（中天科技海缆有限公司江苏·南通 226010）

摘要：海底光电复合缆是海缆家属中的新宠儿，已经得到沿海地区用户，尤其是海洋资源开发行业的青睐。光电复合缆中的光单元是在用户之间传输信息的核心部分，其光学、机械性能，尤其是动态性能的变化是衡量光电复合缆质量的关键指标，本文通过光电复合缆实样的试验，比较了两种结构光单元的光学、机械性能的动态变化，通过必要的理论分析，从而说明有钢丝内铠装层的光单元将成为海底光电复合缆中首选光单元结构的必然。

关键词：海底光电复合缆 机械性能 光单元内铠装

0引言

随着海洋经济的蓬勃发展,海底光电复合缆（以下简称光电缆）这个线缆家属中的新宠儿绽露头角,就得到了用户的推崇。最近几年深得用户，尤其是海洋资源开发行业的青睐，市场容量日益增加。仅2006年，进入或计划进入招投标程序的光电缆就达200公里（纯海底电缆只有100公里，已经少于光电缆）。光电缆电力芯截面范围从50-150平方毫米，单根最大连续长度40公里。

顾名思义，光电缆就是敷设于海底，集输送电能和传输信号于一身的缆。它充分利用光纤传输信号不受制于电磁场干扰的特点，将若干光单元放置于光电缆电力芯间的空隙中，传输信息，实现通信和远端控制。使本来需要在相同路由上敷设两条缆变为敷设一条缆，既节约了建设成本，又压缩了路由占据的海床空间。

目前光电缆大部分使用于工程项目，还未被社会公益部门（如电力、通信行业）采用，这也是由于行业职能分割的原因。

由于光电缆中电力缆芯重量重、外径大，在生产、运输、倒运、敷设和打捞过程中，会受到错综复杂的多因素机械外力的综合作用。为了对海缆抗御外力综合作用的能力有一个合理、客观的评价，国际大电网会议自1972年开始，专门就此议题，组织小组研究，三易版本提出了试验方法《Recommendationsformechanical tests on submarine cables 》，推荐各成员国参照使用。⑴

1试验方法简介

推荐的试验方法包括七项试验内容：海缆卷绕试验；海缆张力弯曲试验；海缆张力试验和其他四项只适用于特定对象的试验，下面只介绍前三个共性项目的试验方法。

1.1海缆卷绕试验

只对敷设或制造过程中会被卷绕的海缆适用。海缆长度至少保证海缆能卷绕8圈，长度中央至少含两个软接头，两个接头端部间距离不少于可卷绕2圈。

卷绕要模拟海缆在制造、运输中情况。制造商要确定最小卷绕半径、卷绕方向和卷绕高度，卷绕试验采用最小卷绕半径。

卷绕中海缆有扭转，卷绕前，沿海缆轴线标志一条平行线以检验卷绕中海缆扭转的均匀性。海缆端部要固定，以防止端部扭转。

卷绕高度以生产、转运和敷设时高度为限。

卷绕沿相反方向重复进行几次，和制造、运输和敷设中预期的次数相一致。扭转的均匀性以目测海缆表面标志线扭转情况衡量。

海缆卷绕试验示意图

1.2海缆张力弯曲试验

用来设计海缆敷设和正常回收中的承受张力。正常回收是指回收放在海床上的海缆或覆盖物不超过海缆直径的场合。

海缆端头的处理要保证在远离头部的不同海缆组件上的最终张力等效于敷设过程中力的分配比例。

样品长度最少30m，软接头与端部的距离至少为10m或5倍的铠装节距间的较大者。海缆绕在不大于敷设船上放线轮直径的鼓轮上，光电缆和鼓轮接触的长度至少为铠装线节距的两倍，但不少于鼓轮圆周的一半。如试样中包含一个以上接头，接头间距离至少为鼓轮的整个圆周。

依靠适当的装置，包括软接头的海缆试样在鼓轮上要历经卷绕、伸直、卷绕共三次，期间不改变弯曲的方向。试验张力计算公式为：

▲水深0-200米。试验张力计算：

T=1.3*W*d+ 40W (1)

▲200米＜水深≤500米。

T=1.5*W*d (2)

其中：W=海缆海水中重量N/m。

d = 最大敷设深度，米。

试验张力T大致园整到100N，施加张力要与计算张力一致。

海缆张力弯曲试验示意图

1.3海缆张力试验

用来得到工程信息，评价海缆和接头在承受大的张力时的基本特性。

试样长度为50米，可另行取样，试样中央部位相距适当距离设置两个标志。一个修理接头必须包括在试样中，接头离端头的距离不少于10m或5倍的铠装线节距间的最大者。端头的处理同弯曲张力试验要求。一个端头必须固定，另一端处于可自由旋转状态。

试验开始，海缆中的张力将增加直到值：To=50w 。 (3)

其中：w=海缆空气中重量/ m 。

张力To等于全部长度试样的重量，大致等于依靠一个合适装置可使其保持平直的张力要求，允许其自由伸长和旋转。加载15分钟后，记录下两个标志间的长度，记为Lo。然后张力继续增加到张力弯曲试验中使用的数值并保持15分钟。记录标志间的长度为Lmax和自由端的旋转数。然后张力减少到To,测量新的Lo’。如此周期重复3次。

每个周期计算下列相对伸长率：

海缆张力试验示意图

1.4试验判定

上述试验结束，对海缆包括软接头进行局部放电和耐电压试验，然后解剖检查，目测导体、导体接头、绝缘层、铅套、钢丝、护套等有无开裂或永久变形。

同时,对光单元中的光纤进行在线的衰减、附加衰减、应力应变等测量。

2试验结果

2006年9月中天科技海缆有限公司（以下简称中天海缆）对生产的海底光电复合缆（用于中国海洋石油有限公司XX项目）样品的机械、电气及光纤性能进行了工厂试验。

中海石油XX项目开发组业主及其专家（以下简称项目或项目组）一行多人，到江苏南通市中天科技试验现场见证试验。提供试验的光电缆的型号规格为ZS-YJQF41+OFC(1)-26/353×120+2×24B1。其中光单元光纤芯数比项目要求的光纤数增加了一倍，以便更好地检测海底光电光电缆中的光单元性能。而且，两个光单元分别为加内铠装钢丝和不加内铠装钢丝结构，以了解内铠装结构能否提高光单元抵御外力作用的能力？

试验主要依据本文第一部分“试验方法”中的规定进行，但张力试验和张力弯曲试验中的最大张力应XX项目组的要求分别增大到200kN和10OkN，而不是按照公式(1)计算而得的48kN。

待试验的光电缆结构示意图如下：

各项试验结果如下：

2.1光电缆卷绕试验

经过5次方向不同的卷绕试验，光电缆旋转均匀，每卷绕一圈，光电缆绕其自身轴线旋转一周，并在反方向卷绕时回复、退扭。

卷绕后，48根光纤无一断裂；光电缆解剖检查，任何部件无一开裂或永久变形，完全符合试验要求。

光电缆卷绕的最小卷绕半径为3米，卷绕高度13米。

1、光电缆张力弯曲试验

试样取自经过卷绕试验的光电缆，光电缆有效长度45米，内含一个软接头。试样两个端头由钢丝绳锁定，并牵引受力。钢丝绳夹角小于22度，拉力机拉力示值为204kN。

试验弯曲鼓轮半径为3米，光电缆在鼓论上包角超过180度。经过弯曲-拉直（-弯曲）三次，软接头在鼓轮上转过的角度超过100度。

试验后，包括软接头的光电缆试样，在1.73Uo电压下，局放试验测出局放量小于5PC；直流耐压104kV，15min，绝缘无击穿。光电缆经解剖检查，任何部件无一开裂或永久变形，完全符合试验要求。

试验中，通过对部分光纤的特殊连接，实现光纤光功率的在线检测。测试窗口1550nm；测试结果为：光纤动态的光功率变化均小于0.026db。且有内铠装钢丝的光单元，其光功率的动态变化要小于无内铠装的光单元，其差异的平均水平为0.015db左右。

2.2光电缆张力试验

试样未经过卷绕试验，光电缆有效长度50米。试样两个端头由专用夹具紧箍，保证光光电缆中各个组成部分能够在拉力试验中同步受力。光电缆两个端头分别与拉力试验机的固定夹头和可旋转夹头刚性连接。光电缆先后施加拉力为16、48、100kN，并在每个拉力点保持15分钟，以便测量光电缆的伸长。光纤采取特殊连接，接入在线检测仪器，同步测量光纤的光功率变化和应变量。

试验结果是光电缆相对伸长量小于0.7%，光纤的光功率变化小于0.039db，光纤应变小于0.049%。与张力弯曲试验的结果不同，带内铠装钢丝的光单元的变化量与无内铠装钢丝的光单元相差无几。

3两种光单元结构在试验中表现差异的理论分析

本文的着眼点是分析海底光电复合缆中光单元性能的变化，电力芯的各种性能表现不再赘述。

在光电缆张力弯曲试验和光电缆张力试验中，在线检测光单元中光纤的光功率变化和光纤应变时发现：两种光单元中的光纤的两项性能都有程度不同的变化，但都没有超过允许的限度；而且在张力弯曲试验中,有钢丝内铠装层的光单元的表现要好于无内铠装钢丝的光单元。

如何解释试验中两种光单元结构的动态表现差异？下面试作浅析：

3.1两种光单元结构中光纤的动态性能变化存在，但都没有超过行业中公认的判定限度，充分说明中天科技生产的海缆专用光单元是“得天独厚”，拥有优异的“消化外力侵袭”的空间和能力；⑵，⑶

3.2张力试验中，由于光电缆处于直线拉伸状态，光电缆两端又有夹具紧箍，各组成部分基本同步受力，尽管光单元在光电缆中呈螺旋状排列，但其伸长量还是基本一致，所以性能的变化相近，相差无几；

3.3张力弯曲试验中，由于光电缆和旋转鼓轮的接触长度大约在10680mm左右，相当于电力芯和光单元的成缆节距的4.75倍（不是整数倍）。由于光单元在光电缆中是螺旋状排列的，会交替地处于弯曲外弧和弯曲内弧之间。所以在光电缆带动鼓轮旋转的过程中，光单元处于弯曲外弧和弯曲内弧的长度比例随时间在周期性地变化。也就是外弧的伸长和内弧的压缩不再时时相等，时而伸长大于压缩，时而压缩大于伸长，当然有时相等，致使光纤的应变不断在变化，试验数据已经充分证明了这一点。

3.4光电缆结构中光单元的排列处于电力芯的空隙中，外圆部分填充非刚性材料，在弯曲中，直接忍受侧压力的机会和程度不大。而且两种结构的光单元，其无张力压扁试验数据表明，有内铠装钢丝的光单元的压扁系数还稍大于无内铠装钢丝的光单元。显然，不是由于侧压力的因素引起光单元中光纤相关性能的变化差异。

3.5张力弯曲试验中光电缆的受力分析

3.5.1从受力图中看到，处于弯曲弧长内的光电缆，其任意一个长度单元dl在静态状态下同时受到三个力的作用：两个基本反向、绝对值相等的轴向拉力F和由此产生的鼓轮对它的正向压力dN。

其中，dN = 2F*sin(dα/2) ≈ 2F*(dα/2) ⑴

3.5.2而在鼓轮旋转状态下，除了上述三个力外，在前进方向上还多了一个带动鼓轮旋转的圆周力dF。从理论力学的角度分析，在光电缆与鼓轮间开始“打滑”的瞬间，dF最大。此时，

dF = f*dN ⑵

dN = (2F+dF)*sin(dα/2) ≈ (2F+dF)*(dα/2) ⑶

3.5.3由于长度单元在弯曲弧长内所处的位置不同，根据力的传递关系，力F、dF、dN也是不同的。光电缆进入鼓轮处B点，力值最小；光电缆离开鼓轮处A点，力值最大。由于光电缆在鼓轮上有较大的包角α（本次试验包角约在200°）,因此光电缆在受拉力的条件下，由拉力引起的鼓轮对光电缆产生的正压力分解到单位长度上是不大的。

由此可见，光电缆在张力弯曲的试验中，引起光纤性能动态变化的主要因素还是光电缆受到的轴向拉力。

4 张力弯曲试验中光电缆受到的附加张力的估算

在本次张力弯曲试验中，由于是对光电缆的直线牵引带动了鼓轮和导向轮的旋转（不管是朝哪个方向），因此，光电缆上的附加拉力只需要克服鼓轮和导向轮各自与中心轴之间的磨擦力矩。

本公司试验设备的鼓轮轴孔-中心轴与导向轮轴孔-中心轴均采用钢质材料加黄油润滑，查资料其摩擦系数为0.05-0.10；两轮的中心轴半径分别为60、40mm；径向正压力按204kN核算。可计算出整个轮系的摩擦力矩为：

Mc = 0.10×204×(60+40) = 2040kN-mm ⑷

鼓轮的半径为3000mm；光电缆外径为120mm。因此可计算出克服摩擦力矩的附加圆周力为：

Fc = Mc/(3000 + 60) = 0.666 kN ⑸

因此，在张力弯曲试验中，光电缆轴向的最大拉力为：

Ft = 100kN + Fc = 100.666kN ⑹

5 结论

5.1试验表明，两种结构的光单元的动态性能在试验中的变化是有差异的，有钢丝内铠装层结构的光单元性能变化小于无内铠装结构的光单元；

5.2光单元性能的动态变化程度主要取决于其抵御张力作用的能力，尤其是抗局部张力作用的能力，而与光单元抗侧压能力的关联度不大；

5.3中天科技海缆有限公司开发研制的钢丝内铠装层结构的光单元，具有良好的动态性能，更适合用于海底光缆或光电缆；

5.4从海底光缆或光电光电缆技术要求的提升、使用环境的扩展趋势着眼，带有钢丝内铠装层结构的光单元将成为海底光缆或海底光电光电缆结构单元的必然。

参考文献

[1]CIGRA《Recommendationsfor mechanical tests on submarine cables 》

1997, Electra, Ref. No.:171,

[2]沉一春朱坤等《海底光缆用高强度、大长度单模光纤》

[3]《大长度海底光缆的生产》