CN113903512B - 一种具有状态监测功能的光电复合缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有状态监测功能的光电复合缆，包括非金属纤维承力层、传感光纤单元、内护层、电单元、填充件、光纤单元、水密填充材料以及外护层；所述非金属纤维承力层由多根非金属纤维绞合而成，每根非金属纤维在绞合之前经过加捻处理，加捻后的非金属纤维提高了非金属纤维整体的断裂强度；该光电复合缆结构设计合理，用于承力的非金属纤维置于光电复合缆的轴心位置，电单元分布在非金属纤维的外层，可避免非金属纤维阻断电单元的热量传导路径，提高电单元绝缘层的使用寿命，并通过在非金属纤维承力层的外侧缠绕传感光纤单元，可实时监测光电复合缆的健康状态，不必定期取样测试和提早报废光电缆，大大提高了光电缆的经济效益和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及水下光电缆的设计与制造领域，具体而言，涉及一种具有状态监测功能的光电复合缆。
背景技术
随着深海探索的不断的推进，越来越多的行业正在进入更深的水域。这意味着水下光电缆也要向大水深，超水深甚至全海深的方向发展。为满足强度要求和降低自身重量，超水深甚至全海深的水下光电缆一般采用非金属铠装形式。
现有的非金属铠装技术是将未加捻的非金属纤维以分层绞合的方式缠绕在光电单元的成缆线芯上。由于非金属纤维不能传导热量，电单元在电力传输过程中产生的热量不能被及时传导出去，加快电单元绝缘老化，降低光电缆的使用寿命。
此外，由于未经加捻的非金属纤维单丝在合股和使用时长度不一致，这必然会产生一定的长度偏差。非金属纤维从其强度薄弱点首先断裂，这意味着光电缆的的实际断裂强度远低于理论值。并且未经加捻的非金属纤维单丝不耐磨，非金属纤维单丝间的相互磨损大大降低了光电缆的使用寿命。
实际使用中，主要靠人工定期检测和提早报废光电缆这两个措施来减少断缆事故的发生，保证水下设备安全可靠地运行。定期的取样检测和提早报废光电缆，会产生额外的成本，降低光电缆的经济效益和使用寿命。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有状态监测功能的光电复合缆，非金属纤维承力层断裂强度高，电单元绝缘层的使用寿命长，可实时监测光电复合缆的健康状态，提高了光电缆的经济效益和使用寿命。
本发明是这样实现的：
一种具有状态监测功能的光电复合缆，包括位于中心的非金属纤维承力层、绞合在所述非金属纤维承力层外的传感光纤单元、在所述非金属纤维承力层外包裹传感光纤单元的内护层、分别绞合在内护层四周的电单元、填充件和光纤单元、在所述内护层外对所述电单元、填充件和光纤单元之间间隙进行填充的水密填充材料以及设置在水密填充材料外的外护层；所述非金属纤维承力层由多根非金属纤维绞合而成，每根非金属纤维在绞合之前经过加捻处理。
具体地，所述非金属纤维承力层的制备过程为：以所述多根非金属纤维中的一根为中心纤维，剩余的非金属纤维以螺旋方式分层缠绕绞合在中心纤维周围，相邻两层非金属纤维的绞合方向相反，所述非金属纤维的绞合角度小于所述电单元和光纤单元的绞合角度。
具体地，所述非金属纤维承力层中的非金属纤维可以选用芳纶纤维、高分子模量聚乙烯纤维、玻璃纤维、聚酯纤维等各种高强度合成纤维。
具体地，本发明的光电复合缆，可根据使用情况适当调整结构，所述光电复合缆还可在水密填充材料外设置中护层，在中护层外设置非金属纤维编织层，外护层在中护层外填充非金属纤维编织层形成的缝隙，从而增强光电复合缆的整体防护效果，而当应用环境较好，外护破损的风险较小时，可去除中护层和非金属纤维编织层。
具体地，所述电单元、光纤单元均是以非金属纤维承力层为中心的中心对称分布，从而保证光电缆圆整无蛇形。
具体地，所述电单元包括导体、及包覆导体的绝缘层，所述导体的材料为铜、铝或其他等效材料，所述绝缘层的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或其他等效材料。
具体地，所述光纤单元为不锈钢光纤单元，所述光纤单元包括不锈钢外套及设置于不锈钢外套内的多根光纤和填充油膏。
具体地，所述传感光纤单元为紧包光纤单元或松套光纤单元，所述传感光纤单元以相同的绞合角度缠绕在非金属纤维承力层的外侧。
具体地，所述内护层、中护层、外护层的材料为低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯或其他等效材料。
具体地，所述水密填充材料为聚氨酯胶、硅橡胶、聚硫橡胶或热熔胶。
具体地，所述填充件包括设于中心的加强芯及设于加强芯外的包覆层，所述包覆层的材料为低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯或其他等效材料，所述加强芯采用撕裂绳、芳纶绳等纤维绳做承力加强。
具体地，所述非金属纤维编织层由多根合成纤维编织而成，所述合成纤维为在编织前经过加捻处理，所述合成纤维为芳纶纤维、高分子模量聚乙烯纤维、玻璃纤维或聚酯纤维，所述非金属纤维编织层对中护层的覆盖率不大于40％，非金属纤维编织层平整紧密的包裹在中护层上。
具体地，所述外护层可选用密度为0.5～0.7g/cm3的发泡材料，进一步降低光电缆在水中的比重，使得光电复合缆的整体密度为1.025g/cm3，近似于海水密度，光电复合缆可作为零浮力缆实现全海域应用。
本发明具有以下有益效果：
(1)通过在非金属纤维承力层外侧缠绕传感光纤单元，可通过相应的监测设备及监测系统，监测光电复合缆全寿命周期内的应变及温度信息，作业人员可根据输出的应变及温度信息判断光电复合缆的健康状态，不必定期取样测试和提早报废光电缆，大大提高了光电缆的经济效益和使用寿命；
(2)将非金属纤维置于光电复合缆的轴心位置，电单元分布在非金属纤维的外层，防止非金属纤维阻断电单元的热量传导路径，提高电单元绝缘层的使用寿命；
(3)用于承力的非金属纤维在使用前经过加捻处理，加捻后的非金属纤维在受力拉伸时，变形趋于一致，形成合力，减少了非金属纤维单丝之间的滑移、磨损，提高了非金属纤维整体的断裂强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一种具有状态监测功能的光电复合缆的结构示意图；
图中，1-非金属纤维承力层；2-内护层；3-传感光纤单元；4-电单元；5-水密填充材料；6-填充件；7-光纤单元；8-中护层；9-非金属纤维编织层；10-外护层。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。
如图1所示，本发明的具有状态监测功能的光电复合缆，包括位于中心的非金属纤维承力层1、绞合在所述非金属纤维承力层1外的传感光纤单元3、在所述非金属纤维承力层1外包裹传感光纤单元3的内护层2、分别绞合在内护层2四周的电单元4、填充件6和光纤单元7、在所述内护层2外对所述电单元4、填充件6和光纤单元7之间间隙进行填充的水密填充材料5、设置在水密填充材料5外的中护层8、设置在中护层8外的非金属纤维编织层9以及填充非金属纤维编织层9所形成缝隙的外护层10。
所述非金属纤维承力层1采用的非金属纤维可以是芳纶、高分子模量聚乙烯、玻璃纤维、聚酯纤维等各种高强度合成纤维。非金属纤维在使用前经过加捻处理，加捻后的非金属纤维在受力拉伸时，变形趋于一致，形成合力，减少了非金属纤维单丝之间的滑移、磨损，提高了非金属纤维整体的断裂强度。
所述非金属纤维承力层1采用扭矩平衡设计，加捻后的非金属纤维以螺旋方式分层缠绕绞合，具体为：以多根非金属纤维中的一根为中心纤维，剩余的非金属纤维以螺旋方式分层缠绕绞合在中心纤维周围，相邻两层非金属纤维的绞合方向相反，该非金属纤维的绞合角度小于所述电单元4和光纤单元7的绞合角度。
所述传感光纤单元3可采用紧包光纤单元、松套光纤单元，每一传感光纤单元3可包含若干根光纤。传感光纤单元3以相同的绞合角度缠绕在非金属纤维承力层1的外侧，可通过相应的监测设备及监测系统，监测光电缆全寿命周期内的应变及温度信息，作业人员可根据输出的应变及温度信息判断光电缆的健康状态，实现光电缆全寿命周期内的状态监测。
所述内护层2采用低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯或其他等效材料，内护层2包裹在非金属纤维承力层1和传感光纤单元3的外层，起到支撑、缓冲的作用。
所述电单元4由导体、绝缘层组成，导体采用铜、铝或其他等效材料，绝缘层采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或其他等效材料，所述电单元4以缆中心为轴心对称分布，从而保证光电复合缆圆整无蛇形。
所述填充件6主体采用低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯或其他等效材料，填充件6的中心位置设撕裂绳、芳纶绳等纤维绳做承力加强，从而提高缆芯的整体抗拉强度，保护电单元4和光纤单元7。
所述光纤单元7采用不锈钢光纤单元，光纤单元7以缆中心为轴心对称分布，不锈钢光纤单元包括不锈钢外套，不锈钢外套内设置有若干光纤和填充若干光纤间隙的填充油膏。
所述水密填充材料5采用聚氨酯胶、硅橡胶、聚硫橡胶和热熔胶等其他等效材质，通过在缆芯中设置水密填充材料5，起到阻水、阻油的效果，同时，水密填充材料5可以保持缆芯的紧凑度和圆整度，提高缆芯抗侧压能力，减小缆芯在高水压下的径向收缩。
所述中护层8采用聚氨酯、低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯或其他等效材料。中护层8提高了缆芯强度，同时即使外护层10破裂，海水也不会通过缆芯进入水下设备。
所述非金属纤维编织层9采用芳纶纤维、高分子模量聚乙烯纤维、玻璃纤维、聚酯纤维等各种高强度合成纤维编织而成，所采用的合成纤维在使用前经过加捻处理，非金属纤维编织层9在中护层8上的覆盖率不大于40％，非金属纤维编织层9平整紧密的包裹在中护层8上。
所述外护层10采用聚氨酯、低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯或其他等效材料。外护层10完全填充非金属纤维编织层9形成的缝隙，确保光电复合缆的中护层8、非金属纤维编织层9和外护层10形成一个整体。
所述外护层10可选用密度为0.5～0.7g/cm3的发泡材料，进一步降低光电缆在水中的比重，使得光电缆的整体密度为1.025g/cm3，近似于海水密度。光电缆可作为零浮力缆实现全海域应用。
本发明的光电复合缆，可根据使用情况适当调整结构，当应用环境较好，外护破损的风险较小时，可去除中护层8和非金属纤维编织层9。
本发明的光电复合缆，通过在非金属纤维承力层1外侧缠绕传感光纤单元3，可及时监测光电复合缆的健康状态，不必定期取样测试和提早报废光电缆，大大提高了光电缆的经济效益和使用寿命；将非金属纤维承力层1置于光电复合缆的中心位置，电单元4分布在非金属纤维承力层1的外层，防止非金属纤维阻断电单元的热量传导路径，提高电单元绝缘层的使用寿命；用于承力的非金属纤维在使用前经过加捻处理，加捻后的非金属纤维在受力拉伸时，变形趋于一致，形成合力，减少了非金属纤维单丝之间的滑移、磨损，提高了非金属纤维整体的断裂强度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，包括位于中心的非金属纤维承力层（1）、绞合在所述非金属纤维承力层（1）外的传感光纤单元（3）、在所述非金属纤维承力层（1）外包裹传感光纤单元（3）的内护层（2）、分别绞合在内护层（2）四周的电单元（4）、填充件（6）和光纤单元（7）、在所述内护层（2）外对所述电单元（4）、填充件（6）和光纤单元（7）之间间隙进行填充的水密填充材料（5）以及设置在水密填充材料（5）外的外护层（10）；所述非金属纤维承力层（1）由多根非金属纤维绞合而成，每根非金属纤维在绞合之前经过加捻处理；
所述非金属纤维承力层采用扭矩平衡设计，加捻后的非金属纤维以螺旋方式分层缠绕绞合。
2.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述非金属纤维承力层（1）的制备过程为：以所述多根非金属纤维中的一根为中心纤维，剩余的非金属纤维以螺旋方式分层缠绕绞合在中心纤维周围，相邻两层非金属纤维的绞合方向相反，所述非金属纤维的绞合角度小于所述电单元（4）和光纤单元（7）的绞合角度。
3.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述非金属纤维为芳纶纤维、高分子模量聚乙烯纤维、玻璃纤维或聚酯纤维。
4.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，还包括设置在水密填充材料（5）外的中护层（8）以及设置在中护层（8）外的非金属纤维编织层（9）；外护层（10）在中护层（8）外填充非金属纤维编织层（9）形成的缝隙；
所述中护层（8）的材料为低密度聚乙烯、中密度聚乙烯或高密度聚乙烯；
所述非金属纤维编织层（9）由多根合成纤维编织而成，所述合成纤维为在编织前经过加捻处理，所述合成纤维为芳纶纤维、高分子模量聚乙烯纤维、玻璃纤维或聚酯纤维，所述非金属纤维编织层（9）对中护层（8）的覆盖率不大于40%。
5.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述电单元（4）、光纤单元（7）均以非金属纤维承力层（1）为中心对称分布；
所述电单元（4）包括导体、及包覆导体的绝缘层，所述导体的材料为铜或铝，所述绝缘层的材料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯；
所述光纤单元（7）为不锈钢光纤单元，所述光纤单元（7）包括不锈钢外套及设置于不锈钢外套内的多根光纤和填充油膏。
6.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述传感光纤单元（3）为紧包光纤单元或松套光纤单元，所述传感光纤单元（3）以相同的绞合角度缠绕在非金属纤维承力层（1）的外侧。
7.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述内护层（2）、外护层（10）的材料为低密度聚乙烯、中密度聚乙烯或高密度聚乙烯。
8.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述水密填充材料（5）为聚氨酯胶、硅橡胶、聚硫橡胶或热熔胶。
9.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述填充件（6）包括设于中心的加强芯及设于加强芯外的包覆层，所述包覆层的材料为低密度聚乙烯、中密度聚乙烯或高密度聚乙烯，所述加强芯为撕裂绳或芳纶绳。
10.如权利要求1所述一种具有状态监测功能的光电复合缆，其特征在于，所述外护层（10）选用密度为0.5~0.7g/cm3的发泡材料，所述光电复合缆的整体密度为1.025g/cm3。
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