松套层绞式微型光缆的研究与开发

　　16/09/2005,
作者：孙志雄 刘爱华 罗中平
（长飞光纤光缆有限公司, 湖北武汉，400073）
摘要：全介质松套层绞式微型光缆具有直径小、重量轻、分歧方便等优点，提高了光纤密度，加大了管道的利用率。本文阐述了层绞式微型光缆的设计思路，工艺要点和气吹性能。松套层绞式微型光缆，有4单元/5单元/6单元三种结构，最大直径不超过6.2mm，在10/8mm微管中可以一次吹送1公里以上。在减小松套管直径和光缆直径的情况下，微型光缆保持良好的机械性能及高低温性能，符合接入网的使用要求。
关键词：微型光缆；微管道；气吹光缆；全介质光缆；气吹敷设技术；气吹试验；气吹性能。

1引言
    接入网的建设既需要速度，还需要经济性和灵活性，不能照搬长途干线的模式［1］。为了降低光缆路由的基础设施费用，最大限度的利用子管和微管系统的资源，需要用一种新的小直径微型气吹光缆。
    全介质松套层绞式微型光缆GCYFTY-4～72Xn适用于10/8mm微管，其松套管是含有12芯光纤的微型松套管。与中心管式结构相比，松套层绞式微型光缆的特点是光纤容易识别和分歧，便于接续和施工［2］。本文讨论了这种微型光缆的设计思路，工艺要点，给出了性能测试和气吹试验结果。微型光缆外径小、成本低，可分批逐次布放在微管中，减少初期敷设的光缆芯数；也可随时抽换光缆，便于光纤升级换代。

2微管和气吹敷设技术简介
2.1微型硅芯管
    高密度聚乙烯（HDPE）硅芯管是由三台挤出机将HDPE树脂和硅胶塑料共挤出［3］，而形成一种内壁带有固体润滑层，外带彩色识别条纹的管道。硅胶塑料是一种新型功能性专用料，摩擦系数小，耐高温，对敷设光电缆有利。HDPE和硅胶塑料共挤出时复合成一体，不剥落，不分层。共挤出成型工艺已经国产化，国内硅芯管在光缆护套管上的应用、制作已经推广。微型硅芯管是指外径16mm以下的硅芯管。
2.2微管气吹敷设技术
    光缆管道气吹的施工方法已在我国多条干线光缆工程中普遍采用，但其施工方法均为在一根直径约40mm的硅芯管中不分缆径大小只吹送一条光缆［4］［5］，不但增加了初次投资而且不利于工程的分期建设。如果采用在一根直径为40mm的管道中先吹送若干微管，然后根据业务需要分次在微管中吹放微缆，这样既满足了目前光纤需要，也节省了初次投资［6］。这种技术突破了现有管道缆敷设技术的局限性，提高了管道的利用效率，有利于随时随地进行光缆分歧，易于平行和纵向扩容。
    气吹敷设技术是在机械输送机构的协助下，沿管道注入压缩空气把光缆推入管道。光缆随高速气流在管道内快速穿行，如同一根木头在湍流的河水中顺流而下［7］。即使微管左右弯曲，上下起伏，由于微管内壁摩擦系数极低，缆线前进时的所受的摩擦力也很小。气吹敷设技术的优点见文献［8］［9］［10］。

3微型光缆的设计
    中心管式微缆的所有光纤放在一根直径较粗的松套管里，用标识线加以识别。与之相比，松套层绞式微型光缆的特点是各根松套管里12根光纤自成一束，进接头盒后光纤有松套管的保护，容易识别和分歧，便于接续和施工。
    为了在减小管径的情况下能够保持适当的抗拉性能和高低温性能，必须仔细选用松管材料和改进挤出工艺以获得适当的光纤余长［11］［12］。尽管松套管直径减小了，层绞式光缆仍具有众所周知的优良性能，可以用于微型管道。文献［2］使用聚碳酸酯（PC）和聚对苯二甲酸二丁酯（PBT）开发出双层材料的微型松套管，以改善松套管的外形稳定性和后收缩性。文献［12］的研究表明：尼龙12（PA12）、HDPE摩擦系数小，适合用作微型气吹光缆的护套材料；虽然尼龙12的摩擦系数比HDPE小，但是在同等条件下，HDPE护套的微缆比尼龙12护套的微缆的气吹效果更好，HDPE更适合用作微缆的护套材料；无卤组燃材料（HFFR），阻燃PA12摩擦系数大，适合用作短距离气吹敷设的室内室外两用微型光缆的护套材料；为了保证气吹距离超过1000米，光缆的截面积不宜超过微管内孔截面积的60%。文献［13］［14］研究了用阻水纱填冲松套管间隙的全干式微缆，还比较了HDPE、改性MDPE、改性PA以及一种低收缩特殊材料的热变形性和后收缩性，以选择适用于松套管的材料。
    本文研究的微型光缆预计在10/8mm的微管中进行气吹敷设，并且一次气吹长度不低于1000米，按照光缆截面积不超过管道内孔截面积的60%的设计原则［12］，光缆的外径为6.2mm。为了包容更多的光纤，采用6单元72芯结构，护套厚度为0.5mm，可以推算出松套管的直径是1.7mm。按4单元/5单元/6单元绞合结构设计的松套层绞式微型光缆基本数据见表1。
表1：松套层绞式微型光缆设计

注：GCYFTY是松套层绞式微型光缆的光缆型号。“GCY”表示微型光缆。
根据以上分析，6单元松套层绞式微型光缆结构如下：

图1：6单元松套层绞式微型光缆截面图

4生产工艺
    松套层绞式微型光缆的生产沿用生产普通光缆的设备，但是必须选用优质的原材料，精确的控制生产工艺。在1.7mm的松套管中放置12根光纤，光缆能够在温度和应变变化中保持良好的光纤性能，其关键是控制光纤的余长在0.0%到0.10%范围以内。选用热变形性和后收缩性均较小的PBT作为生产松套管的材料。改进的挤出模具保证松套管的壁厚恰当，外径均匀，使光纤在微型松套管内径中能够取得最大的活动空间。纤膏压力，放线张力，收线张力，水温等工艺参数的优化保证松套管高速挤出，余长稳定。
    绞合工序中按照光纤束所容许的最小弯曲半径计算绞合节距，实际生产作一定的调整。最小的绞合节距能使光缆具有最大的应变裕度，在不考虑外加的加强件时，能够容许在一定的光缆应变下光纤不受到张力。但是在这个弯曲半径以下，光纤在-40℃的低温下会出现较大的附加损耗。在此工序中，还必须控制放线张力，扎纱节距，扎纱张力等参数。扎纱过紧会使松套管表面出现凹陷，严重的还会导致光纤弯曲，增加衰减。
在护层工序中，必须严格控制光缆外径的偏差。护套太薄，会出现开裂；护套太厚，会导致吹缆失败。HDPE护套模具沿用普通室外光缆模具的设计经验，加以适当的修改，以保证护套壁厚均匀园整，减小护套的后收缩。要注意填充油膏的量不可过多，避免增加光缆重量和直径。
5光缆性能
5.1机械性能
    4单元/5单元/6单元松套层绞式微型光缆都进行了机械性能试验，其主要机械性能见表2和表3。
表2：微缆的主要机械性能A

注：G表示1km光缆的重量，单位为牛顿（N）
表3：微缆的主要机械性能B

注：D表示光缆直径。
5.2渗水性能
    把1m水头加在1m微缆的一端全部截面上，保持1小时，另一端无水渗出。试验表明4单元/5单元/6单元松套层绞式微型光缆都达到了全截面阻水的要求。
5.3环境性能

图2：6根G.652光纤在1550nm的附加衰减

    温度循环试验在-40～+70℃范围内进行，每个温度点保持8小时，在1310nm 和1550nm两波长上进行了衰减监测。以+20℃测试的衰减为基准，其它各温度点的衰减与之的差值就是附加衰减。试验中所有光纤全部经过测试，结果表明单模光纤的附加衰减均不超过0.05dB/km，微型光缆可以在-40～+ 60℃温度下使用。以6单元松套层绞式微型光缆的温度循环试验为例，图2为在结果中随机抽取的6根G.652光纤在1550nm的附加衰减。
6气吹试验
    3根光缆在波立门特工程设备（上海）有限公司试验场进行了吹缆试验。试吹的条件和结果见表4。
表4：微缆气吹效果测试报告

    微管在场地上绕8圈，见图3。3根光缆吹缆的速度变化见图4，气吹长度均超过1000米，达到测试盘长的要求。用OTDR测试光纤的衰减，全部合格。测试完毕后，继续用吹缆机把微缆从微管中吹出来。用费加侬（Figarino）倒盘器收集吹出的微缆时，微缆平整无扭曲，效果良好。
图3：微管场地布置


图4：气吹速度与长度分析


7结论
    本文开发的是适用于10/8mm微管的松套层绞式微型光缆，有4单元/5单元/6单元三种结构，其松套管是含有12芯光纤的微型松套管。在减小松套管直径和光缆直径的情况下，微型光缆保持最佳的机械性能，高低温性能，符合接入网使用要求。
    今后的工作是研究新的松套管材料，阻水材料和护层材料的应用，进一步减小的松套管的直径［15］和微缆的重量。还要研究以小直径松套管为基础的GYTA，GYTS和ADSS光缆，满足不同敷设条件的需要。

参考文献
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[15] K. Nothofer, A. Weiss, “Enhanced Microduct Cable Designs”, 53rd IWCS (2004), pp.233-236.

作者简介：孙志雄，男，1970年8月生，1995年毕业于湖北工业大学化学工程系高分子材料成型加工专业，获工学硕士学位。现任长飞光纤光缆有限公司光缆部研发工程师，从事特种光缆研发工作。