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如何保證光纜的使用壽命解決方案

作者:admin日期:2018-09-25 11:14點擊:
在長途光纜通信系統中,光纖傳輸特性應是長期穩定的,尤其是長途干線直埋光纜和海底光纜系統,對光纜的長壽命提出了更高的要求。一般對陸地光纜的使用壽命,希望有20年以上的安全使用期,而對海底光纜,則要求其使用壽命提高到25年以上,其故障間隔時間平均要求為10年。因此,如何延長光纜的使用壽命,怎樣正確的使用光纜,都是人們關心的重要技術課題,下面從光纜的結構方面談談如何延長光纜的使用壽命。
  影響光纜中光纖壽命的三大因素
  光纖是光纜中最重要的組成材料之一,要提高光纜的使用壽命,最根本的是要提高光纖的使用壽命。影響光纖使用壽命的原因主要有:①光纖表面的微裂紋的存在和擴大;②大氣環境中的水和水蒸氣分子對光纖表面的浸蝕;③不合理敷設光纜時殘留下來的應力長期作用等。由于上述原因,使得以石英玻璃為基礎的光纖機械強度逐漸降低,衰耗慢慢增大,最后使光纖斷裂,終止了光纜的使用壽命。
  由于在纖維表面上總是會存在著微裂紋,在大氣環境中發生慢裂紋生長,使裂紋不斷地擴大,使光纖的機械強度逐漸退化。例如,一根125μm直徑的石英光纖,經過3年的慢變化以后,使光纖的抗拉強度從180kpsi(相當于1530g抗拉強度),降到了60kpsi(相當于510g抗拉強度)。光纖這種慢變化而引起機械強度降低的原理是:當光纖表面有微裂紋(或缺陷)時,在受到外來應力的作用時,并不會立即斷裂,只有施加應力達到裂紋的臨界值時,纖維才會斷裂。而石英纖維承受到一個小于臨界值的恒定應力時,表面裂紋會發生緩慢的擴大,使裂紋的深度達到斷裂的臨界值,這就是纖維機械強度退化的過程。石英光纖機械強度的退化是由于承受到的應力與大氣環境中的水和水蒸氣分子浸蝕的聯合作用造成的。
  延長光纖使用壽命的方法
  當纖維在真空環境中,由于沒有水分子存在,所以不會發生應力浸蝕,其疲勞參數n為最大值,光纖也具有最高的強度,這時的強度就是纖維的惰性強度,稱之為Si。
  光纖在使用環境中所具有的使用壽命ts與它所承受的應力σ和纖維的惰性強度Si之間有如下關系:
  lgts=-nlgσ+lgB+(n-2)lgSi
  上式中后面兩項皆為常數,所以當承受到的應力σ恒定時,纖維的使用壽命ts只與纖維的疲勞參數n值有關。n值愈大,光纖的壽命ts也愈長。因此,提高光纖的使用壽命有兩種方法:
  第一,當疲勞參數n一定時,纖維的壽命ts只與所承受到的應力σ有關,因此,減小纖維承受到的應力是提高光纖使用壽命的一種方法。當人們制造光纖時 ,在光纖表面上形成一種壓縮應力以對抗所承受到的張應力,使張應力減到盡可能小的程度,由此就產生了壓應力包層技術來制造光纖。
  若設光纖承受到的應力為σa,壽命為t1,當光纖具有壓應力σR包層時,光纖的壽命為t2:
  t2= t1[(σa-σR)/σa]-n
  其中,(σa-σR)為光纖真正承受到的凈應力。由此表明:具有壓應力包層的光纖比一般光纖的壽命長得多。近年來就有人用摻GeO2石英做光纖表面的壓縮層,也有人用摻TiO2石英做光纖的外包層使光纖本身的抗拉強度從50kpsi提高到130kpsi(相當抗拉強度從430g提高到1100g),也使光纖的靜態疲勞參數從n=20~25提高到n=130。
  第二,提高光纖的靜態疲勞參數n來提高光纖的使用壽命。因此,人們在制造光纖時,設法把石英纖維本身與大氣環境隔絕開來,使之不受大氣環境的影響,盡可能地把n值由環境材料參數轉變為光纖材料本身的參數,就可以使n值變得很大,由此產生了在光纖表面的“密封被覆技術”。
  近十年來,使用“密封被覆技術”來制造光纖取得了巨大進展。被覆材料由金屬類擴展到金屬氧化物、無機碳化物、無機氮化物、碳化物、氮氧化物和CVD沉積無定型碳。被覆層結構由單一的金屬被覆層發展到密封被覆層與有機被覆層相結合的復合被覆層結構,使光纖更具有實際應用的價值,纖維的光學性能、機械性能和抗疲勞性能都有提高。例如:
 、 金屬被覆光纖:鋁被覆光纖可承受1Gpa(150kpsi)的應力,浸沒在水中實驗,在350℃溫度下使用,壽命在10年以上。
 、 金屬氧化物和其它無機物被覆的光纖:用C4H10與SiH4在纖維表面沉積成Si0.21O0.22C0.77的密封被覆層,并涂上有機層,纖維的n值可達到256。
 、 用氮化硼做密封被覆層的光纖:可承受200kpsi的拉力,n值可提高到100以上。又如用TIC密封被覆的光纖具有400~500kpsi的強度,可耐100℃的水。
 、 無定形碳密封被覆光纖:在無機被覆材料中,無定形碳被覆層不僅對光纖的光學性能和機械強度很少有損害作用,而且表現出良好的抗水性能及抗氫性能。此項技術已經走向工業化生產。這種纖維的典型抗拉強度已達到500~600kpsi,動態n值為350~1000。在室溫下25年后,碳密封被覆光纖中滲入的氫只有普通光纖的1/10000;在光纜中,此類纖維可容許的氫壓力比一般光纖高100倍。用此光纖可適當地降低成纜條件或在更高溫度條件下使用。
  使用纖維表面生長“壓應力包層”和“密封被覆技術”后,光纖的壽命可用下式推出:
  t2/t1=19.36×10IRσa7
  式中,σa是施加的 應力或使用應力。由此可算出σa與t2/t1的關系。這類光纖的使用壽命可達40年,可望用于海底光纜和軍用通信。
  另有一些研究還表明,制造光纖時寧可用鍺(GeO2)和氟(F)作摻雜劑,也不用磷(P2O5)作摻雜劑,因磷的“親水(H2O)”性好,使光纖易受潮濕,引起纖芯內部P-OH鍵吸收衰耗增大,使光纖緩慢變化。所以長使用壽命的光纖杜絕用磷作摻雜材料。
  在制造光纜工藝中注意防潮防水,減少殘存的應力
  首先是纜芯結構設計,一定要用松結構,防止留下殘存的應力,絞合光纜時要選擇合理的光纖余長,也能減小張應力的作用;在纜芯內填充石油凝膠,目的是為了防潮、防水、防含氫化合物(污染液體)的浸蝕;使用涂塑鋼帶、鋁帶也是為了防潮,增加光纜的抗側壓、抗張力的能力;有些工廠在纜芯內每隔一米就加一個熱熔膠的阻水層,防止纜芯縱向水的滲透;選用線膨脹系數小的材料作纜芯的強度元件,目的也是保護光纖,免除外張力的影響。最后還要指出的一點,就是制造光纜的每一種原材料,本身必須有30年以上的壽命,必須有高穩定性的物理性能和化學性能。只有嚴格控制上述各道制造工藝的質量,才可以延長光纜的使用壽命。
  當然要延長光纜的使用壽命還有一個重要因素就是光纜的敷設方式和施工過程,這方面的內容較多也較復雜,應單獨作為專題進行論述 

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