非金属干式直埋光缆的研制

汪 波， 张艳秋， 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

目前，传统的油膏填充式光缆，其生产工艺已十分成熟，在室外光缆市场占主导地位，但是在施工、环境保护方面存在很多缺陷:(1)油膏填充时，在导轮、过线模、缆芯收线盘具等部件中残留难清洗的油膏，污染生产设备和环境;(2)在接续过程中需要用清洁剂对缆芯及光纤进行清洁，这给施工人员带来麻烦，特别是在国外，施工费用较高。阻水纱与阻水带的出现逐步代替了油膏作为阻水材料，在具备同等阻水效果的同时也避免了上述问题，大大节省了接续操作和测试时间。因此，对缆芯无油膏填充的全干式光缆的需求量越来越大，且这种干式光缆的工艺制备过程方便快捷，成品易于包装，具有油膏填充式光缆无法比拟的优点。

目前，室外使用的光纤松套管绞合式光缆基本以金属加强与金属带纵包铠装为主，常规直埋光缆(GYTA53或GYTY53)虽采用纵包钢(铝)塑复合带，使光缆具有抗侧压与挡潮性能，却增加了光缆自重，使运输成本与施工成本增加。

1 结构及特点

24纤非金属干式直埋光缆的结构见图1。光缆采用中心非金属加强件(FRP)，4根光纤松套管与2根填充绳绞合在FRP周围，每根光纤松套管内容纳了6根G652.D光纤，填充若干阻水纱与纵包阻水带。成缆后挤制内护套，最后挤制外护套，两层护套之间绞合一层芳纶加强层，芳纶加强层中填充阻水材料。

表1为缆芯结构形式相同的(24纤)非金属干式直埋光缆与非金属自承式光缆(ADSS光缆)、GYTA53光缆的有关性能的比较。

表1 非金属干式直埋光缆与ADSS光缆、GYTA53光缆的特性比较

图1 24纤非金属干式直埋光缆的结构图

从表1可知，非金属干式直埋光缆与ADSS光缆相比，最大的优点在于芳纶加强层具有阻水性能，同时还具有更好的抗侧压性能;与GYTA53光缆相比，在相同的结构下，重量更轻(下降46%)、尺寸更小(降低13%)，非常方便运输与施工，且具有更好的抗拉性能与弯曲性能。

2 干式缆芯

2.1 制造工艺

干式阻水技术是在绞合松套管时综合采用阻水纱与阻水带的一种方式。阻水纱与阻水带中含有超强吸水聚合物(SAP)，可吸收超过自身重量100倍的水，能吸收大约自身重量30倍的1%氯化钠溶液。干式光缆在成缆时，在中心加强件上添加两根阻水纱，一根采用平拖的方式，另一根以一定的节距绞合在加强件上。光纤松套管绞合后的扎纱也用阻水纱代替传统的聚酯纱，成缆后再在缆芯上纵包一层阻水带。

至于纵向渗水，则在芳纶绞合的过程中直接均匀添加SAP，不仅起到纵向阻水作用，而且可以有效吸收透过外护套的水气分子。这样可以充分保证芳纶的性能不变，而且纵向阻水效果非常良好。

2.2 性能测试

(1)摩擦系数

缆芯中无油膏意味着光缆元件之间有更高的摩擦系数，这将使其与加强件耦合得更好。国外相关试验证明，干式光缆中的松套管与中心加强件的静摩擦力比填充光缆膏的湿式光缆大4倍。

(2)高低温伸缩量

2013年是无锡金利达生态科技有限公司发展的关键之年，省级院士工作站、水生态修复规划设计研究院及省级工程技术中心等筹建工作有序进行，为公司科技高层次快速发展打下了组织基础。展望2014年，我们豪情满怀，信心百倍。金利达公司将顺应时代发展潮流，在生态环境工程领域上下求索，竭尽全力，为祖国基础建设献计献策，作出应有的贡献。

选择绞合结构相同的干式光缆与湿式光缆测试其高低温伸缩量，分别选择1+5绞合结构与1+6绞合结构的含非金属加强件(FRP)的干式光缆与湿式光缆各50 m，共4根，将光缆绕成圈同时平行放置于温度试验箱内。每卷光缆的一端被夹紧，另外一端切割平整。

样品在－40℃ ～+70℃间循环6次，最后一次循环后冷却到－40℃并保持72 h。试验后测量每一卷样品的中心非金属加强件(FRP)伸出缆芯的长度，试验结果见图2。从图2可以看出干式光缆的伸出长度明显小于湿式光缆。

图2 干式光缆与湿式光缆的中心非金属加强件伸出长度的比较

(3)阻水

对于阻水试验，首先选择3 m光缆，按照YD/T 901—2009，在1 m水柱压力下保持24 h，光缆未渗水。另外，我们还做了加强性试验，选择100 m光缆，在2 MPa水压下，保持24 h，实测渗水长度为8 m。

3 光缆机械性能

3.1 抗拉强度

(1)芳纶材料的特性

光缆强度的提供主要来自芳纶纱加强层，芳纶纱的高柔韧性不仅能提高光缆的强度而且能提高光缆的柔软性。图3为高模量芳纶纱的应力应变特征曲线。

图3 高模量芳纶纱的应力应变特征曲线

从图3的芳纶应力应变曲线可以看出，芳纶是取向良好的结晶有机聚合物，但制成的纱仍呈非线性应力应变曲线特征。纱的种类、线密度及其扭绞会影响应力应变曲线的非线性。而曲线在低应力应变区域的非线性特征比较明显，在0.2% ～0.3%伸长率处存在应变拐点。拐点前为材料高应变区域，试验表明在该区域缆的应力应变特征也呈相似趋势。因此合理的结构设计可以避免在此区域内缆产生较大应变，即减小缆的初始应变。根据光纤应变伸长的要求设计光缆的应变伸长率，等同于设计芳纶纱的伸长率，那么不同伸长率下芳纶纱的承载力可以作为使用量的参考。

(2)工艺设计

在缆结构设计时抑制光纤应变相当重要，是保证光缆机械性能的重要保障。光缆轴向伸长时，缆芯单元与芳纶纱会产生应变，调整缆芯单元绞合节距与增强元件芳纶纱的绞合节距之间的关系，即缆芯单元绞合节距应小于芳纶纱绞合节距，就可以使光纤轴向应变远远小于光缆的轴向应变。这样，光缆在拉伸条件下，缆的应变主要施加于芳纶层，缆芯单元层应变小于芳纶层，光纤应变得到抑制。

由于光纤的筛选应变通常为1%，所以设计光缆时将光纤在工作时产生的应变控制在0.2%或以下水平是比较安全的。选择芳纶纱的强度利用率为70%，设计合适数量的芳纶纱，如3220dtex×14根在0.4%伸长率时可提供拉伸力2.5 kN，在0.6%伸长率时可提供拉伸力3.6 kN。合适的缆芯单元设计，以及FRP的强度利用，可以保证在芳纶纱0.6%伸长时，光纤的应变不大于0.2%，满足理论设计要求。

(3)抗拉性能试验

对24纤非金属干式直埋光缆进行了拉力试验，按照YD/T 901—2009，工作拉力1.5 kN时，试验中和试验后均无附加衰减(附加衰减小于或等于0.03 dB视为无附加衰减)，试验过程中光纤伸长量0.002%;短暂拉力3.6 kN时，试验过程中光纤附加衰减0.04 dB，光纤伸长量0.1%，试验后无附加衰减。

3.2 抗侧压力

(1)抗侧压力性能的理论分析

光缆的抗侧压能力主要来自松套管与护套的结构构造以及光缆各单元的紧密组合。因此设计松套管与护套的尺寸时需要综合考虑，更大的厚度有利于提高光缆的抗侧压能力，但是也增加了光缆的外径与重量。

在侧压载荷下套管发生形变，通常可分为三个阶段:(1)形变很小，压力与形变几乎成线性正比关系，在此阶段，大多数形变都是弹性可逆的;(2)开始于套管的屈服点到达时，在此阶段，侧压力有一段时间几乎保持恒定而形变却仍然继续增加，形变是塑性的;(3)加大侧压力使得套管的上部与下部逐渐接触。根据经验值，套管至少可以承受至内径10%的垂直方向形变，塑性形变的极限值约能达到套管内径的30%。

(2)抗侧压力的专项试验

首先，我们对多种规格尺寸的PBT松套管进行侧压载荷专项试验。试验表明，3.0/2.0 mm松套管的抗侧压力为400 N/100 mm以上，2.3/1.5 mm松套管的抗侧压力为300 N/100 mm以上，2.0/1.4 mm松套管的抗侧压力为200 N/100 mm以上。

其次，对光缆的内护套和外护套剥离缆芯后的套管单独进行侧压载荷专项试验。试验表明，8.5/6.6 mm中密度聚乙烯(MDPE)内护套的抗侧压力为500 N/100 mm以上，12.6/9.0 mm MDPE外护套的抗侧压力也为500 N/100 mm以上，而12.6/8.8 mm高密度聚乙烯(HDPE)外护套的抗侧压力达到700 N/100 mm以上。另外，包含内护套的缆芯单元可以有效承载1 kN/100 mm以上的侧压力。

(3)提高抗侧压力的设计

对于24纤非金属干式直埋光缆，选择了厚壁型PBT松套管，2.0 mm外径松套管的壁厚为0.35 mm，缆芯单元1+6绞合方式，结构稳定。外护套材料选择强度更高、耐磨性更好的HDPE，适当增加壁厚至1.9 mm。光缆外径最终设计值为12.6 mm，比普通的ADSS光缆外径仅大0.4 mm。然而按照YD/T 901—2009进行抗侧压力试验时，非金属干式直埋光缆的短期抗侧压力达到3 kN/100 mm，比ADSS光缆提高36%，与GYTA53光缆一致。

4 结束语

我们对研制的24纤非金属干式直埋光缆参考YD/T 901—2009进行了严格的性能检验，包括光传输性能、机械性能(拉伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转等)、环境性能等多项。经过检验，光缆的各项性能参数均能满足标准的要求，其中光缆中的光纤在1310 nm和1550 nm波长下的衰减系数均在0.34 dB/km和0.22 dB/km以下，光传输性能良好。而检验结束后检查外观，所有样品缆均无机械损伤，如变形、龟裂、起泡、剥落等现象。

24纤非金属干式直埋光缆的研制成功，满足了用户的需求。非金属直埋光缆环境适应性强，尤其在恶劣地质条件下更具优势，同时直埋光缆的轻型化也是发展趋势，敷设方便，在同质化严重的常规光缆市场具有自己的特点，显著提升竞争力。

［1］YD/T 901—2009 层绞式通信用室外光缆［S］.