CN103003733A

CN103003733A - 海底通信光缆及用于制造其的工艺

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Publication number: CN103003733A
Application number: CN2010800681239A
Authority: CN
Inventors: J·马丁雷加拉多; J·M·巴特列埃费雷尔; J·O·比达尔卡萨尼亚斯
Original assignee: Prysmian SpA
Current assignee: Prysmian SpA
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-07-19
Also published as: AU2010357836B2; CN103003733B; BR112013001016A2; WO2012010192A1; US9140868B2; US20130202261A1; AU2010357836A1; EP2596396A1

Abstract

本发明公开了用于制造海底通信光缆的工艺。所述工艺包括以下步骤：设置具有外管（3）的光芯（2）；设置增强结构，所述增强结构包括位于所述光芯上的至少一层导线（50），所述导线的至少一部分包覆有第一金属材料；将外层（6）挤压到所述结构上，所述外层由第二金属材料制成，所述第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本相似的软化点；以及在挤压之后立即冷却所述外层。

Description

海底通信光缆及用于制造其的工艺

技术领域

本发明涉及海底光通信网络的领域。具体地，本发明涉及海底通信光缆及制造其的工艺。

背景技术

海底通信光缆为适于铺设到水底的光缆，以用于实现支持陆上两个端点之间的信息交换的点至点光链路。

点至点光链路可以为中继的或无中继的。在第一种情况下，形成链路的海底通信光缆仅仅承载光信号。在第二种情况下，形成链路的海底通信光缆承载光信号和用于供应链路的海底中继器的电力。

在这两种情况下，海底通信光缆的构造通常包括光芯，所述光芯包含位于内管（其通常由不锈钢、铝或聚合物材料制成）内的光纤，所述内管由一层或多层金属导线包围，所述金属导线又由外铝层环绕。金属层保护光芯抵抗水下安装（尤其是在深水中）所固有的不利影响，例如水分渗透和机械应力（尤其是静水压）。所述一层或多层导线（通常为钢线）主要负责光缆的机械性能（具体地，耐静水压力）。

GB2101505公开了用于制造海底使用的光纤光缆的方法，所述光纤缆芯包括：多根光纤，所述多根光纤通过预成型件围绕强度构件保持在一起；以及铝管，所述预成型件布置在所述铝管中。高强度钢线层螺旋地绞合在所述管上，从而形成绞合强度构件。过大尺寸的铝管随后通过连续挤压工艺直接共轴地挤压到绞合强度构件上。所述管随后被拉伸且摆动到绞合强度构件上，使得管材料至少填充介于导线之间的间隙空间，并且与绞合线层紧密接触。

US4,156,104公开了一种中继海底光缆，其中缆芯由外强度构件围绕，所述外强度构件由多根绞合钢线形成，这些绞合钢线以围绕芯部的外径的叠层的方式依次缠绕。非多孔性的导电铝护套或铜护套随后在绞合线的外层上直接形成。围绕钢线的护套形成用于向沿着光缆间隔分布的光中继器供电的DC导电路径，并且也作为用于设置在光缆中的光传输线路的水分阻挡层。

EP0092980公开了一种架空导体，所述导体包括由基本C形横截面的单个挤压件形成的中央铝芯，所述挤压件的翼部已经向内折叠使得所述翼部的自由端部之间的间隙被封闭，并且所述中央芯部为基本圆形横截面。细长隔室延伸穿过中央芯部的长度，在所述隔室中宽松地容纳光纤。镀锌钢线层包围中央芯部，导线围绕中央芯部螺旋形地铺设。周向连续的外铝层包围镀锌钢线层，外层由大致C形横截面的单个挤压件形成，所述挤压件的翼部已经向内折叠使得所述翼部的自由端部之间的空隙被封闭。中央铝芯和外铝层的铝部分地填充介于钢线之间的间隙。介于镀锌钢线之间的未由铝占据的间隙空间基本填满不透水的油脂。

发明内容

申请人已经注意到，上述已知的光缆具有围绕包括在其结构中的导线的空的间隙。这些间隙由于其可能使光缆暴露于水分渗透而是非期望的。

鉴于以上，申请人已经着手解决提供海底通信光缆的问题，所述光通信光缆包括至少一层导线的增强结构，基本使所有可能存在于光缆中的间隙充满金属，特别是介于增强结构与内管之间、在现有技术的光缆中未填充的间隙。

另外，申请人已经着手解决提供用于制造海底通信光缆的工艺的问题，所述光通信光缆包括至少一层导线的增强结构，所述工艺基本容许完全填充介于导线与内层和外层之间的间隙，所述工艺是尽可能简单的，并且所述工艺尽可能减小制造期间包含在光缆中的光纤受损坏的风险。

通过用于制造海底通信光缆的如下工艺解决该问题，其中，导线的至少一部分包覆有第一金属材料，并且其中，第二金属材料的外层被挤压到导线外层上且在挤压之后立即冷却，所述第二金属材料具有与导线包层的第一金属材料的软化点基本相似的软化点。

在本说明书和权利要求书中，表述“导线的至少一部分为包覆的”指的是，如果R为包括在光缆中的导线的数目，K根导线被包覆，则K小于或等于R，并且使得所述光缆不包括两根相邻的未包覆导线。

另外，在本说明书和权利要求书中，对于“金属材料的软化点”，其指的是金属材料能够被挤压的温度，这种温度范围为金属材料的熔点的50%至75%。

在本说明书和权利要求书中，具有与另一金属材料的软化点基本相似的软化点的金属材料的概念指的是，所考虑的金属材料的软化温度范围至少部分地重叠。

在外层的挤压期间，导线的包层软化并且基本完全填补介于所述导线之间的间隙以及介于所述导线与下层的外表面之间的间隙。

有利地在压力下进行所述外层的挤压，以便有利于所述间隙的填充。

所述包层的软化的金属材料与所述外层的软化挤压的金属材料熔合在一起，从而有利地阻止所述增强导线与所述外层之间的间隙的形成。

基本上没有间隙的总体导线/外层有利地作为抵抗水分渗透的整体高效的阻挡层，并且向光缆赋予最佳的机械性能。

在挤压之后立即冷却外层的步骤有利地能够防止对光芯（例如对光纤以及对容置光纤的内管）的可能损害。

因此，不同于已知的工艺，根据本发明的实施例的工艺有利地容许填充所有间隙而基本没有留下任何自由空间，并且防止在导线与外管之间的间隙的形成。这通过单个制造步骤（即，外层的挤压）实现，并且由此所述工艺有利地为非常简单的。

根据第一方面，本发明涉及用于制造海底通信光缆的方法，所述方法包括以下步骤：

a）设置光芯；

b）设置增强结构，所述增强结构包括位于所述光芯上的至少一层导线，所述导线的至少一部分包覆有第一金属材料；

c）将外层挤压到包括至少一层导线的所述增强结构上，所述外层由第二金属材料制成，所述第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本相似的软化点；以及

d）在挤压之后立即冷却所述外层。

优选地，所述第一材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

优选地，所述第二材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

优选地，所述第一金属材料和所述第二金属材料为相同的材料。

优选地，将所述外层挤压到所述增强结构上的步骤在压力下执行。有利地，挤压压力高于500巴，优选地为从600巴至700巴。在挤压期间压力的施加有利于间隙的填充并且加速所述方法，从而最大限度地减少在挤压期间施加到光缆上的热量的影响。

优选地，将所述外层挤压到所述增强结构上的步骤在从400℃至500℃的挤压温度下进行。有利地，施加从420℃至480℃的挤压温度。

有利地，将所述外层挤压到所述增强结构上的步骤以高于20m/min、更优选地高于25m/min的挤压速度执行。挤压速度能够高达60m/min。

优选地，将所述外层挤压到所述增强结构上的步骤通过包括阳模和阴模的挤压机执行，其中，所述阳模和所述阴模处于并列的关系中。

优选地，所述阳模为无颈部的。

优选地，所述阳模设置为使下游端部远离于所述阴模的上游端部几毫米，例如3-8mm。

根据另一方面，本发明涉及海底光缆，包括：光芯，所述光芯包括容置在内管中的多根光纤；以及增强结构，所述增强结构包括绞合到所述光芯上的至少一层导线，所述导线的至少一部分包覆有第一金属材料，所述增强结构包括嵌入到第二金属材料的外层中的至少一层导线，所述外层由护皮包围，所述光缆基本没有介于所述导线与所述内管之间的间隙。

优选地，所述内管能够由金属材料制成。用于所述内管的优选金属材料为不锈钢和铝，更优选地为铝。

可选地，所述内管由聚合物材料制成，优选地为聚乙烯。

优选地，所述光缆包括由一层导线构成的增强结构。由于嵌入到所述外层内，单层导线至少提供所需的机械强度。

优选地，所述第一材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

优选地，所述第二材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

优选地，包覆的导线中的每一根均包括芯部和包层，所述芯部由第三金属材料制成，所述第三金属材料具有比所述包层的第一金属材料的软化点显著高的软化点。优选的第三金属材料为钢。

附图说明

通过参照附图阅读下面的详细描述，本发明将变得完全清楚，其中：

-图1为根据本发明的海底通信光缆的截面图；

-图2为包括在图1的光缆中的导线的截面图；

-图3为用于制造图1的海底通信光缆的装置的示意图；

-图4为根据本发明的优选实施例的阴/阳挤压模具构造的示意图。

具体实施方式

为了本说明书和所附的权利要求书，除非另外指明，所有表达量、数量、百分比等的数字都应当理解为在所有的情况下由术语“大约”修饰。而且，所有范围包括所公开的最大点和最小点的任意组合，并且包括介于其中的任意居中范围，这些居中范围可能会或可能不会在本文具体列举。

图1示出了根据本发明的海底通信光缆1。

海底通信光缆1包括光芯2。光芯2又包括容置多根光纤4的内管3。仅作为示例，图1中所示的海底通信光缆1包括六根光纤4。

光纤4可以为适于海底应用的任意已知的类型。例如，光纤4可以为符合ITU-T建议G.652（06/2005）的标准单模光纤。可选地，光纤4可以为符合ITU-T建议G.655的NZDS（非零色散位移）光纤。光纤4优选地松散地布置在轴向内管3内。

内管3也可以含有已知类型的填充化合物4a，例如触变胶体。

根据附图中未示出的可选实施例，光芯2可以具有与图1中所示的结构不同的结构。例如，替代于松散地布置在内管内，光纤4可以分组为束或微型模块、或带，所述束或微型模块、或带又布置在内管内。

内管3可以由聚合物材料制成，例如聚乙烯，例如高密度聚乙烯HDPE（高密度聚乙烯），或者由金属材料制成，例如钢，例如不锈钢例如AISI2304或AISI316，或铝。可选地，内管3可以为波纹状的。

作为示例，在不锈钢的情况下，内管3的侧壁的厚度可以包括在0.2mm与0.3mm之间。在铝或HDPE的情况下，厚度优选地为更大。例如，所述厚度可以包括在1.0mm与2.5mm之间。

海底通信光缆1还包括多根导线5。导线5绞合（stranded）到内管3上，以便形成围绕光芯2的一个或多个同心增强层。优选地，本发明的光缆具有包括单层的增强结构。作为示例，图1中所示的海底通信光缆1包括形成围绕光芯2的增强结构的六根导线5。

导线5为金属导线。更具体地，参照图2，每根导线5包括芯部50和包层51。芯部50由第三金属材料制成，而包层51由与第三金属材料不同的第一金属材料制成。第三金属材料的软化点优选地显著高于第一金属材料的软化点。例如，每根导线由ACS（铝包钢）制成，即，每个芯部50由钢制成，而相关的包层51由铝制成。ACS导线可以为如由文献IEC61232Ed.1.0，09.06.1993定义的标准ACS导线（即20SA、27SA、30SA或40SA），或者为钢/铝比率具有非标准值的非标准ACS导线。可选地，芯部50可以由镀锌钢或铝合金制成。

根据附图中未示出的可选实施例，增强导线5仅一部分为包覆的，即包括包层51。例如，如果光缆包含R（R例如为偶数）根导线，则R/2根导线可以为包覆的，并且R/2根导线可以为未包覆的。在这种情况下，导线优选地布置为使得包覆导线和未包覆导线交替。

每根导线5的外径优选地为从1mm至5mm，更优选地为从2mm至3.5mm。

海底通信光缆1还包括外层6，外层6围绕一层或多层导线5的增强结构。外层6的外径优选地为从12mm至16mm，更优选地为从13mm至15mm。

外层6由第二金属材料制成。以这种方式，在光缆1在中继海底光链路中使用的情况下，外层6有利地容许向链路的光中继器供电。

具体地，外层6由第二金属材料制成，第二金属材料具有与导线5的包层51的第一金属材料的软化点基本相似的软化点。例如，第二金属材料能够从铝、铝合金、铜、铜合金中选取。

根据特别有利的实施例，第一金属材料和所述第二金属材料为相同的材料。

如将在本文后面更详细描述的，外层6直接挤压到包括至少一层导线5的增强结构上。在挤压工艺期间达到的温度和压力引致导线5的包层51的第一金属材料的软化。软化的第一金属材料流动以有利地填充介于导线5之间的间隙以及介于导线6与内管3的外表面之间的间隙。另外，包层51的第一金属材料有利地在挤压期间与外层6的第二金属材料混合或熔合到一起，并且由此形成基本固体结构，从而防止在外层6与导线5之间形成间隙。

在海底通信光缆1中，导线5嵌入到第一和第二金属材料内。换句话说，导线5周围没有间隙。总体导线5/外层6随后有利地作为抵抗水分渗透的整体高效的阻挡层而无需提供任何不透水的油脂。另外，总体导线5/外层6向海底通信光缆1赋予最佳的机械性能（具体地，最佳的耐静水压力）。

海底通信光缆1包括围绕外层6的护皮7。护皮7优选地具有从2mm至10mm的厚度，以及从17mm至25mm的外径。护皮7优选地由聚合物材料制成，例如HDPE（高密度聚乙烯）。护皮7为海底通信光缆1赋予耐磨性。如将在本文下面更详细描述的，护皮7直接挤压到外层6上。

优选地，海底通信光缆1还包括设置在外层6与护皮7之间的至少一个粘合剂层（图1中未示出）。所述至少一个粘合剂层提高外层6与护皮7之间的粘合力。此外，所述至少一个粘合剂层有利于避免在护皮7内的损害，并且在损害的情况下，避免腐蚀的传播。所述至少一个粘合剂层优选地包括马来酸酐接枝聚乙烯（maleic anhydride grafted polyethylene）。

取决于光缆的应用，海底通信光缆1可以包括围绕护皮7的其他层（图1中未示出）。

现在参照图3，现在将描述用于制造根据本发明的优选实施例的海底通信光缆1的装置。

装置10包括光纤展开工具11、捆扎工具12、胶体注射工具13、第一挤压机14、导线展开工具15、卷绕工具16、第二挤压机17、冷却工具18、第三挤压机19和收集工具20。装置10的各个部分（工具和挤压机）彼此串联以便形成单一的和连续的生产线（或设备）。

光纤展开工具11包括N个光纤线轴（图3中以圆圈示意性表示），N等于待包括在海底通信光缆1中的光纤4的数目。类似地，导线展开工具15包括M个导线线轴（图3中也以圆圈示意性表示），M等于待包括在海底通信光缆1中的导线5的数目。

通过光纤展开工具11，N根光纤4从各自的线轴中展开且随后穿过捆扎工具12，捆扎工具12优选地将光纤4松散分组，由此形成光纤束。

光纤束随后穿过提供填充化合物4a（例如触变胶体）的胶体注射工具13。这是可选的步骤。

随后，光纤束穿过第一挤压机14，第一挤压机14优选地通过挤压提供围绕光纤束的内管3。替代于第一挤压机14，装置10可以包括如下工具：所述工具提供连续金属条，将金属条定形为围绕光纤束的C形部段的形式，并且最后通过沿着其纵向端部焊接或钎焊该条而将其密封，从而提供金属内管3。这种替代是不太优选的。

光纤4容置在其中的内管3穿过卷绕工具16。卷绕工具16优选地接收从导线展开台16的卷轴展开的M根导线5，并且根据开放螺旋（或“S-Z”）图案将导线缠绕到内管3上，从而形成一层（或多层）导线5。

根据有利的变型，装置10包括插置在卷绕工具16与第二挤压机17之间的模具。该模具优选地具有比内管3（具有缠绕在其上的导线5）的外径窄的直径。该另外的步骤有利地在挤压外层6之前软化包层51的金属材料。包层51的软化的金属材料至少部分地填充介于导线5之间的间隙以及介于导线5与内管3之间的间隙。

光纤4容置在其中且导线5缠绕在其上的内管3随后穿过第二挤压机17。第二挤压机17将外层6挤压到一层或多层导线5上。具体地，优选地通过挤压金属材料而获得外层6，如上述，该金属材料具有与制成导线5的包层51的金属材料的软化点基本相似的软化点。优选地以高到足以阻止挤压期间产生的热量使包封在外层6内的元件（具体的，光芯2）的温度升高到可以损害内管3、光纤4或填充化合物4a（若存在）的值的速度进行挤压工艺。具体地，优选地以高于20m/min、更优选地高于25m/min的速度进行挤压工艺。例如，挤压工艺的速度能够高达60m/min。

第二挤压机17内的压力优选地高于500巴，并且更优选地为从600巴至700巴。另外，挤压温度优选地介于400℃与500℃之间，更优选地介于420℃与480℃之间。如对本领域的技术人员显而易见的，温度的选择取决于第一/第二金属材料和用于制造光芯2所采用的材料。

如图4中所示的第二挤压机17包括阳模170和阴模171。阳模170为无颈部的。阳模170和阴模171优选地处于并列关系中。具体地，阳模170设置在远离于阴模171的若干毫米处。有利地，阳模170设置在远离于阴模171的4-6mm处。有利地在压力下进行利用图4中所示的模具配置执行的挤压。

如上述，在第二挤压机17内，在挤压工艺期间达到的温度和压力引致导线5的包层51的软化。包层51的软化的金属材料（也由于在第二挤压机17中施加的压力值（高于500巴））有利地填充介于导线5之间的间隙以及介于导线5与内管3的外表面之间的间隙。另外，包层51的金属材料有利地与外层6的金属材料基本熔合到一起，并且由此防止在外层6与增强导线5之间形成间隙。如图1中所示的结果为在海底通信光缆1中，导线5的芯部50嵌入到金属材料内。

刚刚在挤压之后，外层6通过冷却工具18冷却，在冷却工具18中其温度和压力优选地分别减小到室温和大气压力。优选地，冷却工具18包括外层6穿过其中的水浴。水浴使得在水浴中的几米之后（即在几秒钟之后，假设将外层6供给到水浴的速度高于25m/min），外层6的温度和嵌入到其中的元件（即，光芯2和导线5）的温度抵达室温。在挤压之后如此短的时间内冷却外层6有利地能够防止对光芯2的可能的损害，这是由于在挤压期间供给到外层6上的热量在挤压之后立即被快速地移除，从而防止其抵达光芯2且将光芯2的温度升高到危险值。

随后，外层6穿过第三挤压机19，第三挤压机19将护皮7挤压到外层6上，从而完成海底通信光缆1的制造。取决于光缆1的应用，装置10可以包括适于提供围绕护皮7的其他层的另外的工具（图中未示出）。

海底通信光缆1最终被收集在收集台20的一个或多个收集鼓上。

对如此生产的光缆进行测试。具体地，制造了如下的海底通信光缆：所述光缆包括光芯，所述光芯又包括48根符合ITU-T建议G.652的标准单模光纤，所述光纤嵌入到触变胶体内、通过由不锈钢制成且具有大约3.5mm内径和4.0mm外径的内管围绕。光芯通过由ACS制成（即20%IACS，即75%的钢和25%的铝）的8根导线围绕，从而形成单个增强层。导线中的每一根具有大约2.42mm的直径。导线的层长度为130mm。在460±20℃的温度下以600-700巴的压力将外铝层挤压到导线上。最后，将HDPE护皮挤压到外层上。护皮的厚度为4mm。所产生的光缆的总直径为24.2mm。所产生的光缆的测量重量为910kg/km，并且所测量的额定抗拉强度（RTS）为5700kg。所产生的光缆有利地没有在导线周围和介于导线与内管之间的任意间隙。另外，测试了光缆的机械性能（应力-应变，极限抗拉强度等）。如在缓冲管中发现介于0.5%与0.6%之间的应变限量（strain margin）。在应力-应变测试期间没有发现光纤的衰减。极限抗拉强度（UTS）的测量为大约7000kg（RTS的123%）。

因此，根据本发明的实施例的用于制造海底通信光缆的工艺具有许多优点。

首先，其容许基本完全填充（或甚至防止形成）导线5周围的间隙。因此，通过这种工艺制造的光缆提供了高效的防水分渗透的阻挡层，并且具有最佳的机械性能。

另一方面，在挤压之后立即冷却外层6有利地能够防止对光芯2的光纤4的可能损害。

此外，由于所述工艺以单个制造步骤执行，因此所述工艺是非常简单的。

Claims

1.用于制造海底通信光缆（1）的方法，所述方法包括以下步骤：

a）设置光芯（2）；

b）设置增强结构，所述增强结构包括位于所述光芯（2）上的至少一层导线（5），所述导线（5）的至少一部分包覆有第一金属材料；

c）将外层（6）挤压到包括至少一层导线（5）的所述增强结构上，所述外层（6）由第二金属材料制成，所述第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本相似的软化点；以及

d）在所述挤压之后立即冷却所述外层（6）。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述第一金属材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

3.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述第二金属材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

4.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述第一金属材料和所述第二金属材料为基本相同的材料。

5.根据权利要求1所述的工艺，其中，在压力下进行所述步骤c）。

6.根据权利要求5所述的工艺，其中，在高于500巴的压力下进行所述步骤c）。

7.根据权利要求1所述的工艺，其中，在从400℃至500℃的挤压温度下进行所述步骤c）。

8.根据权利要求1所述的工艺，其中，以高于20m/min的挤压速度进行所述步骤c）。

9.海底光缆（1），包括：光芯（2），所述光芯包括容置在内管（3）中的多根光纤（4）；以及增强结构，所述增强结构包括绞合到所述光芯（2）上的至少一层导线（5），所述导线（5）的至少一部分包覆有第一金属材料，所述增强结构包括嵌入到第二金属材料的外层（6）中的至少一层导线（5），所述第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本相似的软化点，所述外层（6）由护皮（7）包围，所述光缆基本没有介于所述导线（5）与所述内管（3）之间的间隙。

10.根据权利要求9所述的海底光缆（1），其中，所述内管（3）由聚合物材料制成。

11.根据权利要求9所述的海底光缆（1），其中，所述内管（3）由金属材料制成。

12.根据权利要求9所述的海底光缆（1），其中，所述增强结构包括一层导线（5）。

13.根据权利要求9所述的海底光缆（1），其中，所述第一金属材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

14.根据权利要求9所述的海底光缆（1），其中，所述第二金属材料选自于：铝、铝合金、铜、铜合金。

15.根据权利要求9所述的海底光缆（1），其中，包覆的所述导线（5）中的每一根均包括芯部（50）和包层（51），所述芯部（50）由第三金属材料制成，所述第三金属材料具有比所述第一金属材料的软化点显著高的软化点。