CN107505199B - 一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置及试验方法，涉及海缆试验领域。光纤一般处于海缆塑料护套和铠装之间，位置比较靠外，通过光纤应变反映海缆机械状态是定性的，无法定量反映。本发明包括用于与海缆两端相连的夹具、第一夹具座、第二夹具座、支撑组件、牵引组件、控制处理器；牵引组件设有张力传感器、位移传感器，海缆一端通过夹具固定在第一夹具座上，海缆另一端通过夹具固定在第二夹具座的牵引组件上，牵引组件牵引海缆使其伸长。本技术方案建立了海缆端头固定和拉伸试验系统，利用分布式光纤传感技术测量光纤的应变分布，利用张力计和引伸计测量海缆承受的张力和端头位移，获取光纤和海缆的应变关系，试验可靠，稳定性好，准确性高。

Description

一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及海底电缆试验领域，尤其指一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置及试验方法。

背景技术

海底电缆结构十分复杂，如图1所示，其包括：铜导体101、导体屏蔽层102、XLPE绝缘103、绝缘屏蔽104、半导电阻水带105、铅合金护套106、HDPE护套107、黄铜带108、PE填充条109、光单元110、绳被层111、钢丝铠装层112、及外被层113。且由于光纤一般处于海底电缆塑料护套和铠装之间，位置比较靠外，所以通过光纤应变反映海底电缆机械状态是定性的，无法定量反映。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，以达到获取光纤和海底电缆的应变关系的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，包括用于与海底电缆两端相连的夹具、与一夹具相连的第一夹具座、与另一夹具相连的第二夹具座、设于第一夹具座和第二夹具座之间的用于支撑海底电缆的支撑组件、设于第二夹具座上的牵引组件、与牵引组件相连的控制处理器；所述的牵引组件设有用于测量海底电缆张力的张力传感器、用于测量海底电缆端部位移的位移传感器，海底电缆一端通过夹具固定在第一夹具座上，海底电缆的另一端通过夹具固定在第二夹具座的牵引组件上，牵引组件牵引海底电缆使其伸长，控制处理器通过测量的光纤应变分布、海底电缆张力及海底电缆端部位移，获取光纤和海底电缆的应变关系。可通过人力牵引或电机牵引的方式实现对海底电缆的牵引。本技术方案利用分布式光纤传感技术测量光纤复合海底电缆内光纤的应变分布，利用光纤应变可以反映海底电缆的机械状态。 通过建立光纤和海底电缆本体的应变关系，利用光纤测得的应变计算出海底电缆的应变分布，定量的得到海底电缆具体的机械状态，从而判断或评估其健康状况。

本技术方案建立了海底电缆端头固定和拉伸试验系统，利用分布式光纤传感技术测量光纤的应变分布，利用张力计和引伸计测量海底电缆承受的张力和端头位移，通过试验方法获取光纤和海底电缆的应变关系。试验可靠，稳定性好，准确性高。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的夹具包括第一连接盘、第二连接盘，第一连接盘和第二连接盘之间通过连接杆连接，所述的第一连接盘的中部开设有用于穿设海底电缆导体的导体孔；第一连接盘的端面开设多圈孔，包括第一圈孔、位于第一圈孔内侧的第二圈孔，第一圈孔由多个铠装钢丝过孔组成，第二圈孔由多个PE过孔和光单元过孔组成。本技术方案保证拉伸试验与工程实际相符，保证各层结构同步拉伸，层间不产生相对滑移。

第一连接盘的外端面上设有与铠装钢丝过孔相对的金属连接头，金属连接头与第一连接盘分体设置；所述的金属连接头设有与铠装钢丝相配的通孔，铠装钢丝穿过第一连接盘的铠装钢丝过孔、金属连接头的通孔后与金属连接头焊接固定。

所述的第一连接盘、第二连接盘的厚度为4～6cm，直径是海底电缆外径的1.5～2.5倍。

第一圈孔的孔数与海底电缆的铠装钢丝数量相对应；第二圈孔的孔数与海底电缆的PE填充条、光单元数量和相对应。

组成第一圈孔的所有孔周向均匀设置，组成第二圈孔的所有孔周向均匀设置。

第一连接盘和第二连接盘的半径三分之二处开4个直径2cm～4cm的圆孔，4根铁质连接杆从孔中穿过，端头用螺母固定；第二连接盘外侧设U形铁环以作为牵引的抓手。

所述的第一夹具座包括底座、设于底座上的连接板、与连接板相配的丝杆、能与夹具相配的钳口；连接板设有与丝杆相配的带螺纹的丝杆孔，丝杆的头部与钳口相连。

所述的第二夹具座包括底座、设于底座上的连接板、与连接板相配的丝杆、能与夹具相配的钳口；连接板设有与丝杆相配的带螺纹的丝杆孔，丝杆的头部与钳口相连，丝杆的尾部与牵引组件相连，所述的牵引组件包括驱动丝杆转动的电机、电机控制装置。底座通过牢固的地基固定在地面上，钳口用于固定海底电缆端头夹具，支撑组件用于支撑中间悬空的海底电缆，电机用于对海底电缆施加位移或拉力载荷，电机控制装置给电机提供电源和控制信号，张力传感器测量拉伸过程中的实时张力，位移传感器测量海底电缆端头的位移量，为防止拉伸时端头脱落导致的意外，在海底电缆端头上方设防护罩。

本发明的另一个目的是提供一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验方法。

试验方法包括以下步骤：

1）将海底电缆两端用夹具固定，

让海底电缆的导体从夹具的导体孔中穿过；让PE填充条和光单元从对应的PE过孔和光单元过孔中穿过，并用环氧树脂胶固定；让铠装钢丝从夹具的铠装钢丝过孔中穿过，并用电焊固定；PE填充条、光单元、铠装钢丝在固定时尽量绷紧，并保证圆周方向的每一根受力一致；同样的方法将海底电缆两端固定好；

2）然后把夹具套在海底电缆拉伸装置的钳口上，调整钳口位置，使海底电缆松弛的搭在支架上，并保持直线状态；用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的初始应变，此应变是海底电缆零应变时光纤的应变；

3）启动电机，控制钳口缓慢移动，拉伸海底电缆，待海底电缆被拉直紧绷时停止钳口移动，记录此时的张力和位移，此时海底电缆端头的位置作为海底电缆端头位移的零点；用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的应变。

4）继续缓慢拉伸海底电缆，直至拉伸到张力达到海底电缆的屈服张力为止。整个过程用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的应变，并记录海底电缆承受的张力和端头位移。

5）试验完成后，进行数据处理，步骤如下：

A）取光纤中部5m范围内的应变平均值作为光纤的应变；用海底电缆端头位移除以海底电缆原长，作为海底电缆的应变；

B）使用最小二乘法，对拉伸过程中海底电缆的应变和光纤的应变进行拟合，求取二者的关系方程，得到海底电缆和光纤的应变关系。

有益效果：

本技术方案建立了海底电缆端头固定和拉伸试验系统，利用分布式光纤传感技术测量光纤的应变分布，利用张力计和引伸计测量海底电缆承受的张力和端头位移，通过试验方法获取光纤和海底电缆的应变关系。试验可靠，稳定性好，准确性高。

附图说明

图1是海底电缆结构图。

图2是本发明夹具结构示意图。

图3是本发明夹具使用结构示意图。

图4是本发明的试验结构示意图。

图5是本发明的海底电缆和光纤的应变拟合曲线图。

图中：1-海底电缆 ；2- 夹具；201－第一连接盘；202－第二连接盘；204-PE过孔或单元过孔；206－连接杆；207－U形铁环；304－钳口；401-底座；404-电机；405-电机控制装置；406-钳口；5-支撑组件；6-张力传感器；7-位移传感器；8-金属连接头；9-防护罩。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图2、3、4所示，本发明包括用于与海底电缆1两端相连的夹具2、与一夹具2相连的第一夹具座、与另一夹具2相连的第二夹具座、设于第一夹具座和第二夹具座之间的用于支撑海底电缆1的支撑组件5、设于第二夹具座上的牵引组件、与牵引组件相连的控制处理器；所述的牵引组件设有用于测量海底电缆1张力的张力传感器6、用于测量海底电缆1端部位移的位移传感器7，海底电缆1一端通过夹具2固定在第一夹具座上，海底电缆1的另一端通过夹具2固定在第二夹具座的牵引组件上，牵引组件牵引海底电缆1使其伸长，控制处理器通过测量的光纤应变分布、海底电缆1张力及海底电缆1端部位移，获取光纤和海底电缆1的应变关系。

其中，所述的夹具2包括第一连接盘201、第二连接盘202，第一连接盘201和第二连接盘202之间通过连接杆206连接，所述的第一连接盘201的中部开设用于穿设海底电缆1导体的导体孔；第一连接盘201的端面开设多圈孔，包括第一圈孔、位于第一圈孔内侧的第二圈孔，第一圈孔由多个铠装钢丝过孔组成，第二圈孔由多个PE过孔和单元过孔204组成。

第一连接盘201的外端面上设有与铠装钢丝过孔相对的金属连接头8，所述的金属连接头8设有与铠装钢丝相配的通孔，铠装钢丝穿过第一连接盘201的铠装钢丝过孔、金属连接头8的通孔后与金属连接头8焊接固定。金属连接头8与第一连接盘201是分体件，金属连接头8与铠装钢丝焊接，试验结束后，去除金属连接头8即可，不会对第一连接盘201造成影响，使得第一连接盘201可重复使用。

为保证第一连接盘201、第二连接盘202的强度，所述的第一连接盘201、第二连接盘202的厚度为5cm，直径是海底电缆1外径的2倍。

第一圈孔的孔数与海底电缆1的铠装钢丝数量相对应；第二圈孔的孔数与海底电缆1的PE填充条、光单元数量和相对应。组成第一圈孔的所有孔周向均匀设置，组成第二圈孔的所有孔周向均匀设置。

为提高第一连接盘201和第二连接盘202的结合强度，及夹具2的连接可靠性。第一连接盘201和第二连接盘202的半径三分之二处开4个直径3cm的圆孔，4根铁质连接杆206从孔中穿过，端头用螺母固定；第二连接盘202外侧设U形铁环207以作为牵引的抓手。

所述的第一夹具座包括底座、设于底座上的连接板、与连接板相配的丝杆、能与夹具2相配的钳口304；连接板设有与丝杆相配的带螺纹的丝杆孔，丝杆的头部与钳口304相连。设丝杆可方便调紧。

可以理解的，第一夹具座也可以不包含丝杆等，只要能使夹具2固定即可。

所述的第二夹具座包括底座401、设于底座401上的连接板、与连接板相配的丝杆、能与夹具2相配的钳口406；连接板设有与丝杆相配的带螺纹的丝杆孔，丝杆的头部与钳口406相连，丝杆的尾部与牵引组件相连，所述的牵引组件包括驱动丝杆转动的电机404、控制电机404转动的电机控制装置405。

为防止拉伸时端头脱落导致的意外，在海底电缆端头上方可设防护罩。

本技术方案的试验方法包括以下步骤：

1）将海底电缆两端用夹具2固定；

让海底电缆的导体从夹具2的导体孔中穿过；让PE填充条和光单元从对应的PE过孔和单元过孔204中穿过，并用环氧树脂胶固定；让铠装钢丝从夹具2的铠装钢丝过孔中穿过，并用电焊固定；PE填充条、光单元、铠装钢丝在固定时尽量绷紧，并保证圆周方向的每一根受力一致；同样的方法将海底电缆两端固定好；如图4所示，

2）然后把夹具2套在海底电缆拉伸装置的钳口上，调整钳口位置，使海底电缆松弛的搭在支架上，并保持直线状态；用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的初始应变，此应变是海底电缆零应变时光纤的应变；

3）启动电机404，控制钳口缓慢移动，拉伸海底电缆，待海底电缆被拉直紧绷时停止钳口移动，记录此时的张力和位移，此时海底电缆1端头的位置作为海底电缆1端头位移的零点；用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的应变。

4）继续缓慢拉伸海底电缆，直至拉伸到张力达到海底电缆的屈服张力为止。整个过程用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的应变，并记录海底电缆承受的张力和端头位移。

5）试验完成后，进行数据处理，步骤如下：

A）取光纤中部5m范围内的应变平均值作为光纤的应变；用海底电缆端头位移除以海底电缆原长，作为海底电缆的应变；

B）使用最小二乘法，对拉伸过程中海底电缆的应变和光纤的应变进行拟合，求取二者的关系方程，得到海底电缆和光纤的应变关系，如图5所示。

以上图2-4所示的一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置及试验方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，其特征在于：包括用于与海底电缆两端相连的夹具、与一夹具相连的第一夹具座、与另一夹具相连的第二夹具座、设于第一夹具座和第二夹具座之间的用于支撑海底电缆的支撑组件、设于第二夹具座上的牵引组件、与牵引组件相连的控制处理器；所述的牵引组件设有用于测量海底电缆张力的张力传感器、用于测量海底电缆端部位移的位移传感器，海底电缆一端通过夹具固定在第一夹具座上，海底电缆的另一端通过夹具固定在第二夹具座的牵引组件上，牵引组件牵引海底电缆使其伸长，控制处理器通过测量的光纤应变分布、海底电缆张力及海底电缆端部位移，获取光纤和海底电缆的应变关系；

所述的夹具包括第一连接盘、第二连接盘，第一连接盘和第二连接盘之间通过连接杆连接，所述的第一连接盘的中部开设用于穿设海底电缆导体的导体孔；第一连接盘的端面开设多圈孔，包括第一圈孔、位于第一圈孔内侧的第二圈孔，第一圈孔由多个铠装钢丝过孔组成，第二圈孔由多个PE过孔和光单元过孔组成；

所述的第一夹具座包括底座、设于底座上的连接板、与连接板相配的丝杆、能与夹具相配的钳口；连接板设有与丝杆相配的带螺纹的丝杆孔，丝杆的头部与钳口相连；

所述的第二夹具座包括底座、设于底座上的连接板、与连接板相配的丝杆、能与夹具相配的钳口；连接板设有与丝杆相配的带螺纹的丝杆孔，丝杆的头部与钳口相连，丝杆的尾部与牵引组件相连，所述的牵引组件包括驱动丝杆转动的电机、控制电机转动的电机控制装置。

2.根据权利要求1所述的一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，其特征在于：第一连接盘的外端面上设有与铠装钢丝过孔相对的金属连接头，金属连接头与第一连接盘分体设置；所述的金属连接头设有与铠装钢丝相配的通孔，铠装钢丝穿过第一连接盘的铠装钢丝过孔、金属连接头的通孔后与金属连接头焊接固定。

3.根据权利要求2所述的一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，其特征在于：所述的第一连接盘、第二连接盘的厚度为4～6cm，直径是海底电缆外径的1.5～2.5倍。

4.根据权利要求3所述的一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，其特征在于：第一圈孔的孔数与海底电缆的铠装钢丝数量相对应；第二圈孔的孔数与海底电缆的PE填充条、光单元数量和相对应。

5.根据权利要求4所述的一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，其特征在于：组成第一圈孔的所有孔周向均匀设置，组成第二圈孔的所有孔周向均匀设置。

6.根据权利要求5所述的一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置，其特征在于：第一连接盘和第二连接盘的半径三分之二处开4个直径2cm～4cm的圆孔，4根铁质连接杆从孔中穿过，端头用螺母固定；第二连接盘外侧设U形铁环以作为牵引的抓手。

7.采用权利要求1-6任一权利要求所述的一种获取光纤和海底电缆应变关系的试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将海底电缆两端用夹具固定，让海底电缆的导体从夹具的导体孔中穿过；让PE填充条和光单元从对应的PE过孔和光单元过孔中穿过，并用环氧树脂胶固定；让铠装钢丝从夹具的铠装钢丝过孔中穿过，并用电焊固定；PE填充条、光单元、铠装钢丝在固定时尽量绷紧，并保证圆周方向的每一根受力一致；同样的方法将海底电缆两端固定好；

2）然后把夹具套在海底电缆拉伸装置的钳口上，调整钳口位置，使海底电缆松弛的搭在支架上，并保持直线状态；用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的初始应变，此应变是海底电缆零应变时光纤的应变；

3）启动电机，控制钳口缓慢移动，拉伸海底电缆，待海底电缆被拉直紧绷时停止钳口移动，记录此时的张力和位移，此时海底电缆端头的位置作为海底电缆端头位移的零点；用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的应变；

4）继续缓慢拉伸海底电缆，直至拉伸到张力达到海底电缆的屈服张力为止,整个过程用分布式光纤传感设备测量光单元内光纤的应变，并记录海底电缆承受的张力和端头位移；

5）试验完成后，进行数据处理，步骤如下：

A）取光纤中部5m范围内的应变平均值作为光纤的应变；用海底电缆端头位移除以海底电缆原长，作为海底电缆的应变；

B）使用最小二乘法，对拉伸过程中海底电缆的应变和光纤的应变进行拟合，求取二者的关系方程，得到海底电缆和光纤的应变关系。