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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(fù)合纜是海纜家屬中的新寵兒，已經(jīng)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(fù)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(xué)、機(jī)械性能，尤其是動態(tài)性能的變化是衡量光電復(fù)合纜質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，本文通過光電復(fù)合纜實(shí)樣的試驗(yàn)，比較了兩種結(jié)構(gòu)光單元的光學(xué)、機(jī)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(nèi)鎧裝層的光單元將成為海底光電復(fù)合纜中首選光單元結(jié)構(gòu)的必然。
關(guān)鍵詞：海底光電復(fù)合纜 機(jī)械性能 光單元內(nèi)鎧裝
0引言
隨著海洋經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展,海底光電復(fù)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(jìn)入或計(jì)劃進(jìn)入招投標(biāo)程序的光電纜就達(dá)200公里（純海底電纜只有100公里，已經(jīng)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(shè)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)通信和遠(yuǎn)端控制。使本來需要在相同路由上敷設(shè)兩條纜變?yōu)榉笤O(shè)一條纜，既節(jié)約了建設(shè)成本，又壓縮了路由占據(jù)的海床空間。
目前光電纜大部分使用于工程項(xiàng)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(chǎn)、運(yùn)輸、倒運(yùn)、敷設(shè)和打撈過程中，會受到錯綜復(fù)雜的多因素機(jī)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(wǎng)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(yàn)方法《Recommendationsformechanical tests on submarine cables 》，推薦各成員國參照使用。⑴
1試驗(yàn)方法簡介
推薦的試驗(yàn)方法包括七項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容：海纜卷繞試驗(yàn)；海纜張力彎曲試驗(yàn)；海纜張力試驗(yàn)和其他四項(xiàng)只適用于特定對象的試驗(yàn)，下面只介紹前三個共性項(xiàng)目的試驗(yàn)方法。
1.1海纜卷繞試驗(yàn)
只對敷設(shè)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(yùn)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(yàn)采用最小卷繞半徑。
卷繞中海纜有扭轉(zhuǎn)，卷繞前，沿海纜軸線標(biāo)志一條平行線以檢驗(yàn)卷繞中海纜扭轉(zhuǎn)的均勻性。海纜端部要固定，以防止端部扭轉(zhuǎn)。
卷繞高度以生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)和敷設(shè)時高度為限。
卷繞沿相反方向重復(fù)進(jìn)行幾次，和制造、運(yùn)輸和敷設(shè)中預(yù)期的次數(shù)相一致。扭轉(zhuǎn)的均勻性以目測海纜表面標(biāo)志線扭轉(zhuǎn)情況衡量。
海纜卷繞試驗(yàn)示意圖
1.2海纜張力彎曲試驗(yàn)
用來設(shè)計(jì)海纜敷設(shè)和正常回收中的承受張力。正�；厥帐侵富厥辗旁诤４采系暮＠|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(yuǎn)離頭部的不同海纜組件上的最終張力等效于敷設(shè)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(shè)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(dāng)?shù)难b置，包括軟接頭的海纜試樣在鼓輪上要?dú)v經(jīng)卷繞、伸直、卷繞共三次，期間不改變彎曲的方向。試驗(yàn)張力計(jì)算公式為：
▲水深0-200米。試驗(yàn)張力計(jì)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(shè)深度，米。
試驗(yàn)張力T大致園整到100N，施加張力要與計(jì)算張力一致。
海纜張力彎曲試驗(yàn)示意圖
1.3海纜張力試驗(yàn)
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(dāng)距離設(shè)置兩個標(biāo)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(yàn)要求。一個端頭必須固定，另一端處于可自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
試驗(yàn)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(zhuǎn)。加載15分鐘后，記錄下兩個標(biāo)志間的長度，記為Lo。然后張力繼續(xù)增加到張力彎曲試驗(yàn)中使用的數(shù)值并保持15分鐘。記錄標(biāo)志間的長度為Lmax和自由端的旋轉(zhuǎn)數(shù)。然后張力減少到To,測量新的Lo’。如此周期重復(fù)3次。
每個周期計(jì)算下列相對伸長率：
海纜張力試驗(yàn)示意圖
1.4試驗(yàn)判定
上述試驗(yàn)結(jié)束，對海纜包括軟接頭進(jìn)行局部放電和耐電壓試驗(yàn)，然后解剖檢查，目測導(dǎo)體、導(dǎo)體接頭、絕緣層、鉛套、鋼絲、護(hù)套等有無開裂或永久變形。
同時,對光單元中的光纖進(jìn)行在線的衰減、附加衰減、應(yīng)力應(yīng)變等測量。
2試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)的海底光電復(fù)合纜（用于中國海洋石油有限公司XX項(xiàng)目）樣品的機(jī)械、電氣及光纖性能進(jìn)行了工廠試驗(yàn)。
中海石油XX項(xiàng)目開發(fā)組業(yè)主及其專家（以下簡稱項(xiàng)目或項(xiàng)目組）一行多人，到江蘇南通市中天科技試驗(yàn)現(xiàn)場見證試驗(yàn)。提供試驗(yàn)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(shù)比項(xiàng)目要求的光纖數(shù)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(nèi)鎧裝鋼絲和不加內(nèi)鎧裝鋼絲結(jié)構(gòu)，以了解內(nèi)鎧裝結(jié)構(gòu)能否提高光單元抵御外力作用的能力？
試驗(yàn)主要依據(jù)本文第一部分“試驗(yàn)方法”中的規(guī)定進(jìn)行，但張力試驗(yàn)和張力彎曲試驗(yàn)中的最大張力應(yīng)XX項(xiàng)目組的要求分別增大到200kN和10OkN，而不是按照公式(1)計(jì)算而得的48kN。
待試驗(yàn)的光電纜結(jié)構(gòu)示意圖如下：
各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果如下：
2.1光電纜卷繞試驗(yàn)
經(jīng)過5次方向不同的卷繞試驗(yàn)，光電纜旋轉(zhuǎn)均勻，每卷繞一圈，光電纜繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)一周，并在反方向卷繞時回復(fù)、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(yàn)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(yàn)
試樣取自經(jīng)過卷繞試驗(yàn)的光電纜，光電纜有效長度45米，內(nèi)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(jī)拉力示值為204kN。
試驗(yàn)彎曲鼓輪半徑為3米，光電纜在鼓論上包角超過180度。經(jīng)過彎曲-拉直（-彎曲）三次，軟接頭在鼓輪上轉(zhuǎn)過的角度超過100度。
試驗(yàn)后，包括軟接頭的光電纜試樣，在1.73Uo電壓下，局放試驗(yàn)測出局放量小于5PC；直流耐壓104kV，15min，絕緣無擊穿。光電纜經(jīng)解剖檢查，任何部件無一開裂或永久變形，完全符合試驗(yàn)要求。
試驗(yàn)中，通過對部分光纖的特殊連接，實(shí)現(xiàn)光纖光功率的在線檢測。測試窗口1550nm；測試結(jié)果為：光纖動態(tài)的光功率變化均小于0.026db。且有內(nèi)鎧裝鋼絲的光單元，其光功率的動態(tài)變化要小于無內(nèi)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(yàn)
試樣未經(jīng)過卷繞試驗(yàn)，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(yàn)中同步受力。光電纜兩個端頭分別與拉力試驗(yàn)機(jī)的固定夾頭和可旋轉(zhuǎn)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(diǎn)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(yīng)變量。
試驗(yàn)結(jié)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(yīng)變小于0.049%。與張力彎曲試驗(yàn)的結(jié)果不同，帶內(nèi)鎧裝鋼絲的光單元的變化量與無內(nèi)鎧裝鋼絲的光單元相差無幾。
3兩種光單元結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中表現(xiàn)差異的理論分析
本文的著眼點(diǎn)是分析海底光電復(fù)合纜中光單元性能的變化，電力芯的各種性能表現(xiàn)不再贅述。
在光電纜張力彎曲試驗(yàn)和光電纜張力試驗(yàn)中，在線檢測光單元中光纖的光功率變化和光纖應(yīng)變時發(fā)現(xiàn)：兩種光單元中的光纖的兩項(xiàng)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(yàn)中,有鋼絲內(nèi)鎧裝層的光單元的表現(xiàn)要好于無內(nèi)鎧裝鋼絲的光單元。
如何解釋試驗(yàn)中兩種光單元結(jié)構(gòu)的動態(tài)表現(xiàn)差異？下面試作淺析：
3.1兩種光單元結(jié)構(gòu)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(rèn)的判定限度，充分說明中天科技生產(chǎn)的海纜專用光單元是“得天獨(dú)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(yàn)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(yàn)中，由于光電纜和旋轉(zhuǎn)鼓輪的接觸長度大約在10680mm左右，相當(dāng)于電力芯和光單元的成纜節(jié)距的4.75倍（不是整數(shù)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(nèi)弧之間。所以在光電纜帶動鼓輪旋轉(zhuǎn)的過程中，光單元處于彎曲外弧和彎曲內(nèi)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(nèi)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(dāng)然有時相等，致使光纖的應(yīng)變不斷在變化，試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)充分證明了這一點(diǎn)。
3.4光電纜結(jié)構(gòu)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(cè)壓力的機(jī)會和程度不大。而且兩種結(jié)構(gòu)的光單元，其無張力壓扁試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，有內(nèi)鎧裝鋼絲的光單元的壓扁系數(shù)還稍大于無內(nèi)鎧裝鋼絲的光單元。顯然，不是由于側(cè)壓力的因素引起光單元中光纖相關(guān)性能的變化差異。
3.5張力彎曲試驗(yàn)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(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)狀態(tài)下，除了上述三個力外，在前進(jìn)方向上還多了一個帶動鼓輪旋轉(zhuǎn)的圓周力dF。從理論力學(xué)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(nèi)所處的位置不同，根據(jù)力的傳遞關(guān)系，力F、dF、dN也是不同的。光電纜進(jìn)入鼓輪處B點(diǎn)，力值最�。还怆娎|離開鼓輪處A點(diǎn)，力值最大。由于光電纜在鼓輪上有較大的包角α（本次試驗(yàn)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(chǎn)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(yàn)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(yàn)中光電纜受到的附加張力的估算
在本次張力彎曲試驗(yàn)中，由于是對光電纜的直線牽引帶動了鼓輪和導(dǎo)向輪的旋轉(zhuǎn)（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(dǎo)向輪各自與中心軸之間的磨擦力矩。
本公司試驗(yàn)設(shè)備的鼓輪軸孔-中心軸與導(dǎo)向輪軸孔-中心軸均采用鋼質(zhì)材料加黃油潤滑，查資料其摩擦系數(shù)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�(jì)算出整個輪系的摩擦力矩為：
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(jì)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(yàn)中，光電纜軸向的最大拉力為：
Ft = 100kN + Fc = 100.666kN ⑹
5 結(jié)論
5.1試驗(yàn)表明，兩種結(jié)構(gòu)的光單元的動態(tài)性能在試驗(yàn)中的變化是有差異的，有鋼絲內(nèi)鎧裝層結(jié)構(gòu)的光單元性能變化小于無內(nèi)鎧裝結(jié)構(gòu)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(cè)壓能力的關(guān)聯(lián)度不大；
5.3中天科技海纜有限公司開發(fā)研制的鋼絲內(nèi)鎧裝層結(jié)構(gòu)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(shù)要求的提升、使用環(huán)境的擴(kuò)展趨勢著眼，帶有鋼絲內(nèi)鎧裝層結(jié)構(gòu)的光單元將成為海底光纜或海底光電光電纜結(jié)構(gòu)單元的必然。
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