В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Ирина Овчинникова, ОАО "ВНИИКП", К.Т.Н.
В системах связи, управления и контроля объектов с повышенными требованиями к безопасности, к которым можно отнести, в первую очередь, системы самолетов, кораблей, космических аппаратов, метро, от надежной работы каждого элемента зависит жизнь многих людей и безопасность дорогостоящей техники. Поэтому очень важно уже на стадии разработки обеспечить выполнение требований надежности всех элементов, что позволит в дальнейшем сохранить в установленных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения в течение заданного отрезка времени.
Прогнозирование безотказной работы в течение всего срока службы является необходимой гарантией качества при создании любого изделия.
Безотказность - это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки, согласно ГОСТ 27.002-89. Для кабельных изделий показателями безотказности являются наработка до отказа и интенсивность отказов. С понятием наработки до отказа тесно взаимосвязано понятие "вероятность безотказной работы" - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет.
В зависимости от причины возникновения отказа они разделяются на:
Именно последний тип отказов представляет интерес для исследования, так как остальные типы отказов являются случайными, поэтому их можно и нужно избегать.
Задача создания модели надежности оптического кабеля (ОК) заключается в том, чтобы выразить функцию надежности системы элементов P(t), которая равна вероятности безотказной работы ОК в течение времени t, через функции надежности его элементов.
Структура системы и характер ее работы должны быть известны настолько, чтобы для любой группы элементов системы можно было бы определить, вызывает ли отказ элементов этой группы отказ всей системы. Оптический кабель, являясь элементом сложной волоконно-оптической системы, в свою очередь тоже представляет собой систему, состоящую из различных элементов, влияющих на его надежность. Поэтому, изучая надежность О К в целом, необходимо знать о возможном влиянии изменений основных показателей тех или иных его конструктивных элементов, происходящих под воздействием различных факторов, на основные параметры изделия.
Показатель надежности ОК - коэффициент затухания, допустимый в соответствии с технической документацией, или оптическая целостность кабеля, то есть способность расположенных в нем оптических волокон (ОВ) передавать оптический сигнал по всей строительной длине.
Тепловое старение полимерных оболочек и защитного шланга может оказать влияние на эти показатели, но не является определяющим. Известно, что наибольшую опасность для оптических волокон представляют влага и механические напряжения. Правильно спроектированный и изготовленный с соблюдением всех технологических требований оптический кабель позволяет максимально обезопасить ОВ от их влияния. Но в процессе эксплуатации параметры конструктивных элементов изменяются под воздействием различных факторов. Так, например, деградация оболочек, хотя и не приведет к отказу ОК, но повлияет на процесс проникновения влаги к ОВ, что в конечном счете отразится на ресурсе ОК. А изменение параметров усиливающих элементов (например, зависимости относительного удлинения от приложенной нагрузки) приведет к увеличению механических напряжений в ОВ, что опять же существенно сократит ресурс ОК.
Существует множество работ, посвященных прочности и долговечности волоконных световодов (волоконный световод - это направляющий канал для передачи оптического излучения, состоящий из сердцевины, окруженной отражающей оболочкой (оболочками); тогда как ОВ - это волоконный световод в защитном покрытии), в которых рассматриваются возможные механизмы разрушения: механический, термофлуктуационный и коррозионный.
Прочность волоконных световодов зависит от многих факторов, основными из которых является наличие поверхностных и объемных дефектов и трещин, возникающих в основном вследствие дефектов заготовок или абразивного воздействия контактирующих с поверхностью кварцевого стекла твердых тел. Когда волокно подвергается нагружению, дефекты выступают в роли концентраторов напряжения. Процесс разрушения определяется следующими факторами: характером нагруженного состояния, скоростью нагружения, условиями окружающей среды, структурой волокна.
Основоположником механической концепции разрушения является Гриффитс. Он рассматривал твердое тело как среду, содержащую микротрещины, где под действием приложенного растягивающего напряжения начальная поперечная трещина начинает расширяться, причем рост трещины начинается при достижении растягивающим напряжением определенного порогового значения.
Особенностью механизма Гриффитса является то, что при достижении порогового напряжения разрушение принимает сразу катастрофический характер (трещина начинает расти с предельной скоростью).
В механизме разрушения Гриффитса не учитываются тепловые флуктуации атомов материала, данный механизм реализуется при температурах, близких к 0К, или при больших скоростях нагружения.
Отличительной особенностью кинетического подхода является учет термофлуктуационного характера разрыва и восстановления напряженных химических связей.
Напряжение увеличивает вероятность разрыва связей и уменьшает вероятность их восстановления. Когда материал нагружен ниже предела прочности, то напряжения слишком малы для прямого разрыва химических связей, но это достаточно существенно для увеличения вероятности разрыва связей из-за тепловых флуктуаций. Термофлуктуационный механизм разрушения состоит в совместном действии на связи тепловых колебаний и напряжений. Количественным выражением кинетической концепции является закон долговечности Журкова.
Коррозионный механизм описывает разрушение, когда разрыв химических связей между молекулами в вершине трещины ускоряется из-за воздействия внешней среды, контактирующей с поверхностью. Основной причиной снижения прочности ОВ, по сложившемуся за два десятилетия опыту, является влага. Скорость коррозионного разрушения зависит от количества влаги в окрестности растущей трещины и всегда больше скорости термофлуктуационного разрушения.
Водная коррозия - это гидролиз напряженного кварцевого стекла, уменьшающий энергетические затраты на разрыв химической связи Si-O, энергия которой равна 106 ккал/моль. При гидролизе происходит сначала реакция между атомом водорода молекулы воды и атомом кислорода растянутой механическим напряжением цепочки -Si-O-Si-. Образуется водородная связь. Неподеленная пара электронов атома кислорода молекулы воды образует ковалентную связь со свободными 3d-орбиталями атома кремния. Затем происходят переходы от водорода молекулы воды протона к кислороду стекла и от кислорода воды электрона к атому кремния. При этом образуется водородная связь, которая легко разрывается тепловыми движениями атомов. Энергия активации этого процесса U ~ 29 ккал/моль, что почти в четыре раза меньше энергии связи Si-O.
В настоящее время является общепринятой и активно используется феноменологическая теория, где модели разрушения оптических волокон построены на основе эмпирического представления о степенной зависимости скорости развития микротрещин V от коэффициента интенсивности растягивающих напряжений K1 в их вершинах:
где n в данном случае - параметр сопротивления усталостному старению; А - константа, зависящая от параметров материала и окружающей среды. Во многих случаях результаты измерений скоростей роста дефектов, дол-говечности ОВ под нагрузкой или разрушающих напряжений при динамических испытаниях могут быть с достаточной для практики точностью аппроксимированы уравнениями, получаемыми на основе данного закона. Кроме того, прогнозирование долговечности или разрушающих нагрузок по этим уравнениям дает результаты, близкие к экспериментальным значениям, если параметры A и n уравнений определены в условиях среды, достаточно близких к условиям проведения эксперимента. Но данная теория имеет существенные нестыковки и проти-воречия, ведь основной элемент этой теории - параметр усталости n - не является константой материала, а зависит от условий нагружения световода и метода испытаний. Покрытие тоже может изменять при воздействии нагрузки свои физико-механические характеристики и разрушаться, добавляя новые реагенты в среду растущей трещины. Оказывают существенное влияние на долговечность волокна, как это было описано выше, и конструктивные особенности кабеля. Взаимодействие указанных факторов в сочетании с другими внешними воздействиями, которым могут подвергаться кабели специального назначения, создает сложный механизм деградации ОВ, являющегося основным функциональным элементом кабеля.
В настоящее время наиболее разработана и применяется на практике вероятностно-статистическая теория надежности. Она заложена в методику оценки надежности, разработанную для изделий специального назначения, в том числе и кабельных.
В соответствии с требованиями данной нормативной документации на основе результатов кратковременных и длительных испытаний на безотказность изделий одного типа определяют значение показателя гамма-процентной наработки до отказа Ту из формулы:
где X - интенсивность отказов.
Статистически A,(t) определяется как отношение числа отказов n в интервале времени [t, t + At] к произведению числа исправных объектов N в момент времени t на длительность интервала времени [t, t + At].
Основной недостаток вероятностно-статистической теории надежности обусловлен тем, что для экспериментального определения параметров надежности с удовлетворительной достоверностью требуется накопление большого статистического материала.
Для подтверждения заданного нормативной документацией срока службы кабельного изделия в последние годы проводят испытания по следующей схеме.
Испытания, имитирующие хранение ОК, состоят из воздействия повышенной температуры при относительной влажности воздуха 60-80%. Длительность проведения ускоренных испытаний на сохраняемость (тисп) рассчитывается в соответствии с законом Аррениуса из соотношения:
где Тхр - температура хранения, К;
Тисп - температура испытаний, К (температура испытаний не должна превышать значения максимально допустимой температуры эксплуатации наименее температуростойкого материала кабельной конструкции);
тхр - заданное значение длительности хранения, ч;
Е - энергия активации (принимается равной наименьшей энергии активации материалов, входящих в состав ОК);
R - универсальная газовая постоянная, равная 8,37 Дж/моль.
Испытания на наработку проводят, как правило, ускоренным методом на образцах кабелей, прошедших испытания на сохраняемость.
При определении состава и вида испытаний на наработку необходимо руководствоваться типовым режимом эксплуатации изделия, указанным в технической документации. Испытания обычно проводят циклами, продолжительность каждого при этом может соответствовать 500 или 1000 часам наработки в типовых режимах эксплуатации. Обычно типовой режим учитывает воздействие максимальной повышенной температуры среды, повышенной температуры среды, максимальной пониженной температуры среды, повышенной влажности, циклической смены температур, механических воздействий, а также работу в нормальных климатических условиях. Количество перемоток, перегибов, циклов смены температуры, длительность выдержки при повышенной относительной влажности воздуха, пониженной температуре, в воде и т.д. в течение одного цикла испытаний выбирают путем деления общего количества или длительности воздействий, заданных в типовом режиме эксплуатации изделия, на количество испытательных циклов. Например, при требовании к кабелю обеспечить в течение срока службы 200 перемоток и при количестве циклов пц м = 5 количество перемоток в одном цикле испытаний на наработку составит 40.
Суммарную длительность проведения ускоренных испытаний при повышенной испытательной температуре среды (хИсп.) для подтверждения гамма-процентной наработки определяют с учетом суммарного времени ускоренных испытаний, имитирующих наработку:
Формула для расчета каждой составляющей ускоренных испытаний при повышенной температуре:
Хм.т, Хп.т, х.н.у - заданное время наработки при максимальной повышенной температуре, повышенной температуре и в нормальных климатических условиях соответственно;
Тм, п., н ~ максимальная, повышенная и нормальная температура эксплуатации (23-28 °С) соответственно.
При наличии в ОК металлических компонентов (оболочек, защитных или армирующих элементов, защищенных или не защищенных полимерными оболочками) предлагается использовать ускоренный метод испытаний на стойкость к коррозии: образцы помещают в электролиты различных типов и пропускают через них переменный ток в течение 7 часов.
Основным контролируемым параметром при проведении испытаний оптического кабеля является коэффициент затухания оптического сигнала. Процедура его определения регламентирована в публикации МЭК 60793-1-40. Однако известны случаи, когда коэффициент затухания практически не изменяется до обрыва ОВ, а иногда волокна с "нормальным" затуханием выходят из строя спустя несколько месяцев после начала эксплуатации. Причиной такого явления могло стать их недопустимое растяжение при прокладке или остаточная деформация, возникшая при изготовлении оптического кабеля. Проведенные некоторыми фирмами-производителями ОВ исследования выявили существенную зависимость между относительным удлинением волокна в кабеле и его ресурсом. В соответствии с их данными допустимое значение относительного удлинения ОВ в ОК для обеспечения срока службы в 30-40 лет не должно превышать 0,25-0,3%. Поэтому при проведении испытаний ОК на стойкость к механическим воздействиям представляется целесообразным измерять именно относительное удлинение оптического волокна, а не коэффициент затухания. Измерения можно проводить методом регистрации изменения фазы амплитудно-модулированного сигнала, проходящего по волокну, или с помощью бриллюэновского рефлектометра. Например, при необходимости обеспечения ресурса ОК более 30 лет относительное удлинение ОВ не должно превышать 0,25%. Следовательно, если при приложении заданной техническим заданием или техническими условиями растягивающей нагрузки относительное удлинение волокон составляет 0,3%, кабель нельзя считать выдержавшим испытания, так как он не прослужит 30 лет.
Существуют исследования влияния изгибов на параметры ОВ. Отмечено, что изгиб волокна приводит к растяжению его отдельных участков. При радиусе изгиба стандартного оптического волокна менее 25 мм растяжение его поверхности превышает 0,26%. Следовательно, изгиб представляет даже большую опасность, чем растягивающая нагрузка, так как воздействие растягивающей нагрузки чаще всего ограничено во времени, а в изогнутом виде кабель или волокно в кабеле могут находиться в течение всего срока службы.
Еще один фактор, который практически не учитывается при проведении испытаний на надежность кабелей, - негативное воздействие влаги на волокно. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что многослойная полимерная цилиндрическая конструкция поглощает такое же количество влаги, как если бы она состояла только из материала внешнего слоя. Знание данного факта, с одной стороны, дает нам возможность путем подбора материала внешней оболочки с минимальным предельным поглощением ограничить количество влаги, проникающей к поверхности ОВ, обеспечивая его защиту от гидролитического разрушения, а с другой - позволит в дальнейшем прогнозировать ресурс ОК, зная максимально возможное количество проникающей к ОВ влаги. Для использования данного факта с целью определения надежности ОК необходимо провести еще некоторые исследования, которые позволят выявить зависимость величины предельного поглощения от различных факторов, действующих на ОК в процессе эксплуатации: гидростатического давления, повышенных и пониженных температур, температурных циклов, агрессивных сред.
Таким образом, для проведения ускоренных испытаний на надежность, помимо повышения температуры окружающей среды, ускоряющего процесс старения оболочек, необходимо:
Все данные, изложенные выше, говорят о том, что существующие экспериментальные методы оценки позволяют прогнозировать надежность ОК очень неточно, поэтому необходимо проведение дополнительных серьезных исследований для повышения объективности такого прогноза, а также создания методики прогнозирования надежности ОК на стадии проектирования.
Опубликовано: -
Посещений: 14095
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
