浅谈光缆寿命的影响因素[2]

浅谈光缆寿命的影响因素[2]
浅谈影响光缆寿命的因素
刘培阎浩祁林
（光纤光缆制备技术国家重点实验室，湖北武汉，430073）
（长飞光纤光缆有限公司，湖北武汉，430073）
摘要：光缆寿命的长短由很多方面所决定，是各种因素综合作用的结果。

本文重点分析了
光缆的材料与结构、光缆铺设的自然环境、施工维护方式等方面对光缆寿命的影响。

关键词：光缆寿命、材料、结构、自然环境、施工维护
0 前言
光纤通信由于具有损耗低、带宽大、保密性能好等优点，已经成为当前通信的主体形式之一。

光缆作为光纤通信的主要传输媒质，在保证光纤通信方面起到十分重要的作用。

目前距我国第一批铺设的光缆已有近25年的时间，接近或基本达到光缆维护规范中的使用寿命，因而研究光缆使用寿命的影响因素，设法延长光缆的寿命具有重大现实意义。

YD/T 769-2003中规定：光缆的寿命应不小于25年。

影响光缆长期使用的因素可以分为内部因素和外部因素。

光缆自身的结构、光缆材料的长期
质量特性是影响光缆老化的主要内部因素，这些主要通过光缆机械特性和温度特性的改变体现出来。

光缆的外部因素是指光缆使用的自然环境和维护状况，外部环境对光缆质量的影响是长期且动态变化的积累过程，最终以光缆使用状态的改变体现出来，如衰耗增大、断纤等。

它主要体现在自然环境和施工维护两方面:自然因素可大致分成敷设方式（直埋、架空、管道）、防潮防水、温差变化、环境（土壤、水）腐蚀性、虫蚁鼠害、雷击灾害等；从维护角度看，影响光缆质量的主要因素为外力损伤、接头质量等。

此外，日常维护组织、线路巡查、外力施工盯防等工作也是保证光缆质量的重要措施。

1. 光缆材料对光缆寿命的影响
1.1 光纤质量对光缆寿命的影响
光纤是光缆的核心材料，其寿命长短将直接决定光缆的寿命。

保证优质稳定的光纤是确保光
缆寿命的必要条件。

光纤寿命主要是由光纤在其服务期间所受到的应力(应变)决定的。

光缆中光纤寿命可由下式计算:
()n a p m n p p a LN F t t ???? ?????
---?=-σσ11ln 12
式中, a t 为光纤服务的寿命；p t 为光纤复绕筛选时所施力时间(秒)；a σ为光纤服务期间所受应力；p σ为光纤复绕筛选应力； Np 为光纤复绕筛选时每公里断裂次数；L 为计算寿命时光纤的总长度；F 为光纤断裂概率;n 为光纤静态疲劳参数；m 为光纤韦伯尔分布曲线斜率。

长飞公司用PCVD 法生产世界公认的一流光纤，传输特性好，几何精度高，并有足够的抗拉强度。

经过100%张力筛选后的光纤中有95%光纤实际拉断强度超过36N ，90%的光纤实际拉断强度超过45N 。

长飞光纤寿命预期实验参数如下表：
因此，通过以上公式模拟计算，长飞光纤的理论使用寿命为45年。

1.2 光缆制造材料的质量对寿命的影响对于制造光缆的每一种原材料，本身必须有30年以上的寿命，必须有稳定的物理性能和化学性能。

有些材料是光缆专用的，如：PBTP 、纤膏、缆膏、钢带、铝带等。

首先，从机械性能上来讲，加强芯的使用要能够满足光缆设计的要求，避免光缆在施工和长期的使用过程中，光纤受到应力作用而导致衰耗的增加；另外加强芯一定不能使用镀锌钢丝，镀锌钢丝电化学反应会析出氢气，会造成光纤的氢损，因此现在光缆除铠装钢丝外，加强芯均用磷化钢丝，不锈钢丝或FRP 。

其次，光缆油膏、纤膏、PBT 、PE 除了要满足本身的阻水或机械性能外，还要特别关注其热氧老化析氢的问题。

PE 料在光缆外层，产生的氢容易扩散到空气中，不容易入侵光纤，所以要特别注意纤膏，缆膏以及PBT 料的析氢量，我们需将材料析氢量控制在﹤0.1uL/g 的
水平，对于有LAP 和PSP 的光缆，由于有金属屏蔽层，氢压更容易保持，所以更要注意氢的影响。

光缆材料的老化，也是影响光缆寿命的很大因素。

光缆各部分中最易发生老化的部分为护套料，护套料直接暴露于各种自然环境中，各种老化（如：热老化、光老化和辐射老化等）会造成光缆机械性能发生巨大变化。

光缆护套老化的主要表现在光缆脆化、开裂、护套料断裂伸长率降低等。

在评价光缆护套料老化状态时，一般采用氧化诱导期、碳黑吸收系数、环境应力开裂等评价指标。

（1）氧化诱导期
光缆材料中通常加入一些抗氧化剂,以保护它们不会因为氧化而劣化。

随着光缆的老化,光缆材料中所添加的抗氧化剂会逐渐挥发直到丧失,材料的抗氧化性会降低。

抗氧化剂越少,则在相同的温度条件下,材料开始发生快速氧化的时间也就越早，即氧化诱导期更短。

氧化诱导期可以用差示扫描量热仪(DSC)来测试。

然而，氧化诱导期只适用于含抗氧化剂的材料,微量样品从光缆护套表面截取,测量结果不能代表整段光缆的老化状态,这就需要与断裂伸长率或与反映光缆老化状态的其它性能相互参照使用。

（2）碳黑吸收系数
在PE护套料中，通常采用添加碳黑来吸收紫外线。

其阻挡紫外线的效果与碳黑的含量，适当的颗粒大小和类型，及其分散程度有关。

碳黑含量过少的护套料，容易出现光老化现象，表现为护套变硬、发脆、开裂等。

其测量方式为碳黑吸收系数：测试方法是将含有碳黑的聚乙烯熔融后压制成约lOum厚的薄膜，用紫外分光光度计测定波长375nm处紫外光的吸光度，通过计算即可得出碳黑吸收系数值，一般技术要求该值要大于400。

而在一般的生产控制时，主要通过碳黑含量和碳黑分散度来衡量这一指标。

（3）耐环境应力开裂
聚乙烯塑料在含有皂类、保湿剂、油或洗涤剂的环境中受到应力时，就会表现出机械性能失效而表面发生开裂。

耐环境应力开裂的测
试方法是将聚乙烯护套料制成1．75-2．0mm厚的试片，在其表面刻出0．3-0．4mm深的刻痕，将试片弯曲于试样架中；然后浸泡于50±0．5℃的10％Igepal(表面活性剂)水溶液中保持一定的时间，观测出现第一个裂纹的时间。

通常的标准要求为大于96小时。

而现有材料厂商提供的指标有96h，500h，和1000h。

不同牌号的产品之间，在耐环境应力开裂的水平上还是存在着很大的差别。

1.3 材料间的相互作用对寿命的影响
光缆所用的各种材料除了自身要求性能稳定外，各种材料之间的相容性，特别是填充复合物与其它材料之间，必须相容，即不能使塑料的老化加速，不能使金属材料发生腐蚀，以及不发生其它有害变化。

首先，光纤与纤膏之间要有很好的相容性，纤膏不能对光纤的着色层甚至COATING层产生腐蚀，出现掉色或脱层的现象。

其次，纤膏含水量过高，也会造成光纤的氢损，且含水量过高的油膏也会对含端羧酸基含量的PBT管产生水解作用，而使其变脆，因此要选择含水量低的纤膏进行填充，且尽量避免空气的混入。

最后，缆膏对置于缆芯中的钢丝加强构件也不得发生腐蚀。

因为钢丝腐蚀时，一方面会产生氢气，另一方面腐蚀生成物体积增大，可能挤压光纤，使光纤衰减增加或者受到损伤。

所以说，材料之间的相容性，对于保持各材料自身的物理化学性能是至关重要的。

2．光缆结构设计及制造工艺对寿命的影响
2.1光缆结构设计对光缆寿命的影响
光缆结构对寿命的影响主要表现为：由光缆设计结构引起的使光纤在施工和长期使用过程中
的受力、形变情况和氢损情况对光纤寿命的影响。

因此，光缆设计的主要基于四个基本原则:
为光纤提供足够的机械保护；保证光缆适应长期恶劣的环境条件；保证光缆中的光纤在运行时尽量不受力；光缆易于敷设、安装和维护。

因此，对于光纤在光缆中的自由度设计和应力承受单元，防潮阻水单元的设计，及光缆各单元的整体性，都必须充分考虑影响光纤寿命的因素，确保光缆整体对光纤的保护作用：首先采用高强度加强元
件、精确的余长控制和结构尺寸控制，保证光缆机械性能及温度性能；其次，采取恰当的阻水手段，防止水份的侵入。

对于松套管层绞式光缆的结构，使用性能稳定的纤膏和PBT 套管，再加上多层（APL、PSP）防水结构设计、耐驰泵工艺、压力填充缆芯阻水膏等，使光缆具备极佳的纵向和横向防水性能。

即使在恶劣环境下，光纤也不会受到水和张力的侵袭。

2.2 光缆制造工艺对光缆寿命的影响
光缆制造工艺应考虑是否保证了光缆设计所提出的余长、渗水、结构尺寸以及光缆整体性等要求，生产过程中是否附加于光纤残余应力(包括拉伸、弯曲、扭转应力)。

光缆余长控制是光缆质量的核心，合适的光缆余长是保证光缆中的光纤在施工及使用环境中不受力，减小光纤裂纹的产生及扩展的几率。

余长过大过小都会影响光缆性能：余长大容易引起衰减的增加，特别是1550nm 波长，严重时导致通信中断；余长小将导致光纤受力和衰减的增加，严重时导致光纤断裂，降低光缆的使用寿命。

另外，在各工序控制中也要注意参数控制，如成缆工序注意绞合及扎纱质量，护层工序注意铝（钢）带搭接等。

3. 自然环境对光缆寿命的影响
3.1温度环境对寿命的影响
使用期的温度变化范围，这是光缆设计的重要依据，是设计中必须考虑的因素，一般来讲，按一40℃设计的光缆是不能用于一50℃环境的。

温度变化范围越大，变化越频繁，要求光缆具有更低的等效线胀系数和更好的整体性，从而减少因热胀冷缩造成光缆受力，引起光纤损耗增加，甚至断纤等，因此，要充分了解敷设地点所处的温度环境，以告知光缆生产商设计满足温度范围的光缆。

3.2土壤环境对寿命的影响
对于与土壤直接接触的光缆，如直埋缆，土壤环境对光缆的寿命有重要影响。

土壤因外界化学、电化学等的作用而造成的光缆腐蚀。

光缆腐蚀程度可用土壤电阻率、土壤PH值等指标来衡量。

一些土壤特殊地区，如冻土等，也可能使光缆受力衰耗增大甚至断纤。

值得注意的是，光缆铺设地的一些动物，如鼠蚁等也可能对光缆
造成巨大的危害，一般光缆采取特殊结构与特殊材料的方式来减少其对光缆寿命的影响。

如使用防鼠护套料避免鼠患较多的环境对光缆的伤害等等。

3.3大气环境、自然灾害等对寿命的影响
强烈日照会加速光氧老化的过程，导致光氧老化而开裂等；风和冰凌造成的负荷可远大于光缆的自重，减少架空光缆的寿命，同时，架空光缆受风力影响引起光缆高频低幅振动时，光缆的疲劳性能也将对光纤的传输特性造成一定的影响。

而强雷电和高电场，可能会导致光缆护套电腐蚀和光缆内部局部击穿。

一些不可预料的自然灾害，如：洪水、泥石流、山体滑坡、地震、雷击等，均会对光缆的使用寿命造成较大的影响。

战争期间的强烈核辐射，可能导致光纤结构的破坏，损耗剧烈增加。

4.施工维护对光缆寿命的影响
4.1施工方式、施工质量对寿命的影响
施工方式对光缆的使用寿命具有重要影响。

为了延长光缆的使用寿命，在光缆的施工过程中，应讲究方法，避免野蛮施工，需要注意以下几点：
（1）小心布放、适力牵引
由于长途干线系统的铺设耗工时较长, 更应注重平均无故障时间和平均使用寿命, 工程上要求，线缆寿命为20-25年，甚至更长，因此在铺设时更应注意操作, 减少不必要的光缆磨损, 减少隐患。

铺设光缆时, 要掌握好光缆的曲率半径, YD T901-2009对不同光缆类型有明确规定：光缆允许的最小弯曲半径
×85%）, 瞬间拉力不能大于在布放光缆时, 拉力应小于线缆所受应力最大值的85%（即f
max。

在牵引过程中, 拉力应由钢丝承受, 特别是同时铺设几条光缆时, 应分别牵引, 不能让光f
max
缆交叉叠放, 牵引速度V
≤15m/min(适用直埋管道光缆)。

另外GB/T 7424 对不同结构光缆的铺
max
设也有相应的要求，需严格按照标准执行。

（2）妥善处理接续问题, 减少接头故障
资料表明, 光纤通信中74.6%的故障出在线路上, 而线路故障的98%出在接头处, 主要表现为接头盒大量进水和光纤接头损耗增大。

线路故障会严重影响铺设进程、线路传输质量和线路寿命, 因此要特别注意解决光纤接续问题。

（3）提高接续质量, 实现优质施工
①光缆的开剥和固定
在开剥光缆时, 应结合厂家制造工艺和施工者的熟练程度计划施工进程, 切忌粗暴施工, 以免导致松套管受挤压或扭转, 造成光纤附加损耗。

②光纤接续
光纤接续包括光纤清洁、端面制作和熔接等步骤。

接续中造成的损耗除了由光纤自身因素引起之外, 更取决于施工中光缆的结构参数、熔接机质量和施工人员的素质。

光缆自身因素无法改变, 因而提高光纤接续质量的关键在于施工过程。

③加强保护及盘纤处理
在完成熔接和装置保护管时, 应保证管中央无气泡, 并保持光纤垂直, 以免气泡引起裸纤承受机械应力过大, 热效应超负, 导致光纤表面微裂纹扩大，接头损耗增大, 或接头处出现反射。

在盘纤处理时,要特别注意光纤弯曲半径及压纤露纤处理, 以免到中继段测试时才发现有接续点损耗增大和接头处反射（需要打开接头盒重新施工）等情况出现。

另外, 光纤对水和OH-离子很敏感, 如果接头盒封盒质量过差, 会导致纤面涂覆层破坏, 部分光纤还会由于水与金属氢的交换作用而造成损伤。

4.2技术维护、迁改、抢修对寿命的影响
光纤寿命还取决于光缆的维护。

由于铺设时存在隐患及光纤自身寿命终结或其它因素, 光缆纤芯会出现断芯裂芯现象, 导致通信中断, 此时光缆断芯处的补救和维护便成了当务之急。

根据陕西广播电视信息网络公司咸阳分公司2007年光缆线路故障原因统计，光缆线路故障有50%是人为破坏，30%是车辆破坏，15%的中断故障是施工造成，5%为技术原因。

这些数据虽然只是个别地区和个别使用单位的统计结果，也可见光缆线路的维护首先要做好对人类活动引起的破坏的防护，然后才是技术维护。

技术维护需要定期对光缆性能进行检测，包括光纤传输特性、金属外护套对地绝缘性等，及时发现并排除问题。

因此光缆维护主要以预防为主，加强对光缆线路的巡查，减少因外部因素影响对光缆的破坏，如路面施工、人为破坏、水患、鼠患等..
5.结束语
光缆寿命的影响因素很多，从光缆生产，到施工、使用及其使用环境，都会对光缆的使用寿命造成影响，因此，我们要在各个环节上，避免造成降低使用寿命的因素。

对于我们光缆生产厂家来说，要全面考虑到光缆使用的环境及施工要求，进行细致的结构设计，通过可靠的生产工艺，对符合要求的光缆材料进行整合，最大化光缆的使用寿命。