深海光缆不等径钢丝内铠设计方法与流程

本发明涉及有中继海底光缆，尤其涉及一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法。

背景技术：

1、海底光缆是全球互联网的“中枢神经”，截止目前全球约有400条海底光缆正在服役，总长度超过120万公里。近10年我国海光缆企业取得了快速发展，但截至目前，世界上90％海底光缆仍然被阿朗、泰科、nec等公司垄断。在有中继海光缆这一块，我国企业部分技术尚未突破，如制作大长度跨洋海底光缆的设计及制造等是软肋。

2、海底光缆的结构设计方面，目前主要采用内铠和外铠来增强海底光缆的机械性能，采用阻水胶作为阻水方式，最大敷设深度在6000m左右。海光缆生产包括不锈钢中心管式光单元、内铠绞合、铜管焊接并拉拔、绝缘挤制四个工序，其中内铠为影响海光缆机械及物理性能的最关键因素。目前部分深海光缆内铠采用了不等径钢丝结构，但没有精准的设计方式以及原理支撑，需要采用多轮试验的方式确认内铠结构，而验证确认需要发到英国全球海事公司，验证时间长达6个月，费时费力。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明的目的在于提供一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，满足500m～8000m水深范围内的深海光缆结构设计，弥补传统设计方式使用粗略的圆周公式导致结构松散、渗水性能差、机械性能不达标等问题，优化不等径钢丝内铠结构，提高光缆的光学传输性能以及抗拉性能，加速深海光缆的研发进程，提升海底光缆的质量及性价比。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其包括步骤：

4、(1)确定海缆的敷设水深d；

5、(2)测算海缆的抗压强度p：

6、根据公式p＝ρgd，得出抗压强度p的最小值，式中ρ为海水密度，g为重力加速度；

7、(3)确定不锈钢中心管式光单元的外径d0及壁厚t0：

8、根据公式测算海缆中多根光纤等效直径re，式中n代表光纤根数，rf代表单根光纤直径；

9、根据光纤等效直径re选定光单元的外径d0，并由公式m＝0.85～1，计算光单元的壁厚t0，式中p0为光单元的抗压强度，σs为不锈钢带屈服强度；

10、(4)确定钢丝铠装结构及尺寸：

11、采用双层铠装结构，第一层由第一钢丝紧密铠装，第二层由第二钢丝装嵌于第一钢丝的外缘缝隙中，形成稳定三角结构，并采用第三钢丝填充第二钢丝的间隙；

12、选用m根第一钢丝进行第一层铠装，则第一钢丝半径夹角θ＝π/m，根据公式d1＝d0×sinθ/(1-sinθ)，得出第一钢丝直径d1；

13、设定第二钢丝直径d2＝xd1，x＝60％～90％，则第二钢丝与第一钢丝的半径夹角α＝sin-1(d1/(d1+d2))；

14、根据公式d3＝(d2+(d0+d1)×cosθ+(d1+d2)×cosα-d0-2d1)/2，得出第三钢丝直径d3；

15、(5)测算海缆内铠空隙占比，优化x的取值。

16、特别地，步骤(4)中，针对设计的双层铠装结构，还需验证海缆的破断力，要求深海缆的破断力≥50kn。

17、特别地，针对设计成型的海缆还需进行渗水试验，要求2mpa下336h海缆纵向渗水长度不大于200m。

18、特别地，海缆根据敷设深度分为浅海缆与深海缆，500m及以上为深海缆，小于500m的为浅海缆，浅海缆仅采用单层钢丝铠装。

19、特别地，由于海缆敷设位置越深，海缆表面受到的压强越大，深海缆越细越好；浅海缆为避免人为破坏，外层还设置有粗钢丝铠装。

20、特别地，步骤(3)中，考虑预留合适光纤余长及纤膏填充空间，设定d0＝nre，n＝2～3。

21、特别地，步骤(4)中，铠装钢丝采用磷化钢丝，钢丝的外径范围为1～2mm，设定m＝8～10。

22、综上，本发明的有益效果为，相比传统海底光缆设计方法，所述深海光缆不等径钢丝内铠设计方法具有以下优点：

23、(1)根据实际敷设海域工况来确定海光缆性能，更注重数据和科学，安全性能更高；

24、(2)使用常用材料，如钢丝、钢带的使用，材料更易获得，降低采购成本；

25、(3)根据材料力学确定各类材料的机械性能以及物理特性，并预留适当裕度，在保证海光缆各类性能的基础上使用较少的材料，降低了不锈钢带、磷化钢丝、铜带、胶水等主原材料用量约20％～25％，海光缆性价比更高；

26、(4)根据力学原理推演海洋系统的水动力常数以及各类压强等，强调数据的准确性；

27、(5)采用三角函数以及结构公式对不同结构进行推算并通过试验确认，大幅提升了海光缆内铠的结构紧凑性，在满足深海缆拉伸要求的前提下空隙比降到最低，渗水性能达到最优。

技术特征：

1.一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其特征在于，包括步骤

2.根据权利要求1所述的深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其特征在于：步骤(4)中，针对设计的双层铠装结构，还需验证海缆的破断力，要求深海缆的破断力≥50kn。

3.根据权利要求1所述的深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其特征在于：针对设计成型的海缆还需进行渗水试验，要求2mpa下336h海缆纵向渗水长度不大于200m。

4.根据权利要求1所述的深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其特征在于：海缆根据敷设深度分为浅海缆与深海缆，500m及以上为深海缆，小于500m的为浅海缆，浅海缆仅采用单层钢丝铠装。

5.根据权利要求4所述的深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其特征在于：由于海缆敷设位置越深，海缆表面受到的压强越大，深海缆越细越好；浅海缆为避免人为破坏，外层还设置有粗钢丝铠装。

6.根据权利要求1所述的深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其特征在于：步骤(3)中，考虑预留合适光纤余长及纤膏填充空间，设定d0＝nre，n＝2～3。

7.根据权利要求1所述的深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其特征在于：步骤(4)中，铠装钢丝采用磷化钢丝，钢丝的外径范围为1～2mm，设定m＝8～10。

技术总结
本发明涉及有中继海底光缆技术领域，尤其涉及一种深海光缆不等径钢丝内铠设计方法，其包括步骤：(1)确定海缆的敷设水深D；(2)测算海缆的抗压强度P：(3)确定不锈钢中心管式光单元的外径D<subgt;0</subgt;及壁厚t<subgt;0</subgt;：(4)确定钢丝铠装结构及尺寸：(5)测算海缆内铠空隙占比，优化钢丝尺寸。上述深海光缆不等径钢丝内铠设计方法适用于深海宽泛深度领域海光缆的结构设计，使得海底光缆的设计参数更规范、更精确，各项物理及机械性能更为优越，弥补了传统海光缆铠装设计使用粗略的圆周公式导致结构松散、渗水性能差、机械性能不达标等问题，保证海底光缆更具有优越的光学传输性能以及抗拉性能。

技术研发人员：鞠久军,唐松柏,汪传斌,刘邓,刘学,唐楚天,孙剑飞
受保护的技术使用者：远东海缆有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11