Сейсмоустойчивые подводные кабели: инженерия для Тихоокеанского огненного кольца

Землетрясение 2006 года в Хенчуне разорвало девять кабелей южнее Тайваня за один послеобеденный час, нарушив интернет-услуги по всему Юго-Восточной Азии на несколько недель. Этот случай больше всего заставил подводный кабельный бизнес задуматься над вопросом, который он в основном игнорировал: что означает строить инфраструктуру кабелей, способную выдерживать движение морского дна?

В этой статье рассматривается, как подводные кабели проектируются для среды сейсмической активности — режимы отказа, которые на самом деле их разрушают, материалы, устойчивые к абразии при движении дна, выбор маршрутов, избегающих известных зон сейсмической активности, и случаи, когда кабели сломались (или не сломались), когда Земля задрожала. GeoCables непрерывно мониторит более тридцати кабелей в Пакификском огне через измерения RIPE Atlas; наблюдаемые у них паттерны определяют большую часть того, что следует.

Что на самом деле разрушает кабель при землетрясении

Прямое землетрясение редко является причиной повреждения кабелей. Волоконные и медные провода в глубоководной части могут выдерживать десятилетия вибраций без заметного ухудшения сигнала. Реальным убийцем является подводный лавинный сход: внезапное движение массы осадков, иногда объемом несколько сотен кубических километров, спускающееся по континentalному склону в ответ на землетрясение. Пролетающая лавина даже небольшого размера срезает любые кабели на своем пути с непреодолимой механической силой.

Событие 2006 года в Хенчуне является каноническим примером. Само землетрясение не причинило значительного ущерба кабелям. Однако подводные сходы склонов, которые оно вызвало, перерезали кабели на протяжении всего их маршрута — не в одном месте, а в семи отдельных местах по нескольким системам. Ремонтные работы заняли 49 дней, так как суда с ремонтом кабелей должны были подождать стабилизации дна моря перед тем, как они смогут даже определить места повреждений.

Строка Noto наиболее информативна. Землетрясение магнитудой 7,6 на побережье Японского моря в регионе с несколькими международными кабелями не повредило ни одного международного кабеля. Два фактора объясняют это: зона разлома находилась за пределами коридоров кабельных линий, а дно Японского моря достаточно плоское для того, чтобы исключить возможность образования субмаринных оползней. География устанавливает границы, которые может преодолеть инженерное дело.

Материалы: Что остановит подводный оползень длиной 100 км

Справедливый ответ: ничего. Нет реалистичного проекта кабеля, который выдерживает прямое попадание крупного подводного оползня. Инженерия покупает вам ресилентность к меньшим событиям и предсказуемые режимы отказа для больших.

Кабели подводных лодок современного типа строятся из концентрических слоев, начиная с оптического ядра:

• Оптоволокно — обычно 8–24 волокна в ядре, одномерное стекло.
• Стальная конструкция прочности — спиральный проводник из стальной проволоки, который поглощает продольную нагрузку при укладке и восстановлении.
• Конденсаторный проводник из меди — переносит 3–15 кВ постоянного тока для питания усилителей по кабелю.
• Полиэтиленовая изоляторная оболочка — высокомolecularный полиэтилен, предназначенный для глубины до 8000 м под водой.
• Алюминиевая защита от воды — предотвращает проникновение водорода, который ухудшает качество волокна за 25-летний срок службы.
• Стальная оболочка — однослойная, двухслойная или каменная оболочка из стальной проволоки, применяемая выборочно.
• Полипропиленовая жгутовая оболочка — защита от абразивного воздействия на армированных участках.

Слой брони является местом, где происходит сейсмическая инженерия. В глубоководных секциях (ниже ~1500 м), кабель не бронируется — тонкий гбкий трубчатый элемент диаметром 17 мм. Глубокий океан механически безобиден, и бронированный кабель был бы избыточным весом. В шельфовых и склонных секциях (0–1500 м) одинарная броня является стандартом. В зонах с документированным риском оползней двойная броня или каменно-бронированный кабель являются обязательными — обычно увеличивая диаметр до 50 мм и прочность на раздавливание более 60 кН.

Системы JGA North и Apricot используют двойную броню в своих секциях, проходящих через пролив Сагами. Пролив является одной из самых сейсмически активных зон субductionа в мире. Кабели проходят через него, так как между Токио и тихоокеанской бассейной областью нет альтернативного маршрута.

Приincipы дизайна: обход разломов

Где невозможно проектировать через опасность, маршрут обходится вокруг нее. Современное подводное кабельное прохождение включает многоканальные глубинные зондирования с разрешением менее метра, картографирование дна моря методом бокового сканирования и анализ исторических каталогов землетрясений для каждого километра предложенного маршрута. Три принципа преобладают:

1. Избегайте глубины от 500 до 2000 м на склонах субдукционных зон. Это диапазон глубин, где наиболее часто происходят оползни склонов. Где прохождение через этот диапазон неизбежно, кабель закапывается там, где это позволяет дно моря.

2. Пересекайте разломы под острым углом. Кабель, параллельно идущий по линии разлома, выходит на поверхность на километры. Кабель, пересекающий его под прямым углом, выходит на поверхность метров на несколько. Даже на активных разломах показатели исторических сейсмических событий при перпендикулярном пересечении оказались низкими.

3. Строить резервирование на уровне системы. 70 пришoreных станций Японии не являются дублированием ради самоцели — это топология маршрута, которая позволяет трафику обходить любую отдельно взятую сломанную линию кабеля менее чем за 50 мс после выявления сбоя. Соединительная способность континента не зависит от какой-либо одной линии кабеля.

Тестирование: Как Вы Проверяете Кабель для Сейсмической Службы

Кабельные системы проверяются на соответствие стандартам IEEE 1631 (механическому) и IEC 60794-3 (оптической окружающей среде) перед развертыванием. Связанные тесты включают:

• Напряжение на растяжение до разрыва — кабель тянется до тех пор, пока стальная сила не перестанет выдерживать. Современные морские кабели имеют классификацию от 30–60 кН.
• Сопротивление давлению — ролик применяет до 5 кН/см; кабель должен продолжать передавать сигналы и после.
• Циклическая усталость изгиба — кабель изгибается через минимальный радиус изгиба более 1000 раз.
• Гидростатическое давление — тестирование до 1,25× заданной глубины воды в течение 24 часов.
• Давление в оболочке повторителя — оболочки из титана проверяются отдельно на давления, эквивалентные глубине 10 000 м.

Ни один из этих тестов не воспроизводит лавинообразное движение. Предположение индустрии: тесты доказывают, что кабель находится в хорошем состоянии при развертывании; лавинообразные движения являются непреднамеренными потерями, которые управляются логистикой ремонта, а не дизайном.

Кейс-стадии

(...продолжится — разделы о стране с изолированном однопроводнике Hunga Tonga 2022, успехе резервирования Tōhoku 2011, маршрутизации по географии Noto 2024, с ссылками на кабели Tonga Cable, JIH-1 и т. д.)

Какие операторы строят сейчас

(...продолжится — стратегия маршрутизации Apricot, резервирование BtoBE, требования к двойному проходу в Японии после 2011 года, контракт на резервный кабель Тонга 2024.)

Источники данных

Эта статья основана на измерениях RIPE Atlas, собранных компанией GeoCables по более чем 30 кабелям в Тихом океане, публичным отчетам операторов об авариях и литературе IEC/IEEE по испытаниям подводных кабелей. Просмотреть все кабели, чтобы увидеть конкретные точки пришвартовки и измеренные задержки для любой системы, упомянутой выше.