光缆施工的探讨

一、引言
        2006年12月26日，发生在中国台湾地区的强烈地震，不仅仅破坏了人们的家园，也造成了多条国际海底光缆的意外中断，让网络社会处于一片混乱。由于其修复资金高，难度大，时间长，给人们留下了深刻的印象，也使光缆这个专业词汇出现在了许许多多普通百姓的嘴边，将光通信行业搬上了大大小小的讲台，其中我印象最深的是中央电视台“新闻会客厅”和“海峡两岸”两档节目对北京邮电大学光通信资深专家林中教授的访谈，林教授在两次访谈中都反复强调了一个问题：光缆在使用中，造成事故的不仅仅是天灾，更多的是人祸，不按技术要求野蛮施工，其比例远大于天灾造成的事故，其损失更多。林教授痛心疾首的呼吁：规范施工方法，提高施工质量，已成为光通信网络建设的当务之急。
 
二、光缆施工的探讨
        光通信产品由于自身的特点，要求在建设过程中采取一些方法来保护他们，而野蛮施工就是随意地、不规范地进行施工，损害了光通信产品的使用性能，使光缆在以后的使用中无法满足预定的技术要求，缩短使用寿命，甚至因故障而无法使用，给各方面资源造成浪费。对光缆技术要求不了解和工作不负责任都可造成野蛮施工，我们简单地从几个方面做一展示。
        施工中的光缆拉力
        在大多的光缆敷设现场，我们会看到这样的情况，由于光缆敷设的机械化程度不高，许多光缆的敷设是5~6名民工或一台小型拖拉机拉住光缆的外端，通过光缆盘的被动放线来完成的。这样，在敷设的过程中势必要对光缆产生一个拉力，通过对多个施工现场采集的信息的分析，这个拉力的大小对光缆的质量产生一定的影响。如果拉力超过了标准，将会影响光缆的长期使用。我们从光缆施工后的缆收缩和结构变形来进行分析。
        1、 缆收缩
        光缆是由各种不同的材料构成的一个集合体，根据光缆五种主要原材料来划分，包括无机材料（石英玻璃、金属加强件）和有机材料（塑料、油膏）等，他们的物理性能差异很大。

材料名称	线膨胀系数
塑料	1.3×10-4℃-1
金属	1.1×10-5℃-1
石英	5.4×10-7℃-1

        当光缆在施工过程中，承受了超过起规定受力时，将使光缆产生轴向拉伸应力，在此应力的作用下，光缆的后收缩停止，转而伸长，当光缆敷设后，残存在光缆内部的拉伸应力会缓慢的释放，和光缆材料自身的后收缩力一起，对光缆产生作用，出去光缆材料中塑性蠕变用去的一小部分力外，大部分的力要光缆的收缩来抵消，由于金属材料在受力时伸长率小于塑性材料，那么收缩时的相对距离也远小于塑性材料，这样将会在光缆施工完成后，在接头盒处产生下列情况：
        （1）松套管从光缆接头盒缩回光缆内，由此将光缆接头盒内的预留光纤拉成小弯曲或拉断；
        （2）光缆护套从接头盒中缩出，使缆芯暴露在外，失去保护；
        （3）松套管和护套同时从接头盒中缩出，只余下加强件和光纤在接头盒内，同时破坏接头盒的密封性，降低使用寿命。
        按照现在施工的方法，施工中拉力对光缆起的作用远大于光缆生产中的残留应力，而且光缆材料间的收缩的特点是只回缩不伸长，一旦回缩完毕，不会再次发生，因此，要想控制光缆收缩对光缆使用寿命的影响，只有控制施工中对光缆施加的拉力。
        2、结构变形
        上面说的是光缆在敷设中所受的拉力并没有达到对光缆结构起到影响的情况，那么，有没有拉力达到影响光缆结构的情况呢，答案是存在的。我们在处理一起GYTA33型光缆事故时的情况为，该盘光缆现场施工情况为，由开沟车开出1.5米深的沟槽，由牵引车牵拉光缆一端进行被动式放线，线拉出后直接放入沟中拖动敷设，为保证光缆整个截面受力，在牵引头处对光缆进行了处理和加固，应该说这样布线不会有问题。但在进行熔接时发现，该缆在每隔800~900米处就有台阶，且在1.5公里处还发生了断纤，施工方认为是光缆质量有问题，而且在对光缆解剖后也未发现束管变形的情况，对事件全过程分析后，我们总结了以下要点：首先，该缆是作为特殊型号光缆来进行生产的，在生产前制定了专门的工艺计划，遵守的技术标准是客户方提供的“满足短期拉力10000N，长期拉力4000N”并依照此进行了结构设计，根据生产流程质量控制记录，没有发现不符合工艺的地方，在该缆出厂前，还对它进行了拉力试验，结果显示拉力在15000N时光纤应变仍能满足标准要求，说明它的性能是超出预设定标准的。
        在此批光缆定单中并不仅有此一盘GYTA33型光缆，但只有这一盘在施工后出现了问题，对生产环节检查没有发现问题，我们又把方向转向了施工方法上，这种缆由于有大量钢丝进行铠装，自身的重量达到了450公斤/公里，这批光缆中其它GYTA33型缆均在2000米以下，只有这一盘为4000米，那么光缆自身净重就达到了1800公斤，也就是说如果拖动这条缆需要至少17640N的力，由于光缆盘是被动放线，假定光缆盘转动中的惯性使盘上光缆可以不受拉力地放出光缆所节约的拉力与已放出光缆与地面的摩擦力动态守恒，那么拖动这盘缆的拉力不会小于17640N，从拉伸试验的结果可以知道，缆的应变在13000N拉力的时候已经不再按照平滑曲线上升，也就是说此时作为铠装用的钢丝和缆芯的加强件在此时达到了临界点，再向后钢丝发生的是不可逆变形，而从光纤功率图上可以知道，光纤在16500N左右，其光纤功率曲线呈垂直上下的分布，而且密集，这表示光纤在受力的情况下，因束管围绕加强件移动而沿束管内壁进行着移动，有断裂的危险。基于以上判断我们又对光缆在断点处取样，解剖后发现，缆芯中束管确实没有明显的变形，但是整段缆芯没有了节距，且扎纱断开，两个扎纱断点间没有残余扎纱存在，由此可以证明在拉动过程中由于受力超过了设定的标准，导致光缆伸长，束管沿中心加强件移动，以释放节距来保护自身在光缆伸长的情况下不被拉长变形，因为扎纱是用来固定节距的，所以在节距释放过程到了一定限度时其被拉断。根据设计，释放节距每公里光缆可伸长20米，也就是说部分段的光缆伸长达到甚至超过了20米/公里，已经远远超过了光纤可伸长的距离，形成台阶甚至断纤也就很正常了，由于光缆的敷设不是一次性完成，每一次开始拖动是光缆所受的应力最大，最终造成了有多处产生台阶的情况，这种事故并不是施工方操作上的疏忽，而是施工中对光缆的技术指标不了解，错误认为同种光缆施工要求都一样，结果给各方面都造成了严重的经济损失。
        施工中光纤涂层脱落
        在施工中，曾遇到过这样的问题，在工程施工完毕验收的时候，发现部分接头盒中的光纤着色层脱落，打开密封好的接头盒发现并非是脱色，而是光纤的涂层与纤芯脱离，带掉了外层的着色层。进一步观察发现涂层与玻璃体脱开的地方大部分在保护管的内端，并且在保护软管内有雾状残留物，涂层脱落的光纤没有规律，属于随机性。
要想查清原因，我们先了解光纤涂层的作用。普通光纤一般包括玻璃层和涂层，生产中又在涂层外加上了着色层。涂层一般是聚合树脂材料，对玻璃层起到缓冲外界的作用力表面不受损失的保护作用，涂层本身的强度不足光纤强度的2%，因此本身的强度对光纤强度的影响很少，光纤强度约在600~800kpsi，这个强度是建立在高纯度和小的几何尺寸限制了裂纹的尺寸和频度的基础上的，当涂层破坏后，光纤在使用过程中极易被损伤，产生裂纹，导致光纤强度的下降。裂纹尺寸和强度之间的关系如下表：

裂纹尺寸（埃）	10	100	1000	10000	100000
强度（Gpa）	14	3.2	1	0.3	0.12

        首先选用不同光纤厂家的光纤，对其涂层剥离力（原始剥离力）进行测试，然后将其放到浓度95%的酒精液中进行浸泡。在1小时和2小时后分别对其涂层剥离力进行测定，结果如下表：

样品序号	剥离力
	原始	酒精浸泡1小时	酒精浸泡2小时
1	1.6	0.5	0.5
2	1.4	0.5	0.5
3	1.9	0.6	0.5
4	1.2	0.6	0.6
5	1.5	0.6	0.5

        其次，我们模拟施工环境进行实验，选取兰、桔、绿、棕、灰、白六种颜色经固化度测定合格的着色光纤进行二次套塑，然后从松套管中抽出光纤，用95%的酒精棉球擦拭干净，取2m长的保护软管，用酒精吹过软管使其光纤易于穿入，然后将软管两端密封，共做了3根这样的软管，放在恒温25℃的温箱中，待软管内有雾状出现时打开一只，到20天时打开一只，到30天时打开第3只，结果如下表：

样品色谱	实验结果
	3天	20天	30天
兰	表面有轻微粗糟感觉	涂层擦拭时轻微脱落	轻微擦拭涂层脱落
桔	无变化	无变化	表面有粗糟感觉
绿	无变化	表面有轻微粗糟感觉	表面有粗糟感觉
棕	表面有轻微粗糟感觉	涂层擦拭时轻微脱落	轻微擦拭涂层脱落
灰	无变化	无变化	无变化
白	无变化	无变化	无变化

        在实际施工中，熔接人员在光纤清洁和穿过软管时均使用了酒精，加之使用的酒精因没有密封保护，浓度降低，在软管内不易挥发，同时为了赶进度，熔接好后直接密封，使酒精残留在接头盒内，进而形成溶性气体环境，光纤涂层在溶气体作用下发生溶胀，进而脱落。
        从以上可以看出，光纤溶接时如采用酒精做为清洁剂去除填充物时，酒精的纯度要高，保存要密封，尽量不采用将酒精吹入软胶管内再穿裸纤的方法。如果坚持采用，在吹入酒精后暂不密封，对软胶管内通气，使酒精和水分随气流尽快挥发，以便光纤在密封的接头盒中有适宜的环境，保证线路的正常使用寿命。
        施工中的光缆弯曲
        在光缆施工中，尤其是层绞式光缆非自承式架空和管道施工中，光缆在敷设中会遇到拐角或者台阶，或者拖放时会遇到有棱角的坚硬地面，这些地方应注意什么，会对光缆造成什么影响，我们先对光缆在这种地方的受力情况进行分析，以光缆通过放线中使用的滑轮为例建立受力模型，见下图。        假定光缆在滑轮上无弹性伸长，R--滑轮半径；L--滑轮接触的一段光缆长度； N--滑轮对该段光缆在拉力下的正压力；α--光缆沿滑轮的包角；由于光缆是在滑轮上滑动，所以该段光缆一端的拉力为F，另一端的拉力为F+df，其中df是滑轮对光缆的阻力，通过对定滑轮上物体受力的分析，我们知道该处缆受到两侧的力，即N为两侧力之和，         因为α的值非常的小，所以sin（dα）≈dα，且略去二阶微量dF*sin（dα），得N=2F*dα，又因为该段光缆L与包角及滑轮半径关系为dL=r*sin（d2α）→dL=2r*dα，该缆的压强P=N/S，而S=L*πr²→P=F/（πr³）。
        由上面的分析我们可以看出，拉力和半径对光缆的受力的作用，拉力一定的情况下半径越小或半径一定时拉力越大，则光缆受到的压强就越大，其中滑轮半径的影响大于拉力的影响，也就是说光缆受力时的弯曲半径对光缆铺设后的质量有着很大的影响。
        按照国内通常所用的标准规定，管道和架空光缆所受的侧压要求为：长期侧压力300N/100mm，短期侧压力1000N/100mm。标准中的侧压力是光缆在100mm长度方向可以承受的额定压力，而对弯曲半径的要求为：光缆的允许最小弯曲半径静态10d，动态20d，d为光缆半径，静态是指光缆敷设后的长期使用过程，动态是指光缆敷设中。从以上规定可以看出，即要保证光缆的弯曲半径，又要保证光缆的受压力长度，这就要求滑轮的半径不能小于规定的规准。
        施工中的质量意识
        光缆以前被称为高科技的象征，虽然随着光通信的普及，也慢慢从神坛上走了下来，但是结构的科学性依然不容置疑，尤其随着光缆结构的优化，每一个部件都有其重要的作用，但是从一些施工现场看，这些应当起到作用的部件不仅没有被保护，反而被肆意破坏，我们在对一些山区施工现场进行跟踪发现，由于线杆尚未竖起光缆就已经铺开，光缆直接放在地面上，在有道路的地方也没有挖沟槽对它进行保护，而是随意放在路面任由过往车辆碾压。按照《核心网用光缆---层绞式通信用室外光缆》YD/T901-2001中的标准，一般光缆所能承受的压力短期为1000N/100mm，那么，从上面经过的车辆，恐怕每一个对光缆所产生的压力都要远远大于这个标准。由于是山区，道路上布满了有棱角的小石子，有些已经刺进了光缆护套中，这样的光缆铺设好以后，如何能保证验收合格？又怎么能保证使用寿命呢？还有一些工地，光缆盘随意露天堆放，盘具因长时间的风吹雨淋已经变形甚至散了架，光缆经过暴晒雨淋其寿命难免受到影响。非常明显的一个例子：80年代初国外建立的一些实验光缆，到今天光纤依然能正常运行，但是护套已经开裂损坏，从而导致了光缆也无法正常使用。因此，光缆的使用寿命，不仅仅依赖于光纤等核心器件，更重要的是其整体质量。
 
三、结语
        以上只是光缆施工中危害到光缆使用性能的一些方面，在实际中还存在一些其他的问题，都应该引起施工方的注意，合格的光缆产品，不仅仅是生产厂家生产出的合格光缆，同时也是施工后的合格光缆，在当今光缆生产厂家努力提高质量意识，光缆敷设线路设计更加科学化的同时，施工质量的好坏将直接影响到使用寿命，只有三者齐头并进，才能达到为国家通信事业更好服务的目的。