一种水密铠装光缆的设计制造及其阻水工艺研究

2022-08-08缪小明

电线电缆 2022年2期

赵静，缪小明，缪斌，谭枫

（江苏中天科技股份有限公司，南通 226463）

0 引言

随着我国国防力量的不断加强和海洋经济的迅速发展，各类海洋装备的需求也不断扩大，对其配套设备和材料的性能要求也越来越高。通信用水密光缆广泛应用于潜艇、航母、军舰、载人潜水器等军用领域，也应用于隧道、水底监测系统、船舶、水上发电场、水上平台通信等民用领域［1］。根据水下装备用光缆的应用环境，水密光缆须满足较高的机械强度，全截面阻水，适应狭小设备空间的同时又能有效防止动物啃咬破坏，在水下环境中能保持长期稳定的工作。

本工作开发了一种6 芯水密铠装光缆，通过对光缆结构的设计和阻水工艺的研究，满足4.5 MPa纵向水密性能，提高光缆在水下和舱内浸水敷设环境中的性能稳定性及使用寿命。

1 设计与制造

1.1 光缆结构设计

水密性能包括纵向水密和径向水密两个方面，通常光缆的纵向水密性能，即衡量水下用光缆在遇到外物破坏或长时间的摩擦导致外护套破裂时，阻止水进入光缆内部及沿光缆轴向渗透进设备仪器的能力［2］。本工作设计的光缆要求在承受纵向4.5 MPa静水压下，缆芯不会发生明显滑移，且光缆端面无水渗出。

根据GJB 1428B—2009《光缆通用规范》［3］、MIL-DTL-24643C：2009《舰船用低烟无卤电缆通用规范》［4］，及客户的实际应用需求，本工作设计的6 芯水密铠装光缆结构示意图见图1。

水密光缆的结构特点如下：

（1）通过在光缆缝隙填充阻水膏，在承受纵向4.5 MPa 静水压下，有效地阻止水分向光缆内部纵向渗透，同时光缆端面任何元件相对护套的位移不大于6.4 mm。

（2）采用耐水解、耐腐蚀、耐磨损的聚醚类阻燃型聚氨酯双护套，结合柔性钢管铠装与金属编织铠装的双铠装设计，提高光缆的柔软性和抗侧压能力，确保光缆径向耐水压能力。

（3）满足8 倍缆径的最小弯曲直径，且具有防动物啃咬、耐磨损、耐油、耐盐、阻燃等性能，保证光缆在恶劣敷设环境中的性能稳定性和使用寿命。

1.1.1 光单元设计

本工作采用G.657.A2 弯曲不敏感单模光纤，制成尼龙紧包光纤，提高光纤的抗冲击性能和耐化学性能；同时在6 根紧包光纤与中心加强件纤维增强复合塑料（FRP）之间填充一种阻水膏，采用聚氨酯内护套对紧包纤单元进行挤塑包覆，使得结构紧密无缝隙，提高光单元的水密性能。该结构的光单元，具有较好的柔软性和弯曲性能，适合舱内狭小工作环境中的光缆敷设，可保证光缆的传输性能。

1.1.2 铠装层设计

为了满足光缆的抗侧压、抗拉和弯曲性能，本工作设计了内层柔性钢管铠装与外层镀锌钢丝编织铠装相结合的铠装层结构。内层螺旋绕制的柔性钢管铠装层，其抗压性能优于金属复合带铠装，弯曲性能也优于多根平行钢丝铠装结构；外层的镀锌钢丝编织层，编织覆盖率不小于88%，提高了光缆的抗拉性能，还能有效地防止鱼类和啮齿类动物的啃咬。

1.2 光缆制造工艺

根据6 芯水密铠装光缆的结构设计，其主要生产工艺包括：①尼龙紧包光纤生产；②光单元成缆挤制内护套；③柔性钢管铠装及编织铠装；④聚氨酯外护套生产。为了确保光缆的水密性能，光缆生产过程中阻水工艺的控制是关键。

1.2.1 光单元制造工艺

光单元制造工艺流程见图2。

光单元制造工艺要点包括：①在紧包光纤生产时对紧包层与光纤之间的空隙进行抽真空处理，使聚酰胺紧包层能够紧密包覆光纤，达到紧包光纤的水密效果；②在紧包光纤和中心加强件绞合的缝隙填满阻水材料，保证整个光单元的阻水性能。

1.2.2 铠装及护套工艺

铠装及护套工艺流程见图3。

铠装及护套工艺控制要点是分别在柔性钢管铠装层缝隙和金属丝编织铠装后的缆芯单元外填充阻水材料，从而保证光缆全截面的阻水性能。

2 阻水工艺

2.1 阻水材料

常见的水密缆用阻水填充膏有3 种类型［5］，分别为吸水膨胀型阻水填充胶、半固化型阻水填充胶、密封抗水型阻水填充胶。本工作分别选用了吸水膨胀型阻水膏（样品A）、半固化型阻水膏（样品B）和密封抗水型阻水膏（样品C）3 种阻水材料在25 ℃下进行试验，其性能参数见表1。

表1 阻水膏性能参数

3 种阻水膏都具有优异的触变性和室温冷填充性能，固化后无收缩，具有耐水压冲击、不黏手、易剥离、柔韧性好，可以与聚酰胺纤维、聚氨酯材料、不锈钢丝黏合，与光缆材料相容性良好等特点，但存在以下几点差异：①从材料类型上分析，样品A、样品B两种阻水膏均为双组分室温交联型阻水膏；样品C阻水膏为单组分室温硫化硅橡胶。 ②从填充工艺上分析，样品A、样品B 阻水膏都需要将双组份按一定比例混合均匀，混合后剪切强度小、锥入度大，适合直接涂覆或压力填充；样品C 阻水膏剪切强度大，不合适直接涂敷，需要压力填充。 ③从固化后性能特点上分析，样品A 具有吸水膨胀能力，黏附性最好；样品B 质地柔软，在高水压下易发生形变，黏附性最差；样品C 表面固化快，但是内部完全固化比样品A、样品B 慢，使用时可以添置一个加热装置加速阻水膏固化进程。

2.2 填充工艺

传统的水密缆阻水膏填充工艺一般是将阻水膏直接涂敷在缆芯表面，或者将缆芯穿过一个装有阻水膏的容器，通过手动施加压力实现阻水膏填充，简易装置示意见图4。

图4 传统的阻水膏手动填充装置示意图

在实际生产过程中，容易出现以下问题：①阻水材料填充不充分，容易出现漏水现象，耐水压等级小；②挤制护套时，表面多余阻水材料易阻塞模具；③间接提高了材料和人工成本。

基于以上原因，本工作开发了一种阻水膏自动填充工艺，设计了一套气动压力填充装置，该装置示意图见图5。在缆芯绞合处采用了一个带孔的注胶并线模，方便插入注胶阀的枪嘴；通过气压调节出膏速率，保证阻水膏在一定压力下完全填充在缆芯缝隙中；然后通过一个尺寸合适的过线模将表面多余的阻水膏去除。该填充工艺自动化程度高，能精确控制填充量，保证阻水材料充分填充且均匀稳定，更适合工业化生产，能有效地解决手动填充工艺存在的问题。

图5 气动压力填充装置示意图

3 性能测试

3.1 水密性能

本工作分别选用了样品A、样品B、样品C 3 种类型阻水膏，采用阻水膏自动填充工艺，制备了6 芯水密铠装光缆。参照GJB 1916—1994《舰船用低烟电缆和软线通用规范》［6］对光缆的纵向水密性进行测试，测试条件为试样长度1.5 m、压力4.5 MPa、时间6 h，试验结果见表2。由表2 可以看出，填充样品B 阻水膏的光缆光单元存在位移且自由端出现漏水，无法满足耐4.5 MPa 纵向水密性能要求缆芯端面不漏水的设计要求。因此，在水密光缆的阻水材料选择上，一般选用吸水膨胀型阻水填充胶或密封抗水型阻水填充胶；而半固化型阻水填充胶固化后呈凝胶状，质地柔软，黏附力差，在较高水压下不能起到很好的阻水作用，可导致光缆出现渗水。