144芯轻型铠装水线光缆的设计

2013-02-18陈红

电线电缆 2013年4期

陈红

(中国电子科技集团公司第八研究所，安徽淮南232001)

0 引言

我国国土辽阔，江河湖泊众多。在长途通信光缆敷设时，穿越江河湖泊是不可避免的事情。为保证光缆通信系统安全稳定运行，必须根据地理条件与光缆使用要求设计制造穿越江河湖泊的水线光缆［1］。水线光缆相比陆上光缆，具有以下特点:适合海岸边上、浅水中安装，无需中继，成本低，易于安装和运输，便于修复和维护，并且具有优良的机械性能、优异的阻水性能等。优良的机械性能保证了水线光缆具有高的抗拉、抗压、抗冲击性，能经受强大的水压和拉力，能经受被锚、渔具等牵钩时受到的张力;优异的阻水性能则保证水线光缆一旦进水后可以尽量阻挡水渗透的程度;具有缓冲作用的外护层避免了水线光缆在运输装卸和敷设使用过程中铠装高强度钢丝与硬物直接碰撞。

在满足以上特点的情况下，可以根据地理条件与光缆使用要求设计制造不同类型的水线光缆。最近我所根据用户订单指标要求设计了144芯轻型铠装水线光缆，其抗拉强度达到100 kN，而光缆外径仅为26 mm。

1 水线光缆的发展现状

水线光缆结构上要求坚固、强度高，能经受强大的水压和拉力，因此水线光缆的结构部件一般有光纤单元、抗压管、护套、铠装层和被覆层。光纤单元在结构上分紧套结构和松套结构，紧套结构主要采用的是弹性体埋入式，光纤的芯数不多(数芯至十几芯)，而松套结构主要有中心管式、层绞式和骨架式。中心管式光缆结构简单、制造容易，光缆受到拉、压、弯、冲击等机械外力时，因光纤处于零应变线上，故其可受到极好的保护，目前最多可达96芯。层绞式结构可容纳较多的光纤芯数，目前可达到384芯，其制造环节较复杂。骨架式可容纳的光纤芯数最多，采用带状光纤可达千余芯。

水线光缆在敷设和打捞时都要受到张力，敷设时受到光缆自重、敷设深度产生的张力，而打捞时受到的张力除与自重、深度有关外，还与敷设区域的水底底质情况有关。敷设在浅水区域时，还应考虑到水线光缆被锚、渔具等钩住时受到的张力。水线光缆可采用单层或双层铠装，铠装钢丝一般为耐腐蚀的镀锌钢丝或锌铝镁合金镀层钢丝。

水线光缆发展新趋势有以下情况:

(1)大芯数。近年来水线光缆与陆上光缆一样对大芯数的要求日益增加，尤其是作为陆上网络一部分的沿海应用中，因此，光缆芯数要求从数芯至数百芯。

(2)松套结构。由于松套管结构可产生一定的光纤余长，因而可为光纤提供良好的环境。此外，这种结构在成缆过程中，及成缆之后产生的光纤附加衰减较低，因此水线光缆有从紧套结构向松套结构发展的趋势。

(3)小型化。以前水线光缆提供机械强度的铠装钢丝多采用低强度钢丝，现已采用高强度钢丝，光缆的重量和外径大幅减小，降低了运输和敷设成本。

2 144芯轻型铠装水线光缆的设计

传统的水线光缆在设计时，缆芯采用GYTA53结构，然后铠装钢丝、挤制聚乙烯(PE)外护套，这种结构可提升产品的耐水压能力，但外径偏大，达到31.5 mm，增加了敷设难度。我所设计和制造的144芯轻型铠装水线光缆不同于以往的水线光缆。首先，芯数大，生产难度和风险较高;其次，阻水措施采用纵向绕包和全填充方式;最后是外护层结构，我们利用铠装钢丝、浇灌沥青等材料保护缆芯，打破了以往铠装钢丝外挤制PE外护套的模式，使光缆具有外径小、重量轻和较好的机械性能。

2.1 光缆结构技术方案

144芯轻型铠装水线光缆的缆芯部分采用层绞式GYTS结构设计，光纤采用筛选应变大于1%的G.652D光纤。由于去除水峰，光棒中的氢氧根离子去除更彻底，因此光纤指标更加优良，稳定性更好，低衰减，低偏振模色散，适合于长距离快速传输。光单元为聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)松套管结构设计，为光纤提供稳定可靠的环境，避免外部应力的作用，设计12根PBT松套管，外径为 2.3 mm，每管12芯光纤。12根PBT松套管绞合在中心加强件周围，PBT松套管中填充触变性油膏，可提供光纤的缓冲保护，还可以防止渗水;挤制高密度聚乙烯(HDPE)内护套，HDPE机械强度好，耐应力开裂，对于缆芯而言，可以提供绝缘、防护等功能，提高光缆径向耐水压性能;在挤制内护套的同时纵包轧纹钢带，提高缆芯的抗侧压能力。

外铠装护层由铠装高强钢丝、聚丙烯绳垫层、改性沥青、聚氯乙烯包带组成。根据钢丝的特征，在绞合过程中不可避免地有残留应力，这与结构设计和制造工艺及所用的材料特性有关。该应力表现在当光缆受到张力时首先呈反转的倾向，随着张力的增大出现正转。采用单层钢丝绞合时钢丝残留应力较大，会对光缆的施工产生较大的影响。选择较低应力残留的中碳高强钢丝，并且在生产工艺中给予恰当的钢丝预变形，能够降低光缆的内在扭力，便于敷设。聚丙烯绳垫层用于增加铠装钢丝之间及铠装钢丝与缆芯之间的摩擦力，同时防止光缆运输装卸敷设过程中外铠层与钢丝等硬物直接碰撞，起缓冲作用。改性沥青浇灌于铠装钢丝间及内外，用于钢丝防腐，同时增加了外铠装护层各组成部分之间的摩擦力。PVC包带主要是保证光缆外表面不沾粘。

图1为144芯轻型铠装水线光缆结构图。

图1 144芯轻型铠装水线光缆结构图

2.2 关键工艺控制要点

由于144芯轻型铠装水线光缆的芯数大，生产过程中需保证光纤余长的均匀性，且在后续工序绞合中光纤应变在规定范围内。当光缆拉伸受力时，光纤余长不发生变化，并且根据订单技术指标，光缆外径仅为26 mm左右，增大了光缆抗拉力要求。关键工序应区别于普通光缆，从原来的束管工序转移到钢丝绞合工序，钢丝绞合质量直接影响着整个产品的质量，因此，我们将铠装钢丝绞合工序作为本光缆的关键工艺控制工序。

2.2.1 材料选择

我是一匹马，一匹一生都在奔跑的马。我的主人是个邮递员，驮着他，我每天穿梭在各个村庄，看一双双眼睛瞬间化作幻影消失在我身后的蹄声中。我享受这样的节奏。也许这就是马的天性，没有原因。其实马并不是被主人手中的马鞭催着跑，不是，我们在追逐自己的速度。马一生下来就逃脱不了驰骋的本能。那些骑马者只不过是在借助马的速度摆脱属于他们自己生命中的厄运。可我却从那些转瞬即逝的眼神中清晰地感受到，绝大多数人都以为是他们用智慧使我们屈从。然而，那只是人类自以为是的智慧，我想。他们用自己的思想为万物和万物之理下定义，却全然不顾其本身的精髓。他们不曾理解的是，大多数精髓是不需要解释的——这才是我们马族公认的智慧。

结合我们设计的参数，144芯轻型铠装水线光缆选择了 3.0 mm铠装钢丝，钢丝表面镀有均匀的锌层，不得有裂纹、斑痕，其杨氏模量为130 GPa。根据光缆结构、外径尺寸可计算出铠装钢丝根数为18根。中碳镀锌钢丝相对以往所用的高碳钢丝更易于成型，有利于绞合，紧密性更好，并且产品在受到外力作用时，铠装钢丝可起到弹性缓冲作用，减少对光纤造成的不良影响，同时在生产过程浇灌沥青，缠绕聚丙烯绳，进一步增强了这种性能。

2.2.2 光缆抗拉强度设计

在本道工序设计时，我们把光缆的拉伸负荷要求作为一项重要指标。水线光缆的抗拉强度主要由铠装钢丝提供，中心加强件及其他部件只起到预防作用。我们认为光缆在受力拉伸时，纵向伸长必定导致径向收缩，且体积保持不变，因此计算时仅考虑铠装钢丝的强度。

由于钢丝受拉力时存在纵向分量和横向分量，其纵向分量应与光缆的拉伸负荷相当，即光缆的拉伸负荷可以由式(1)来表达:

式中，F为光缆的拉伸负荷(N);n为铠装钢丝根数;f为铠装钢丝的拉伸应力(N);θ为铠装钢丝的绞合角。

根据工艺分析，在PBT松套管中，光纤的状态是随机的，有正弦分布和螺旋分布两种情况，根据观察，主要以正弦分布为主。光纤在PBT松套管中弯曲时半径不宜过小，否则光纤产生的弯曲损耗会过大，根据经验，其弯曲半径要求大于75 mm。在PBT松套管生产时，可以产生光纤余长，同时，PBT松套管绞合在中心加强件周围，产生绞合余长。我们设定光纤的弯曲半径为75 mm，PBT松套管的内径为1.7 mm，PBT松套管绞合节距为110 mm，那么计算出光纤余长设计值为5.4‰，理论上不影响光纤损耗的最大光纤余长值为9‰，因此可以满足要求。

2.3 工艺设计

144芯轻型铠装水线光缆的制造工艺按照光纤着色、PBT松套管挤制、成缆、内护层的挤制和铠装钢丝绞制等工序进行。

2.3.1 光纤着色

光纤着色的目的是为能快速区分同一PBT松套管内的不同光纤，光纤着色需要注意油墨的固化度，不会在下道工序生产时发生油墨层剥离的情况。同时需要注意收排线的整齐性，避免因排线不整齐可能增加光纤宏弯衰减。

2.3.2 PBT松套管的挤制

PBT松套管结构设计，为光纤提供稳定可靠的环境，PBT松套管中填充触变性油膏，可提供光纤的缓冲保护。设计12根PBT松套管，外径为2.3 mm，每管12芯光纤。光纤余长要求1‰，光纤余长不均匀小于0.5‰。光纤余长则是通过光纤放线张力控制、油膏的填充控制、SZ绞合、PBT冷却水温控制等工艺措施来保证。

2.3.3 成缆

12根PBT松套管绞合在中心加强件周围，设置合适的绞合节距非常重要。在中心加强件及PBT松套管周围灌满阻水油膏并纵包阻水带，辅助阻水纱缠绕，是保证水线光缆纵向阻水性能的重要保障。

2.3.4 内护层的挤制

挤制内护层时需要注意护套材料与纵包轧纹钢带结合的紧密性，以保证阻水能力。需注意控制挤出质量，外径均匀圆整，以保证电绝缘性能及方便下道钢丝铠装工序的生产。挤制内护层的同时需要纵包轧纹钢带，提高缆芯的抗侧压能力。

2.3.5 铠装钢丝的绞制

需要严格控制缆芯放线张力、钢丝放线张力、绞合模具尺寸，计算钢丝绞合节距与调节钢丝预变形量。稳定的放线张力保证同层钢丝以相近的应力状态绞合成形，使水线光缆以后受力拉伸时状态均匀。合适的绞合节距是保证水线光缆结构圆整及以后受力拉伸时钢丝出力适当的重要选择。恰当的钢丝预变形量可以保证水线光缆拉伸、弯曲、扭转性能均达到最佳值。