陳 紅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽 淮南232001)

0 引言

我國(guó)國(guó)土遼闊，江河湖泊眾多。在長(zhǎng)途通信光纜敷設(shè)時(shí)，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(yùn)行，必須根據(jù)地理?xiàng)l件與光纜使用要求設(shè)計(jì)制造穿越江河湖泊的水線(xiàn)光纜［1］。水線(xiàn)光纜相比陸上光纜，具有以下特點(diǎn):適合海岸邊上、淺水中安裝，無(wú)需中繼，成本低，易于安裝和運(yùn)輸，便于修復(fù)和維護(hù)，并且具有優(yōu)良的機(jī)械性能、優(yōu)異的阻水性能等。優(yōu)良的機(jī)械性能保證了水線(xiàn)光纜具有高的抗拉、抗壓、抗沖擊性，能經(jīng)受強(qiáng)大的水壓和拉力，能經(jīng)受被錨、漁具等牽鉤時(shí)受到的張力;優(yōu)異的阻水性能則保證水線(xiàn)光纜一旦進(jìn)水后可以盡量阻擋水滲透的程度;具有緩沖作用的外護(hù)層避免了水線(xiàn)光纜在運(yùn)輸裝卸和敷設(shè)使用過(guò)程中鎧裝高強(qiáng)度鋼絲與硬物直接碰撞。

在滿(mǎn)足以上特點(diǎn)的情況下，可以根據(jù)地理?xiàng)l件與光纜使用要求設(shè)計(jì)制造不同類(lèi)型的水線(xiàn)光纜。最近我所根據(jù)用戶(hù)訂單指標(biāo)要求設(shè)計(jì)了144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到100 kN，而光纜外徑僅為26 mm。

1 水線(xiàn)光纜的發(fā)展現(xiàn)狀

水線(xiàn)光纜結(jié)構(gòu)上要求堅(jiān)固、強(qiáng)度高，能經(jīng)受強(qiáng)大的水壓和拉力，因此水線(xiàn)光纜的結(jié)構(gòu)部件一般有光纖單元、抗壓管、護(hù)套、鎧裝層和被覆層。光纖單元在結(jié)構(gòu)上分緊套結(jié)構(gòu)和松套結(jié)構(gòu)，緊套結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要有中心管式、層絞式和骨架式。中心管式光纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，光纜受到拉、壓、彎、沖擊等機(jī)械外力時(shí)，因光纖處于零應(yīng)變線(xiàn)上，故其可受到極好的保護(hù)，目前最多可達(dá)96芯。層絞式結(jié)構(gòu)可容納較多的光纖芯數(shù)，目前可達(dá)到384芯，其制造環(huán)節(jié)較復(fù)雜。骨架式可容納的光纖芯數(shù)最多，采用帶狀光纖可達(dá)千余芯。

水線(xiàn)光纜在敷設(shè)和打撈時(shí)都要受到張力，敷設(shè)時(shí)受到光纜自重、敷設(shè)深度產(chǎn)生的張力，而打撈時(shí)受到的張力除與自重、深度有關(guān)外，還與敷設(shè)區(qū)域的水底底質(zhì)情況有關(guān)。敷設(shè)在淺水區(qū)域時(shí)，還應(yīng)考慮到水線(xiàn)光纜被錨、漁具等鉤住時(shí)受到的張力。水線(xiàn)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(xiàn)光纜發(fā)展新趨勢(shì)有以下情況:

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

(2)松套結(jié)構(gòu)。由于松套管結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一定的光纖余長(zhǎng)，因而可為光纖提供良好的環(huán)境。此外，這種結(jié)構(gòu)在成纜過(guò)程中，及成纜之后產(chǎn)生的光纖附加衰減較低，因此水線(xiàn)光纜有從緊套結(jié)構(gòu)向松套結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。

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

2 144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的水線(xiàn)光纜在設(shè)計(jì)時(shí)，纜芯采用GYTA53結(jié)構(gòu)，然后鎧裝鋼絲、擠制聚乙烯(PE)外護(hù)套，這種結(jié)構(gòu)可提升產(chǎn)品的耐水壓能力，但外徑偏大，達(dá)到31.5 mm，增加了敷設(shè)難度。我所設(shè)計(jì)和制造的144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜不同于以往的水線(xiàn)光纜。首先，芯數(shù)大，生產(chǎn)難度和風(fēng)險(xiǎn)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(hù)層結(jié)構(gòu)，我們利用鎧裝鋼絲、澆灌瀝青等材料保護(hù)纜芯，打破了以往鎧裝鋼絲外擠制PE外護(hù)套的模式，使光纜具有外徑小、重量輕和較好的機(jī)械性能。

2.1 光纜結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜的纜芯部分采用層絞式GYTS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光纖采用篩選應(yīng)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(biāo)更加優(yōu)良，穩(wěn)定性更好，低衰減，低偏振模色散，適合于長(zhǎng)距離快速傳輸。光單元為聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)松套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為光纖提供穩(wěn)定可靠的環(huán)境，避免外部應(yīng)力的作用，設(shè)計(jì)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(qiáng)件周?chē)?，PBT松套管中填充觸變性油膏，可提供光纖的緩沖保護(hù)，還可以防止?jié)B水;擠制高密度聚乙烯(HDPE)內(nèi)護(hù)套，HDPE機(jī)械強(qiáng)度好，耐應(yīng)力開(kāi)裂，對(duì)于纜芯而言，可以提供絕緣、防護(hù)等功能，提高光纜徑向耐水壓性能;在擠制內(nèi)護(hù)套的同時(shí)縱包軋紋鋼帶，提高纜芯的抗側(cè)壓能力。

外鎧裝護(hù)層由鎧裝高強(qiáng)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(guò)程中不可避免地有殘留應(yīng)力，這與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝及所用的材料特性有關(guān)。該應(yīng)力表現(xiàn)在當(dāng)光纜受到張力時(shí)首先呈反轉(zhuǎn)的傾向，隨著張力的增大出現(xiàn)正轉(zhuǎn)。采用單層鋼絲絞合時(shí)鋼絲殘留應(yīng)力較大，會(huì)對(duì)光纜的施工產(chǎn)生較大的影響。選擇較低應(yīng)力殘留的中碳高強(qiáng)鋼絲，并且在生產(chǎn)工藝中給予恰當(dāng)?shù)匿摻z預(yù)變形，能夠降低光纜的內(nèi)在扭力，便于敷設(shè)。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(shí)防止光纜運(yùn)輸裝卸敷設(shè)過(guò)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(nèi)外，用于鋼絲防腐，同時(shí)增加了外鎧裝護(hù)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(xiàn)光纜結(jié)構(gòu)圖。

圖1 144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜結(jié)構(gòu)圖

2.2 關(guān)鍵工藝控制要點(diǎn)

由于144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜的芯數(shù)大，生產(chǎn)過(guò)程中需保證光纖余長(zhǎng)的均勻性，且在后續(xù)工序絞合中光纖應(yīng)變?cè)谝?guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)光纜拉伸受力時(shí)，光纖余長(zhǎng)不發(fā)生變化，并且根據(jù)訂單技術(shù)指標(biāo)，光纜外徑僅為26 mm左右，增大了光纜抗拉力要求。關(guān)鍵工序應(yīng)區(qū)別于普通光纜，從原來(lái)的束管工序轉(zhuǎn)移到鋼絲絞合工序，鋼絲絞合質(zhì)量直接影響著整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，我們將鎧裝鋼絲絞合工序作為本光纜的關(guān)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(gè)郵遞員，馱著他，我每天穿梭在各個(gè)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(méi)有原因。其實(shí)馬并不是被主人手中的馬鞭催著跑，不是，我們?cè)谧分鹱约旱乃俣?。馬一生下來(lái)就逃脫不了馳騁的本能。那些騎馬者只不過(guò)是在借助馬的速度擺脫屬于他們自己生命中的厄運(yùn)?？晌覅s從那些轉(zhuǎn)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(lèi)自以為是的智慧，我想。他們用自己的思想為萬(wàn)物和萬(wàn)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(rèn)的智慧。

結(jié)合我們?cè)O(shè)計(jì)的參數(shù)，144芯輕型鎧裝水線(xiàn)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(jié)構(gòu)、外徑尺寸可計(jì)算出鎧裝鋼絲根數(shù)為18根。中碳鍍鋅鋼絲相對(duì)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(chǎn)品在受到外力作用時(shí)，鎧裝鋼絲可起到彈性緩沖作用，減少對(duì)光纖造成的不良影響，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程澆灌瀝青，纏繞聚丙烯繩，進(jìn)一步增強(qiáng)了這種性能。

2.2.2 光纜抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)

在本道工序設(shè)計(jì)時(shí)，我們把光纜的拉伸負(fù)荷要求作為一項(xiàng)重要指標(biāo)。水線(xiàn)光纜的抗拉強(qiáng)度主要由鎧裝鋼絲提供，中心加強(qiáng)件及其他部件只起到預(yù)防作用。我們認(rèn)為光纜在受力拉伸時(shí)，縱向伸長(zhǎng)必定導(dǎo)致徑向收縮，且體積保持不變，因此計(jì)算時(shí)僅考慮鎧裝鋼絲的強(qiáng)度。

由于鋼絲受拉力時(shí)存在縱向分量和橫向分量，其縱向分量應(yīng)與光纜的拉伸負(fù)荷相當(dāng)，即光纜的拉伸負(fù)荷可以由式(1)來(lái)表達(dá):

式中，F(xiàn)為光纜的拉伸負(fù)荷(N);n為鎧裝鋼絲根數(shù);f為鎧裝鋼絲的拉伸應(yīng)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(jī)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(shí)半徑不宜過(guò)小，否則光纖產(chǎn)生的彎曲損耗會(huì)過(guò)大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其彎曲半徑要求大于75 mm。在PBT松套管生產(chǎn)時(shí)，可以產(chǎn)生光纖余長(zhǎng)，同時(shí)，PBT松套管絞合在中心加強(qiáng)件周?chē)?，產(chǎn)生絞合余長(zhǎng)。我們?cè)O(shè)定光纖的彎曲半徑為75 mm，PBT松套管的內(nèi)徑為1.7 mm，PBT松套管絞合節(jié)距為110 mm，那么計(jì)算出光纖余長(zhǎng)設(shè)計(jì)值為5.4‰，理論上不影響光纖損耗的最大光纖余長(zhǎng)值為9‰，因此可以滿(mǎn)足要求。

2.3 工藝設(shè)計(jì)

144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜的制造工藝按照光纖著色、PBT松套管擠制、成纜、內(nèi)護(hù)層的擠制和鎧裝鋼絲絞制等工序進(jìn)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(nèi)的不同光纖，光纖著色需要注意油墨的固化度，不會(huì)在下道工序生產(chǎn)時(shí)發(fā)生油墨層剝離的情況。同時(shí)需要注意收排線(xiàn)的整齊性，避免因排線(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(hù)。設(shè)計(jì)12根PBT松套管，外徑為2.3 mm，每管12芯光纖。光纖余長(zhǎng)要求1‰，光纖余長(zhǎng)不均勻小于0.5‰。光纖余長(zhǎng)則是通過(guò)光纖放線(xiàn)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(lái)保證。

2.3.3 成纜

12根PBT松套管絞合在中心加強(qiáng)件周?chē)?，設(shè)置合適的絞合節(jié)距非常重要。在中心加強(qiáng)件及PBT松套管周?chē)酀M(mǎn)阻水油膏并縱包阻水帶，輔助阻水紗纏繞，是保證水線(xiàn)光纜縱向阻水性能的重要保障。

2.3.4 內(nèi)護(hù)層的擠制

擠制內(nèi)護(hù)層時(shí)需要注意護(hù)套材料與縱包軋紋鋼帶結(jié)合的緊密性，以保證阻水能力。需注意控制擠出質(zhì)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(chǎn)。擠制內(nèi)護(hù)層的同時(shí)需要縱包軋紋鋼帶，提高纜芯的抗側(cè)壓能力。

2.3.5 鎧裝鋼絲的絞制

需要嚴(yán)格控制纜芯放線(xiàn)張力、鋼絲放線(xiàn)張力、絞合模具尺寸，計(jì)算鋼絲絞合節(jié)距與調(diào)節(jié)鋼絲預(yù)變形量。穩(wěn)定的放線(xiàn)張力保證同層鋼絲以相近的應(yīng)力狀態(tài)絞合成形，使水線(xiàn)光纜以后受力拉伸時(shí)狀態(tài)均勻。合適的絞合節(jié)距是保證水線(xiàn)光纜結(jié)構(gòu)圓整及以后受力拉伸時(shí)鋼絲出力適當(dāng)?shù)闹匾x擇。恰當(dāng)?shù)匿摻z預(yù)變形量可以保證水線(xiàn)光纜拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能均達(dá)到最佳值。

3 144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜性能指標(biāo)

144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜樣品試制完成后，我們共測(cè)試了三根樣品，主要包括:外形尺寸、機(jī)械性能等指標(biāo)。具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜性能

4 結(jié)束語(yǔ)

我們根據(jù)144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品的機(jī)械性能、阻水性能等指標(biāo)完全符合客戶(hù)要求。

近幾年，水線(xiàn)光纜需求量有所增加，我所每年都接到水線(xiàn)光纜的訂單，但用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品性能要求各不相同，我們通常根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，一般從機(jī)械性能、阻水性能等重要指標(biāo)入手，確保產(chǎn)品在惡劣的水下環(huán)境可正常工作。144芯輕型鎧裝水線(xiàn)光纜的設(shè)計(jì)具有一定的代表性，對(duì)其他水線(xiàn)光纜的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有借鑒意義。

［1］蔡建偉，薄崇飛，方偉棟，等.水線(xiàn)光纜設(shè)計(jì)探討［C］//中國(guó)通信學(xué)會(huì)2008年光纜電纜學(xué)術(shù)論文集.2008.138-142.