光纤的机械可靠性及寿命评估

陈黎明，刘 骋，侯继勇2，冯学斌2

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.中国电力科学研究院，北京 100000）

光纤的机械可靠性及寿命评估

陈黎明1，刘 骋1，侯继勇2，冯学斌2

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.中国电力科学研究院，北京 100000）

为了探究延长光纤机械寿命的关键技术，研究了光纤机械可靠性及寿命评估模型。影响光纤机械寿命的主要因素是光纤裂纹生成和光纤裂纹在应力腐蚀下不断生长。根据光纤机械强度计算公式以及光纤疲劳试验的威布尔分布特性，建立光纤筛选实验寿命评估模型。运用该寿命评估模型对OPGW（光纤复合架空地线）线路寿命进行模拟计算和评估，探究了延长OPGW线路寿命的关键技术。结果表明，提高光纤疲劳参数和降低光纤使用时的应力水平，均可显著提高光纤寿命。

裂纹；应力腐蚀；机械寿命

0　引 言

目前，部分老通信光缆线路已到达或超过预期使用寿命，老线路的延寿或更替已逐渐成为国内外用户关注的热点问题。影响光纤机械寿命的主要因素为光纤可靠性，但目前国内已有的研究多是对退役或故障替换下来的光缆样本中的光纤进行测试分析，对于光纤可靠性的研究很少。因此，有必要对光纤机械可靠性及寿命的评估方法进行研究，从而了解影响光纤寿命的主要因素和提高光纤可靠性的关键技术。

为了探究延长光纤机械寿命的关键技术，本文研究了光纤机械可靠性及寿命评估。通过分析光纤裂纹的起源和光纤的应力腐蚀，探究了光纤疲劳断裂机理；通过统计光纤筛选实验中的失效概率和光纤疲劳实验的威布尔分布特性，建立了光纤筛选实验寿命评估模型。结合OPGW（光纤复合架空地线）线路长期承受拉伸的特点，运用该模型对OPGW线路寿命进行了模拟计算和评估。

1　光纤疲劳断裂机理

光纤疲劳断裂是指光纤会在较大的外力下瞬间断裂，也会在较小的外力作用下（如静态拉伸、静态弯曲等）累计到一定时间而发生断裂。光纤的疲劳断裂是由于光纤裂纹在外加应力条件下，随着时间的推移不断扩展直至断裂。裂纹生长的速度与外加应力、裂纹尺寸和环境的温湿度等有关。光纤的疲劳断裂与应力水平和时间具有相关性［1］。

1.1光纤裂纹的起源

光纤裂纹生成的原因主要是：

（1）光纤的纤芯是SiO2（二氧化硅），其晶体微观结构存在缺陷，受到外力时，在缺陷处产生应力集中，导致裂纹成核。

（2）光纤表面的机械损伤与化学侵蚀形成表面裂纹。

（3）热应力形成的裂纹，如：光纤熔融拉丝时，快速冷却，光纤内部和表面的温度差产生热应力，导致裂纹生成。

总之，光纤裂纹的成因很多，要制造没有裂纹的光纤是极其困难的［2］。

1.2光纤的应力腐蚀

光纤芯层和包层的基本组份为SiO2，在一定的环境温度和应力作用下，光纤中裂纹尖端处发生亚临界裂纹生长。如果环境中含水或水蒸气，水气透过光纤涂层渗入光纤芯层与SiO2发生化学反应，将导致芯层表面裂纹的快速生长，直至断裂［3］。对此现象更进一步的解释如下：

（1）当光纤受力时，裂纹处有较大的扩展动力，光纤表面吸附了活性物质（如H2O、HO-、极性液体和气体），其自由表面能降低，导致裂纹加深，形成新的开裂表面，而新的开裂表面由于暂时没有被活性物质腐蚀，其表面能大于裂纹扩展动力，裂纹暂停生长，但随着下一个腐蚀过程而循环，从而形成了宏观上的裂纹生长。

（2）裂纹尺寸增加，应力强度因子K随之增大，当达到临界应力强度因子KIC时，发生快速扩展，光纤随之断裂。

（3）裂纹扩展速率与K具有相关性，如图1所示。通常把裂纹扩展速率分成3个区域：I区，K与裂纹扩展速率成线性，曲线斜率为光纤的疲劳参数n，n越大，光纤的静态疲劳过程越缓慢，光纤寿命越长；Ⅱ区，裂纹扩展速率恒定，这与光纤所处环境有关，与K无关；Ⅲ区，裂纹扩展速率依赖于K，而与环境无关。一根光纤的使用寿命，几乎完全由I区来决定［4］。

图1　光纤的静态疲劳过程

光纤的裂纹端形成应力集中区，该区域最容易引起光纤断裂，通常用应力强度系数KI来表示应力集中程度（单位：MPa·m1/2或MN·m-3/2，），即

式中，σ为外加应力；Y为裂纹几何形状参数；α为缺陷深度，即垂直于施加应力方向的缺陷尺寸。

2　光纤的寿命

2.1光纤的机械强度

如前所述，应力腐蚀以及零应力老化的持续作用，使得裂纹尺寸不断增大，假定初始状态的光纤强度为S（0），经过时间t之后强度为S（t），可由下式计算得到：

式中，B为裂纹强度保留参数，与材料、裂纹几何形状因子和断裂临界值有关，B值的测量较困难，大概的数值范围在～1 GPa2s之间［5］。

2.2光纤机械寿命评估

目前，研究光纤机械寿命的模型和方法有3种：静态疲劳实验、动态疲劳实验和筛选实验。通常采用动态疲劳实验模型和筛选实验模型预期光纤的寿命，本文将采用筛选实验模型预期光纤寿命。筛选实验模型预期光纤寿命主要根据筛选断裂点的频次、长度和使用应力的断裂概率［6］来进行。

在筛选实验中，逐渐线性地把应力加到光纤上，加荷应力σ（t）的典型值为不大于筛选应力σp的10%。经过筛选应力区后，再逐渐从满负荷值线性地下降到收线区的低值，一般也不大于σp的10%。施加应力与作用时间的函数关系如图2所示［7］，一般要求保持时间td≥1 s，卸荷时间tu≤0.1 s。

图2　施加应力与作用时间的关系

由式（2）可得，筛选实验后的强度为

式中，tp为筛选时间。用N（S）表示惰性强度≤S的单位光纤表面积上的累积裂纹数，P（S，L）表示光纤长度为L、惰性强度为S的累积幸存率，在零强度无裂纹的边界条件时威布尔幸存率P（S，L）为

式中，H为比例常数，并且一般要求光纤样品长度不少于1 km。通常发现

式中，m为惰性环境中的威布尔参数。

结合式（4）和（5），可得幸存率为

式中，L0为光纤标样长度；S0对应于e-1或36.8%幸存率时的强度。

一般光纤惰性强度S远大于最小强度Smin，所以可以认为S=S-Smin，对式（6）求导可得：

将式（3）代入式（7）中，分子分母同时乘Bnm-2，并令，代入β值和C值可得：

对式（2）进行积分可得：

实际情况中，B值一般满足B≪σat2f，因此B值可以忽略。C值通常也很小，约在0～0.1之间，并且与筛选实验卸荷时间tu成反比，所以在实际的筛选试验中，C值也非常小。在寿命估算中，最严格的条件是C=0。从而光纤寿命公式可以简化为

实际工程中，β值很难测量，因此这里引入复绕筛选时每公里断裂次数Np。如果筛选后施加应变εp时光纤的断裂概率F＜10-3，则可以认为F≈ln（1/P），并结合式（7）可得：

将式（3）代入，并忽略C值可得：

将式（13）代入式（11）中，并用筛选应变εp来表示筛选应力σp，用施加应变εa来表示施加应力σa，可得光纤寿命计算模型为

在进行寿命估算时，所用参数值要精确测定，其中疲劳因子n值是寿命估算中最敏感的一个参数［8］。

3　OPGW线路寿命估算

OPGW线路通常采用架空敷设，光缆链路受长期的拉伸应力，可以应用以上寿命模型进行推算。假定OPGW通信线路长度为100 km，光纤出厂的张力筛选为100 kpi（1%应变），通信线路设计的断纤故障概率为1×10-6，以下分两种情况进行估算：

（1）对于早期制造的光纤，其n值通常为18，光纤出厂筛选的断纤概率Np为0.01，光缆在不同的应力水平下对应的光纤寿命tf如表1所示。

表1　早期光纤制作的光缆在不同的应力水平下对应的光纤寿命

（2）对于目前的商用单模光纤，光纤出厂筛选的断纤概率Np为0.005，OPGW光缆长期应力水平为20 kpi（0.2%应变），不同n值对应的光纤寿命tf如表2所示。

表2　近期光纤制作的光缆在不同的应力水平下对应的光纤寿命

由上可见，提高光纤的疲劳参数和降低光纤使用时的应力水平，都可以显著提高光纤的使用寿命［3］。提高光纤的疲劳参数可以通过改进光纤制造技术和涂层技术来实现，降低光纤使用时的应力水平可以通过OPGW光缆的结构设计、制造技术及光缆施工等方法来实现，在此不再展开讨论。

4　结束语

本文研究了光纤机械可靠性及寿命评估，文中的光纤寿命模型是基于恒应力下的惰性环境，而在真实的自然环境中，温度、潮气、酸碱度和交变应力等影响因素要复杂得多。因此，光纤可靠性还需要广大研究机构、制造商等进行更多、更深入的研究，其研究成果将为电信运营商及其他通信网客户的网络规划、建设及更替决策提供重要的数据支持，进而产生良好的经济和社会价值。

［1］ 陈炳炎.光纤光缆的设计和制造［M］.第二版.浙江：浙江大学出版社，2003：263-290.

［2］ 竺逸年.受应力光纤寿命计论和方法［J］.光纤与电缆及其应用技术，1992，（4）：17-19，55.

［3］ 王德荣.进一步提高光纤质量的几个技术问题［J］.光纤与电缆及其应用技术，2005，（4）：23-27.

［4］ 王宝珠，邓宏林，李小瑞，等.制导光纤中光纤寿命预期［J］.应用光学，2005，（6）：41-45.

［5］ 刘泽恒.光纤的筛选实验和寿命估算［J］.光通信研究，1993，（4）：33-38.

［6］ 王伟斌，王慧芳，郑庆利，等.光纤余长与光缆寿命相关性的剖析［J］.电线电缆，1997，（2）：2-7.

［7］ 韩志辉，赵金岐，沙洪涛.影响光纤寿命因素的探讨［J］.光纤与电缆及其应用技术，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

国家电网公司科技项目（XXB17201500121）

陈黎明（1983-），男，湖北武汉人。工程师，工程硕士，主要从事光纤、光缆设计制造方面的研究。