CN108074657A - 一种柔性光纤复合海底电缆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性光纤复合海底电缆，包括位于中间的四根电力缆芯、一根通信光缆和一根芳纶加强筋，以及位于外层的聚氨酯填充层、内护层、芳纶编织层和聚氨酯外护层，芳纶加强筋设置在四根所述的电力缆芯和一根通信光缆组成的环形圆的中心位置，电力缆芯由内向外依次包括第五类无氧铜软导体、丁腈‑PVC复合物绝缘层和铜丝编织屏蔽层，第五类无氧铜软导体是由多根镀锡退火软铜丝绞合而成，通信光缆内部设置有十二芯光纤，所述的十二芯光纤的外层依次设置不锈钢管、PE护套和聚氨酯护层，所述的内护层与电力缆芯和通信光缆之间设置聚氨酯填充层，具有防水性能好、重量轻、尺寸小、高抗拉强度高、柔软性能优良、抗蠕变性能优异等特点。

Description

一种柔性光纤复合海底电缆及其制备方法
技术领域
本发明涉及直流电缆技术领域，具体地说就是一种柔性光纤复合海底电缆及其制备方法。
背景技术
随着国家发展海洋战略的深入实施，对海洋缆的需求日趋多样化，现有的常规结构海缆无法满足海上潮汐能、波浪能发电装置及其他海洋环境下柔性直流电力传输的需求。现有海缆主要存在以下缺点：（1）通常采用铅护套和钢丝铠装结构，该种结构的钢丝和铅护套易在长时间动荡环境中出现疲劳效应而发生断裂，不适用于潮汐和波浪等动态的海洋环境中；（2）现有海缆的安全弯曲半径为15或25倍缆芯直径，而在潮汐能发电或波浪能发电过程中，要求海缆弯曲半径在8倍缆芯直径乃至更小范围内，以满足海缆在发电过程中不会因过度弯曲而导致线路中断；（3）现有海缆因加入金属铅护套的设计结构，重量较重。而潮汐能和波浪能发电为获取更多的动能，要求在发电过程中减少对发电装置的拖拽影响，故金属铅套结构的海缆不适用于波浪能发电系统；（4）为了现有海缆的提高抗拉强度，通常采用单层或多层粗圆钢丝铠装结构，这不仅增加了成本，更重要的是增加了产品的重量及尺寸，给海底电缆敷设和维护带来困难和不便。
发明内容
针对于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种柔性光纤复合海底电缆及其制备方法，该电缆产品具有防水性能好、重量轻、尺寸小、高抗拉强度高、柔软性能优良、抗蠕变性能优异等特点，适用于为波浪能、潮汐发电及其他波动或震动较大较频繁海洋环境中，能够为作业装备提供稳定可靠的电力传输及通讯。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种柔性光纤复合海底电缆，包括位于中间的四根电力缆芯、一根通信光缆和一根芳纶加强筋，以及位于外层的聚氨酯填充层、内护层、芳纶编织层和聚氨酯外护层，所述的芳纶加强筋设置在四根所述的电力缆芯和一根通信光缆组成的环形圆的中心位置，所述的电力缆芯由内向外依次包括第五类无氧铜软导体、丁腈-PVC复合物绝缘层和铜丝编织屏蔽层，所述的第五类无氧铜软导体是由多根镀锡退火软铜丝绞合而成，所述的通信光缆内部设置有十二芯光纤，所述的十二芯光纤的外层依次设置不锈钢管、PE护套和聚氨酯护层，所述的内护层与电力缆芯和通信光缆之间设置聚氨酯填充层，所述的聚氨酯填充层的外层设置芳纶编织层，所述的芳纶编织层外层设置聚氨酯外护层。
作为优化，所述的芳纶加强筋材质为Kevlar29或芳纶141，芳纶加强筋经过束合后再进行绞合而成。
作为优化，所述的丁腈-PVC复合物绝缘层材质为聚氯乙烯丁腈复合物。
作为优化，所述的十二光纤之间设置有阻水作用的阻水油膏。
作为优化，所述的聚氨酯护层上设置有对称分布的两条钢丝。
一种柔性光纤复合海底电缆的制备方法，包括以下步骤：采用束绞机将28根0.4mm的细圆无氧铜丝束绞成2.57mm股线，再将7根股线通过框绞机以1+6的结构绞合成外径7.7mm的圆导体；
选用挤出机采用挤压式模具对7.7mm的圆导体挤制2.2mm的丁腈-PVC复合物绝缘，得到12.1mm的4根绝缘线芯；
在绝缘缆芯外，使用编织机编织铜丝编织屏蔽层，铜丝编织屏蔽层采用160根0.2mm的铜丝进行编织，编织密度为57.6%，编织后外径为12.9mm，得电力缆芯；
中间填充的高抗拉强度芳纶加强筋是采用42根芳纶纤维束绞成为3.1mm股线，再将7根股线以1+6的结构绞合成为9.3mm芳纶加强筋；
将4根电力线芯，1根通信光缆进行成缆绞合，芳纶加强筋作为填充结构放置在中间位置形成34.8mm圆形缆芯；
在圆形缆芯外选用挤出机采用挤压模具对圆形缆芯挤制填充层和内护层，挤压模具模套的承线径为25mm，模芯和模套之间的间距为10mm-15mm，挤制后的线芯外径为38.8mm；
然后在内护套后的圆形缆芯上编织芳纶编织层，将两个芳纶纤维束绞成为一根芳纶筋，将束绞后的4根芳纶筋并线到编织机放线盘，再经由32锭编织机编织到圆形缆芯，共用256根芳纶纤维，编织密度在50%-70%之间，得到外径为39.4mm的圆形缆芯；
对芳纶编织后的圆形缆芯进行聚醚型聚氨酯外护套挤出，首先使用加热装置对编织后的圆形缆芯进行加热，加热后芳纶纤维表面温度控制在40℃-60℃之间，然后进行挤出作业，挤出模具选用挤压式模具，得到复合海底电缆。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的一种柔性光纤复合海底电缆及其制备方法，本发明中的光纤复合海缆具有高抗拉强度、整体柔软能够适用于动态的水下环境中，因整个缆中仅有两种金属材料，所以质量轻，较低的涡流损耗和磁滞损耗，输电效率高，并且还具备光通信功能。
附图说明
图1为本发明总体结构图；
其中，1、第五类无氧铜软导体，2、丁腈-PVC复合物绝缘层，3、铜丝编织屏蔽层，4、十二芯光纤，5、不锈钢管，6、聚氨酯护层，7、芳纶加强筋，8、聚氨酯填充层，9、内护层，10、芳纶编织层，11、聚氨酯外护层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
一种柔性光纤复合海底电缆，包括位于中间的四根电力缆芯、一根通信光缆和一根芳纶加强筋7，以及位于外层的聚氨酯填充层8、内护层9、芳纶编织层10和聚氨酯外护层11，所述的芳纶加强筋7设置在四根所述的电力缆芯和一根通信光缆组成的环形圆的中心位置，所述的电力缆芯由内向外依次包括第五类无氧铜软导体1、丁腈-PVC复合物绝缘层2和铜丝编织屏蔽层3，所述的第五类无氧铜软导体1是由多根镀锡退火软铜丝绞合而成，所述的通信光缆内部设置有十二芯光纤4，所述的十二芯光纤4的外层依次设置有不锈钢管5、PE护套和聚氨酯护层6，所述的内护层9与电力缆芯和通信光缆之间设置聚氨酯填充层8，所述的聚氨酯填充层8的外层设置芳纶编织层10，所述的芳纶编织层10外层设置聚氨酯外护层11。
所述的电力缆芯为直流2kV电力缆芯，直流2kV电力缆芯包括第五类无氧铜软导体和依次设置于所述的第五类软铜导体外的丁腈-PVC复合物绝缘层、铜丝编织屏蔽层。
第五类无氧铜软导体由多根镀锡、退火软铜丝绞合而成，其用于传输电流，能够承受一定的机械拉力，质地柔软，便于弯曲，可减小电缆的允许弯曲半径的同时提高电缆在动态海水起伏环境中的使用寿命。
采用丁腈-PVC复合物绝缘层作为绝缘层，具有极佳的挤出加工工艺，使成品缆具有优良的耐低温性和柔软性。
铜丝编织屏蔽层采用软铜丝编织形成金属屏蔽层，提高海缆的短路容量。
通信光缆由内向外依次由十二芯光纤、阻水油膏、不锈钢管、聚氨酯护层组成。
所述的通信光缆用于传输信号，与电力缆芯紧密排列成一圆周，优化缆芯的稳定性布局。
所述的高抗拉强度的芳纶加强筋由芳纶纤维Kevlar29或芳纶141束丝经多股绞合而成，为主要承力部件。
核心部分是“多层聚氨酯填充及护套+高强度芳纶编织层”发明设计，多层聚氨酯填充及护套对应结构依次有聚氨酯护层、聚氨酯填充层、聚氨酯内护层、聚氨酯外护层，聚氨酯材料是一种具有高强度、抗撕裂、耐低温、耐磨的环保材料，满足动态缆的整体阻水、低温、弯曲等性能要求，高强度芳纶编织层是由芳纶纤维经编织而成，可承受扭转作用力，保护缆芯和通信光缆，与中心填充的芳纶加强筋一起作为主要承力部件，提高缆的整体抗拉强度。
为保证该产品的轻质、高抗拉强度、优异柔软性、耐弯曲性能及必不可少的防水性能，在海缆整体结构上减少了金属材料的选用，除了导体材料为无氧铜、铜丝屏蔽层和通信光缆中的不锈钢管护层外再无其他任何金属材料。
为了电缆在高拉力作用下依然稳定运行，中心填充采用高抗拉强度的芳纶加强筋，该加强筋经束合后再绞合而成，在不减弱抗拉强度的同时又兼备一定的弹性，所述芳纶纤维为Kevlar29或芳纶141。
这样的设置目的在于中间加强筋成为主要承力部件，能够有效的保护电力缆芯和通信光缆。
为了提高复合海底电缆的柔性和耐弯曲性能，导体采用第5类导体，绝缘材料采用聚氯乙烯丁腈复合物。
为了有效的提高电缆的阻水性能，利用特制挤出模具将熔融的聚氨酯材料在高压力作用下挤入缆芯的缝隙中，使整根缆芯一体化后整体的纵向和径向阻水性能显著提高。聚氨酯填充和内护层在挤制过程中一步完成。
所述芳纶编织层是芳纶纤维经编织而成，一是在电缆受到扭转作用力时能够成为承力结构从而保护电力缆芯和通信光缆，二是配合中心填充的芳纶加强筋提高缆的整体抗拉强度，三是在中心填充的芳纶加强筋失效后起到主要承力部件进行二次电缆不被拉断，四是与内层、外层的聚氨酯护层相粘合提高护层的整体强度，芳纶纤维为Kevlar29或芳纶141。
所述聚氨酯外护层是选用具有非常优异耐海水及耐水解性能，极好的韧性、耐磨性、耐油性、低温柔韧性、弹性以及热稳定性的聚醚型聚氨酯材料，通过挤出机进行挤制而成。在具有弹性体特有的特性外，还兼备优异的防水性能。
实施例2
一种柔性光纤复合海底电缆的制备方法
采用束绞机将28根0.4mm的细圆无氧铜丝束绞成2.57mm股线，再将7根股线通过框绞机以1+6的结构绞合成外径7.7mm的圆导体。
选用120型挤出机采用挤压式模具对7.7mm的圆导体挤制2.2mm的丁腈-PVC复合物绝缘，得到12.1mm的4根绝缘线芯。
在绝缘缆芯外，使用编织机编织金属屏蔽层。金属屏蔽层采用160根0.2mm的铜丝进行编织，编织密度为57.6%，编织后外径为12.9mm。
中间填充的高抗拉强度芳纶加强筋是采用42根芳纶纤维束绞成为3.1mm股线，再将7根股线以1+6的结构绞合成为9.3mm芳纶加强筋。
将4根绝缘线芯，1根光缆单元进行成缆绞合，芳纶加强筋作为填充结构放置在中间位置形成34.8mm圆形缆芯。
为了电缆具备高阻水性能，在圆形缆芯外选用150型挤出机采用挤压模具对缆芯挤制填充层和内护层。在挤压模具设计时将模套的承线径设置为25mm，在生产时将模芯和模套之间的间距设置在10-15mm，从而挤出的聚氨酯护套料具有较高的压力，能够充分的填充到缆芯内。挤制后的线芯外径为38.8mm。
在内护套后的缆芯上编织芳纶拉力护层，现将两个芳纶纤维束绞成为一根芳纶筋，将束绞后的4根芳纶筋并线到编织机放线盘上，再经由32锭编织机编织到缆芯上，共用256根芳纶纤维、编织密度在50%-70%之间，得到外径为39.4mm的缆芯。生产过程中使用空气捻接器对芳纶纤维进行接续。
对芳纶编织后的缆芯进行聚醚型聚氨酯外护套挤出，在生产前需配置加热装置对编织后的缆芯进行加热，一是除去芳纶中的水分，二是增加芳纶纤维与聚氨酯护层的粘结力，芳纶纤维表面温度控制在40℃-60℃之间。挤出模具选用挤压式模具，聚氨酯护套料要有效的填补到芳纶纤维的缝隙了。如此做的有益效果是1、增加了内外聚氨酯护层间的粘结力。2、提高芳纶纤维护层的抗拉、抗扭能力从而提高电缆的整体抗变形能力。3、有效的防止芳纶纤维编织层破损从而提高缆的整体性能。挤制外护层后的电缆成品外径为47.2mm。
通过实施例2中的制备得多组样品，对样品中多层聚氨酯材质的护层中聚氨酯进行性能检测，表1为聚氨酯材料性能试验数据表；
表1中的数据可以得出，聚氨酯材料具有高强度、抗撕裂、耐低温、耐磨等良好性能，满足动态缆的整体阻水、低温、弯曲等性能要求，提高整体缆的性能。
同时在试验项目中：100%伸长模量为80Kgf/c㎡，300%伸长模量为130 Kgf/c㎡，显示聚氨酯材质的良好弹性性能；断裂伸长率为600，显示了优良的韧性；磨耗≤100 cm³，显示了良好的耐磨性能；玻璃转化点为-40°，显示了优良的低温韧性。
表2为实施例2中加工出的电缆产品的检测数据表
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种柔性光纤复合海底电缆，其特征在于：包括位于中间的四根电力缆芯、一根通信光缆和一根芳纶加强筋（7），以及位于外层的聚氨酯填充层（8）、内护层（9）、芳纶编织层（10）和聚氨酯外护层（11），所述的芳纶加强筋（7）设置在四根所述的电力缆芯和一根通信光缆组成的环形圆的中心位置，所述的电力缆芯由内向外依次包括第五类无氧铜软导体（1）、丁腈-PVC复合物绝缘层（2）和铜丝编织屏蔽层（3），所述的第五类无氧铜软导体（1）是由多根镀锡退火软铜丝绞合而成，所述的通信光缆内部设置有十二芯光纤（4），所述的十二芯光纤（4）的外层依次设置不锈钢管（5）、PE护套和聚氨酯护层（6），所述的内护层（9）与电力缆芯和通信光缆之间设置聚氨酯填充层（8），所述的聚氨酯填充层（8）的外层设置芳纶编织层（10），所述的芳纶编织层（10）外层设置聚氨酯外护层（11）。
2.根据权利要求1所述的一种柔性光纤复合海底电缆，其特征在于：所述的芳纶加强筋（7）材质为Kevlar29或芳纶141，芳纶加强筋7经过束合后再进行绞合而成。
3.根据权利要求1所述的一种柔性光纤复合海底电缆，其特征在于：所述的丁腈-PVC复合物绝缘层（2）材质为聚氯乙烯丁腈复合物。
4.根据权利要求1所述的一种柔性光纤复合海底电缆，其特征在于：所述的十二光纤（4）之间设置有阻水作用的阻水油膏。
5.根据权利要求1所述的一种柔性光纤复合海底电缆，其特征在于：所述的聚氨酯护层（6）上设置有对称分布的两条钢丝。
6.一种柔性光纤复合海底电缆的制备方法，包括以下步骤：采用束绞机将28根0.4mm的细圆无氧铜丝束绞成2.57mm股线，再将7根股线通过框绞机以1+6的结构绞合成外径7.7mm的圆导体；
选用挤出机采用挤压式模具对7.7mm的圆导体挤制2.2mm的丁腈-PVC复合物绝缘，得到12.1mm的4根绝缘线芯；
在绝缘缆芯外，使用编织机编织铜丝编织屏蔽层，铜丝编织屏蔽层采用160根0.2mm的铜丝进行编织，编织密度为57.6%，编织后外径为12.9mm，得电力缆芯；
中间填充的高抗拉强度芳纶加强筋是采用42根芳纶纤维束绞成为3.1mm股线，再将7根股线以1+6的结构绞合成为9.3mm芳纶加强筋；
将4根电力线芯，1根通信光缆进行成缆绞合，芳纶加强筋作为填充结构放置在中间位置形成34.8mm圆形缆芯；
在圆形缆芯外选用挤出机采用挤压模具对圆形缆芯挤制填充层和内护层，挤压模具模套的承线径为25mm，模芯和模套之间的间距为10mm-15mm，挤制后的线芯外径为38.8mm；
然后在内护套后的圆形缆芯上编织芳纶编织层，将两个芳纶纤维束绞成为一根芳纶筋，将束绞后的4根芳纶筋并线到编织机放线盘，再经由32锭编织机编织到圆形缆芯，共用256根芳纶纤维，编织密度在50%-70%之间，得到外径为39.4mm的圆形缆芯；
对芳纶编织后的圆形缆芯进行聚醚型聚氨酯外护套挤出，首先使用加热装置对编织后的圆形缆芯进行加热，加热后芳纶纤维表面温度控制在40℃-60℃之间，然后进行挤出作业，挤出模具选用挤压式模具，得到复合海底电缆。
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