陳黎明，劉 騁，侯繼勇2，馮學(xué)斌2

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

光纖的機(jī)械可靠性及壽命評(píng)估

陳黎明1，劉 騁1，侯繼勇2，馮學(xué)斌2

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

為了探究延長(zhǎng)光纖機(jī)械壽命的關(guān)鍵技術(shù)，研究了光纖機(jī)械可靠性及壽命評(píng)估模型。影響光纖機(jī)械壽命的主要因素是光纖裂紋生成和光纖裂紋在應(yīng)力腐蝕下不斷生長(zhǎng)。根據(jù)光纖機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算公式以及光纖疲勞試驗(yàn)的威布爾分布特性，建立光纖篩選實(shí)驗(yàn)壽命評(píng)估模型。運(yùn)用該壽命評(píng)估模型對(duì)OPGW（光纖復(fù)合架空地線）線路壽命進(jìn)行模擬計(jì)算和評(píng)估，探究了延長(zhǎng)OPGW線路壽命的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明，提高光纖疲勞參數(shù)和降低光纖使用時(shí)的應(yīng)力水平，均可顯著提高光纖壽命。

裂紋；應(yīng)力腐蝕；機(jī)械壽命

0　引 言

目前，部分老通信光纜線路已到達(dá)或超過(guò)預(yù)期使用壽命，老線路的延壽或更替已逐漸成為國(guó)內(nèi)外用戶關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。影響光纖機(jī)械壽命的主要因素為光纖可靠性，但目前國(guó)內(nèi)已有的研究多是對(duì)退役或故障替換下來(lái)的光纜樣本中的光纖進(jìn)行測(cè)試分析，對(duì)于光纖可靠性的研究很少。因此，有必要對(duì)光纖機(jī)械可靠性及壽命的評(píng)估方法進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)。

為了探究延長(zhǎng)光纖機(jī)械壽命的關(guān)鍵技術(shù)，本文研究了光纖機(jī)械可靠性及壽命評(píng)估。通過(guò)分析光纖裂紋的起源和光纖的應(yīng)力腐蝕，探究了光纖疲勞斷裂機(jī)理；通過(guò)統(tǒng)計(jì)光纖篩選實(shí)驗(yàn)中的失效概率和光纖疲勞實(shí)驗(yàn)的威布爾分布特性，建立了光纖篩選實(shí)驗(yàn)壽命評(píng)估模型。結(jié)合OPGW（光纖復(fù)合架空地線）線路長(zhǎng)期承受拉伸的特點(diǎn)，運(yùn)用該模型對(duì)OPGW線路壽命進(jìn)行了模擬計(jì)算和評(píng)估。

1　光纖疲勞斷裂機(jī)理

光纖疲勞斷裂是指光纖會(huì)在較大的外力下瞬間斷裂，也會(huì)在較小的外力作用下（如靜態(tài)拉伸、靜態(tài)彎曲等）累計(jì)到一定時(shí)間而發(fā)生斷裂。光纖的疲勞斷裂是由于光纖裂紋在外加應(yīng)力條件下，隨著時(shí)間的推移不斷擴(kuò)展直至斷裂。裂紋生長(zhǎng)的速度與外加應(yīng)力、裂紋尺寸和環(huán)境的溫濕度等有關(guān)。光纖的疲勞斷裂與應(yīng)力水平和時(shí)間具有相關(guān)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(jié)構(gòu)存在缺陷，受到外力時(shí)，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核。

（2）光纖表面的機(jī)械損傷與化學(xué)侵蝕形成表面裂紋。

（3）熱應(yīng)力形成的裂紋，如：光纖熔融拉絲時(shí)，快速冷卻，光纖內(nèi)部和表面的溫度差產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)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(yīng)力腐蝕

光纖芯層和包層的基本組份為SiO2，在一定的環(huán)境溫度和應(yīng)力作用下，光纖中裂紋尖端處發(fā)生亞臨界裂紋生長(zhǎng)。如果環(huán)境中含水或水蒸氣，水氣透過(guò)光纖涂層滲入光纖芯層與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將導(dǎo)致芯層表面裂紋的快速生長(zhǎng)，直至斷裂［3］。對(duì)此現(xiàn)象更進(jìn)一步的解釋如下：

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

（2）裂紋尺寸增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子K隨之增大，當(dāng)達(dá)到臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC時(shí)，發(fā)生快速擴(kuò)展，光纖隨之?dāng)嗔选?/p>

（3）裂紋擴(kuò)展速率與K具有相關(guān)性，如圖1所示。通常把裂紋擴(kuò)展速率分成3個(gè)區(qū)域：I區(qū)，K與裂紋擴(kuò)展速率成線性，曲線斜率為光纖的疲勞參數(shù)n，n越大，光纖的靜態(tài)疲勞過(guò)程越緩慢，光纖壽命越長(zhǎng)；Ⅱ區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率恒定，這與光纖所處環(huán)境有關(guān)，與K無(wú)關(guān)；Ⅲ區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率依賴于K，而與環(huán)境無(wú)關(guān)。一根光纖的使用壽命，幾乎完全由I區(qū)來(lái)決定［4］。

圖1　光纖的靜態(tài)疲勞過(guò)程

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

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

2　光纖的壽命

2.1光纖的機(jī)械強(qiáng)度

如前所述，應(yīng)力腐蝕以及零應(yīng)力老化的持續(xù)作用，使得裂紋尺寸不斷增大，假定初始狀態(tài)的光纖強(qiáng)度為S（0），經(jīng)過(guò)時(shí)間t之后強(qiáng)度為S（t），可由下式計(jì)算得到：

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

2.2光纖機(jī)械壽命評(píng)估

目前，研究光纖機(jī)械壽命的模型和方法有3種：靜態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)和篩選實(shí)驗(yàn)。通常采用動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃秃Y選實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)期光纖的壽命，本文將采用篩選實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)期光纖壽命。篩選實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)期光纖壽命主要根據(jù)篩選斷裂點(diǎn)的頻次、長(zhǎng)度和使用應(yīng)力的斷裂概率［6］來(lái)進(jìn)行。

在篩選實(shí)驗(yàn)中，逐漸線性地把應(yīng)力加到光纖上，加荷應(yīng)力σ（t）的典型值為不大于篩選應(yīng)力σp的10%。經(jīng)過(guò)篩選應(yīng)力區(qū)后，再逐漸從滿負(fù)荷值線性地下降到收線區(qū)的低值，一般也不大于σp的10%。施加應(yīng)力與作用時(shí)間的函數(shù)關(guān)系如圖2所示［7］，一般要求保持時(shí)間td≥1 s，卸荷時(shí)間tu≤0.1 s。

圖2　施加應(yīng)力與作用時(shí)間的關(guān)系

由式（2）可得，篩選實(shí)驗(yàn)后的強(qiáng)度為

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

式中，H為比例常數(shù)，并且一般要求光纖樣品長(zhǎng)度不少于1 km。通常發(fā)現(xiàn)

式中，m為惰性環(huán)境中的威布爾參數(shù)。

結(jié)合式（4）和（5），可得幸存率為

式中，L0為光纖標(biāo)樣長(zhǎng)度；S0對(duì)應(yīng)于e-1或36.8%幸存率時(shí)的強(qiáng)度。

一般光纖惰性強(qiáng)度S遠(yuǎn)大于最小強(qiáng)度Smin，所以可以認(rèn)為S=S-Smin，對(duì)式（6）求導(dǎo)可得：

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

對(duì)式（2）進(jìn)行積分可得：

實(shí)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(shí)驗(yàn)卸荷時(shí)間tu成反比，所以在實(shí)際的篩選試驗(yàn)中，C值也非常小。在壽命估算中，最嚴(yán)格的條件是C=0。從而光纖壽命公式可以簡(jiǎn)化為

實(shí)際工程中，β值很難測(cè)量，因此這里引入復(fù)繞篩選時(shí)每公里斷裂次數(shù)Np。如果篩選后施加應(yīng)變?chǔ)舙時(shí)光纖的斷裂概率F＜10-3，則可以認(rèn)為F≈ln（1/P），并結(jié)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(yīng)變?chǔ)舙來(lái)表示篩選應(yīng)力σp，用施加應(yīng)變?chǔ)臿來(lái)表示施加應(yīng)力σa，可得光纖壽命計(jì)算模型為

在進(jìn)行壽命估算時(shí)，所用參數(shù)值要精確測(cè)定，其中疲勞因子n值是壽命估算中最敏感的一個(gè)參數(shù)［8］。

3　OPGW線路壽命估算

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

（1）對(duì)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(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)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(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)的光纖壽命

（2）對(duì)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(zhǎng)期應(yīng)力水平為20 kpi（0.2%應(yīng)變），不同n值對(duì)應(yīng)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(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)的光纖壽命

由上可見，提高光纖的疲勞參數(shù)和降低光纖使用時(shí)的應(yīng)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(shù)可以通過(guò)改進(jìn)光纖制造技術(shù)和涂層技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低光纖使用時(shí)的應(yīng)力水平可以通過(guò)OPGW光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)及光纜施工等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此不再展開討論。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文研究了光纖機(jī)械可靠性及壽命評(píng)估，文中的光纖壽命模型是基于恒應(yīng)力下的惰性環(huán)境，而在真實(shí)的自然環(huán)境中，溫度、潮氣、酸堿度和交變應(yīng)力等影響因素要復(fù)雜得多。因此，光纖可靠性還需要廣大研究機(jī)構(gòu)、制造商等進(jìn)行更多、更深入的研究，其研究成果將為電信運(yùn)營(yíng)商及其他通信網(wǎng)客戶的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)及更替決策提供重要的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

［1］ 陳炳炎.光纖光纜的設(shè)計(jì)和制造［M］.第二版.浙江：浙江大學(xué)出版社，2003：263-290.

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

［3］ 王德榮.進(jìn)一步提高光纖質(zhì)量的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2005，（4）：23-27.

［4］ 王寶珠，鄧宏林，李小瑞，等.制導(dǎo)光纖中光纖壽命預(yù)期［J］.應(yīng)用光學(xué)，2005，（6）：41-45.

［5］ 劉澤恒.光纖的篩選實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)與光纜壽命相關(guān)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(yīng)用技術(shù)，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，F(xiàn)ENG 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(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)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(shè)計(jì)制造方面的研究。