一、 概述

    在我國(guó)，光纖通信從70年代末開(kāi)始運(yùn)用，到現(xiàn)在已有20年有余，尤其是近年來(lái)，光纖光纜的大規(guī)模采用，更為顯著，一方面因?yàn)?G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(diǎn)開(kāi)展，另一方面運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)容量的急速膨脹，以及不斷開(kāi)發(fā)出豐富且多樣性的業(yè)務(wù)內(nèi)容，同時(shí)，運(yùn)營(yíng)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(jìng)爭(zhēng)地位的需要。因此，來(lái)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(yùn)營(yíng)商對(duì)光纖光纜需求的快速增長(zhǎng)，例如：2009年相對(duì)2008年市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)率高達(dá)100%，用量達(dá)到8000萬(wàn)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(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(dú)占性和稀缺的特點(diǎn)。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(diǎn)，較好地解決了運(yùn)營(yíng)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(lái)，運(yùn)營(yíng)商對(duì)光纖帶光纜的運(yùn)用也越來(lái)越普遍，運(yùn)用的地域也越來(lái)越廣泛，運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)層次也由核心層逐步向重點(diǎn)接入層擴(kuò)散，而且芯數(shù)也在不斷增加，已經(jīng)運(yùn)行的大芯數(shù)光纖帶光纜已經(jīng)達(dá)到了432芯，展望未來(lái)5－10年，在京滬杭等一線城市，光纜的芯數(shù)將會(huì)達(dá)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(jì)原理，通過(guò)對(duì)不同材質(zhì)的光纖帶套管的選擇、不同套管尺寸的設(shè)計(jì)和性能比較，以及相關(guān)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用不同材料的光纖帶套管時(shí)，光纖帶光纜的性能變化。

二、 光纖帶光纜套管設(shè)計(jì)的理論分析

1．光纖帶套管尺寸設(shè)計(jì)

    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(duì)邊緣粘接型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，光纖帶厚度和寬度相應(yīng)較大。考慮到光纖帶光纜在實(shí)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(guó)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(biāo)識(shí)，一般建議選擇全色譜的方式識(shí)別，以便工程接續(xù)和將來(lái)光纖分配的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)角線的長(zhǎng)度，它的長(zhǎng)度是我們?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)的過(guò)大，那么光纜的成本就會(huì)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(jì)的，但是從實(shí)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(shí)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(shí)際套管的內(nèi)徑是以光纖疊帶形變時(shí)的等效內(nèi)徑為最終依據(jù)設(shè)計(jì)的。
    1.2套管壁厚的設(shè)計(jì)
                      
    套管壁厚的設(shè)計(jì)，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(cè)試結(jié)果與在加工過(guò)程中套管過(guò)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(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了相應(yīng)的試驗(yàn)方法。
                      
    為了方便設(shè)計(jì)，套管的壁厚與側(cè)壓強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度的關(guān)系可以通過(guò)套管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因子和材料強(qiáng)度因子進(jìn)行理論預(yù)估。其中套管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)度因子，材料強(qiáng)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(qiáng)度因子可以通過(guò)以下公式進(jìn)行估算：

                     
     依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，套管壁厚一般設(shè)計(jì)為套管直徑的5％～10％，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中套管壁厚一般控制在0.45～0.85mm。這樣設(shè)計(jì)的套管只要能承受大于400N的壓扁力，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(jì)，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(shí)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(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）兩種，國(guó)外歐美主要光纜制造廠商選用PP材料，國(guó)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(guò)程中，高分子鏈段通過(guò)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(guò)擠出后測(cè)定套管的后收縮現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)估，后收縮現(xiàn)象嚴(yán)重的材料，形成微晶的比例較小，對(duì)應(yīng)套管的耐沖擊性能、拉伸屈服強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，軟段結(jié)構(gòu)提供一定的柔韌性。它的結(jié)晶過(guò)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(xiàn)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(jì)完全相同，PBT套管會(huì)具有更好的拉伸機(jī)械強(qiáng)度、耐沖擊性能、抗彎曲強(qiáng)度和耐壓扁強(qiáng)度，但對(duì)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(yán)重的水解反應(yīng)。
                      
    兩種材料加工出來(lái)的套管實(shí)際上都處于未完全結(jié)晶狀態(tài)，都會(huì)具有一定的結(jié)晶后回縮；但值得注意的是，生產(chǎn)過(guò)程中前段冷卻水溫度以及光纖帶偶合點(diǎn)與牽引輪之間位置都將嚴(yán)重影響PBT套管在玻璃化溫度下（60度左右）的后回縮指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，套管入水冷卻溫度越高，套管回縮越大，而結(jié)晶后回縮越小；反之，冷卻水溫較低，套管回縮較小，但結(jié)晶后回縮會(huì)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(duì)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?cè)O(shè)計(jì)了一組試驗(yàn)，用來(lái)對(duì)比驗(yàn)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(jì)。對(duì)比試驗(yàn)中主要測(cè)試了光纖帶套管的耐側(cè)壓強(qiáng)度、最小彎曲半徑和扭轉(zhuǎn)情況。
    試驗(yàn)的光纖帶套管內(nèi)徑為5.1mm，根據(jù)等效內(nèi)徑公式計(jì)算，這樣的內(nèi)徑允許6個(gè)12芯光纖帶疊層。
                      
    采用PBT為套管材料的套管壁厚設(shè)計(jì)分別為0.30mm，0.40mm，0.50mm，0.60mm和0.70mm，對(duì)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(jì)分別為0.55mm，0.65mm，0.75mm，0.85mm，對(duì)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(cè)量結(jié)果見(jiàn)下表二.a和表二.b：
                       
                      
    從測(cè)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(qiáng)度因子。如圖4明顯看到，PBT的強(qiáng)度因子比PP的強(qiáng)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(dāng)增加壁厚才能滿足。

                  
    同時(shí)，我們也測(cè)量了兩種不同材料的套管彎折試驗(yàn)。

                       
    從數(shù)據(jù)比較來(lái)看，當(dāng)套管受到相同側(cè)壓力大小時(shí)，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(duì)光纖帶光纜在接頭處套管盤(pán)留具有積極意義，考慮未來(lái)運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)重點(diǎn)將傾向于接入網(wǎng)的內(nèi)容建設(shè)，對(duì)光纖套管在接頭處的盤(pán)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(guò)上述兩種不同的試驗(yàn)，說(shuō)明在客戶的實(shí)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(duì)套管側(cè)壓力的要求。
    四、 不同尺寸的套管對(duì)光纜結(jié)構(gòu)的影響
                      
    在層絞式光纖帶光纜設(shè)計(jì)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(diǎn)，又要保證擁有良好的機(jī)械性能、傳輸性能、纜芯絞合后的圓整性。同時(shí)還在生產(chǎn)中易于現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)分纖的數(shù)目相同，這樣更便于系統(tǒng)的維護(hù)和管理，同時(shí)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(jì)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(shí)考慮到目前12芯帶熔接機(jī)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(jì)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(hù)套厚度要求一致，并且性能都要滿足行標(biāo)的要求。詳見(jiàn)表三和表四.
     ☆說(shuō)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(kāi)始，按24芯遞增，最大為96芯；
          絞合單元數(shù)最多不超過(guò)6個(gè)；
                     
    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(guò)216芯以上時(shí)，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(zhǔn)備的填充繩、鋁帶、中心加強(qiáng)件、模具等關(guān)鍵性要素，顯然比同時(shí)準(zhǔn)備48芯和96芯所需準(zhǔn)備的生產(chǎn)要素要少許多，若再細(xì)化增加套管的芯數(shù)，不難得出結(jié)論，同時(shí)每管裝填過(guò)大的芯數(shù)也為生產(chǎn)工藝的控制增加了風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，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(shì)，并兼顧了用戶對(duì)匯接點(diǎn)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(cè)試
                     
    按照上述每管72芯的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)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(qiáng)元件，相近的套管光纖余長(zhǎng)（FEL），相近的成纜節(jié)距，并按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)套料，護(hù)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。