Методы испытания волоконно-оптических кабелей

5.1. Классификация испытаний ВОК.

Одним из основных рычагов повышения качества ОК является их комплексная стандартизация, начиная от применяемых материалов и кончая эксплуатацией готовых изделий.

Условия проведения испытаний и перечень контролируемых параметров ОК оговаривается в стандартах частных и общих технических условий на изделия.

По характеру воздействующей на ОК нагрузки испытания подразделяются на механические, климатические, электрические и радиаиионные.

В зависимости от целей все испытания разбиты на две основные группы: исследовательские — для изучения определенных свойств изделий, и контрольные — для контроля качества изделий [1].

Наибольший интерес из числа исследовательских испытаний представляют:

• граничные — для определения зависимостей между предельно допустимыми значениями параметров изделий и эксплуатационными;

• сравнительные двух или более типов изделий, проводимые в идентичных условиях для сравнения характеристик качества;

• ускоренные, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации.

Более представительной группой являются контрольные испытания, к которым в первую очередь следует отнести такие испытания, как: приемо-сдаточные, периодические, типовые, испытания на надежность, ресурсные испытания.

Большое разнообразие условий эксплуатации и видов нагрузок, которым могут подвергаться ОК, не позволяет ограничиться проведением какого-либо одного вида испытания, для того чтобы гарантировать надежную работу изделий в различных случаях применения. Выбор видов и величины нагрузок в каждой категории испытаний должен учитывать многообразие условий возможного использования изделия, механизмы его отказов и желательность проверки изделия в условиях, приближающихся к наиболее тяжелым, встречающимся при эксплуатации ОК.

Совокупность испытаний, входящих в каждую категорию, может быть разделена на группы; последовательность их проведения специально оговаривается.

Для контроля соответствия ОК требованиям НТД действующие стандарты устанавливают обязательное проведение нескольких категорий испытаний:

приемо-сдаточные испытания, которым подвергается каждая партия изделий, предъявляемая к прове рке. При этом проверяются либо все изделия, входящие в партию, либо их часть, в зависимости от того, являются ли испытания разрушающими или нет; последовательность приемо-сдаточных испытаний, принятая в стандартных ТУ, предусматривает первоочередное выявление наиболее грубых дефектов, таких как ошибки маркировки, наличие коротких замыканий и обрывов;

периодические испытания, которые проводятся обычно каждый месяц или квартал, а также в начале выпуска изделий на заводе-изготовителе и при возобновлении производства после временного его прекращения; результаты периодических испытаний распространяются на все партии, выпущенные в течение определенного времени. Периодические испытания включают в себя такие виды испытаний, при которых вырабатывается часть ресурса (длительная вибрация, многократные удары, термоциклы), и сравнительно дорогостоящие испытания, такие как испытания на работу при повышенной температуре и контроль оптических и электрических параметров ОК, поэтому они всегда являются выборочными;

типовые испытания, которые также являются выборочными, так как относятся к разрушающим, предназначены для оценки стойкости конструкции при различных видах механических и климатических воздействий; эти испытания проводятся сравнительно редко—перед началом серийного производства и в случае изменения конструкции изделий или применяемых материалов;

испытания на долговечность и сохраняемость, которые проводятся с целью подтверждения установленного в НТД значения минимальной наработки до отказа и срока сохранности ОК. Для оценки готовности производства к выпуску вновь разработанного изделия и соответствия его НТД проводят так называемые квалификационные испытания. В состав этих испытаний включают все виды испытаний, предусмотренных в НТД, за исключением проверки сохраняемости.

На этапе опытно-конструкторской работы и при модернизации конструкции или технологии ОК целесообразно проводить ресурсные испытания, включающие в себя испытания на долговечность, сохраняемость и периодические испытания изделий, проводимые с целью оценки качества и надежности изделий при сравнении различных конструктивно-технологических решений в процессе модернизации изделий. На основании ресурсных испытаний принимается решение по улучшению качества и повышению надежности ОК;

граничные испытания, предназначенные для определения максимальных эксплуатационных характеристик ОК; они весьма эффективны для оценки возможностей конструктивно новых изделий; при граничных испытаниях ОК оцениваются предельные нагрузки на изделия, на основании которых определяются безопасные величины нагрузок при эксплуатации (не вызывающие ухудшения качества и надежности применяемых изделий), виды нагрузок и режимы испытаний для выявления потенциальноненадежных изделий, виды и механизмы наиболее характерных отказов.

Готовые изделия, предъявляемые к приемочным испытаниям, должны быть предварительно подвергнуты цехом-изготовителем сплошному контролю по характеристикам, отнесенным в НТД к категории приемо-сдаточных испытаний. При необходимости также предусматривается сплошной или выборочный контроль по отдельным другим характеристикам из числа установленных НТД. Проверенные цехом-изготовителем изделия предъявляются на приемку, как правило, партиями. Каждая партия должна иметь соответствующую сопроводительную документацию. Испытания проводятся по специально разработанной программе испытаний (ПИ), в которой в общем случае должны быть предусмотрены:

• порядок подготовки к испытаниям (выдержка в нормальных условиях и т. п.);

• способ установки и крепления изделий при испытаниях;

• условия проведения испытаний (температура, влажность, ускорение, продолжительность испытаний);

• электрический режим испытаний (напряжение, ток, частота и т. д.);

• меры предосторожности при подготовке выводов ОВ;

• порядок включения наибольших напряжений.

Испытания, как правило, проводятся на испытательном стенде, представляющем собой устройство для установки изделия в заданных положениях, создания воздействий, отображения информации и осуществления управления процессом испытаний.

Помимо испытаний, проводимых изготовителем, ОК могут подвергаться проверке при входном контроле у потребителя. Цель входного контроля — дополнительная проверка поступающих изделий. При входном контроле не должны проводиться термоудары, термоциклы, длительная вибрация, механические удары, многократные проверки изделий испытательным напряжением и ресурсные испытания других видов. Недопустимы проверки изделий в режимах, отличающихся от указанных в ТУ. Используемая при входном контроле измерительная, испытательная аппаратура и стенды должны соответствовать требованиям на аналогичную аппаратуру и стенды поставщика.

Для обеспечения высокого качества выпускаемых изделий изготовитель ОК также вынужден вводить входной контроль полуфабрикатов, химреактивов, материалов и комплектующих изделий, применяемых при изготовлении выпускаемых изделий. Однако к этому вопросу следует подходить очень осторожно, ибо сложность, трудоемкость и стоимость таких испытаний часто бывают весьма высокими.

Как известно, качество ОК контролируется по конструктивным и электрическим характеристикам в соответствии с действующими ГОСТ или ТУ.

Принятые до последнего времени методы оценки имеют тот существенный недостаток, что они характеризуют качество кабеля лишь в один определенный момент времени — в момент измерений. С течением времени свойства кабеля под воздействием различных факторов могут изменяться и в большинстве случаев в нежелательную сторону. В зависимости от изменения оптических, электрических, механических и других параметров кабеля качество его может понизиться и он не будет удовлетворять предъявляемым к нему требованиям. Чтобы этого не случилось, ОК должен сохранять все свои основные характеристики в течение всего срока эксплуатации. В этом и состоит основная цель испытаний (проверки) кабеля на надежность. Контроль качества, установленный действующими ГОСТ или ТУ, сохраняет в данном случае все свои функции, но является более расширенным, так как проверяются не только требуемые характеристики в данный момент времени, но и их отклонения во времени.

Таким образом, методы, используемые при испытании на надежность в принципе должны отличаться от обычно принятых тем, что дополнительным новым параметром является время.

Если выпускаемые промышленностью кабельные изделия по опыту долголетней эксплуатации показали себя вполне надежными в тех условиях, для которых они предназначены, то необходимости в такой проверке качества во времени может и не быть. Совершенно иначе обстоит дело при внедрении новых типов ОК, не проверенных в эксплуатации. В данном случае проверка их надежности, т. е. пригодности для длительной эксплуатации, является совершенно необходимой. При этом должны быть выявлены все требуемые характеристики надежности.

Из сказанного выше следует, что описанные ниже методы и способы испытаний относятся к новым конструкциям кабеля и используются при решении вопроса о пригодности их к массовому серийному производству (после изготовления опытной партии).

Для оценки ОК могут быть использованы результаты лабораторных, заводских, полигонных или специальных полевых испытаний. Так, если оптические кабели связи отличаются большим сроком службы, определяемым несколькими десятками лет, то выбор методики и способов их испытаний в значительной степени осложняется. Длительные испытания связаны с большими практическими трудностями. Кроме того, в реальных условиях на ОК воздействует большое количество различных факторов, полностью учесть которые практически невозможно.

Получение экспериментальной оценки надежности ОК требует большого количества статистического материала. Это в свою очередь требует большого количества образцов испытуемого кабеля, получение которых весьма затруднительно, так как ОК является дорогим и довольно громоздким изделием. Ограниченность же экспериментальных статистических данных приводит к тому, что оказывается невозможным определение точного, вполне достоверного значения того или иного параметра надежности; приходится указывать лишь порядок или границы его возможных значений.

По указанным причинам до сих пор для ОК отсутствует какая-либо окончательно разработанная методика испытаний. Отсутствует и оценка ОК по количественным характеристикам надежности. В большинстве случаев ограничиваются проверкой образцов кабелей, исходя из условий работы, на различные механические, температурные, электрические и другие воздействия, с определением, главным образом, не количественных, а качественных характеристик надежности при различных воздействиях.

При этом в зависимости от типа ОК, его назначения и имеющихся возможностей применяются различные способы испытаний.

Сущность ускоренных испытаний на надежность состоит в том, что испытуемое изделие ставится в более тяжелые условия по сравнению с теми, в которых оно находится при реальной эксплуатации. Нагрузка на исследуемое изделие увеличивается настолько, что процесс ее влияния значительно ускоряется.

При этом одной из важнейших практических задач является разработка такой методики, при которой искусственно создаются форсированные режимы работы и устанавливаются соотношения, позволяющие перейти от результатов ускоренных испытаний к характеристикам, соответствующим нормальной эксплуатации.

Определенный вклад в разработку методов ускоренных испытаний ОК внесли авторы работ [2, 10]. В этих работах:

• разработаны и исследованы методы ускоренной оценки технического состояния ОК, базирующиеся на результатах незавершенных натурных и ускоренных форсированных испытаний (УФИ) кабелей;

• обоснованы уровни параметров — критериев отказа ОК с учетом их старения и температурных откликов на изменение температуры среды эксплуатации;

• предложены модели воспроизведения внешних воздействующих факторов в ходе УФИ ОК;

• разработана методика УФИ ОК, имитирующая экстремальные по ТУ или натурные условия эксплуатации кабелей;

• разработаны прогностические модели тренда и дрейфа любого контролируемого параметра в ходе испытаний ОК;

• выполнены теоретические исследования закономерностей изменения тренда и дрейфа коэффициента затухания ОВ в ОК на базе линейной и многофакторной экстраполяции прогностических моделей;

• на основании экспериментальных исследований, выполненных на образцах ОК типа ОК-50-1-1/О и ОК-50-1-2/О, доказана возможность использования для ускоренной оценки технического состояния ОК в первом приближении методов УФИ и незавершенных натурных испытаний, комбинированных с методом математического прогнозирования.

И тем не менее, такая общепринятая методика, позволяющая на основании испытаний строительных длин кабеля определять количественные характеристики надежности для ОК, отсутствует. Однако практика проверки новых типов кабелей наметила некоторую последовательность и способы испытаний с целью определения пригодности кабеля для последующей работы [11]. Например, в соответствии с факторами, неблагоприятно воздействующими на ОК в процессе эксплуатации, для кабелей, прокладываемых непосредственно в земле, предлагается один перечень испытаний, а для кабелей подводной прокладки — другой. Как указано в [12], испытанием кабеля на надежность проверяется устойчивость его оптических и электрических характеристик, или, иначе, их стабильность, а также устойчивость оболочки при воздействии различных факторов. В настоящей главе перечислено достаточно большое количество различных испытаний, однако это не означает, что каждый кабель должен подвергаться всем, без исключения, испытаниям. Так, если кабель в процессе эксплуатации не предполагается подвешивать на опорах ВЛ, то нет смысла в испытаниях на вибрацию и галопирование. Некоторые испытания могут быть объединены, например, при испытаниях на перемотки и растяжения.

Испытания ОК отличаются достаточно большой трудоемкостью и громоздкостью. Создание механических нагрузок требует довольно громоздких приспособлений и механизмов, в то же время для измерения изменения электрических параметров необходимо пользоваться очень точной аппаратурой и проводить достаточно сложные и громоздкие расчеты. При измерении некоторых характеристик ОК, например, затухания, требуются значительные его длины, порядка 1000 и более метров. При испытании больших длин на температурные воздействия требуются вместительные термокамеры, большие по размерам вибростенды для проверки виброустойчивости и т.д. Все это создает дополнительные трудности. Кроме того, большой расход дорогостоящего ОК связан со значительными затратами. Поэтому ускоренные испытания стараются проводить на возможно более коротких отрезках кабеля, что позволяет поставить на испытание большее количество образцов, а следовательно, получить более полные статистические данные и, как следствие этого, более достоверные результаты. Однако изменения оптических и электрических характеристик на коротких отрезках кабеля менее заметны и для их выявления требуется большая точность измерений. Возникает опасность получения ошибок за счет разделки и подключения концов кабеля. Поэтому приходится принимать особые меры предосторожности для избежания погрешности за счет концевого эффекта.