JP3281607B2 - 水中ケーブル継手のためのシール - Google Patents

水中ケーブル継手のためのシール

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    • G02B6/44Mechanical structures for providing tensile strength and external protection for fibres, e.g. optical transmission cables
    • G02B6/4401Optical cables
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    • H02G15/14Cable junctions protected by boxes, e.g. by distribution, connection or junction boxes for incorporating transformers, loading coils or amplifiers specially adapted for submarine cables

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に二つの表面
の間にシールを設ける装置に関し、さらに詳細には、ケ
ーシングが水中に沈められて水素にさらされるときの光
ファイバの損傷および光減衰を防止するために、ケーシ
ングの内部で二つの光ファイバケーブルの端部を封止す
る装置に関する。本発明は、ケーシングの一端にシール
を設けることを対象とする。
【0002】
【従来の技術】従来の技術では、二つのケーブルを水中
で接続するための海底用光ケーブル接合部が知られてい
る。このような海底用光ケーブル接合部では、一つのケ
ーブルからの光ファイバが他のケーブルの光ファイバに
物理的に接続され、水中に配置され、10150psi
(69980kPa)を超える水圧を受ける。
【0003】このことから、一般的に海底用光ケーブル
接合部は、ケーブル接合部中に入り込む水素に起因する
問題があり、水素はケーブル接合部中で露出している二
つのケーブル内の光ファイバに有害な影響を及ぼす。水
素は、金属部品の電解腐食、電磁流体力学効果、および
ケーブル接合部近くの微生物の活動から、ケーブル接合
部近くで発生する。水素は、当技術分野では水素誘導減
衰として知られている光ファイバにおける光損失を引き
起こす。水素が光ファイバに沿ってかなりの距離を貫通
する場合には、水素は光ファイバにおいてかなりの量の
水素誘導減衰を引き起こす。
【0004】図1は、管状ステンレス鋼ケーシング12
の内部に封止されたケーブル10を有する、全体的に8
で示された従来の技術によるケーブル接合部の一端部を
示す。ケーブル10は、同様にケーシング12の内部に
封止された図1に図示されていない他のケーブルに接続
されている。ケーブル接合部8は実質的に対称形であ
り、この検討を目的として、一つだけの端部を図示して
説明する。ケーブル10は一般的に、中に水阻止化合物
を含むこともある毛細管16を有する。水阻止化合物は
水素吸収化合物を含むこともでき、この水素吸収化合物
は、この水素吸収化合物の吸収容量、化合物が毛細管1
6を満たす度合い、および加えられる水素の圧力に応じ
て、水素誘導減衰の開始を遅らせることができる。しか
しながら、水素が毛細管16に入ることは避けられな
い。
【0005】ケーブル10は、保護外装14、パワーコ
ンダクタ15、内部に光ファイバ(図示せず)を収容す
る毛細管16、および補強部材17から構成される。ケ
ーブル10を、口金22、おさえ座金23、およびおさ
えナット24を通じて補強部材17を押しつけることに
よってアンカー20に確保する。取付けブロック21は
毛細管16のための支持台となる。取付けブロック21
は、ストッパねじ31によってアンカー20に対して保
持される。アンカー20もまた、アンカー/ケーシング
ねじ継手33と載荷リング38を通じてケーシング12
に対して固定される。載荷リング38は、ねじ山85の
上で載荷リング38を回すために、盲孔38a中にトル
クレンチ(図示せず)をはめ込むことによってアンカー
20の上にねじ式に装着される。
【0006】ケーブル10をアンカー20に確保するた
めに、保護外装14をケーブル10から外してパワーコ
ンダクタ15を露出させる。圧縮体26とスリーブ部分
27を、ねじ切りされたキャップナット28によってパ
ワーコンダクタ15とアンカー20とに対して圧縮し、
ケーブル10をアンカー20に確保する。
【0007】従来の技術は、ケーブル接合部8中に入る
水素に関連する問題を被る。このような問題の一つは、
アンカー/ケーシングねじ継手33が水素に対して有効
なシールをもたらさないことである。したがって水素
は、図1において全体的にAで示す接合部において、ケ
ーシング12と載荷リング38の間でケーシング12中
に漏れる可能性がある。さらに水素は、図1において全
体的にBで示す接合部において、アンカー20と載荷リ
ング38の間でケーシング12中に漏れる可能性があ
る。さらにまた、接合部Aにおいて管状ステンレス鋼ケ
ーシング12と載荷リング38との間に封止部材はな
い。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、水素がケーシング中に入ることを防ぐケーシン
グとアンカーとの間のシールを特徴とする、ケーブル接
合部を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、アンカー/ケ
ーシングシールリングと、アンカー載荷リングと、ケー
シング載荷リングとの組合せを含む。アンカー載荷リン
グは、アンカー/ケーシングシールリングの一部分をア
ンカーの封止表面に対して圧縮する。ケーシング載荷リ
ングは、アンカー/ケーシングシールリングの他の一部
分をケーシングの封止表面に対して圧縮する。アンカー
の封止表面はアンカーの円形リッジを有し、ケーシング
の封止表面はケーシングの円形リッジを有し、両方のリ
ッジは、適切に組み立てられるとアンカー/ケーシング
シールリング中にぴったりはまり込む。
【0010】本発明の一つの重要な利点は、シールがア
ンカーとケーシングとの間に水素が入ることを防止し、
光ファイバにおける水素誘導減衰によって引き起こされ
る望ましくない影響を減らすことである。
【0011】本発明の上記の目的は、一般に二つの載荷
リングと一つのシールリングとを含む本発明のシールに
よって実現される。
【0012】本発明のその他の目的と利点は、添付の図
面を参照して下記の詳細な説明および添付の特許請求の
範囲とを読むことによって、当業者には明らかになろ
う。図面は、原寸に比例していない。
【0013】
【発明の実施の形態】図2は、水中に沈められる二本の
光ケーブルを接続するための、本発明の対象であるケー
ブル接合部100を示し、一方のケーブルが110とし
て示されている。ケーブル接合部100は、多くの点で
図1におけるケーブル接合部8と類似している。次に、
本発明の新規な点であるアンカー/ケーシング継手に関
して、図1と図2との間の相違に絞って検討する。
【0014】図2では、ケーブル接合部100は、ケー
シング130と、アンカー120と、ケーシング載荷リ
ング150と、アンカー載荷リング145と、シールリ
ング140とを有する。ケーシング130はケーシング
封止表面153を有する。ケーシング封止表面153は
ケーシング円形リッジ260を含む。アンカー120は
ケーシング130中に配置され、アンカー封止表面15
7を有する。アンカー封止表面157はアンカー円形リ
ッジ263を含む。アンカー120は、アンカー/ケー
シングねじ継手133によってケーシング130に回転
可能に連結されている。ケーシング載荷リング150は
ケーシング載荷リング封止表面150aを有する。アン
カー載荷リング145はアンカー載荷リング封止表面1
45aを有する。シールリング140は、ケーシング封
止表面153とケーシング載荷リング封止表面150a
との間に配置され、また水素がケーブル接合部100に
入らないように、アンカー封止表面157とアンカー載
荷リング封止表面145aとの間にも配置されている。
シールリング140は、銅などの金属材料で作られるこ
とが好ましいが、本発明の範囲ではどの特定の材料にも
限定されないものとする。シールリング140のために
は、軟銅(USN 10200)が適切なものとして選
択される。
【0015】図示するように、アンカー載荷リング14
5は、アンカー封止表面157とアンカー載荷リング封
止表面145aとの間のシールリング140を封止圧縮
するために、アンカー載荷リングねじ継手134aによ
ってアンカー120に回転可能に結合されている。ケー
シング載荷リング150は、水素がケーブル接合部10
0に入らないように、ケーシング封止表面153とケー
シング載荷リング封止表面150aとの間のシールリン
グ140を封止圧縮することによって、ケーシング載荷
リングねじ継手134bによりアンカー120に回転可
能に連結されている。
【0016】本発明によるケーブル接合部100は次の
ように形成される。アンカー120を、ケーシング13
0のねじとアンカー120のねじとをかみ合わせてケー
シング130に取り付け、アンカー/ケーシングねじ継
手133を形成する。次に、シールリング140をアン
カー120の周りに封止表面153、157に対して置
く。それからアンカー載荷リング145を、円形リッジ
263がシールリング140中に完全にはめ込まれるよ
うに、アンカー載荷リング145がシールリング140
をアンカー封止表面157に対して堅く圧縮するまで、
載荷リングねじ185をアンカー載荷リング145のね
じ146(図3Aと図3Bに示す)にかみ合わせること
によって、アンカー120の上にねじ込む。最後に、円
形リッジ260がシールリング140中に完全にはめ込
まれるように、ケーシング載荷リング150がシールリ
ング140をケーシング封止表面153に対して堅く圧
縮するまで、載荷リングねじ185をケーシング載荷リ
ング150のねじ151(図4Aと図4Bに示す)にか
み合わせることによって、アンカー120の上にケーシ
ング載荷リング150をねじ込む。
【0017】図2に、ケーシング封止表面153と整列
したアンカー封止表面157を示すが、これによって、
シールリング140が取り付けられると、シールリング
主表面187(後述、図5と図6に示す)はほぼ平坦に
なったままである。しかしながら本発明では、互いに整
列した封止表面153、157に限定されないものとす
る。
【0018】図3A、図3Bにアンカー載荷リング14
5を示す。またアンカー120の載荷リングねじ185
をかみ合わせるためのアンカー載荷リングねじ146も
示す。
【0019】図4A、図4Bにケーシング載荷リング1
50を示す。またアンカー120の載荷リングねじ18
5をかみ合わせるためのケーシング載荷リングねじ15
1も示す。
【0020】図5と図6にシールリング140を示す
が、これは、表裏に対向する平坦主表面187と、シー
ルリング140をアンカー120の周りに置くことがで
きるようにする開口190とを有する。開口190は、
載荷リングねじ185を超えてシールリング140が滑
ることができるように十分に大きい。シールリング14
0は銅を含む金属でできていることが好ましい。
【0021】図7に、ケーシング封止表面153とアン
カー封止表面157とをさらに詳しく示す。図7は鋭利
な前縁265を有するケーシング円形リッジ260を示
し、また鋭利な前縁267を有するアンカー円形リッジ
263も示し、これらのリッジ260、263はシール
リング140中にはめ込むためのものである。直径14
mmの光ファイバケーブル110のためのケーブル接合
部100の一実施形態は、シールリング140中に鋭利
な前縁265または267を有する円形リッジ260、
263を正しくはめ込むためには、おおよそ180kN
の荷重を必要とすると推定される。この力を的確に加え
て、これによってシールリング140中に的確に円形リ
ッジ260、263をはめ込むためには、例えばプレス
機械によって外部から荷重を加えて、最初にシールリン
グ140中に円形リッジ260、263をはめ込むこと
が必要であろう。それから、載荷リング145、150
を締め付けて、封止を維持するために十分な荷重を発生
させる。
【0022】図8に、封止表面153、157が互い一
直線上にない本発明の一実施形態を示す。このような実
施形態では、シールリング140はプレス機械によって
加えられた力によって変形し、したがってシールリング
140の主表面187は平坦ではない。封止表面15
3、157が互いに一直線上にないときのアンカー/ケ
ーシング継手の封止能力は、ケーシング130とアンカ
ー120が整列しないことが多いので特に重要であり、
またこれらを整列させることは困難である。
【0023】ケーブル110が緊張状態にある場合に
は、アンカー120とケーシング130は共に緊張し、
これにより、本発明によって確立されたシールを維持す
ることは、当業者には明らかであるはずである。さら
に、シールリング140に関する円形リッジ260の位
置は、シールリング140が荷重移動経路中にないの
で、ケーブル110に張力を加えることによっては影響
されない。
【0024】最後に、ケーシング130と載荷リング1
45、150のための好ましい材料は、Z6 CND
16−04−01(AFNOR)であることに注目され
たい。ケーシングのための適当な材料はBS 970
431S29(SAE/AISI431)である。 解析例 前述のように、シールは、アンカー120とケーシング
130の相対位置の変化に順応できるものでなければな
らない。14mmケーブル用の接合部100では、1/
16インチ(1.6mm)厚の銅製シールリング140
を二つの鋭利な前縁265、267の上に置き、アンカ
ー120上にねじ込まれた載荷リング145、150に
よって封止表面153、157上に変形される。これ
は、ケーシング130の取り付けの結果起るケーシング
130とアンカー120の位置の誤差を許容するために
必要である。ケーシング載荷リング150を、14mm
接合部の既存の外形を維持する輪郭に形成することもで
き、また、シールリング140を通じてケーシング13
0に止めナット作用を提供する。この止め作用を達成す
るためには、鋭利な前縁265、267がシールリング
140中に完全にはめ込まれることが大切である。 1.封止に対するケーブル張力の影響 ケーブル張力は、素線終端からアンカー120を通じ
て、それからM70×2ねじ形状物(ねじ接合部13
3)を通じてケーシング130に移転する。組み立て中
に、ケーシング載荷リング150を締め付けてねじ接合
部133を緊張させる。したがってケーブル110に荷
重が加えられると、ねじ接合部133には自由な遊びは
なくなり、アンカー120とケーシング130は共に緊
張する。さらに、鋭利な前縁265に加えられた事前荷
重は、シールリング140が荷重移動経路中に含まれて
いないので、ケーブル張力を加えることによって影響さ
れることはない。 2.封止に対する静水圧の影響 静水圧を加えると、鋭利な前縁265にかかる圧縮荷重
は増加し、鋭利な前縁267にかかる圧縮荷重は影響さ
れない。鋭利な前縁265の上のシールリング140に
おける応力の増加は、ケーシング130と、アンカー1
20と、ケーシング載荷リング150と、さまざまなね
じとの相対ばね比率、および接合部100を含むその他
の構成部分に依存する。これらの相互作用の決定は、簡
単な応力計算に役立つものではなく、有限要素解析(F
EA)によるモデル化を必要とする。
【0025】しかしながら、材料の要件を識別するため
に使用できる下記の最悪例シナリオを考察することによ
って、有限要素解析を回避することができる。アンカー
120とケーシング130との間にねじがない場合に
は、全静水終端荷重をケーシング載荷リング150の雌
ねじ151によって支えなければならない。雌ねじと雄
ねじのためのせん断面積は、式1と2とによってそれぞ
れ得られる。
【0026】
【数1】
【0027】
【数2】 ただし、M50×1.5 6H/6g雄/雌ねじについ
ては、 n=ピッチ(1.5mm) K=雌ねじの最大内径(48.67mm) E=選択したねじを取り付けるための雄ねじの最小有
効径(48.83mm) D=雄ねじの最小外径(49.73mm) E=雌ねじの最大有効径(49.24mm) L=かみ合い長さ(10mm) したがって、ケーシング載荷リングねじ継手134bを
含む、雄および雌M50×1.5ねじのせん断面積は、
それぞれ985mmと1470mmである。
【0028】静水終端荷重は、7kmの使用深度を想定
して下記の式で得られる。
【0029】
【数3】 ただし、D=ケーシング130の直径(84mm) P=静水圧(70MPa) したがって、W=388kNとなる。したがって、ケー
シング載荷リングねじ継手134bを含む、雄および雌
ねじ形状に作用するせん断応力は、それぞれ394Nm
−2と264Nmm−2である。こうして、せん断に
よる降伏を防ぐために、ケーシング載荷リング150と
アンカー120との降伏応力を400Nmm−2以上
に、また引張降伏応力を〜800Nmm−2にしなけれ
ばならない。
【0030】従来の技術による14mmのアンカー2
0、ケーシング12、および載荷リング38に特定され
た材料は、Z6 CND 16−04−01(AFNO
R)である。この材料の機械的特性は知られていないの
で、安全率を決定することはできない。これらの構成部
分のための適当な材料は、BS 970 431S29
(米国SAE/AISI431に等しい)で、これは6
00℃で硬化焼入れした場合に800MPaの降伏応力
を有する熱処理可能なマルテンサイトステンレス鋼であ
る。したがって、この材料によれば、結果的に降伏に対
する最低安全率は1となり、これは最悪例シナリオを考
察したので十二分に適切であり、さらに接合部100は
使用中に「過圧される」ことはない。
【0031】類似の解析をねじ接合部133について行
うことができる。全静水終端荷重をねじ接合部133に
移転するとすれば、このねじ(M70×2−6G/6
e)のせん断応力は、雄および雌ねじについてそれぞれ
174Nmm−2と97Nmm −2になろう。 3.刃形シールの必要荷重 鋭利な前縁265、267の貫通深さの関数としての圧
縮荷重の解析決定は、容易には達成されない。密閉封止
をするために必要な荷重の大きさは、既存のデータから
近似的に決定することができる。Nor−Cal Pr
oductsは、直径70mm以上のConflat
(登録商標)フランジを封止するためには、六つの止め
具のための最大トルク所要量は、26ft−lbs(3
5J)であると述べている。この事例に六つの5/16
−24 UNF止め具を使用し、各ボルトによって生じ
た事前荷重は下記の式によって得られる。
【0032】
【数4】 ただし、W=事前荷重(kN) T=ボルトナット上のトルク(35.26Nm) r=ナットねじ山のピッチ半径(3.62mm) p=ナットねじ山のピッチ(1.06mm) μ=摩擦係数(潤滑のない鋼対鋼において0.3) これらの値を数式4に代入すると、各ボルトについて2
7.7kNの事前荷重が得られ、こうして、封止を形成
するために必要な最大全荷重は〜180kNとなる。し
たがって、例えば外装プレスによって外部荷重を加える
ことによって封止させ、鋭利な前縁265、267をシ
ールリング140中に初めにかみ合わせる必要もある。
それから、載荷リング145、150を締め付けて十分
な荷重を発生させ、密封を維持する。 4.封止に対する温度サイクルの影響 いったん封止がなされると、銅製シールリング140は
軸方向に自由な膨張圧縮が制限される。したがって、使
用中または鋳造中のいずれかにおける温度の変化は、シ
ールリング140中に熱応力を導き入れることになる。
温度サイクルの結果としてのシールリング140内に誘
導される熱応力は、下記のように決定することができ
る。銅製シールリング140とその隣接鋼製構成部分と
の断面積は、それぞれ数式5と数式6とによって得られ
る。
【0033】
【数5】
【0034】
【数6】 ただし、D=銅製シールリング140の外径(84m
m) d=銅製シールリング140の内径(51.5mm) d=シールリング140の内部の鋼製「軸」(アンカ
ー120)の外径(50mm) したがって、銅製シールリング140と鋼製構成部分と
の引張り/圧縮断面は、それぞれ3457mmと19
63mmである。銅と鋼中に熱によって誘導されるひ
ずみは同じであり、次の数式によって得られる。
【0035】
【数7】 ただし、ε=銅と鋼中における圧縮ひずみ ΔT=温度の変化(℃) E=鋼の弾性係数(2.07×10MPa) E=銅の弾性係数(1.03×10MPa) α=鋼の熱膨張係数(1.17×10−5/℃) α=銅の熱膨張係数(1.67×10−5/℃) A=鋼製構成部分の面積(1963mm) A=銅製シールリング140の面積(3457m
) これらの数値を数式7に代入すると、 ε=1.40×10−5ΔT (8) が得られる。温度の関数としての銅製シールリング14
0における応力は、下記の数式によって得られる。
【0036】 σ(ΔT)=(ε−αΔT)E=−0.278ΔT (9) シールを20℃で組み立てた場合には、温度の関数とし
てシールリング140応力の変化を予測することができ
る(図9を参照)。組立品のための最低温度要件は−2
0℃であり、これは結果的に、室内温度において加えら
れた初期応力から〜11.2MPaのシールリング14
0応力低下となる。
【0037】本発明を装置の複数の実施形態について説
明したが、本発明の意図と範囲から逸脱することなくそ
の他の実施形態も可能であることは理解されよう。それ
故に、本発明は添付の特許請求の範囲ならびにその道理
に合った解釈によってのみ限定されると考える。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の技術によるケーブル接合部の一端の断面
図である。
【図2】本発明によるケーブル接合部の一端の断面図で
ある。
【図3A】図2に示すアンカー載荷リング145の図で
ある。
【図3B】図3における線A−Aに沿って取ったアンカ
ー載荷リング145の断面図である。
【図4A】図2に示すケーシング載荷リング150の図
である。
【図4B】図4における線B−Bに沿って取ったケーシ
ング載荷リング150の断面図である。
【図5】図2に示すシールリング140の図である。
【図6】図5に示すシールリング140の側面図であ
る。
【図7】本発明による中にアンカーを設置したケーシン
グの端面図である。
【図8】アンカー封止表面157とケーシング封止表面
153とが互いに整列していない、本発明によるケーブ
ル接合部の一端の断面図である。
【図9】本発明による一実施形態の、温度とガスケット
(シールリング140)応力の変化との関係を示すグラ
フである。
【符号の説明】
8 ケーブル接合部 10 ケーブル 12 管状ステンレス鋼ケーシング 14 保護外装 15 パワーコンダクタ 16 毛細管 17 補強部材 20 アンカー 21 取付けブロック 22 口金 23 押え座金 24 押えナット 26 圧縮体 27 スリーブ部分 28 キャップナット 31 ストッパねじ 33 アンカー/ケーシングねじ継手 38 載荷リング 38a 盲孔 85 ねじ山 100 ケーブル接合部 110 ケーブル 120 アンカー 130 ケーシング 133 アンカー/ケーシングねじ継手 134a ケーシング載荷リングねじ継手 140 シールリング 145 アンカー載荷リング 145a アンカー載荷リング封止表面 146 アンカー載荷リングねじ 150 ケーシング載荷リング 150a ケーシング載荷リング封止表面 151 ケーシング載荷リングねじ 153 ケーシング封止表面 157 アンカー封止表面 185 載荷リングねじ 187 シールリングの主表面 190 開口 260 ケーシング円形リッジ 263 アンカー円形リッジ 265 鋭利な前縁 267 鋭利な前縁
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02G 15/14 F16L 1/26 G02B 6/24

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水中に沈められる二本の光ケーブル(1
    10)を接続するためのケーブル接合部(100)であ
    って、 円形リッジ(260)を含むケーシング封止表面(15
    3)を少なくとも一方の端部に有する、管状のケーシン
    グ(130)と、 ケーシング(130)中に配置されると共に、円形リッ
    ジ(263)を含むアンカー封止表面(157)を前記
    ケーシング封止表面(153)と同じ側に有する、光ケ
    ーブル(110)を固定するためのアンカー(120)
    と、アンカー(120)を前記ケーシング(130)に固定
    すべく該アンカーに結合されると共に、ケーシング封止
    表面(153)に対向する ケーシング載荷リング封止表
    面(150a)を有するケーシング載荷リング(15
    0)と、 アンカー(120)に結合されるように構成され、アン
    カー封止表面(157)に対向するアンカー載荷リング
    封止表面(145a)を有するアンカー載荷リング(1
    45)と、水素がケーブル接合部に入らないように、 ケーシング封
    止表面(153)とケーシング載荷リング封止表面(1
    50a)との間に配置されると共に、アンカー封止表面
    (157)とアンカー載荷リング封止表面(145a)
    との間にも配置されているシールリング(140)と、 を含むケーブル接合部。
  2. 【請求項2】 アンカー円形リッジ(263)が鋭利な
    前縁(267)を含む、請求項1に記載のケーブル接合
    部。
  3. 【請求項3】 ケーシング円形リッジ(260)が鋭利
    な前縁(265)を含む、請求項1に記載のケーブル接
    合部。
  4. 【請求項4】 シールリング(140)が銅製である、
    請求項1に記載のケーブル接合部。
  5. 【請求項5】 アンカー(120)がアンカー/ケーシ
    ングねじ継手(133)によってケーシング(130)
    に回転可能に連結されている、請求項1に記載のケーブ
    ル接合部。
  6. 【請求項6】 ケーシング載荷リング(150)が、シ
    ールリング(140)を、ケーシング封止表面(15
    3)とケーシング載荷リング封止表面(150a)との
    間で封止圧縮するために、ケーシングねじ継手(134
    b)によってアンカー(120)に回転可能に連結され
    ている、請求項1に記載のケーブル接合部。
  7. 【請求項7】 アンカー載荷リング(145)が、シー
    ルリング(140)を、アンカー封止表面(157)と
    アンカー載荷リング封止表面(145a)との間で封止
    圧縮するために、ケーシングねじ継手(134a)によ
    ってアンカー(120)に回転可能に連結されている、
    請求項1に記載のケーブル接合部。
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