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[海底電纜] 從海底纜的機械性能試驗看光單元內鎧裝的必然性
P:2007-06-08 17:13:40
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（中天科技海纜有限公司江蘇·南通 226010）
摘要：海底光電復合纜是海纜家屬中的新寵兒，已經得到沿海地區(qū)用戶，尤其是海洋資源開發(fā)行業(yè)的青睞。光電復合纜中的光單元是在用戶之間傳輸信息的核心部分，其光學、機械性能，尤其是動態(tài)性能的變化是衡量光電復合纜質量的關鍵指標，本文通過光電復合纜實樣的試驗，比較了兩種結構光單元的光學、機械性能的動態(tài)變化，通過必要的理論分析，從而說明有鋼絲內鎧裝層的光單元將成為海底光電復合纜中首選光單元結構的必然。
關鍵詞：海底光電復合纜 機械性能 光單元內鎧裝
0引言
隨著海洋經濟的蓬勃發(fā)展,海底光電復合纜（以下簡稱光電纜）這個線纜家屬中的新寵兒綻露頭角,就得到了用戶的推崇。最近幾年深得用戶，尤其是海洋資源開發(fā)行業(yè)的青睞，市場容量日益增加。僅2006年，進入或計劃進入招投標程序的光電纜就達200公里（純海底電纜只有100公里，已經少于光電纜）。光電纜電力芯截面范圍從50-150平方毫米，單根最大連續(xù)長度40公里。
顧名思義，光電纜就是敷設于海底，集輸送電能和傳輸信號于一身的纜。它充分利用光纖傳輸信號不受制于電磁場干擾的特點，將若干光單元放置于光電纜電力芯間的空隙中，傳輸信息，實現通信和遠端控制。使本來需要在相同路由上敷設兩條纜變?yōu)榉笤O一條纜，既節(jié)約了建設成本，又壓縮了路由占據的海床空間。
目前光電纜大部分使用于工程項目，還未被社會公益部門（如電力、通信行業(yè)）采用，這也是由于行業(yè)職能分割的原因。
由于光電纜中電力纜芯重量重、外徑大，在生產、運輸、倒運、敷設和打撈過程中，會受到錯綜復雜的多因素機械外力的綜合作用。為了對海纜抗御外力綜合作用的能力有一個合理、客觀的評價，國際大電網會議自1972年開始，專門就此議題，組織小組研究，三易版本提出了試驗方法《Recommendationsformechanical tests on submarine cables 》，推薦各成員國參照使用。⑴
1試驗方法簡介
推薦的試驗方法包括七項試驗內容：海纜卷繞試驗；海纜張力彎曲試驗；海纜張力試驗和其他四項只適用于特定對象的試驗，下面只介紹前三個共性項目的試驗方法。
1.1海纜卷繞試驗
只對敷設或制造過程中會被卷繞的海纜適用。海纜長度至少保證海纜能卷繞8圈，長度中央至少含兩個軟接頭，兩個接頭端部間距離不少于可卷繞2圈。
卷繞要模擬海纜在制造、運輸中情況。制造商要確定最小卷繞半徑、卷繞方向和卷繞高度，卷繞試驗采用最小卷繞半徑。
卷繞中海纜有扭轉，卷繞前，沿海纜軸線標志一條平行線以檢驗卷繞中海纜扭轉的均勻性。海纜端部要固定，以防止端部扭轉。
卷繞高度以生產、轉運和敷設時高度為限。
卷繞沿相反方向重復進行幾次，和制造、運輸和敷設中預期的次數相一致。扭轉的均勻性以目測海纜表面標志線扭轉情況衡量。
海纜卷繞試驗示意圖
1.2海纜張力彎曲試驗
用來設計海纜敷設和正�；厥罩械某惺軓埩�。正常回收是指回收放在海床上的海纜或覆蓋物不超過海纜直徑的場合。
海纜端頭的處理要保證在遠離頭部的不同海纜組件上的最終張力等效于敷設過程中力的分配比例。
樣品長度最少30m，軟接頭與端部的距離至少為10m或5倍的鎧裝節(jié)距間的較大者。海纜繞在不大于敷設船上放線輪直徑的鼓輪上，光電纜和鼓輪接觸的長度至少為鎧裝線節(jié)距的兩倍，但不少于鼓輪圓周的一半。如試樣中包含一個以上接頭，接頭間距離至少為鼓輪的整個圓周。
依靠適當的裝置，包括軟接頭的海纜試樣在鼓輪上要歷經卷繞、伸直、卷繞共三次，期間不改變彎曲的方向。試驗張力計算公式為：
▲水深0-200米。試驗張力計算：
T=1.3*W*d+ 40W (1)
▲200米＜水深≤500米。
T=1.5*W*d (2)
其中：W=海纜海水中重量N/m。
d = 最大敷設深度，米。
試驗張力T大致園整到100N，施加張力要與計算張力一致。
海纜張力彎曲試驗示意圖
1.3海纜張力試驗
用來得到工程信息，評價海纜和接頭在承受大的張力時的基本特性。
試樣長度為50米，可另行取樣，試樣中央部位相距適當距離設置兩個標志。一個修理接頭必須包括在試樣中，接頭離端頭的距離不少于10m或5倍的鎧裝線節(jié)距間的最大者。端頭的處理同彎曲張力試驗要求。一個端頭必須固定，另一端處于可自由旋轉狀態(tài)。
試驗開始，海纜中的張力將增加直到值：To=50w 。 (3)
其中：w=海纜空氣中重量/ m 。
張力To等于全部長度試樣的重量，大致等于依靠一個合適裝置可使其保持平直的張力要求，允許其自由伸長和旋轉。加載15分鐘后，記錄下兩個標志間的長度，記為Lo。然后張力繼續(xù)增加到張力彎曲試驗中使用的數值并保持15分鐘。記錄標志間的長度為Lmax和自由端的旋轉數。然后張力減少到To,測量新的Lo’。如此周期重復3次。
每個周期計算下列相對伸長率：
海纜張力試驗示意圖
1.4試驗判定
上述試驗結束，對海纜包括軟接頭進行局部放電和耐電壓試驗，然后解剖檢查，目測導體、導體接頭、絕緣層、鉛套、鋼絲、護套等有無開裂或永久變形。
同時,對光單元中的光纖進行在線的衰減、附加衰減、應力應變等測量。
2試驗結果
2006年9月中天科技海纜有限公司（以下簡稱中天海纜）對生產的海底光電復合纜（用于中國海洋石油有限公司XX項目）樣品的機械、電氣及光纖性能進行了工廠試驗。
中海石油XX項目開發(fā)組業(yè)主及其專家（以下簡稱項目或項目組）一行多人，到江蘇南通市中天科技試驗現場見證試驗。提供試驗的光電纜的型號規(guī)格為ZS-YJQF41+OFC(1)-26/353×120+2×24B1。其中光單元光纖芯數比項目要求的光纖數增加了一倍，以便更好地檢測海底光電光電纜中的光單元性能。而且，兩個光單元分別為加內鎧裝鋼絲和不加內鎧裝鋼絲結構，以了解內鎧裝結構能否提高光單元抵御外力作用的能力？
試驗主要依據本文第一部分“試驗方法”中的規(guī)定進行，但張力試驗和張力彎曲試驗中的最大張力應XX項目組的要求分別增大到200kN和10OkN，而不是按照公式(1)計算而得的48kN。
待試驗的光電纜結構示意圖如下：
各項試驗結果如下：
2.1光電纜卷繞試驗
經過5次方向不同的卷繞試驗，光電纜旋轉均勻，每卷繞一圈，光電纜繞其自身軸線旋轉一周，并在反方向卷繞時回復、退扭。
卷繞后，48根光纖無一斷裂；光電纜解剖檢查，任何部件無一開裂或永久變形，完全符合試驗要求。
光電纜卷繞的最小卷繞半徑為3米，卷繞高度13米。
1、光電纜張力彎曲試驗
試樣取自經過卷繞試驗的光電纜，光電纜有效長度45米，內含一個軟接頭。試樣兩個端頭由鋼絲繩鎖定，并牽引受力。鋼絲繩夾角小于22度，拉力機拉力示值為204kN。
試驗彎曲鼓輪半徑為3米，光電纜在鼓論上包角超過180度。經過彎曲-拉直（-彎曲）三次，軟接頭在鼓輪上轉過的角度超過100度。
試驗后，包括軟接頭的光電纜試樣，在1.73Uo電壓下，局放試驗測出局放量小于5PC；直流耐壓104kV，15min，絕緣無擊穿。光電纜經解剖檢查，任何部件無一開裂或永久變形，完全符合試驗要求。
試驗中，通過對部分光纖的特殊連接，實現光纖光功率的在線檢測。測試窗口1550nm；測試結果為：光纖動態(tài)的光功率變化均小于0.026db。且有內鎧裝鋼絲的光單元，其光功率的動態(tài)變化要小于無內鎧裝的光單元，其差異的平均水平為0.015db左右。
2.2光電纜張力試驗
試樣未經過卷繞試驗，光電纜有效長度50米。試樣兩個端頭由專用夾具緊箍，保證光光電纜中各個組成部分能夠在拉力試驗中同步受力。光電纜兩個端頭分別與拉力試驗機的固定夾頭和可旋轉夾頭剛性連接。光電纜先后施加拉力為16、48、100kN，并在每個拉力點保持15分鐘，以便測量光電纜的伸長。光纖采取特殊連接，接入在線檢測儀器，同步測量光纖的光功率變化和應變量。
試驗結果是光電纜相對伸長量小于0.7%，光纖的光功率變化小于0.039db，光纖應變小于0.049%。與張力彎曲試驗的結果不同，帶內鎧裝鋼絲的光單元的變化量與無內鎧裝鋼絲的光單元相差無幾。
3兩種光單元結構在試驗中表現差異的理論分析
本文的著眼點是分析海底光電復合纜中光單元性能的變化，電力芯的各種性能表現不再贅述。
在光電纜張力彎曲試驗和光電纜張力試驗中，在線檢測光單元中光纖的光功率變化和光纖應變時發(fā)現：兩種光單元中的光纖的兩項性能都有程度不同的變化，但都沒有超過允許的限度；而且在張力彎曲試驗中,有鋼絲內鎧裝層的光單元的表現要好于無內鎧裝鋼絲的光單元。
如何解釋試驗中兩種光單元結構的動態(tài)表現差異？下面試作淺析：
3.1兩種光單元結構中光纖的動態(tài)性能變化存在，但都沒有超過行業(yè)中公認的判定限度，充分說明中天科技生產的海纜專用光單元是“得天獨厚”，擁有優(yōu)異的“消化外力侵襲”的空間和能力；⑵，⑶
3.2張力試驗中，由于光電纜處于直線拉伸狀態(tài)，光電纜兩端又有夾具緊箍，各組成部分基本同步受力，盡管光單元在光電纜中呈螺旋狀排列，但其伸長量還是基本一致，所以性能的變化相近，相差無幾；
3.3張力彎曲試驗中，由于光電纜和旋轉鼓輪的接觸長度大約在10680mm左右，相當于電力芯和光單元的成纜節(jié)距的4.75倍（不是整數倍）。由于光單元在光電纜中是螺旋狀排列的，會交替地處于彎曲外弧和彎曲內弧之間。所以在光電纜帶動鼓輪旋轉的過程中，光單元處于彎曲外弧和彎曲內弧的長度比例隨時間在周期性地變化。也就是外弧的伸長和內弧的壓縮不再時時相等，時而伸長大于壓縮，時而壓縮大于伸長，當然有時相等，致使光纖的應變不斷在變化，試驗數據已經充分證明了這一點。
3.4光電纜結構中光單元的排列處于電力芯的空隙中，外圓部分填充非剛性材料，在彎曲中，直接忍受側壓力的機會和程度不大。而且兩種結構的光單元，其無張力壓扁試驗數據表明，有內鎧裝鋼絲的光單元的壓扁系數還稍大于無內鎧裝鋼絲的光單元。顯然，不是由于側壓力的因素引起光單元中光纖相關性能的變化差異。
3.5張力彎曲試驗中光電纜的受力分析
3.5.1從受力圖中看到，處于彎曲弧長內的光電纜，其任意一個長度單元dl在靜態(tài)狀態(tài)下同時受到三個力的作用：兩個基本反向、絕對值相等的軸向拉力F和由此產生的鼓輪對它的正向壓力dN。
其中，dN = 2F*sin(dα/2) ≈ 2F*(dα/2) ⑴
3.5.2而在鼓輪旋轉狀態(tài)下，除了上述三個力外，在前進方向上還多了一個帶動鼓輪旋轉的圓周力dF。從理論力學的角度分析，在光電纜與鼓輪間開始“打滑”的瞬間，dF最大。此時，
dF = f*dN ⑵
dN = (2F+dF)*sin(dα/2) ≈ (2F+dF)*(dα/2) ⑶
3.5.3由于長度單元在彎曲弧長內所處的位置不同，根據力的傳遞關系，力F、dF、dN也是不同的。光電纜進入鼓輪處B點，力值最��；光電纜離開鼓輪處A點，力值最大。由于光電纜在鼓輪上有較大的包角α（本次試驗包角約在200°）,因此光電纜在受拉力的條件下，由拉力引起的鼓輪對光電纜產生的正壓力分解到單位長度上是不大的。
由此可見，光電纜在張力彎曲的試驗中，引起光纖性能動態(tài)變化的主要因素還是光電纜受到的軸向拉力。
4 張力彎曲試驗中光電纜受到的附加張力的估算
在本次張力彎曲試驗中，由于是對光電纜的直線牽引帶動了鼓輪和導向輪的旋轉（不管是朝哪個方向），因此，光電纜上的附加拉力只需要克服鼓輪和導向輪各自與中心軸之間的磨擦力矩。
本公司試驗設備的鼓輪軸孔-中心軸與導向輪軸孔-中心軸均采用鋼質材料加黃油潤滑，查資料其摩擦系數為0.05-0.10；兩輪的中心軸半徑分別為60、40mm；徑向正壓力按204kN核算�？捎嬎愠稣麄�輪系的摩擦力矩為：
Mc = 0.10×204×(60+40) = 2040kN-mm ⑷
鼓輪的半徑為3000mm；光電纜外徑為120mm。因此可計算出克服摩擦力矩的附加圓周力為：
Fc = Mc/(3000 + 60) = 0.666 kN ⑸
因此，在張力彎曲試驗中，光電纜軸向的最大拉力為：
Ft = 100kN + Fc = 100.666kN ⑹
5 結論
5.1試驗表明，兩種結構的光單元的動態(tài)性能在試驗中的變化是有差異的，有鋼絲內鎧裝層結構的光單元性能變化小于無內鎧裝結構的光單元；
5.2光單元性能的動態(tài)變化程度主要取決于其抵御張力作用的能力，尤其是抗局部張力作用的能力，而與光單元抗側壓能力的關聯度不大；
5.3中天科技海纜有限公司開發(fā)研制的鋼絲內鎧裝層結構的光單元，具有良好的動態(tài)性能，更適合用于海底光纜或光電纜；
5.4從海底光纜或光電光電纜技術要求的提升、使用環(huán)境的擴展趨勢著眼，帶有鋼絲內鎧裝層結構的光單元將成為海底光纜或海底光電光電纜結構單元的必然。
參考文獻
[1]CIGRA《Recommendationsfor mechanical tests on submarine cables 》
1997, Electra, Ref. No.:171,
[2]沉一春朱坤等《海底光纜用高強度、大長度單模光纖》
[3]《大長度海底光纜的生產》
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