光纜老化現(xiàn)狀研究及壽命探討

　　2010年至今，烽火通信科技股份有限公司有幸收集到一些在通信傳輸線路上使用10-25年的光纜樣本，本文著重介紹了該光纜的老化情況和樣本測試分析方法，并對(duì)光纜在長期使用后出現(xiàn)的劣化現(xiàn)象和原因進(jìn)行了分析。

　　以光纖為傳輸元件的光纜，由于實(shí)現(xiàn)了傳輸信息容量大、保密性好、重量輕體積小、無中繼段距離長等，在眾多高技術(shù)的需求拉動(dòng)下，已經(jīng)成為遍及通訊、交通、工業(yè)、醫(yī)療、教育、航空航天和計(jì)算機(jī)等行業(yè)的重要傳輸媒質(zhì)，并正在向更廣更深的層次發(fā)展。光纖光纜行業(yè)歷經(jīng)三十多年的發(fā)展，按照當(dāng)初25-30年的使用壽命設(shè)計(jì)，不久的將來光纜將進(jìn)入一個(gè)更新?lián)Q代的高峰時(shí)期。因此，光纜長期使用的穩(wěn)定性和壽命的研究對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要的意義。

　　光纜壽命取決于光纜內(nèi)部質(zhì)量(取決于光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光纜制造工藝和光纜原材料質(zhì)量)和光纜使用期的外部環(huán)境(濕度、溫度、外部應(yīng)力、地質(zhì)災(zāi)害等)，本文介紹了影響光纜壽命的諸多因素，對(duì)不同廠家、不同時(shí)期、不同型號(hào)的光纜對(duì)比分析，以光纖為中心，采取由內(nèi)到外的方式，重點(diǎn)研究了光纜在網(wǎng)運(yùn)行10-25年后的內(nèi)部質(zhì)量及可能的影響因素。

　　1. 光纜樣品信息

　　根據(jù)應(yīng)用需求不同，光纜結(jié)構(gòu)有很大的差別。本文重點(diǎn)研究在網(wǎng)運(yùn)行10-25年的層絞式室外光纜。光纜樣品長度均為200m左右，外觀基本完整，具體光纜結(jié)構(gòu)及信息如表1所示。

　　2.光纖機(jī)械物理性能測試分析

　　光纖是光纜的核心材料，其壽命長短直接決定光纜的壽命。以下為光纜中光纖理論壽命預(yù)測公式:

　　式中，ts為光纖預(yù)期壽命時(shí)間(秒);tp為光纖復(fù)繞篩選時(shí)施力時(shí)間，一般為1秒;FS為光纖斷裂概率;Np為光纖復(fù)繞篩選時(shí)每公里斷裂次數(shù)(1/km);L為所考慮光纜線路中光纖總長;εp為光纖復(fù)繞篩選應(yīng)變;εs為光纖服務(wù)期間所受應(yīng)變;m為光纖韋伯爾分布曲線斜率;n為光纖靜態(tài)疲勞參數(shù)。

　　對(duì)A、B、C、D光纜不同顏色的光纖進(jìn)行拉斷力測試(如表2所示)，結(jié)果表明光纖拉斷力與目前的光纖無明顯差別，初步表明樣品光纜中光纖不存在明顯裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。將光纖涂層及纖芯表面進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析(如圖1和圖2所示)后發(fā)現(xiàn)光纖涂層及纖芯表面均較為光滑，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。

　　由于光纖表面存在微裂紋，大氣環(huán)境中的水汽很容易侵蝕光纖，導(dǎo)致光纖自身的抗疲勞參數(shù)大大下降，因此制造光纖時(shí)應(yīng)設(shè)法將石英與大氣隔離，并對(duì)光纖表面采用密封被覆技術(shù)，以提高光纖靜態(tài)疲勞參數(shù)n，從而提高光纖的壽命。表3是光纖涂層剝離性測試結(jié)果，表明光纖在網(wǎng)運(yùn)行10-25年后，所研究光纜樣本涂層剝離力仍符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，沒有發(fā)現(xiàn)涂層老化現(xiàn)象。

　　光纜樣品中光纖為G.652光纖，光纖的幾何尺寸(包層直徑，包層不圓度和芯包同心度誤差，1310nm模場直徑等)和光學(xué)性能(宏彎損耗、截止波長)均符合當(dāng)時(shí)光纖出廠要求，沒有出現(xiàn)明顯的劣化現(xiàn)象。

　　由于光纜樣品長度有限，無法對(duì)光纖衰減進(jìn)行測試，現(xiàn)有數(shù)據(jù)所表征出的光纖衰減趨勢(shì)也不明顯，因此光纜的傳輸性能老化情況有待進(jìn)一步研究。

　　3.光纜用其他原材料的洲試分析

　　光纜用原材料除了光纖外，還包括纖膏、松套管用PBT、加強(qiáng)件(如鋼絲、FRP等)、阻水帶、光纜油膏、鋼/鋁塑復(fù)合帶、護(hù)套料等等。本文重點(diǎn)介紹在網(wǎng)運(yùn)行10-25年的光纜中光纖油膏、鋼/鋁塑復(fù)合帶及護(hù)套料的老化現(xiàn)象及可能的影響因素。

　　1)纖膏

　　松套管中的光纖填充復(fù)合物，俗稱纖膏。在光纜中，除光纖以外的結(jié)構(gòu)材料中，對(duì)成纜光纖性能影響最大就是纖膏。纖膏對(duì)松套管中光纖有兩方面的保護(hù)作用：1)防止空氣中的潮氣侵蝕光纖;2)對(duì)光纖起襯墊作用，緩沖光纖受振動(dòng)、沖擊、彎曲等機(jī)械力的影響。

　　纖膏的一個(gè)基本物理性能要求是不應(yīng)出現(xiàn)油分離和脫水收縮，亦即纖膏在使用溫度范圍內(nèi)和壽命期中應(yīng)保持均勻分散體的能力。如表4及圖3所示A、B、C光纜使用二十多年后，出現(xiàn)油分離及脫水收縮，纖膏中基礎(chǔ)油滲出，固液分相，光纜兩端套管纖膏稀少甚至干涸，油膏出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象，這將導(dǎo)致光纖松套管中有的地方?jīng)]有油膏，有的地方則油裔結(jié)塊，松套管中的光纖在溫度變化和應(yīng)力下可能導(dǎo)致光纖微彎損耗。

　　防止纖膏油分離和脫水收縮，關(guān)鍵在于膠凝劑選用和配制，其在基礎(chǔ)油中必須能長期保持其完全分散狀態(tài)。應(yīng)正確選用和配制膠凝劑，使基礎(chǔ)油分子均勻而穩(wěn)定地混合溶解在膠凝劑分子鏈構(gòu)成的網(wǎng)架之中，形成一種穩(wěn)定的多相分散體。

　　纖膏的氧化誘導(dǎo)期的測量實(shí)際上是一種加速老化試驗(yàn)。根據(jù)纖膏在高溫下(190±0.5℃)測得的氧化誘導(dǎo)時(shí)間(OIT)可推算其在常溫下的使用壽命。按照Bellcore文件GR-20-CORE 1988年版"Generic Requirements for Optical Fiber and Optical Fiber Cable"及《YD-T839.3-2000通信電纜光纜用填充和涂覆復(fù)合物 第3部分冷應(yīng)用型填充復(fù)合物》，纖膏的氧化誘導(dǎo)期應(yīng)不小于20min， 才能保證在常溫下的正常使用壽命。加入適量的抗氧劑不僅大大增加氧化誘導(dǎo)期，也大大減小了析氫值，減少了由氫氣造成的光纖損耗。由表4可知，除了光纜B以外，A、C和D光纜中纖膏氧化誘導(dǎo)期均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20min，說明當(dāng)時(shí)纖膏有很大的設(shè)計(jì)余量。

　　2)鋼/鋁塑復(fù)合帶

　　金屬塑料復(fù)合帶作為光纜保護(hù)層其性能對(duì)光纜的使用壽命有著直接的影響因而對(duì)金屬塑料復(fù)合帶的各項(xiàng)性能提出很高的要求。采用鍍鉻鋼帶生產(chǎn)的金屬塑料復(fù)合帶的機(jī)械性能、抗腐蝕性能、黏結(jié)性能等各項(xiàng)性能指標(biāo)都比較好，能保證光纜長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

　　分別對(duì)A、B、C、D光纜金屬塑料復(fù)合帶進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)光纜D的鋼塑復(fù)合帶有嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象，如圖4所示，表明有日H2O(氣態(tài)或液態(tài))進(jìn)入光纜，引起鋼塑復(fù)合帶銹蝕。鋼塑復(fù)合帶銹蝕進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生電化析氫，引起光纖損耗增加，影響光纖長期傳輸性能的穩(wěn)定性。同時(shí)，鋼塑復(fù)合帶的銹蝕表明光纜滲水保護(hù)被破壞。光纜滲水保護(hù)主要分為兩部分: 1)橫向滲水保護(hù)。在潮濕的環(huán)境中，光纜外的潮氣或水分會(huì)穿過護(hù)套向光纜內(nèi)滲透和遷移。通常采用縱包鋁帶或鋼帶結(jié)構(gòu)等方法，防止橫向滲水。2)縱向滲水保護(hù)。由于光纜保護(hù)層的局部破損或光纜連接處的意外滲水等原因，水分侵入光纜會(huì)沿著縱向滲透。通常采用填充光纜油膏等方法，防止縱向滲水圈。選取D光纜不同段進(jìn)行縱向滲水試驗(yàn)，超過168h未滲水。檢查光纜護(hù)套完整情況，發(fā)現(xiàn)所測光纜護(hù)套無嚴(yán)重?fù)p傷。推測鋼塑復(fù)合帶銹蝕的主要原因?yàn)?1)潮濕環(huán)境中光纜外潮氣或水分穿過護(hù)套向光纜內(nèi)滲透和遷移;2)光纜兩端接頭密封不嚴(yán)，或其他段護(hù)套破損，水沿著鋼塑復(fù)合帶搭接縫緩慢縱向流動(dòng)，造成銹蝕。

　　3)外護(hù)套

　　光纜護(hù)套作為光纜抵御外界環(huán)境侵蝕和破壞的第一道防線，其性能優(yōu)劣是關(guān)系光纜使用壽命長短以及在使用壽命期限內(nèi)傳輸性能穩(wěn)定可靠的重要因素之一。

　　光纜護(hù)套材料在使用過程中性能的變化(老化)主要是由熱氧化、紫外線照射和外力作用等引起的，常采用加速老化試驗(yàn)測定聚合物的氧化誘導(dǎo)期來評(píng)價(jià)光纜護(hù)套材料的穩(wěn)定性。同時(shí)，光纜護(hù)套長期在敷設(shè)環(huán)境中暴露，其力學(xué)性能會(huì)逐漸下降?？箯垙?qiáng)度和斷裂伸長率是護(hù)套料機(jī)械性能的表征，該數(shù)值越低，越容易在外力條件下破壞，因此，抗張強(qiáng)度、斷裂伸長率也是表征光纜護(hù)套穩(wěn)定性的指標(biāo)之一。

　　A、B、C、D光纜護(hù)套性能測試結(jié)果如表5所示?？梢姡珹、B、C、D光纜樣品護(hù)套材料均超過了HDPE(高密度聚乙烯)護(hù)套成品出廠的技術(shù)要求，說明光纜雖經(jīng)過10-25年的使用，護(hù)套的性能依然完好，并能繼續(xù)長期使用。

　　4.總結(jié)

　　本文對(duì)在網(wǎng)運(yùn)行10-25年的光纜現(xiàn)狀進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了分析思路和測試方法，研究表明:除光纖衰減性能外，光纜樣品中光纖機(jī)械物理性能良好，仍符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求;部分光纜樣品套管中纖膏稀少甚至干涸，油膏出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象，在溫度變化和應(yīng)力下可能導(dǎo)致光纖微彎損耗;鋼塑復(fù)合帶出現(xiàn)部分銹蝕現(xiàn)象，可能會(huì)引起光纖損耗增加，影響光纖長期傳輸性能的穩(wěn)定性;光纜護(hù)套的性能依然完好，并能繼續(xù)長期使用。

　　本文對(duì)光纜老化現(xiàn)狀的研究及對(duì)壽命的探討，有助于運(yùn)營商和光纜制造商了解長期使用的光纜出現(xiàn)老化情況，以便確認(rèn)光纜的使用壽命和改進(jìn)現(xiàn)在光纜產(chǎn)品的質(zhì)量;同時(shí)有助于分析光纜敷設(shè)中存在的問題，為光纜的施工、維護(hù)提供參考，對(duì)通信建設(shè)一定的指導(dǎo)意義。胡古月、陳黎明、宋文川(烽火通信科技股份有限公司)《現(xiàn)代傳輸》