öffnung, die die Größe einer optischen Faser besitzt, durch den Gummistopfen gestoßen wird; daß eine optische Faser sowohl durch die Öffnung in den Stopfen und das Loch in der Sperrwand der Dose hindurchtritt; und daß Einrichtungen den Stopfen mit einer Druckkraft vorbelasten, die ausreicht, eine Druckbelastung auf den Hohlraum und auf die optische Faser auszuüben, damit der Durchtritt der unter Druck stehenden Flüssigkeit von der Öffnung des Hohlraums in die Dose und zur Sperrwand des Hohlraumes verhindert wird, wobei die Flüssigkeitsdrücke, von Null bis Meeresbodendruck reichen.
Der Stopfen, beispielsweise ein Gummistopfen, ist so geformt, daß er mit dem Umriß des Hohlraumes übereinstimmt. Er wird von einem oder mehreren Löchern durchbohrt, um eine optische Faser oder optische Fasern hierdurch einzuführen. Der Gummistopfen, der die Fasern in dem Hohlraum hält, wird mit einer internen Druckkraft vorbelastet, die sicherstellt, daß keine Flüssigkeitsleckage in einem Druckbereich, der von Null bis zum Meeresbodendruck reicht und dem der Gummistopfen ausgesetzt ist, um oder durch den Gummistopfen auftritt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der Erfindung kann durch das Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen erhalten werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer optischen Faser- Durchführungseinheit in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Durchführungseinheit während der Herstellung;
Fig. 3 eine andere Querschnittsansicht der Durchführungseinheit während der Herstellung; und
Fig. 4 eine weitere Querschnittsansicht einer Durchführungseinheit während der Herstellung.

Detaillierte Beschreibung

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird eine Durchführungseinheit für hohe Drücke 20 für ein optisches Unterseefaserkabel 22 gezeigt. Die Durchführungseinheit umfaßt verschiedene Teile, die im zusammengebauten Zustand Gase oder Flüssigkeiten bei niedrigen und hohen Drücken, beispielsweise Atmosphärendruck und dem Wasserdruck am Meeresgrund, davon abhalten, vom Innern des Kabels 22 zu einem Repeatergehäuse und der elektronischen Repeaterausrüstung, die als Block 25 angedeutet ist, zu sickern. Die Einheit 20 umfaßt weiterhin ein Gehäuse oder eine Dose 27, einen Anschlußfaseradapter 28, eine Stellringmuffe 30, ein Bauteil 32 mit einem im Innern zulaufenden Hohlraum, einen Gummistopfen 34, eine Buchse 35 mit gekeilten Flächen, optische Fasern 37 und Federringe 54.
Die Dose 27, der Anschlußfaseradapter 28, die Stellringmuffe 30 und das zulaufende Hohlraumteil 32 sind aus Berylliumkupfer hergestellt, da diese Teile - wie abzusehen ist
- Meereswasser ausgesetzt sein werden. Dieses Material besitzt eine hohe Festigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit, um Gewinde zu schneiden, sowie enge Toleranzoberflächen und einen hohen Widerstand gegen Meereswasserkorrosion. Für andere Einsatzgebiete ist jedes Metall oder andere Material geeignet, wenn es über eine ausreichende Festigkeit verfügt, um den einwirkenden Kräften standzuhalten.
Das Gehäuse oder die Dose 27 ist ein Bauteil, das im wesentlichen eine zylindrische äußere Oberfläche besitzt. Gewinde sind in einen erhöhten Teil der äußeren Oberfläche geschnitten. Eine Nut, die einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzt, ist in den geraden Teil der äußeren Oberfläche geschnitten und läuft als Ring um die Dose.
Am linksseitigen Ende der Dose 27 befindet sich ein erweiterter runder Kragen, der eine zylinderförmige Öffnung umgibt. Am rechtsseitigen Ende der Dose 27 gibt es einen kegelstumpfförmigen konischen Hohlraum. Der Fuß des kegelstumpfförmigen Hohlraumes befindet sich am rechtsseitigen Ende der Dose. Dieses Ende bildet auch die dem Meereswasserdruck ausgesetzte Seite der Durchführungseinheit.
Das kegelstumpfförmige Ende des konisch gestalteten Hohlraumes bildet eine Sperre oder Barrierenwand 39 in der Mitte der Dose. Durch die Sperrwand 39 und den Rest des Dosengehäuses 27 sind Löcher 40 zur zylinderförmigen Öffnung am linksseitigen Ende der Dose gebohrt. Jedes Loch 40 stellt einen Durchtritt für eine einzige optische Faser in der zusammengesetzten Durchführungseinheit 20 dar. Die Löcher 40 sind weit genug, um sich an kleine Hohlrohre anzupassen, die während der Herstellung zum leichten Einbringen der optischen Fasern 37 in die Einheit 20 benutzt werden. Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend beschrieben.
Die Enden der Löcher 40 können, wie in Fig. 1 gezeigt, sich erweitern. Derartige Erweiterungen unterstützen eine leichte Einführung der Hohlrohre während der Herstellung in die Wassersperreinheit.
Das rechtsseitige Ende der Dose 27 besitzt eine ebene, ringförmige Oberfläche, die den Fuß der konischen Öffnung umgibt. Diese ringförmige Oberfläche, die senkrecht zur Mittelachse der Einheit 20 ausgerichtet ist, ist glatt bearbeitet, um eng an der gleichen Oberfläche des linksseitigen Endes des Anschlußfaseradapters 28 anzuschließen.
Der Anschlußfaseradapter 28 ist ein Bauteil, das auch eine im wesentlichen zylindrische äußere Form besitzt. Der Anschlußfaseradapter setzt sich aus drei verschiedenen äußeren Abschnitten zusammen. Diese besitzen verschiedene Durchmesser. Der größte Durchmesser, der gleich dem glatten Außendurchmesser der Dose ist, liegt am linksseitigen Ende des Anschlußfaseradapters. In die äußere Oberfläche des Anschlußfaseradapters mit dem größten Durchmesser ist eine halbkreisförmige Nut geschnitten. Der Außendurchmesser wird auf eine Zwischenabmessung verringert, um eine Schulteroberfläche auszubilden. Die Schulter umfaßt eine ebene, senkrecht auf der Mittelachse der Einheit 20 stehende Ringoberfläche, die glatt bearbeitet ist, um an einem Kragen, der an der Innenseite der Stellringmuffe 30 ausgebildet wird, anzuliegen. Die weitere Verminderung des Außendurchmessers führt zur Ausbildung eines Kragens, der sich zum rechtsseitigen Ende des Anschlußfaseradapters hin erstreckt und das Ende des Kabels 22 umfaßt. Am linksseitigen Ende des Anschlußfaseradapters wird eine andere ebene Ringoberfläche bearbeitet, um an dem rechtsseitigen Ende der Dose 27 anzuliegen.
Im Innern besitzt der Anschlußfaseradapter 28 ebenfalls drei Abschnitte. Der linksseitige Innenabschnitt ist ein gerader zylindrischer Hohlraum mit einem Durchmesser, der gleich oder größer als der Durchmesser des Fußes des konischen Hohlraumes in der Dose 27 ist. Dieser zylindrische Hohlraumabschnitt ist zur Aufnahme der Buchse 35 mit den Keilflächen und einiger Federringe 54 entsprechend ausgedehnt. Der mittlere Innenabschnitt des Anschlußfaseradapters 28 ist ein konisch geformter Hohlraum, der so dimensioniert ist, daß die optischen Fasern vom Kabelkern des Kabels 22 auf die Bohrungen 48 in der Buchse 35 aufgespreizt werden können, wobei die Bohrungen auf die Löcher 40 in der Dose 27 ausgerichtet sind. Der rechtsseitige Endinnenabschnitt des Anschlußfaseradapters ist ein zylinderförmiger Hohlraum, der so dimensioniert ist, daß er das Ende des Kabels 22 aufnimmt und daran mit diesem verbunden werden kann.
Die Dose 27 und der Anschlußfaseradapter 28 werden durch die Stellringmuffe 30 eng aneinander anliegend zusammengehalten. Die Stellringmuffe 30 ist im allgemeinen ein zylinderförmiges Bauteil. Die innere Oberfläche der Stellringmuffe besitzt ein Gewinde, das in der Nähe des linksseitigen Endes eingeschnitten ist, um mit dem Gewinde der äußeren Oberfläche der Dose 27 in Eingriff zu stehen. Die Mitte der inneren Oberfläche ist flach und zylindrisch ausgebildet. Am rechtsseitigen Ende der Stellringmuffe wird auf der Innenseite senkrecht zur Mittelachse der Einheit 20, ein Kragen mit einer glatten, ebenen Ringoberfläche ausgebildet. Diese Ringoberfläche liegt an der ebenen Ringoberfläche der Schulter des Anschlußfaseradapters 28 eng an.
Im Innern des Anschlußfaseradapters 28 preßt eine Schulter gegen die Federringe 54, wenn die Stellringmuffe 30 in ihre Endstellung geschraubt wird. Die Federringe 54 wiederum pressen auf die Buchsemit den Keilflächen und den Gummistopfen und leiten damit eine Vordruckbelastung in dem Gummistopfen 34 ein.
Zwei O-Ringe 44 und 46 aus Gummi werden in die Einheit 20 eingesetzt. Die Materialauswahl der O-Ringe wird durch den maximalen Druck, der während der Benutzung ausgeübt wird und den Temperaturbereich der durch die Fertigung und die Benutzung vorgegeben ist, bestimmt. Ein O-Ring 44 ist zwischen der Stellringmuffe 30 und der Dose 27 angeordnet. Der andere O-Ring 46 ist zwischen der Stellringmuffe 30 und dem Anschlußfaseradapter 28 angeordnet. Jeder O-Ringe 44 und 46 ist in einer der Ringe mit halbkreisförmigem Querschnitt angeordnet, die in die äußere Oberfläche der Dose 27 und des Anschlußfaseradapters 28 geschnitten sind.
Das im Innern spitz zulaufende Hohlraumteil 32 besitzt einen zulaufenden bzw. sich erweiternden Hohlraum, der am rechtsseitigen Ende angeordnet ist. Dieser zulaufende Hohlraum dient dazu, die Fasern 37 in einer Umhüllung 42 zur Führung an die Repeaterelektronik 25 zusammenzufassen. Das linksseitige Ende des Inneren des Teils 32 besteht aus einer zylindrischen Öffnung, die zur Aufnahme der Umhüllung, durch die die Fasern geführt werden, ausgebildet ist. Die Führungsumhüllung verbindet das Teil 32 mit dem zulaufenden Hohlraum mit dem Repeatergehäuse und der Repeaterausrüstung 25.
Die Wasser- und Gassperre wird zum Teil durch die O- Ring-Dichtungen gebildet, die außerhalb der Dose 27 und des Anschlußfaseradapters 28 angeordnet sind. Die O-Ringe 44 und 46 werden durch die zylindrische Innenwand der Stellringmuffe 33 derart zusammengedrückt, daß jedes Einsickern von Wasser oder Gas sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Druck verhindert wird. Eine weitere wichtige Wasser- und Gassperre wird durch den Stopfen 34 gebildet.
Der Stopfen 34 ist ein kegelstumpfförmiges aus Kautschukmaterial bzw. Gummi hergestelltes, konisches Teil, das sich unter Kompressionsdruck wie ein kompressibles Fluid verhält. Der Stopfen 34 ist derart ausgebildet, daß er in den Hohlraum der Dose 27 paßt. Bei Verwendung in einem Niedrigdruckgebiet wird fast jedes Kautschuk- bzw. Gummiprodukt den Anforderungen genügen. Bei Verwendung bei hohen Drücken hat sich herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, Chlorbutyl zu verwenden. Kräfte, die auf den Gummistopfen ausgeübt werden, werden in einen inneren, nach allen Richtungen gleichmäßig verteilten Druck umgewandelt. Dadurch wird der Druck einer Vorbelastung verteilt und ein gleichmäßiger Druck auf die durch den Gummistopfen hindurchgeführten Fasern 37, und auf die Dosenwände ausgeübt. Der hydrostatische Druck des Seewassers wird auf gleiche Art und Weise durch den Stopfen 34 verteilt und ein gleichmäßiger Druck auf die Fasern 37 und die Hohlraumwände der Dose 27 ausgeübt. Der innere Gesamtdruck ist eine Summe des Vorlastdruckes und des hydrostatischen Druckes. Dieser innere Gesamtdruck übersteigt immer den hydrostatischen Druck und verhindert so, daß Meereswasser entweder zwischen dem Stopfen 34 und den Fasern 37 oder zwischen dem Stopfen und den Hohlraumwänden der Dose 27 durch die Durchführungseinheit hindurchtritt.
Mit Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 wird jetzt das Herstellungsverfahren erläutert. Das Herstellungsverfahren durchläuft verschiedene Schritte.
Eine beispielhafte Dose 51 umfaßt in Fig. 2 einen sich verjüngenden, konischen Gummistopfen, Buchsen mit Keilflächen 53, Federringe 54, ein Gewindering 55 und ein Stellring 56 halten den Gummistopfen 52 in der Dose. Ausrichtungslöcher 57 und 58, die gleich der Anzahl der Fasern im Kabel sind, treten durch die Sperrwand der Dose 51 und durch die Buchse 53 hindurch. Die Löcher 57 und 58 in der Dose und in der Buchse sind axial zueinander ausgerichtet.
Hohle Injektionsrohre 60 sind ebenfalls axial zu den Löchern 57 und 58 ausgerichtet. Die Rohre sind jeweils vor Einführung in den Stopfen 52 mit einem spitzen, festen Füllstück gefüllt. Eine Einführkraft 65 drückt auf die Injektionsröhre 60 und das Füllstück 61, während diese in die Löcher 57 eingeführt werden, durchstoßen den Stopfen 52 und treten durch die Löcher 58, wie in Fig. 3 gezeigt, aus. Da die Rohre 60 und das Füllstück 61 durch den Stopfen 52 gestoßen werden, wird wenig bzw. kein Material vom Stopfen 52 entfernt.
Nachdem der Stopfen 52 durchstoßen wurde und die Rohre 60 ausreichend nach außen treten, werden die Füllstücke 61 entfernt. Dann werden die Fasern 37 durch die Rohre 60 gezogen.
Nachdem die Fasern in jedem Rohr, wie in Fig. 4 gezeigt, angeordnet wurden, werden die Rohre aus dem Stopfen 52 und der Einheit entfernt. Dies beläßt die Fasern, die durch die Löcher 57 und 58 in die Dose 51 und die Buchsen 53 und die durchstoßenen Löcher eingeführt werden, im Stopfen 52. Da wenig beziehungsweise kein Material aus dem Stopfen entfernt wurde, als er durchstoßen wurde, sind die Fasern 37 innerhalb des Stopfens eng anliegend.
Nachdem die Fasern 37 plaziert sind, kann die gesamte Durchführungseinheit in Übereinstimmung mit Fig. 1 zusammengesetzt werden. Der Anschlußfaseradapter 28 wird so ausgerichtet, daß er die Buchse 35 und die Federringe 54 umgibt und an der Dose 27 anliegt. Die O-Ringe 44 und 46 werden in die äußeren Nuten der Dose 27 und des Anschlußfaseradapters 28 eingebracht. Dann wird die mit einem Gewinde versehene Stellringmuffe 30 plaziert und so weit verschraubt, bis eine Vorlastkraft durch die Federringe 54 und die Durchführung 35 auf das Fußende des Gummistopfens 34 ausgeübt wird. Die Vorlastkraft führt eine Vorlastdruckkraft in den Gummistopfen 34 ein.
Da sich der interne Druck innerhalb des Stopfens gleichmäßig in alle Richtungen ausbreitet, wird der Stopfen eng anliegend gegen die Sperre oder Barrierenwand 39, die Seitenwand und die Seitenwände der Dosenhohlräume sowie gegen die Fasern 37 gedrückt. Die Kautschukbzw. Gummizusammensetzung, der Durchmesser der Faser 37, der Durchmesser der Löcher 40 und 48 und der maximal erwartete hydrostatische Druck werden derart gewählt, daß der Gummistopfen 34 nicht durch irgendeines der Löcher 40 oder 48 herausgepreßt werden kann. Die Vorlastdruckkraft in dem Gummistopfen 34 dichtet den Stopfen dicht gegen die Fasern und die Dosenwände ab.
Die Vorlastdruckkraft im Stopfen ist gerade so groß, daß jede Gas- oder Flüssigkeitsströmung durch oder um den Stopfen 34 entweder an der Wasseroberfläche oder unter Wasser verhindert wird, ohne das Kabel zu beschädigen. Wenn die Durchführungseinheit im Ozean versenkt wird und Wasser in das Kabel eindringt, wird die Vorlastdruckkraft immer zu dem umgebenden hydrostatischen Wasserdruck hinzuaddiert. Diese Summe ergibt den inneren Gesamtdruck, der sich im Gummistopfen 34 ausbreitet. Der umgebende hydrostatische Druck wird durch das Kabel 22 und die Buchse 35 zum Fußende des Gummistopfens 34 übertragen, wobei der hydrostatische Druck zur Vorlastkraft addiert wird. Der gesamte innere Druck des Stopfens 34 ist ausreichend, um zu verhindern, daß Wasser entweder durch den Stopfen 34 oder die Faser 37 zu irgendeinem Zeitpunkt einsickert. Folglich verhindert die Durchführungseinheit zu jedem Zeitpunkt sowohl einen Gas- als auch einen Wasserdurchtritt vom Kabel 22 zur elektronischen Ausrüstung 25, wo ein Schaden angerichtet werden könnte.
Für den Stopfen und den Hohlraum können andere Formen, beispielsweise eine gänzlich konische Form, sich verjüngende (oder erweiternde) Formen und eine zylindrische Form verwandt werden. Sowohl der Stopfen als auch der Hohlraum sollten jedoch ähnliche Formen besitzen.
Es soll bemerkt werden, daß die Abdichtung ohne Anwendung einer speziellen Oberflächenbehandlung der Faser 37 mit einer Metallisierung oder Epoxyverbindungen wirksam ist. Die Abdichtung gegen Gas und Wasser ohne eine Metallisierung oder ein Harz ist sehr vorteilhaft, da diese Materialien schwierig auf optische Fasern aufgebracht werden können und im Betrieb zu Ausfall bzw. Störungen führen können.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Durchführungseinheit zur Absperrung eines Flüssigkeits- oder Gasstroms, mit folgenden Schritten:

Einfügen eines kegelstumpfförmigen, konisch gestalteten Gummistopfens in einen kegelstumpfförmigen, konisch gestalteten Raum in einer Dose, die den Hohlraum umfaßt, der am einen Ende eine offene Basis und am entgegengesetzten Ende eine Sperrwand aufweist, durch die mindestens ein Loch gebohrt ist;

die Gestalt des Gummistopfens entspricht im wesentlichen der Gestalt des Hohlraums und paßt in den Hohlraum, wobei das kegelstumpfförmige Ende des Stopfens benachbart der Sperrwand zu liegen kommt;

es werden ein oder mehrere Bohrungen durch den Gummistopfen hergestellt, so daß die Bohrungen durch den Gummistopfen zu der offenen Basis und zu dem mindestens einen Loch in der Sperrwand ausgerichtet sind;

eine optische Faser wird durch jede Bohrung in dem Gummistopfen hindurchgeführt; und

der Gummistopfen wird mit einer Kraft vorbelastet, die ausreicht, eine Druckbelastung auf den Gummistopfen auszuüben, wobei die Kraft im wesentlichen gleiche Drücke auf die Seitenwand und die Sperrwand des Hohlraumes ausübt;

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bildung von Bohrungen das Durchstechen des Gummistopfens von dem kegelstumpfartigen Ende zur Basis einschließt, um so eine Öffnung mit ungefähr der Größe einer optischen Faser zu bilden, so daß während des Schritts der Vorbelastung direkter Kontakt zwischen dem Gummistopfen und jeder hindurchgeführten optischen Faser hergestellt wird und der Gummistopfen gegen die optische Faser mit im wesentlichen gleichem Druck komprimiert wird, wobei die Druckbelastung der Vorlast in Kombination mit dem umgebenden hydrostatischen Druck, der an den Gummistopfen angelegt ist, das Druckfluid daran hindert, von dem Basisende des Hohlraums der Dose zu der Sperrwand zu gelangen, und zwar durch einen Bereich von Fluiddrücken, die von 0 bis zu dem Druck am Boden eines Ozeans reicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder die mehreren Bohrungen mit einem hohlen Rohr oder mit Rohen gestochen werden, daß die getrennte optische Faser durch das jeweilige Rohr hindurchgeführt und daß das Rohr oder die Rohre aus dem Gummistopfen abgezogen werden, während die optische Faser oder Fasern durch den Gummistopfen hindurchreichend belassen werden.