光纜制造的基礎技術分析及發展方向

2018/9/30 8:17:10??????點擊:

1、引 言

本文介紹了我國光纜生產制造30年來,在技術工藝路線上發生的改進和提高,并對現有的工藝設計基礎進行了分析,希望能對光纜技術工藝發展方向提供有益的基礎依據。

自1982年第一根實用化多模光纜在中國的應用開始,我國的光纜制造和產業化發展已歷經30個念頭,經歷了9年一次的三起三落,發展到今天,形成了世界上最大的光纜產業和相關產業群,年產能達到近1億芯公里,年實際產量達到8千萬芯公里。作為世界上最大的光纜制造國,我們光纜企業回首看產業的發展,與這三十年來光纜制造工藝的技術創新是分不開的,中國企業在骨架、中心管、層絞三種結構的選擇上、在光纜機械性能的研究上、在工程應用以及在理論推算和總結上都已處于世界先進水平。

2、1982-1990年中國光纜制造的探索階段

中國的光纜制造可以說與國際同步開始,但在基礎工業和工藝落后的九十年代,我國的光纜工藝以引進技術為主,其中侯馬電纜廠為主的骨架式單螺旋絞光纜出現的最早,之后出現了中心管式的結構,武漢郵電科學研究院開發的中心束管光纜(農話纜)至今仍是一個重要的光纜品種。

2.1 骨架槽光纜

早期的光纖技術還不完善,在光纖表面的涂層還是采用的熱固化的硅樹脂,光纖的脆弱使得光纜的?;じ匾?,在成纜中的控制也要求更高,當時的光纖對側壓、-OH、彎曲更敏感,因此,開發出了復雜工藝的骨架式單螺旋絞光纜,把裸纖放在S絞的U型骨架槽內,從單纖骨架開發到多纖骨架,采用色譜區分技術來區分同一骨架槽內的光纖。光纜的結構如下圖所示:

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圖一 骨架槽光纜

骨架槽設計思想來自電纜,對光纖側壓有很好的?;ぷ饔?,靠光纖在槽中的位移來抵抗拉伸和溫度變化光纜的形變。但其缺點是明顯的,首先骨架槽的制作工藝要求高,效率低;其次,成纜的設備復雜、收放線同步要求高、退扭復雜、速度很慢,對大芯數光纜無法實現;最后,在工程應用上發現,油膏的質量和填充對光纜壽命的影響很大。鑒于這些問題,這種結構在九十年代初期就陸續被淘汰了,但其某些特性和思路還將被現在使用,這在后面將介紹。

2.2 中心管式光纜

以美國AT&T公司為代表的中心管松套結構,因其光纖位于光纜的中心,具有良好的彎曲特性、結構緊湊,引進后成為一個主要品種,武漢郵電科學研究院結合我國幅員遼闊、當時光纖通信容量不大的特點,開發出第一個有中國特色的光纜專利產品,中心束管式光纜。結構見圖二:

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圖二 中心管式典型結構

中心管結構也有幾種形式,最早的沒有鋼帶鎧裝,采用平行鍍鋅鋼絲加強,存在滲水和低溫特性不夠好的問題;后來增加了鋼帶鎧裝,是我國第一個光纜鋼帶縱包成型工藝,采用了分級成型,鋼帶平帶對接、熱熔膠粘接工藝,解決了滲水和高低溫的問題,并確定了鋼帶的技術標準雛形,但光纜十分難開剝;最后發展到了用阻水帶或油膏填充工藝,進一步合理化了該結構。但從結構特性上來看,出現大于12芯時,需要采用復雜的扎束技術來區分光纖,后來開發出了噴環工藝,用于OPGW。當多組光纖放在一個套管中時,需要多個放纖架,設備的利用率受到限制,不利于大規模的生產,同時在工程上也不便于分歧。

中心管光纜制造中的關鍵技術是光纖在套管中的余長控制技術,在這一時期先出現的是速差法余長控制技術,通過牽引輪和履帶牽引間的1-8‰速度差來控制,該方法具有直觀可控性強的優點,但也具有設備復雜易磨損后不準確的問題;后出現的是水溫控制余長的方法,這是一個重大的進步,通過兩級水槽和中間牽引輪來控制余長,缺點是不同規格間需要通過工藝摸索來穩定工藝參數。目前水溫控制法廣泛用于層絞套管的生產,但對于大余長的穩定生產,該方法還是有困難。

雖然中心管光纜出現了很長時間,但真正能做好這個產品卻不容易,其縱包成型工藝會減小余長,包覆太松,將導致高低溫時套管收縮或伸長,工程上會出現在接頭盒處斷纖或損耗增加,為此IEC增加了一個試驗,但未被國內采用;包覆的緊,吃掉過多余長,導致抗拉伸能力的下降。因此,有一段時間對這個結構的爭論很多,其實,產品的好壞和生產企業的制造穩定和可控性在這個產品上反映的很明顯。

2.3 其它結構和情況

在這個時期出現了一些結構上的探索,如緊套結構的室外光纜,緊套結構比裸纖具有更好的?;ば?,但損耗大,與同樣結構的松套光纜比機械性能差,生產效率低,沒有被選作長途光纜。

中心管結構的一個變形就是鋼絲鎧裝結構,至今仍有采用,采用0.6-1mm的單細低碳鋼絲絞繞在套管外,加上鋼帶縱包護套,這個產品在廣電系統應用的多些。

在這個十年中,中國的光纜產業發展是離不開原材料廠家的創業開端的,最開始的原材料都是進口產品,如纖膏、纜膏是進口UNIGEL、ASTOR等的,阻水帶是蓋克的,PBT是德國赫茲等的,只有鋁帶是用電纜鋁帶代替的。到了80年代末,相繼出現了一些研究原材料的研究所和企業,在纖膏、纜膏、阻水帶、復合金屬帶等方面開始研究和試驗。

3、1991-2000年中國光纜制造的發展階段

在90年代,受中國通信建設特別是光纖通信建設持續增加的影響,中國的光纜產業在這一時期得到了長足的發展,在品種、工藝裝備、原材料、理論基礎、檢測技術等多個方面都得到顯著的增強,這一時國家的光纜需求主要是干線,因此在結構上是一個趨同化的進程,在光纜結構和制造工藝上有以下幾個大的類型。

3.1 層絞式光纜

1991年武漢郵科院引進了NOKIA松套生產線,并從法國引進了S絞成纜線,層絞式光纜開始廣為應用,對于S絞結構,采用了收放線同步退扭技術,光纜節距穩定,油膏填充繞包聚酯帶,優點是光纜性能穩定,并且奠定了今天光纜余長設計的理論基礎,缺點是設備復雜,效率低,能耗大。到了1995年開發出了SZ絞成纜設備,大大簡化了成纜設備,提高了生產效率,采用雙偏芯扎紗、SZ往復絞合工藝,油膏填充,縱包或繞包包帶,最大生產12單元管,開發了填充繩作為填充單元,設計了領示色和全色譜兩種區分方法,光纜的典型結構如下:

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圖三 層絞式光纜典型結構

層絞式光纜按使用可分為直埋型,如GYTA53、GYTY53、GYTA53+33等,管道和架空的主要是GYTA和GYTS?;げ憬峁溝牟煌賈鹿ひ丈系那?,出現了扎紋縱包工藝和鋁帶平帶工藝,出現了熱熔膠粘邊工藝。

SZ絞工藝在中國光纜產業發展中占據重要的地位,所有光纜廠都有SZ成纜線,并在S絞設計原理的基礎上,對SZ絞形成了完整的拉伸、溫度形變的理論,并用于指導實踐生產。

3.2 帶狀光纖結構光纜

與套管技術不同的是把多根光纖并排成帶技術,這一技術最早還是日本,用于骨架式帶纜,而引入中國最早的是中心管式帶纜。光纖帶的關鍵技術是并帶,主要指標是平整度的控制,并帶用的著色光纖也與普通著色纖的著色工藝控制不同,并帶另一個關鍵就是收排線的整齊度和張力要與套管工藝匹配。下面依次是層絞式帶纜、中心管式帶纜、骨架式帶纜的結構圖。

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圖四 三種典型帶裝光纖光纜結構

帶纖套管工藝中的帶纖都是采用S或Z絞進管的,因此其余長的概念與普通套管是不同的,由于套管粗,一般都沒有采用輪式牽引,采用多是履帶牽引,控制余長的關鍵參數是:放帶張力、入管節距、模具(多個)、水溫和收線張力,其理論計算要特別計算每個邊帶邊纖的應變,并且與實際測試結果結合應證,在開始階段各廠設計的占空比和節距都比較大,伴隨成本壓力的增加,工藝技術開始向小結構方向努力,在帶纜結構上最能體現各廠的工藝控制能力。

骨架帶纜因其無油膏,在應用上有其特色,在這一時期只有長飛公司引進了這個技術,但用途不廣,問題主要有:不能做12芯帶,降低了一次熔接的芯數,采用S絞,不便于任意分支,設備復雜、成本高、效率低。

3.3 OPGW光纜

在這一時期,中國電力網建設迅猛,推動了電力系統通信的需求,先后產生了ADSS和OPGW,對于ADSS在工藝上主要是增加了芳綸絞工藝,在控制上,主要是設計了大余長光纜,而OPGW應該說是一種全新的大量應用的品種,其結構如下:

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圖五 OPGW代表結構

OPGW(復合光纖架空地線)采用了不銹鋼焊接技術,包括不銹鋼帶表面處理、切邊、成型、無縫氬弧焊、充油、拉拔、探傷等多個復雜技術,把多根光纖放在不銹鋼?;す苤?,外單向絞鋁包鋼絞線,即使是雷擊等大電流通過光纜時也不會損傷光纖。由于其優良的應用特性,廣泛被新建電力系統采用,形成了一個近30億規模的產業,而其不銹鋼管套管技術為海纜的實現打下了伏筆。

3.3 其它工藝技術

紫外線光固化著色技術,從熱固化的600米/分鐘,發展到1500米/分鐘,材料用量減少了,效果和效率都大幅提升;著色環技術,在著色線上增加噴環裝置,可以達到在光纖上噴多個環或不同顏色環來區分同色纖的作用;高速套纖工藝,為提升生產效率,拉大與國內設備商的技術差距,國外的套纖設備商開發了一系列高速套纖的技術,包括充油控制系統,把舞蹈輪改為線位儀控制,大盤長,自動換盤,使得生產速度達到250米/分鐘開發了絞盤工藝,降低摩擦,改進了絞管工藝,提出了力矩棒工藝,是為了提高效率和減小換向點的距離;閉合模鋼帶成型技術,在吸收國外模具設計原理的基礎上,中國設備開發企業也開發出自己的成型模具,使得每個操作工都能更換模具;取消了包帶工藝,最早是為了防止護套工藝的熱量傳到套管上開發的聚酯帶繞包工藝,因無明確的應用證據被大多數廠取消;在測試技術上北郵開發自己的機械性能測試儀,并廣泛裝備各光纜廠,提出了B-OTDR,并用于海纜的生產;這一時期,國內材料廠紛紛成立壯大,武漢化學所為代表的國家研究機構光纜油膏的產業化,秦邦代表的民營鋼鋁帶企業,還有鋼絲從鍍鋅改為磷化,走了一條有特色的路,這些產業的發展有力的支持了我們國家光纜產業的進步。

進入二十一世紀,光纜產業發展經過兩輪低谷,多個兼并后形成了以五大集團為主的產業格局,這一階段,各企業不僅在產能上競爭,在新技術上也加強了差異化,中天、通光在海纜、電力纜上優勢比較明顯,長飛、特發有骨架帶纜,烽火通信在FTTX上領先,因此新的工藝技術不斷,并且傳統層絞式光纜,出現了同心扎紗,使生產速度提升到70米/分鐘,成為現在最主流的成纜技術,護套出現了標示線光纜,為光纜長期使用提供了永久性區分,這一時期的主要特色產品如下。

4.1 微管類光纜

DRAKA提出氣吹微纜本來只是個概念,但隨著接入網建設的展開,微纜的時代開始了,這種采用氣吹施工技術,預先敷設管道的系統工程在城市網絡建設中有明顯的優勢,其基本結構如下:

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圖六 氣吹微纜及管道代表結構

這種結構對于光纜工藝的關鍵技術為套管尺寸的改小,12芯光纖套管的尺寸要做到1.6mm,對設備控制精度有很高的要求。于是開發出了在并帶線上生產UV光纖束的工藝技術,采用紫外光固化材料對多到12芯的光纖進行半松的包覆?;?,可以做到12芯束外徑1.3mm,這一技術不僅可用于做氣吹微纜,還可廣泛用于FTTH的接入領域,結構如下:

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圖七 UV光纖束

烽火通信目前以實際生產出4、6、8、12芯該UV單元,并通過高低溫循環試驗,基于這種結構單元可開發出多種形式的新結構光纜,可以是中心管式多束結構,也可以是蝶型多芯纜,應用廣泛。

4.2 FTTX蝶型光纜

二十一世紀的光通信推動力來自FTTX、3G、多網融合,其實都是最后一百米的融合應用,在這個推動力下,參考日本的建設經驗,中國企業開發出了接入網用蝶型光纜,代表結構如下:

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圖八 三種典型蝶型光纜結構

蝶型光纜的出現不同于以往的設計思想,它是裸纖直接護套的技術路線,是基于接入網最后一百米的要求來設計的,有管道和架空、管道引入等形式,工藝路線是著色、護套或有的需加鋁帶?;?,對于光纜的抗拉和溫試都是與普通光纜不一樣的,而且考慮了燃燒特性和環境安全因素。

該結構的難點在于光纖損耗的控制,光纜結構尺寸的控制(需要與快速接頭配合),最新的要求表面摩擦系數小,便于多根光纜在一個管道中施工。

4.3 室內軟光纜

傳統的室內光纜主要是跳線用光纜和短距離樓內連接用光纜,但FTTX開始后,樓內的光纜類型開始增加,有分支光纜、布線光纜等。

這些光纜工藝上都基于緊套工藝,材料有PVC、HYTREL、PA、LSZH等,與以往的松套工藝區別比較大,對剝離有各種要求;

典型結構如下:

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圖九 典型室內光纜結構

4.4 自主知識產權的光纖光纜類

進入二十一世紀,各光纜廠的新應用,新產品很多,下面介紹幾個有自主知識產權,代表中國產品最新技術的品種:

4.4.1 光電混合光纜,旨在解決取電困難的通信點,把電線與光纖在一根纜中結合,結構上采用了層絞設計,但由于有電源線在其中,在結構尺寸上變化較大,特性中也增加了電源線的部分,結構如下:

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圖十 光電混合纜代表結構

4.4.2 雨(污)水管道光纜,旨在利用管道資源,開發新的路由,在結構上結合了ADSS和GYTA的特質,在應用上采用自承式架于管道上壁,在防潮上用鋁帶?;?,結構如下:

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圖十一 雨(污)水管道光纜典型結構

4.4.3 3G室外設備連接用光纜,旨在解決BBU和RU直接連接的問題,解決了室內設備與室外設備的一次性連接,在工廠做好連接頭后直接應用。結構上采用緊套結構,外護套采用TPU材料。

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圖十二 3G室外設備連接用光纜典型結構

4.4.4 小結構分立光纖骨架式光纜,旨在解決接入網小管道多芯數的應用,結構如下:

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圖十三 分立光纖骨架式光纜代表結構

4.4.5 路面開槽光纜,旨在開槽施工方法下敷設光纜,解決某些小區水泥路面接入的問題,而有趣的是在有些國家,采用沿馬路開槽的方法敷設光纜,并有明確的施工方案。

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圖十四 路面開槽光纜典型結構

5、總結

光纜結構變化是出于應用的驅動,在第一個十年中是長途干線建設,光纜芯數不大,結構相對單一,出現了層絞光纜,帶動了設備制造,材料制造等產業的開始,第二個十年中城域網和移動的建設,使得中國的光纜產業有了質的變化,設備制造和材料都發展壯大,在第三個十年,接入網和3G建設蓬勃興起,三網融合方興未艾,上下游基本產業鏈已完整,光纜結構變化多種多樣,作為一名長期從事光纜生產制造的技術管理人員,回顧以往的光纜技術發展路線,正如螺旋的階梯,每一個新技術都是在舊技術上煥發的新的光彩,每一個跨越式的突破都是以往積累量上的質變。