Como especificar um conjunto de cabo umbilical de fibra óptica para ROV com flutuabilidade neutra

Na preparação de um ROV de inspeção, a equipe de engenharia precisa de um cabo umbilical longo de fibra óptica, também chamado de tether. O cabo deve manter a flutuabilidade próxima da neutra, transmitir vídeo e telemetria com confiabilidade, suportar as cargas de recolhimento e ser compatível com a interface submarina do veículo. Mesmo que a fibra atenda à especificação com o cabo no carretel, o conjunto pode falhar no uso se a tração passar pelo conector ou se a flutuabilidade mudar na profundidade de operação.

Comece nos equipamentos ópticos e no guincho de superfície e vá até a porta óptica e o ponto de ancoragem no veículo. Este guia reúne os dados do cabo, das duas pontas e dos testes de aceitação em uma solicitação de cotação (RFQ). Os cabos tether para ROV com flutuabilidade neutra sob medida da DEV CABLE servem de ponto de partida para a análise do projeto.

Por que o projeto do tether óptico importa

Um enlace óptico permite levar vídeo, comandos, telemetria e dados dos sensores por longas distâncias entre o veículo operado remotamente e a estação de superfície. Quando o tether tem apenas fibra, ele transmite as comunicações. O veículo precisa de alimentação separada, como baterias embarcadas. Confira se os equipamentos usam uma única fibra bidirecional ou fibras separadas para transmitir e receber.

Mantidas as demais condições, um diâmetro menor reduz a área exposta à corrente transversal e pode diminuir o arrasto. O comprimento lançado, a velocidade da corrente, a geometria assumida pelo cabo e o rumo também afetam o esforço dos propulsores. A flutuabilidade quase neutra reduz o peso aparente na água. Ainda há arrasto, e o cabo pode ser levado na direção de estruturas ou aplicar carga no ponto de fixação do veículo.

Separe na análise as condições de deslocamento, trabalho e recolhimento. Um cabo mais fino pode deixar pouco espaço para os elementos de resistência ou para o material de flutuação. Um cabo mais grosso ocupa mais espaço no tambor. Considere na especificação a reserva de empuxo dos propulsores, quanto cabo será lançado e as cargas na entrada na água, durante a operação e no recolhimento.

O que compõe um conjunto de cabo óptico para ROV

Considere três itens em conjunto. O cabo umbilical fornece o caminho óptico, a flutuabilidade distribuída e os elementos de resistência. O conector óptico submarino fornece uma interface óptica separável e uma barreira de pressão ou vedação definida. A proteção contra flexão e a terminação de alívio de tração controlam a curvatura e transferem o esforço ao ponto de ancoragem previsto. Uma bota flexível controla a curvatura na saída. Para assumir a carga axial, a terminação precisa prender os elementos de resistência.

O cabo sem terminação vem sem acessórios nas pontas. O cabo conectorizado traz um ou dois conectores instalados. Um conjunto projetado como unidade tem interfaces nas pontas, vedações, caminhos de carga e critérios de aceitação definidos para a configuração final. Informe o escopo de cada ponta. No veículo, por exemplo, pode ser necessário um plugue submarino de cabo e uma ancoragem na estrutura. Na superfície, a ponta pode ser ligada ao carretel ou a uma caixa. Verifique como a entrada do cabo é vedada, como a perda óptica é medida e em que ponto a tração chega à estrutura ou ao guincho.

Construção do cabo de fibra óptica monomodo

Uma opção de construção apenas óptica usa as camadas abaixo, do centro para fora. A sequência e as dimensões dependem dos requisitos mecânicos, da pressão e da flutuabilidade.

• Fibra óptica monomodo. É o caminho dos dados. Selecione o tipo de fibra e os comprimentos de onda de teste de acordo com os transceptores e componentes ópticos instalados no carretel.
• Tubo solto. Protege a fibra e permite um deslocamento controlado, reduzindo a transferência da deformação do cabo para o vidro.
• Espiral opcional de aço inoxidável. Protege a unidade óptica contra esforços mecânicos localizados. Avalie a massa, a rigidez e a resposta à flexão.
• Capa interna de polietileno de alta densidade (HDPE). Protege a unidade óptica e serve de base para o reforço.
• Fios de aramida para reforço. Suportam esforços axiais quando presos por uma terminação compatível. A disposição dos fios e sua ancoragem afetam a distribuição da carga.
• Camada de poliuretano expandido. Reduz a densidade média do cabo. Sua densidade, espessura e resistência à compressão influenciam a faixa útil de flutuabilidade.
• Capa externa amarela de poliuretano resistente. Forma uma superfície visível que suporta desgaste. Especifique a resistência à abrasão e a compatibilidade com a água, o equipamento de manuseio e a exposição prevista.

Caso seja necessário limitar a migração de água quando a capa é danificada, avalie o bloqueio longitudinal separadamente. Tanto a construção do cabo quanto as vedações nas pontas influenciam essa propagação.

Como obter a flutuabilidade neutra

O cabo submerso recebe um empuxo para cima igual ao peso da água deslocada. Em um cabo uniforme, compare a massa de um metro de cabo à massa de água que esse trecho desloca. Se as massas forem iguais, a força vertical resultante será praticamente nula. Se a massa do cabo for menor, haverá flutuabilidade positiva. Para o mesmo volume, a massa de água deslocada no mar é maior, pois a água salgada costuma ser mais densa que a água doce. Densidade da água do mar segundo a NOAA

A densidade relativa compara a densidade média do cabo com uma densidade de referência da água. Um valor próximo de 1,0 só é útil com as condições de referência definidas. Combine o tipo de água, a salinidade, a temperatura, a pressão e o peso aparente aceitável por metro. A densidade da espuma, a espessura da capa, o teor de aço e o reforço de aramida podem levar o cabo para fora da tolerância. Em profundidade, a compressão da espuma pode diminuir o volume deslocado e, com isso, a flutuabilidade.

Especifique a flutuabilidade do cabo sem acessórios e avalie o conjunto final separadamente. Conectores e ancoragens metálicas podem aplicar cargas localizadas para baixo, mesmo que o trecho principal do cabo tenha flutuabilidade quase neutra. Se a operação pedir um pequeno empuxo para cima ou um limite de carga em uma ponta, defina esses valores para as condições de serviço previstas.

Como selecionar conectores ópticos submarinos

Comece pelo código e pelo desenho da peça de acoplamento em cada ponta. Confira o tipo de fibra monomodo, a quantidade de canais, a interface ou o polimento óptico quando aplicável, o recurso de orientação, o acoplamento e a geometria da vedação. Um conector passa-painel atravessa a parede de um gabinete ou painel. Um conector de ponta termina o cabo. Identifique o par exato, pois a família ou o diâmetro da carcaça por si só não asseguram compatibilidade.

Um conector de acoplamento a seco (dry-mate) é montado fora da água antes do lançamento. Um conector de acoplamento submerso (wet-mate) pode ser conectado debaixo da água nas condições qualificadas pelo fabricante. Confira as pressões permitidas com o conector acoplado e desacoplado, as condições e ciclos de conexão, os requisitos de tampas e a vedação na entrada do cabo. O aço inoxidável 316L é uma opção de carcaça resistente à corrosão. Verifique a compatibilidade com os materiais de montagem e a composição da água, além da qualificação à pressão do conector e da terminação específicos. Interfaces ópticas submarinas segundo a TE Connectivity

Defina a perda máxima de inserção de cada par acoplado nos comprimentos de onda de operação. Se a perda de retorno (RL) estiver expressa em valores positivos, use um limite mínimo quando aplicável, como RL ≥ 40 dB para uma interface definida. Quanto maior esse valor positivo, menor a potência refletida. Se o fornecedor usar refletância negativa por evento, explicite a convenção. Diferencie o limite de reflexão no conector da perda de retorno óptica do enlace completo. Definições de perdas ópticas da Corning

Tração, alívio de esforço e manuseio do cabo

A carga segura de trabalho (SWL) é a carga admitida em condições de serviço definidas. A resistência mínima à ruptura é um limite separado verificado por ensaio destrutivo. Peça os dois dados junto com os casos de carga e as premissas de projeto. O limite do conjunto é determinado pelo componente resistente qualificado de menor capacidade, seja o cabo, a terminação de tração ou os acessórios de fixação. A terminação deve levar o esforço dos elementos de aramida até o suporte previsto e proteger a interface óptica dessa carga.

Indique um raio de curvatura estático para o cabo instalado ou armazenado e um raio dinâmico para lançamento, recolhimento e flexões repetidas. Compare o núcleo do tambor, as polias, os guias de cabo, o ângulo de entrada e a tensão de enrolamento com o limite dinâmico. Flexionar repetidamente sob tração pode gerar fadiga ou aumentar a perda óptica. Combine cargas, número de ciclos, raios e limites ópticos de aceitação representativos para os testes mecânicos. Inclua partida, recolhimento e movimento da embarcação quando gerarem picos de carga importantes.

Exemplo de especificação de um umbilical ROV monomodo longo

Estes valores ilustram os requisitos de compra de um projeto específico. Eles não são valores nominais universais de tethers para ROV nem desempenho confirmado de produtos DEV CABLE. Os valores finais exigem análise e validação de engenharia.

Para 500 m (0,5 km) nominais, a atenuação máxima apenas da fibra é de 0,225 dB em 1310 nm (0,45 × 0,5) e 0,175 dB em 1550 nm (0,35 × 0,5). Esses valores excluem perdas de conectores, emendas e outros componentes do sistema. Calcule o orçamento óptico completo considerando o maior comprimento instalado, todos os pares acoplados e emendas, a junta óptica rotativa se houver e uma margem acordada.

Uma terminação projetada para 200 kgf não aumenta a carga de trabalho do cabo, de cerca de 130 kgf. Outros componentes qualificados e o regime real de operação podem impor limites adicionais ao conjunto. A permanência em 50 bar define uma condição de teste hidrostático. A profundidade de operação contínua exige qualificação separada para a configuração, o tempo de exposição e os ciclos de pressão previstos.

Testes e requisitos de qualidade

Antes da fabricação, defina a peça a ensaiar, o método, as condições, os limites de aceitação e os relatórios exigidos. Separe os testes de qualificação do projeto dos controles feitos em cada conjunto final ou por amostragem.

• Atenuação da fibra. Mede a perda óptica distribuída em comprimentos de onda definidos, normalmente em dB/km. A perda de ponta a ponta do enlace final é expressa em dB e inclui as interfaces definidas.
• Perda de inserção do conector. Mede a perda que a interface acoplada introduz em relação a uma referência. A perda de retorno quantifica a luz devolvida pela interface ou pelo enlace especificado.
• Reflectometria óptica no domínio do tempo (OTDR). Localiza emendas, curvas e reflexões na fibra. Escolha fibras de lançamento e recepção e ajustes que permitam distinguir as duas pontas. Quando exigido para aceitação, use uma fonte referenciada e um medidor de potência para medir a perda de ponta a ponta. Guia EXFO de fibras de lançamento e recepção para OTDR
• Teste hidrostático. Verifica a configuração combinada na pressão, no tempo de permanência e nos ciclos definidos. Determine o que verificar durante e após a exposição, por exemplo vazamentos ou variação da perda óptica.
• Ensaio de tração. Verifica a transferência de carga, o deslizamento e a estabilidade óptica sob esforço. Defina separadamente provas de carga e ensaios destrutivos de qualificação.
• Verificação de flutuabilidade. Mede o peso aparente ou o empuxo em condições definidas de água e pressão. Os ensaios de durabilidade à flexão e ao enrolamento verificam o cabo após manuseio repetido com raio e tensão representativos.
• Inspeção final. Confirma comprimento, diâmetro, configuração das pontas, condição das faces ópticas, marcações, tampas de proteção e integridade dos registros de teste.

Dados para cotar um cabo umbilical para ROV

Use esta lista na solicitação e destaque os dados que ainda dependem de análise de engenharia.

1. Aplicação do ROV. Veículo, atividade de inspeção e equipamentos ópticos nas duas pontas.
2. Profundidade de operação. Valores normal e máximo, duração da exposição e ciclos.
3. Tipo de água. Doce, salgada ou salobra, com salinidade e temperatura se conhecidas.
4. Comprimento do cabo. Por conjunto, entre pontos definidos de medição, com tolerância.
5. Fibra. Tipo monomodo, número de fibras e configuração de transmissão e recepção.
6. Limites ópticos. Comprimentos de onda, atenuação, orçamento de perdas de ponta a ponta e limites de reflexão.
7. Diâmetro externo máximo. Tolerância e restrições de passagem, tambor ou prensa-cabo.
8. Flutuabilidade. Alvo, tolerância, condições de teste e cargas permitidas nas pontas.
9. Cargas mecânicas. Cargas de trabalho e ruptura, unidades e casos de carga no lançamento.
10. Raios de curvatura. Limites estático e dinâmico e espaço de passagem do cabo.
11. Conectores. Desenhos, códigos das contrapartes, montagem em painel ou ponta de cabo e acoplamento a seco ou submerso em cada ponta.
12. Alívio de tração. Geometria de montagem, proteção contra flexão e caminho da carga axial.
13. Lançamento e recolhimento. Métodos, dimensões do tambor e das polias e frequência dos ciclos.
14. Testes. Métodos, critérios de aceitação, relatórios e requisitos de acompanhamento presencial.
15. Dados comerciais. Quantidade, local de entrega e data necessária.

Perguntas frequentes

O que é um cabo tether para ROV com flutuabilidade neutra?

É um cabo projetado para ter peso aparente por unidade de comprimento próximo de zero em condições definidas de água. Verifique se o requisito se aplica ao trecho sem acessórios, ao conjunto final ou aos dois.

A fibra monomodo funciona em umbilicais longos para ROV?

Sim, quando transceptores, comprimentos de onda e orçamento óptico são adequados ao enlace. Inclua as perdas das terminações, de emendas e de eventuais juntas rotativas antes de escolher os componentes ópticos.

O cabo óptico pode ser adaptado para água do mar?

Sim. Defina a flutuabilidade considerando salinidade, temperatura e profundidade previstas. Avalie também a capa, as vedações e os materiais das terminações para esse ambiente.

Como escolher conectores ópticos submarinos?

Identifique a interface exata dos equipamentos. Depois, confira o desempenho óptico, a pressão e as condições de acoplamento. Verifique se a vedação na entrada e a terminação são compatíveis com o diâmetro e a capa escolhidos.

Qual é a diferença entre a carga de trabalho do cabo e a resistência da terminação?

A carga de trabalho se aplica ao cabo sob condições definidas. A resistência da terminação se aplica aos acessórios e à forma de ancoragem nas condições de ensaio correspondentes. Compare limites equivalentes de serviço para avaliar a capacidade do conjunto.

Quais informações são necessárias para uma cotação sob medida?

Informe comprimento, tipo de água e profundidade, número de fibras, flutuabilidade e cargas, interfaces nas duas pontas e quantidade. Envie os desenhos de acoplamento e critérios de aceitação quando estiverem disponíveis.

Tethers de fibra óptica para ROV sob medida da DEV CABLE

A DEV CABLE projeta e fabrica cabos umbilicais para ROV sob medida. Número de fibras, construção, diâmetro, reforço, flutuabilidade desejada, material da capa e comprimento podem ser avaliados conforme a aplicação e confirmados durante a engenharia. Para conjuntos conectorizados, a DEV CABLE analisa interfaces, viabilidade da terminação e qualificação necessária antes de cotar.

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