层绞式光纤带光缆的结构及套管设计的探讨  

       摘要:本文介绍了制造层绞式光纤带光缆的结构设计原理，通过对改性PP和PBT两种不同性能的光纤带套管材料的选择、不同尺寸套管的设计和性能比较，以及相关的试验，验证了当采用不同材料的光纤带套管时，光纤带光缆的性能变化。 

关键词：层绞式光纤带光缆改性PP PBT 

    一、 概述

 在我国，光纤通信从70年代末开始运用，到现在已有20年有余，尤其是近年来，光纤光缆的大规模采用，更为显著，一方面因为3G网络的覆盖建设、FTTX网络的规模推广以及IPTV网络在城市的试点开展，另一方面运营商业务容量的急速膨胀，以及不断开发出丰富且多样性的业务内容，同时，运营商随着城市化的发展而不断地建设并完善其基础物理光纤网络，既有其发展的必要性，又有其保持竞争地位的需要。因此，来自基础建设和业务发展这两方面的大量需求，直接导致了运营商对光纤光缆需求的快速增长，例如：2009年相对2008年市场需求的增长率高达100%，用量达到8000万纤芯公里以上。但是用于敷设光缆的城市地下管网资源在相当长的一段时间内和一定空间范围内的增加又是有限的，并且具有独占性和稀缺的特点。而光纤带光纤光缆具有光纤密度大，光缆外径小，易于敷设等特点，较好地解决了运营商发展的需要与面临城市地下管网不足的矛盾。这些年来，运营商对光纤带光缆的运用也越来越普遍，运用的地域也越来越广泛，运营的网络层次也由核心层逐步向重点接入层扩散，而且芯数也在不断增加，已经运行的大芯数光纤带光缆已经达到了432芯，展望未来5－10年，在京沪杭等一线城市，光缆的芯数将会达到1000芯左右。正是基于光纤带光纤光缆的发展，本文介绍了制造层绞式光纤带光缆的结构设计原理，通过对不同材质的光纤带套管的选择、不同套管尺寸的设计和性能比较，以及相关的试验，验证了采用不同材料的光纤带套管时，光纤带光缆的性能变化。

    二、 光纤带光缆套管设计的理论分析

    1．光纤带套管尺寸设计

    光纤带可以分为两种结构，既边缘粘接型和整体包覆型，整体包覆型结构相对边缘粘接型结构来说，光纤带厚度和宽度相应较大。考虑到光纤带光缆在实际生产中和使用的情况，为了提高光纤带的抗侧压能力和抗扭转能力，国内光缆厂家目前选择以整体包覆型结构生产光纤带为主。

    光纤带中光纤的标识，一般建议选择全色谱的方式识别，以便工程接续和将来光纤分配的现场管理。光纤带可以叠加，就组成了光纤带矩阵。矩阵的截面图如图1所示。

    1.1套管内径通常采用以下近似公式

       光纤带矩阵的等效尺寸如图2所示，其中光纤带矩阵的宽度和高度决定了矩阵对角线的长度，它的长度是我们设计套管尺寸的依据。

    套管内径的公式如下：

  其中K值的大小与生产工艺控制有关，K值考虑的大，那么光纤叠带在套管中可活动的空间就大，套管中的光纤叠带质量就更有保证，但是若套管外径设计的过大，那么光缆的成本就会大幅升高。

 上述公式确定的套管内径是基于完全理想的矩形光纤叠带而设计的，但是从实际光纤带光缆的解剖结果看，光纤叠带在套管中为菱形，且各带之间有一定的间隙。因此，修正后的光纤叠带的模型应为形变时的叠带，如图3所示： 

        叠带的等效内径公式修正如下：

    因此，实际套管的内径是以光纤叠带形变时的等效内径为最终依据设计的。

    1.2套管壁厚的设计

 套管壁厚的设计，需兼顾套管的耐压扁性能，耐扭转性能和曲折性能。这些性能的测试结果与在加工过程中套管过转轮、绞合头等处所需承受的侧压力、弯曲和扭转情况相关。行业标准已规定了相应的试验方法。

 为了方便设计，套管的壁厚与侧压强度及弯曲强度的关系可以通过套管的结构强度因子和材料强度因子进行理论预估。其中套管的结构强度因子和套管的内空、壁厚相关，而不同材料有不同的材料强度因子，材料强度因子和材料的压缩模量、弯曲模量呈线性关系。套管的结构强度因子可以通过以下公式进行估算：

  依据经验，套管壁厚一般设计为套管直径的5％～10％，实际生产过程中套管壁厚一般控制在0.45～0.85mm。这样设计的套管只要能承受大于400N的压扁力，在实际生产过程中就比较安全。

   因此，根据以上套管内径和壁厚的设计，就可以得到套管的外径。

    2．光纤带套管材料的选择

 光纤带套管中都需填充纤膏。纤膏的填充即可以保证套管内径圆整度的变化，同时还能满足套管的阻水要求。非极性填充纤膏用于极性聚合物套管材料，极性填充纤膏用于非极性聚合物套管材料，以保障套塑材料与填充纤膏之间良好的相容性。

目前,常用的光纤带套管材料为改型聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）两种，国外欧美主要光缆制造厂商选用PP材料，国内光缆制造厂商多选用PBT材料。

PP光纤带套管材料一般是添加成核剂改型的高耐冲共聚非极性聚丙烯，在PP结晶成核过程中，高分子链段通过在成核剂表面吸附PP分子形成更多的、热力学上稳定的微型晶核；这种微晶结构使得PP材料的结晶度更大，从而造成制品具有较好的抗冲击特性。这类结晶好坏可以通过挤出后测定套管的后收缩现象进行评估，后收缩现象严重的材料，形成微晶的比例较小，对应套管的耐冲击性能、拉伸屈服强度和耐压性能较差。PBT是一种极性聚酯类高分子材料，由具有硬段结构的对苯二甲酸单体和具有软段结构的1，4-丁二醇单体缩聚而成。硬段结构提供材料足够的抗张强度和弯曲强度，软段结构提供一定的柔韧性。它的结晶过程非常快速，使得套管有更好的表面光泽和尺寸稳定性，但不同冷却速度下结晶将形成不同密度、结构的晶体，从而造成套管的力学性能和收缩特性有所变化。

 两种不同材质的套管在诸多文献中已有大量的描述，其主要比较结果为：假设结构设计完全相同，PBT套管会具有更好的拉伸机械强度、耐冲击性能、抗弯曲强度和耐压扁强度，但对弯折半径比较敏感。非改性PP的耐热氧老化性能较差，PBT在高温湿热条件下，存在较严重的水解反应。

两种材料加工出来的套管实际上都处于未完全结晶状态，都会具有一定的结晶后回缩；但值得注意的是，生产过程中前段冷却水温度以及光纤带偶合点与牵引轮之间位置都将严重影响PBT套管在玻璃化温度下（60度左右）的后回缩指标。一般来说，套管入水冷却温度越高，套管回缩越大，而结晶后回缩越小；反之，冷却水温较低，套管回缩较小，但结晶后回缩会很大，甚至是套管回缩的1～2倍，从而给产品最终性能产生不良影响，因此在生产中应避免出现这种后回缩现象。相反PP的结晶后回缩程度受冷却水温的影响相对较小，更容易控制。。

       因此，从材料性能比较看，选用PP材料的套管比选用PBT材料的套管更易生产控制，但相同条件下，PBT材料的套管硬度更高。 

    三、 不同材料的光纤带光缆套管性能的比较

根据以上理论，我们设计了一组试验，用来对比验证采用两种不同填充油膏和套塑材料的光纤带套管的性能。为了便于比较，我们规定两种套管具有相同的内径及光纤带数量，只采用了不同的壁厚设计。对比试验中主要测试了光纤带套管的耐侧压强度、最小弯曲半径和扭转情况。

试验的光纤带套管内径为5.1mm，根据等效内径公式计算，这样的内径允许6个12芯光纤带叠层。

 采用PBT为套管材料的套管壁厚设计分别为0.30mm，0.40mm，0.50mm，0.60mm和0.70mm，对应的套管外径为5.7mm，5.9mm，6.1mm，6.3mm和6.5mm，套管的同心度都大于85％。

采用PP为套管材料的套管壁厚设计分别为0.55mm，0.65mm，0.75mm，0.85mm，对应的套管外径为6.2mm，6.4mm，6.6mm，6.8mm，套管的同心度都大于85％。套管的结构尺寸和测量结果见下表二.a和表二.b：

从测试结果看出，所有套管侧压力随套管壁厚曲线上升，按照套管侧压力估算公式，得到套管侧压力与套管结构因子曲线，两种材料侧压力基本上随套管结构因子直线上升，其斜率应为套管材料强度因子。如图4明显看到，PBT的强度因子比PP的强度因子大很多。因此要得到相同的套管侧压力，PP套管应适当增加壁厚才能满足。

    同时，我们也测量了两种不同材料的套管弯折试验。

 从数据比较来看，当套管受到相同侧压力大小时，PP套管明显在弯曲半径上优于PBT套管。PBT套管需要保证一定壁厚才能保证较小的弯折半径，而PP套管即使套管侧压力较小，也能满足相同的弯折半径并不发生形变。这对光纤带光缆在接头处套管盘留具有积极意义，考虑未来运营商业务重点将倾向于接入网的内容建设，对光纤套管在接头处的盘留的管理要求更高、更方便，显然，PP材料套管更适合这种要求。

通过上述两种不同的试验，说明在客户的实际要求中，注重保证套管的几何尺寸，特别是壁厚的重要性应高于对套管侧压力的要求。

    四、 不同尺寸的套管对光缆结构的影响

 在层绞式光纤带光缆设计中，套管中光纤带的叠层数的设置还要考虑生产和使用两方面的因素。光缆制造商方面希望光缆既具有单位面积高密度光纤的特点，又要保证拥有良好的机械性能、传输性能、缆芯绞合后的圆整性。同时还在生产中易于现场管理，尽可能少余留半成品的要求。而最终用户由于多年的使用习惯，希望套管中光纤数和汇接点分纤的数目相同，这样更便于系统的维护和管理，同时光缆的外径能够控制在通信子管的一定比例之内。

在设计中，优先考虑光缆的外径和芯数大小，而确定它们的基本要素是单根松套管中最多可装填的光纤芯数，第二由于普通束状光缆的芯数多数集中分布在36芯及以下，48芯及以上更适合选用带状光缆结构，同时考虑到目前12芯带熔接机的普及，所以12芯每带为基础的光纤矩阵最适宜。因此，设计了以下三种单管容纤数量的套管:48芯/4X12芯光纤带、72芯/6X12芯光纤带和96芯/8X12芯光纤带.

为了便于比较分析，以GYDTA为例，规定三种套管结构的光缆护套厚度要求一致，并且性能都要满足行标的要求。详见表三和表四. 

    ☆说明：

    光纤密度定义：光缆单位面积的光纤总芯数/光缆单位面积；

    光缆每管的芯数从48芯开始，按24芯递增，最大为96芯；

    绞合单元数最多不超过6个；

比较表三和表四中的光纤密度值可以看出：

从72芯－192芯，48芯每管结构略微优于72芯每管结构，光纤密度值大于0.01－0.02；

从216芯－360芯，72芯每管结构明显优于48芯和96芯每管结构，光纤密度值大于0.2－0.09；

从408芯－432芯，72芯每管结构优于96芯每管结构，光纤密度值大于0.06。

从光缆在市政管网中穿管难易比较，外径越小，施工越顺利，在192芯以内，72芯与48芯差异不大；但超过216芯以上时，72芯每管结构明显好于48芯和96芯每管结构；

        从光缆生产角度考虑，72芯每管结构所需准备的填充绳、铝带、中心加强件、模具等关键性要素，显然比同时准备48芯和96芯所需准备的生产要素要少许多，若再细化增加套管的芯数，不难得出结论，同时每管装填过大的芯数也为生产工艺的控制增加了风险点，提高了生产控制的成本。

 综合比较，可以得出72芯的结构至少在三方面都具有一定的优势，并兼顾了用户对汇接点分纤和光缆外径的要求。

    五、 不同材质套管光纤带光缆的性能测试

按照上述每管72芯的设计结构，我们设计并制造了两种不同套管材质的层绞式光纤带光缆。两种光缆采用相同直径的加强元件，相近的套管光纤余长（FEL），相近的成缆节距，并按行业标准要求，在不同宽度的复合铝带外，挤压相同材质的黑色聚乙烯护套料，护套厚度为2.0mm。样品A为采用PBT套管组成的光纤带光缆，套管耐侧压值大于800N；样品B为采用PP套管组成的光纤带光缆，套管耐侧压值大于600N。

     两种不同套管材质的层绞式光纤带光缆的测试结果见下表五：

注:测试方法满足YD/T 981.3-2009

从测试情况看，采用不同材质套管并具备不同套管侧压力设计的光缆都能完全满足行业中最苛刻条件下的要求并达到最高的性能指标。说明采取不同材质的套管对最终成品的性能没有影响。但两者仍然有一些区别，首先采用PBT的套管可以减少光缆的外径，使得光缆更容易穿管，且生产成本较低。而采用PP的套管在接头盒中能更易于盘留和收容，更便于接入网的光纤单元管理，并且在一定芯数范围（如:≤432芯）内的光纤带光缆，不会影响在现有的28cm和33cm通信子管中的施工。

六、 结论

        通过以上试制、试验和分析，我们得到以下经验和结论：

        由不同材质的光纤带套管制成的层绞式光纤带光缆在性能指标中都能满足现有行业标准的要求，两者性能没有本质区别，也不存在优劣之分。

       套管的内空设计关系到光缆的性能。套管的侧压力大小可以通过套管强度因子和材料强度因子进行预估，要保证相同的套管侧压力，套管内空越大，需要的套管壁厚越大，并两者间不是同比增大的直线关系。

        PBT材质的光纤带套管需要更严格的生产工艺控制和管理控制。特别是要解决PBT材料的结晶后回缩问题，以及为保障套管弯折要求，必须保证一定的套管结构因子。

        PP材质的光纤带套管耐侧压能力达不到PBT套管的水平，因此必须增加套管强度因子来保证套管的压扁强度。同样条件下，采用PP材料的套管要厚于PBT套管，这样造成光缆成本的增加。

        套管纤容量的选择会影响到层绞式光纤带光缆的生产和使用。理想的光缆设计一方面有赖于客户的分纤要求，另一方面和减少半成品以达到合理的成本优化。

    参考文献：

    1.接入网用光纤带光缆YD/T981.3-2009史惠萍王则民

    2.光纤用二次被覆材料YD/T1118.1-2001和YD/T1118.2-2001胡战洪魏忠诚

    3.光纤与光缆邹林森编著

    4.Investigationofthe Lateral strength of buffer tube; Z.Gao, W.Pfandl, Wstocklein IWCS 45th

    5.AdvancedImpactpolypropylene buffering material for superior long team hydrolytic and thermo-oxidative stability; B.G.Risch, J.Auton, O.Tatat IWCS 47th

    6.Reliabilitytestingof fiber optic loose tube; Eickholt,J IWCS 42nd 

    7.Buffertube---thenext generation; M.Adams, J.holder, O.Tatat IWCS 44th 

    作者简介：

    马峻1991年毕业于哈尔滨理工大学电气绝缘与电缆专业,现任职于成都康宁光缆有限公司研发部从事光缆技术支持和工艺技术工作。

    肖斌1989年毕业于成都科技大学环境监测专业，现任职于成都康宁光缆有限公司质量及EHS部材料及硬件设备品控主管。

    白如勇1997年毕业于哈尔滨理工大学电气绝缘与电缆专业,现任职于成都康宁光缆有限公司研发部从事产品开发工作。

    裴利国1988年毕业于吉林大学化学系高分子材料专业,现任职于成都康宁光缆有限公司研发部从事产品开发工作。