深海光缆不等径钢丝内铠设计方法

技术领域

本发明涉及有中继海底光缆技术领域，尤其涉及一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法。

背景技术

海底光缆是全球互联网的“中枢神经”，截止目前全球约有400条海底光缆正在服役，总长度超过120万公里。近10年我国海光缆企业取得了快速发展，但截至目前，世界上90％海底光缆仍然被阿朗、泰科、NEC等公司垄断。在有中继海光缆这一块，我国企业部分技术尚未突破，如制作大长度跨洋海底光缆的设计及制造等是软肋。

海底光缆的结构设计方面，目前主要采用内铠和外铠来增强海底光缆的机械性能，采用阻水胶作为阻水方式，最大敷设深度在6000m左右。海光缆生产包括不锈钢中心管式光单元、内铠绞合、铜管焊接并拉拔、绝缘挤制四个工序，其中内铠为影响海光缆机械及物理性能的最关键因素。目前部分深海光缆内铠采用了不等径钢丝结构，但没有精准的设计方式以及原理支撑，需要采用多轮试验的方式确认内铠结构，而验证确认需要发到英国全球海事公司，验证时间长达6个月，费时费力。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，满足500m～8000m水深范围内的深海光缆结构设计，弥补传统设计方式使用粗略的圆周公式导致结构松散、渗水性能差、机械性能不达标等问题，优化不等径钢丝内铠结构，提高光缆的光学传输性能以及抗拉性能，加速深海光缆的研发进程，提升海底光缆的质量及性价比。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其包括步骤：

(1)确定海缆的敷设水深D；

(2)测算海缆的抗压强度P：

根据公式P＝ρgD，得出抗压强度P的最小值，式中ρ为海水密度，g为重力加速度；

(3)确定不锈钢中心管式光单元的外径D

根据公式

根据光纤等效直径R

(4)确定钢丝铠装结构及尺寸：

采用双层铠装结构，第一层由第一钢丝紧密铠装，第二层由第二钢丝装嵌于第一钢丝的外缘缝隙中，形成稳定三角结构，并采用第三钢丝填充第二钢丝的间隙；

选用M根第一钢丝进行第一层铠装，则第一钢丝半径夹角θ＝π/M，根据公式D

设定第二钢丝直径D

根据公式D

(5)测算海缆内铠空隙占比，优化x的取值。

特别地，步骤(4)中，针对设计的双层铠装结构，还需验证海缆的破断力，要求深海缆的破断力≥50kN。

特别地，针对设计成型的海缆还需进行渗水试验，要求2Mpa下336h海缆纵向渗水长度不大于200m。

特别地，海缆根据敷设深度分为浅海缆与深海缆，500m及以上为深海缆，小于500m的为浅海缆，浅海缆仅采用单层钢丝铠装。

特别地，由于海缆敷设位置越深，海缆表面受到的压强越大，深海缆越细越好；浅海缆为避免人为破坏，外层还设置有粗钢丝铠装。

特别地，步骤(3)中，考虑预留合适光纤余长及纤膏填充空间，设定D

特别地，步骤(4)中，铠装钢丝采用磷化钢丝，钢丝的外径范围为1～2mm，设定M＝8～10。

综上，本发明的有益效果为，相比传统海底光缆设计方法，所述深海光缆不等径钢丝内铠设计方法具有以下优点：

(1)根据实际敷设海域工况来确定海光缆性能，更注重数据和科学，安全性能更高；

(2)使用常用材料，如钢丝、钢带的使用，材料更易获得，降低采购成本；

(3)根据材料力学确定各类材料的机械性能以及物理特性，并预留适当裕度，在保证海光缆各类性能的基础上使用较少的材料，降低了不锈钢带、磷化钢丝、铜带、胶水等主原材料用量约20％～25％，海光缆性价比更高；

(4)根据力学原理推演海洋系统的水动力常数以及各类压强等，强调数据的准确性；

(5)采用三角函数以及结构公式对不同结构进行推算并通过试验确认，大幅提升了海光缆内铠的结构紧凑性，在满足深海缆拉伸要求的前提下空隙比降到最低，渗水性能达到最优。

附图说明

图1是本发明实施例提供的深海光缆不等径钢丝内铠设计方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本优选实施例提供一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，具体步骤如下：

步骤(1)确定海缆的敷设水深D。

一般海缆根据敷设深度分为浅海缆与深海缆，500m及以上为深海缆，小于500m的为浅海缆，本设计方法不限于深海光缆，浅海光缆也适用。

步骤(2)测算海缆的抗压强度P，设计满足使用要求的海缆，达到抗拉伸强度以及侧压等级要求。

根据公式P＝ρgD，得出抗压强度P的最小值，式中ρ为海水密度，g为重力加速度。可得，100M水深对应水压约为1MPa，500M水深对应水压约为5MPa，5000M水深对应水压约为50MPa，水深越深，海缆表面受到的压强越大，则深海缆做的越细越好，浅海缆因为存在船舶以及拉网捕鱼等人类活动，容易受到各种破坏，外层最好增加一至多层粗钢丝铠装。

步骤(3)确定不锈钢中心管式光单元的外径D

目前常用的国际有中继海光缆系统中使用的光纤对数为8纤对及16纤对，根据公式

根据光纤等效直径R

确定外径后，计算光单元的抗压强度P

下面选择两种常规规格(2.8mm和3.0mm外径)的8纤对光单元进行比对，根据0.20mm～0.30mm阶梯壁厚计算不同试验例的抗压强度，见表1。

表1

/>

可见，对于8纤对光单元用不锈钢管，采用0.25mm厚度的试验例2和试验例5是可以满足5000M水深敷设的耐压要求且比较经济的选择方案。

步骤(4)根据光单元尺寸确定钢丝铠装结构及尺寸。

对于浅海缆而言，采用单层钢丝铠装即可，而对于浅海缆而言，一般需要进行多层铠装。本实施例中提出采用双层铠装结构，即第一层由第一钢丝紧密铠装，第二层由第二钢丝装嵌于第一钢丝的外缘缝隙中，形成稳定三角结构，并采用第三钢丝填充第二钢丝的间隙，详见图1。由此实现最简单可靠、最小厚度的铠装，大幅提供海光缆的抗压性能，结构更为稳定、密实，提高渗水性能。

选用M根第一钢丝进行第一层铠装，由于常用磷化钢丝的外径范围在1～2mm，推算M＝8～10为宜，形成稳定的三角结构，保证光缆的抗拉及抗压要求，则第一钢丝半径夹角θ＝π/M，根据公式D

第二层铠装采用粗细两种钢丝，设定第二钢丝直径D

表2

表2为第一层钢丝数为7～12根时钢丝铠装结构试验例，可见，第一层钢丝采用8～10根的试验例8、9、10使用的第一钢丝及第二钢丝均落于常规钢丝范围内，且破断力均符合要求(参照GB/T 18480-2001海底光缆规范，深海光缆破断力需满足50kN)，可有效节约钢丝采购成本。

步骤(5)测算海缆内铠空隙占比，优化x的取值，确定最优钢丝组合，以满足海光缆严苛的阻水性能要求。

以3.0mm尺寸的光单元、第一层8根钢丝、第二层钢丝按第一层钢丝外径的60％～90％试验比对，测算结构空隙占比和破断力，并做14天2Mpa渗水试验(参照GB/T 18480-2001海底光缆规范，深海光缆水密要求为2Mpa下336h，纵向渗水长度不大于200m)，见表3。

表3

可见，x在75％～80％之间，即试验例15、16，作为优选方案，空隙占比最低，即渗水性能达到最优，且破断力满足深海缆拉伸要求。

由此，按上述方法设计选择适当的不锈钢光单元、三种规格内铠钢丝，使得海底光缆的设计参数更规范、更精确，各项物理及机械性能更为优越，弥补了传统海光缆铠装设计使用粗略的圆周公式导致结构松散、渗水性能差、机械性能不达标等问题，更具有优越的光学传输性能以及抗拉性能。

综上，上述深海光缆不等径钢丝内铠设计方法适用于深海(包括浅海)宽泛深度领域海光缆的结构设计，使得海底光缆的设计参数更规范、更精确，各项物理及机械性能更为优越，弥补了传统海光缆铠装设计使用粗略的圆周公式导致结构松散、渗水性能差、机械性能不达标等问题，保证海底光缆更具有优越的光学传输性能以及抗拉性能。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。