專利名稱：海底鎧裝電纜的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有防潮或防水隔層的被絕緣導體或電纜，例如海底鎧裝電纜。
通常包括一個帶有至少一根導體芯體和一個圍繞此芯體的聚合物護套的被絕緣導體或電纜已用于各種環境中，這些環境包括穿過各種地域的通道，所述地域包括各種飽水區域，例如沼澤、江河、湖泊和深海。聚合物護套材料往往使得濕氣滲透到芯體，并最終滲透到導體，這又會導致與導體間的有害的相互作用。為防止這種有害的相互作用，要求聚合物護套通過各種手段而成為防潮的，這樣即使在電纜處理之后它仍保持其防護性能，例如，在將電纜裝載至支撐筒或船艙和從其上卸載時的卷繞或解卷處理之后。
由AT&T公司使用的現有海底鎧裝電纜是這種電纜的一個實例，它包括一個具有中央芯體和聚合物絕緣護套的基本深水電纜。此基本深水電纜包括至少一個包覆在護套上的紡織紗襯層、多根鋪設在紡織紗襯層上的由煤焦油-煤焦油瀝青混合物涂敷的鍍鋅鋼鎧裝線、覆蓋在鎧裝線上的煤焦油-天然瀝青混合物涂層、以及至少兩個覆蓋在被涂敷的鎧裝線上的紡織粗紗護層，每一粗紗被覆有煤焦油-天然瀝青混合物涂層。“天然瀝青”是在特里尼達(Trinidad)的瀝青礦中天然形成的一種瀝青。以下，“天然瀝青”表示這種天然形成的特里尼達瀝青。
在制備鎧裝電纜的過程中，基本深水電纜的護套至少覆蓋一個紡織紗襯層。此后，多根鍍鋅鋼鎧裝線圍繞護套上的紡織紗襯層螺旋狀纏繞。每根鎧裝線用線涂敷“漆”預涂敷。漆涂層是70-80wt%(重量百分數)的煤焦油和20-30wt%的煤焦油瀝青的混合物。漆涂層是通過讓線穿過熔態混合物的通風的儲桶而涂敷至鍍鋅線上的。螺旋纏繞的預涂(涂漆)的線隨后由熔態電纜抗蝕劑涂敷。專用于AT&T公司的海底通信電纜的電纜抗蝕劑包括35-50wt%最好為40wt%的煤焦油，剩余組分主要是天然瀝青。所涂敷的線爾后依次由一紡織粗紗護層覆蓋、由抗蝕劑浸漬、由另一紡織粗紗護層覆蓋、并再次由抗蝕劑浸漬。紡織粗紗上的多余抗蝕劑被除去，以降低電纜的各圈間發生任何粘連(粘著)的可能性。
電纜抗蝕劑用于海底鎧裝電纜系統，為鋪設的鍍鋅鋼鎧裝線提供了防腐蝕性，并在電纜上提供了不透濕氣的涂層。幾十年來，抗蝕劑已被普遍用于水下電力電纜和通信電纜，包括光纖通信電纜。
在無安全防護設備的情況下，操作人員長期暴露于煤焦油-煤焦油瀝青混合物和煤焦油-天然瀝青混合物，尤其是在使用熔態下的這些混合物時，會導致對健康的輕微的不良影響，諸如皮炎和光過敏。為降低由這些混合物造成的危險，希望能減少或消除煤焦油和煤焦油瀝青在海底電纜制造過程中的使用，同時繼續對電纜的主要部件提供抗海底暴露保護。
本發明包括防水的被絕緣導體或電纜及其制造方法。這種防水的被絕緣導體或電纜包括一個帶至少一個導體元件的芯體;一個聚合物絕緣護套;覆蓋在聚合物護套上的至少一個紡織層;以及在所述的至少一個紡織層上的至少一個防水涂層，防水涂層包括15-40wt%最好為20wt%的松焦油而剩余組分主要為天然(特里尼達)瀝青的混合物。本發明尤其適于制造鎧裝電纜，在此電纜中，設在紡織紗襯層上的鎧裝線埋置于所述混合物涂層中，并進一步由至少一個紡織粗紗護層和在所述的至少一個紡織粗紗護層上的一個防水涂層覆蓋。以松焦油為基礎的混合物顯示出可與現有的以煤焦油為基礎的混合物來防水的電纜相比的機械、物理和加工特性。另外，與現有混合物中的煤焦油用量相比，這種新的混合物采用較少量的松焦油，從而使在熱的混合物使用前和使用過程中油的損耗較少。


圖1是一種鎧裝光纖通信電纜的透視圖。
本發明是參照具有一基本深水電纜的一種海底鎧裝電纜進行描述的。不過，本發明可用于任何其它類型的防潮電纜或導體，這些電纜或導體包括具有一個或多個導體元件的中央芯體和聚合物絕緣護套。中央芯體可具有各種導體元件和增強金屬部件的排列結構，如果存在的話。至少一個增強部件可居中設置，其它一些增強部件沿周邊設置。這種排列結構是現有技術中公知的，在此不需做詳細描述。
一個示范性的海底鎧裝電纜，如光導通信電纜10，示于圖1中，它包括一個帶中央芯體12和聚合物絕緣護套13的基本深水電纜11，中央芯體12包括一根或多根光纖。電纜10還包括覆蓋護套13的紡織紗襯層14、鍍鋅鋼鎧裝線15、覆蓋紡織紗襯層和鎧裝線的松焦油-天然瀝青混合物涂層16、以及覆蓋鎧裝線的至少兩個紡織粗紗護層17和18，各粗紗分別由松焦油-天然瀝青混合物涂層19和20所覆蓋。術語“紡織紗”包括用于導體或電纜工業中并與防水成份、不透水隔層組合供給的材料。這種紡織紗可包括黃麻纖維或帶、粗麻和棉帶、以及諸如聚丙烯、尼龍、聚酯、聚酰亞胺和其它物質之類的合成材料的帶。
電纜10與現有電纜的不同主要在于其新的涂層混合物，此混合物用于涂敷鎧裝線、紡織紗襯層和紡織粗紗護層。本發明在采用新的涂層混合物涂敷電纜的方法方面也不同于現有技術。
根據本發明，“漆”成份與抗蝕劑成分兩者由包含松焦油而非煤焦油的單一抗蝕劑成分替代。這就允許通過在芯體和鎧裝線上涂敷單一抗蝕劑來替代現有的工藝規程，后者包括在分立的操作室中首先用“漆”成分涂敷鎧裝線和隨后用抗蝕劑涂敷鎧裝線。這里，在將紡織紗襯層14鋪設于基本深水電纜11的聚合物護套13上之后，裸線15以螺旋纏繞方式纏繞于紡織紗襯層14上，并且隨著線的纏繞涂敷抗蝕劑。按此方式，紡織紗襯層由抗蝕劑覆蓋，而線則埋置于紡織紗襯層上的抗蝕劑中，并也由抗蝕劑覆蓋。抗蝕劑涂層的厚度應這樣選擇，即，應使線完全由抗蝕劑覆蓋。此后，依次將紡織粗紗護層17和18鋪設在抗蝕劑覆蓋的線上，這些護層依次由相同抗蝕劑浸漬。每次浸漬后，將所涂敷的相應表面上的多余抗蝕劑除去，以在被涂敷表面上留下一個薄的連續的抗蝕劑層。這對于外面的涂層尤其重要，以便降低外面的涂層在儲存時相互粘連的可能性，在儲存時電纜可以卷繞方式儲存于存儲箱中或船艙中。
這種新的鎧裝電纜抗蝕劑是松焦油和剩余組分主要為天然瀝青的混合物。松焦油是由松樹根和皮干餾得到的，其比重大約為0.975，并包含0-25wt%最好為12±10wt%的松香酸、0-25wt%最好為14±10wt%的脂肪酸、以及40-85wt%最好為74±10wt%的低聚物。細菌測定試驗表明，松焦油是比煤焦油更好的環境。另外，松焦油比在天然瀝青組份中的煤焦油造成的職業過敏性要輕。本發明的抗蝕劑含有15-40wt%最好為20wt%的松焦油，剩余組分主要是天然瀝青。這種抗蝕劑是以230±10°F的溫度下的熔化狀態使用的。在天然瀝青中，煤焦油和松焦油均起增塑劑作用。在優選應用中，由于抗蝕劑含有的松焦油大致為現有的以煤焦油為基礎的抗蝕劑中煤焦油含量的一半，因此在將抗蝕劑涂敷至電纜的過程中加熱以松焦油為基礎的抗蝕劑時，重量損耗降低了。不過，與現有的以煤焦油為基礎的成分相比，這不會顯著地改變電纜抗蝕劑的軟化點或滲透性。
所附的表Ⅰ示出了20wt%的松焦油和天然瀝青的混合物與40wt%的煤焦油和天然瀝青的混合物相比較的物理和化學特性。表Ⅰ中所列數據表明，與以煤焦油為基礎的混合物相比，松焦油-天然瀝青混合物在加熱時產生的重量損耗較少，而且硬化后的電纜抗蝕劑的軟化點或滲透性無明顯變化。相近的軟化點溫度時的熱穩定性數據和滲透性表明，以松焦油為基礎的混合物在儲存期間、非加工期間和伸展的電纜鎧裝制造過程中能很好地儲存。熱穩定性實驗是通過首先將抗蝕劑加熱到325°F爾后再將此抗蝕劑冷卻至室溫來進行的。軟化溫度是通過加熱冷卻的固化的抗蝕劑來確定的，滲透性實驗是在固化的抗蝕劑上進行的。
對由以松焦油為基礎的抗蝕劑制造的電纜進行的電纜質量測試表明，其機械、物理和加工性能與現有電纜大致相同。松焦油-天然瀝青混合物的低溫特性與現有的以煤焦油為基礎的電纜抗蝕材料相比有所改善。電纜質量測試結果與以相似工藝涂敷至鎧裝電纜的煤焦油-天然瀝青混合物呈現出的結果大致相同。外涂松焦油-天然瀝青的鎧裝電纜的船運處理與涂煤焦油-天然瀝青的鎧裝電纜大致相同。
測試包括下列內容
抗蝕涂層檢查在紡織紗護層、線和紡織紗襯層上的涂層，和聚乙烯絕緣(護套)的吸附性(通過萃取確定)。
電纜損壞性檢查存儲后由粘附的抗蝕劑引起的絕緣污染。與模制要求的一致性。檢查熱/壓力效應。
機械特性測試涂敷松焦油-天然瀝青的電纜并對照涂敷煤焦油-天然瀝青的電纜的應變-旋轉-延伸特性，并接著通過分解和檢查測試溫度/曲率(5℃)。
加工特性電纜儲存箱卸載處理和裝船處理。
為了便于電纜質量測試，以松焦油-天然瀝青混合物作為電纜抗蝕劑制備了一段長10公里的海底電纜，所有混合物含有20wt%的松焦油，剩余組分主要是天然瀝青。用于制備現有電纜的煤焦油-天然瀝青混合物含有40wt%的煤焦油。相對于煤焦油-天然瀝青混合物而言，在此抗蝕劑中的較低含量的松焦油和相應地較高含量的天然瀝青，導致混合物的熔態粘度提高。為消除這種影響，可通過朝著前面指出的用于以松焦油為基礎的混合物的溫度范圍(230±10°F)的高端稍微提高使用溫度來調節熔態粘度。
所附的表Ⅱ是對分解的電纜的組成部分上的抗蝕劑涂層進行目測的結果，其中對由松焦油混合物制備的電纜和由煤焦油混合物制備的電纜進行了比較。主觀檢查方法表明，在采用相同涂敷方法的兩種電纜的涂層中存在小的差異。
在試驗用基本深水電纜的聚合物(聚乙烯)護套13中發現存在一些以松焦油為基礎的抗蝕性。這種存在歸因于容易校正的紡織紗襯層的偶然的無規律分離，這種分離允許電纜抗蝕劑滲透，從而導致聚合物護套的輕微污染。不過，除了這種污染外，試驗用電纜的聚合物護套表面與沒有表面污染的鎧裝電纜的聚合物護套表面之間無明顯差異。這說明表面污染的發生并未伴隨向聚合物護套的吸附。
進一步，業已確認，對諸如聚乙烯之類的聚合物護套材料而言，松焦油或松焦油-天然瀝青混合物不是環境致裂劑。此外，業已發現，在聚合物護套材料浸漬于熱(125°F)松焦油的實驗中，松焦油對聚乙烯的親合力比煤焦油更弱。
通過保持電纜溫度為50℃達100小時并接著使電纜經歷3℃和50℃之間的100小時間隔的熱循環來進行老化研究。此后將經老化的電纜樣品進行分解并將基本深水電纜與電纜分離。結果發現，與未老化的電纜相比，紡織粗紗線的外層更難以從老化后的電纜上除去。松焦油混合物在老化后是撓性的并未脆化。與此相反，煤焦油混合物在老化后趨于變脆。
聚乙烯絕緣的基本深水電纜的斷面通過在電纜聯接盒中進行對接而連在一起，并經受試驗。試驗包括對包含物的X射線分析;對包含過模(over-molding)界面區的切片樣品和復原樣品進行拉伸試驗;以及熱收縮試驗。所有試驗是令人滿意的并合乎要求。
對鎧裝電纜進行低溫撓曲。這個試驗的目的是確認粘結至紡織襯層和鎧裝線的松焦油-天然瀝青混合物與煤焦油-天然瀝青混合物的低溫特性是否有差異。在將電纜樣品保持在40°F±8°F達24小時之后，將涂敷有松焦油-天然瀝青混合物與煤焦油-天然瀝青混合物的電纜按36英寸的半徑各自撓曲50次。每次撓曲包括四英尺電纜段一端的運動，同時此電纜段的另一端保持固定。撓曲是以電纜的自由端從低位起始位置經90°弧至90°-再運動位置的運動開始，爾后返回起始位置，再使電纜在相反方向運動至另一90°-再運動位置，最后返回起始位置。在撓曲試驗后，將樣品分解并得到下列表觀檢查結果。(A)粘至紡織紗襯層的松焦油-天然瀝青電纜抗蝕劑不是脆性的，并且脫離鎧裝線而只留下裸線。在分離鎧裝線時，在鍍鋅鋼鎧裝線的間隙中出現粘結涂層的粘結失效。(B)在鎧裝線的紡織粗紗護層上的煤焦油-天然瀝青電纜抗蝕劑是脆性的，當使紡織紗脫離鎧裝線時，煤焦油-天然瀝青涂層粘結失效，帶有粘至紡織紗和鎧裝線的電纜抗蝕劑的暴露出的裸鎧裝線可容易地與鎧裝線間隙中的脆性電纜抗蝕性分離。低溫撓曲試驗的結果表明，松焦油混合物比煤焦油混合物具有更好的低溫特性，并在低溫下保持其作為涂層的撓性，而且不易脆化。如果鎧裝電纜在使用期間或在海底發生扭轉，這是很重要的。
對涂敷松焦油-天然瀝青抗蝕劑和煤焦油-天然瀝青抗蝕劑的鎧裝電纜樣品段進行應變-旋轉-拉伸實驗。進行這些實驗的用途是用于確定，用作電纜抗蝕劑的材料和在單一操作室中涂敷電纜抗蝕劑的方法的變化是否會影響船運時的電纜的轉動(扭轉)。該實驗是通過對電纜段的一端進行扭轉同時保持另一端固定來進行的。扭轉是通過施加400至50000磅力范圍的扭轉動力來實現的。拉伸是按居樣品總長度中央的一定長度測量的。實驗結果列于表Ⅲ中。數據表明樣品間無明顯差異。
在經歷3個月的存儲(纏繞于支撐筒上)后，將此10公里長的電纜裝到船上。裝船是無事故(無“粘連”)的，并幾乎沒有沾污，如果有的話，可在裝船過程中在傳輸至滑板和卷筒上時發現。觀察結果表明，大約3個月的存儲未導致外涂松焦油-天然瀝青混合物的疊置電纜的各圈間產生蠕變和“粘連”。術語“粘連”是指在支撐筒中或船艙中以連續的卷繞層方式疊置后，兩圈或多圈電纜粘結在一起。
在加工這根10公里長的鎧裝電纜的過程中，在涂敷抗蝕劑時，取出多個松焦油-天然瀝青混合物抗蝕劑的樣品。對這些樣品進行實驗以確定工藝穩定性。結果(附表Ⅳ表明)，隨著時間延續松焦油-天然瀝青混合物趨向增加剛性和粘性。在制造鎧裝電纜時，這些效應不會損害處理涂層的能力。
本發明已參照海底鎧裝光導電纜進行了說明。不過，本發明也可用于任何其它電纜或導體，所述電纜或導體具有帶至少一根導體并由護套包圍的芯體，在有害的潮濕條件下護套可能是透濕的，從而對導體的工作特性造成有害影響。與紡織紗組合的防水成份還可用于電纜上的鋁或其它金屬層的防水。
對于本領域的技術人員來說，另外的優點和改進將是容易形成的。因此，從其較寬的范圍來說，本發明不限于所示出和說明的特定細節、代表性裝置和圖示例。因此，在不脫離由所附權利要求書及其等同技術所限定的總的發明概念的精神或范圍的前提下，可做出各種改進。
附錄表Ⅰ松焦油-天然瀝青與煤焦油-天然瀝青電纜抗蝕劑相比較的物理特性數據結果特性實驗條件松焦油煤焦油粘度375°F188125熱固性,厘泊302°F438250325°F軟化點的熱穩定性開始時1221154小時12011724小時130132滲透性(0.1mm)開始時86904小時757624小時27-6840加熱時的重量損耗(%)325°F5小時0.71.4銅的腐蝕銅線 NCT*NCT*＊NCT＝無明顯腐蝕或銹蝕附錄表Ⅱ電纜抗蝕劑涂層
A-厚焦油B-中等厚度焦油C-薄焦油D-無焦油附錄表Ⅲ實驗結果
附錄表Ⅳ松焦油-瀝青混合物的工藝穩定性
權利要求
1.一種防水的被絕緣導體，它包括一個帶至少一個導體元件的芯體；一個圍繞此芯體的聚合物護套；覆蓋此聚合物護套的至少一個紡織包覆層；以及涂敷于所述的至少一個紡織包覆層上的至少一個防水涂層，其特征在于，所述的至少一個防水涂層包含15-40wt%的松焦油而剩余組分主要為天然(特里尼達)瀝青的混合物。
2.根據權利要求1的被絕緣導體，其特征在于，所述的混合物包含20wt%的松焦油。
3.根據權利要求1的被絕緣導體，其特征在于，所述的至少一個紡織包覆層從聚合物護套向外依次包括一個紡織紗襯層和至少一個紡織粗紗護層，所述的至少一個防水涂層依次涂敷于各包覆層。
4.根據權利要求3的被絕緣導體，其特征在于，一排螺旋纏繞的鎧裝線位于所述的紡織紗襯層上，此線埋置于所述防水涂層并由該涂層覆蓋，所述的至少一個紡織粗紗護層位于被覆蓋的線上。
5.根據權利要求1的被絕緣導體，其特征在于，所述的至少一個導體元件是光纖。
6.一種深海鎧裝電纜，包括一個基本深海電纜，此鎧裝電纜包括一個帶至少一根導體的芯體;一個圍繞此芯體的聚合物絕緣護套;一個覆蓋此護套的紡織紗襯層;多根螺旋狀纏繞于此紡織紗襯層上的鎧裝線;一個覆蓋紡織紗襯層的防水涂層，鎧裝線埋置于此涂層中;圍繞被覆蓋的線的至少一個紡織粗紗護層;以及覆蓋所述的至少一個紡織粗紗護層的每一個的至少一個防水涂層，其特征在于，所述的至少一個防水涂層包括15-40wt%的松焦油而剩余組分主要為天然(特里尼達)瀝青的混合物。
7.根據權利要求6的深海鎧裝電纜，其特征在于，所述的混合物包含20wt%的松焦油。
8.根據權利要求6的深海鎧裝電纜，其特征在于，所述的至少一根導體為光纖。
9.一種制造防水的被絕緣導體的方法，所述導體包括一個帶至少一個導體元件的芯體和一個圍繞此芯體的聚合物護套，所述方法包括在聚合物護套上鋪設至少一個紡織紗包覆層，并在所述的至少一個紡織紗包覆層上設至少一個防水涂層，其特征在于，所述的至少一個防水涂層包括15-40wt%的松焦油而剩余組分主要為天然(特里尼達)瀝青的混合物。
10.根據權利要求9的方法，其特征在于，所述的防水涂層包含20wt%的松焦油。
11.根據權利要求9的方法，其特征在于，所述防水涂層在涂敷前保持在230±10°F的溫度下。
12.根據權利要求9的方法，其特征在于所述的至少一個紡織包覆層從聚合物護套向外依次包括一個紡織紗襯層和至少一個紡織粗紗護層，所述的至少一個防水涂層依次涂敷于各包覆層。
13.根據權利要求9的方法，其特征在于，一排螺旋纏繞的鎧裝線位于所述的紡織紗襯層上，此線埋置于所述防水涂層并為其覆蓋，所述的至少一個紡織粗紡護層位于被覆蓋的線上。
14.根據權利要求9的方法，其特征在于，所述的至少一個導體元件為光纖。
15.一種制造深海鎧裝電纜的方法，此電纜包括一個基本深海電纜和一排繞于此基本電纜上的鎧裝線，該方法包括在基本電纜上鋪設一個紡織紗襯層，在紡織紗襯層上螺旋纏繞一排鎧裝線，在紡織紗襯層和線上涂敷包含天然(特里尼達)瀝青的熱的抗蝕劑，以便用抗蝕劑覆蓋線，在被覆蓋的鎧裝線上覆蓋至少一個紡織粗紗護層，用所述抗蝕劑涂敷每一所述的至少一個紡織粗紗護層，其特征在于，所述抗蝕劑包括15-40wt%的松焦油，剩余組分主要是所說的天然瀝青。
16.根據權利要求15的方法，其特征在于，所述的抗蝕劑包括20wt%的松焦油。
17.根據權利要求15的方法，其特征在于，所述的抗蝕劑在涂敷前保持在230±10°F的溫度下。
18.根據權利要求15的方法，其特征在于，所述抗蝕劑的涂敷和所述鎧裝線的纏繞是這樣的，所述抗蝕劑覆蓋紡織紗襯層的表面，線與襯層上的抗蝕劑接觸纏繞，而且抗蝕劑覆蓋鎧裝線。
19.根據權利要求18的方法，其特征在于，所述的至少一個紡織粗紗護層中的一個覆蓋所述的抗蝕劑覆蓋的鎧裝線上，并在下一紡織粗紗護層鋪設之前用所述抗蝕劑覆蓋。
20.根據權利要求15的方法，其特征在于，在依次對鎧裝線和所述紡織粗紗護層進行的每次涂敷之后，除去抗蝕劑，留下的抗蝕劑的厚度足以有效地為電纜防水。
21.根據權利要求15的方法，其特征在于，所述的基本深海電纜包括一個帶有至少一個導體元件的芯體和一個圍繞所述芯體的聚合物護套。
22.根據權利要求21的方法，其特征在于，所述的至少一個導體元件為光纖。
全文摘要
本發明公開了防水的被絕緣導體或電纜以及采用新抗蝕劑制造被絕緣導體或電纜的方法。防水的被絕緣導體或電纜包括一個帶至少一個導體元件的芯體，一個聚合物絕緣護套，鋪設在聚合物護套上的至少一個紡織包覆層，以及覆蓋所述的至少一個紡織包覆層的至少一個防水涂層，此防水涂層包括15—40wt％最好為20wt％的松焦油，而剩余組分主要為天然(特里尼達)瀝青的混合物。
文檔編號G02B6/44GK1088350SQ93119650
公開日1994年6月22日 申請日期1993年10月26日 優先權日1992年10月27日
發明者W·B·瓦哥茨 申請人:美國電話電報公司