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主要性能要求

我國海域遼闊，海洋開發(fā)前景遠(yuǎn)大，海洋勘探是先決條件，適用于海洋各種環(huán)境、條件及各種功能的電纜也應(yīng)運(yùn)而生。深水同軸電纜主要用于海洋深水勘探，該類電纜的使用條件比較苛刻，最大下潛深度為2 500 m，并且需要承受一定的拉力。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)UB/T 14864-1994的有關(guān)規(guī)定及電纜的實際使用環(huán)境，要求電纜必須具備電氣性能高、耐水壓、防水性好、承載能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、彈性好、抗疲勞彎曲}h}能好等性能，該深水同軸電纜的主要性能要求如表1所示�？梢�，對該深水同軸電纜的性能要求較高，研制難度較大，在整個研制過程中必須對電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、關(guān)鍵工藝技術(shù)等方而進(jìn)行的優(yōu)化。

電纜結(jié)構(gòu)的確定

1、內(nèi)導(dǎo)體

根據(jù)該深水同軸電纜的抗疲勞彎曲要求，電纜的內(nèi)導(dǎo)體采用了多根單線絞合的軟結(jié)構(gòu)，以避免電纜在反復(fù)扭轉(zhuǎn)、彎曲使用時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使內(nèi)導(dǎo)體疲勞斷裂，提高電纜的可靠性，延長電纜的使用壽命。為減小導(dǎo)體的有效電阻，導(dǎo)體材料采用了電阻率較小的無氧銅材。

2、絕緣層

同軸電纜對衰減性能要求較高，要求絕緣材料應(yīng)具有較小的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗，以減小電纜的電容，降低信號電流的電磁場能量在絕緣內(nèi)的損耗，從而也降低了信號的衰減。由于聚乙烯材料在70℃內(nèi)具有較高的電性能水平，在塑料中(也只有在高溫情況下)僅次于幾種氟塑料，且吸水性很小，密度小，價格低廉，因此該深水同軸電纜采用了電性能比高密度聚乙烯更好的低密度聚乙烯。

3、外導(dǎo)體

同軸電纜的外導(dǎo)體是關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)元件之一，既是導(dǎo)體回路的一部分，同時也具有一定的屏蔽作用。當(dāng)外導(dǎo)體的形狀為全長均勻一致的圓管時，是最理想的結(jié)構(gòu)，性能也最好，但抗扭轉(zhuǎn)、彎曲性能是最差的。為了使電纜能承受頻繁的扭轉(zhuǎn)、彎曲，防比外導(dǎo)體因受應(yīng)力發(fā)生疲勞斷裂，該深水同軸電纜采用了適合于抗扭轉(zhuǎn)、彎曲的軟結(jié)構(gòu)。

該電纜有的部分在深水下工作，外導(dǎo)體會受到外絕緣層(護(hù)套)傳導(dǎo)的深水壓強(qiáng)。如果外導(dǎo)體采用表而不平整凸凹程度較大的編織結(jié)構(gòu)，且絕緣層質(zhì)地又較軟時，一旦電纜受到強(qiáng)大壓力，壓力將會集中在編織而的凸點，導(dǎo)致凸點處壓強(qiáng)更大，對絕緣造成很深的壓痕，從而引起電纜阻抗改變，電性能下降，

甚至損壞。因此該深水同軸電纜外導(dǎo)體采用了細(xì)銅絲單向緊密纏繞結(jié)構(gòu)，其表而相對比較平整，凸凹程度相對小，并且均勻，可有效減小壓力集中，從而有效減輕絕緣壓痕，避免損傷絕緣層，確�；�本不影響絕緣的性能。

相對于單向緊密纏繞結(jié)構(gòu)，編織結(jié)構(gòu)等同于雙向纏繞結(jié)構(gòu)，其電導(dǎo)率高，但同軸電纜在外導(dǎo)體上的能量損耗僅為內(nèi)導(dǎo)體的1/3左右Ci7，因此外導(dǎo)體電導(dǎo)率偏小對總衰減影響并不大。單向緊密纏繞結(jié)構(gòu)的設(shè)計，減少了絕緣的受壓力程度，且重量及外徑更小，柔軟性更好，節(jié)省空間和材料，性能也滿足使用要求。

4、繞包層

為了保證細(xì)銅絲單向緊密纏繞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保持不松散、規(guī)則排列，在其外層繞包了一層抗拉強(qiáng)度和韌性較好的銅塑復(fù)合帶。該銅塑復(fù)合帶很薄，只有U. U8 mm，基本對電纜外徑無影響。銅塑復(fù)合帶宜采用對縫繞包，不重疊，使其外徑更小，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。繞包時銅塑復(fù)合帶的金屬而與外導(dǎo)體緊密

貼合，既可減小外導(dǎo)體的有效電阻，又可降低因外導(dǎo)體單向螺旋纏繞導(dǎo)致的衰減增大。同時，銅塑復(fù)合帶較高的屏蔽覆蓋率，可減小能量泄漏，增加外導(dǎo)體的屏蔽效果。雖然細(xì)銅絲單向緊密纏繞+銅塑復(fù)合帶繞包復(fù)合結(jié)構(gòu)的厚度比編織結(jié)構(gòu)的小，但其屏蔽覆蓋率更高。

5、外絕緣層(護(hù)套)

同軸電纜的外導(dǎo)體是導(dǎo)體回路的一部分，需要絕緣層，同時該絕緣層也可起到護(hù)套的作用，因此外絕緣層(護(hù)套)應(yīng)具有較高的絕緣性能及機(jī)械物理性能。該深水同軸電纜的使用環(huán)境較為苛刻，不但對外絕緣層(護(hù)套)的機(jī)械物理性能提出了更高的要求，而且還要求其有較好的絕緣性能、防水性、耐開裂性、耐鹽霧性等。高密度聚乙烯的絕緣性能較好，可滿足對外導(dǎo)體的絕緣要求;機(jī)械強(qiáng)度相對較高，可減少外界機(jī)械應(yīng)力對外導(dǎo)體的損傷;耐開裂性較好，在苛刻的環(huán)境條件下可靠性高;耐鹽霧性較好、吸水}h}較小、防水性較好，常用作海底電纜或防水電纜的護(hù)套，且效果很好。因此，該深水同軸電纜外絕緣層(護(hù)套)選用了高密度聚乙烯。

6、承載層

由于該深水同軸電纜的長度和承重較大，且在使用中會被頻繁地移動和反復(fù)卷曲，承受應(yīng)力作用的情況較為復(fù)雜，有時在電纜局部處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，因此在設(shè)計時要求電纜外徑、自重越小越好，并應(yīng)具備較高的承重能力。同時，如果電纜彈性不好、機(jī)械強(qiáng)度不高，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成電纜產(chǎn)生不可恢復(fù)的硬彎損傷或損壞，故電纜還應(yīng)具有較好的彈性和機(jī)械強(qiáng)度。電纜上述性能的獲得關(guān)鍵在于承載層的設(shè)計和選材，性能較好的承載層可保護(hù)內(nèi)部同軸電纜免受外部環(huán)境刮碰損傷。雖然采用普通電纜用銷裝鋼絲可滿足電纜的承載要求，但其機(jī)械強(qiáng)度不高，需要的鋼絲截而積較大，致使電纜外徑和重量也相對較大，同時其彈性很差，易造成應(yīng)力集中，損傷或損壞電纜。經(jīng)過對多種銷裝鋼絲性能的對比，發(fā)現(xiàn)用作架空電纜中心抗拉加強(qiáng)芯的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲是最理想的選擇，其機(jī)械強(qiáng)度很高，較小鋼絲截而積就可滿足承載要求，使電纜的外徑和重量大幅度下降;同時其彈性較好，可使電纜具有很好的彎曲回彈性，即使遭遇局部橫向應(yīng)力，也不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，以其本身的強(qiáng)度和彈性沿電纜軸向分散應(yīng)力，使電纜在使用過程中更安全可靠。但高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲的高彈性使其很難與內(nèi)部纜芯帖服，極易松散，工藝難度很大，因而極少用作電纜護(hù)套外承載層。經(jīng)過多次反復(fù)研制，最終成功解決了上述工藝問題，高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲成功地用于該深水同軸電纜。最終設(shè)計的深水同軸電纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電纜結(jié)構(gòu)尺寸的確定

3. 1導(dǎo)體直徑和絕緣直徑

根據(jù)該深水同軸電纜的性能要求，對電纜結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了最佳方案設(shè)計。該電纜使用的長度較大(2 500 m)，只有較小的電纜衰減系數(shù)才能保證傳輸信號達(dá)到使用要求。當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)體為理想圓柱形及相同材料時，絕緣直徑D和內(nèi)導(dǎo)體直徑d之比等于3. 6時，電纜的衰減系數(shù)最小，此時特性阻抗Z的計算公式為:

式中。.為介質(zhì)的等效介電常數(shù)。但該深水同軸電纜中內(nèi)外導(dǎo)體是相同材料的軟結(jié)構(gòu)，故特性阻抗Z的計算公式修正為:

式中d w.為外導(dǎo)體單向繞包單絲直徑，k:為內(nèi)導(dǎo)體絞合有效直徑系數(shù)。欲使電纜的衰減系數(shù)為最小，則(D}dw)/(k,d)=3. 6，可確定導(dǎo)體直徑為1. 5 mm(19根導(dǎo)線絞合結(jié)構(gòu))，絕緣外徑為5. U mm。根據(jù)電纜對特性阻抗(5 U SZ)的要求，結(jié)合式(1)可得絕緣材料的等效介電常數(shù)。=2. 36，故該深水同軸電纜采用了。.約為2.3的低密度聚乙烯。

為了確認(rèn)設(shè)計的低密度聚乙烯絕緣層厚度(1. 75 mm)是否完全可以承受25 MPa的壓強(qiáng)，保持電纜的電性能，我們進(jìn)行了電纜抗壓性能的評估。由于該深水同軸電纜最外兩層承載鋼絲之間存在縫隙，因此當(dāng)電纜處在高水壓下，鋼絲也只是自身承壓，而不會對同軸電纜內(nèi)部徑向施壓;但同軸電纜內(nèi)部卻會因較高的徑向水壓，直接壓在外絕緣(護(hù)套)表而，并通過外導(dǎo)體傳遞到絕緣層表而。由于受到高壓強(qiáng)作用，絕緣層體積縮小，導(dǎo)致其電性能發(fā)生變化，進(jìn)而影響電纜的電性能。在絕緣層厚度設(shè)計時，必須考慮絕緣層體積受壓縮小對電纜電氣性能的影響，并將其限制在可控范圍內(nèi)。在彈性范圍內(nèi)，絕緣層體積受壓時的縮小量與絕緣材料的體積彈性模量密切相關(guān)，體積彈性模量K與線彈性模量E的關(guān)系為:

式中低密度聚乙烯的線彈性模量E為0. 7 ^-1. 4UPa，為了可靠計算，取值0. 7 UPa;}為泊松比，低密度聚乙烯的泊松比為0. 4;P為壓強(qiáng)，該深水同軸電纜在水深2 500 m工作時，受到的最大徑向水壓約為25 MPa;V為體積。根據(jù)上式可計算得低密度聚乙烯的體積彈性模量為1 160 MPa，絕緣層體積

減小約為2. 1 0 o，相當(dāng)于絕緣層的橫截而積減小了2. 1 0 o，以絕緣層標(biāo)稱厚度((1. 75 mm)計，減小了0. 025 mm，對比通常的允許厚度公差士0. 25 mm,該值可以忽略不計。因此，低密度聚乙烯絕緣層厚度((1. 75 mm)完全可以承受25 MPa的壓強(qiáng)，且保持電纜的電性能。

3. 2承載層鋼絲直徑

該深水同軸電纜抗拉力的設(shè)計要求為40 kN,2 500 m電纜本身自重為4 kN，共約44 kN，考慮到使用過程中有可能碰到的意外障礙阻力，我們將電纜需要承受的總拉力設(shè)定為50 kN。電纜承重是軸向的，而鋼絲是絞合纏繞在電纜上，與電纜軸向存在一定角度，鋼絲受到的拉力可分解成正交的兩個力，如圖2所示。圖中F為鋼絲拉力，F(xiàn):為F的橫向分量，F(xiàn):為F的軸向分量，a為F:與F的夾角，其與絞合纏繞節(jié)距有關(guān)。可見，a越大，承載相同的重量時鋼絲所受的拉力F也越大，在設(shè)計時為減小鋼絲的受力應(yīng)盡可能減小a，但如果a太小，則絞合纏繞節(jié)距就太大，會降低電纜的彎曲性能，并且鋼絲也容易松散，因此在綜合考慮電纜的柔軟性、抗扭轉(zhuǎn)、耐彎曲、鋼絲直徑、鋼絲緊密排布結(jié)構(gòu)等因素后，我們確定a=300。根據(jù)電纜總承載的設(shè)計要求，F(xiàn)=50 kN,F=Fz/cos a=57. 73 kN，結(jié)合承載材料高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲的抗張強(qiáng)度，可計算出所需的鋼絲總截而積，再根據(jù)設(shè)備的能力，將其分兩層緊密排布，雙向絞合纏繞在同軸電纜的外圍(該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，雙層之間由于纏繞方向相反，有利于在電纜遇扭轉(zhuǎn)時互相有制約力束縛、不松散，并且比單層纏繞結(jié)構(gòu)柔軟、彎曲性能好)，每層鋼絲的單根直徑相等。最終，確定了鋼絲內(nèi)層直徑為1. 06 mm}22根，外層直徑為1. 26 mm}22根。

4、關(guān)鍵工藝技術(shù)

4.1 內(nèi)導(dǎo)體絞合工藝

該深水同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體采用m根單線規(guī)則絞合結(jié)構(gòu)，其絞合的圓整度及直徑的均勻性都會對電纜的電性能有很大的影響。為了保證電纜的阻抗均勻一致以及衰減較低，我們對單線直徑的一致性和公差進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，在絞合時確保每根單線張力的一致性，并用絞線模加以規(guī)整限制。

4.2 絕緣擠出工藝

阻抗是同軸電纜的主要電參數(shù)，如果電纜阻抗與其相連系統(tǒng)的阻抗不匹配，則會存在反射而使傳輸效率降低。更重要的是，線路上的反射波與入射波相互干擾產(chǎn)生駐波，從而導(dǎo)致線路衰減增加，信號失真。電纜絕緣厚度和直徑沿長度方向上出現(xiàn)的不規(guī)則或周期性的偏差會引起電纜阻抗變化，加大衰減并產(chǎn)生駐波，導(dǎo)致傳輸性能下降。為了確保該深水同軸電纜的阻抗在設(shè)計要求范圍之內(nèi)，我們在確定絕緣材料和導(dǎo)體直徑后，計算出絕緣厚度范圍為1. 60^-1. 85 mm，絕緣直徑范圍為4. 7 ^} 5. 2 mm，并以此對絕緣層直徑及偏差進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，同時確保同心度

相對于較小的導(dǎo)體直徑，該深水同軸電纜的絕緣厚度較大，絕緣料熔體在擠出模口后，易受重力影響在未冷卻定型前變形，從而很難達(dá)到絕緣結(jié)構(gòu)尺寸和同心度的工藝控制要求，如要在該大長度深水同軸的全長度上實現(xiàn)外徑均勻一致則更難。對此，我們對擠出設(shè)備、工藝進(jìn)行了相應(yīng)的合理調(diào)整，具體包括:a.調(diào)整擠出模具的結(jié)構(gòu)尺寸，以提高擠出絕緣的同心度。b.對影響絕緣結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(尤其是擠出設(shè)備出膠量和擠出工藝溫度)進(jìn)行了嚴(yán)格的工藝控制并設(shè)立了嚴(yán)格的工藝標(biāo)準(zhǔn)，針對設(shè)備的具體情況設(shè)定了準(zhǔn)確的工藝參數(shù)，并使擠出和牽引實行聯(lián)動，同時控制擠出速度，避開設(shè)備共振點，減小設(shè)備的抖動，以保證絕緣外徑在全長度上均勻一致。

4.3 外導(dǎo)體繞包工藝

該深水同軸電纜外導(dǎo)體采用細(xì)銅線單方向緊密平整繞包結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)中采用的銅線直徑很小(0. 2 mm)，根數(shù)較多(根據(jù)設(shè)備情況設(shè)計的根數(shù)為72根)，必須同時繞包在絕緣外圍，并保持排列有序，銅絲之間不允許互相壓線，應(yīng)緊密不漏縫隙、平整地帖服于絕緣表而，一旦繞包不緊密或不規(guī)則，將直接影響同軸電纜電性能，因此對繞包工藝提出了較高的控制要求。經(jīng)過多次生產(chǎn)試驗，我們采取了以下工藝控制措施:a.采用精密度較高的12 } 18盤成纜設(shè)備，先將72根細(xì)銅絲每四根并絲并整齊有規(guī)律地纏繞在成纜盤上，分成18盤安裝在成纜設(shè)備上預(yù)纏繞繞包，其關(guān)鍵是嚴(yán)格控制并線的四根銅絲具有相同的放線張力。b.纏繞繞包必須采用預(yù)扭纏繞繞包，其關(guān)鍵是嚴(yán)格控制每盤并絲的放線張力保持均勻一致，工藝質(zhì)量才會有保證。c.由于一般成纜設(shè)備中的機(jī)械摩擦調(diào)節(jié)裝置己不能滿足繞包時對放線張力的控制要求，因此我們改用了電磁阻力控制裝置對每盤并線的放線張力進(jìn)行單獨(dú)控制，確保張力容易調(diào)節(jié)，且均勻一致性好，滿足了嚴(yán)格的工藝要求。d.由于外導(dǎo)體須大長度繞包，工藝過程較長，一旦纏繞繞包中出現(xiàn)斷絲，則接續(xù)后很難再能符合性能要求，因此應(yīng)嚴(yán)禁發(fā)生中途斷絲。我們發(fā)現(xiàn)造成斷絲的原因很多，包括機(jī)械故障、操作失誤、工藝控制不當(dāng)?shù)龋瑸榇宋覀兘�立了�?yán)格的工藝規(guī)定程序標(biāo)準(zhǔn)。

4. 4承載層鋼絲銷裝工藝

該深水同軸電纜的承載結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼絲，其彈性、硬度非常大。即使是普通鋼絲(彈性較小)銷裝電纜時，經(jīng)絞合纏繞后，端部如果不加束縛也會有松散現(xiàn)象，當(dāng)在同軸電纜外用絞線機(jī)絞合高強(qiáng)度鋼絲纏繞后，如果不加束縛，不僅在端部，而且是全部松散，但該深水同軸電纜卻要求在端部不加束縛，也不允許松散，因此工藝難度較大。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，如果絞合纏繞過程中鋼絲仍處于彈性范圍內(nèi)，則較難使其改變形狀，其會因彈性而松散，故我們在絞合纏繞工藝過程中采用了鋼絲預(yù)成型，即通過將鋼絲按一定的曲率進(jìn)行卷繞，使其變形(卷曲)到一定程度(超過鋼絲彈性范圍)，達(dá)到了我們所要求的變形量。經(jīng)過多次試驗，我們在絞線機(jī)的分線板后絞線模前加裝了預(yù)成型裝置，鋼絲通過分線板后進(jìn)入預(yù)成型裝置后，以一定的曲率卷曲再進(jìn)入絞線模，形成一個螺旋管形狀，螺旋管的直徑小于內(nèi)部的同軸電纜外徑，使鋼絲纏繞的螺旋管產(chǎn)生一個徑向箍緊力，帖服緊包在內(nèi)部的同軸電纜上，最終實現(xiàn)了上述銷裝鋼絲端部不加束縛，也不允許松散工藝要求。

5、結(jié)束語

針對深水同軸電纜的特殊要求，我們通過對電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材、結(jié)構(gòu)尺寸的確定、關(guān)鍵工藝的控制，最終研制出該深水同軸電纜。我們對試制的深水同軸電纜樣品進(jìn)行的試驗，結(jié)果表明產(chǎn)品在深水高壓強(qiáng)環(huán)境下具有穩(wěn)定的電氣性能，適用于海洋勘探的苛刻環(huán)境，防水性好、承載能力強(qiáng)、抗疲勞彎曲}h}能好、強(qiáng)度高、彈性好，可有效抵抗和減緩?fù)饨鐧C(jī)械應(yīng)力的作用對電纜內(nèi)部的損傷，并且電纜外徑較小，只有12 mm，線密度為450 kg/km�？梢姡�該深水同軸電纜性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求，滿足了使用要求。

深水同軸電纜的研發(fā)包含了一定的技術(shù)含量，電纜的性價比較高，具有一定的發(fā)展前景，對推動我國海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展有重要意義。