非金屬干式直埋光纜的研制

汪 波， 張艷秋， 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

目前，傳統的油膏填充式光纜，其生產工藝已十分成熟，在室外光纜市場占主導地位，但是在施工、環境保護方面存在很多缺陷:(1)油膏填充時，在導輪、過線模、纜芯收線盤具等部件中殘留難清洗的油膏，污染生產設備和環境;(2)在接續過程中需要用清潔劑對纜芯及光纖進行清潔，這給施工人員帶來麻煩，特別是在國外，施工費用較高。阻水紗與阻水帶的出現逐步代替了油膏作為阻水材料，在具備同等阻水效果的同時也避免了上述問題，大大節省了接續操作和測試時間。因此，對纜芯無油膏填充的全干式光纜的需求量越來越大，且這種干式光纜的工藝制備過程方便快捷，成品易于包裝，具有油膏填充式光纜無法比擬的優點。

目前，室外使用的光纖松套管絞合式光纜基本以金屬加強與金屬帶縱包鎧裝為主，常規直埋光纜(GYTA53或GYTY53)雖采用縱包鋼(鋁)塑復合帶，使光纜具有抗側壓與擋潮性能，卻增加了光纜自重，使運輸成本與施工成本增加。

1 結構及特點

24纖非金屬干式直埋光纜的結構見圖1。光纜采用中心非金屬加強件(FRP)，4根光纖松套管與2根填充繩絞合在FRP周圍，每根光纖松套管內容納了6根G652.D光纖，填充若干阻水紗與縱包阻水帶。成纜后擠制內護套，最后擠制外護套，兩層護套之間絞合一層芳綸加強層，芳綸加強層中填充阻水材料。

表1為纜芯結構形式相同的(24纖)非金屬干式直埋光纜與非金屬自承式光纜(ADSS光纜)、GYTA53光纜的有關性能的比較。

表1 非金屬干式直埋光纜與ADSS光纜、GYTA53光纜的特性比較

圖1 24纖非金屬干式直埋光纜的結構圖

從表1可知，非金屬干式直埋光纜與ADSS光纜相比，最大的優點在于芳綸加強層具有阻水性能，同時還具有更好的抗側壓性能;與GYTA53光纜相比，在相同的結構下，重量更輕(下降46%)、尺寸更小(降低13%)，非常方便運輸與施工，且具有更好的抗拉性能與彎曲性能。

2 干式纜芯

2.1 制造工藝

干式阻水技術是在絞合松套管時綜合采用阻水紗與阻水帶的一種方式。阻水紗與阻水帶中含有超強吸水聚合物(SAP)，可吸收超過自身重量100倍的水，能吸收大約自身重量30倍的1%氯化鈉溶液。干式光纜在成纜時，在中心加強件上添加兩根阻水紗，一根采用平拖的方式，另一根以一定的節距絞合在加強件上。光纖松套管絞合后的扎紗也用阻水紗代替傳統的聚酯紗，成纜后再在纜芯上縱包一層阻水帶。

至于縱向滲水，則在芳綸絞合的過程中直接均勻添加SAP，不僅起到縱向阻水作用，而且可以有效吸收透過外護套的水氣分子。這樣可以充分保證芳綸的性能不變，而且縱向阻水效果非常良好。

2.2 性能測試

(1)摩擦系數

纜芯中無油膏意味著光纜元件之間有更高的摩擦系數，這將使其與加強件耦合得更好。國外相關試驗證明，干式光纜中的松套管與中心加強件的靜摩擦力比填充光纜膏的濕式光纜大4倍。

(2)高低溫伸縮量

2013年是無錫金利達生態科技有限公司發展的關鍵之年，省級院士工作站、水生態修復規劃設計研究院及省級工程技術中心等籌建工作有序進行，為公司科技高層次快速發展打下了組織基礎。展望2014年，我們豪情滿懷，信心百倍。金利達公司將順應時代發展潮流，在生態環境工程領域上下求索，竭盡全力，為祖國基礎建設獻計獻策，作出應有的貢獻。

選擇絞合結構相同的干式光纜與濕式光纜測試其高低溫伸縮量，分別選擇1+5絞合結構與1+6絞合結構的含非金屬加強件(FRP)的干式光纜與濕式光纜各50 m，共4根，將光纜繞成圈同時平行放置于溫度試驗箱內。每卷光纜的一端被夾緊，另外一端切割平整。

樣品在－40℃ ～+70℃間循環6次，最后一次循環后冷卻到－40℃并保持72 h。試驗后測量每一卷樣品的中心非金屬加強件(FRP)伸出纜芯的長度，試驗結果見圖2。從圖2可以看出干式光纜的伸出長度明顯小于濕式光纜。

圖2 干式光纜與濕式光纜的中心非金屬加強件伸出長度的比較

(3)阻水

對于阻水試驗，首先選擇3 m光纜，按照YD/T 901—2009，在1 m水柱壓力下保持24 h，光纜未滲水。另外，我們還做了加強性試驗，選擇100 m光纜，在2 MPa水壓下，保持24 h，實測滲水長度為8 m。

3 光纜機械性能

3.1 抗拉強度

(1)芳綸材料的特性

光纜強度的提供主要來自芳綸紗加強層，芳綸紗的高柔韌性不僅能提高光纜的強度而且能提高光纜的柔軟性。圖3為高模量芳綸紗的應力應變特征曲線。

圖3 高模量芳綸紗的應力應變特征曲線

從圖3的芳綸應力應變曲線可以看出，芳綸是取向良好的結晶有機聚合物，但制成的紗仍呈非線性應力應變曲線特征。紗的種類、線密度及其扭絞會影響應力應變曲線的非線性。而曲線在低應力應變區域的非線性特征比較明顯，在0.2% ～0.3%伸長率處存在應變拐點。拐點前為材料高應變區域，試驗表明在該區域纜的應力應變特征也呈相似趨勢。因此合理的結構設計可以避免在此區域內纜產生較大應變，即減小纜的初始應變。根據光纖應變伸長的要求設計光纜的應變伸長率，等同于設計芳綸紗的伸長率，那么不同伸長率下芳綸紗的承載力可以作為使用量的參考。

(2)工藝設計

在纜結構設計時抑制光纖應變相當重要，是保證光纜機械性能的重要保障。光纜軸向伸長時，纜芯單元與芳綸紗會產生應變，調整纜芯單元絞合節距與增強元件芳綸紗的絞合節距之間的關系，即纜芯單元絞合節距應小于芳綸紗絞合節距，就可以使光纖軸向應變遠遠小于光纜的軸向應變。這樣，光纜在拉伸條件下，纜的應變主要施加于芳綸層，纜芯單元層應變小于芳綸層，光纖應變得到抑制。

由于光纖的篩選應變通常為1%，所以設計光纜時將光纖在工作時產生的應變控制在0.2%或以下水平是比較安全的。選擇芳綸紗的強度利用率為70%，設計合適數量的芳綸紗，如3220dtex×14根在0.4%伸長率時可提供拉伸力2.5 kN，在0.6%伸長率時可提供拉伸力3.6 kN。合適的纜芯單元設計，以及FRP的強度利用，可以保證在芳綸紗0.6%伸長時，光纖的應變不大于0.2%，滿足理論設計要求。

(3)抗拉性能試驗

對24纖非金屬干式直埋光纜進行了拉力試驗，按照YD/T 901—2009，工作拉力1.5 kN時，試驗中和試驗后均無附加衰減(附加衰減小于或等于0.03 dB視為無附加衰減)，試驗過程中光纖伸長量0.002%;短暫拉力3.6 kN時，試驗過程中光纖附加衰減0.04 dB，光纖伸長量0.1%，試驗后無附加衰減。

3.2 抗側壓力

(1)抗側壓力性能的理論分析

光纜的抗側壓能力主要來自松套管與護套的結構構造以及光纜各單元的緊密組合。因此設計松套管與護套的尺寸時需要綜合考慮，更大的厚度有利于提高光纜的抗側壓能力，但是也增加了光纜的外徑與重量。

在側壓載荷下套管發生形變，通常可分為三個階段:(1)形變很小，壓力與形變幾乎成線性正比關系，在此階段，大多數形變都是彈性可逆的;(2)開始于套管的屈服點到達時，在此階段，側壓力有一段時間幾乎保持恒定而形變卻仍然繼續增加，形變是塑性的;(3)加大側壓力使得套管的上部與下部逐漸接觸。根據經驗值，套管至少可以承受至內徑10%的垂直方向形變，塑性形變的極限值約能達到套管內徑的30%。

(2)抗側壓力的專項試驗

首先，我們對多種規格尺寸的PBT松套管進行側壓載荷專項試驗。試驗表明，3.0/2.0 mm松套管的抗側壓力為400 N/100 mm以上，2.3/1.5 mm松套管的抗側壓力為300 N/100 mm以上，2.0/1.4 mm松套管的抗側壓力為200 N/100 mm以上。

其次，對光纜的內護套和外護套剝離纜芯后的套管單獨進行側壓載荷專項試驗。試驗表明，8.5/6.6 mm中密度聚乙烯(MDPE)內護套的抗側壓力為500 N/100 mm以上，12.6/9.0 mm MDPE外護套的抗側壓力也為500 N/100 mm以上，而12.6/8.8 mm高密度聚乙烯(HDPE)外護套的抗側壓力達到700 N/100 mm以上。另外，包含內護套的纜芯單元可以有效承載1 kN/100 mm以上的側壓力。

(3)提高抗側壓力的設計

對于24纖非金屬干式直埋光纜，選擇了厚壁型PBT松套管，2.0 mm外徑松套管的壁厚為0.35 mm，纜芯單元1+6絞合方式，結構穩定。外護套材料選擇強度更高、耐磨性更好的HDPE，適當增加壁厚至1.9 mm。光纜外徑最終設計值為12.6 mm，比普通的ADSS光纜外徑僅大0.4 mm。然而按照YD/T 901—2009進行抗側壓力試驗時，非金屬干式直埋光纜的短期抗側壓力達到3 kN/100 mm，比ADSS光纜提高36%，與GYTA53光纜一致。

4 結束語

我們對研制的24纖非金屬干式直埋光纜參考YD/T 901—2009進行了嚴格的性能檢驗，包括光傳輸性能、機械性能(拉伸、壓扁、沖擊、反復彎曲、扭轉等)、環境性能等多項。經過檢驗，光纜的各項性能參數均能滿足標準的要求，其中光纜中的光纖在1310 nm和1550 nm波長下的衰減系數均在0.34 dB/km和0.22 dB/km以下，光傳輸性能良好。而檢驗結束后檢查外觀，所有樣品纜均無機械損傷，如變形、龜裂、起泡、剝落等現象。

24纖非金屬干式直埋光纜的研制成功，滿足了用戶的需求。非金屬直埋光纜環境適應性強，尤其在惡劣地質條件下更具優勢，同時直埋光纜的輕型化也是發展趨勢，敷設方便，在同質化嚴重的常規光纜市場具有自己的特點，顯著提升競爭力。

［1］YD/T 901—2009 層絞式通信用室外光纜［S］.