3、微缆对气吹性能的影响分析
对于气吹而言，我们要求缆在整个截面上保持一致，没有突出物。缆的表面应该光滑、干净，没有油渍和污垢。缆的外护套能够承受15bar的空气压力而不破裂。
3.1 缆的外径对气吹的影响
根据气吹理论，如果不考虑缆在管道内的弯曲和打扣，管道内径和缆的外径比值越大，气流流动的衰耗就越小，气流作用在光缆表面上的拖曳力就越大，光缆的敷设长度就越长。但是在实际施工中，缆管的空间比值越大，缆就越容易形成螺旋圈，容易打扣。另外，从经济角度考虑，管道的直径越大，经济性就越差。对于光缆，我们建议管道内径是光缆外径的2-2.3倍，对于微缆而言，我们建议微缆的外径在微管内的填充率不要大于80%。由于微缆在微管内的填充率较大，微管内部的空气流动空间较小，因此在微管已经敷设后的情况下，微缆的直径粗细就会直接影响到微缆的气吹效果。如果整条微缆的截面尺寸不一致，缆的外护套上有突出物，当缆进入微管后，就会产生较大的气流阻力，如果突出物较大，就会卡在气吹机的入口处或管道内部的某处，造成气吹敷缆的失败。表2所列的是EMTELLE公司生产的各种直径的微缆所适用的微管尺寸。最大的填充率是79%，小于80%。如果在现有的条件下，建设方选择的微缆外径在微管内的填充率大于80%，那么在同等的气吹条件下，填充率大的气吹效果就比填充率小的气吹效果差。但是如果通过改变微管内壁的摩擦系数，例如，在气吹时使用润滑器或带齿的驱动轮使微缆在气吹时也能得到润滑或提高空气压缩机的压力，例如从12bar提高到15bar。都能提高气吹距离。如果采用水漂浮技术就不需要考虑缆和管的填充率。图6是2个气吹长度的模拟计算，微缆直径7mm，分别吹入1根12/10mm的微管和1根10/8mm的微管内，其它气吹条件不变。当把8mm的微管内径输入进软件时，软件就会出现提示，该管道的填充率已经大于80%。
表2 EMTELLE缆管匹配表
气吹1根7mm的微缆进入1根10/8mm的微管
气吹1根7mm的微缆进入1根12/10mm的微管
图6 气吹1根7mm的微缆进入不同内径的微管
从图6可见，将7mm的微缆吹入10/8mm的微管（填充率是87.5%），在同等气吹条件下，其气吹长度比12/10mm的微管（填充率是70%）短约200米。图7所示的是将1根7mm的微缆吹入不同内径的微管的气吹长度模拟计算。从气吹结果可见，微缆在微管内的填充率越小，气吹效果越好。当微管的内径是微缆的2倍时，气吹长度增加了1.45倍。
图7 微管内径和气吹长度的关系（摩擦系数0.098）
3.2缆的单位重量对气吹的影响
微缆和光缆不一样，同样芯数的全介质微缆的重量一般相差不大。一般而言，缆的单位重量越大，在地球引力的作用下，产生的摩擦力也就越大。
3.3微缆的硬度
缆的硬度是影响气吹效果的一个重要指标，如果微缆的硬度高，在管道的弯曲点会产生较高的摩擦力。如果微缆的硬度较低，在气吹时就会弯曲，产生额外的摩擦力，同时气吹机的推力也不能够得到充分的发挥。因此选择硬度适中的微缆是非常重要的。图8所示的是当1根7mm的微缆在1根10mm内径的微管内气吹时，不同的硬度在摩擦系数为0.098时所得到的不同的气吹长度。当微缆的硬度降低到0.001时，如果不控制微缆的推力，微缆就有打扣的风险。另外从图8可见，微缆的硬度有1个区域范围，在这个区域范围内的气吹效果没有显著的区别。
图8 微缆硬度和长度的关系（摩擦系数0.098）
从图9是2个光缆厂家提供的GYTA的光缆样本，当1根直径10mm的光缆气吹进入1根内径33mm的管道时，管道内径是光缆外径的3.3倍，从气吹过程可见，硬度为0.72Nm2的光缆（见图9左图）在气吹时速度十分不稳定。当光缆在低压条件下气吹时，速度呈下降趋势，200米后，空气压缩机的压力必须从低压转换到高压，这说明光缆在管道内已经形成了较多的螺旋圈，造成摩擦阻力上升，低压已经不能提升光缆的气吹速度。而硬度为1.03 Nm2的光缆，采用低压，气吹距离可以达到750米。因此样本1，硬度较软的缆在40/33mm的管道内仅敷设了920米，而样本2硬度较高的光缆可以达到管道敷设的总长1420米，光缆的出口速度还可以保持在25m/min。
样本1：硬度0.72Nm2的光缆
样本2：硬度1.03 Nm2的光缆
图9 不同光缆厂提供的GYTA24B1光缆样本的实际气吹性能测试
3.4缆的内在弯曲
气吹时，我们要求微缆在松卷时呈直线状态。但是我们在做微缆气吹性能测试时，发现有许多微缆在松卷时，微缆呈螺旋状态。这种螺旋状态的微缆在进入管道之后，也会一直保持这种状态，因此气吹的效果便不会很好。目前我们测试的，容易产生螺旋状的微缆多数是中心管束式微缆，光纤单元（FU）和金属微缆。层绞式微缆比较少。另外，盘装微缆在运输时应该严禁平躺放置，平躺放置的微缆如果库存较长的时间，微缆内的油膏可能溢出并且容易出现波浪形的挤压变形。
微缆出现波浪形的扭曲
油膏溢出到微缆表面
图10 不正确的运输方式和存放造成微缆变形和油膏溢出
3.5微缆外护套的耐压能力
随着微技术的日益普及，人们希望在单根微管内能有最大的容纤量，光缆厂家也在不断地将一些新型的光纤用于微缆的制造，其目的是减小微缆的尺寸。8年前，1根72芯进口的全介质微缆的直径是6mm，今天1根96芯国产的全介质微缆的直径仅有5.8mm。可以想象，当气流流动的空间增大时，气流作用在微缆表面的拖曳力也随之增加，是有利于微缆气吹的。但是当我们在减少微缆的外径尺寸时，我们同时也在减小微缆的外护套壁厚，我们是否考虑到，这种薄壁外护套是否能够承受我们气吹时的高压，目前国内气吹微缆的空气压缩机的压力一般在12-13bar，但是国外气吹微缆的空气压缩机的压力已经达到了15bar。这种高压可以很容易的使微缆的外护套破裂，导致微缆内部的油膏流出，增加微缆气吹的摩擦力。同时破裂的外护套容易使潮气进入。
图11 不能承受高压的微缆护套
4. 微管对气吹性能的影响分析：
4.1 微管的形状和尺寸
微管的内径对气吹效果的影响如同微缆的外径对气吹效果的影响，我们要求微管是圆的，微管的内径在整条微管上保持一致，内壁不能有针孔，缺陷或突出物。对于内径3.5mm以上微管内壁建议采用导气槽，对于内径在3.5mm以下的微管可以采用平滑内壁。带导气槽内壁的微管有利于微缆底部的空气流动，使气流流动产生的拖曳力可以更好地作用在微缆上（见图12气吹性能测试和图13不同微管内径的气吹长度模拟计算）。目前，微管的各种接头基本上都是插拔式的，接头通过内爪反向锁紧微管。这种接头具有体积小，能耐高压，安装方便等优点（见图14各种用途的微管接头）。但对微管的直径公差范围要求较严。因此微管外径的公差范围必须控制在±0.1，如果正公差太大，微管的接头将会很难装卸，如果负公差太小，微管接头的锁紧力将会大大降低，微管可能在气吹时脱开。
微管内没有气流的流动
微管内有气流的流动
图12 光滑内壁和带导气槽的内壁的微管在有气流流动和没有气流流动的气吹效果
微管内径8mm
微管内径14mm
图13 不同的微管内径对气吹长度的影响
堵气接头防水接头直接头变径接头堵头缆管堵头
图14各种用途的微管接头
4.2 摩擦系数
摩擦系数也是影响气吹效果的一个重要指标，在同等气吹条件下，摩擦系数越低，气吹效果就越好，而且气吹效果比较明显。有许多因素可以增加微管的摩擦系数：
微管内壁硅芯层的润滑性能不好，目前国内对管道摩擦系数的标准是0.15，但是实际的摩擦系数一般大于0.15。国外对管道摩擦系数的标准是小于等于0.1，目前我们所检测到的最好的摩擦系数是0.065。数量级的差别，直接导致气吹长度受到影响。
微管敷设之后，管道的端头没有封闭或封闭效果不好，污水进入管道，造成管道内壁的摩擦系数增加。
气吹时，压缩空气没有通过水分离装置，潮湿的空气进入管道，使管道和缆之间的摩擦阻力上升。通过测试，带有水分子的微缆进入微管之后，摩擦系数可以上升到0.05或更高。
当环境温度高于250时，没有安装冷却器，从空气压缩机内排出的高温气流可以软化微管的内壁和降低微缆的硬度。同时高温气流在低温的地下管道内流动时也会产生水滴，使缆和管之间的摩擦系数上升。
摩擦系数0.07
摩擦系数0.15
图15 不同的摩擦系数对气吹长度的影响
如果我们通过《JETPLANNER》改变图15左图的摩擦系数，将摩擦系数从0.07增加到0.15。那么气吹长度将会从1246米降低到569米（见图15右图）。在图16中，我们通过《JETPLANNER》列出了摩擦系数从0.06到0.15，气吹长度的变化。从图16中可见，摩擦系数对气吹长度的影响是非常大的。因此在实际的气吹过程中，考虑如何降低现有管道的摩擦系数是十分重要的。摩擦系数越大，气吹的距离就越短。如果要达到理想的气吹效果
1、选择低摩擦系数的管道；
2、气吹前，用海绵球清洗管道，并用润滑剂润滑管道；
3、使用波立门特公司的气吹润滑器，在气吹的过程中润滑微缆（见图17）。
图16摩擦系数和长度的关系
图17 在不同的润滑方式下的气吹长度
管道敷设的波幅和波长也是影响气吹效果的1个重要指标，管道在敷设过程中，如果出现许多弯曲，特别是微弯就非常影响微缆的气吹效果，如果微管在1个直线段内出现许多弯曲，一般有以下几种情况：
集束管或硅芯管在敷设过程中产生的，诸如沟底不平，沟内有水，易塌方地段，沼泽地，当路由的方向出现高差变化时，管道的转弯角度太小以及管道在回填土时，管道出现腾空造成转弯角度变小等原因。如果管道出现密集的微弯并且起伏的截距很短的话，微缆或微管的气吹距离将会很短，一般在200米以内。
采用高压和过大的推力敷设微管束，诸如气吹微管束时，我们一般要求控制管道内的压缩空气的压力，8bar的压力比较适合微管束的气吹，当采用10bar时，要注意控制微管气吹机的推力，过大的推力容易使微管束在硅芯管内出现螺旋圈或使微管变形。当微管出现螺旋圈时，采用贯通测试是无法检测的，最严重的螺旋圈可以使气吹长度下降到几十米内。如果微管气吹困难，那么在该段气吹微缆时同样会非常困难。
我们一般不赞成先将微管吹入硅芯管，然后卷曲上盘，最后运输到工地，再松卷放出的做法。因为微管在气吹过程中具有一定的螺旋圈，但截距较长。如果经过重新卷曲上盘，在松卷放出的话，就有可能使硅芯管内的微管收紧并紧绷在硅芯管内，造成气吹敷缆的效果不好。
管道不是从管盘上旋转放出，因此管道的扭力不能释放出来形成密集的螺旋圈（见图18）。
图18 管道不是旋转放出
以图6的左图为例，如果我们将微管的波幅/波长从50mm/6m改变到10mm/0.5m，气吹长度会有什么变化？
图19波幅和波长对气吹长度的影响
比较图6和图19可以明显的看出气吹长度出现了明显的变化，当微管的波幅/波长是50mm/6m时，见图6，气吹长度是1246米，但是当微管的波幅/波长变为10mm/0.5m时，气吹长度为204米，气吹长度下降了86%。因此在实际施工中，不管是直埋还是气吹，保证管道的顺直，没有微弯是十分重要的。
5. 设备：
5.1空气压缩机
对于空气压缩机，我们一般只关注2个指标，1个是输出压力，另1个是输出排量。在气吹时，压力和排量都必须达到管道的要求。不同直径的管道，对排量的需求是不一样的，如果空气压缩机的排量达不到管道的要求，即使该空气压缩机的压力很高，但是当压缩空气进入管道后，由于气分子在管道内的密度不够，压力也就达不到设计的要求。因此大排量的空气压缩机可以覆盖小尺寸的管道，但是小排量的空气压缩机是不能用于大尺寸的管道的。目前在40/33mm的硅芯管内气吹光缆和微管束的空气压缩机，其排量一般是10-12m3/min，压力一般是12-13.8bar。由于气吹微缆的微管尺寸较小，其空气压缩机的排量一般是1m3/min，压力一般是12-15bar。如果不考虑经济效果和运输情况，我们可以将大型空气压缩机用于微缆的气吹，其结果无疑是大马拉小车。大型空气压缩机和小型空气压缩机的功率和耗油量比见表3：
表3 大型空气压缩机和小型空气压缩机的比较
5.2气吹机
波立门特的气吹长度计算软件适合波立门特的各种气吹设备，由于光缆，微管束，微缆和光纤单元对推力的要求不同，因此仅从设备的推力上考虑，气吹机又派生出了光缆气吹机，微缆气吹机和光纤单元气吹机。随着网络多元化的发展以及客户的不同需求。又在单一功能的气吹机上发展出了多功能的气吹机。如超级气吹机（SUPERJET）可以气吹光缆和微管束，微缆气吹机（MICROJET PR-196）可以气吹微缆和光纤单元。对于一些特殊的施工场景，如中石化长途干线，接入网和楼宇内敷设光纤单元，又发展出了迷你气吹机（MINIJET），小型的掌上气吹机（ULTIMAZ），自动化控制的伺服气吹机（SERVOJET）。作为气吹机的动力设计，有液压驱动，气动马达驱动和电机驱动，客户可以根据自己的使用环境来选择气吹机的动力。例如液压和气动马达的气吹机比较适合野外的施工环境，可以在极端恶劣的环境下工作，如雨雪天和泥水较多的工作坑（见图20），考虑到施工和设备的安全，波立门特公司一般不将野外施工的气吹机的动力设计为电动马达。因此波立门特带有电动马达的气吹机主要用于FTTH，如伺服气吹机（SERVOJET）和MICROJET EM-25。
在泥水里工作的光缆气吹机
在泥水里工作的微缆气吹机
图20 在有水的工作坑内工作的气吹机
对于中石化气吹2-3根微管和1根微缆的长途干线，可以选择迷你气吹机（MINIJET）和通用气吹机（COMJET），这种多功能的气吹设备可以同时完成微管和微缆的敷设。但要注意的是，从推力，体积，重量和施工环境上考虑，没有1台气吹设备是可以包罗万象的。作为驱动部分，波立门特的气吹机有带齿的和不带齿的驱动轮，皮带驱动，铝合金链条驱动和橡胶链条驱动。不同的驱动装置具有不同的用途，带齿的驱动轮具有很强的防滑能力，可以减小设备的体积，微缆可以在气吹的过程中润滑，可以用于施工条件比较苛刻的环境。橡胶驱动轮主要用于直径小于3mm，外护套很薄的FU。皮带驱动，可以满足多功能的需求。铝合金链条的高耐磨性可以保证微管束在气吹时受力均匀（见表4）。作为气吹机，其工作原理都是相同的，1个进气仓，引导来自空气压缩机的高压空气进入管道；1个具有不同驱动配置的推缆机构，将光缆，微管束，微缆和光纤单元推进管道；1个气吹速度和长度的测量装置，使操作者可以随时观察气吹长度和速度的变化。在实际的气吹施工中，气吹效果的好坏主要体现在：
管道的敷设质量，即使是1个施工队伍，由于地形，土质，责任心等原因，管道的敷设质量也有较大的不同。
设备的推力是否能满足气吹的要求，不同的缆有不同的推力要求，因此在气吹前，我们要求对缆做冲击测试，来设置气吹机的最佳推力，并防止出现推力不足或推力过大的现象。
空气压缩机输出的压力是否有较大的衰耗（公路离气吹点较远），管道或设备的进气仓是否存在漏气。
操作人员的培训是否到位，缆的径向压力和推力是否匹配，在气吹过程中是否了解气压的调节。
驱动机构是否出现打滑，因为橡胶轮或橡胶皮带在雨天施工或缆上有污渍或有水时就会造成皮带或驱动轮对缆的摩擦力下降，缆在气吹过程中就会出现打滑。
管道是否润滑，管道是否做过贯通测试等等因素都会影响到气吹距离。
因此我们在选择设备时，应该考虑到设备是否能满足当前或未来的施工需求，设备的实用性，便携性，设备的质量，厂家的服务能力以及配件的供应能力。对于多功能气吹机而言，由于配件较多，因此在采购时，为了降低设备的初期投资，可以仅考虑购买能满足当前施工需求的配件，这样1台裸机加上少量的配件可以降低设备的初期投资成本。图21例举了目前在中国市场销售的各种气吹机。
表4 气吹机驱动方式和驱动配置
图21波立门特气吹机的应用范围
6. 线路情况
施工前对气吹路由的了解是非常重要的，诸如线路上有多少坡度，有多少转弯，线路离公路的距离。只有对线路充分的了解，才能对气吹点进行正确地选择。
6.1坡度对气吹长度的影响
当光缆在气吹时处于上坡状态，这使得在这段距离的敷缆过程相对于水平管道路由而言就困难了很多。如果从几何的关系上看，斜坡上的一米距离要比水平线路上的一米距离长，那究竟长多少呢？为了确定这一距离，必须使用高度计来测量这个坡的高度。在知道坡长的距离和高度之后，就可以计算出将坡长换算成水平线路的长度。坡度越陡，换算成的水平距离就越长（关于山地气吹的详细资料请见《如何计算光缆在山区的气吹长度》）。在计算有坡度的线路时，需要了解坡度的位置和坡度。上坡和下坡对光缆气吹长度的影响见，图22。
图22 上坡和下坡对光缆气吹长度的影响
6.2线路转弯对气吹长度的影响
对于线路的弯曲，我们需要了解的是弯曲点的位置和弯曲半径，在波立门特的气吹长度模拟计算软件中，可以看出每个转弯点的具体位置，距气吹点的距离，在1个气吹段长内有多少个转弯点，转弯点的曲率半径，对气吹长度都会产生影响。转弯点靠近气吹点，或转弯点远离气吹点对气吹长度也有影响，因此正确的气吹点选择是和对线路的了解分不开的。线路上的弯曲越多，气吹效果越差，曲率半径越小，气吹效果越差，见表5线路的弯曲数量和曲率半径对气吹长度的影响。因此，在实际的施工中，如果条件许可，应该尽可能的放大管道的曲率半径。在长途干线中，硅芯管的曲率半径可以放大到管道直径的40倍，来减少光缆或微缆通过转弯点的摩擦阻力。以1根40/33mm的硅芯管而言，管道直径的40倍，其曲率半径为1.6m，近似于波立门特不带保护管的IEC标准测试场地的最大曲率半径。
表5 线路的弯曲数量和曲率半径对气吹长度的影响(%)
7. 温度和湿度对气吹效果的影响
7.1 温度
当环境温度高于250C时，我们建议采用冷却器，因为从空气压缩机内输出的温度要比环境温度高30-400C。当管道内的气流温度高于700C时，高温就会软化管道的内壁，增加管道和缆之间的摩擦系数，并且降低缆的硬度。当缆的硬度降低后，缆的推力也会随之下降，同时气吹距离也会随之变短。另外高温气流在使管道软化后，管道在高压的作用下会出现膨胀，然后破裂（见图23），造成气吹敷缆的失败。
高温下破损的硅芯管
高温下破损的微管
图23高温下破损的管道
表6 温度对微缆硬度和推力的影响
在波立门特IEC标准的微缆气吹性能测试场地，我们分别对96芯和144芯的微缆在2月和5月做了同样的气吹性能测试。从测试的过程中，我们可以发现由于环境温度的上升，微缆的硬度出现了下降，同时通过冲击测试，推力也出现了明显地降低，见表6。
7.2 管道内有水
如果管道内有水，就会增加缆和管之间的摩擦阻力，因为水分子会增加摩擦系数。对于光纤单元来说，水分子还会产生静电电荷，形成光纤单元前进的阻力。经过摩擦系数的测试，我们发现如果微缆的表面有水渍，微缆和微管之间的摩擦系数可以增加0.05或更高。另外如果管道内的水分较多，这些水就会集中到管道的低洼之处，对流动的气流产生气阻。那么管道内的水是怎样产生的？
高温气流进入管道后，和冷的地下管道接触，会产生水滴。
如果环境湿度较大，从空气压缩机内输出的气流也会携带大量的水分进入管道。因此我们建议在空气压缩机后和气吹机前加装水分离器，可以有效地将高压空气中的水分排出，另外经过冷却器的高压空气可以大大降低输出温度，使其输出的温度最大不大于环境温度的100C。
管道敷设后，管道的端头没有封堵或者封堵不好。
管道接头质量不好或管道没有接好。
如果管道在气吹前有水，可以通过重复气吹海绵球清洗管道并将管道内的水全部排出。但是如果是在气吹过程中产生的水，这种水的排出就比较麻烦。
7.3 软件的模拟计算
为了检验实际的气吹性能测试，我们用《JETPLANNER》气吹长度计算软件对144芯的气吹数据进行了模拟气吹长度计算，计算结果和气吹效果相差不大。实际微缆气吹长度950米(见图24左图)，最终速度15m/min并保持了2分钟。《JETPLANNER》根据实际气吹的数据，对该次测试做了模拟气吹长度计算，其结果是气吹长度1079米(见图24右图）。如果我们预期的气吹长度是1500米，那么在现有的气吹参数下是不能达到的。但是通过改变一些参数是可以实现的。例如：
采用润滑器来降低摩擦系数（见图25），实现微缆在气吹过程中的润滑，专用微缆气吹润滑剂MJL240P的摩擦系数可以达到0.06。通过气吹长度的模拟计算软件可知，当实际的摩擦系数从0.098降低到0.07，气吹长度可以达到1539米。
减少线路的转弯数量，将原来的20个1800转弯减少到10个，气吹长度可以增加到1583米（见图26）。
增加气吹压力，从10.5bar增加到15bar，目前M17小型空气压缩机的压力是15bar。同时减低微管内壁的摩擦系数到0.07，气吹长度可以达到1712米的见表7。
图24 实际气吹长度和软件模拟计算气吹长度的比较
图25 摩擦系数0.07时的模拟气吹长度
图26 减少转弯数量时的模拟气吹长度
表7通过改变气吹参数来改变气吹长度
8. 结束语
目前气吹微缆在中国还没有规模化的使用，我希望这篇文章能帮助我们提高产品的气吹性能，了解影响气吹性能的各种因素，使光缆的敷设能够成为一门真正的艺术。
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