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作者：長飛光纖光纜有限公司 周學(xué)東 胡勇
近年來，隨著局域網(wǎng)、城域網(wǎng)的建設(shè)以及3G、FTTH等技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用，光纜的敷設(shè)數(shù)量保持較高的增長。一些線路由于光纜芯數(shù)較小、工程周期短，大多采用吊掛的非自承式架空的布放方式，光纜進入城區(qū)后再利用城市管道進行鋪設(shè)。光纜在施工過程中的一些不規(guī)范操作或意外因素會對光纜造成不同程度的損傷，光纜受損所帶來的損失是嚴(yán)重的，除了光纜本身價值，施工費用和工程延誤的代價也是難以估量的，因此對光纜施工質(zhì)量也提出了更高的要求。
本文主要針對普通層絞式光纜在施工中常見的“斷纖”事故，通過理論分析、事故現(xiàn)場取證以及試驗室模擬等方式進行事故原因分析，根據(jù)原因分析結(jié)果有針對性地提出一些施工建議，以規(guī)范普通層絞式光纜的施工，進而保證光纜通信線路建設(shè)的質(zhì)量。
普通層絞式光纜受損情況
普通層絞式光纜在鋪設(shè)過程中，常見的一種“斷纖”現(xiàn)象為：在光纜布放后，發(fā)現(xiàn)某段光纜多處斷纖，斷點位于不同管號、不同纖號，護套表面沒有明顯損傷痕跡，但收回的光纜在不受力的狀態(tài)下，自然彎曲。開剝光纜護套后，有下述現(xiàn)象：纜芯一側(cè)有受擠壓變形的痕跡，壓痕均在前面提到的彎曲的內(nèi)側(cè)；壓痕深淺程度不一，嚴(yán)重的地方鋼帶軋紋痕跡已經(jīng)印在套管上；斷纖處的套管受擠壓變形特別嚴(yán)重；取出中心加強鋼絲，鋼絲在不受力狀態(tài)下，自然彎曲；此類事故多發(fā)生于線路轉(zhuǎn)角附近。
普通層絞式光纜受損原因分析
問題點：光纜的鋼絲移位或束管和填充繩已經(jīng)嚴(yán)重變形，有明顯的受力痕跡。初步分析，故障光纜是受過大的側(cè)壓力，導(dǎo)致套管變形光纖折斷的。纜芯是單側(cè)變形，而外力直接作用在光纜的一側(cè)，則可使受力是光纜處于彎曲狀態(tài)，并且光纜縱向上保持著較大的力（如圖1、圖2所示），光纜處于平直狀態(tài)。如果單向受力，則會在受力方向上產(chǎn)生移動，否則只能是兩側(cè)受力。光纜單側(cè)受力，只可能在受力時，在受力點處光纜處于彎曲狀態(tài)，且光纜縱向上有張力。
圖1：平直狀態(tài)下的受力情況
圖2：光纜彎曲時的受力情況
通常架空的光纜施工時，在光纜轉(zhuǎn)向處使用了半徑小的滑輪。而在管道光纜施工時，光纜極可能在管道的入口或出口處經(jīng)過某些堅硬的邊緣。
那么造成如此嚴(yán)重破壞的外力是如何產(chǎn)生的呢？光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計本身應(yīng)使其能夠承受一定的外力，按照國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)（如YD/T901-2001），管道和架空光纜應(yīng)具備如下的機械性能。
拉伸長期張力600N，短期1500N，標(biāo)準(zhǔn)要求光纜在受長期額定張力時，光纖無明顯附加衰減和應(yīng)變。而短期張力是對應(yīng)光纜在施工時可能承受的最大拉力。標(biāo)準(zhǔn)要求在短期張力下，光纖的附加衰減和應(yīng)變分別不超過0.1dB和0.1%，張力除去后，光纖應(yīng)無明顯附加衰減和應(yīng)變，且護套應(yīng)無目力可見裂紋。
壓扁實驗要求：標(biāo)準(zhǔn)中的壓扁力是光纜在100mm長度方向可以承受的額定壓力，長期壓扁力300N/100mm,短期壓扁力1000N/100mm。持續(xù)時間1分鐘。驗收要求：在長期允許壓扁力下光纖無明顯附件衰減，在短暫壓扁力下光纖附件衰減應(yīng)小于0.1dB，在此壓力去除后光纖無明顯殘余附加衰減，護套無目力可見開裂。
彎曲光纜的允許最小彎曲半徑靜態(tài)10d,動態(tài)20d(d為光纜外徑)靜態(tài)是指光纜鋪設(shè)后，動態(tài)指光纜鋪設(shè)中。光纜的機械性能試驗，是模擬光纜在安裝和使用過程中受力狀態(tài)下的性能。光纜能順利通過各項機械性能的試驗，就能保證正常安裝過程中光纜不受到損傷。而且，大多數(shù)廠家的光纜設(shè)計都留有較大余量。
同時光纜安裝鋪設(shè)的有關(guān)規(guī)范規(guī)定是，光纜在施工過程中的彎曲半徑應(yīng)不小于20倍光纜外徑。布纜時的張力應(yīng)小于80%額定張力。造成光纜出現(xiàn)如此嚴(yán)重的損傷，是光纜在布線過程中受到的外力大大超過了標(biāo)準(zhǔn)要求。
在施工條件比較復(fù)雜的情況下，很可能在光纜布放的拐角處發(fā)生施工事故。針對上述兩種事例，光纜在受損傷時都處于彎曲狀態(tài)，那么架空布放的光纜彎曲可能發(fā)生在上下桿塔或轉(zhuǎn)向處；而管道光纜則可能在管道的出入口處，沒有導(dǎo)向設(shè)施或光纜從導(dǎo)向滑輪脫落（如圖3所示）。
圖3：光纜在架空和管道施工中的彎曲狀態(tài)示意圖
那么在光纜內(nèi)部，纜芯中的鋼絲在受壓一側(cè)對光纖松套管及塑料填充繩的壓力就會非常大，再加上光纜被沿滑輪拖動，在某個拐角處，如沒有注意安排施工人員來回導(dǎo)線，沿該處一定長度上的光纜中松套管及填充繩就很可能被壓扁，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致光纖斷裂。
對于光纜在小角度下受張力彎曲的情況，我們可以作以下受力分析：先研究光纜在滑輪上的受力情況，假設(shè)光纜在滑輪上無彈性伸長，并忽略摩擦力。如圖4所示，該滑輪半徑為r,取一段光纜dL，以dN表示帶輪對該段光纜在滑輪上的正壓力，a為光纜沿滑輪的包角。由于光纜是在滑輪上滑動，所以該段光纜一端的拉力為F，另一端的拉力為F+dF，摩擦力為f.dN，f.為摩擦系數(shù)，則dN=F.sin(da/2)+(F+dF).sin(da/2)，因為da很小，所以sin(da/2)≈da/2，且略去二階微量dF.sin(da/2)，得dN=F.da又，該微段光纜dL與包角a及滑輪半徑的關(guān)系為dL=2.r.sin(da/2)。同樣，因da/2很小，所以sin(da/2)≈da/2，得dL=r.da。壓強P=N/S，而S=L.K，K為寬度，又由上述第二式和第四式，得P=N/（r.k）。
圖4：光纜在受縱向張力時在彎曲表面上的受力分析
由上面的受力分析我們可以看出，拉力一定的情況下半徑越��；或是半徑一定時拉力越大，則光纜受到滑輪的壓強就越大，過大的拉力結(jié)合小的半徑，就會對光纜構(gòu)成危害。
假設(shè)光纜布放時的張力為1200N，曾觀察到有些地方用的滑輪直徑不到50mm，這時折算成光纜側(cè)壓力1200N/25mm=4800N/100mm（光纜與滑輪接觸的寬度不計），已接近額定側(cè)壓力的5倍。那么在光纜內(nèi)部，纜芯中的鋼絲在受壓一側(cè)對光纖松套管及塑料填充繩的壓力就非常大了。再加上光纜在被沿滑輪拖動，在某個拐角處，沿該處一定長度上的光纜中松套管及填充繩就可能被壓扁，嚴(yán)重的時候光纖就會斷裂。
假設(shè)拖放時的張力為1200N，有的甚至沒有滑輪，直接將光纜放在鋼絞線的掛鉤上進行拖拉，這是折算光纜的側(cè)壓力比上面使用直徑不到50mm的滑輪，所造成的側(cè)壓力要大很多，直接導(dǎo)致光纜中間的鋼絲壓迫光纖松套管管和填充繩，導(dǎo)致松套管管和填充繩變形，從而影響光纖的傳輸性能，甚至可能會發(fā)生斷纖的現(xiàn)象。
前面假設(shè)的是張力為80%額定拉力時的情況，實際上常常能在一些光纜施工現(xiàn)場觀察到5～6個民工在同一處用力拖光纜的現(xiàn)象，1200N的拉力約等于120kg,差不多是兩個成年男子的力量�？梢韵胂�，五、六個人一起用力時的拉力會遠(yuǎn)大于額定張力。當(dāng)時光纜受到的張力是非常大的，一方面從護套表面的磨痕，可以看出光纜在拖動時受到很大的阻力；另一方面剪斷光纜時鋼絲與其它構(gòu)件的相對位移，說明光纜在布放時產(chǎn)生了塑性變形。而要鋼絲產(chǎn)生如此大的不可逆變形，拉力已超過了鋼絲斷裂強度的60%。由此可見，過大的拉力和過小的彎曲半徑是造成光纜損傷的原因所在。
現(xiàn)場模擬光纜受損情況
2007年7月，某用戶提出GYTA-24B1.3光纜在施工后出現(xiàn)多處“斷纖”情況。其施工人員在光纜布放后（施工前未對光纜進行開盤檢測），用OTDR確定故障點，發(fā)現(xiàn)光纜多處斷纖，斷點位于不同纖號、不同位置。收回故障光纜，在護套表面未發(fā)現(xiàn)明顯損傷的痕跡。
為此，該用戶組織人員來到長飛公司，并且自帶兩盤光纜，進行技術(shù)交流。通過對現(xiàn)場的仔細(xì)觀察，分析了此類光纜斷纖的原因，并以試驗證實了相關(guān)的分析。為此，長飛公司售后服務(wù)人員予以積極配合，進行現(xiàn)場模擬驗證。
試驗情況（如圖5所示）：
圖5：側(cè)壓力布放試驗示意圖
1．光纜型號：GYTA-24B1.3
2．纜號：2913I
3．長度：110m（2713-2823）
4．重物：鋼帶（10卷）N=1286.5kg
5．圓柱直徑：125mm
6．牽拉角度：95?
7．地面摩擦系數(shù)：0.2041
8．光纜承受拉力：F=fN = 257.7kg
9．試驗結(jié)果：在纜芯絞合節(jié)距上，有規(guī)律地出現(xiàn)松套管壓扁現(xiàn)象。
現(xiàn)場模擬驗證的結(jié)果印證了對事故原因的分析。光纜在受到大張力時以小角度通過彎曲半徑很小的滑輪或有棱角的堅硬表面時，會使光纖局部受到遠(yuǎn)大余額定值的側(cè)壓力，使光纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重時造成斷纖。
試驗室模擬光纜受損情況
為了更全面地驗證施工不當(dāng)會造成對光纜的損傷，在公司試驗室亦進行了相關(guān)的模擬實驗。如圖6所示，將光纜通過直徑為5cm的滑輪，張角分別為1200和900。拉力分為1500N、2000N、3000N等。實驗完畢后發(fā)現(xiàn)所有1500N的拉力下，光纜的表面沒有明顯的磨痕，2000N和3000N的光纜外觀有磨痕，并且不同程度地有發(fā)扁的現(xiàn)象。將光纜受力的部分解剖開，發(fā)現(xiàn)所有的光纜樣品里面的束管、填充繩在受壓一側(cè)（靠近滑輪）已經(jīng)變扁，鋼絲也有彎曲的現(xiàn)象。
圖6：模擬實驗簡圖
同時將滑輪的直徑加大，使得符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，在1000N、1500N、2000N的拉力下光纜表面沒有任何變化，束管和填充繩沒有受力的現(xiàn)象。
將滑輪去掉，直接將光纜和倒角為45度的設(shè)備直接接觸，發(fā)現(xiàn)在1000N的拉力下光纜已經(jīng)變形，在1500N的拉力下光纜護套已經(jīng)破開。
通過上述實驗的證明，光纜的外觀變扁，束管和填充繩受擠變形，鋼絲移位，原因是施工時的滑輪直徑太小或者是根本沒有使用滑輪造成的。通過實驗還發(fā)現(xiàn)如果滑輪足夠大，即使拉力大一些，光纜也不容易受傷。對直徑較小的滑輪，如果光纜通過時滑輪轉(zhuǎn)動靈活，使拉力保持在低的水平，光纜也不易受到損傷。
普通層絞式光纜施工的建議
●光纜施工要嚴(yán)格按照施工的規(guī)范進行；
●光纜轉(zhuǎn)彎時，其轉(zhuǎn)彎半徑要大于光纜自身直徑的20倍，如架空光纜在上下桿塔時，應(yīng)當(dāng)盡量減小彎曲的角度，同時給光纜盤施加助力，減少光纜的防線張力；
●光纜布放前，應(yīng)對施工及相關(guān)人員就施工應(yīng)注意的事項進行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，如放線方法要領(lǐng)和安全等內(nèi)容，并確保施工人員服從指揮；
●應(yīng)安排相關(guān)人員分布在光纜盤放線處、穿越障礙點、地形拐彎處等處，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，排除故障，控制放線中的速度，并減小放線盤的張力；
●光纜布放過程如遇到障礙，應(yīng)停止拖放，及時排除。不能用大力拖過，否則會造成光纜損傷；
●光纜放線時，張力要穩(wěn)定，不能超過光纜標(biāo)準(zhǔn)的要求拉力。
光纜在受到大張力，以小角度通過彎曲半徑很小的滑輪或有棱角的堅硬表面時，會使光纜局部受到遠(yuǎn)大于額定值的側(cè)壓力，使光纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，嚴(yán)重時造成斷纖。
光纜的施工單位應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗，努力提高施工質(zhì)量，預(yù)防類似施工事故的發(fā)生。
