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，并對光纜在長期使用后出現(xiàn)的劣化現(xiàn)象和原因進行了分析。

　　以光纖為傳輸元件的光纜，由于實現(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、航空航天和計算機等行業(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，按照當初25-30年的使用壽命設(shè)計，不久的將來光纜將進入一個更新?lián)Q代的高峰時期。因此，光纜長期使用的穩(wěn)定性和壽命的研究對通信網(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、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，對不同廠家、不同時期、不同型號的光纜對比分析，以光纖為中心，采取由內(nèi)到外的方式，重點研究了光纜在網(wǎng)運行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。本文重點研究在網(wǎng)運行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)期壽命時間(秒);tp為光纖復繞篩選時施力時間，一般為1秒;FS為光纖斷裂概率;Np為光纖復繞篩選時每公里斷裂次數(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A、B、C、D光纜不同顏色的光纖進行拉斷力測試(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展現(xiàn)象。將光纖涂層及纖芯表面進行掃描電鏡(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，導致光纖自身的抗疲勞參數(shù)大大下降，因此制造光纖時應(yīng)設(shè)法將石英與大氣隔離，并對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)運行10-25年后，所研究光纜樣本涂層剝離力仍符合現(xiàn)行標準要求，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)和光學性能(宏彎損耗、截止波長)均符合當時光纖出廠要求，沒有出現(xiàn)明顯的劣化現(xiàn)象。

　　由于光纜樣品長度有限，無法對光纖衰減進行測試，現(xiàn)有數(shù)據(jù)所表征出的光纖衰減趨勢也不明顯，因此光纜的傳輸性能老化情況有待進一步研究。

　　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、加強件(如鋼絲、FRP等)、阻水帶、光纜油膏、鋼/鋁塑復合帶、護套料等等。本文重點介紹在網(wǎng)運行10-25年的光纜中光纖油膏、鋼/鋁塑復合帶及護套料的老化現(xiàn)象及可能的影響因素。

　　1)纖膏

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

　　纖膏的一個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。

　　纖膏的氧化誘導期的測量實際上是一種加速老化試驗。根據(jù)纖膏在高溫下(190±0.5℃)測得的氧化誘導時間(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合物 第3部分冷應(yīng)用型填充復合物》，纖膏的氧化誘導期應(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期均遠遠大于20min，說明當時纖膏有很大的設(shè)計余量。

　　2)鋼/鋁塑復合帶

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

　　分別對A、B、C、D光纜金屬塑料復合帶進行觀察，發(fā)現(xiàn)光纜D的鋼塑復合帶有嚴重銹蝕現(xiàn)象，如圖4所示，表明有日H2O(氣態(tài)或液態(tài))進入光纜，引起鋼塑復合帶銹蝕。鋼塑復合帶銹蝕進而會產(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，鋼塑復合帶的銹蝕表明光纜滲水保護被破壞。光纜滲水保護主要分為兩部分: 1)橫向滲水保護。在潮濕的環(huán)境中，光纜外的潮氣或水分會穿過護套向光纜內(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。由于光纜保護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光纜不同段進行縱向滲水試驗，超過168h未滲水。檢查光纜護套完整情況，發(fā)現(xiàn)所測光纜護套無嚴重損傷。推測鋼塑復合帶銹蝕的主要原因為:1)潮濕環(huán)境中光纜外潮氣或水分穿過護套向光纜內(nèi)滲透和遷移;2)光纜兩端接頭密封不嚴，或其他段護套破損，水沿著鋼塑復合帶搭接縫緩慢縱向流動，造成銹蝕。

　　3)外護套

　　光纜護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測定聚合物的氧化誘導期來評價光纜護套材料的穩(wěn)定性。同時，光纜護套長期在敷設(shè)環(huán)境中暴露，其力學性能會逐漸下降。抗張強度和斷裂伸長率是護套料機械性能的表征，該數(shù)值越低，越容易在外力條件下破壞，因此，抗張強度、斷裂伸長率也是表征光纜護套穩(wěn)定性的指標之一。

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

　　4.總結(jié)

　　本文對在網(wǎng)運行10-25年的光纜現(xiàn)狀進行分析，詳細介紹了分析思路和測試方法，研究表明:除光纖衰減性能外，光纜樣品中光纖機械物理性能良好，仍符合現(xiàn)行標準要求;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)力下可能導致光纖微彎損耗;鋼塑復合帶出現(xiàn)部分銹蝕現(xiàn)象，可能會引起光纖損耗增加，影響光纖長期傳輸性能的穩(wěn)定性;光纜護套的性能依然完好，并能繼續(xù)長期使用。

　　本文對光纜老化現(xiàn)狀的研究及對壽命的探討，有助于運營商和光纜制造商了解長期使用的光纜出現(xiàn)老化情況，以便確認光纜的使用壽命和改進現(xiàn)在光纜產(chǎn)品的質(zhì)量;同時有助于分析光纜敷設(shè)中存在的問題，為光纜的施工、維護提供參考，對通信建設(shè)一定的指導意義。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》