一种地铁隧道敷设用阻燃耐火光缆的设计与验证

■ 詹朗朗 孙义兴 张建峰 曹 朋 周鹏鹏 陆颖祥 （江苏亨通光电股份有限公司 江苏 吴江 215234）

一种地铁隧道敷设用阻燃耐火光缆的设计与验证

■ 詹朗朗 孙义兴 张建峰 曹 朋 周鹏鹏 陆颖祥 （江苏亨通光电股份有限公司 江苏 吴江 215234）

本文介绍了一种地铁隧道敷设用阻燃耐火光缆，重点介绍了结构设计、材料选用、工艺控制等。该阻燃耐火光缆通过严格的试验测试，结果表明光缆机械环境性能满足设计要求；阻燃性能通过了单根垂直燃烧和成束垂直燃烧C类试验；耐火性能通过了IEC 60332-11/25和BS 6387 标准测试；烟密度测试显示发烟量低；腐蚀性测试显示燃烧时释放的腐蚀气体少。

地铁 阻燃 耐火 光缆 BS 6387

一 前言

近些年全球范围掀起了地铁建设热潮，各大城市正如火如荼地开展地铁规划或建设，地铁这一高效快速的交通方式得到了人们的广泛欢迎和认可。光缆作为地铁信号传输和数据网通信的一种传输载体，在建设过程中被大量敷设，为了保证地铁沿线的安全，对敷设于地铁的光缆阻燃性和耐火性提出了较高的要求。图1为地铁隧道光缆敷设场景。

图1 地铁隧道光缆敷设场景

目前，现有的阻燃耐火光缆，其结构主要由缆芯、金属铠装层、阻燃护套组成，其阻燃耐火材料主要以高阻燃聚烯烃材料和钢塑复合带为主，达到的阻燃耐火性能如表1所示。

表1 现有阻燃耐火光缆性能指标[1-3]

从近几年全球各区域内地铁运行情况和发生的事故来看，人们对其安全性和稳定性的担忧也日益提高，因此在新建的地铁线路中，运营方和施工方对应用于地铁系统的产品要求也日益严苛。其中，对于光缆而言，客户对其阻燃耐火性能提出了更高的要求，而现有的阻燃耐火光缆在满足基于线路完整性试验的耐火性能测试中已达极限，很难达到更高要求，因此急需开发出阻燃耐火性能更高并适用于地铁敷设用的通信光缆[4]。

为了解决这一难题，对于地铁隧道这一特殊应用场景，基于我司阻燃耐火光缆的研发经验，我们开发了一种耐火性能高的阻燃耐火光缆，能够达到目前国际光缆行业耐火等级最高的BS 6387标准，可满足地铁隧道的敷设及运行要求。图2为设计的光缆结构图。

图2 地铁隧道敷设用阻燃耐火光缆结构图

二 产品设计思路

BS 6387为英国标准学会提出的电缆在火焰条件下保持线路完整性的耐火试验方法，随后被引用到光缆行业，其最新发布的为2013年第3版。根据最新规定，其对光缆的耐火试验方法包括C、W、Z三类，具体测试方法如下：

（1）C类试验，即单纯耐火试验：火焰温度：950℃，供火时间：180min，松套管间光纤进行串联熔接，要求试验期间光纤保持通信正常且单芯光功率最大变化值≤3dB；

（2）W类（带喷水的耐火试验）：火焰温度650℃，单纯供火时间：15min，供火加喷水时间：15min，松套管间光纤进行串联熔接，要求试验期间光纤保持通信正常且单芯光功率最大变化值≤3dB；

（3）Z类（带冲击的耐火试验）：火焰温度：950℃，供火加机械冲击时间：15min，机械冲击间隔：30s，松套管间光纤进行串联熔接，要求试验期间光纤保持通信正常且单芯光功率最大变化值≤3dB。

BS 6387 CWZ标准对光缆耐火性能要求远高于现有的IEC 60332-11/25标准，因此对现有阻燃耐火光缆提出了更高的挑战，为达到这一标准等级，我们从结构设计、材料选用和工艺控制等方面进行了综合考虑，提出了一种满足该标准等级要求的阻燃耐火光缆。

2.1 结构设计

（1）采用双层金属铠装层的结构设计，内层为钢带铠装层，外层为钢丝铠装层。钢的熔点在1500℃左右，即使在耐火试验最高温度950℃情况下也不会发生形变，同时金属铠装层能够隔绝火焰向内燃烧，从而提高光缆的阻燃耐火效果。

（2）采用双层非金属耐火带设计，并分别采用纵包和绕包的工艺包覆于光缆内部，非金属耐火带耐温等级高，并具有良好的隔热效果，可在光缆燃烧时减少热量向内传递，从而降低高温对光纤通信的影响。

（3）采用耐火内护套+阻燃外护套设计，为满足IEC 60332-3C成束燃烧试验，并考虑到此款光缆的敷设场景，因此选择抗开裂高阻燃低烟无卤聚烯烃作为光缆外护套，其在具有较好的阻燃性能同时，具有较好的机械性能、环境性能。此外，内护套采用低烟无卤陶瓷化聚烯烃，其在高温或火焰条件形成的陶瓷化壳体会进一步增强光缆的耐火效果。

（4）基于IEC 61034-1标准对光缆燃烧时产生的烟雾透光率≥60%的烟密度要求，本次采用全干式设计，摒弃传统油膏，松套管和缆芯均采用干式阻水材料填充，在满足渗水要求的同时，避免了油膏对光缆的助燃效果及油膏燃烧时产生的大量烟雾影响。

2.2 耐火材料选用

（1）低烟无卤陶瓷化聚烯烃内护套

基于陶瓷化材料特性，其在火焰状态下或500℃以上高温下会迅速硬化并逐渐陶瓷化，形成一层坚硬且致密的陶瓷化壳体隔氧层，并隔绝火焰向内延然，可耐1200℃～1600℃持续高温。低烟无卤陶瓷化聚烯烃作为内护套材料，在火焰状态下或500℃以上高温能逐渐陶瓷化，形成一层坚硬的陶瓷化壳体，其壳体强度高、抗震动性能好，且具有耐火、隔热、降温、隔水效果，提升了光缆的整体耐火性能。

（2）非金属耐火带

为增强光缆的耐火隔热效果，我们选取了两类非金属耐火带，一类是双面合成云母带，双面合成云母带是通过硅树脂将合成云母和双层补强材料粘合为一体，具有优异的耐燃性能和耐高温性能，其耐温等级最高可达800℃～1100℃；另一类为低烟无卤陶瓷化带，其耐火原理与低烟无卤陶瓷化聚烯烃原理相同，通过燃烧时形成的陶瓷化壳体提升光缆的耐火性能，同时其加入了补强材料，具有较高的拉伸强度和柔韧性，可作为包覆材料使用。这两类材料具有极好的耐火特性，可有效阻隔或延缓光缆燃烧时产生的热量传递至缆芯内部，从而降低燃烧过程中对光纤的影响。

（3）金属铠装层

内层金属铠装层采用双面覆膜镀铬钢带，外围金属铠装层选用细圆低碳镀锌钢丝，光缆燃烧过程中阻缓火焰入侵，同时有提升光缆机械性能的效果，此外，低碳镀锌钢丝模量较低，铠装绞合易成形，同时采用电镀锌技术，具有防腐蚀效果。

（4）高阻燃低烟无卤聚烯烃外护套

此款光缆主要应用于地铁隧道中，因此要求光缆外护套具备适应于在该环境安装运行的机械性能、耐环境性能和阻燃性能。因此外护套选用的是高阻燃低烟无卤阻燃聚烯烃，以聚烯烃树脂为基料，并加入了高效无卤阻燃剂、紫外线吸收剂、特殊改性剂等，在拉伸强度、断裂伸长率、耐环境应力开裂、耐紫外线辐射强度、低烟性、无卤性、氧指数、温度指数等方面均有较好的性能。

2.3 工艺控制

（1）套塑工序

此款光缆采用干式套塑工艺，套塑材料仍采用常规PBT材料，套塑过程中，光纤与套塑专用阻水纱通过放线装置和张力稳定装置进入过纤针管，再通过挤塑机挤塑PBT套管，因套管内无触变性纤膏，为保证套管圆整，需在套管内充入氮气，并根据在线测量套管圆整度及时调整氮气气压。同时，利用CCA装置通过速差控制、多级水槽温差、收放线张力等控制方式，保证光纤余长在合理范围内及合格的光学特性。

（2）成缆工序

松套管和可能有的填充绳以SZ绞方式绞合在中心加强件周围，缆芯间隙内通过直放和绕包多股阻水纱来保障渗水合格。基于耐火性能考虑，缆芯外包覆一层非金属耐火带，以提高对缆芯内部的整体保护效果，要求非金属耐火带绕包搭接率达到30%～50%。

（3）内护工序

钢带包覆采用纵包工艺，钢带扎纹深度为0.3mm～0.5mm，为保证钢带搭接不渗水，钢带搭接处采用热熔机喷涂。另外，为保证内护套挤塑的工艺稳定性及挤塑后外表良好，需采用专用阻燃螺杆，螺杆L/D≥20，同时机头各区挤塑温度控制在140℃～150℃之间。

（4）钢铠工序

内护后采用多根细圆低碳镀锌钢丝进行螺旋绞合，在内护外形成一层钢丝铠装层。为了增强了钢丝铠装层对火焰的隔绝，需尽量减少钢丝绞合间隙，铠装时需尽量选取直径小于1.0mm的钢丝，钢丝数量则需根据内护后外径和钢丝外径合理计算得出。铠装后，采用一层非金属耐火带进行绕包，一方面对铠装钢丝进行固定，另一方面再次增强光缆的耐火性能。

（5）外护工序

钢丝铠装后再挤塑一层高阻燃低烟无卤阻燃聚烯烃护套，为保证挤塑稳定性和护套外表，需将挤塑温度控制在135℃～150℃。

三 试验验证

3.1 机械环境性能试验

针对新开发的地铁隧道敷设用阻燃耐火光缆，我们对其进行严格的机械环境性能试验测试，其试验方法及结果如表2所示。

表2 机械环境性能测试方法及测试结果

3.2 阻燃耐火性能试验

（1）单根垂直燃烧试验

根据IEC 60332-1-2标准规定，取一根60cm长的光缆样品，供火时间60s，试验结束后试样碳化部分上端距离上支架下缘32mm；试样碳化部分下端距离上支架下缘460mm，测试结果显示该项测试通过，试验现场如图3所示。

图3 单根垂直燃烧现场图

（2）成束垂直燃烧C类试验

根据IEC 60332-3 C标准规定，根据光缆中非金属体积，取6根3.5m长的光缆用固定在梯形测试架上将丙烷燃烧器以750℃的火焰与样品光缆接触，样品在强制吹风的情况下, 供火时间20min，供火结束后，样品光缆上火焰自然熄灭且最大碳化范围与喷灯底面的距离为1.72m，测试结果显示该项测试通过，试验现场如图4所示。

图4 成束垂直燃烧C类试验现场图

（3）耐火试验

本次耐火试验我们采用的测试平台是上海捷胜NH-2电线电缆耐火试验测试仪，如图5所示，针对IEC 60332-11/25和BS 6387 CWZ两类耐火试验均按标准规定进行试验测试，试验现场如图6所示，试验方法及测试结果如表3所示。

图5 耐火试验测试平台

图6 耐火试验现场图

表3 耐火试验测试方法及测试结果

（4）低烟性能

根据IEC 61034标准规定，根据光缆外径尺寸取3根光缆样品光缆，用金属丝固定在燃烧室的铁架上，样品下方放置酒精盘作为火源，点燃酒精盘，利用钨丝和透明石英灯管的卤素灯作为光源并测试光缆燃烧产生烟雾的透光

The paper describes a flame-retardant and fire-resistant optical cable applied in subway tunnel that emphasizes on cable design, material selection and process control. The flame-retardant and fire-resistant optical cable has passed strict testes and the results showed that the mechanical and environment performance comply design. And it also has passed the test of the fire behavior on a single cable and the test on bunched cables procedure C for flame-retardant performance, has passed IEC 60332-11/25 and BS 6387 standard for fire-resistant performance. And the cable possess with low-density smoke and low corrosive gas released when burning in the test.

Subway； Fire resistant；Flame retardant； optical cable； BS 6387

10.3969/j.issn.1673-5137.2016.05.003