نحوه انتخاب اعضای استحکام برای کابل‌های دراپ نوع کمانی: FRP در مقابل سیم فولادی - مقایسه فنی

1. مقدمه: چرا اعضای استحکام در کابل‌های دراپ نوع کمانی مهم هستند

گسترش سریع شبکه های FTTH تقاضا برای کابل های قطره قابل اعتماد را افزایش داده است. در میان طرح های مختلف، کابل قطره ای از نوع کمانی (همچنین به عنوان کابل قطره پروانه ای نیز شناخته می شود) به دلیل ساختار جمع و جور، جداسازی آسان و هزینه نصب کم، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. یک جزء حیاتی در این کابل ها، عضو استحکام است که مقاومت کششی را فراهم می کند، از فیبرهای نوری در حین نصب محافظت می کند و پایداری مکانیکی طولانی مدت را تضمین می کند.

دو انتخاب ماده غالب برای اعضای استحکام وجود دارد کابل های فیبر نوری قطره FTTH : سیم فولادی گالوانیزه و پلیمر تقویت شده با الیاف (FRP). در حالی که سیم فولادی راه حل معمولی بوده است، میله های FRP (تقویت شده با شیشه یا آرامید) در نسخه های غیر فلزی مانند کابل قطره GJXFH . درک تفاوت های آنها برای طراحان شبکه، نصب کنندگان و مهندسان تدارکات ضروری است. این مقاله مقایسه ای مبتنی بر داده و در کنار یکدیگر اعضای استحکام FRP در مقابل سیم فولادی را به طور خاص برای کابل های قطره ای نوع کمانی ارائه می دهد.

ما خواص مکانیکی، رفتار محیطی، خستگی خمشی، مقاومت در برابر خزش، وزن اقتصادی و سازگاری با روش‌های پایان میدان موجود را بررسی خواهیم کرد. داده های عملکرد واقعی و مشاهدات صنعت (بدون ارجاع به مارک های خاص) انتخاب مواد شما را راهنمایی می کند کابل قطره ای از نوع پروانه ای و انواع GJXH/GJXFH.

2. خواص مکانیکی: استحکام کششی، مدول و رفتار کرنش

وظیفه اصلی یک عضو استحکام، حمل بارهای کششی بدون انتقال فشار بیش از حد به فیبرهای نوری است. هر دو مفتول فولادی و FRP استحکام کششی بالایی دارند، اما منحنی های تنش-کرنش آنها به طور قابل توجهی متفاوت است.

2.1 مقایسه استحکام کششی و مدول

سیم فولادی مورد استفاده در کابل های قطره ای معمولاً دارای استحکام کششی بین 1500 مگاپاسکال تا 1770 مگاپاسکال با مدول الاستیک در حدود 200 گیگا پاسکال است. FRP (پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه) استحکام کششی بین 600 مگاپاسکال و 1200 مگاپاسکال را بسته به کسر حجمی فیبر نشان می دهد، در حالی که مدول آن در محدوده 35 تا 50 گیگا پاسکال است. با این حال، چگالی کمتر FRP (≈1.9 g/cm³) در مقایسه با فولاد (≈7.8 g/cm³) استحکام مطلق کمتر آن را با در نظر گرفتن عملکرد وزن خاص جبران می کند.

جدول زیر خصوصیات معمول دمای اتاق را برای اعضای استحکام مورد استفاده در کابل های قطره ای نوع کمانی خلاصه می کند.

فولاد استحکام کششی و سختی مطلق بالاتری را ارائه می دهد که برای نصب های هوایی با دهانه طولانی مفید است. با این حال، استحکام ویژه بالاتر FRP به این معنی است که برای همان وزن، FRP در واقع می تواند بارهای بیشتری را تحمل کند - یک عامل مهم در کاهش جرم کلی کابل و تسهیل حمل و نقل آسان تر در شبکه های افت FTTH.

2.2 انتقال کرنش به فیبرهای نوری

در یک کابل قطره ای از نوع کمانی، دو عضو استحکام به طور متقارن در کنار زیر واحد فیبر قرار می گیرند. هنگامی که یک بار کششی اعمال می شود، کرنش در درجه اول توسط اعضای استحکام انجام می شود. از آنجایی که فولاد مدول بالاتری دارد، یک کشیدگی کوچک منجر به تنش بیشتر می شود. اما حاشیه کرنش شکست بالاتر فولاد (≈3٪) یک بافر ایمنی را قبل از شکستگی الیاف فراهم می کند (محدودیت کرنش الیاف معمولی 0.5 - 0.8٪). مدول پایین تر FRP و کرنش شکست کمتر (≈2٪) نیاز به کنترل کشش دقیق تری در طول کشیدن دارد. داده‌های میدانی از پروژه‌های بزرگ مقیاس FTTH نشان می‌دهد که کابل‌های GJXFH مبتنی بر FRP با طراحی مناسب را می‌توان با کشش تا 500 نیوتن بدون مشکلات تنش فیبر نصب کرد، در حالی که کابل‌های GJXH تقویت‌شده با فولاد می‌توانند تا 800 نیوتن را تحمل کنند. انتخاب بستگی به توپوگرافی استقرار دارد.

3. دوام محیطی: اثرات خوردگی، رطوبت و دما

کابل های قطره ای اغلب در معرض محیط های بیرونی از جمله رطوبت، نمک های موجود در هوا و چرخه های دما قرار می گیرند. مقاومت در برابر خوردگی به یک عامل تعیین کننده برای عمر طولانی (معمولاً 20 تا 30 سال) تبدیل می شود.

3.1 مقاومت در برابر خوردگی و شیمیایی

مفتول فولادی، حتی با پوشش گالوانیزه، زمانی که لایه روی در حین خمش توسط خراش یا ریز ترک خوردگی در معرض خوردگی قرار می گیرد، حساس است. در مناطق ساحلی یا صنعتی، خوردگی می تواند منجر به تخریب استحکام و شکست نهایی شود. آزمایش‌های تسریع شده نمک پاشی (ASTM B117) نشان می‌دهد که سیم فولادی گالوانیزه معمولی بعد از 200 تا 300 ساعت شروع به نشان دادن زنگ قرمز می‌کند، در حالی که پوشش‌های سنگین این زمان را تا 500 ساعت افزایش می‌دهند. در مقابل، میله های FRP ذاتاً نسبت به کلریدها، اسیدها و قلیاها بی اثر هستند. پس از 2000 ساعت قرار گرفتن در معرض اسپری نمک، کاهش قدرت قابل توجهی مشاهده نمی شود. برای استقرار FTTH در محیط های سخت، کابل قطره GJXFH (بر اساس FRP) نیاز به اتصال به زمین را از بین می برد و مقاومت در برابر خوردگی مادام العمر را فراهم می کند.

3.2 دما و عملکرد UV

فولاد دارای خواص مکانیکی ثابتی از -40 درجه سانتیگراد تا 80 درجه سانتیگراد است، با ضریب انبساط حرارتی (CTE) ≈12×10-6/K. FRP دارای یک CTE است که بین 6-10×10-6/K متغیر است، که دقیقاً با CTE فیبر مطابقت دارد (≈0.55×10-6/K در جهت محوری) اما با مقداری عدم تطابق در جهت شعاعی. این شباهت تلفات میکروخمشی را در شرایط دمای پایین کاهش می دهد. با این حال، FRP محافظت نشده می تواند تحت قرار گرفتن طولانی مدت در معرض اشعه ماوراء بنفش تخریب شود. در عمل، کابل‌های قطره‌ای از نوع کمانی از یک غلاف LSZH یا PE سیاه با کربن سیاه اضافه شده استفاده می‌کنند که به طور کامل از عضو استحکام محافظت می‌کند. تحت چنین محافظتی، FRP بیش از 95٪ از استحکام اولیه خود را پس از 10 سال هوازدگی در فضای باز حفظ می کند. فولاد دچار تخریب UV نمی شود، اما خوردگی عامل محدود کننده آن باقی می ماند.

4. انعطاف خمشی و ملاحظات نصب

کابل های قطره ای نوع کمانی اغلب به خمیدگی های محکم در اطراف گوشه ها، داخل واحدهای چند سکونتی یا در تاسیسات شلاق هوایی نیاز دارند. توانایی خم شدن بدون آسیب رساندن به عضو استحکام یا القای میرایی فیبر بسیار مهم است.

4.1 حداقل شعاع خمشی

میله های FRP شعاع خمشی بحرانی کمتری نسبت به سیم فولادی با همان قطر دارند. برای یک عضو استحکام 1.2 میلی‌متری FRP، خمش مداوم تا شعاع 15 میلی‌متر (قطر 12.5×) باعث شکستگی نمی‌شود، در حالی که سیم فولادی در شرایط مشابه ممکن است دچار تغییر شکل پلاستیک یا سخت شدن کار شود. این باعث می‌شود کابل‌های قطره‌ای از نوع پروانه‌ای تقویت‌شده با FRP برای مسیریابی در خانه که فضاهای تنگ رایج است، مناسب‌تر باشند.

4.2 تنش نصب و خستگی در دست زدن

در حین کشیدن کابل، قرقره های مکرر و سیم پیچی در دمای پایین می تواند باعث ایجاد خستگی در سیم فولادی شود. مطالعات موردی پروژه‌های FTTH اروپا نشان می‌دهد که پس از 100 چرخه خمش روی یک سنبه 30 میلی‌متری، اعضای استحکام فولادی حدود 8 تا 12 درصد از بار شکستگی خود را به دلیل ریزترک‌ها در پوشش روی و زیرلایه فولادی از دست می‌دهند. FRP، به عنوان یک کامپوزیت، حساسیت خستگی کمتری را نشان می دهد. پس از 200 چرخه روی یک سنبه، استحکام باقیمانده بالای 92٪ باقی می ماند. با این حال، FRP به بریدگی حساس‌تر است - خراش‌های عمیق در حین جابجایی می‌تواند باعث شکستگی شود. بنابراین، روش‌های نصب برای کابل‌های GJXFH مبتنی بر FRP باید از تماس لبه‌های تیز جلوگیری کند.

5. قابلیت اطمینان طولانی مدت: عملکرد خزش و پیری

اعضای استحکام ده ها سال به دلیل کشش کابل، باد و بارگیری یخ استرس پایدار را تجربه می کنند. تغییر شکل خزش می تواند به تدریج فشار را به فیبرهای نوری منتقل کند و تضعیف را افزایش دهد.

5.1 رفتار خزش در دماهای بالا

فولاد دارای مقاومت خزشی عالی تا 150 درجه سانتیگراد است. تحت دمای معمولی کابل افت (حداکثر 70 درجه سانتیگراد)، کرنش خزشی ناچیز است (<0.01٪ در طول 30 سال). کامپوزیت های FRP خزش ویسکوالاستیک را به ویژه در سطوح تنش بالاتر نشان می دهند. آزمایش‌های خزش استاندارد برای ASTM D2990 نشان می‌دهد که FRP شیشه زیر 30 درصد استحکام کششی نهایی (UTS) باعث ایجاد کرنش خزشی 0.2-0.5 درصد پس از 10000 ساعت می‌شود که مربوط به تقریباً 0.5-1.2 درصد پس از برون‌یابی 30 ساله است. این به طور بالقوه می تواند از بودجه کرنش فیبرهای تک حالته فراتر رود اگر طراحی کابل با شلی اولیه سازگار نباشد. تولیدکنندگان با شل کردن الیاف در کابل نوع کمانی (به عنوان مثال 0.5-0.8٪ طول اضافی) با این مشکل مقابله می کنند. برای اکثر کاربردهای FTTH که تنش های پایدار زیر 20% UTS است، هر دو ماده عملکرد طولانی مدت قابل قبولی را ارائه می دهند.

5.2 حمله پیری و قلیایی در محیط های مرطوب

FRP شیشه ای در شرایط PH بالا (به عنوان مثال، از گرد و غبار سیمان یا برخی از آب های زیرزمینی) مستعد حمله قلیایی است. هیدرولیز سطح الیاف شیشه می تواند استحکام کششی را 20 تا 30 درصد در طول دهه ها کاهش دهد، اگر رطوبت و قلیائیت وجود داشته باشند. در مقابل، فولاد در اثر خوردگی در همان محیط از بین می رود. برای نصب کانال زیرزمینی، هر دو ماده به یک غلاف مقاوم نیاز دارند. با این حال، عملکرد طولانی مدت FRP در شرایط خنثی یا کمی اسیدی برتر است. داده‌های کابل‌های مخابراتی ۲۵ ساله نشان می‌دهد که میله‌های FRP در شرایط داخلی خشک بیش از ۹۰ درصد از استحکام اولیه را حفظ می‌کنند، در حالی که فولاد گالوانیزه در همان کابل‌ها زنگ‌زدگی سطحی جزئی نشان می‌دهد اما یکپارچگی عملکردی باقی مانده است. بر اساس محیط استقرار خاص انتخاب کنید.

6. وزن، هزینه و کارایی لجستیک

کاهش وزن کابل مستقیماً بر هزینه های حمل و نقل، خستگی نصاب و سهولت اتصال هوایی تأثیر می گذارد. یک کابل قطره ای استاندارد 2 فیبر با استفاده از دو سیم فولادی 1.0 میلی متری تقریباً 28 کیلوگرم در کیلومتر وزن دارد. جایگزینی فولاد با FRP (قطر یکسان) وزن را به تقریباً 14 کیلوگرم در کیلومتر کاهش می دهد - کاهش 50٪. برای یک پروژه بزرگ FTTH که 500 کیلومتر کابل قطره ای به کار می برد، این به معنی 7000 کیلوگرم وزن کمتر است که مصرف سوخت و نیازهای حمل و نقل انبار را کاهش می دهد.

از نظر هزینه مواد اولیه، سیم فولادی در حال حاضر قیمت هر کیلوگرم کمتری نسبت به میله های FRP با کیفیت بالا دارد. با این حال، هنگام مقایسه بر اساس طول کابل، تفاوت در حال کاهش است زیرا چگالی کمتر FRP به معنای جرم کمتر مواد در هر متر است. علاوه بر این، کابل های FRP نیاز به زمین و کاهش خوردگی را از بین می برند (به عنوان مثال، اجتناب از تماس مستقیم با فلزات غیر مشابه). تجزیه و تحلیل هزینه چرخه عمر برای یک افق شبکه 15 ساله اغلب به دلیل کاهش تعمیر و نگهداری و جایگزینی، FRP را در محیط های تهاجمی ترجیح می دهد.

• مزیت فولاد: هزینه مواد اولیه پایین تر؛ سخت افزار خاتمه آشنا؛ ظرفیت کششی مطلق بالاتر
• مزیت FRP: 50٪ سبک تر؛ ضد خوردگی؛ بدون نیاز به زمین؛ شعاع خمش کوچکتر؛ دست زدن راحت تر

7. راهنمای ویژه برنامه: استانداردهای GJXH در مقابل GJXFH

تعیین استانداردهای صنعتی برای کابل های قطره ای نوع کمانی اغلب منعکس کننده نوع عضو استحکام است:

• کابل فیبر نوری GJXH - معمولا از سیم فولادی به عنوان اعضای استحکام (طراحی فلزی) استفاده می کند. مناسب برای تاسیسات هوایی یا کانالی که در آن حداکثر بار کششی حیاتی است و می توان حفاظت در برابر صاعقه را ترتیب داد. برای جلوگیری از القای جریان به زمین مناسب نیاز دارد.
• کابل قطره GJXFH - کاملا دی الکتریک با اعضای استحکام FRP. ایده‌آل برای کابل‌کشی محل، انتقال داخلی/خارج، و مکان‌هایی که خطر برخورد صاعقه زیاد است یا ایزوله‌سازی الکتریکی اجباری است (به عنوان مثال، برج‌های سلولی، سمت راه‌آهن).

داده‌های میدانی از راه‌اندازی 200 کیلومتری FTTH در منطقه ساحلی: اپراتور در ابتدا GJXH تقویت‌شده با فولاد را به کار برد، اما پس از 18 ماه رنگ‌آمیزی زنگ زدگی را در اتصالات میان دهانه مشاهده کرد. جایگزینی با GJXFH مبتنی بر FRP این مشکل را به طور کامل حل کرد، البته با 9٪ هزینه اولیه کابل بالاتر - اما هزینه کل مالکیت پس از 5 سال به دلیل عدم خرابی های مرتبط با خوردگی، 15٪ کاهش یافت.

برای کاربردهای استاندارد در داخل ساختمان، انعطاف پذیری FRP مسیریابی داخل رایزرها و گوشه های تنگ را ساده می کند و باعث می شود کابل قطره ای از نوع پروانه ای با FRP انتخاب ارجح بسیاری از مخابرات اروپایی و آسیایی است.

8. ماتریس تصمیم: FRP در مقابل اعضای استحکام سیم فولادی

جدول زیر یک راهنمای مرجع سریع برای مهندسان در هنگام انتخاب اعضای استحکام برای کابل های قطره ای نوع کمانی ارائه می دهد.

اغلب یک رویکرد ترکیبی غیر ضروری است - انتخاب بر اساس نیاز محیطی و مکانیکی غالب. برای اکثر سناریوهای افت FTTH که در آن کابل ها در معرض آب و هوا و تنش زیاد گاه به گاه قرار می گیرند، FRP تعادلی برای آینده فراهم می کند. فولاد برای ریزش های هوایی با دهانه بسیار طولانی در مناطق روستایی غیر خورنده باقی می ماند.

9. سوالات متداول (سؤالات متداول)

Q1: آیا می توانم به طور مستقیم اعضای استحکام فولادی را با FRP در طراحی کابل کمانی موجود جایگزین کنم؟

جایگزینی مستقیم مستلزم بررسی مجدد درجه بندی کششی کابل، عملکرد خمشی و روش اتصال کانکتور است. مدول پایین تر FRP ممکن است حاشیه کرنش فیبر را تغییر دهد، بنابراین طراحی مجدد طول فیبر اضافی کابل اغلب مورد نیاز است. همیشه قبل از تعویض با استانداردهای طراحی (به عنوان مثال IEC 60794-1-2) مشورت کنید.

Q2: آیا عضو استحکام FRP بر درجه اشتعال پذیری کابل های قطره داخلی تأثیر می گذارد؟

FRP خود یک کامپوزیت ترموست با سهم اشتعال پذیری محدود است. هنگامی که با غلاف های LSZH ترکیب می شود، کابل کلی می تواند مطابق با تست شعله سینی عمودی UL 1685 باشد. فولاد نمی سوزد اما ممکن است گرما را هدایت کند. هر دو می‌توانند رتبه‌بندی رایزر یا پلنوم را داشته باشند، اما همیشه گواهینامه کامل کابل را بررسی کنید.

Q3: آیا ابزار خاصی برای پایان دادن به کابل‌های کمانی تقویت‌شده با FRP لازم است؟

بله. سیم های فولادی را می توان با سیم برش های استاندارد برش داد. میله های FRP برای جلوگیری از شکافتن به برش تیغه کاربید یا قیچی مخصوص FRP نیاز دارند. کانکتورهای مکانیکی برای کابل‌های GJXFH مبتنی بر FRP در دسترس هستند و به‌جای چین‌خوردن از مکانیزم بستن استفاده می‌کنند. آموزش میدانی توصیه می شود.

Q4: هزینه بلند مدت FRP در مقایسه با فولاد از جمله تعمیر و نگهداری چگونه است؟

هزینه اولیه FRP معمولاً 8 تا 15 درصد در هر متر کابل بیشتر است. با این حال، FRP سخت افزار اتصال به زمین، بازرسی های خوردگی و تعویض های زودهنگام را حذف می کند. برای یک عمر شبکه 20 ساله، کل هزینه مالکیت FRP در محیط های تهاجمی 10 تا 20 درصد کمتر و در شرایط خشک و خوش خیم تقریباً برابر است.

Q5: آیا می توان از اعضای استحکام FRP برای کابل های قطره ای نوع کمان هوایی خود نگهدار استفاده کرد؟

بله، اما درجه کشش باید با دقت انتخاب شود. بسیاری از طرح‌های خود نگهدارنده دارای سیم پیام‌رسان جدا از اعضای استحکام هستند. برای کابل های قطره ای تمام دی الکتریک (ADSS)، FRP انتخاب استاندارد است. برای بارگذاری یخ یا باد سنگین می توان از میله های FRP با قطر بزرگتر یا پیام های فولادی استفاده کرد.

10. نتیجه گیری: مهندسی انتخاب درست

هر دو استحکام FRP و مفتول فولادی قابلیت اطمینان خود را در میلیون‌ها کیلومتر کابل‌های قطره FTTH ثابت کرده‌اند. این تصمیم بر پارامترهای پروژه بستگی دارد: فضای سر کششی مورد نیاز، خورندگی محیطی، محدودیت وزن، ایمنی صاعقه و محدودیت‌های هزینه. FRP در کاربردهای سبک وزن، ضد خوردگی و دی الکتریک برتر است - آن را برای کابل‌های قطره‌ای مدرن GJXFH و کابل‌های پروانه‌ای داخلی تبدیل می‌کند. فولاد یک راه حل قوی و مقرون به صرفه است که در آن حداکثر استحکام کششی مورد نیاز است و می توان خوردگی را مدیریت کرد. با درک داده های مقایسه ای ارائه شده در این مقاله، مهندسان شبکه می توانند با اطمینان اعضای قوی را که عملکرد و هزینه کل مالکیت را بهینه می کنند، مشخص کنند. کابل قطره ای از نوع کمانی استقرارها.