非金屬干式直埋光纜的研制

汪 波， 張艷秋， 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

目前，傳統(tǒng)的油膏填充式光纜，其生產(chǎn)工藝已十分成熟，在室外光纜市場(chǎng)占主導(dǎo)地位，但是在施工、環(huán)境保護(hù)方面存在很多缺陷:(1)油膏填充時(shí)，在導(dǎo)輪、過(guò)線(xiàn)模、纜芯收線(xiàn)盤(pán)具等部件中殘留難清洗的油膏，污染生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)境;(2)在接續(xù)過(guò)程中需要用清潔劑對(duì)纜芯及光纖進(jìn)行清潔，這給施工人員帶來(lái)麻煩，特別是在國(guó)外，施工費(fèi)用較高。阻水紗與阻水帶的出現(xiàn)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(shí)也避免了上述問(wèn)題，大大節(jié)省了接續(xù)操作和測(cè)試時(shí)間。因此，對(duì)纜芯無(wú)油膏填充的全干式光纜的需求量越來(lái)越大，且這種干式光纜的工藝制備過(guò)程方便快捷，成品易于包裝，具有油膏填充式光纜無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

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

1 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

24纖非金屬干式直埋光纜的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。光纜采用中心非金屬加強(qiáng)件(FRP)，4根光纖松套管與2根填充繩絞合在FRP周?chē)?，每根光纖松套管內(nèi)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(nèi)護(hù)套，最后擠制外護(hù)套，兩層護(hù)套之間絞合一層芳綸加強(qiáng)層，芳綸加強(qiáng)層中填充阻水材料。

表1為纜芯結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)在于芳綸加強(qiáng)層具有阻水性能，同時(shí)還具有更好的抗側(cè)壓性能;與GYTA53光纜相比，在相同的結(jié)構(gòu)下，重量更輕(下降46%)、尺寸更小(降低13%)，非常方便運(yùn)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(shù)是在絞合松套管時(shí)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(qiáng)吸水聚合物(SAP)，可吸收超過(guò)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(shí)，在中心加強(qiáng)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(jié)距絞合在加強(qiáng)件上。光纖松套管絞合后的扎紗也用阻水紗代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(guò)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(guò)外護(hù)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(cè)試

(1)摩擦系數(shù)

纜芯中無(wú)油膏意味著光纜元件之間有更高的摩擦系數(shù)，這將使其與加強(qiáng)件耦合得更好。國(guó)外相關(guān)試驗(yàn)證明，干式光纜中的松套管與中心加強(qiáng)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(wú)錫金利達(dá)生態(tài)科技有限公司發(fā)展的關(guān)鍵之年，省級(jí)院士工作站、水生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院及省級(jí)工程技術(shù)中心等籌建工作有序進(jìn)行，為公司科技高層次快速發(fā)展打下了組織基礎(chǔ)。展望2014年，我們豪情滿(mǎn)懷，信心百倍。金利達(dá)公司將順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，在生態(tài)環(huán)境工程領(lǐng)域上下求索，竭盡全力，為祖國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

選擇絞合結(jié)構(gòu)相同的干式光纜與濕式光纜測(cè)試其高低溫伸縮量，分別選擇1+5絞合結(jié)構(gòu)與1+6絞合結(jié)構(gòu)的含非金屬加強(qiáng)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(shí)平行放置于溫度試驗(yàn)箱內(nèi)。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(huán)6次，最后一次循環(huán)后冷卻到－40℃并保持72 h。試驗(yàn)后測(cè)量每一卷樣品的中心非金屬加強(qiáng)件(FRP)伸出纜芯的長(zhǎng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出干式光纜的伸出長(zhǎng)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(qiáng)件伸出長(zhǎng)度的比較

(3)阻水

對(duì)于阻水試驗(yàn)，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(qiáng)性試驗(yàn)，選擇100 m光纜，在2 MPa水壓下，保持24 h，實(shí)測(cè)滲水長(zhǎng)度為8 m。

3 光纜機(jī)械性能

3.1 抗拉強(qiáng)度

(1)芳綸材料的特性

光纜強(qiáng)度的提供主要來(lái)自芳綸紗加強(qiáng)層，芳綸紗的高柔韌性不僅能提高光纜的強(qiáng)度而且能提高光纜的柔軟性。圖3為高模量芳綸紗的應(yīng)力應(yīng)變特征曲線(xiàn)。

圖3 高模量芳綸紗的應(yīng)力應(yīng)變特征曲線(xiàn)

從圖3的芳綸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，芳綸是取向良好的結(jié)晶有機(jī)聚合物，但制成的紗仍呈非線(xiàn)性應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)特征。紗的種類(lèi)、線(xiàn)密度及其扭絞會(huì)影響應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的非線(xiàn)性。而曲線(xiàn)在低應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域的非線(xiàn)性特征比較明顯，在0.2% ～0.3%伸長(zhǎng)率處存在應(yīng)變拐點(diǎn)。拐點(diǎn)前為材料高應(yīng)變區(qū)域，試驗(yàn)表明在該區(qū)域纜的應(yīng)力應(yīng)變特征也呈相似趨勢(shì)。因此合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免在此區(qū)域內(nèi)纜產(chǎn)生較大應(yīng)變，即減小纜的初始應(yīng)變。根據(jù)光纖應(yīng)變伸長(zhǎng)的要求設(shè)計(jì)光纜的應(yīng)變伸長(zhǎng)率，等同于設(shè)計(jì)芳綸紗的伸長(zhǎng)率，那么不同伸長(zhǎng)率下芳綸紗的承載力可以作為使用量的參考。

(2)工藝設(shè)計(jì)

在纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)抑制光纖應(yīng)變相當(dāng)重要，是保證光纜機(jī)械性能的重要保障。光纜軸向伸長(zhǎng)時(shí)，纜芯單元與芳綸紗會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，調(diào)整纜芯單元絞合節(jié)距與增強(qiáng)元件芳綸紗的絞合節(jié)距之間的關(guān)系，即纜芯單元絞合節(jié)距應(yīng)小于芳綸紗絞合節(jié)距，就可以使光纖軸向應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光纜的軸向應(yīng)變。這樣，光纜在拉伸條件下，纜的應(yīng)變主要施加于芳綸層，纜芯單元層應(yīng)變小于芳綸層，光纖應(yīng)變得到抑制。

由于光纖的篩選應(yīng)變通常為1%，所以設(shè)計(jì)光纜時(shí)將光纖在工作時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變控制在0.2%或以下水平是比較安全的。選擇芳綸紗的強(qiáng)度利用率為70%，設(shè)計(jì)合適數(shù)量的芳綸紗，如3220dtex×14根在0.4%伸長(zhǎng)率時(shí)可提供拉伸力2.5 kN，在0.6%伸長(zhǎng)率時(shí)可提供拉伸力3.6 kN。合適的纜芯單元設(shè)計(jì)，以及FRP的強(qiáng)度利用，可以保證在芳綸紗0.6%伸長(zhǎng)時(shí)，光纖的應(yīng)變不大于0.2%，滿(mǎn)足理論設(shè)計(jì)要求。

(3)抗拉性能試驗(yàn)

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

3.2 抗側(cè)壓力

(1)抗側(cè)壓力性能的理論分析

光纜的抗側(cè)壓能力主要來(lái)自松套管與護(hù)套的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及光纜各單元的緊密組合。因此設(shè)計(jì)松套管與護(hù)套的尺寸時(shí)需要綜合考慮，更大的厚度有利于提高光纜的抗側(cè)壓能力，但是也增加了光纜的外徑與重量。

在側(cè)壓載荷下套管發(fā)生形變，通?？煞譃槿齻€(gè)階段:(1)形變很小，壓力與形變幾乎成線(xiàn)性正比關(guān)系，在此階段，大多數(shù)形變都是彈性可逆的;(2)開(kāi)始于套管的屈服點(diǎn)到達(dá)時(shí)，在此階段，側(cè)壓力有一段時(shí)間幾乎保持恒定而形變卻仍然繼續(xù)增加，形變是塑性的;(3)加大側(cè)壓力使得套管的上部與下部逐漸接觸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，套管至少可以承受至內(nèi)徑10%的垂直方向形變，塑性形變的極限值約能達(dá)到套管內(nèi)徑的30%。

(2)抗側(cè)壓力的專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)

首先，我們對(duì)多種規(guī)格尺寸的PBT松套管進(jìn)行側(cè)壓載荷專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，3.0/2.0 mm松套管的抗側(cè)壓力為400 N/100 mm以上，2.3/1.5 mm松套管的抗側(cè)壓力為300 N/100 mm以上，2.0/1.4 mm松套管的抗側(cè)壓力為200 N/100 mm以上。

其次，對(duì)光纜的內(nèi)護(hù)套和外護(hù)套剝離纜芯后的套管單獨(dú)進(jìn)行側(cè)壓載荷專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，8.5/6.6 mm中密度聚乙烯(MDPE)內(nèi)護(hù)套的抗側(cè)壓力為500 N/100 mm以上，12.6/9.0 mm MDPE外護(hù)套的抗側(cè)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(hù)套的抗側(cè)壓力達(dá)到700 N/100 mm以上。另外，包含內(nèi)護(hù)套的纜芯單元可以有效承載1 kN/100 mm以上的側(cè)壓力。

(3)提高抗側(cè)壓力的設(shè)計(jì)

對(duì)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定。外護(hù)套材料選擇強(qiáng)度更高、耐磨性更好的HDPE，適當(dāng)增加壁厚至1.9 mm。光纜外徑最終設(shè)計(jì)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(jìn)行抗側(cè)壓力試驗(yàn)時(shí)，非金屬干式直埋光纜的短期抗側(cè)壓力達(dá)到3 kN/100 mm，比ADSS光纜提高36%，與GYTA53光纜一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

我們對(duì)研制的24纖非金屬干式直埋光纜參考YD/T 901—2009進(jìn)行了嚴(yán)格的性能檢驗(yàn)，包括光傳輸性能、機(jī)械性能(拉伸、壓扁、沖擊、反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)等)、環(huán)境性能等多項(xiàng)。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，光纜的各項(xiàng)性能參數(shù)均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中光纜中的光纖在1310 nm和1550 nm波長(zhǎng)下的衰減系數(shù)均在0.34 dB/km和0.22 dB/km以下，光傳輸性能良好。而檢驗(yàn)結(jié)束后檢查外觀，所有樣品纜均無(wú)機(jī)械損傷，如變形、龜裂、起泡、剝落等現(xiàn)象。

24纖非金屬干式直埋光纜的研制成功，滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。非金屬直埋光纜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，尤其在惡劣地質(zhì)條件下更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)直埋光纜的輕型化也是發(fā)展趨勢(shì)，敷設(shè)方便，在同質(zhì)化嚴(yán)重的常規(guī)光纜市場(chǎng)具有自己的特點(diǎn)，顯著提升競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］YD/T 901—2009 層絞式通信用室外光纜［S］.