144芯輕型鎧裝水線光纜的設計

陳 紅

(中國電子科技集團公司第八研究所，安徽 淮南232001)

0 引言

我國國土遼闊，江河湖泊眾多。在長途通信光纜敷設時，穿越江河湖泊是不可避免的事情。為保證光纜通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，必須根據(jù)地理條件與光纜使用要求設計制造穿越江河湖泊的水線光纜［1］。水線光纜相比陸上光纜，具有以下特點:適合海岸邊上、淺水中安裝，無需中繼，成本低，易于安裝和運輸，便于修復和維護，并且具有優(yōu)良的機械性能、優(yōu)異的阻水性能等。優(yōu)良的機械性能保證了水線光纜具有高的抗拉、抗壓、抗沖擊性，能經受強大的水壓和拉力，能經受被錨、漁具等牽鉤時受到的張力;優(yōu)異的阻水性能則保證水線光纜一旦進水后可以盡量阻擋水滲透的程度;具有緩沖作用的外護層避免了水線光纜在運輸裝卸和敷設使用過程中鎧裝高強度鋼絲與硬物直接碰撞。

在滿足以上特點的情況下，可以根據(jù)地理條件與光纜使用要求設計制造不同類型的水線光纜。最近我所根據(jù)用戶訂單指標要求設計了144芯輕型鎧裝水線光纜，其抗拉強度達到100 kN，而光纜外徑僅為26 mm。

1 水線光纜的發(fā)展現(xiàn)狀

水線光纜結構上要求堅固、強度高，能經受強大的水壓和拉力，因此水線光纜的結構部件一般有光纖單元、抗壓管、護套、鎧裝層和被覆層。光纖單元在結構上分緊套結構和松套結構，緊套結構主要采用的是彈性體埋入式，光纖的芯數(shù)不多(數(shù)芯至十幾芯)，而松套結構主要有中心管式、層絞式和骨架式。中心管式光纜結構簡單、制造容易，光纜受到拉、壓、彎、沖擊等機械外力時，因光纖處于零應變線上，故其可受到極好的保護，目前最多可達96芯。層絞式結構可容納較多的光纖芯數(shù)，目前可達到384芯，其制造環(huán)節(jié)較復雜。骨架式可容納的光纖芯數(shù)最多，采用帶狀光纖可達千余芯。

水線光纜在敷設和打撈時都要受到張力，敷設時受到光纜自重、敷設深度產生的張力，而打撈時受到的張力除與自重、深度有關外，還與敷設區(qū)域的水底底質情況有關。敷設在淺水區(qū)域時，還應考慮到水線光纜被錨、漁具等鉤住時受到的張力。水線光纜可采用單層或雙層鎧裝，鎧裝鋼絲一般為耐腐蝕的鍍鋅鋼絲或鋅鋁鎂合金鍍層鋼絲。

水線光纜發(fā)展新趨勢有以下情況:

(1)大芯數(shù)。近年來水線光纜與陸上光纜一樣對大芯數(shù)的要求日益增加，尤其是作為陸上網(wǎng)絡一部分的沿海應用中，因此，光纜芯數(shù)要求從數(shù)芯至數(shù)百芯。

(2)松套結構。由于松套管結構可產生一定的光纖余長，因而可為光纖提供良好的環(huán)境。此外，這種結構在成纜過程中，及成纜之后產生的光纖附加衰減較低，因此水線光纜有從緊套結構向松套結構發(fā)展的趨勢。

(3)小型化。以前水線光纜提供機械強度的鎧裝鋼絲多采用低強度鋼絲，現(xiàn)已采用高強度鋼絲，光纜的重量和外徑大幅減小，降低了運輸和敷設成本。

2 144芯輕型鎧裝水線光纜的設計

傳統(tǒng)的水線光纜在設計時，纜芯采用GYTA53結構，然后鎧裝鋼絲、擠制聚乙烯(PE)外護套，這種結構可提升產品的耐水壓能力，但外徑偏大，達到31.5 mm，增加了敷設難度。我所設計和制造的144芯輕型鎧裝水線光纜不同于以往的水線光纜。首先，芯數(shù)大，生產難度和風險較高;其次，阻水措施采用縱向繞包和全填充方式;最后是外護層結構，我們利用鎧裝鋼絲、澆灌瀝青等材料保護纜芯，打破了以往鎧裝鋼絲外擠制PE外護套的模式，使光纜具有外徑小、重量輕和較好的機械性能。

2.1 光纜結構技術方案

144芯輕型鎧裝水線光纜的纜芯部分采用層絞式GYTS結構設計，光纖采用篩選應變大于1%的G.652D光纖。由于去除水峰，光棒中的氫氧根離子去除更徹底，因此光纖指標更加優(yōu)良，穩(wěn)定性更好，低衰減，低偏振模色散，適合于長距離快速傳輸。光單元為聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)松套管結構設計，為光纖提供穩(wěn)定可靠的環(huán)境，避免外部應力的作用，設計12根PBT松套管，外徑為 2.3 mm，每管12芯光纖。12根PBT松套管絞合在中心加強件周圍，PBT松套管中填充觸變性油膏，可提供光纖的緩沖保護，還可以防止?jié)B水;擠制高密度聚乙烯(HDPE)內護套，HDPE機械強度好，耐應力開裂，對于纜芯而言，可以提供絕緣、防護等功能，提高光纜徑向耐水壓性能;在擠制內護套的同時縱包軋紋鋼帶，提高纜芯的抗側壓能力。

外鎧裝護層由鎧裝高強鋼絲、聚丙烯繩墊層、改性瀝青、聚氯乙烯包帶組成。根據(jù)鋼絲的特征，在絞合過程中不可避免地有殘留應力，這與結構設計和制造工藝及所用的材料特性有關。該應力表現(xiàn)在當光纜受到張力時首先呈反轉的傾向，隨著張力的增大出現(xiàn)正轉。采用單層鋼絲絞合時鋼絲殘留應力較大，會對光纜的施工產生較大的影響。選擇較低應力殘留的中碳高強鋼絲，并且在生產工藝中給予恰當?shù)匿摻z預變形，能夠降低光纜的內在扭力，便于敷設。聚丙烯繩墊層用于增加鎧裝鋼絲之間及鎧裝鋼絲與纜芯之間的摩擦力，同時防止光纜運輸裝卸敷設過程中外鎧層與鋼絲等硬物直接碰撞，起緩沖作用。改性瀝青澆灌于鎧裝鋼絲間及內外，用于鋼絲防腐，同時增加了外鎧裝護層各組成部分之間的摩擦力。PVC包帶主要是保證光纜外表面不沾粘。

圖1為144芯輕型鎧裝水線光纜結構圖。

圖1 144芯輕型鎧裝水線光纜結構圖

2.2 關鍵工藝控制要點

由于144芯輕型鎧裝水線光纜的芯數(shù)大，生產過程中需保證光纖余長的均勻性，且在后續(xù)工序絞合中光纖應變在規(guī)定范圍內。當光纜拉伸受力時，光纖余長不發(fā)生變化，并且根據(jù)訂單技術指標，光纜外徑僅為26 mm左右，增大了光纜抗拉力要求。關鍵工序應區(qū)別于普通光纜，從原來的束管工序轉移到鋼絲絞合工序，鋼絲絞合質量直接影響著整個產品的質量，因此，我們將鎧裝鋼絲絞合工序作為本光纜的關鍵工藝控制工序。

2.2.1 材料選擇

我是一匹馬，一匹一生都在奔跑的馬。我的主人是個郵遞員，馱著他，我每天穿梭在各個村莊，看一雙雙眼睛瞬間化作幻影消失在我身后的蹄聲中。我享受這樣的節(jié)奏。也許這就是馬的天性，沒有原因。其實馬并不是被主人手中的馬鞭催著跑，不是，我們在追逐自己的速度。馬一生下來就逃脫不了馳騁的本能。那些騎馬者只不過是在借助馬的速度擺脫屬于他們自己生命中的厄運。可我卻從那些轉瞬即逝的眼神中清晰地感受到，絕大多數(shù)人都以為是他們用智慧使我們屈從。然而，那只是人類自以為是的智慧，我想。他們用自己的思想為萬物和萬物之理下定義，卻全然不顧其本身的精髓。他們不曾理解的是，大多數(shù)精髓是不需要解釋的——這才是我們馬族公認的智慧。

結合我們設計的參數(shù)，144芯輕型鎧裝水線光纜選擇了 3.0 mm鎧裝鋼絲，鋼絲表面鍍有均勻的鋅層，不得有裂紋、斑痕，其楊氏模量為130 GPa。根據(jù)光纜結構、外徑尺寸可計算出鎧裝鋼絲根數(shù)為18根。中碳鍍鋅鋼絲相對以往所用的高碳鋼絲更易于成型，有利于絞合，緊密性更好，并且產品在受到外力作用時，鎧裝鋼絲可起到彈性緩沖作用，減少對光纖造成的不良影響，同時在生產過程澆灌瀝青，纏繞聚丙烯繩，進一步增強了這種性能。

2.2.2 光纜抗拉強度設計

在本道工序設計時，我們把光纜的拉伸負荷要求作為一項重要指標。水線光纜的抗拉強度主要由鎧裝鋼絲提供，中心加強件及其他部件只起到預防作用。我們認為光纜在受力拉伸時，縱向伸長必定導致徑向收縮，且體積保持不變，因此計算時僅考慮鎧裝鋼絲的強度。

由于鋼絲受拉力時存在縱向分量和橫向分量，其縱向分量應與光纜的拉伸負荷相當，即光纜的拉伸負荷可以由式(1)來表達:

式中，F(xiàn)為光纜的拉伸負荷(N);n為鎧裝鋼絲根數(shù);f為鎧裝鋼絲的拉伸應力(N);θ為鎧裝鋼絲的絞合角。

根據(jù)工藝分析，在PBT松套管中，光纖的狀態(tài)是隨機的，有正弦分布和螺旋分布兩種情況，根據(jù)觀察，主要以正弦分布為主。光纖在PBT松套管中彎曲時半徑不宜過小，否則光纖產生的彎曲損耗會過大，根據(jù)經驗，其彎曲半徑要求大于75 mm。在PBT松套管生產時，可以產生光纖余長，同時，PBT松套管絞合在中心加強件周圍，產生絞合余長。我們設定光纖的彎曲半徑為75 mm，PBT松套管的內徑為1.7 mm，PBT松套管絞合節(jié)距為110 mm，那么計算出光纖余長設計值為5.4‰，理論上不影響光纖損耗的最大光纖余長值為9‰，因此可以滿足要求。

2.3 工藝設計

144芯輕型鎧裝水線光纜的制造工藝按照光纖著色、PBT松套管擠制、成纜、內護層的擠制和鎧裝鋼絲絞制等工序進行。

2.3.1 光纖著色

光纖著色的目的是為能快速區(qū)分同一PBT松套管內的不同光纖，光纖著色需要注意油墨的固化度，不會在下道工序生產時發(fā)生油墨層剝離的情況。同時需要注意收排線的整齊性，避免因排線不整齊可能增加光纖宏彎衰減。

2.3.2 PBT松套管的擠制

PBT松套管結構設計，為光纖提供穩(wěn)定可靠的環(huán)境，PBT松套管中填充觸變性油膏，可提供光纖的緩沖保護。設計12根PBT松套管，外徑為2.3 mm，每管12芯光纖。光纖余長要求1‰，光纖余長不均勻小于0.5‰。光纖余長則是通過光纖放線張力控制、油膏的填充控制、SZ絞合、PBT冷卻水溫控制等工藝措施來保證。

2.3.3 成纜

12根PBT松套管絞合在中心加強件周圍，設置合適的絞合節(jié)距非常重要。在中心加強件及PBT松套管周圍灌滿阻水油膏并縱包阻水帶，輔助阻水紗纏繞，是保證水線光纜縱向阻水性能的重要保障。

2.3.4 內護層的擠制

擠制內護層時需要注意護套材料與縱包軋紋鋼帶結合的緊密性，以保證阻水能力。需注意控制擠出質量，外徑均勻圓整，以保證電絕緣性能及方便下道鋼絲鎧裝工序的生產。擠制內護層的同時需要縱包軋紋鋼帶，提高纜芯的抗側壓能力。

2.3.5 鎧裝鋼絲的絞制

需要嚴格控制纜芯放線張力、鋼絲放線張力、絞合模具尺寸，計算鋼絲絞合節(jié)距與調節(jié)鋼絲預變形量。穩(wěn)定的放線張力保證同層鋼絲以相近的應力狀態(tài)絞合成形，使水線光纜以后受力拉伸時狀態(tài)均勻。合適的絞合節(jié)距是保證水線光纜結構圓整及以后受力拉伸時鋼絲出力適當?shù)闹匾x擇。恰當?shù)匿摻z預變形量可以保證水線光纜拉伸、彎曲、扭轉性能均達到最佳值。

3 144芯輕型鎧裝水線光纜性能指標

144芯輕型鎧裝水線光纜樣品試制完成后，我們共測試了三根樣品，主要包括:外形尺寸、機械性能等指標。具體指標見表1。

表1 144芯輕型鎧裝水線光纜性能

4 結束語

我們根據(jù)144芯輕型鎧裝水線光纜設計方案生產的產品已經通過各項試驗驗證，產品的機械性能、阻水性能等指標完全符合客戶要求。

近幾年，水線光纜需求量有所增加，我所每年都接到水線光纜的訂單，但用戶對產品性能要求各不相同，我們通常根據(jù)技術協(xié)議要求設計產品，一般從機械性能、阻水性能等重要指標入手，確保產品在惡劣的水下環(huán)境可正常工作。144芯輕型鎧裝水線光纜的設計具有一定的代表性，對其他水線光纜的設計和生產具有借鑒意義。

［1］蔡建偉，薄崇飛，方偉棟，等.水線光纜設計探討［C］//中國通信學會2008年光纜電纜學術論文集.2008.138-142.