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淺析OPGW光纜生產(chǎn)中的光纖特性變化

前言

光纖截止波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑、色散、數(shù)值孔徑等參數(shù)取決于光纖折射率分布和幾何尺寸，在光纜生產(chǎn)過程中這些參數(shù)基本保持不變。但由于光纖受力后會(huì)產(chǎn)生光彈性效應(yīng)，導(dǎo)致折射率變化，所以理論上光纖性能也不是恒定不變的。如光纖衰減、強(qiáng)度以及老化等問題都與光纜生產(chǎn)工藝以及光纜材料有關(guān)。在光纜生產(chǎn)過程中會(huì)有殘余應(yīng)力存留于光纖中，在高溫、高濕、低溫環(huán)境中，如果光纜生產(chǎn)工藝不合理，光纜材料析氫等問題都會(huì)導(dǎo)致光纖衰減和強(qiáng)度特性下降，嚴(yán)重影響光纜使用壽命。本文簡(jiǎn)要分析了在OPGW光纜生產(chǎn)過程中，光纖特性可能發(fā)生的變化。

關(guān)鍵詞：OPGW光纜；光纖篩選；強(qiáng)度；老化。

Abstract

Optical fiber cutoff wavelength, mode field diameter, dispersion, numerical aperture are decided by the optical fiber refractive index distribution and the geometry size, these parameters maintain invariable basically in the cable production process. However, the force will be formed fiber photoelastic effect, leading to refractive index changes, so in theory, optical fiber performance is not constant. Such as optical fiber attenuation, intensity and aging concerns with the cable technique of production as well as the cable material. In the cable manufacturing process will be retained stress in the optical fiber, in high temperature, high humidity, low temperature environment, if the cable production process is unreasonable, cable materials precipitation hydrogen and other issues will cause the optical fiber attenuation and the intensity characteristic drops, and seriously affect the cable lifetime. This paper analyzes the production process in the OPGW cable, the change which the optical fiber characteristic possibly occurred.

Key words：Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire; optical fiber filtering; intensity; optical fiber aging.

一、光纖篩選后強(qiáng)度

光纜廠使用的所有合格的光纖，在光纖廠都會(huì)經(jīng)過100kpsi（約860g）的強(qiáng)度篩選，但是在光纜生產(chǎn)過程中仍然會(huì)出現(xiàn)在低于篩選應(yīng)變值的情況下，光纖發(fā)生斷裂。這說明通過篩選的光纖其最低強(qiáng)度低于篩選應(yīng)變值。另外，光纖在儲(chǔ)存、光纜生產(chǎn)過程中都會(huì)受到環(huán)境影響而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

光纖篩選后光纖最小強(qiáng)度取決于光纖初始裂紋分布和篩選張力卸載時(shí)間t_u，卸載時(shí)間t_u越短，光纖最小強(qiáng)度越高，反之光纖最小強(qiáng)度就越低，見圖1。因此，光纜廠在使用光纖前不可再次對(duì)其進(jìn)行篩選。

在光纖生產(chǎn)企業(yè)，我們以400kpsi的高張力，對(duì)未經(jīng)篩選的100km光纖進(jìn)行試驗(yàn)，負(fù)載施加和釋放速率保持在400kpsi/s，試驗(yàn)環(huán)境為20℃，60%相對(duì)濕度。試驗(yàn)中，在光纖負(fù)載釋放階段發(fā)生了13次斷裂，最小斷裂強(qiáng)度為147kpsi，即篩選幸存光纖的最小強(qiáng)度僅有篩選強(qiáng)度的37%。

按此計(jì)算，100kpsi應(yīng)變篩選后的光纖，最低強(qiáng)度只有37kpsi，即318g。當(dāng)然，高張力篩選試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)100kpsi的低張力篩選或許問題沒那么嚴(yán)重，但是分析說明負(fù)荷釋放速度低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裂紋繼續(xù)擴(kuò)大，使篩選后的光纖強(qiáng)度大幅度下降，導(dǎo)致光纖在光纜生產(chǎn)過程中，在低于篩選張力的情況下發(fā)生斷裂。

因此，光纜廠家不可以光纖篩選張力作為光纖強(qiáng)度的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在光纜生產(chǎn)工藝控制中，應(yīng)考慮到篩選后的光纖強(qiáng)度將減小。

二、光纖儲(chǔ)存環(huán)境

光纖應(yīng)在避光、干燥、低溫的環(huán)境中存放，長(zhǎng)時(shí)間高溫、潮濕的環(huán)境會(huì)降低光纖的疲勞因子值，將使光纖的最小強(qiáng)度降低。

根據(jù)光纖在不同環(huán)境條件下測(cè)試的斷裂強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)，低溫、真空（液氮）環(huán)境下光纖具有很高的斷裂強(qiáng)度，但在室溫環(huán)境中光纖強(qiáng)度大幅度降低。

光纖長(zhǎng)度方向分布著非常小的物理缺陷或微裂紋，這種光纖的臨界斷裂常常發(fā)生在受到潮濕、塵埃、化學(xué)物質(zhì)作用的條件下，光纖涂層旨在減小這些消弱光纖強(qiáng)度的作用。在理想惰性環(huán)境條件下（低溫、濕度為零、高真空），任何裂紋都不會(huì)生長(zhǎng)。僅當(dāng)外界施加的應(yīng)力增加到斷裂韌度時(shí)，斷裂才會(huì)發(fā)生。對(duì)非惰性環(huán)境下的光纖（高溫、潮濕、環(huán)境中有水分或化學(xué)物質(zhì)），任何施加應(yīng)力會(huì)使裂紋生長(zhǎng)。由于SiO₂鍵發(fā)生水解，故它被稱為應(yīng)力腐蝕。

由Griffith斷裂理論得知，斷裂應(yīng)力σ與裂紋長(zhǎng)度L的關(guān)系為：

σ=(2Er/πL)^1/2                     1式

式中E是楊氏模量，r是表面能。

用裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)表示應(yīng)力強(qiáng)度因子K_I則有：

K_I=σ(πL)^1/2                     2式

將1式代入2式，可得到斷裂條件為：

K_k=(2πr)^1/2                      3式

K_k是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為斷裂韌度。當(dāng)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K_I增加到K_k時(shí)，光纖上的微裂紋將會(huì)生長(zhǎng)、擴(kuò)展直至發(fā)生斷裂。

光纖在存放過程中，受到較強(qiáng)的UV輻射會(huì)使涂層材料產(chǎn)生UV降解反應(yīng)，首先發(fā)生在涂料表面逐步向光纖內(nèi)部發(fā)展，長(zhǎng)期UV輻射可能導(dǎo)致光纖低溫?fù)p耗增加。因此在光纖存放和使用過程中應(yīng)避免受到UV輻射。另外，光纖在著色后，可減小UV輻射涂層降解反應(yīng)。

三、光纖著色及成纜過程受損

光纖在正式使用前需經(jīng)過著色處理，在光纖著色過程中如果出現(xiàn)一段光纖顏色偏淡或完全未著色時(shí)，取樣品在顯微鏡下觀察一般可發(fā)現(xiàn)光纖涂層受損，引起這一現(xiàn)象的主要原因是清洗光纖著色模具和管道的溶劑中含有微小粉塵，著色過程中微小粉塵進(jìn)入模具后堵塞模具，從而導(dǎo)致光纖顏色偏淡或完全未著色。同時(shí)，光纖過模具時(shí)的張力會(huì)突然上升，發(fā)現(xiàn)此情況時(shí)，因立刻剪斷光纖，清洗模具和管道后再繼續(xù)著色，否則會(huì)將強(qiáng)度低的光纖流入后工序。

因此，光纖著色工序中著色模具及顏料管道應(yīng)清洗干凈，同時(shí)著色機(jī)周圍應(yīng)保持較高的潔凈度。

在OPGW光纜造管過程中，光纖在放線架上的放線速度波動(dòng)、光纖在盤上的排線質(zhì)量不好、以及生產(chǎn)速度不穩(wěn)都會(huì)導(dǎo)致光纖跳舞輪頻繁抖動(dòng)，將產(chǎn)生附加張力，可能使低強(qiáng)度光纖斷裂。另外，著色工序收線張力太小，在測(cè)試、搬運(yùn)過程中光纖壓線，則光纖放線時(shí)會(huì)導(dǎo)致光纖斷裂。

OPGW光纜造管工藝中應(yīng)產(chǎn)生一定的光纖余長(zhǎng)，光纖在套管內(nèi)是以一定的彎曲狀分布的。因此若光纖粘壁引起光纖微小彎曲，在測(cè)試光纖衰減時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)損耗臺(tái)階。且此微小彎曲也可能導(dǎo)致光纖斷裂，光纖彎曲半徑與彎曲應(yīng)力見下表1、圖2。

表1

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