Функциональные возможности индикатора влажности в эксплуатационных условиях кабельных линий связи.

В.А. Львов, заведующий лабораторией НИИ ЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана,

 В.Ф. Никольский, начальник лаборатории УТЭТ ОАО «МГТС».

Индикатор влажности (далее ИВ) является неотъемлемой составной частью любого технологического оборудования, предназначенного для подачи осушенного воздуха в кабельные линии связи, содержащиеся под избыточным давлением. Уровень влажности воздуха, проходящего через ИВ, контролируется по цвету, расположенного в нем, индикаторного силикагеля (далее ИС). ИС представляет собой стандартный силикагель типа ШСМ(Г), пропитанный солями кобальта, который меняет своей цвет в зависимости от влагоемкости в рабочих условиях. Влагоемкость ИС зависит от относительной влажности воздуха в рабочих условиях ИВ, что и делает возможным использование ИВ в качестве грубого гигроскопа.

В эксплуатационных условиях кабельных линий связи от функциональных возможностей ИВ зависит очень многое. Мало просто записать в журнал наблюдений, цвет силикагеля индикатора  КСУ, необходимо иметь четкие представления о том, в каких условиях работает ИВ, что означает сохранение или изменение цвета ИС в этих условиях, каким образом это повлияет на работу кабельных линий связи и т.п.

Контроль нормированной влажности воздуха и работоспособности КСУ.

РД 45.070-99, устанавливает для любых типов КСУ, следующие нормы для осушенного воздуха, подаваемого в кабельные линии связи: абсолютная влажность – не более 0,3 г/м³ при температуре 10…35^ОС и давлении 84 … 106,7 кПа (630…800 мм.рт.ст.).

Поскольку представленное значение абсолютной влажности воздуха являются однозначным критерием оценки работоспособного состояния КСУ [1], выразим его через относительную влажность воздуха – φ_НОРМ., (%) в этих условиях.

Таблица 1.

Температура, ОС	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30	32	34	36
φНОРМ., %	3,2	2,8	2,5	2,2	2,0	1,8	1,6	1,4	1,2	1,1	1,0	0,9	0,8	0,7
φИС, %	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15
аИС, г/м3	1,4	1,6	1,8	2,0	2,3	2,6	2,9	3,3	3,7	4,1	4,5	5,0	5,6	6,2
рИВ, кг/см2	3,7	4,4	5,0	5,8	6,5	7,3	8,4	9,7	12	13	14	16	18	20
φ0.НЕД, %	33	29	26	22	20	17	15	14	12	11	10	9	8	7
φНЕД, % в ИВ	50…71	44…62	38…55	34…48	30…42	26…37	23…33	20…29	18…26	16…23	14…20	12…18	11…16	10…15

Обратите особое внимание:  Изменение относительной влажности с изменением температуры воздуха происходит очень быстро – по экспоненциальному закону!!!

В табл. 1. также приведены средние уровни относительной  – φ_ИС, (%) и абсолютной – а_ИС, (г/м³) влажности воздуха, при которых происходит начальное изменение цвета отдельных частиц "стандартного" (чистого, правильно подготовленного и качественного) ИС.

Постоянство величины – φ_ИС, объясняется следующим образом. Как известно, при постоянной относительной влажности, влагоемкость силикагеля приблизительно постоянна, вне зависимости от температуры, при которой происходит процесс поглощения влаги, соответственно и средний уровень относительной влажности, при которой происходит начальное изменение цвета ИС, также можно считать величиной постоянной. Другими словами, уровень относительной влажности воздуха, который может быть зафиксирован по изменению цвета ИС, является  величиной постоянной и практически не зависит от температуры.

Представленные значения согласуются с оценками работоспособности ИВ, имеющимися в нормативной документации. Например, [2] устанавливает (см. п. 16.7. и 16.8.), что воздух, нагнетаемый в кабель через осушительное устройство, не должен содержать более 2,6 г/м³, (относительная влажность 15% при температуре 20^ОС). При этом влажность воздуха контролируется ИВ в течение всего времени нагнетания.

В процессе эксплуатации ИВ, из-за загрязненности воздуха, прежде всего углеводородами и следами масла, влагоемкость ИС непрерывно снижается. Поэтому приведенные выше оценки работоспособности ИВ следует признать весьма оптимистичными и пригодными только для начальной стадии применения ИС [3]. Тем не менее, работая в рамках метода предельных оценок, мы будем в дальнейшем использовать данные табл. 1.

В табл. 1. представлены расчетные величины избыточного давления в ИВ – р_ИВ, (кг/см²), при котором он смог бы обеспечить контроль нормированной величины φ_НОРМ.. Избыточное давление в ИВ любого типа КСУ, как правило, находится в пределах р_ИВ = 0,4…1,0 кг/см², (но не более 2,0 кг/см²), поэтому, в эксплуатационных условиях ИВ не может служить средством объективного контроля работоспособности КСУ и нормированной влажности воздуха, подаваемого в кабельные линий связи!!!

На что же указывает изменение цвета ИС в индикаторе КСУ?

В любых типах КСУ применяется двухступенчатый метод осушки воздуха, включающий в себя исходную конденсацию Н₂О в процессе охлаждения сжатого воздуха и удаление конденсированной фазы Н₂О (первая ступень), с последующей окончательной осушкой воздуха, тем или иным способом (вторая ступень). Основное количество влаги удаляется из воздуха на первой ступени осушки. Если воздух, сжатый в компрессоре КСУ до избыточного давления р_К, (кг/см²), охладить в его ресивере до температуры окружающей среды, а затем полностью удалить образовавшийся конденсат Н₂О, то независимо от температуры, на выходе в атмосферу (при атмосферном давлении) мы  получили бы воздух со следующими (см. табл. 2.) уровнями относительной влажности - φ₀, (%). 

Таблица 2.

рК , кг/см2	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
φ0, %	33	25	20	17	14	13	11	10	9	8	8	7	7	6
φИВ, %	47…66	35…50	28…40	23…33	20…29	18…25	16….22	14…20	13…18	12…17	11…15	10…14	9…13	8…12

При этом в ИВ установки, мы имели бы воздух с уровнем влажности - φ_ИВ, (%), (меньшие значения соответствуют р_ИВ = 0,4 кг/см², а большие -  р_ИВ = 1,0 кг/см²).

В компрессоре КСУ воздух, как правило, сжимается до р_К  - не более 9 кг/см² и соответствующие ему величины φ_ИВ, в принципе, могут быть проконтролирована по изменению цвета ИС в КСУ (см. табл. 1 и 2). Следовательно, с помощью ИВ установки можно, по крайней мере, определить момент наступления полного отказа второй ступени осушки КСУ и принять соответствующие меры для устранения последствий отказа.

Полученный вывод справедлив только для нормальных режимов работы компрессора и "стандартного" ИС. В противном случае (установка ИВ непосредственно на выходе в атмосферу, загрязненный ИС, повышенное давление в ресивере компрессора, и т.п.), с помощью ИВ можно будет определить только момент начала поступления капельной влаги!!!

На практике это означает следующее. Изменение цвета силикагеля в ИВ установки указывает на наличие полного отказа КСУ и создание условий для развития явной аварийной ситуации, зачастую, сопровождающейся поступлением капельной влаги в кабельные линии связи. Следовательно, с помощью ИВ установки мы можем зарегистрировать только уже случившийся полный отказ КСУ, который влечет за собой высокую вероятность возникновения внезапных, непрогнозируемых, эксплуатационных отказов кабельных линий связи.

Очевидно, что к эксплуатационному контролю качества осушки воздуха следует предъявлять более жесткие требования, которые бы полностью исключали возможность возникновения подобных отказов в работе кабельных линий связи.

         Особенности определения и контроля недопустимых уровней влажности воздуха.

Наибольшая вероятность возникновения внезапных, непрогнозируемых, эксплуатационных отказов наблюдается при условиях допускающих появление и длительное существование жидкой фазы Н₂О во внутреннем пространстве кабельной линии.

При правильной подготовке кабельной линии к эксплуатации, для гидрофобных и плоских поверхностей раздела фаз, такие условия возникают либо при непосредственном поступлении капельной влаги из КСУ, либо при подаче осушенного воздуха с парциальным давлением Н₂О превышающим давление в ее тройной точке (Р_тр = 610,8 Па; t_тр = 0,01^ОС).        Используя последние величины, для избыточного давления в кабельной линии не более - 0,5 кг/см², получаем (см. табл.1) значения недопустимых уровней относительной влажности воздуха – φ_0.НЕД, (%) при атмосферном давлении (на выходе в атмосферу). Кроме того, в табл.1 представлены соответствующие значения φ_НЕД  для рабочих условий ИВ, где меньшие значения, соответствуют р_ИВ = 0,4 кг/см², а большие -  р_ИВ = 1,0 кг/см².

Полученные значения φ_0.НЕД, примерно на порядок превышают соответствующие значения φ_НОРМ.. Однако, во всем диапазоне рабочих температур КСУ, даже такие высокие уровни влажности, могут быть проконтролированы с помощью ИВ только при наличии в ИВ избыточного давления - не менее 1,0 кг/см². При избыточном давлении - р_ИВ = 0,4 кг/см², они могут быть зафиксированы по изменению цвета ИС только при температурах меньше 30^ОС. Если же избыточное давление в ИВ практически отсутствует, то диапазон рабочих температур снижается до 22^ОС. Следовательно, функциональные возможности ИВ даже в отношении контроля недопустимых уровней влажности воздуха следует считать ограниченными.

Сопоставив данные табл. 1. и 2., мы приходим к еще одним парадоксальным, но весьма поучительным результатам. Для обеспечения "допустимых" значений влажности воздуха нет необходимости использовать в составе КСУ вторую ступень осушки. Достаточно, либо увеличить давление р_К  до величины ~ 13 кг/см², либо поддерживать нужную температуру в рабочем помещении КСУ, например, для р_К = 6 кг/см² она должна быть не более 24^ОС. Если, реализовать эти варианты на практике, то согласно представленным данным мембранные и адсорбционные блоки в составе КСУ просто не нужны. В чем же здесь ошибка?

Приведенные выше оценки являются необходимыми, но не достаточными условиями отсутствия возникновения внезапных, непрогнозируемых отказов в эксплуатационных условиях кабельных линий связи и их необоснованное использование может привести не только к парадоксальным результатам, но и к  весьма серьезным последствиям.

Для предотвращения эксплуатационных отказов, образование и длительное существование жидкой фазы Н₂О должно быть исключено на любых видах внутренних поверхностей кабельной линии связи. Данное требование определяется интенсивностью развития основных химических и физико-химических процессов (коррозия, старение и т.п.) и неразрывно связано с такими определяющими электрическими характеристиками линии связи, как сопротивление и прочность изоляции, сосредоточенная омическая асимметрия цепи и т.д.  

"Лишняя" теория.

Для однозначной характеристики состояния воздуха, помимо состава фазы, необходимо контролировать еще не менее трех количественных параметров его состояния [3].  Данное утверждение справедливо при отсутствии дополнительных факторов, определяющих физическое состояние фазы, например, для воздуха подаваемого в кабельные линии связи.

Поверхность раздела фаз внутри кабельной линии никогда не бывает плоской и полностью гидрофобной. Поверхности внутренних элементов кабельной линии всегда имеют загрязнения, неровности, поры, дефекты, искривленные контактные поверхности, которые могут быть охарактеризованы некоторым определяющим линейным размером, например, радиусом кривизны – r.

При малых значениях определяющего размера – r, величина дисперсности системы: D = 1/r – оказывается очень высокой. В этом случае дисперсность D является самостоятельным термодинамическим параметром состояния системы, изменение которого вызывает соответствующие изменения других равновесных свойств системы.

В результате, применительно к осушенному воздуху, находящемуся в кабельной линии связи правило фаз Гиббса может быть записано в виде:

С = К – Ф + 3                                                (1),

где С – число степеней свободы равновесной термодинамической системы, Ф – число фаз, которые могут находиться в равновесии между собой, К – число компонентов в системе, Н – число независимых параметров.

Для воздуха внутри кабельной линии связи К=2 и Ф=1 [3]. Тогда из уравнения (1) получаем: С = 2 – 1 + 3 = 4, т.е., для однозначной характеристики состояния воздуха, находящегося в кабельных линиях связи, помимо состава фазы, необходимо знать не менее четырех параметров состояния, выступающих в роли независимых переменных. При чем один из параметров должен определять дисперсность D рассматриваемой системы.

Если рассматривать прямые и обратные переходы вещества из газообразной в конденсированную фазу, то можно воспользоваться известным уравнением Кельвина (Томсона), которое часто называют уравнением капиллярной конденсации:

Р_П = Р_S · exp (± 2σ V_M/(RTr))                      (2)

где Р_П  и Р_S – парциальное давление насыщенного пара над искривленной и ровной (с бесконечно большим радиусом кривизны) поверхностью соответственно (Па); σ – удельная поверхностная энергия на границе раздела фаз (Дж/м²); V_M – молярный объем конденсированной фазы (м³/моль); R – универсальная газовая постоянная (Дж/(моль·К)); T – абсолютная температура (К); r – радиус кривизны (м).

Уравнение (2) справедливо в области r ≥ 2·10^-9м, где σ практически не зависит от размера r. В области малых  r < 2·10^-9м, величина σ начинает изменяться и уравнение (2) становится не строгим.  Для r < 1·10^{- 9}м, уравнение (2) становится не применимым, поскольку здесь понятия фазы и поверхности раздела фаз практически теряют физический смысл.

Из уравнения (2) следует, что если жидкость смачивает пору (отрицательная кривизна), то фазовые переходы в поре будут происходить при меньшем давлении, чем над ровной поверхностью. И, наоборот, при положительной кривизне (например, для сферической капли) давление насыщенного пара над искривленной поверхностью (над каплей) будет тем больше, чем больше кривизна (меньше радиус капли). Влияние дисперсности на давление насыщенного пара тем больше, чем больше удельная поверхностная энергия на границе раздела фаз и молярный объем конденсированной фазы, а также чем меньше температура.

Нелишние оценки предельно допустимых уровней влажности воздуха.

Проведем расчеты с использованием уравнения (2) для параметров тройной точки Н₂О при r ≥ 1·10^-9м.  Результаты расчета предельных значений относительной влажности воздуха – φ _{ПР. ТР.} (%) при которых может происходить конденсация влаги в порах различного радиуса  r, (м),  представлены в табл. 3. 

Таблица 3.

Т, ОС		10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30	32	34	36
r, м φ ПР. ТР.	φ0. доп.	11	9	8	7	6	5	5	4	4	3	3	3	2	2
1·10-9 30,1 %	φИВ.доп.	15…21	13…19	11…16	10…15	9…13	8…11	7…10	6…9	5…8	5…7	4…6	4…6	3…5	3…4
2·10-9 54,9 %	φ0. доп.	20	17	15	13	11	10	9	8	7	6	6	5	5	4
	φИВ.доп.	27…39	24…34	21…30	18…26	16…23	14…20	13…18	11…16	10…14	9…13	8…11	7…10	6…9	5…8
5·10-9 78.7 %	φ0. доп.	28	25	22	19	17	15	13	11	10	9	8	7	6	6
	φИВ.доп.	39…56	34…49	30…43	26…38	23…33	20…29	18…26	16…23	14…20	13…18	11…16	10…14	9…13	8…12
1·10-8 88,7 %	φ0. доп.	32	28	24	22	19	17	15	13	11	10	9	8	7	7
	φИВ.доп.	44…63	39…55	34…48	30…43	26…38	23…33	20…29	18…26	16…23	14…20	13…18	11…16	10…15	9…13

Поскольку образование и длительное существование жидкой фазы Н₂О в кабельных линиях связи должно быть полностью исключено, в порах с r ≥ 1·10^-9м, величина предельно допустимого уровня влажности в тройной точке Н₂О не должна превышать - 30%. 

В табл. 3. также представлены соответствующие расчетные значения уровней предельно допустимой влажности воздуха при атмосферном давлении - φ_{0. доп.} и в индикаторе КСУ - φ_ИВ.доп. (меньшие значения соответствуют р_ИВ = 0,4 кг/см², большие -  р_ИВ = 1,0 кг/см²). Полученные результаты показывают, что в данном случае функциональные возможности ИВ крайне ограничены. Так в составе КСУ, даже при р_ИВ = 1,0 кг/см², он просто перестает выполнять необходимые функции уже при температурах более 16^ОС (см. табл.3). Еще хуже обстоят дела, если контролировать с помощью ИВ воздух, выходящий из кабельной линии. Здесь речь может идти только о работе при температурах менее 10^ОС и то при условии  р_ИВ = 0,4…0,5 кг/см², когда же осуществляется  прямой выброс воздуха из ИВ в непосредственно атмосферу (р_ИВ = 0 кг/см²), величина требуемой температуры опускается ниже 5^ОС.

Практические выводы.

1. В эксплуатационных условиях ИВ не может служить средством объективного контроля работоспособности КСУ и нормированной влажности воздуха, подаваемого в кабельные линий связи.

2. Уровень относительной влажности воздуха, который может быть зафиксирован по изменению цвета ИС, является  величиной постоянной и не зависит от температуры.

3. Изменение цвета силикагеля в ИВ установки указывает на наличие полного отказа КСУ и создание условий для развития явной аварийной ситуации, зачастую, сопровождающейся поступлением капельной влаги в кабельные линии связи.

4. Синий цвет силикагеля в ИВ не может служить однозначным доказательством отсутствия условий для возникновения внезапных, непрогнозируемых, эксплуатационных отказов в кабельных линиях связи по вине конденсированной фазы Н₂О. 

5. Применительно к контролю предельно допустимых уровней влажности воздуха, находящегося в кабельных линиях связи функциональные возможности ИВ крайне ограничены и сильно зависят от условий проведения контроля.

6. При снижении давления в ИВ эффективность его применения снижается и достигает своих минимальных значений при непосредственном сбросе воздуха из индикатора в атмосферу.

Основные "специфические" термины и выражения.

Парциальное ДАВЛЕНИЕ. Гидростатическое давление, которое имел бы компонент смеси, если бы один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре; численно равно произведению давления газовой смеси на мольную долю данного компонента.

            Тройная ТОЧКА. Точка на диаграмме состояния, отвечающая равновесному сосуществованию трех фаз данного вещества – твердой, жидкой и газообразной. Если, парциальное давление данного вещества в газовой смеси меньше давления в его тройной точке, фазовые переходы ЖИДКОСТЬ ↔ ГАЗ на плоской поверхности отсутствуют при любых температурах газовой смеси.

Литература.

1.      Львов В.А. Никольский В.Ф. Количественная оценка параметров воздуха, подаваемого в кабельные линии связи // Вестник связи. – 2003. – №4. – С. 126-131.

2.      РУКОВОДСТВО ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ линейных сооружений местных сетей связи. – М.: Минсвязи России – АООТ "ССКТБ – ТОМАС", 1995. – 286с.

3.      Львов В.А. Никольский В.Ф. Особенности контроля параметров воздуха, подаваемого в кабельные линии связи // Вестник связи. – 2002. – №11. – С. 98-101.