光纖的機械可靠性及壽命評估

陳黎明，劉 騁，侯繼勇2，馮學斌2

（1.武漢郵電科學研究院，武漢 430074； 2.中國電力科學研究院，北京 100000）

光纖的機械可靠性及壽命評估

陳黎明1，劉 騁1，侯繼勇2，馮學斌2

（1.武漢郵電科學研究院，武漢 430074； 2.中國電力科學研究院，北京 100000）

為了探究延長光纖機械壽命的關鍵技術，研究了光纖機械可靠性及壽命評估模型。影響光纖機械壽命的主要因素是光纖裂紋生成和光纖裂紋在應力腐蝕下不斷生長。根據光纖機械強度計算公式以及光纖疲勞試驗的威布爾分布特性，建立光纖篩選實驗壽命評估模型。運用該壽命評估模型對OPGW（光纖復合架空地線）線路壽命進行模擬計算和評估，探究了延長OPGW線路壽命的關鍵技術。結果表明，提高光纖疲勞參數和降低光纖使用時的應力水平，均可顯著提高光纖壽命。

裂紋；應力腐蝕；機械壽命

0　引 言

目前，部分老通信光纜線路已到達或超過預期使用壽命，老線路的延壽或更替已逐漸成為國內外用戶關注的熱點問題。影響光纖機械壽命的主要因素為光纖可靠性，但目前國內已有的研究多是對退役或故障替換下來的光纜樣本中的光纖進行測試分析，對于光纖可靠性的研究很少。因此，有必要對光纖機械可靠性及壽命的評估方法進行研究，從而了解影響光纖壽命的主要因素和提高光纖可靠性的關鍵技術。

為了探究延長光纖機械壽命的關鍵技術，本文研究了光纖機械可靠性及壽命評估。通過分析光纖裂紋的起源和光纖的應力腐蝕，探究了光纖疲勞斷裂機理；通過統計光纖篩選實驗中的失效概率和光纖疲勞實驗的威布爾分布特性，建立了光纖篩選實驗壽命評估模型。結合OPGW（光纖復合架空地線）線路長期承受拉伸的特點，運用該模型對OPGW線路壽命進行了模擬計算和評估。

1　光纖疲勞斷裂機理

光纖疲勞斷裂是指光纖會在較大的外力下瞬間斷裂，也會在較小的外力作用下（如靜態拉伸、靜態彎曲等）累計到一定時間而發生斷裂。光纖的疲勞斷裂是由于光纖裂紋在外加應力條件下，隨著時間的推移不斷擴展直至斷裂。裂紋生長的速度與外加應力、裂紋尺寸和環境的溫濕度等有關。光纖的疲勞斷裂與應力水平和時間具有相關性［1］。

1.1光纖裂紋的起源

光纖裂紋生成的原因主要是：

（1）光纖的纖芯是SiO2（二氧化硅），其晶體微觀結構存在缺陷，受到外力時，在缺陷處產生應力集中，導致裂紋成核。

（2）光纖表面的機械損傷與化學侵蝕形成表面裂紋。

（3）熱應力形成的裂紋，如：光纖熔融拉絲時，快速冷卻，光纖內部和表面的溫度差產生熱應力，導致裂紋生成。

總之，光纖裂紋的成因很多，要制造沒有裂紋的光纖是極其困難的［2］。

1.2光纖的應力腐蝕

光纖芯層和包層的基本組份為SiO2，在一定的環境溫度和應力作用下，光纖中裂紋尖端處發生亞臨界裂紋生長。如果環境中含水或水蒸氣，水氣透過光纖涂層滲入光纖芯層與SiO2發生化學反應，將導致芯層表面裂紋的快速生長，直至斷裂［3］。對此現象更進一步的解釋如下：

（1）當光纖受力時，裂紋處有較大的擴展動力，光纖表面吸附了活性物質（如H2O、HO-、極性液體和氣體），其自由表面能降低，導致裂紋加深，形成新的開裂表面，而新的開裂表面由于暫時沒有被活性物質腐蝕，其表面能大于裂紋擴展動力，裂紋暫停生長，但隨著下一個腐蝕過程而循環，從而形成了宏觀上的裂紋生長。

（2）裂紋尺寸增加，應力強度因子K隨之增大，當達到臨界應力強度因子KIC時，發生快速擴展，光纖隨之斷裂。

（3）裂紋擴展速率與K具有相關性，如圖1所示。通常把裂紋擴展速率分成3個區域：I區，K與裂紋擴展速率成線性，曲線斜率為光纖的疲勞參數n，n越大，光纖的靜態疲勞過程越緩慢，光纖壽命越長；Ⅱ區，裂紋擴展速率恒定，這與光纖所處環境有關，與K無關；Ⅲ區，裂紋擴展速率依賴于K，而與環境無關。一根光纖的使用壽命，幾乎完全由I區來決定［4］。

圖1　光纖的靜態疲勞過程

光纖的裂紋端形成應力集中區，該區域最容易引起光纖斷裂，通常用應力強度系數KI來表示應力集中程度（單位：MPa·m1/2或MN·m-3/2，），即

式中，σ為外加應力；Y為裂紋幾何形狀參數；α為缺陷深度，即垂直于施加應力方向的缺陷尺寸。

2　光纖的壽命

2.1光纖的機械強度

如前所述，應力腐蝕以及零應力老化的持續作用，使得裂紋尺寸不斷增大，假定初始狀態的光纖強度為S（0），經過時間t之后強度為S（t），可由下式計算得到：

式中，B為裂紋強度保留參數，與材料、裂紋幾何形狀因子和斷裂臨界值有關，B值的測量較困難，大概的數值范圍在～1 GPa2s之間［5］。

2.2光纖機械壽命評估

目前，研究光纖機械壽命的模型和方法有3種：靜態疲勞實驗、動態疲勞實驗和篩選實驗。通常采用動態疲勞實驗模型和篩選實驗模型預期光纖的壽命，本文將采用篩選實驗模型預期光纖壽命。篩選實驗模型預期光纖壽命主要根據篩選斷裂點的頻次、長度和使用應力的斷裂概率［6］來進行。

在篩選實驗中，逐漸線性地把應力加到光纖上，加荷應力σ（t）的典型值為不大于篩選應力σp的10%。經過篩選應力區后，再逐漸從滿負荷值線性地下降到收線區的低值，一般也不大于σp的10%。施加應力與作用時間的函數關系如圖2所示［7］，一般要求保持時間td≥1 s，卸荷時間tu≤0.1 s。

圖2　施加應力與作用時間的關系

由式（2）可得，篩選實驗后的強度為

式中，tp為篩選時間。用N（S）表示惰性強度≤S的單位光纖表面積上的累積裂紋數，P（S，L）表示光纖長度為L、惰性強度為S的累積幸存率，在零強度無裂紋的邊界條件時威布爾幸存率P（S，L）為

式中，H為比例常數，并且一般要求光纖樣品長度不少于1 km。通常發現

式中，m為惰性環境中的威布爾參數。

結合式（4）和（5），可得幸存率為

式中，L0為光纖標樣長度；S0對應于e-1或36.8%幸存率時的強度。

一般光纖惰性強度S遠大于最小強度Smin，所以可以認為S=S-Smin，對式（6）求導可得：

將式（3）代入式（7）中，分子分母同時乘Bnm-2，并令，代入β值和C值可得：

對式（2）進行積分可得：

實際情況中，B值一般滿足B?σat2f，因此B值可以忽略。C值通常也很小，約在0～0.1之間，并且與篩選實驗卸荷時間tu成反比，所以在實際的篩選試驗中，C值也非常小。在壽命估算中，最嚴格的條件是C=0。從而光纖壽命公式可以簡化為

實際工程中，β值很難測量，因此這里引入復繞篩選時每公里斷裂次數Np。如果篩選后施加應變εp時光纖的斷裂概率F＜10-3，則可以認為F≈ln（1/P），并結合式（7）可得：

將式（3）代入，并忽略C值可得：

將式（13）代入式（11）中，并用篩選應變εp來表示篩選應力σp，用施加應變εa來表示施加應力σa，可得光纖壽命計算模型為

在進行壽命估算時，所用參數值要精確測定，其中疲勞因子n值是壽命估算中最敏感的一個參數［8］。

3　OPGW線路壽命估算

OPGW線路通常采用架空敷設，光纜鏈路受長期的拉伸應力，可以應用以上壽命模型進行推算。假定OPGW通信線路長度為100 km，光纖出廠的張力篩選為100 kpi（1%應變），通信線路設計的斷纖故障概率為1×10-6，以下分兩種情況進行估算：

（1）對于早期制造的光纖，其n值通常為18，光纖出廠篩選的斷纖概率Np為0.01，光纜在不同的應力水平下對應的光纖壽命tf如表1所示。

表1　早期光纖制作的光纜在不同的應力水平下對應的光纖壽命

（2）對于目前的商用單模光纖，光纖出廠篩選的斷纖概率Np為0.005，OPGW光纜長期應力水平為20 kpi（0.2%應變），不同n值對應的光纖壽命tf如表2所示。

表2　近期光纖制作的光纜在不同的應力水平下對應的光纖壽命

由上可見，提高光纖的疲勞參數和降低光纖使用時的應力水平，都可以顯著提高光纖的使用壽命［3］。提高光纖的疲勞參數可以通過改進光纖制造技術和涂層技術來實現，降低光纖使用時的應力水平可以通過OPGW光纜的結構設計、制造技術及光纜施工等方法來實現，在此不再展開討論。

4　結束語

本文研究了光纖機械可靠性及壽命評估，文中的光纖壽命模型是基于恒應力下的惰性環境，而在真實的自然環境中，溫度、潮氣、酸堿度和交變應力等影響因素要復雜得多。因此，光纖可靠性還需要廣大研究機構、制造商等進行更多、更深入的研究，其研究成果將為電信運營商及其他通信網客戶的網絡規劃、建設及更替決策提供重要的數據支持，進而產生良好的經濟和社會價值。

［1］ 陳炳炎.光纖光纜的設計和制造［M］.第二版.浙江：浙江大學出版社，2003：263-290.

［2］ 竺逸年.受應力光纖壽命計論和方法［J］.光纖與電纜及其應用技術，1992，（4）：17-19，55.

［3］ 王德榮.進一步提高光纖質量的幾個技術問題［J］.光纖與電纜及其應用技術，2005，（4）：23-27.

［4］ 王寶珠，鄧宏林，李小瑞，等.制導光纖中光纖壽命預期［J］.應用光學，2005，（6）：41-45.

［5］ 劉澤恒.光纖的篩選實驗和壽命估算［J］.光通信研究，1993，（4）：33-38.

［6］ 王偉斌，王慧芳，鄭慶利，等.光纖余長與光纜壽命相關性的剖析［J］.電線電纜，1997，（2）：2-7.

［7］ 韓志輝，趙金岐，沙洪濤.影響光纖壽命因素的探討［J］.光纖與電纜及其應用技術，2011，（2）：7-9.

［8］ IEC TR 62048-2014，Optical Fibers-Reliability-Power law theory［S］.

Mechanical Reliability and Life Evaluation of Optical Fiber

CHEN Li-ming1，LIU Cheng1，HOU Ji-yong2，FENG Xue-bin2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100000，China）

In order to explore the key technology to extend the life of fiber mechanical，we study the optical fiber mechanical reliability and life evaluation model.The main factors affecting the mechanical life of the fiber is the crack generated under the stress corrosion and the continuous grow of the crack.According to the Weibull distribution characteristics of the fiber mechanical strength calculations and fatigue test，we establish life assessment model for optical fiber screening experiments.The use of life assessment model for OPGW line life are simulated and evaluated to extend the life of OPGW line of key technologies. The results show that the life expectancy can be improved by increasing fiber fatigue parameters and reduce the stress level.

Crack；Stress Corrosion；Mechanism life

TN818

A

1005-8788（2016）04-0022-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.007

2016-05-14

國家電網公司科技項目（XXB17201500121）

陳黎明（1983-），男，湖北武漢人。工程師，工程碩士，主要從事光纖、光纜設計制造方面的研究。