Modell und Analyse des Rohrverschiebungsfaktors beim Einziehen von Glasfaserkabeln – Teil 1

Warum spielt die Rohrverschiebung bei der unterirdischen Installation von Glasfaserkabeln eine Rolle?

Da Rohre für die unterirdische Verlegung von Trommeln abgezogen werden, ist dabei zu beachten, dass es zu Wellungen kommen kann, die zu Krümmungen mit einem flachen Winkel führen. Bei der Verlegung kann es so aussehen, als ob das Rohr gerade läuft, doch beim Einziehen über größere Entfernungen können sich Krümmungen im Rohr summieren und höhere Zugspannungen erzeugen.

Was ist anders beim Einziehen von Glasfaserkabeln?

Beim Einziehen von unterirdischen Glasfaserkabeln sollen die ununterbrochenen Kabelstrecken so lange wie möglich sein. Wenn also eine Trommel mit 10 km Kabel verwendet wird, ist eine ununterbrochene Kabelstrecke von 10 km erwünscht, um eine Dämpfung durch Spleißen zu verhindern.

Zur Bestimmung der möglichen Einzuglängen können wir die „Kabelzug-Gleichungen“ für die Schätzung der Kabelzugspannung auf der Basis von Reibung, Kabelgewicht und Rohrlänge verwenden. Diese Schätzungen stimmen nachweislich oft mit der in der Praxis gemessen Spannung überein, wenn schwere Kabel in Hartrohre eingezogen werden, doch die Rohrabschnitte sind oft wesentlich kürzer als bei Glasfaserkabeln erwünscht ist. Dazu kommt, dass Glasfaserkabel wesentlich leichter sind als Kupferkabel mit verdrillten Adernpaaren.

Die Gleichungen sagen vorher, dass Glasfaserkabel über wesentlich längere Strecken gezogen werden können als heute tatsächlich möglich ist. Bei einer typischen maximalen Zugspannung von 2,7 kN sollte es theoretisch möglich sein, Glasfaserkabel (mit einem typischen Gewicht von 150 kg/km) über eine Strecke von über 9 km einzuziehen. Diese Schätzung geht von einem Reibungskoeffizienten von 0,2 aus, und das erscheint angemessen, da bei Verwendung der Hochleistungs-Schmiermittel von Polywater zum Einziehen von Glasfaserkabeln wesentlich niedrigere Reibungskoeffizienten gemessen wurden.

Erfahrungswerte aus der Praxis haben typische Einzugslängen von 460 bis 610 Metern gezeigt, um die Spannung auch bei neuen, gut verlegten Rohrleitungssystemen unter 2,7 kN zu halten. Warum weichen die Werte für das Einziehen von Glasfaserkabeln so stark von den auf der Theorie basierenden Berechnungen ab?

Der Rohrfaktor

Glasfaserkabel werden normalerweise in ununterbrochene, abgewickelte PE-Rohre oder Rohre aus flexiblem PVC eingezogen. Wenn dieses Art Rohr von der Trommel abgezogen und in einem Graben, mit einem Rohrpflug oder mit dem Horizontalspülbohrverfahren verlegt bzw. gezogen wird, entstehen durch den Memory-Effekt leichte, aber regelmäßige Verschiebungen oder Wellungen. Der Rohrabschnitt mag zwar „gerade“ erscheinen, doch die durch den Memory-Effekt von der Trommel bedingten Verschiebungen verhalten sich wie Krümmungen mit flachem Winkel. Bei langen Kabelzügen, wie sie bei Glasfaserkabeln üblich sind, summieren sich diese Krümmungen und erzeugen eine höhere Spannung als erwartet.

Betrachten wir zum besseren Verständnis die vereinfachte Form der Gleichung für Rohrbiegungen beim Einziehen von Kabeln:

Rohrkrümmung T_out = T_in e^μϴ
Wobei:
T_out = Spannung am Ende
T_in = Spannung am Anfang
e = Natürlicher Logarithmus (Basis e)
μ = Reibungskoeffizient
ϴ = Krümmungswinkel (Bogenmaß)

Wir ersehen daraus, dass sich bei Verdoppelung des Biegewinkels der Multiplikator quadriert und beim zehnfachen Winkel zur zehnten Potenz erhoben wird. Der Winkel ist in einem Exponenten.

Modellierung des Rohrfaktors

Um dies für das Einziehen von Glasfaserkabeln zu quantifizieren, müssen wir die Verschiebung des Rohres wie in Abbildung 1 gezeigt modellieren.

In diesem Modell wird die Verschiebung als eine „sich wiederholende Welle“ behandelt, die entlang der Länge des Rohrs verläuft. Diese Welle wird durch ihre „Amplitude (A)“, der maximalen Verschiebung von einer geraden Linie und ihre „Periode (P)“, den sich wiederholenden Abstand von Maximum zu Maximum, beschrieben. Wir könnten annehmen, dass P mit dem Durchmesser der Rohrtrommel zusammenhängt und A mit der Methode der Rohrverlegung.

Das Verlegen hat in der Praxis mehrere Variablen aufgezeigt, die die Amplitude und die Periode beeinflussen. Dazu gehören Rohrtyp, Wandstärke, Trommeldurchmesser, der Außendurchmesser des Rohres und die Verlegungsmethode. Bei abgewickelten Innenrohren, die in einen offenen Graben verlegt werden, wurde eine Welle mit einer Amplitude von bis zu 300 mm und einer sich wiederholenden Periode von 3 m beobachtet. Das gleiche Rohr, das in ein PVC-Rohr, Schedule 80, mit einem Durchmesser von 100 mm, eingezogen wird, kann unter Umständen nur eine Amplitude von 20 mm aufweisen, die sich alle 3 m wiederholt. Bei den dickwandigen Rohren, die für das Verlegen mit einem Rohrpflug und mit dem Horizontalspül-Bohrverfahren verwendet werden, ist die Beobachtung der regelmäßigen Verschiebungen nicht einfach, sondern hängt von der Bodenbeschaffenheit (Erde und Steine/Felsen) ab. Diese können mit Hilfe von Ortungsrobotern gemessen werden, die durch das Rohr geschickt werden.

Mit diesem Modell können wir die „Krümmung“ in einem „geraden“ Rohrabschnitt auf der Basis der Verschiebungs-Amplitude und der sich wiederholenden Periode quantifizieren und dann die Auswirkungen dieser Krümmung mit Hilfe der Kabelzug-Gleichungen bestimmen. In der nächsten Ausgabe werden wir dies berechnen und die Analyse zeigen.

Im zweiten Teil dieser Serie werden wir uns den gesamten Krümmungswinkel pro Periode P (der sich von Maximum zu Maximum eines Kabelzugs wiederholt) ansehen. Wir werden erläutern, wie der Krümmungswinkel pro Längeneinheit ebenfalls nützlich ist und auf der Basis des sich wiederholenden Charakters der Periode berechnet werden kann.