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光缆护套在接头盒处回缩的原因探讨

内容提要:随着光通信业务的快速增长,以及电信运营商的合并重组完成和光缆价格的走低,光缆的应用日趋广泛,新建光缆线路越来越多,除了部分为省际和省内的核心干线网外,其中大多为接

随着光通信业务的快速增长,以及电信运营商的合并重组完成和光缆价格的走低,光缆的应用日趋广泛,新建光缆线路越来越多,除了部分为省际和省内的核心干线网外,其中大多为接入网线路。用户选择的接入网光缆一般为芯数小数量多的松套层绞光缆和芯数大距离短的光纤带光缆,绝大多数没有铠装护层,光缆的敷设也以管道和架空为主。

 

但由于目前市场上有的接头盒设计不当,加之施工时护套与接头盒固定不可靠,造成部分架空和管道线路经过一两年的运行后,光缆护套在接头盒处脱开而产生回缩,从而引起通信中断事故,给运营商带来了较大的经济损失,为此我们从光缆的生产、接头盒与护套的固定以及施工几个方面对护套回缩所造成的影响进行了分析研究,探寻解决护套回缩问题的方法。

 

光缆护套中的收缩应力对护套回缩的影响

接入网光缆在郊外或农村以架空敷设为主,在城市则大部分为管道敷设,在管孔和杆塔资源较紧张的情况下,有的借用电力杆塔线路架空敷设无金属光缆。接入网光缆一般采用无铠装的单护套结构,主要类型有A护套光缆(GYTA型)和S 护套光缆(GYTS 型),对于电力线路下架设的则为防强电的无金属Y 护套光缆(GYFTY 型)。

 

目前光缆护套所用的聚合物一般为黑色的聚乙烯,主要有中密度和高密度两种,护套的加工就是将聚乙烯颗粒经过挤塑设备和模具加热熔融挤制到缆芯表面,再经过水槽冷却定型而成。聚乙烯是一种高结晶性的聚合物,刚聚合时其结晶度高达80—90%,如果将熔融的聚乙烯经过冷却而使其温度降至玻璃化温度以下时,则冷后的聚乙烯就成为了非晶态,如果再遇到挤制的护套厚度较厚时,其内部的温度一时仍然不能达到玻璃化温度以下,护套中就有了聚乙烯晶体的存在,因此聚乙烯经过熔化、冷却而再结晶时,其结晶度一般只能达到50—60%,由于聚乙烯护套内为晶态和非晶态的分子混合体,晶态的分子比较稳定,而非晶态的分子性能则不太稳定,特别是对护套机械性能的影响较大,所以护套内就残存了一定的应力。

 

聚乙烯护套在加工冷却过程中都存在有一定的拉伸定向。由于拉伸定向一般发生在聚乙烯的熔点和玻璃化温度之间,因此拉伸定向的程度与所选用的挤塑模具、挤塑温度、生产线速度和冷却水温有关。

 

在拉伸比(由模具和所生产的产品尺寸决定)和挤塑温度一定的情况,生产速度越高则分子定向的程度越高;在加工温度和生产速度一定的情况下,拉伸比越大则分子定向的程度越高;不管拉伸的情况如何,冷却的速度越快则保持定向的程度就越高。如果分子定向的程度越高,而没有结晶或结晶度不高的产品就具有了较大的收缩应力。因此要消除护套的收缩应力就应适当控制分子的定向程度,提高聚乙烯护套的结晶度,实践证明消除护套的收缩应力关键是控制冷却的速率。

 

On condition of

在实际的护套加工过程中我们严格控制了加工温度和生产线速,尽量减少聚乙烯的拉伸,采用梯度冷却的方法,特别是第一节水槽的水温的控制,对于A 护套和S 护套的光缆,水温控制在40--50℃左右;对于易拉伸定向的Y 护套光缆,水温则控制在高达50--60℃范围内,并采取薄护套厚度分次挤塑的工艺来提高聚乙烯护套的结晶度,有效地降低了护套内的收缩应力。

 

对于护套内收缩应力的控制好坏主要表现在热收缩率的大小上,按照YD/T901-2001《层绞式通信用室外光缆》的规定可检测护套的热收缩率是否满足要求,表1 是对三种护套的取样测试结果,取样按YD/T837.3-1996 规定的方法进行。

 

护套的热收缩率测试结果

护套种类

试验条件和标准

试验结果

A

试验条件:115 度,4 小时

判断标准:热收缩≤5%为合格

0.8%

S

0.73%

Y

1.06%

从上表来看由于Y 护套没有金属带的支撑其热收缩率较A 护套和S 护套大,但是均远小于标准的要求。总之护套内收缩应力对护套回缩有一定的影响,但一般都可控制在标准的范围内。

 

接头盒内护套固定装置对护套回缩的影响

关于接头盒内护套的固定在 YD/T814-1996《光缆接头盒》中已有规定,要求接头盒内有用于光缆护套固定和光缆加强构件固定的固定装置,并且还有用于光缆接头盒本身及光缆接头盒与光缆护套之间的密封组件。

 

部分接头盒生产商在设计固定构件时,主要考虑了加强件的固定,而忽视了护套的固定,特别是受温度变化影响后护套固定的可靠性,这一点在接头盒的型式试验时就体现了出来。

 

按 YD/T814-1996《光缆接头盒》中的规定对接头盒进行拉力试验,将接头盒与光缆连接密封好后,在接头盒内充入60KPa 的气压,再在光缆轴向施加不小于1000N 的拉伸力,维持1 分钟,试验后气压应无变化才为合格。但是有的接头盒难以通过此项检测,主要反应在护套固定装置设计不合理,护套固定不可靠,在拉力的作用下产生滑移松动而漏气,以至试验失败。

 

2003 年8 月在南通召开的YD/T814-200x《光缆接头盒》标准的变更审查会上提出了将1000N 的拉伸力修改为800N,修改的原因主要是考虑到目前国内接头盒的水平,如果按1000N的力进行试验就有部分接头盒不满足标准要求,另外接头盒两端都有预留和伸缩弯一般不会受到大的拉力。当时就有不少光缆厂就此项修改提出了异议:首先接头盒所承受的最小拉力应不小于光缆的长期抗张力,其次如上述接头盒拉力试验的失败并不是加强件的固定和接头盒的承力问题,而是接头盒中的护套固定装置设计不可靠所造成的。常温下尚且如此,如果经过一定的高低温循环的热胀冷缩,可能会在更低的轴向拉力下护套就会发生滑动。为此会上还对护套的固定问题进行了讨论,由于对护套固定后所能承受的轴向拉力大小难以确定,只好笼统地描述为光缆护套的固定要牢固。

 

为了确定护套固定后所能承受的轴向拉力,我们对 A 护套、S 护套和Y 护套进行取样测试。去除了缆芯的护套样品其直径大约均为11mm 左右,然后夹在拉力机上进行拉伸,三种护套都是从800N 左右的拉力开始发生缩颈变形。当然对于不同直径不同护套厚度的光缆,其最小变形力可能会有不同,如果护套固定后所能承受的轴向拉力大于其最小变形力,那么该护套固定装置肯定是很可靠的。但是如果实际线路中接头盒两端有预留和伸缩弯,且受环境的影响也不大,在其护套固定后所能承受的轴向拉力即使小于其最小变形力,护套也会不发生回缩。因此要确定护套固定后承受多大的轴向拉力才能保证护套不回缩,应该具体情况具体分析。

 

我们收集了国内外几种光缆接头盒的护套固定装置并进行了一些试验,下面是试验的情况介绍。

 

图1 所示的为国内某接头盒使用的抱箍或螺纹槽夹片的护套固定装置,选用时需要与光缆直径相匹配,护套固定后所能承受的轴向拉力也与施工人员施力大小有直接联系,当装置与光缆直径不匹配时,施工人员施力太大易压扁套管造成光纤OTDR 曲线有台阶,衰减超标。施力太小而护套的固定又不可靠,经过两个温度循环(-40---+70℃)后,就能很轻易的将护套从固定装置中拉出,实际线路中使用该接头盒的因固定不可靠,有的只运行了一两年在接头盒处就发生了护套回缩的现象。

 

图1

 

图2

 

图2所示为国内某接头盒采用的含有小刺的夹片固定护套的装置,同样需要与光缆的直径相匹配,小刺的高度为1mm 左右,夹持护套时不会刺穿护套而伤及套管(护套厚度一般为1.8—2.0mm),施工人员施力的大小及环境温度的变化对护套固定后的轴向拉力影响不大,轴向拉力的大小与夹片的宽度及小刺的数量有关。

 

我们用宽度为 20mm 的夹片固定直径为11mm 左右的光缆,测其护套固定后的轴向拉力,当拉力到870N 时护套才开始缩颈变形,而护套在夹片下还没有滑动,见图3 所示。由于护套固定后所能承受的轴向拉力大于其最小变形力,因此该护套固定装置可靠无疑。在实际使用该接头盒的线路中,运行了两三年都没有发现有护套回缩的现象。

 

图3

 

图4

 

图4所示为国外某接头盒内的护套及加强芯的固定装置,其护套的固定也采用了带小刺的夹片,小刺的高度在1—1.2mm 内。该装置与图2 相比,其优点为它有一对调节螺杆,可适用于不同的光缆直径,施工更为方便。

 

我们取两根长 15 米直径为20mm 左右的A 护套光纤带光缆,一根两端安装该固定装置,另一根不装,放置到高低温箱中进行为期一周的温差高达110℃的较严酷的循环试验,取出后发现没有安装固定装置的护套受收缩应力的影响而回缩了1%左右,而安装了该固定装置的,没有发现护套滑移和回缩。

 

通过上述试验比较可以看出:接头盒的护套固定装置对护套的回缩影响较大,不合理不匹配的护套固定装置容易造成护套的回缩,严重的甚至造成护套从接头盒中脱出。而科学合理的护套固定装置既方便施工又能牢固地固定护套,防止护套发生回缩。

 

施工对护套回缩的影响

光缆敷设时如果不是牵引加强芯而是直接牵引护套,就会致使光缆护套受张力而被拉伸,有的光缆在敷设完成后甚至发生缆芯缩进护套内的现象,这样一来在光缆护套内就残留了较大的收缩应力。此时如果立即安装接头盒,就很容易造成在安装完成后一定时间内,护套在收缩应力的作用下脱开接头固定装置而回缩。对于这种情况应不要急于安装接头盒,应剪掉端头拉伸较严重的几米,放置三天以上待应力消除后,再安装接头盒。

 

对于架空和管道敷设的光缆,特别是架设在电力线下的无金属 Y 护套光缆(GYFTY),受温度、风等自然环境影响很大,光缆要受到一定的拉伸、摇摆等机械应力和热胀冷缩的收缩应力,因此在光缆敷设连接时要有盘绕预留或做伸缩弯,以消除这些应力特别是收缩应力的影响,前面所述接头盒标准要将拉伸力从1000N 改为800N 就是考虑了这一因素。

 

而实际线路工程中,有的施工人员在接头盒两端没有考虑盘绕预留或做伸缩弯,在机械应力和热胀冷缩的收缩应力作用下造成护套从接头盒中脱出,而使护套在没有固定的情况下发生自由收缩。如图5 所示,在护套与接头盒脱出的一侧(左侧),光缆没有盘绕预留或做伸缩弯。

图5

图6

 

从目前接头盒处护套回缩的样品来看,接头盒处护套的固定不牢固是护套回缩的主要原因,这里有接头盒护套固定装置设计不合理的原因,也有施工过程中接头盒护套固定夹具尺寸与光缆直径不匹配的因素。当夹具尺寸较光缆直径大时,就在护套上缠绕普通的绝缘胶带来固定(如图6),由于胶带较软,受温度变化影响易发生老化,夹具根本对护套起不到较好的固定作用;当夹具尺寸较光缆直径小时,由于夹紧了会使套管压扁,光纤衰减超标,所以只好夹松一些,但夹松了同样对护套固定不了,经过一段时间后护套脱开接头盒而发生回缩。

 

另外接头盒的选择和固定也很重要,我们发现发生护套脱出的接头盒基本上是卧式的接头盒,而且这些接头盒都是直接通过挂钩挂在钢绞线上,受风摆等外力的影响较大,如果没有盘绕预留或做伸缩弯,护套回缩的可能性就比较大。因此对于风力和温差较大的地方,接头盒最好固定到线杆上,如果使用立式的接头盒,对防止护套的回缩可能会更好一些,不过要注意立式接头盒内盘留光纤的固定,防止光纤松散零乱而造成接头损耗的增加。

 

结束语

光缆护套在接头盒处发生回缩的原因较多,有的可能是几种因素综合到一起而产生的。但是我们认为接头盒处护套的固定是关键,这里涉及到接头盒的合理设计,接头盒安装的方便性和可靠性。当然对于光缆的生产企业来说应努力减小护套内的收缩应力,对于施工方也应严格按规范施工光缆和安装接头盒。

 

作为运营商对这一问题应该引起重视,因为这一问题不是马上就能发现,而往往是在一两年后才出现。所以在线路的建设初期就应做好接头盒的选择,施工的监理等,切实有效地防止光缆护套在接头盒处发生回缩。