一、 概述

    在我國，光纖通信從70年代末開始運用，到現(xiàn)在已有20年有余，尤其是近年來，光纖光纜的大規(guī)模采用，更為顯著，一方面因為3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋建設(shè)、FTTX網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模推廣以及IPTV網(wǎng)絡(luò)在城市的試點開展，另一方面運營商業(yè)務(wù)容量的急速膨脹，以及不斷開發(fā)出豐富且多樣性的業(yè)務(wù)內(nèi)容，同時，運營商隨著城市化的發(fā)展而不斷地建設(shè)并完善其基礎(chǔ)物理光纖網(wǎng)絡(luò)，既有其發(fā)展的必要性，又有其保持競爭地位的需要。因此，來自基礎(chǔ)建設(shè)和業(yè)務(wù)發(fā)展這兩方面的大量需求，直接導(dǎo)致了運營商對光纖光纜需求的快速增長，例如：2009年相對2008年市場需求的增長率高達100%，用量達到8000萬纖芯公里以上。但是用于敷設(shè)光纜的城市地下管網(wǎng)資源在相當長的一段時間內(nèi)和一定空間范圍內(nèi)的增加又是有限的，并且具有獨占性和稀缺的特點。而光纖帶光纖光纜具有光纖密度大，光纜外徑小，易于敷設(shè)等特點，較好地解決了運營商發(fā)展的需要與面臨城市地下管網(wǎng)不足的矛盾。這些年來，運營商對光纖帶光纜的運用也越來越普遍，運用的地域也越來越廣泛，運營的網(wǎng)絡(luò)層次也由核心層逐步向重點接入層擴散，而且芯數(shù)也在不斷增加，已經(jīng)運行的大芯數(shù)光纖帶光纜已經(jīng)達到了432芯，展望未來5－10年，在京滬杭等一線城市，光纜的芯數(shù)將會達到1000芯左右。正是基于光纖帶光纖光纜的發(fā)展，本文介紹了制造層絞式光纖帶光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，通過對不同材質(zhì)的光纖帶套管的選擇、不同套管尺寸的設(shè)計和性能比較，以及相關(guān)的試驗，驗證了采用不同材料的光纖帶套管時，光纖帶光纜的性能變化。

二、 光纖帶光纜套管設(shè)計的理論分析

1．光纖帶套管尺寸設(shè)計

    光纖帶可以分為兩種結(jié)構(gòu)，既邊緣粘接型和整體包覆型，整體包覆型結(jié)構(gòu)相對邊緣粘接型結(jié)構(gòu)來說，光纖帶厚度和寬度相應(yīng)較大。考慮到光纖帶光纜在實際生產(chǎn)中和使用的情況，為了提高光纖帶的抗側(cè)壓能力和抗扭轉(zhuǎn)能力，國內(nèi)光纜廠家目前選擇以整體包覆型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)光纖帶為主。

    光纖帶中光纖的標識，一般建議選擇全色譜的方式識別，以便工程接續(xù)和將來光纖分配的現(xiàn)場管理。光纖帶可以疊加，就組成了光纖帶矩陣。矩陣的截面圖如圖1所示。

1.1套管內(nèi)徑通常采用以下近似公式

    光纖帶矩陣的等效尺寸如圖2所示，其中光纖帶矩陣的寬度和高度決定了矩陣對角線的長度，它的長度是我們設(shè)計套管尺寸的依據(jù)。    

套管內(nèi)徑的公式如下：

其中K值的大小與生產(chǎn)工藝控制有關(guān)，K值考慮的大，那么光纖疊帶在套管中可活動的空間就大，套管中的光纖疊帶質(zhì)量就更有保證，但是若套管外徑設(shè)計的過大，那么光纜的成本就會大幅升高。    

    上述公式確定的套管內(nèi)徑是基于完全理想的矩形光纖疊帶而設(shè)計的，但是從實際光纖帶光纜的解剖結(jié)果看，光纖疊帶在套管中為菱形，且各帶之間有一定的間隙。因此，修正后的光纖疊帶的模型應(yīng)為形變時的疊帶，如圖3所示：

    疊帶的等效內(nèi)徑公式修正如下：

     因此，實際套管的內(nèi)徑是以光纖疊帶形變時的等效內(nèi)徑為最終依據(jù)設(shè)計的。
    1.2套管壁厚的設(shè)計
                      
    套管壁厚的設(shè)計，需兼顧套管的耐壓扁性能，耐扭轉(zhuǎn)性能和曲折性能。這些性能的測試結(jié)果與在加工過程中套管過轉(zhuǎn)輪、絞合頭等處所需承受的側(cè)壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)情況相關(guān)。行業(yè)標準已規(guī)定了相應(yīng)的試驗方法。
                      
    為了方便設(shè)計，套管的壁厚與側(cè)壓強度及彎曲強度的關(guān)系可以通過套管的結(jié)構(gòu)強度因子和材料強度因子進行理論預(yù)估。其中套管的結(jié)構(gòu)強度因子和套管的內(nèi)空、壁厚相關(guān)，而不同材料有不同的材料強度因子，材料強度因子和材料的壓縮模量、彎曲模量呈線性關(guān)系。套管的結(jié)構(gòu)強度因子可以通過以下公式進行估算：

                     
     依據(jù)經(jīng)驗，套管壁厚一般設(shè)計為套管直徑的5％～10％，實際生產(chǎn)過程中套管壁厚一般控制在0.45～0.85mm。這樣設(shè)計的套管只要能承受大于400N的壓扁力，在實際生產(chǎn)過程中就比較安全。
     因此，根據(jù)以上套管內(nèi)徑和壁厚的設(shè)計，就可以得到套管的外徑。
     2．光纖帶套管材料的選擇
                      
    光纖帶套管中都需填充纖膏。纖膏的填充即可以保證套管內(nèi)徑圓整度的變化，同時還能滿足套管的阻水要求。非極性填充纖膏用于極性聚合物套管材料，極性填充纖膏用于非極性聚合物套管材料，以保障套塑材料與填充纖膏之間良好的相容性。
                      
    目前,常用的光纖帶套管材料為改型聚丙烯（PP）和聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）兩種，國外歐美主要光纜制造廠商選用PP材料，國內(nèi)光纜制造廠商多選用PBT材料。
                      
    PP光纖帶套管材料一般是添加成核劑改型的高耐沖共聚非極性聚丙烯，在PP結(jié)晶成核過程中，高分子鏈段通過在成核劑表面吸附PP分子形成更多的、熱力學(xué)上穩(wěn)定的微型晶核；這種微晶結(jié)構(gòu)使得PP材料的結(jié)晶度更大，從而造成制品具有較好的抗沖擊特性。這類結(jié)晶好壞可以通過擠出后測定套管的后收縮現(xiàn)象進行評估，后收縮現(xiàn)象嚴重的材料，形成微晶的比例較小，對應(yīng)套管的耐沖擊性能、拉伸屈服強度和耐壓性能較差。PBT是一種極性聚酯類高分子材料，由具有硬段結(jié)構(gòu)的對苯二甲酸單體和具有軟段結(jié)構(gòu)的1，4-丁二醇單體縮聚而成。硬段結(jié)構(gòu)提供材料足夠的抗張強度和彎曲強度，軟段結(jié)構(gòu)提供一定的柔韌性。它的結(jié)晶過程非?？焖?，使得套管有更好的表面光澤和尺寸穩(wěn)定性，但不同冷卻速度下結(jié)晶將形成不同密度、結(jié)構(gòu)的晶體，從而造成套管的力學(xué)性能和收縮特性有所變化。
                      
    兩種不同材質(zhì)的套管在諸多文獻中已有大量的描述，其主要比較結(jié)果為：假設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計完全相同，PBT套管會具有更好的拉伸機械強度、耐沖擊性能、抗彎曲強度和耐壓扁強度，但對彎折半徑比較敏感。非改性PP的耐熱氧老化性能較差，PBT在高溫濕熱條件下，存在較嚴重的水解反應(yīng)。
                      
    兩種材料加工出來的套管實際上都處于未完全結(jié)晶狀態(tài)，都會具有一定的結(jié)晶后回縮；但值得注意的是，生產(chǎn)過程中前段冷卻水溫度以及光纖帶偶合點與牽引輪之間位置都將嚴重影響PBT套管在玻璃化溫度下（60度左右）的后回縮指標。一般來說，套管入水冷卻溫度越高，套管回縮越大，而結(jié)晶后回縮越?。环粗?，冷卻水溫較低，套管回縮較小，但結(jié)晶后回縮會很大，甚至是套管回縮的1～2倍，從而給產(chǎn)品最終性能產(chǎn)生不良影響，因此在生產(chǎn)中應(yīng)避免出現(xiàn)這種后回縮現(xiàn)象。相反PP的結(jié)晶后回縮程度受冷卻水溫的影響相對較小，更容易控制。

    三、 不同材料的光纖帶光纜套管性能的比較
                      
    根據(jù)以上理論，我們設(shè)計了一組試驗，用來對比驗證采用兩種不同填充油膏和套塑材料的光纖帶套管的性能。為了便于比較，我們規(guī)定兩種套管具有相同的內(nèi)徑及光纖帶數(shù)量，只采用了不同的壁厚設(shè)計。對比試驗中主要測試了光纖帶套管的耐側(cè)壓強度、最小彎曲半徑和扭轉(zhuǎn)情況。
    試驗的光纖帶套管內(nèi)徑為5.1mm，根據(jù)等效內(nèi)徑公式計算，這樣的內(nèi)徑允許6個12芯光纖帶疊層。
                      
    采用PBT為套管材料的套管壁厚設(shè)計分別為0.30mm，0.40mm，0.50mm，0.60mm和0.70mm，對應(yīng)的套管外徑為5.7mm，5.9mm，6.1mm，6.3mm和6.5mm，套管的同心度都大于85％。
                      
    采用PP為套管材料的套管壁厚設(shè)計分別為0.55mm，0.65mm，0.75mm，0.85mm，對應(yīng)的套管外徑為6.2mm，6.4mm，6.6mm，6.8mm，套管的同心度都大于85％。套管的結(jié)構(gòu)尺寸和測量結(jié)果見下表二.a和表二.b：
                       
                      
    從測試結(jié)果看出，所有套管側(cè)壓力隨套管壁厚曲線上升，按照套管側(cè)壓力估算公式，得到套管側(cè)壓力與套管結(jié)構(gòu)因子曲線，兩種材料側(cè)壓力基本上隨套管結(jié)構(gòu)因子直線上升，其斜率應(yīng)為套管材料強度因子。如圖4明顯看到，PBT的強度因子比PP的強度因子大很多。因此要得到相同的套管側(cè)壓力，PP套管應(yīng)適當增加壁厚才能滿足。

                  
    同時，我們也測量了兩種不同材料的套管彎折試驗。

                       
    從數(shù)據(jù)比較來看，當套管受到相同側(cè)壓力大小時，PP套管明顯在彎曲半徑上優(yōu)于PBT套管。PBT套管需要保證一定壁厚才能保證較小的彎折半徑，而PP套管即使套管側(cè)壓力較小，也能滿足相同的彎折半徑并不發(fā)生形變。這對光纖帶光纜在接頭處套管盤留具有積極意義，考慮未來運營商業(yè)務(wù)重點將傾向于接入網(wǎng)的內(nèi)容建設(shè)，對光纖套管在接頭處的盤留的管理要求更高、更方便，顯然，PP材料套管更適合這種要求。
    通過上述兩種不同的試驗，說明在客戶的實際要求中，注重保證套管的幾何尺寸，特別是壁厚的重要性應(yīng)高于對套管側(cè)壓力的要求。
    四、 不同尺寸的套管對光纜結(jié)構(gòu)的影響
                      
    在層絞式光纖帶光纜設(shè)計中，套管中光纖帶的疊層數(shù)的設(shè)置還要考慮生產(chǎn)和使用兩方面的因素。光纜制造商方面希望光纜既具有單位面積高密度光纖的特點，又要保證擁有良好的機械性能、傳輸性能、纜芯絞合后的圓整性。同時還在生產(chǎn)中易于現(xiàn)場管理，盡可能少余留半成品的要求。而最終用戶由于多年的使用習(xí)慣，希望套管中光纖數(shù)和匯接點分纖的數(shù)目相同，這樣更便于系統(tǒng)的維護和管理，同時光纜的外徑能夠控制在通信子管的一定比例之內(nèi)。
                      
    在設(shè)計中，優(yōu)先考慮光纜的外徑和芯數(shù)大小，而確定它們的基本要素是單根松套管中最多可裝填的光纖芯數(shù)，第二由于普通束狀光纜的芯數(shù)多數(shù)集中分布在36芯及以下，48芯及以上更適合選用帶狀光纜結(jié)構(gòu)，同時考慮到目前12芯帶熔接機的普及，所以12芯每帶為基礎(chǔ)的光纖矩陣最適宜。因此，設(shè)計了以下三種單管容纖數(shù)量的套管:48芯/4X12芯光纖帶、72芯/6X12芯光纖帶和96芯/8X12芯光纖帶。

     為了便于比較分析，以GYDTA為例，規(guī)定三種套管結(jié)構(gòu)的光纜護套厚度要求一致，并且性能都要滿足行標的要求。詳見表三和表四.
     ☆說明：
          §光纖密度定義：光纜單位面積的光纖總芯數(shù)/光纜單位面積；
          §光纜每管的芯數(shù)從48芯開始，按24芯遞增，最大為96芯；
          絞合單元數(shù)最多不超過6個；
                     
    比較表三和表四中的光纖密度值可以看出：
    從72芯－192芯，48芯每管結(jié)構(gòu)略微優(yōu)于72芯每管結(jié)構(gòu)，光纖密度值大于0.01－0.02；
    從216芯－360芯，72芯每管結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于48芯和96芯每管結(jié)構(gòu)，光纖密度值大于0.2－0.09；
    從408芯－432芯，72芯每管結(jié)構(gòu)優(yōu)于96芯每管結(jié)構(gòu)，光纖密度值大于0.06。
                     
    從光纜在市政管網(wǎng)中穿管難易比較，外徑越小，施工越順利，在192芯以內(nèi)，72芯與48芯差異不大；但超過216芯以上時，72芯每管結(jié)構(gòu)明顯好于48芯和96芯每管結(jié)構(gòu)；
                     
    從光纜生產(chǎn)角度考慮，72芯每管結(jié)構(gòu)所需準備的填充繩、鋁帶、中心加強件、模具等關(guān)鍵性要素，顯然比同時準備48芯和96芯所需準備的生產(chǎn)要素要少許多，若再細化增加套管的芯數(shù)，不難得出結(jié)論，同時每管裝填過大的芯數(shù)也為生產(chǎn)工藝的控制增加了風(fēng)險點，提高了生產(chǎn)控制的成本。
    綜合比較，可以得出72芯的結(jié)構(gòu)至少在三方面都具有一定的優(yōu)勢，并兼顧了用戶對匯接點分纖和光纜外徑的要求。
    五、 不同材質(zhì)套管光纖帶光纜的性能測試
                     
    按照上述每管72芯的設(shè)計結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計并制造了兩種不同套管材質(zhì)的層絞式光纖帶光纜。兩種光纜采用相同直徑的加強元件，相近的套管光纖余長（FEL），相近的成纜節(jié)距，并按行業(yè)標準要求，在不同寬度的復(fù)合鋁帶外，擠壓相同材質(zhì)的黑色聚乙烯護套料，護套厚度為2.0mm。樣品A為采用PBT套管組成的光纖帶光纜，套管耐側(cè)壓值大于800N；樣品B為采用PP套管組成的光纖帶光纜，套管耐側(cè)壓值大于600N。