普通层绞式光缆施工问题探讨

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近年来，随着局域网、城域网的建设以及3G、FTTH等技术的规模应用，光缆的敷设数量保持较高的增长。一些线路由于光缆芯数较小、工程周期短，大多采用吊挂的非自承式架空的布放方式，光缆进入城区后再利用城市管道进行铺设。光缆在施工过程中的一些不规范操作或意外因素会对光缆造成不同程度的损伤，光缆受损所带来的损失是严重的，除了光缆本身价值，施工费用和工程延误的代价也是难以估量的，因此对光缆施工质量也提出了更高的要求。
本文主要针对普通层绞式光缆在施工中常见的“断纤”事故，通过理论分析、事故现场取证以及试验室模拟等方式进行事故原因分析，根据原因分析结果有针对性地提出一些施工建议，以规范普通层绞式光缆的施工，进而保证光缆通信线路建设的质量。
普通层绞式光缆受损情况
普通层绞式光缆在铺设过程中，常见的一种“断纤”现象为：在光缆布放后，发现某段光缆多处断纤，断点位于不同管号、不同纤号，护套表面没有明显损伤痕迹，但收回的光缆在不受力的状态下，自然弯曲。开剥光缆护套后，有下述现象：缆芯一侧有受挤压变形的痕迹，压痕均在前面提到的弯曲的内侧；压痕深浅程度不一，严重的地方钢带轧纹痕迹已经印在套管上；断纤处的套管受挤压变形特别严重；取出中心加强钢丝，钢丝在不受力状态下，自然弯曲；此类事故多发生于线路转角附近。
普通层绞式光缆受损原因分析
问题点：光缆的钢丝移位或束管和填充绳已经严重变形，有明显的受力痕迹。初步分析，故障光缆是受过大的侧压力，导致套管变形光纤折断的。缆芯是单侧变形，而外力直接作用在光缆的一侧，则可使受力是光缆处于弯曲状态，并且光缆纵向上保持着较大的力（如图1、图2所示），光缆处于平直状态。如果单向受力，则会在受力方向上产生移动，否则只能是两侧受力。光缆单侧受力，只可能在受力时，在受力点处光缆处于弯曲状态，且光缆纵向上有张力。

图1：平直状态下的受力情况

图2：光缆弯曲时的受力情况

通常架空的光缆施工时，在光缆转向处使用了半径小的滑轮。而在管道光缆施工时，光缆极可能在管道的入口或出口处经过某些坚硬的边缘。
那么造成如此严重破坏的外力是如何产生的呢？光缆的结构设计本身应使其能够承受一定的外力，按照国内的标准（如YD/T901-2001），管道和架空光缆应具备如下的机械性能。
拉伸长期张力600N，短期1500N，标准要求光缆在受长期额定张力时，光纤无明显附加衰减和应变。而短期张力是对应光缆在施工时可能承受的最大拉力。标准要求在短期张力下，光纤的附加衰减和应变分别不超过0.1dB和0.1%，张力除去后，光纤应无明显附加衰减和应变，且护套应无目力可见裂纹。
压扁实验要求：标准中的压扁力是光缆在100mm长度方向可以承受的额定压力，长期压扁力300N/100mm,短期压扁力1000N/100mm。持续时间1分钟。验收要求：在长期允许压扁力下光纤无明显附件衰减，在短暂压扁力下光纤附件衰减应小于0.1dB，在此压力去除后光纤无明显残余附加衰减，护套无目力可见开裂。
弯曲光缆的允许最小弯曲半径静态10d,动态20d(d为光缆外径)静态是指光缆铺设后，动态指光缆铺设中。光缆的机械性能试验，是模拟光缆在安装和使用过程中受力状态下的性能。光缆能顺利通过各项机械性能的试验，就能保证正常安装过程中光缆不受到损伤。而且，大多数厂家的光缆设计都留有较大余量。
同时光缆安装铺设的有关规范规定是，光缆在施工过程中的弯曲半径应不小于20倍光缆外径。布缆时的张力应小于80%额定张力。造成光缆出现如此严重的损伤，是光缆在布线过程中受到的外力大大超过了标准要求。
在施工条件比较复杂的情况下，很可能在光缆布放的拐角处发生施工事故。针对上述两种事例，光缆在受损伤时都处于弯曲状态，那么架空布放的光缆弯曲可能发生在上下杆塔或转向处；而管道光缆则可能在管道的出入口处，没有导向设施或光缆从导向滑轮脱落（如图3所示）。

图3：光缆在架空和管道施工中的弯曲状态示意图

那么在光缆内部，缆芯中的钢丝在受压一侧对光纤松套管及塑料填充绳的压力就会非常大，再加上光缆被沿滑轮拖动，在某个拐角处，如没有注意安排施工人员来回导线，沿该处一定长度上的光缆中松套管及填充绳就很可能被压扁，严重时甚至导致光纤断裂。
对于光缆在小角度下受张力弯曲的情况，我们可以作以下受力分析：先研究光缆在滑轮上的受力情况，假设光缆在滑轮上无弹性伸长，并忽略摩擦力。如图4所示，该滑轮半径为r,取一段光缆dL，以dN表示带轮对该段光缆在滑轮上的正压力，a为光缆沿滑轮的包角。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，摩擦力为f.dN，f.为摩擦系数，则dN=F.sin(da/2)+(F+dF).sin(da/2)，因为da很小，所以sin(da/2)≈da/2，且略去二阶微量dF.sin(da/2)，得dN=F.da又，该微段光缆dL与包角a及滑轮半径的关系为dL=2.r.sin(da/2)。同样，因da/2很小，所以sin(da/2)≈da/2，得dL=r.da。压强P=N/S，而S=L.K，K为宽度，又由上述第二式和第四式，得P=N/（r.k）。

图4：光缆在受纵向张力时在弯曲表面上的受力分析

由上面的受力分析我们可以看出，拉力一定的情况下半径越小；或是半径一定时拉力越大，则光缆受到滑轮的压强就越大，过大的拉力结合小的半径，就会对光缆构成危害。
假设光缆布放时的张力为1200N，曾观察到有些地方用的滑轮直径不到50mm，这时折算成光缆侧压力1200N/25mm=4800N/100mm（光缆与滑轮接触的宽度不计），已接近额定侧压力的5倍。那么在光缆内部，缆芯中的钢丝在受压一侧对光纤松套管及塑料填充绳的压力就非常大了。再加上光缆在被沿滑轮拖动，在某个拐角处，沿该处一定长度上的光缆中松套管及填充绳就可能被压扁，严重的时候光纤就会断裂。
假设拖放时的张力为1200N，有的甚至没有滑轮，直接将光缆放在钢绞线的挂钩上进行拖拉，这是折算光缆的侧压力比上面使用直径不到50mm的滑轮，所造成的侧压力要大很多，直接导致光缆中间的钢丝压迫光纤松套管管和填充绳，导致松套管管和填充绳变形，从而影响光纤的传输性能，甚至可能会发生断纤的现象。
前面假设的是张力为80%额定拉力时的情况，实际上常常能在一些光缆施工现场观察到5～6个民工在同一处用力拖光缆的现象，1200N的拉力约等于120kg,差不多是两个成年男子的力量。可以想象，五、六个人一起用力时的拉力会远大于额定张力。当时光缆受到的张力是非常大的，一方面从护套表面的磨痕，可以看出光缆在拖动时受到很大的阻力；另一方面剪断光缆时钢丝与其它构件的相对位移，说明光缆在布放时产生了塑性变形。而要钢丝产生如此大的不可逆变形，拉力已超过了钢丝断裂强度的60%。由此可见，过大的拉力和过小的弯曲半径是造成光缆损伤的原因所在。
现场模拟光缆受损情况
2007年7月，某用户提出GYTA-24B1.3光缆在施工后出现多处“断纤”情况。其施工人员在光缆布放后（施工前未对光缆进行开盘检测），用OTDR确定故障点，发现光缆多处断纤，断点位于不同纤号、不同位置。收回故障光缆，在护套表面未发现明显损伤的痕迹。
为此，该用户组织人员来到长飞公司，并且自带两盘光缆，进行技术交流。通过对现场的仔细观察，分析了此类光缆断纤的原因，并以试验证实了相关的分析。为此，长飞公司售后服务人员予以积极配合，进行现场模拟验证。
试验情况（如图5所示）：

图5：侧压力布放试验示意图

1．光缆型号：GYTA-24B1.3
2．缆号：2913I
3．长度：110m（2713-2823）
4．重物：钢带（10卷）N=1286.5kg
5．圆柱直径：125mm
6．牵拉角度：95?
7．地面摩擦系数：0.2041
8．光缆承受拉力：F=fN = 257.7kg
9．试验结果：在缆芯绞合节距上，有规律地出现松套管压扁现象。
现场模拟验证的结果印证了对事故原因的分析。光缆在受到大张力时以小角度通过弯曲半径很小的滑轮或有棱角的坚硬表面时，会使光纤局部受到远大余额定值的侧压力，使光缆内部结构破坏，严重时造成断纤。
试验室模拟光缆受损情况
为了更全面地验证施工不当会造成对光缆的损伤，在公司试验室亦进行了相关的模拟实验。如图6所示，将光缆通过直径为5cm的滑轮，张角分别为1200和900。拉力分为1500N、2000N、3000N等。实验完毕后发现所有1500N的拉力下，光缆的表面没有明显的磨痕，2000N和3000N的光缆外观有磨痕，并且不同程度地有发扁的现象。将光缆受力的部分解剖开，发现所有的光缆样品里面的束管、填充绳在受压一侧（靠近滑轮）已经变扁，钢丝也有弯曲的现象。

图6：模拟实验简图

同时将滑轮的直径加大，使得符合标准的要求，在1000N、1500N、2000N的拉力下光缆表面没有任何变化，束管和填充绳没有受力的现象。
将滑轮去掉，直接将光缆和倒角为45度的设备直接接触，发现在1000N的拉力下光缆已经变形，在1500N的拉力下光缆护套已经破开。
通过上述实验的证明，光缆的外观变扁，束管和填充绳受挤变形，钢丝移位，原因是施工时的滑轮直径太小或者是根本没有使用滑轮造成的。通过实验还发现如果滑轮足够大，即使拉力大一些，光缆也不容易受伤。对直径较小的滑轮，如果光缆通过时滑轮转动灵活，使拉力保持在低的水平，光缆也不易受到损伤。
普通层绞式光缆施工的建议
●光缆施工要严格按照施工的规范进行；
●光缆转弯时，其转弯半径要大于光缆自身直径的20倍，如架空光缆在上下杆塔时，应当尽量减小弯曲的角度，同时给光缆盘施加助力，减少光缆的防线张力；
●光缆布放前，应对施工及相关人员就施工应注意的事项进行适当的培训，如放线方法要领和安全等内容，并确保施工人员服从指挥；
●应安排相关人员分布在光缆盘放线处、穿越障碍点、地形拐弯处等处，以便及时发现问题，排除故障，控制放线中的速度，并减小放线盘的张力；
●光缆布放过程如遇到障碍，应停止拖放，及时排除。不能用大力拖过，否则会造成光缆损伤；
●光缆放线时，张力要稳定，不能超过光缆标准的要求拉力。
光缆在受到大张力，以小角度通过弯曲半径很小的滑轮或有棱角的坚硬表面时，会使光缆局部受到远大于额定值的侧压力，使光缆内部结构受到破坏，严重时造成断纤。
光缆的施工单位应不断总结经验，努力提高施工质量，预防类似施工事故的发生。