一种轻型水下光电复合缆的设计

2016-12-19 08:58窦方芹赵京凤汪波江苏亨通光电股份有限公司江苏吴江534中国电子科技集团公司第八研究所
现代传输 2016年5期
关键词:侧压力芳纶放线

■ 窦方芹赵京凤汪波 (、江苏亨通光电股份有限公司 江苏 吴江 534 、中国电子科技集团公司第八研究所)

一种轻型水下光电复合缆的设计

■ 窦方芹1赵京凤2汪波2(1、江苏亨通光电股份有限公司 江苏 吴江 215234 2、中国电子科技集团公司第八研究所)

本文简要介绍一种水下使用的光电复合缆的设计及其性能,改变了过去的铠装钢丝为加强单元的传统设计,采用非金属材料芳纶为加强单元,通过在芳纶绞合的过程中填加合适的阻水物质以实现缆的纵向阻水目的。新设计制造的光电复合缆重量轻、尺寸小、易布放、性能优良稳定。

光电复合缆 水下 设计 性能 阻水

引言

用户现需求一种大长度、高柔软性及重量轻的光电复合缆,达到传输稳定、易布放和回收的目的。为此设计了一种外径更小、重量更轻、易于布放、性能稳定的光电复合缆。美国Sonardyne公司的Fusion系列的长基线定位系统,该系列产品可用于水下仪器设备的连续跟踪定位,也可应用于复杂的深海工程建设项目、矿石开采、海难救援等。而HPR408S型长基线定位系统因其高精度、高可靠性、数据更新率高的特点,已经被广泛应用于水下机器人、深拖系统等水下设备的导航定位。光电复合缆是这些系统中必不可少的组成部分,所以具有较广阔的市场应用前景。

传统意义上的水下使用的光电复合缆,是以铠装钢丝为加强单元,这样的光电复合缆尺寸较大、重量较大、由于内在扭劲的存在不易于布放和回收。

新设计制造的光电复合缆,加强单元材料选用芳纶,芳纶是一种高模量、低密度、高强度、耐磨性能好的耐热阻燃纤维,芳纶的高柔韧性能不仅能提高复合缆的强度而且能提高复合缆的柔软性能。这样,相对于同一艘布缆船而言,可以承载更多更长的光电复合缆,同时易于布放和回收。

但是传统的光电复合缆,是在钢丝铠装的工艺过程中同时填加阻水油膏等物质以实现缆的纵向阻水。而新设计制造的光电复合缆,如何在芳纶加强层中实现缆的纵向阻水,是个难题。我们没有选择阻水型芳纶,而是通过在芳纶绞制的过程中填加合适的阻水物质以实现缆的纵向阻水目的,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。

一 设计原理

第一、光单元采用厚壁PBT松套管结构保障光性能传输稳定,

第二、电单元采用漆包线加PE绝缘的双保险方案保障电气性能,

第三、合理设计绞合节距,光单元与电单元共同绞合,保证绞合圆整性、光单元的拉伸应变及光电单元的基本传输性能,

第四、采用缆芯阻水膏加阻水带纵包的方式来解决缆芯阻水问题,

第五、在芳纶绞合的过程中填加超强吸水聚合物来解决外护层与内护层之间的阻水问题。

1.1 光单元结构

光单元采用厚壁PBT松套管结构,厚壁PBT松套管结构不仅具有良好的力学性能(抗拉伸、抗弯曲、抗冲击),而且具有良好的耐溶剂、耐油、耐化学腐蚀性,与光纤油膏和光缆用填充的化合物有很好的相容性,特别选用了耐水解性能优异的PBT材料。

松套管的尺寸设计在已知内径或外径的情况下,主要是壁厚的设计。而壁厚设计与松套管可能受的外部压力有关。

松套管所遭受的外部压力有两种:外部侧向压力和外部周向压力。通常松套管遭受到的是侧向压力,而松套管的抗侧压性能是评价松套管机械物理性能的重要手段。

在侧压载荷下松套管发生形变,通常可分为三个阶段:第一阶段,形变很小,压力与形变几乎成线形正比关系,在此阶段,大多数形变都是弹性可逆的;第二阶段始于松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,其中形变是塑性的;第三阶段,加大侧压力的结果是松套管的上部与下部逐渐接触。

在实际应用中,松套管在成缆及其以后可能会遭受到较高的侧压力。为保证松套管在受力后的变形为塑性形变,进行侧压试验对松套管检验。

根据公认的经验值,松套管至少可以承受以垂直方向变形至内径的10%,塑性形变的极限值约能达到松套管内径的30%。

我们对几种不同尺寸的松套管进行了侧压载荷试验,φ3.0/2.0mm松套管的抗侧压力为400N/10cm以上,φ2.0/1.4mm松套管的抗侧压力为200N/10cm以上,而φ2.1/1.3mm松套管的抗侧压力为250N/10cm以上。

1.2 电单元结构

电单元为三相四线制供电单元,为光电复合缆一端的终端设备供电。电单元的绝缘采用漆包线加PE绝缘的双保险方式,保证绝缘性能的同时可以降低最终的成品外径。

1.3 缆芯结构

缆芯采用能把外径降到最低的1+5绞合结构,即中心加强件外绞合一个光单元和四个电单元,绞合方式为SZ绞合以提高复合缆弯曲性能。

光电单元绞合主要是光单元、电单元放线张力的控制和绞合节距的控制。光单元、电单元绞合必须设置不同的放线张力,并且放线张力形式是主动放线控制,以保证绞合缆芯的圆整性。绞合节距的设置要恰当,松套管通过绞合可以获得绞合余长,以保证在复合缆受力的情况之下光纤不受力。在生产过程中,绞合节距设置不能过小,SZ绞合换向时光缆上会有一个换向点,松套管可以在此位置轻松的换向,电单元因有较高的刚性系数,换向难度较大,处理不好容易出现灯笼状。通过合理设计选择一个适宜的绞合节距以确保光纤有一定的绞合余长,同时通过降低纱线节距,保证在换向点处将电单元紧密包扎。

1.4 缆芯阻水

新设计制造的光电复合缆要求能够满足2MPa水压环境下的阻水性能,阻水性能设计包括两个方面,其一是缆芯阻水性能,缆芯阻水采用阻水缆膏和阻水带相结合的方式。在缆芯生产过程中,中心加强件平拖一根阻水纱,与中心加强件并行,位于缆芯的中心部位,平拖的阻水纱采用被动放线方式,以保证其在缆芯中平顺,不与其他绞合元件互相缠绕、不堆积,根据经验,阻水纱选择型号为SZS-2.0型。光单元、电单元绞合的同时填加适当的阻水缆膏,并且缆芯外的扎纱用阻水纱代替聚酯纱,选择合适宽度的阻水带,以确保其对复合缆缆芯的绝对全包覆。

1.5 芳纶层阻水

新设计制造的光电复合缆要求能够满足2MPa水压环境下的阻水性能,阻水性能设计包括两个方面,除了上面提到的缆芯阻水性能之外,另一个为外护层与内护层之间的阻水性能,即芳纶层的阻水。

我们没有选择阻水型芳纶,而是通过在芳纶绞制的过程中填加超强吸水聚合物以实现缆的纵向阻水目的,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。超强吸水聚合物,即通常所说的SAP,可以吸收超过自身重量100倍的水,可以吸收大约自身重量30倍的1%氯化钠溶液。超强吸水聚合物在芳纶绞制时均匀地填加其中,不仅起到纵向阻水作用,而且可以有效吸收透过外护层的水气分子。

二 光电复合缆结构与参数

新设计制造的水下光电复合缆结构如图1所示。

The paper mainly introduced the design and performance of a kind of submarine photoelectrical composite optical cable, which changed the enhanced unit's traditional design of used armored steel wire. Adopting the non-metal material aramid as strength unit, add the appropriate waterproof material during the aramid stranding to achieve the longitudinal waterproof. The new design photoelectrical composite optical cable has the advantage of light weight, small dimension, easy deployment and excellent performance.

photoelectrical composite optical cable; submarine;design;performance;waterproof;

10.3969/j.issn.1673-5137.2016.05.002

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