中心束管式光缆缆芯回缩问题的解决方法

中心束管式光缆缆芯回缩问题的解决方法上海电缆研究所李苏明亨通集团公司杜柏林

摘要：本文针对中心束管式光缆的被覆光纤PBT套管在实际工程线路应用过程中普遍发生回缩这一现象，进行了详细研究，并提出了光缆生产和工程施工中解决该问题的方法。

关键词：中心束管式光缆制造和应用、束管缆芯回缩问题的解决方法。1．问题的提出

中心束管式光缆由于具有结构小、重量轻、成本低、使用方便等优点，多年来广泛受到用户的欢迎，大量使用于管道和架空光通信线路中。在实际线路工程施工和维护中，我们经常发现中心束管式光缆在接头盒内出现PBT管被覆光纤（光缆缆芯）回缩，回缩长度达数厘米至十几厘米不等，回缩发生时间有时仅在光缆架设，接头熔接完成的数天后，有时则在工程完工验收的数月后。回缩情况严重的甚至发生PBT管被覆光纤从光纤接头固定板上滑落下来，造成PBT管口附近的裸光纤在PBT管滑落处被严重弯曲，损耗剧增，甚至发生裸光纤被滑落的PBT管与光纤接头固定板剪切而出现光纤断裂，造成线路故障。

2．光缆中缆芯发生回缩问题的原因分析

对于光缆中缆芯发生回缩现象，现场分析判断结果为受环境温度变化等因素影响，缆芯与外层护套由于各自的材料温度膨胀收缩系数不同，或由于PBT管与护套在加工过程中材料内部存有不同的残余应力，造成缆芯收缩相对过大所致。缆芯发生回缩的另一个原因是光缆缆芯与护套之间必定发生了相对滑移，缆芯与护套间的结构不紧密，两者之间的摩擦系数不够大。

对于松套层绞式光缆，从结构上看，由于其加强元件位于缆芯中心位置，PBT管松套被覆光纤（光纤单元）呈螺旋状或SZ螺旋状缠绕在中心加强元

件的周围，并被扎线或包带紧紧包扎固定，于是缆芯各部件间相互摩擦系数大，结构位置稳定，其综合机械物理性能和温度线膨胀系数基本取决于中心加强元件。通常在线路架设施工时，中心加强元件被紧固在接头盒的紧固螺栓上，因此光缆在使用中，无论环境温度如何变化，缆芯对接头盒来说，其几乎没有相对伸缩变化。再看外护层，一般大都采用钢塑复合釉结纵包护套或铝塑釉结纵包护套，其机械物理性能和温度线膨胀系数也基本依赖于纵包钢带或铝带金属材料，因此，在使用环境条件下，缆芯与外护层的膨胀和收缩差异不大。另外，通常在光缆架设施工时，光缆外护套还被卡压固定在接头盒的光缆密封固定口处，这样架设在线路上的整根光缆与接头盒可看作为一个连成线路的整体，它们之间几乎没有相对的伸缩变化。至于接头盒内的PBT管被覆光纤，长度很短，其伸缩变化量可忽略。所以我们认为，层绞式光缆不存在接头盒内PBT管光纤单元回缩问题。并且，通过对大量实际运行中的松套层绞式光缆线路进行观察，其结果也证实了这一点。

对于中心束管式光缆，其PBT管被覆光纤即为光缆缆芯，PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）被覆材料的线膨胀系数约为8×10¯⁵/°C。而一般中心束管式光缆的外护套层中夹层中夹有加强钢丝和钢塑碱结复合带，护套的机械物理性能和温度线膨胀系数很大程度上取决于加强钢丝和纵包钢带材料，钢材的线膨胀系数为1×10¯⁵/°C，因此，缆芯与外护套之间由于材料温度线膨胀系数的差异，存在着热胀冷缩程度不同，很明显，PBT管的热胀冷缩较为严重。通常中心束管式光缆在线路架设施工时，护套中的加强钢丝被紧固在接头盒的紧固螺栓上。因此，随着环境温度下降。当PBT管被覆光纤光缆缆芯与外护套结构又不紧密时，PBT管被覆光纤缆芯则在接头盒内发生向光缆内回缩。反之，随着环境温度升高，PBT管被覆光纤缆芯则在接头盒内又发生向光缆外伸长。另外，在二次被覆光纤生产过程中，冷却

水的温度和PBT管的被冷却时间、速度会影响PBT管材料的内部是否形成结晶和结晶颗粒大小及结晶度，PBT管的被牵引拉伸速度，冷却水温度和挤出模具尺寸则会影响PBT管材料的拉伸取向程度，使被覆层内存留有应力。适当控制这些操作工艺因素，材料的结晶情况和适当的分子取向补偿PBT 管缆芯的回缩程度。但当冷却水温度、PBT冷却速度、PBT管牵引拉伸控制不当时，则会发生随温度变化而加剧PBT管被覆光纤回缩进光缆内的现象。3．中心束管式光缆PBT管回缩问题的解决方法

针对上述这些造成中心束管式光缆发生PBT管被覆光纤回缩的原因，我们首先改变了以往在PBT管缆芯与外护层之间充填油膏达到光缆纵向防水密封的做法，改用纵包阻水带的干式阻水结构，并采用紧纵包模具和压力式挤出工艺来控制光缆截面结构紧密，这样有效增大了缆内PBT管缆芯与外护层内壁之间的摩擦系数，避免了阻水密封油膏的洞滑作用，使PBT管与外护层内壁间具有足够大的摩擦力，从而有效阻碍了PBT管被覆光纤缆芯的单独膨胀和收缩。

其次，在PBT管二次被覆光纤挤出生产过程中，我们对冷却水温度、水槽长度、牵引速度和挤出模具的模口尺寸等工艺参数进行了理论研究。分析并调整了实际操作工艺条件。根据高聚物材料的结晶特性分析和实验测试数据结果，我们确认，即使是同种高聚物，当在不同温度下形成结晶时，结晶材料所表现出来的特性是不同的。在较高的温度下形成结晶时，材料内所有结晶的形态比较相近（熔点温度范围窄），结晶也比较充分（结晶度高），并且材料在玻璃化温度（Tg/至熔点温度Tm）间所表现出来的机械强度、模量、温度稳定性均比在较低温度结晶时有较大的提高。PBT材料因分子链段中带有苯侧基因，分子链的内旋转比较困难，分子链的柔性稍差，它只能在熔体较缓慢地冷却时才能结晶，冷却过快时则不能形成结晶。因此如果希望得到结晶度较高。结晶颗粒大小较为一致，即力学特性优良、

温度稳定性能好的被覆光纤PBT管，冷却水温一定不能过低。PBT材料与分子间的相互作用较强，一旦形成结晶，则结晶结构比较稳定，关于这一点我们通过材料力学性能和线膨胀系数的Tg至Tm范围温度稳定性测试得到了证实。材料结晶度可通过冷却水温和冷却时间（水槽长度）来控制。另外，结晶结构对材料力学性能也起着重要作用，理论分析和实验测试结果一致认为材料内部结晶颗粒小的时候，其抗张强度、模量、断裂伸长和韧性等都较材料内部结晶颗粒小的时候来得高，材料结晶颗粒大小可通过冷却速度来控制。因此，我们按上述原理，通过反复仔细调整PBT管二次被覆光纤挤出生产工艺条件，自主开发了一套PBT管被覆光纤的制造工艺参数。必须指出的是，在进行PBT管二次被覆光纤挤出生产的同时，高聚物在熔融挤出状态下的出模口挤压和被牵引拉伸而出现分子取向过程也是一个重要的问题。PBT管被覆材料的力学性能在分子单轴取向后变为各向异性，在分子链取向方向上的抗拉强度、模量等特性得到了显著提高，但就材料热性能来说，材料在取向方向上的热收缩率却也明显增大。在实际二次被覆光纤制造中，PBT被覆管材料中若残存较大的分子取向力，则不仅会导致被覆光纤PBT管的受热严重收缩，还会严重影响被覆光纤的温度损耗特性。材料取向程度取决于冷却水温度、牵引速度和模口尺寸等。在PBT 管被覆光纤挤出加工过程中，PBT材料不可避免地受到模口挤压和被牵引拉伸，工艺条件稍有不当就会造成材料取向过度。我们通过精心调整二段冷却水温度。挤出模芯/模套尺寸、牵引速度、熔融PBT管进入冷却水位置和加长水槽长度等措施，综合兼顾了制品结晶度高、结晶颗粒小且均匀、分子取向程度小这几项材料特性，成功制成了抗拉、抗压强度大和温度线膨胀系数小的被覆光纤PBT管。通过对约1000km的PBT管被覆光纤的被覆管测试结果表明，平均抗拉强度为80Mpa以上，温度线膨胀系数为3.7×10¯⁵/℃。对于采用该类PBT管被覆光纤制成的中心束管式干式阻水光缆，在国