海工装备系统用脐带光电复合缆的研制

一、引言

在国家大力推进海洋战略的背景下，海工装备系统迎来了广阔的发展空间，需求持续攀升。从用于军事领域的海洋监测船，到服务于民用的海缆布缆船、水下探测船等，均呈现出蓬勃发展的态势。本文介绍的海工装备系统用脐带光电复合缆，作为替代传统脐带电缆的升级产品，不仅保留了传统脐带电缆的馈电和拖曳拉索功能，还新增了光通信能力。

二、脐带光电复合缆结构设计

脐带光电复合缆作为连接水面母船与水下作业设备的关键纽带，兼具光通信、馈电和拖曳拉索三大功能。基于此，要求脐带光电复合缆必须配备多芯单模光纤以及不同规格的馈电线，以此分别实现光通信和馈电功能。同时，该脐带缆需具备130kN的破断拉力，整体横向耐水压达到6.7MPa，在承受30kN拉力、弯曲半径为500mm的条件下，能够带载反复收放1800次。

鉴于海工装备在整个作业流程中，需通过脐带缆从母船对设备进行释放、拖曳和回收操作，且在脐带缆的整个使用寿命周期内，要长期承受高强度的反复收放卷绕。这对脐带缆的高强度破断拉力、大张力下的反复卷绕性能、动态弯曲半径、柔软性以及耐磨性等方面都提出了更为严苛的要求。因此，在设计过程中，必须全面考量其使用环境要求，从结构设计、材料选择以及生产工艺实现等多个维度，确保脐带缆满足各项技术指标。

根据设计要求，设计出海工装备系统用脐带光电复合缆，其结构如图所示。

脐带光电复合缆采用层绞的结构设计方式，中心为18mm²电力馈电线，第二层为7根4mm²馈电线和3根不锈钢松套管结构光单元，最外层填充铜绞捡漏线。光电绞合缆芯外加金属屏蔽层，屏蔽层外挤制内护层形成整个光电缆芯单元。内护层外绞合增强纤维形成增强层，增强层外为外护套。此外，在缆芯绞合间隙填充阻水纱和阻水油膏等阻水材料，为脐带光电复合缆提供横向耐水压性能。

在结构设计中，光通信单元采用不锈钢管结构，具有最佳的保护效果，在承重外界压力时，通过外护套、增强层和内垫层的缓冲效应，光单元自身承受的压力大大降低，光纤的通信不受影响。

三、脐带光电复合缆性能设计

1.光单元设计

在光单元的结构选择上采用松套管结构。由于松套管中光纤余长的存在，在脐带缆受力时光纤具有更好的应变控制。松套管中填充有触变性油膏，在松套管受到应力时，油膏对光纤具有机械缓冲保护作用。密实的油膏填充还将松套管中的空气排出，避免光纤受空气中潮气的侵蚀，同时油膏对于松套管还具有纵向阻水的作用。由于脐带光电复合缆工作于水下，需要承受6.7MPa的水压，为了对光纤具有更加完善的保护，在松套管材质的选择上选用金属材质的不锈钢。

2.馈电单元设计

在设计中分别设计两种功率规格的馈电线。120kW的馈电选用18mm²的电力线，3kW的馈电选用4mm²的电力线。考虑到脐带光电复合缆的整体柔软性，线芯均采用多股镀锡铜丝绞合而成，成品后的线芯柔软度好。绝缘材料采用交联聚乙烯，保证馈电线的电性能要求。

3.抗拉强度设计

在抗拉强度设计中，增强纤维是主要的承力元件。护套、电单元和不锈钢松套管虽然也可以提供一定的抗拉强度，但在设计中主要以增强纤维作为承力元件来计算，其它元件所提供的抗拉强度则作为脐带光电复合缆的强度冗余量。

纤维绞合角是增强纤维与缆芯横截面之间形成的一个锐角。绞合角的大小直接影响纤维对光缆的出力效率。绞合角过小，纤维提供给光缆轴向的强度下降，同时光缆在破断时的伸长量增加；但绞合角也不宜过大，太大的绞合角导致纤维和缆芯近乎平行，结构稳定性下降，反而导致出力不均。

根据脐带光电复合缆130kN的破断拉力要求，结合50kN的工作拉力要求以及一定的设计冗余，所需纤维的总dtex数约为8.56×105。按照1670dtex规格尺寸计算，确定约需要纤维512根。由于缆芯外径的限制，无法在一层绞合如此多的纤维，因此必须采用分层绞合的方式，将纤维分成数层，一层层地绞合在缆芯上。在分层绞合纤维时，需考虑每层纤维因围绕缆芯旋转对脐带光电复合缆整体产生的旋转力矩。因此，在设计时一方面采用分层正反向绞合的方式，使每层纤维产生的旋转力矩可以相互抵消，一方面在每层纤维的根数设计上考虑扭矩平衡，使每层纤维产生的扭矩大小接近，在相互抵消后脐带光电复合缆的总扭矩接近于零。

四、性能检测

对制造的一根脐带光电复合缆进行了性能测试，测试结果表明，脐带光电复合缆的性能指标完全符合技术指标要求，满足海工装备系统使用。

五、结论

海工装备系统用脐带光电复合缆具有光通信、馈电及拖曳拉索的功能，可以很好地满足目前海工装备系统大容量高速通信和大功率电能馈送的要求。研制的产品已成功应用于某海工装备系统中，应用效果良好。随着国家海洋战略的大力实施，海工装备系统的需求将逐年增长，作为海工装备系统重要元器件的脐带光电复合缆需求也会随之大幅增加，应用前景十分广阔。