Table of Contents

Подводные кабели образуют невидимый костяк глобальных телекоммуникаций, перевозя более 95% международного трафика данных через океаны. Эти подводные сети простираются более чем на 1,2 миллиона километров по всему миру, соединяя континенты и предоставляя услуги, начиная от финансовой торговли в реальном времени до потокового видео. Их надежность почти полностью зависит от материалов, используемых в их строительстве. Выбор правильных материалов для подводных кабелей требует балансировки механической прочности, химической стойкости, электрических характеристик и долгосрочной долговечности против уникально враждебной среды. В этой статье рассматриваются критические факторы, которые определяют выбор материала, свойства обычно используемых материалов, новые инновации и режимы испытаний, которые гарантируют, что кабели могут выдерживать десятилетия обслуживания на морском дне.

Критические экологические проблемы для подводных кабелей

Прежде чем оценивать конкретные материалы, важно понять экологические нагрузки, которые должны выдерживать подводные кабели.Дно океана представляет собой комбинацию физических, химических и биологических угроз, которые варьируются в зависимости от глубины, географии и океанских течений.

Гидростатическое давление

Давление увеличивается примерно на одну атмосферу (14,7 пси) каждые 10 метров глубины. Кабели на глубинах 8000 метров борются с более чем 800 атмосферами давления. Материалы должны противостоять сжатию и предотвращать попадание воды через любые микропробелы. При высоком давлении даже небольшие пустоты в изоляции могут разрушаться или позволять воде перемещаться по суставам, что приводит к электрическому сбою.

Коррозия морской воды

Морская вода представляет собой высокопроводящий электролит, содержащий хлориды, сульфаты и растворенный кислород. Она агрессивно атакует металлы, особенно если гальванические клетки образуются между различными типами сплавов. Коррозия не только ухудшает броню и структурные элементы, но и загрязняет пути изоляции. Защитные покрытия, ингибиторы коррозии и системы катодной защиты — все это материалозависимые растворы.

Механический стресс при установке и эксплуатации

При прокладке кабели подвергаются натяжению с кабельного судна, изгибаются над снопами и потенциальному воздействию скалистых днов.После их установки они могут быть повреждены рыболовными тралами, корабельными якорями и сейсмической активностью.Само морское дно может быть неровным, с острыми породами или мягкими осадками, вызывающими истирание или усталость.Броня и наружные обшивочные материалы должны поглощать и противостоять этим механическим нагрузкам без растрескивания или разрыва.

Биообрастание

Морские организмы, такие как ракушки, туберкулёзы и водоросли, прикрепляются к поверхностям кабеля, увеличивая вес и сопротивление. В то время как обычно безвредны на гладких PE-жакетах, биообрастание может ускорить коррозию, если покрытие нарушено. Некоторые материалы сформулированы с противообрастающей добавкой, хотя экологические нормы ограничивают использование биоцидов.

Температурные экстремумы и тепловой велогонок

Температура морского дна колеблется от почти замерзания в глубоком океане до более 30 °C на мелководье тропических вод. Мощные кабели, несущие электрический ток, также генерируют самонагрев. Изоляционные и куртки-материалы должны поддерживать свои диэлектрические свойства и стабильность размеров в широком температурном диапазоне. Тепловое расширение несоответствия между проводником, изоляцией и броней может со временем привести к расслоению или растрескиванию.

Основные категории материалов и их роли

Современный подводный кабель — это не один материал, а тщательно сконструированный композит.Каждый слой выполняет определенную функцию, и материалы, выбранные для каждого слоя, должны работать вместе без неблагоприятных химических или механических взаимодействий.

проводники

Ядром любого кабеля является электропроводник. Для телекоммуникационных кабелей проводник переносит мощность на встроенные ретрансляторы; для силовых кабелей он передает высокое напряжение. Два основных выбора — медь и алюминий.

Медь обладает отличной проводимостью (около 58 мс/м) и высокой прочностью в малых диаметрах. Она достаточно устойчива к коррозии при изолировании от морской воды, но является тяжелой, что увеличивает стоимость и укладку напряжения. В глубоководных силовых кабелях медь пользуется преимуществом за ее низкое сопротивление, уменьшая омические потери.

Алюминий имеет около 61% проводимости меди на поперечное сечение, но на 30% легче. При ограничении веса, например, в глубоководных установках или на слабых морских днах, алюминий становится привлекательным. Однако алюминий образует жесткий оксидный слой, который усложняет окончание и более подвержен гальванической коррозии, если защитная куртка повреждена. Алюминиевые проводники часто используются в современных легких телекоммуникационных кабелях.

Некоторые кабели используют медный алюминий, чтобы объединить экономию веса с коррозионной стойкостью меди на поверхности.

Изоляция

Изоляция должна электрически изолировать проводник, выдерживая высокие напряжения (для силовых кабелей) или поддерживая низкое ослабление сигнала (для телекоммуникационных кабелей). Диэлектрическая постоянная материала, коэффициент рассеивания и сопротивление дереву воды имеют решающее значение.

Полиэтилен (PE) является наиболее широко используемой изоляцией для подводных телекоммуникационных кабелей. Его низкая диэлектрическая постоянная (2,26) и очень низкий коэффициент рассеивания минимизируют потерю сигнала. Высокоплотность PE (HDPE) и сшитый PE (XLPE) обеспечивают лучшую термостойкость и механическую прочность. XLPE является стандартом для силовых кабелей, поскольку он выдерживает более высокие рабочие температуры (до 90 ° C) и сопротивляется водяным деревьям, которые являются разветвленными каналами, которые образуются при высоком электрическом напряжении во влажных средах.

Полипропилен (PP) иногда используется в изоляционных слоях из-за более высокой температуры, чем ПЭ (до 105 °C) и более низкого поглощения влаги. PP также более прочный и более устойчивый к растрескиванию напряжения. Однако его диэлектрические свойства немного уступают ПЭ, поэтому он чаще встречается в силовых кабелях, чем в телекоммуникационных кабелях.

Фторированные полимеры, такие как PTFE и FEP, используются в специализированных кабелях, где требуется экстремальная термостойкость или чрезвычайно низкая потеря сигнала, но их стоимость и сложность обработки ограничивают их короткими секциями или критическими ретрансляторами.

Одежда и наружные куртки

Наружная куртка является первой линией защиты от окружающей среды океана. Она должна быть непроницаемой для воды, устойчивой к ультрафиолетовому излучению (во время установки) и достаточно жесткой, чтобы выдержать истирание.

Полиэтилен (PE) доминирует в области применения курток, особенно в классах средней и высокой плотности. Жуки HDPE обеспечивают отличные влагозащитные барьерные свойства, высокую ударную прочность и хорошую устойчивость к растрескиванию при воздействии на окружающую среду. Куртка обычно экструдируется толстым слоем (3-6 мм) над бронированием. Некоторые кабели используют линейный ПЭ низкой плотности (LLDPE) для повышения гибкости в участках мелководья, где напряжения изгиба выше.

Полиуретан (PU) используется для кабельных секций, которые требуют большей гибкости, например, вблизи посадочных станций, где кабель должен изгибаться вокруг скалистых береговых линий или проходить через каналы. PU также предлагает превосходное сопротивление истиранию по сравнению с PE. Однако PU более дорогой и может разрушаться при длительном воздействии ультрафиолета, поэтому он часто зарезервирован для коротких, требовательных сегментов.

В экологически чувствительных районах куртки с низким содержанием дыма с нулевым галогенным содержанием (LSZH) используются для уменьшения токсичных паров в случае пожара, но это более актуально для наземных участков вблизи населенных районов, чем для глубоководных участков.

бронирование

Механическая защита исходит от броневого слоя, обмотанного вокруг изолированного сердечника.Выбор броневого материала зависит в первую очередь от ожидаемых угроз: орудий лова, якорей или контакта с камнем.

Оцинкованные стальные провода являются традиционной и наиболее распространенной броней. Сталь обеспечивает высокую прочность на растяжение (500–700 МПа) и может быть сформирована в спиральную обертку. Провода покрыты цинком для замедления коррозии. Для глубоководных кабелей, где механические угрозы минимальны, может быть достаточно одного слоя стальных проводов (легкобронированных). В мелководье двойной слой (тяжелобронированный) обеспечивает резервное копирование, если внешний слой истиран.

Провода из нержавеющей стали используются в областях, где коррозионная стойкость имеет первостепенное значение, даже если они дороже. Нержавеющая сталь немагнитна, что снижает электрические потери в силовых кабелях.

Для сверхглубокой воды или приложений, где вес имеет решающее значение, используется неметаллическая бронетехника с использованием высокопрочных синтетических волокон, таких как кевлар (арамид) или динамия (UHMWPE). Эти материалы легче стали, не коррозионны и имеют высокую прочность на растяжение (более 3 ГПа для кевлара). Однако они более гибкие, что может быть невыгодным, если требуется жесткость для сопротивления дроблению. Композитные брони, сочетающие волокна с полимерной матрицей, также находятся в разработке.

Элементы, блокирующие воду

Водный вход вдоль кабеля является основным режимом отказа. Даже небольшие отверстия в жакете могут позволить морской воде проходить продольно между проводником и изоляцией, вызывая короткое замыкание или ухудшение сигнала. В кабельное ядро и межштабы встроены блокирующие воду материалы.

Набухающие порошки и ленты содержат полиакрилат натрия или аналогичные суперабсорбирующие полимеры, которые набухают при контакте с водой, затыкая полость. Они помещаются под куртку и между броневыми проводами.

Наполненные конструкции ядер используют непрерывные экструзии водонабухающих соединений или вязких силиконовых гелей. Для глубоководных кабелей стандартна комбинация набухающих лент и высоковязкого наполнителя.

Долгосрочные барьеры для блокирования воды также могут включать ламинаты из металлической фольги (например, медную ленту, связанную с PE), которые предотвращают миграцию воды, хотя они добавляют сложность и стоимость.

Выбор материалов для конкретных экологических зон

Ни одно соединение материалов не работает для всех кабельных маршрутов. Инженеры сегментируют кабель на наземные, мелководные и глубоководные зоны и выбирают материалы соответственно.

Глубокая вода (более 1000 метров)

Здесь механические угрозы низкие. Кабель может быть легкобронированным (один слой стали) или даже безбронированным в некоторых современных волоконно-оптических кабелях. Куртка HDPE для блокировки диффузии воды. Проводники часто медно-одетый алюминий для снижения веса. Изоляция XLPE для силовых кабелей или твердый PE для телекоммуникаций. Блокировка воды имеет решающее значение, потому что ремонт на глубине чрезвычайно дорог. Набухающие ленты являются обязательными.

Мелкая вода (зона посадки до 200 метров)

Эта зона испытывает тяжелую рыбалку, якорные капли и судоходство. Двуслойная стальная броня распространена. Полиуретановая наружная куртка может использоваться над броней для добавления сопротивления истиранию, где кабель пересекает скалистые морские дно. Защита от коррозии усиливается битумным покрытием над сталью. Некоторые кабели также включают отдельную медную сетку или ленту для молниезащиты, если кабель находится вблизи береговой зоны.

Арктическая среда

Ледяной мазок и экстремальный холод требуют материалов, которые остаются гибкими при минусовых температурах. Стандартный ПЭ становится хрупким ниже -30°С. Используются специализированные сорта полиэтилена (LLDPE) или полиуретана. Стальная броня должна быть обработана для низкотемпературного ударопрочного сопротивления. Волоконно-оптические элементы могут потребовать заполнения неарденными гелями.

Тропические и высокобиообрабатывающие районы

Кабельные маршруты в Карибском бассейне или Юго-Восточной Азии характеризуются быстрым биообрастанием. В то время как PE-жакеты обычно имеют низкую адгезию к организмам, некоторые поставщики кабеля предлагают куртки с оксидом кукурузы или другими противообрастающими агентами. Во многих регионах экологические нормы ограничивают использование тяжелых металлов, поэтому изучаются небиоцидные решения, такие как оптимизация текстуры поверхности.

Достижения в области материальных технологий

Текущие исследования направлены на продление срока службы кабеля за пределы текущего 25-летнего срока службы конструкции и снижение воздействия на окружающую среду. Несколько новых материалов показывают перспективы.

Самоисцеляющиеся полимеры

Полимеры, включающие микрокапсулы целебного агента, которые высвобождаются при создании трещин материала для обшивки кабеля. Если происходит небольшой перелом, целебный агент впадает в щель и полимеризуется, восстанавливая водный барьер. Самоисцеляющие материалы могут резко снизить частоту отказов, вызванных незначительным повреждением установки или медленным ростом трещины.

Покрытия с улучшенным графеном

Непроницаемость графена для газов и ионов делает его привлекательной добавкой для кабельных курток. Даже очень низкие концентрации графеновых хлопьев в полимерной матрице могут снизить проницаемость водяного пара на 90% по сравнению с чистым ПЭВП. Графен также улучшает механическую прочность и обеспечивает антистатические свойства. Однако масштабируемое производство и дисперсия остаются проблемами.

Биоразлагаемые и экологически чистые куртки

С усилением контроля за океаническим пластиком исследователи изучают полимеры на биооснове, такие как полимолочная кислота (PLA) или полигидроксиалканоаты (PHA) для обшивки кабеля. Эти материалы деградируют в морской воде в течение десятилетий, потенциально уменьшая долгосрочные отходы. Современные составы не имеют долговечности для первичной оболочки, но они могут использоваться в неструктурных слоях или для временных средств установки.

Композиты высокой прочности для бронирования

Укрепленные углеродным волокном полимеры (CFRP) обеспечивают прочность на растяжение, сравнимую со сталью, при одной пятой веса. В подводных кабелях композитная броня может снизить требования к натяжению и обеспечить более длительную непрерывную длину на кабельных судах. Гибридные конструкции с использованием углеродного волокна с термопластичной оболочкой тестируются как для телекоммуникационных, так и для силовых кабелей. Основными препятствиями являются стоимость и обеспечение долгосрочной устойчивости к попаданию морской воды вдоль волоконно-матричного интерфейса.

Тестирование и обеспечение качества

Материалы должны пройти строгую квалификацию перед развертыванием. Испытания включают:

  • Испытания на старение при комбинированном воздействии тепла, давления и морской воды в сосудах под давлением, которые имитируют 25 лет службы.
  • Испытания на изгиб и изгиб , чтобы убедиться, что кабель может выдерживать динамические нагрузки укладки и извлечения. Испытания на изгиб циклических (тысячи циклов) проверяли на усталостное растрескивание.
  • Испытания на проникновение воды , когда поврежденный образец куртки подвергается воздействию морской воды высокого давления. Измеряется расстояние, на которое вода проходит вдоль ядра. Стандарты требуют менее нескольких метров через 30 дней.
  • Испытания на выдержку напряжения для силовых кабелей: применение высоких переменных и импульсных напряжений для обеспечения качества изоляции. Измерения частичного разряда обнаруживают микропусты.
  • Коррозионные испытания в соляных распылительных камерах и в условиях катодной защиты для проверки эффективности покрытия.

Все испытания проводятся по международным стандартам, таким как IEC 60794 для волоконно-оптических кабелей и IEC 60840 для силовых кабелей. Поставщики материалов должны обеспечивать прослеживаемость от партии к кабельной секции.

Будущий прогноз

Материальные инновации будут иметь решающее значение для удовлетворения будущих потребностей. Подводные кабели в настоящее время разрабатываются для передачи терабит в секунду скорости передачи данных, требуя еще более низких диэлектрических потерь. Мощные кабели для морских ветропарков требуют более высоких рейтингов напряжения (до 525 кВ HVDC) с более тонкой изоляцией. Изменение климата создает риски: повышение температуры моря может ускорить коррозию, а увеличение частоты штормов может вызвать движение морского дна.

Исследователи также рассматривают нанокомпозитные диэлектрики , которые объединяют наночастицы (например, кремнезем или глина) с полимерными матрицами для подавления деревенской обработки воды и повышения прочности на разрыв. В области зондирования кабели со встроенной волоконной оптикой, которые контролируют напряжение и температуру вдоль маршрута, требуют материалов, которые не препятствуют световому сигналу.

По мере того, как дно океана становится все более переполненным кабелями, трубопроводами и горнодобывающим оборудованием, материалы, которые являются прочными, но ремонтируемыми и экологически чистыми, станут новой базовой линией.

Заключение

Выбор материалов для подводных кабелей является междисциплинарной задачей, которая сочетает в себе электротехнику, полимерную науку, металлургию и морскую биологию. Правильный выбор обеспечивает надежную связь в течение десятилетий против огромного давления, коррозионной морской воды и механического злоупотребления. Нынешняя палитра материалов - полиэтилен, XLPE, сталь и медь - доказала свою эффективность, но эволюционные достижения в самоисцеляющихся полимерах, графеновых покрытиях и композитных доспехах обещают еще большую устойчивость. По мере углубления глобальной зависимости от подводных сетей материалы, которые их заключают, останутся критической областью исследований и инвестиций.

Для дальнейшего чтения обратитесь к рекомендациям ITU-T для подводных кабельных систем или IEEE по подводным кабельным стандартам . Подробные данные о производительности материалов можно найти в публикациях Морские структуры и отраслевых отчетах Prysmian Group и Nexans.