CN101387571A - 海底光缆的动态力学性能试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在实验室模拟受弯曲、受扭转、拉伸变化过程中在线测试海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，用以测定海底光缆同时受弯曲、受扭转、拉伸动态力学变化下缆两端伸长应变量、缆的左右旋转方向和旋转角度，以及缆内光纤的伸长应变量和附加光衰耗，据此全面评估海底光缆的质量水平，供海底光缆的有关研究、设计、工艺制造、质量监控、施工和应用部门领导和科技人员作为指导工作的科学依据。其优点是更接近海底光缆的实际使用严酷的环境条件，比“静态”力学拉伸试验具有更高的使用价值和意义。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种在实验室模拟弯曲、拉伸变化过程中海底光缆的动态力学性能试验方法及装置。
背景技术
海底光缆的力学性能很重要，相关国家标准和国家军用标准对海底光缆规定了拉伸性能试验条件和装置，根据缆在承受拉伸载荷时的缆体伸长应变、缆内光纤伸长应变和附加光衰耗对缆作出评价。
在进行上述试验时，尽管在承受张力载荷时缆体和缆内光纤被拉伸而产生应变，但这只是被测成品缆“静态”结果，并不能表征缆在运输、施工和运行中的“动态”性能。
海底光缆在运行中敷设或埋设在并不平坦的海底，在承受水压的同时会有起伏和弯曲。
海底光缆包括缆的工厂接头在内在运输过程中要多次盘绕，在施工过程中要全程通过施工船的放线导轮，在海上接头时海缆不可避免地会有较小的弯曲，在登陆时肯定会有余缆需要盘留。在这些弯曲过程中光缆始终处于承受张力的状态并引入扭矩，在维修打捞时受力和扭转更甚。
海底光缆的铠装层在受到张力时会扭转，过度的扭转即使张力并不大也足以损坏光缆。因此，仅按照相关标准作的静态拉伸试验是不够的，不足以全面评估缆的整体性能，也不能据此指导海底光缆的施工和运行。
发明内容
为了克服仅作静态拉伸试验不足以全面评估海底光缆的整体性能和指导海底光缆的施工和运行的局限性，本发明提供一种海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，模拟海底光缆在承受拉伸、弯曲、扭转等动态力学状态下测量试验海底光缆两端的张力、缆的伸长应变量、缆的左右旋转方向、缆的旋转角度大小，以及缆内光纤的伸长应变量和附加光衰耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征在于包括下列部件组成：(1)一台卧式拉力试验机，部件(1)是该拉力试验机的连接件，其中1a端连接锚定静端，1b端连接拉力试验机的拉伸端，(2)一个由大扭矩可逆低速电机驱动的主动轮，(3)被测试的海底光缆，(4)可插入的管式海缆接头盒或者工厂接头，(5)带角度输出传感器的可旋转海缆连接夹具，(6)与海缆连接的固定夹具，(7)牵引钢丝绳，(8)从动轮，(9)位移传感器，(10)拉力传感器，(11)一台拉力变换器，(12)一台光纤应变分析测量仪，(13)一台角度变换器，(14)一台位移变换器，(15)一台中央处理器计算机，(16)一台大扭矩可逆低速电机，(17)光纤环接端头，(18)一台电机驱动器，(19)两个临时固定夹具；
海底光缆的动态力学性能试验方法，其特征在于包含下列步骤和方法：
(1)海底光缆动态力学性能试验方法的准备工作：
a、试验用海底光缆的总长度为120米，从盘绕的成品光缆上至少放出10米，先用第一个临时固定夹具固定光缆的铠装层，随后再放出100米用第二个临时固定夹具固定光缆的铠装层，使两个临时固定夹具之间试验光缆有效长度为100米，再继续放出光缆，在离第二个临时固定夹后10米处截断，该临时固定夹具在试验前不能放松或取消；
b、如果试验包括管式海缆接头盒或工厂接头，则在100米段的30米处开断，按规定程序安装管式海缆接头盒或工厂接头；
c、在两个临时固定夹具的内侧安装海缆固定夹具，并与串有拉力传感器的钢丝绳连接，使受试海缆与钢丝绳呈一闭环，套在主动轮和从动轮上，由卧式拉力试验机的锚定静端和拉伸动端拉至不松脱；
d、在试验海缆段内装上位移传感器；
e、在被试验海缆的一端把缆内光纤串接，在缆的另一端把环接光纤的输入和输出端接入光纤应变分析测量仪，其余光纤头尾相接形成环路，如果仪器有足够的分辨率，也可以不环接光纤，而直接检测每一根光纤；
f、将角度传感器、拉力传感器和光纤衰变信号输出经相应的角度、拉力、位移变换器、光纤分析仪变成电信号输入中央处理器；
(2)海底光缆动态力学性能试验方法分下列步骤进行：
a、检查并正确接好各试验部件和仪器的机械连接、光学连接和电连接，确保各部分工作正常、可靠和安全；
b、启动拉力试验机和光纤分析仪，缓慢匀速地施加张力至光缆的长期拉伸负荷值、工作拉伸负荷值、短暂拉伸负荷值，在这些力值点上按规定或要求保持适当时间并启动可逆低速电机，使海底光缆在卧式拉力试验机拉紧的情况下再加上大扭矩可逆低速电机拖动主动轮缓慢小幅度地可逆往复摆动，来摸拟海缆在线动态张力变化情况下各参数的变化状况；
c、如果试验包括管式海缆接头盒或工厂接头，则按规定或要求施加张力，通过或不通过主动轮；
d、在中央处理器上直接读取或自动记录被测试海底光缆在动态力学变化情况下缆两端的张力、缆的伸长应变量、缆的旋转方向及旋转角度，以及缆内光纤的伸长应变量和缆内光纤的附加光衰耗诸数据显示直读或输送入中央处理器记录并处理；
(3)分析得出的试验结果及数据供海底光缆的研究、设计、工艺制造、质量监控、施工和应用部门领导作为指导工作的依据；
上述对光缆施加张力的装置是由液压或者机械传动的拉力试验机和由模拟海底光缆内动态内应力的大扭矩可逆低速变速电机驱动套在主动轮从动轮上的海底光缆与钢丝绳共同完成的，并通过拉力传感器显示或者输出电子信号，主动轮的半径应≥海底光缆接头总成最小允许弯曲半径；上述带有角度传感器的可旋转夹具是采用承受高强度破断力的旋转连接器，连接在该连接器的动端安装有测量旋转角度的电磁传感器，通过角度变换器变成电信号输入中央处理器显示或者记录；上述安装在海底光缆试验段中部任意位置的伸长应变测量装置是带位移刻度的机械式装置、带光栅的光电式、电磁式、霍尔元件之类传感装置读出并记录海底光缆在受动态应力情况下的伸长应变量；上述光纤应变分析测量仪是在向海底光缆施加动态弯曲、张力时同时读出或记录缆内光纤的应变和光衰耗量的测量仪表；上述可以插入的海底光缆接头盒或海底光缆工厂接头，可同时检测光缆和接头盒关键部件的动态性能。
本发明的有益效果是将海底光缆在模拟更接近于缆的实际使用中受弯曲、受扭转和轴向拉伸等动态力学变化状态下，试验测定缆的伸长应变量、缆的左右旋传方向及旋转角度及缆内光纤伸长应变量和附加光衰耗诸技术参数及其相互关系，以便从整体上评价海底光缆的质量水平，为科学指导海底光缆的研究、设计、生产、施工、应用奠定坚实的技术基础，避免盲用性，比“静态”力学拉伸性能试验具有更高的使用价值和意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明试验装置连接示意图。
图2是本发明在对海底光缆被试验段试样取样长度示意图。
图3是海底光缆在承受短暂拉伸负荷下的动态力学性能试验示意图。
图4是海底光缆在长期工作负荷下动态力学性能试验示意图。
图5是海底光缆和软接头在长期工作负荷值下的综合动态力学性能试验示意图。
图6是海底光缆和接头盒在长期工作负荷值下的综合动态力学性能试验示意图。
在图1图—图6中：1.卧式拉力试验机连接件，其中1a端是连接锚定静端，1b端是连接拉力试验机拉伸端，2.主动轮，3.被测试海底光缆，4.可插入的管式海缆接头盒或者工厂接头，5.带角度输出传感器的可旋转海缆连接夹具，6.与海缆连接的固定夹具，此夹具也可以用上项(5)代替7.牵引钢丝绳，8.从动轮，9.位移传感器，10.拉力传感器，11.拉力变换器，12.含光源和光功率计的光纤分析测试仪，13.角度变换器，14.位移变换器，15.中央处理器计算机，16.大扭矩可逆低速电机，17.光纤环接端头，18.电机驱动器，19.临时固定夹具，20.海缆端头。
具体实施方式
一种海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征在于包括下列部件组成：(1)一台卧式拉力试验机，部件(1)是该拉力试验机的连接件，其中1a端连接锚定静端，1b端连接拉力试验机的拉伸端，(2)一个由大扭矩可逆低速电机驱动的主动轮，(3)被测试的海底光缆，(4)可插入的管式海缆接头盒或者工厂接头，(5)带角度输出传感器的可旋转海缆连接夹具，(6)与海缆连接的固定夹具，(7)牵引钢丝绳，(8)从动轮，(9)位移传感器，(10)拉力传感器，(11)一台拉力变换器(12)一台含光源的光纤应变分析测量仪，(13)一台角度变换器，(14)一台位移变换器，(15)一台中央处理器，(16)大扭矩可逆低速电机，(17)光纤端接装置，(18)一台电机驱动器；
海底光缆的动态力学性能试验方法，其特征在于包含下列步骤和方法：
(1)海底光缆动态力学性能试验方法的准备工作：
a、试验用海底光缆的总长度为120米，从盘绕的成品光缆上至少放出10米，先用第一个临时固定夹具(19)固定光缆的铠装层，随后再放出100米用第二个临时固定夹具(19)固定光缆的铠装层，使两个临时固定夹具之间试验光缆有效长度为100米，再继续放出光缆，在离第二个临时固定夹具(19)后10米处截断，该临时固定夹具(19)在试验前不能放松或取消；
b、如果试验包括管式海缆接头盒或工厂接头(4)，则在100米段的30米处开断，按规定程序安装管式海缆接头盒或工厂接头(4)；
c、在两个临时固定夹具的内侧安装海缆固定夹具(5)(6)，并与串有拉力传感器(10)的钢丝绳(7)连接，使受试海缆(3)与钢丝绳(7)呈一闭环，套在主动轮(2)和从动轮(8)上，由卧式拉力试验机的锚定静端(1a)和拉伸动端(1b)拉至不松脱；
d、在试验海缆段内装上位移传感器(9)；
e、在被试验海缆的一端把缆内光纤串接(17)，在缆的另一端把环接光纤的输入和输出端接入光纤应变分析测量仪(12)，其余光纤头尾相接形成环路，如果仪器有足够的分辨率，也可以不环接光纤，而直接检测每一根光纤；
f、将角度传感器(5)、拉力传感器(10)和光纤衰变信号输出(17)经相应的角度、拉力、位移变换器、光纤分析仪(12)变成电信号输入中央处理器(15)；
(2)海底光缆动态力学性能试验方法分下列步骤进行：
a、检查并正确接好各试验部件和仪器的机械连接、光学连接和电连接，确保各部分工作正常、可靠和安全；
b、启动拉力试验机和光纤分析仪(12)，缓慢匀速地施加张力至光缆的长期拉伸负荷值、工作拉伸负荷值、短暂拉伸负荷值，在这些力值点上按规定或要求保持适当时间并启动可逆低速电机，使海底光缆(3)在卧式拉力试验机拉紧的情况下再加上大扭矩可逆低速电机(16)拖动主动轮(2)缓慢小幅度地可逆往复摆动，来摸拟海缆在线动态张力变化情况下各参数的变化状况；
c、如果试验包括管式海缆接头盒或工厂接头(4)，则按规定或要求施加张力，通过或不通过主动轮(2)；
d、在中央处理器(15)上直接读取或自动记录被测试海底光缆(3)在动态力学变化情况下缆两端的张力、缆的伸长应变量、缆的旋转方向及旋转角度，以及缆内光纤的伸长应变量和缆内光纤的附加光衰耗诸数据显示直读或输送入中央处理器记录并处理；
(3)分析得出的试验结果及数据供海底光缆的研究、设计、工艺制造、质量监控、施工和应用部门领导作为指导工作的依据；上述对光缆施加张力的装置是由液压或者机械传动的拉力试验机(1)和由模拟海底光缆内动态内应力的大扭矩可逆低速变速电机(16)驱动套在主动轮(2)、从动轮(8)上的海底光缆(3)与钢丝绳(7)共同完成的，并通过拉力传感器(10)显示或者输出电子信号，主动轮(2)的半径应≥海底光缆(3)接头总成最小允许弯曲半径；上述牵引钢丝绳(7)采用的是本身无扭矩的多股无捻钢丝绳；上述带有角度传感器的可旋转夹具(5)是采用承受大于800kN高强度破断力的旋转连接器连接的，在该连接器的动端安装有测量旋转角度的电磁传感器(5)(6)通过角度变换器(13)变成电信号输入中央处理器(15)显示或者记录；上述安装在海底光缆试验段(3)中部任意位置的伸长应变测量装置(10)是带位移刻度的机械式装置、带光栅的光电式、电磁式、霍尔元件之类传感装置读出并记录海底光缆在受动态应力情况下的伸长应变量，常用的框式位移测量装置，简易测量可用市售盘式直读式数显测微计，例如采用市售分辨率优于0.001毫米的电容式直线位移传感器；上述光纤应变分析测量仪是在向海底光缆(3)施加动态弯曲、张力时同时读出或记录缆内光纤的应变和光衰耗量的测量仪表，常用CD-300或CD-400型；上述可以插入的管式海底光缆接头盒或海底光缆工厂软接头(4)，可同时检测管式海底光缆接头盒或工厂软接头关键部件的动态性能。
实施例1、海底光缆在承受短暂拉伸负荷力值下的动态力学性能试验，参见图3。
该试验模拟海底光缆在维修打捞时在承受短暂位伸负荷时通过导轮回收到施工船上的状态，主要考核和验证海底光缆的运行和维护性能。
如图3所示安装好光缆及连接件后，按规定或要求缓慢匀速施加张力至光缆的长期工作负荷值并保持至少10分鈡。在此过程中，光缆会有与钢丝铠装方向相反的旋转然后开始与钢丝铠装方向同向旋转。
待系统稳定后，按规定或要求缓慢匀速施加至光缆的工作拉伸负荷值并保持至少30分鈡，在此过程中，光缆与钢丝铠装方向同向旋转，转动角度逐渐减小。光缆产生明显应变伸长，缆内光纤开始产生应变但应没有明显附加衰耗。
缓慢匀速施加至光缆的工作拉伸负荷值，在此过程中，光缆扭转逐渐停止，光缆继续应变伸长，缆内光纤产生附加衰耗。按规定或要求保持3分钟后，开启可逆低速电机(16)，按规定或要求至少有70米长度光缆在张力条件反复弯曲10次或，检验在此状态下的各参数，可判断试验缆的维护性能。
实施例2、海底光缆在长期工作负荷值下的抗扭转动态力学性能试验，参见图4。
该试验模拟光缆在承受施工张力和扭转及光缆在海底弯曲、起伏时的工作状态，主要考核和验证光缆的施工性能和长期工作可靠性，。
如图4所示安装好光缆及连接件后，将光缆顺铠装钢丝方向扭转360度并锁定，按规定或要求缓慢匀速施加张力至光缆的长期工作负荷值并保持至少10分鈡，再开启可逆低主动轮速电机(16)，按规定或要求至少有80米长度光缆在有张力扭矩条件下反复通过弯曲3次，记录下所有动态过程中的相关参数后解除张力，然后逆铠装钢丝方向扭转360度重复以上过程。在解除张力和扭矩后，光缆的所有参数应恢复到初始状态，据此判断缆的抗扭转性能。
实施例3、海底光缆和接头盒在长期工作负荷值和工作拉伸负荷值下的动态力学性能试验，参见图6。
该试验模拟光缆管式接头盒在施工和检修接续时通过放缆导轮的工作状态，主要考核和验证海底光缆包括接头盒的整体工作性能。对于管式海缆接头盒：如图6所示安装好光缆和接头盒及连接件后，按规定或要求缓慢匀速施加张力至光缆的长期工作负荷值保持至少10分鈡，记录下所有的相关参数，然后按规定或要求缓慢匀速施加张力至光缆的工作拉伸负荷值保持至少5分鈡，再开启可逆低速电机(16)，按规定或要求让接头盒不通过主动轮缓慢左右移动各5至10米至少5次，记录下所有参数。最后，将接头盒移动到原来的位置，缓慢减小张力至松驰，记录下所有的参数，光缆和接头盒应能恢复到初始状态。
在张力松驰状态下，按图6所示安装好光缆和接头盒及连接件，接头盒应保持与主动轮相切，按规定或要求缓慢匀速施加张力至10kN保持至少3分鈡，记录下所有参数，然后缓慢减小张力至松驰，记录下所有的参数，光缆和接头盒应能恢复到初始状态。
实施例4.海底光缆与工厂软接头在长期负荷值和拉伸负荷值下动态力学性能试验，参见图5。
对于工厂软接头：如图5所示安装好光缆和工厂软接头及连接件后，按规定或要求缓慢匀速施加张力至光缆的长期工作负荷值保持至少10分鈡，记录下所有的相关参数，然后缓慢匀速施加张力至光缆的工作拉伸负荷值保持至少5分鈡，再开启可逆低速电机，按规定或要求让接头盒缓慢通过主动轮往复至少5次，记录下所有参数。最后，将接头盒移动到原来的位置，缓慢减小张力至松驰，记录下所有的参数，光缆和工厂接头应能恢复到初始状态。
Claims (6)
1、一种海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征在于包括下列部件组成：(1)一台卧式拉力试验机，部件(1)是该拉力试验机的连接件，其中1a端连接锚定静端，1b端连接拉力试验机的拉伸端，(2)一个由大扭矩可逆低速电机驱动的主动轮，(3)被测试的海底光缆，(4)可插入的管式海缆接头盒或者工厂接头，(5)带角度输出传感器的可旋转海缆连接夹具，(6)与海缆连接的固定夹具，该夹具也可以用带角度输出传感器的可旋转海缆连接夹具，(7)牵引钢丝绳，(8)从动轮，(9)位移传感器，(10)拉力传感器，(11)一拉力变换器，(12)一台光纤应变分析测量仪，(13)一台角度变换器，(14)一台位移变换器，(15)一台中央处理器计算机，(16)一大扭矩可逆低速电机，(17)光纤环接端头，(18)电机驱动器，(19)临时固定夹具；
海底光缆的动态力学性能试验方法，其特征在于包含下列步骤和方法：
(1)海底光缆动态力学性能试验方法的准备工作：
a、试验用海底光缆的总长度为120米，从盘绕的成品光缆上至少放出10米，先用第一个临时固定夹具固定光缆的铠装层，随后再放出100米用第二个临时固定夹具固定光缆的铠装层，使两个临时固定夹具之间试验光缆有效长度为100米，再继续放出光缆，在离第二个临时固定夹后10米处截断，该临时固定夹具在试验前不能放松或取消；
b、如果试验包括管式海缆接头盒或工厂接头，则在100米段的30米处开断，按规定程序安装管式海缆接头盒或工厂接头；
c、在两个临时固定夹具的内侧安装海缆固定夹具(5、6)，并与串有拉力传感器(10)的钢丝绳(7)连接，使受试海缆(3)与钢丝绳(7)呈一闭环，套在主动轮(2)和从动轮(8)上，由卧式拉力试验机(1)的锚定静端(1a)和拉伸动端(1b)拉至不松脱；
d、在试验海缆(3)段内装上位移传感器(9)；
e、在被试验海缆的一端把缆内光纤串接(17)，在缆的另一端把环接光纤的输入和输出端接入光纤应变分析测量仪(12)，其余光纤头尾相接形成环路，如果仪器有足够的分辨率，也可以不环接光纤，而直接检测每一根光纤：
f、将角度传感器(5、6)、拉力传感器(10)和光纤衰变信号输出经相应的角度、拉力、位移变换器、光纤分析仪(12)变成电信号输入中央处理器；
(2)海底光缆动态力学性能试验方法分下列步骤进行：
a、检查并正确接好各试验部件和仪器的机械连接、光学连接和电连接，确保各部分工作正常、可靠和安全；
b、启动拉力试验机和光纤分析仪，缓慢匀速地施加张力至光缆的长期拉伸负荷值、工作拉伸负荷值、短暂拉伸负荷值，在这些力值点上按规定或要求保持适当时间并启动可逆低速电机(16)，使海底光缆(3)在卧式拉力试验机拉紧的情况下再加上大扭矩可逆低速电机(16)拖动主动轮(2)缓慢小幅度地可逆往复摆动，来摸拟海缆在线动态张力变化情况下各参数的变化状况；
c、如果试验包括管式海缆接头盒或工厂接头(4)，则按规定或要求施加张力，通过或不通过主动轮；
d、在中央处理器上直接读取或自动记录被测试海底光缆在动态力学变化情况下缆两端的张力、缆的伸长应变量、缆的旋转方向及旋转角度，以及缆内光纤的伸长应变量和缆内光纤的附加光衰耗诸数据显示直读或输送入中央处理器计算机(15)记录并处理；
(3)分析得出的试验结果及数据供海底光缆的研究、设计、工艺制造、质量监控、施工和应用部门领导作为指导工作的依据。
2、根据权利要求1所述的海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征是对光缆(3)施加张力的装置是由液压或者机械传动的拉力试验机(1)和由模拟海底光缆内动态内应力的大扭矩可逆低速电机(16)驱动套在主动轮(2)、从动轮(8)上的海底光缆(3)与钢丝绳(7)共同完成的，并通过拉力传感器显示或者输出电子信号，主动轮(2)的半径应≥海底光缆接头总成最小允许弯曲半径或按要求配置。
3、根据权利要求1所述的海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征是带有角度传感器的可旋转夹具(5、6)是采用高强度破断力的旋转连接器，在该连接器的动端安装有测量旋转角度的电磁传感器通过角度变换器变成电信号输入中央处理器计算机(15)显示或者记录处理的。
4、根据权利要求1所述的海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征是安装在海底光缆试验段中部任意位置的伸长应变测量装置是带位移刻度的机械或装置、带光栅的光电式、电磁式、霍尔元件之类传感装置读出并记录海底光缆在线动态应力情况下的伸长应变量。
5、根据权利要求1所述的海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征是光纤应变分析测量仪是在向海底光缆施加动态弯曲、张力时同时读出或记录缆内光纤的应变和光衰耗量的测量仪表。
6、根据权利要求1-5所述的海底光缆的动态力学性能试验方法及装置，其特征是可以插入海底光缆管式接头盒或海底光缆工厂接头(4)，同时检测光缆和接头盒关键部件的动态性能。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090318 |