非金属铠装杆的接续方法、脐带缆及海底光缆

技术领域

本发明涉及海洋设备技术领域，具体而言，涉及一种非金属铠装杆的接续方法、脐带缆及海底光缆。

背景技术

全海深(最大水深11000m左右)海底深渊被称作深海的“珠穆朗玛峰”，因其独特的洋壳板块地质构造、极端深渊环境和生物群落，是人类研究与全面认识海洋的重要一环与热点。随着我国海洋装备研制能力和配套水平的提高，正在建设覆盖全海深、面向不同需求的深海探测作业体系，其中全海深海底钻机、全海深水下机器人等水下装备通过万米级全海深脐带缆与水面母船连接，脐带缆能够满足能量、信息传递以及承力载荷等方面的要求。

全海深脐带缆除了承受水下装备及其自重外，还受到母船深沉、洋流等复杂动态载荷作用，为保障其安全应用，脐带缆需保留足够的安全裕度，通常以“脐带缆断裂强度与系统最大水下静载荷比”作为安全系数。传统脐带缆为金属铠装脐带缆，即脐带缆内部的铠装层使用金属铠装层，由于金属铠装层的自重较大，使得金属铠装脐带缆因受上述安全系数限制，最大应用水深只能为6000m，再大水深就会由于安全系数低、复杂海况的影响造成脐带缆断裂，水下装备丢失。

在发明人所知的现有技术中，存在使用以芳纶纱为承力材料的非金属铠装脐带缆，即脐带缆内的铠装层使用非金属铠装层，由于非金属铠装层自重较小，能够克服安全系数低的难题，但是为了应用于全海深，就必须使用刚度、扭转、抗压等性能更优，且长度足够的非金属铠装杆，现有技术无法一次性铠装足够长度的非金属铠装杆，只能通过接续的方式增加非金属铠装杆的长度，但目前还没有可靠的非金属杆接续技术，无法满足大长度的非金属铠装脐带缆的生产。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种非金属铠装杆的接续方法、脐带缆及海底光缆，能够解决采用现有非金属铠装杆接续工艺不存在，导致无法实现大长度的非金属铠装杆和非金属铠装脐带缆的生产的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种非金属铠装杆的接续方法，接续方法包括以下步骤：

S1、取待接续的两个非金属铠装杆；

S2、将每个非金属铠装杆的至少一端留取长度为a的非金属纱，非金属纱未浸润树脂，且表面未包裹护套层；

S3、将两个非金属铠装杆其中之一的外壁套装外套管；

S4、将两个非金属铠装杆的非金属纱穿插对接，形成对接部位；

S5、在对接部位浇灌树脂，对树脂依次进行热固和冷却；

S6、将外套管移动至对接部位，对外套管进行热缩，使外套管变为护套层。

进一步地，a为10cm～15cm。

进一步地，步骤S5中浇灌树脂3的方式具体为：在对接部位安装树脂注塑工装，将树脂从树脂注塑工装的树脂注塑通道浇灌至对接部位，热固的温度为150℃～350℃，热固的时间为2min～10min，冷却的方式为气吹冷却。

进一步地，外套管的长度为15cm～30cm，外套管的内径比非金属铠装杆的外径大3mm～10mm。

进一步地，步骤S6中，外套管移动至对接部位的中间位置，热缩的方式为使用热烘枪进行热缩。

进一步地，步骤S1中，第一个非金属铠装杆通过盘绕在铠装绞盘上的方式生产，在第一个非金属铠装杆生产结束前，将第一个非金属铠装杆的尾端拉出1m～3m的待接续段，将待接续段从铠装绞盘上卸下，将第二个非金属铠装杆盘绕在另一个铠装绞盘上，并将第二个非金属铠装杆的一端也拉出1m～3m的待接续段，与第一个非金属铠装杆的待接续段接续，步骤S2中的非金属纱位于待接续段上。

进一步地，非金属铠装杆的单根接续间距不小于3～5个绞制节距，绞制节距为非金属铠装杆在脐带缆的内护套上的绞制节距。

根据本发明的另一方面，提供了一种脐带缆，包括外被层、位于外被层内部的内护套和上述的接续方法得到的非金属铠装杆，以及位于内护套内部的动力单元、第一光纤单元、地线、粘性填充材料和控制单元，动力单元、第一光纤单元、地线和控制单元均通过粘性填充材料粘接固定在内护套内部。

进一步地，非金属铠装杆的密度小于或等于2.0g/cm

进一步地，非金属铠装杆沿外被层的内壁周向布置有至少两层。

进一步地，第一光纤单元包括第一外护层、位于第一外护层内部的缓冲层、阻水材料、加强件和不锈钢管，以及位于不锈钢管内的光纤和纤膏，加强件和不锈钢管通过阻水材料4固定在缓冲层内。

进一步地，缓冲层为使用金属复合材料轧纹纵包制成，轧纹深度1mm～8mm。

根据本发明的另一方面，提供了一种海底光缆，包括第二外护层、位于第二外护层内的一层非金属铠装杆和绝缘层，以及位于绝缘层内的导体层、位于导体层内的二层非金属铠装杆和第二光纤单元，一层非金属铠装层和二层非金属铠装层均使用上述的接续方法得到。

应用本发明的技术方案，对于需要制作大长度的非金属铠装杆作为铠装层的脐带缆或海底光缆时，通过本发明的接续方法，能够将非金属铠装杆的长度制作为需求长度。首先，两个非金属铠装杆的非金属纱之间穿插对接，能够增加非金属纱之间的摩擦力，增加对接部位的稳固性；其次，在非金属纱穿插对接后，使用树脂浇灌，使树脂能够充分渗透进两组非金属纱之间的间隙内，利用树脂的粘性和连接强度，进一步增加两个非金属铠装杆的对接部位的稳固性；最后，将外套管通过热缩的方式紧密包覆在两个非金属铠装杆的对接部位处，一方面，使对接部位形成的护套层与其他部位的护套层融为一体，相互连接，增加护套层的连接强度，另一方面，通过外部包裹的形式再次增加对接部位的稳固性。实现非金属铠装杆的顺利稳固接续，增强非金属铠装杆作为大长度脐带缆或海底光缆的铠装层的普及性和可实现性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例的非金属铠装杆的接续方法的流程图；

图2示出了图1中非金属铠装杆盘绕在铠装绞盘上状态的示意图；

图3示出了图1中步骤S5的状态示意图；

图4示出了图1中步骤S6的状态示意图；

图5示出了本发明的实施例的脐带缆的截面图；

图6示出了图5中非金属铠装杆的截面图；

图7示出了图5中光纤单元的截面图；

图8示出了本发明的实施例的海底光缆的截面图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

20、树脂注塑工装；211、树脂注塑通道；30、铠装绞盘；41、非金属铠装杆；411、非金属纱；412、护套层；413、树脂；414、外套管；42、外被层；43、内护套；44、动力单元；45、第一光纤单元；451、第一外护层；452、缓冲层；453、阻水材料；454、加强件；455、不锈钢管；456、光纤；457、纤膏；46、地线；47、粘性填充材料；48、控制单元；51、第二外护层；52、一层非金属铠装杆；53、绝缘层；54、导体层；55、二层非金属铠装杆；56、第二光纤单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1至图4所示，本发明提供了一种非金属铠装杆41的接续方法，接续方法包括以下步骤：

S1、取待接续的两个非金属铠装杆41；

S2、将每个非金属铠装杆41的至少一端留取长度为a的非金属纱411，非金属纱411未浸润树脂413，且表面未包裹护套层412；

S3、将两个非金属铠装杆41其中之一的外壁套装外套管414；

S4、将两个非金属铠装杆41的非金属纱411穿插对接，形成对接部位；

S5、在对接部位浇灌树脂413，对树脂413依次进行热固和冷却；

S6、将外套管414移动至对接部位，对外套管414进行热缩，使外套管414变为护套层。

在上述技术方案中，两个非金属铠装杆41的非金属纱411穿插对接具体为，将一个非金属铠装杆41的非金属纱411中的每一根与另一个非金属铠装杆41的非金属纱411的一根穿插，保证两组非金属纱411最大程度交错接触，增大接触面积。除为了增加长度而使用本实施例的接续方法接续非金属铠装杆41外，在非金属铠装杆41生产过程中意外中断的接续也能够通过本方法实现。

非金属纱411为例如芳纶纤维、PBO纤维或超分子量聚乙烯纤维的材料。树脂413为具有良好的纤维粘合性、耐弯曲性和耐老性的材料，比如环氧乙烯基树脂413、聚氨酯树脂413等。外套管414具有良好的耐海水腐蚀性、耐磨性和低吸水性的材料，例如改性聚乙烯、改性尼龙、聚氨酯等。

通过上述设置，步骤S4中，两个非金属铠装杆41的非金属纱411之间穿插对接，能够增加非金属纱411之间的摩擦力，增加对接部位的稳固性；步骤S5中，在非金属纱411穿插对接后，使用树脂413浇灌，使树脂413能够充分渗透进两组非金属纱411之间的间隙内，利用树脂413的粘性和连接强度，进一步增加两个非金属铠装杆41的对接部位的稳固性；步骤S6中，将外套管414通过热缩的方式紧密包覆在两个非金属铠装杆41的对接部位处，一方面，使对接部位形成的护套层与其他部位的护套层412融为一体，相互连接，增加护套层412的连接强度，另一方面，通过外部包裹的形式再次增加对接部位的稳固性。

参见图2和图3所示，本发明的一个实施例中，a为10cm～15cm。

通过上述设置，第一方面，长度不会过长，使留取非金属纱411的操作简单；第二方面，保证两组非金属纱411的接触面积足够，使得两者之间的摩擦力能够抵抗非金属铠装杆41在使用过程中产生的拉力；第三方面，相比于点对点的接续方式，避免了接续容易出现的应力集中的情况，将接续应力分布在10cm～15cm的范围内，更加均匀；第三方面，10cm～15cm的非金属纱411穿插，均匀交互，有效增大了非金属纱411与后续浇灌的树脂413的接触面积，提高树脂413的粘结力。

参见图3所示，本发明的一个实施例中，步骤S5中浇灌树脂413的方式具体为：在对接部位安装树脂注塑工装20，将树脂413从树脂注塑工装20的树脂注塑通道21浇灌至对接部位，热固的温度为150℃～350℃，热固的时间为2min～10min，冷却的方式为气吹冷却。

在上述技术方案中，树脂注塑工装20为half式树脂注塑工装20，分为两半，将树脂注塑工装20的两半对扣夹持在对接部位处，树脂注塑工装20上开设有两个孔，即为两个树脂注塑通道21，树脂注塑通道21与两个非金属铠装杆41的对接部位连通，便于树脂413准确流在对接部位处，并渗透至两组非金属纱411之间的缝隙中。

通过上述设置，热固的温度和时间，使得树脂413能够与非金属纱411形成一体，保留了非金属纱411的强度，接续后整个非金属铠装杆41的弯曲韧性较好。使用适当的温度持续热固树脂413，保证非金属纱411缝隙中的树脂413全部能接收到高温的温度。气吹冷却能够保证冷却气体渗透进非金属纱411的缝隙中，冷却所有位置的树脂413，充分发挥树脂413的粘合性。

参见图3和图4所示，本发明的一个实施例中，外套管414的长度为15cm～30cm，外套管414的内径比非金属铠装杆41的外径大3mm～10mm。

在上述技术方案中，外套管414为聚烯烃热缩管或等效材料，热缩性能强，保证热缩后与对接部位的紧固性强。

通过上述设置，外套管414的长度大于对接部位的长度，保证对接部位能够全部位于外套管414的内部，进而使得外套管414能够接触对接部位的全部金属纱。外套管414的外径大于非金属铠装杆41，保证外套管414能够顺利穿设在非金属铠装杆41上，并能够沿非金属铠装杆41的外壁顺畅移动。

参见图1和图4所示，本发明的一个实施例中，步骤S6中，外套管414移动至对接部位的中间位置，热缩的方式为使用热烘枪进行热缩。

通过上述设置，热烘枪为非固定式的设备，能够根据外套管414各个部位的热缩情况，移动热烘枪对准外套管414未热缩的部位，保证外套管414能够充分热缩，并充分抱紧对接部位。

参见图1和图2所示，本发明的一个实施例中，步骤S1中，第一个非金属铠装杆41通过盘绕在铠装绞盘30上的方式生产，在第一个非金属铠装杆41生产结束前，将第一个非金属铠装杆41的尾端拉出1m～3m的待接续段，将待接续段从铠装绞盘30上卸下，将第二个非金属铠装杆41盘绕在另一个铠装绞盘30上，并将第二个非金属铠装杆41的一端也拉出1m～3m的待接续段，与第一个非金属铠装杆41的待接续段接续，步骤S2中的非金属纱411位于待接续段上。

通过上述设置，一个铠装绞盘30盘绕的非金属铠装杆41长度有限，为了保证非金属铠装杆41的强度，接续的两个非金属铠装杆41一般是能够盘满一个铠装绞盘30的长度，实现最大长度单元的非金属铠装杆41之间的接续。并且为了提高接续的效率，在第一个非金属铠装杆41生产结束之前，就预留出1m～3m的待接续段，减少接续工作耗费的时间。

本发明的一个实施例中，非金属铠装杆41的单根接续间距不小于3～5个绞制节距，绞制节距为非金属铠装杆41在脐带缆内护套43上的绞制节距。

通过上述设置，在多个非金属铠装杆41接续时，保证每两个非金属铠装杆41的对接部位之间的间隔足够大，避免各个对接部位过于集中，影响接续后的大长度非金属铠装杆41的强度。

对基于上述接续方法得到的非金属铠装杆41开展弯曲半径30D(D为非金属杆的直径)，循环次数5000次的动态曲挠试验测试，对通过曲挠试验的样品开展断裂拉伸强度测试，验证结果如下表1所示：

表1

基于上述接续方式的非金属铠装杆41均通过曲挠试验测试，表面未出现开裂或毛刺，其断裂拉伸强度不小于本体的75％。

参见图5所示，本发明还提供了一种脐带缆，包括外被层42、位于外被层42内部的内护套43和上述的接续方法得到的非金属铠装杆41，以及位于内护套43内部的动力单元44、第一光纤单元45、地线46、粘性填充材料47和控制单元48，动力单元44、第一光纤单元45、地线46和控制单元48均通过粘性填充材料47粘接固定在内护套43内部。

参见图6所示，非金属铠装杆41包括护套层412以及位于护套层412内部的非金属纱411和树脂413。

在上述技术方案中，脐带缆的截面为圆形，外被层42、非金属铠装杆41形成的铠装层、内护套43由外向内依次设置。动力单元44和控制单元48中的导体可以为铜导体，也可以为例如铝导体的轻质导体材料，以进一步减轻脐带缆的自重，提高安全系数。本实施例中的脐带缆能够应用于万米水深。

通过上述设置，由于非金属铠装杆41的质量较传统的金属铠装杆的质量小，使得使用非金属铠装杆41作为铠装层的脐带缆的质量小，在脐带缆进入深海中时，受自身重力影响较小，使得脐带缆断裂的几率降低，提高安全系数，保证脐带缆的强度，并使得脐带缆能够应用于更深海域。本实施例的脐带缆适用于全海深海底钻机、全海深水下机器人及6000m以深的重载荷、大功率深水装备，例如采矿车、水下拖体等，其中采矿车在海水中重量达几十吨，同时脐带缆由于大功率原因，导体截面大，脐带缆自重大，脐带缆在万米水深应用的安全系数急剧降低，本实施例的脐带缆能够解决在6000m以下的深水环境下金属铠装缆安全系数低的问题。

本发明的一个实施例中，非金属铠装杆41的密度小于或等于2.0g/cm

在上述技术方案中，非金属铠装杆41进行10000次曲挠试验后表面无磨损，耐磨性强。非金属铠装杆41具有低比重、高强度、耐磨和耐海水的特性，适用于脐带缆。

参见图5所示，本发明的一个实施例中，非金属铠装杆41沿外被层42的内壁周向布置有至少两层。

在上述技术方案中，非金属铠装杆41设置有三层，非金属铠装杆41起到支撑和保护的作用，三层非金属铠装杆41能够有效支撑内护套43，并保护内护套43内部的动力单元44、第一光纤单元45、地线46和控制单元48。

参见图7所示，本发明的一个实施例中，第一光纤单元45包括第一外护层451、位于第一外护层451内部的缓冲层452、阻水材料453、加强件454和不锈钢管455，以及位于不锈钢管455内的光纤456和纤膏457，加强件454和不锈钢管455通过阻水材料453固定在缓冲层452内。

在上述技术方案中，第一光纤单元45的截面为圆形，第一外护层451、缓冲层452、加强件454和不锈钢管455从外到内依次设置，阻水材料453与加强件454混合为一层，光纤456和纤膏457混合。加强件454铠装、阻水材料453填充和缓冲层452纵包纳入一道工序生产，外护层单独生产，能够减少常规工艺中由于加强件454铠装单独生产，使得在缓冲层452和外护层同步生产时，缓冲层452接续等待的耗时以及断裂的风险。加强件454为例如镀锌钢丝、磷化钢丝或非金属铠装杆41的材料；阻水材料453为高粘性的阻水材料453，兼具阻水和粘结的作用，保证不锈钢管455、加强件454和缓冲层452之间具有足够的粘结力；外护层为例如聚乙烯或聚氨酯的材料。

通过上述设置，在万米超深水环境下，第一光纤单元45由于受到水压挤压而发生严重变形或位移，导致脐带缆在应用过程中出现光学通信中断故障，只能返厂维修或重新购置脐带缆，影响项目海上施工进度，因此增加缓冲层452，与第一外护层451配合，共同减少传递到加强件454和不锈钢管455上的海底的压力，保障加强件454和不锈钢管455能够有效保护光纤456，使得光纤456能够长期稳定的工作，并且使得光纤456能够适用更深海域。

本发明的一个实施例中，缓冲层452为使用金属复合材料轧纹纵包制成，轧纹深度1mm～8mm。

在上述技术方案中，金属复古材料为例如铜塑复合带、铝塑复合带的材料。

参见图8所示，本发明还提供了一种海底光缆，包括第二外护层51、位于第二外护层51内的一层非金属铠装杆52和绝缘层53，以及位于绝缘层53内的导体层54、位于导体层54内的二层非金属铠装杆55和第二光纤单元56，一层非金属铠装杆52和二层非金属铠装杆55均使用上述的接续方法得到。

在上述技术方案中，海底光缆的截面为圆形，第二外护层51、一层非金属铠装杆52形成的第一层非金属铠装层、绝缘层53、导体层54、二层非金属铠装杆55形成的第二层非金属铠装层和第二光纤单元56由外向内依次设置。海底光缆与脐带缆同样为海底设备，使用非金属铠装杆41作为铠装层，同样具备脐带缆相同的效果，能够应用于更深海域。

通过上述设置，使得海底光缆的应用水深由8000m拓展至万米水深；适用于深远海风机、浮式平台系统。

除海底光缆外，非金属铠装杆41还能够应用于海底电缆，将海底电缆的适用水深由500m、1000m拓展至3000m以深。

从以上的描述中，可以看出，本发明的上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)对于需要制作大长度的非金属铠装杆作为铠装层的脐带缆或海底光缆时，通过本发明的接续方法，能够将非金属铠装杆的长度制作为需求长度。首先，两个非金属铠装杆的非金属纱之间穿插对接，能够增加非金属纱之间的摩擦力，增加对接部位的稳固性；其次，在非金属纱穿插对接后，使用树脂浇灌，使树脂能够充分渗透进两组非金属纱之间的间隙内，利用树脂的粘性和连接强度，进一步增加两个非金属铠装杆的对接部位的稳固性；最后，将外套管通过热缩的方式紧密包覆在两个非金属铠装杆的对接部位处，一方面，使对接部位形成的护套层与其他部位的护套层融为一体，相互连接，增加护套层的连接强度，另一方面，通过外部包裹的形式再次增加对接部位的稳固性。实现非金属铠装杆的顺利稳固接续，增强非金属铠装杆作为大长度脐带缆或海底光缆的铠装层的普及性和可实现性；

(2)本发明给出了脐带缆的设计方案，解决了在万米水深条件下脐带缆的安全系数、刚度、水下形态等问题，安全系数为金属铠装缆的数倍；

(3)本发明给出了满足万米水深使用条件的非金属铠装杆的结构及产品性能设计，对其密度、断裂强度、延伸率、吸水率、磨损等性能指标提出了具体的要求，开发了应用于海洋环境的非金属铠装杆；

(4)本发明提出的一种可靠的非金属铠装杆的接续方法，实现了以非金属杆为承力材料的脐带缆的连续大长度生产，不再受限于铠装设备，同时为非金属铠装杆产品行业内的接续方法提供了参考；

(5)本发明提出了一种保护光纤的结构及制造方法，保障了光纤单元在全海深环境下抵抗万米静水压；

(6)本发明提出了一种超轻量化的全海深非金属铠装脐带缆结构，进一步提高了应用安全系数；

(7)目前国内暂无全海深脐带缆的应用产品，同时对于6000m水深的水下设备急需一种非金属铠装缆，解决设备工程应用的问题，本发明创造提供了可行性。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。