阻燃光缆的生产、敷设与应用研究

2022-11-26苏荣杨屹

电子元器件与信息技术 2022年5期

苏荣，杨屹

中国信通院泰尔认证中心，北京，100088

0 引言

近年来,由于我国通信业务的飞速发展，人们在对光缆产品的需求不断增加的同时，安全和健康问题也始终得到生产者与用户的关注，并逐渐成了当今社会生产的关键焦点。通信光缆是国家和社会的通信命脉，也是现代信息社会的重要基石，其安全问题必然不可忽视。虽然良好的力学、传输性能是光纤和光缆产品的基本要求，但对于布设于高层建筑室内以及一些电力、矿用、地铁、隧道等特殊场合使用的光缆也对阻燃性能提出了明确的要求，因此了解不同阻燃光缆的生产要素、应用特点与敷设方式对光缆生产者和用户都具有重要意义。

阻燃光缆是一类可以延迟着火并减缓火灾传播速度的新型光缆。在阻燃光缆脱离明火影响范围后，燃烧火焰将迅速自动熄灭，可避免进一步的火灾破坏。通过近些年来的持续投入，研究者与生产者已陆续开发出各种适合于不同使用场合的光缆阻燃技术。目前阻燃光缆已大规模应用于建筑内综合布线、电力通信业、航空业、航海业、采矿业、轨道交通业以及各种易引起火灾事故的特种通信场合[2]。由于当前国内阻燃光、电缆的工程建设缺乏明确、具体和详细的技术操作标准，实际工程往往只能靠工程师的个人工作经验来开展，长此以往，将造成许多工程问题难以被发现与监测，阻碍工程质量的进一步提升[3]。针对此类问题，本研究根据阻燃电缆的类型和构造，着重就阻燃光缆的生产要素、应用与架设进行探讨分析[1]。

1 阻燃光缆生产要素

1.1 阻燃材料

加工阻燃光缆外护套材料时，生产厂家一般会在塑料中添加适当的阻燃剂，使护套在燃烧过程中能降低其物理或化学反应的能力，从而提高护套料的阻燃性能。按照化学分子结构其可分为卤系阻燃剂和无卤阻燃剂，常用的阻燃剂多含有卤素和磷、氯、溴及氢氧化铝、氢氧化镁等。

通常维持燃烧所需的是自由基连锁反应，而常用的卤系阻燃剂是以终止自由基连锁反应机理而发挥阻燃的作用。卤系阻燃剂通常包括溴类、氯类、磷类三大类别，优势在于对复合材料的力学性能几乎没有影响，与基体树脂相容性好，分解温度大多在200～300℃。卤系阻燃剂与各种高聚物的蒸发温度与分解温度范围相近，所以高聚物在分解时，捕捉高分子材料分解时的自由基，阻止、延缓或抑制燃烧链的反应，形成气相阻燃、凝聚相阻燃的协同效应，提高了阻燃效率，减少了阻燃剂的添加量。卤系阻燃剂虽具有以上阻燃优点，但这些材料的分解和燃烧产物是对人类有毒害的物质，且燃烧时释放出的气体具有高腐蚀性，往往会诱发“二次灾害”。

无卤阻燃剂有磷氮系无卤阻燃剂和无机阻燃剂。这两类化合物，分解和燃烧时不挥发、不产生腐蚀性气体，为无公害阻燃剂。目前，光缆生产中无卤阻燃剂主要为无机阻燃剂。低烟无卤阻燃料的基材一般以聚乙烯为主，再填充一部分阻燃剂、润滑剂、交联敏感剂等来降低发烟量，提高阻燃性能、挤塑性能和可交联性等。

从目前用户要求的阻燃等级及环保要求来看，无机阻燃剂与有机阻燃剂阻燃效果略低，添加量大造成无机阻燃剂远大于有机阻燃剂的消费量，还需进行技术改进。

1.2 挤塑设备

挤塑设备最关键的部件就是螺杆，影响挤塑质量及效能的特征主要有螺杆直径、长径比、压缩比、螺距、螺纹宽度、螺纹深度、螺旋角、螺杆与螺膛之间的间隙等；不同类型的塑料对螺杆有不同的要求，即挤制阻燃料时宜采用专用螺杆而非挤制普通聚乙烯或PVC塑料的普通螺杆。

挤制阻燃性护套首先需要将阻燃材料进行塑炼，使阻燃材料从小颗粒物质转变为具有高可塑力的黏性流体，该工艺过程主要是在挤塑机的机膛里进行的。

大量难以熔化的金属氢氧化物被填充入无卤阻燃材料中，极大地提升了无卤阻燃材料的熔融黏度，易导致高分子化学键断裂，并使得护套材质的热抗拉强度和断裂伸长率等力学性能显著下滑，进而出现材料外表破损等问题。在制造过程中，由于螺杆转动时形成的剪切力比较大，因此物料分子之间、螺杆与物料、物料与螺膛之间的碰撞、挤压与摩擦都较其他材料更为剧烈，增大了生产的剪切热，进而造成实际生产温度较设计环境温度高出许多，影响挤塑的品质（出现焦料、气孔、老化等质量问题）。因此，制造商对所采用的阻燃螺杆材质和工艺有许多特殊的要求。

1.3 挤塑模具

影响挤塑产品质量高低的因素不仅有挤塑螺杆的设计，机头挤塑模具的设计也与产品质量有着很重要的关联。护层挤塑用的模具主要包括挤压式、挤管式和半挤压式三种。三种模具的结构基本一样，仅仅在于模芯前端有无管状承线部分或管状承线部分与模套的相对位置的不同。

（1）在挤压型模具中，模芯不存在管状承线部分。模盖定径区内侧与模芯保持一定的空间距离，使塑料直接挤压在缆芯上，因而出胶多，挤包在缆芯的护套层紧密，外观平整，但当温度或螺杆转速有变化引起机头压力变动时，容易发生偏心，工艺质量不好控制。

（2）对于挤管式模具，管状承线部分伸出模套外或平模套口。由于管状承线部分的存在，使塑料不是直接挤压在缆芯上，而是沿着管状承线部分向前移动，经过拉伸再包覆在缆芯上，虽然该模具有护套层紧密性能差的缺陷，并且外形上无法达到挤压型模具的圆整度，但是该模具挤出速率快，生产时的操作简便，塑料厚度均匀易控制，同时塑料的力学、物理老化性能比挤压式挤出的要好。

（3）对于半挤压式模具，其模芯的管状承线部分不伸出模套口，而是稍向里面些，使塑料挤出时有一个对缆芯的压力而紧包它，半挤压式介于挤压式与挤管式之间，是一种过渡形式。生产时，对缆芯直径一致性及设备收放线张力精度要求较为严格，否则生产时易出现“竹节”现象。

虽然护层挤塑用的模具有三种，但生产阻燃护套料时，由于塑料加工的特性，光缆生产厂家采用挤管式模具较为广泛。

挤管式模具在设计、选配使用时需考虑：

（1）模芯的中心孔径是通过缆芯而设计的，为了固定缆芯的位置，孔径仅能比缆芯的直径略大一些，如模芯孔太小，缆芯容易刮伤或护套表面起“竹节”；太大容易引起偏心，又会引起塑料倒流，致使缆芯拉断；模芯内孔比缆芯大0.5～1.2mm。

（2）模套孔径直接影响着产品的结构尺寸和制品的表面质量，太大了会使挤出品表面粗糙无光或表面“起筋”或“脱料”；太小了，挤出品虽然表面光滑，但粗细不均；模套孔径比缆芯外径大（3～4）t mm（t为护套厚度）。

（3）模芯和模套承线部分的长度。模芯承线太短，容易因磨损而被扩大，此时线芯的位置不能固定，易产生偏心现象；如果太长，则挤出压力偏小，缆芯所受的摩擦阻力增大，可能引起断缆；模芯承线部分长6～10mm（随模芯尺寸大小略微变动）。

（4）模套承线部分的长短与机头内的压力很有关系，承线部分较长时，塑料不易流出，机头内积累较高压力，否则塑料随来随流，挤出压力不足；模套承线部分为1～3mm（随模套尺寸大小略微变动）。

（5）在拉管式模具生产时，模芯与模套的端面一般相平，当需要对管壁内径的大小进行微调时，可前后移动模芯位置，如模芯前伸凸出，则管壁内径变大，而管壁厚度变薄。

（6）另外，在生产过程中要进行抽真空，提高挤包塑料层与缆芯表面紧密程度。抽真空不良，易使护套表面“起筋”或起“竹节”。

2 阻燃光缆的应用

阻燃光缆使用范围很广，在人口密度较高的公共区域，应该尽可能选择采用低烟无卤的阻燃光缆。对于人口密度较小的工业生产区，通常采用低烟低卤阻燃光缆。与低卤阻燃光缆相比，无卤阻燃光缆具有腐蚀性低和产烟量少的优势，但其热力学性能和电性能都明显下降。因此，在进行铺设设计时，应使低烟无卤阻燃光缆的弯曲半径更高[2]。此外，不宜将非阻燃光缆与阻燃缆并行铺设，也不能并行铺设不同类别的阻燃光缆。

供电通信中，除了主用特种线缆以外，还会使用具有防雷特性、防止电腐蚀及保障终端安全的全介质阻燃光缆，并主要利用吊线钩挂架空和管道敷设光缆。若与其他光缆同沟铺设，则要充分考虑该光缆的阻燃效果和等级条件。而另外一个应用方向就是用作特种光纤的引入光缆，这也是目前电力通信中的最常见使用形式。

地铁、轨道等通信系统并非独立的子系统，而是几个单独的子系统的综合。它以数据传输系统为核心，与各子系统配合进行话音和数据连接互通，同时还有无线通信、视讯、乘客信息等服务。因此，地铁、轻轨系统对通信光缆的需求更加关注阻燃和振动特性[5]。

在煤矿井路中通过光纤实现视频数据的传输。由于光缆传送距离很长，有利于实现与井底监控中心、矿井安全监控指导管理中心和省局监测指导管理中心的网络连接，使煤矿安全管理方面的工作不断向规范性、科学性和数字化的方向上发展，进一步提升了煤矿生产作业安全水平[3]。

阻燃光缆的应用领域还远不止这些，其他如室内综合布线、飞机和船舶集束线、计算机中心、油井平台等都会涉及阻燃光缆的使用。

3 阻燃光缆的敷设

3.1 管道敷设

对于部分类型的阻燃光缆，其缆芯内部不存在金属加强芯和金属护层，因此其铺设中承受的极限拉力低于普通的通信光缆，且抗侧压性能也低于常见的各类金属套光缆。这类阻燃光缆在通过管道铺设时，需要依靠机器和人力结合的牵引方法进行布放。根据电缆铺设地区的空间开阔程度，机器和人力结合的牵引方法也可分成两类。一类为中间人工辅助的牵引法：在光缆铺设区域内的开阔处，将机械牵引机布置于光缆布放的最终端位置作为主要牵引力来源，并根据光缆的穿放难度在中间各处分段进行人力牵拉，沿线的各处尽可能设置专人进行井下的接力。另一类为终端人力辅助牵引法：在铺设区域的地形开阔度不足时，先在线路的中心部位安装机械牵引机，在光缆的开始端通过人力将光缆拖曳至牵引机位，然后在每隔3～4个井洞的位置由人力在机器曳引的协助下进行牵拉。此类方法可提高每次牵拉的长度，从而降低了人力在进行牵拉中的“蛙跳”频次[4]。

在管道铺设阻燃光缆的过程中，施工有以下四个注意要点：（1）在铺设光缆前应先徒步勘测途经管线，并对经过管线的孔位的落差点、转弯口以及进出人孔点位等进行完善的记录，从而便于设置专人在施工管理中着重看护。（2）当以绕“8”字的方式敷设光缆时,圈绕内径的最小值为2m，且为了避免“8”字翻转不良引起的扭折，放缆过程中应逆着“8”字的方位解开。（3）在将光缆牵拉至人孔时，在每8～10个孔位的间距中应留出8～12m的缆线；如需将光缆牵引出人孔，则应当详细考虑所放光缆与人孔壁面相互之间的摩擦，避免因光缆过度受力而产生的损坏。（4）应紧贴人孔壁进行人孔内光缆的布放，并应用扎带对人孔走线架上的光缆进行紧固，还需加挂标有光缆型号、线路方向与所属单位的标志牌。

3.2 架空敷设

与常规通信光缆比较，阻燃光缆具有自身重量低、缆径较细与柔韧度高等优点，因此特别适合于架空线路铺设。其中，采用钢绞线支承进行架空是施工中较为普遍的光缆吊挂铺设方法。目前，阻燃光缆一般通过下列三种吊挂方法来实现架设。

（1）为滑轮牵引法。首先在光缆铺设线路上的两端点杆各设置一条导向钢丝索和引导滑轮，并再各设置一个具有较大直径的定向滑轮从而实现光缆的引上和引下功能。之后，在光缆所悬挂钢绞吊线上的各20～30m间隔处分别设置引导滑轮。完成以上一切准备工作后，将光缆按顺序穿进端点引导滑轮、大直径滑轮和各段引导滑轮之间，并将其与牵引端头相连接，最后便可以通过人力方法对光缆进行分段牵引。

（2）杆下拖曳法。当光缆途经线路中的障碍物较少时，可首先沿架设路线将光缆布置在杆路下方。在完成初始铺设工作后，架设工人的工作可大大简化。安装工人可使用滑车安装挂钩，同时将光缆也钩挂在吊线上，高效地完成铺设。在吊设光缆的过程中，还需额外注意端头的处理工作和光缆接口的预留尺寸。

（3）预挂钩式牵引法。在设置杆路时，可提前在钢绞挂线上安装一部分挂钩，接着再将各个引导滑轮和导向索安装好。在之后铺设光缆时，便可以把牵引绳分别穿过预先设定的挂钩，并连接光缆的牵引端头。在牵拉完毕后，需要分别调节挂钩的距离，补足挂线上缺失的挂钩，并做好杆上的伸缩弯。

3.3 站局敷设

只能通过人工布放的方法进行站局内阻燃电缆的铺设。布放人必须在统一带领下进行牵引，且为了避免发生死扣或打小圈的问题，每个拐弯口和上下梯处均须配备专人进行监控。对于大型站局，为防止与其他光缆发生重叠相交的问题，建议沿槽道水平地铺设光缆。对于槽道转弯口，为避免光缆的转弯半径被牵引后过小，建议采用绑带进行捆扎。某些中小型站局没有设置爬梯和槽道，因此在布放光缆之前需要在线路穿过的墙面上设置一部分倒“U”型的支架，从而对进站的光缆实现固定[5]。

铺设进入站局的阻燃光缆时，有三点需要注意的因素。首先，沿上线敷设光缆时需要使用扎带固定光缆，使其保持在上线的横档位置上，从而保证站局内光缆的整齐度；若线路经过转弯点或走线架，需要在该位置前后捆扎光缆，且捆扎点的间隔距离最大为30cm；若线路经过爬墙或上下梯并在该处进行了光缆捆扎，还需要添加额外的保护胶管，且其厚度一般不少于1.5mm，从而减轻光缆长时间所受侧压力的影响。其次，当光缆的线路存在楼层或墙壁穿越的情况时，需要将有套带护口的塑料管添加在光缆的外护套上，并使用防火阻燃黏结剂对管口进行堵塞处理；若光缆线路还存在垂直楼层穿越的情况，需要在每两层间隔内对光缆分别进行固定，并综合考虑其对安全性的影响。最后，光缆线路通过管孔敷设进入站局人井时，应将额外胶皮加垫在人井余留的光缆上，之后分散捆绑光缆至每档的托板或托架上，并在标志牌上注明光缆类型与线路走向。