OPGW光缆生产中的光纤性能特性变化

　　光纤截止波长、模场直径、色散、数值孔径等参数取决于光纤折射率分布和几何尺寸，在光缆生产过程中这些参数基本保持不变。但由于光纤受力后会产生光弹性效应，导致折射率变化，所以理论上光纤性能也不是恒定不变的。如光纤衰减、强度以及老化等问题都与光缆生产工艺以及光缆材料有关。在光缆生产过程中会有残余应力存留于光纤中，在高温、高湿、低温环境中，如果光缆生产工艺不合理，光缆材料析氢等问题都会导致光纤衰减和强度特性下降，严重影响光缆使用寿命。本文简要分析了在OPGW光缆生产过程中，光纤特性可能发生的变化。

　　一、光纤筛选后强度

　　光缆厂使用的所有合格的光纤，在光纤厂都会经过100kpsi(约860g)的强度筛选，但是在光缆生产过程中仍然会出现在低于筛选应变值的情况下，光纤发生断裂。这说明通过筛选的光纤其最低强度低于筛选应变值。另外，光纤在储存、光缆生产过程中都会受到环境影响而导致强度下降。

　　光纤筛选后光纤最小强度取决于光纤初始裂纹分布和筛选张力卸载时间tu，卸载时间tu越短，光纤最小强度越高，反之光纤最小强度就越低，见图1。因此，光缆厂在使用光纤前不可再次对其进行筛选。

　　施加应力σa

　　t

　　筛选应力σp

　　加载时间tl

　　筛选时间td

　　卸载时间tu

　　图1：筛选试验中应力与时间的关系

　　在光纤生产企业，我们以400kpsi的高张力，对未经筛选的100km光纤进行试验，负载施加和释放速率保持在400kpsi/s，试验环境为20℃，60%相对湿度。试验中，在光纤负载释放阶段发生了13次断裂，最小断裂强度为147kpsi，即筛选幸存光纤的最小强度仅有筛选强度的37%。

　　按此计算，100kpsi应变筛选后的光纤，最低强度只有37kpsi，即318g。当然，高张力筛选试验的结果对100kpsi的低张力筛选或许问题没那么严重，但是分析说明负荷释放速度低时，会导致裂纹继续扩大，使筛选后的光纤强度大幅度下降，导致光纤在光缆生产过程中，在低于筛选张力的情况下发生断裂。

　　因此，光缆厂家不可以光纤筛选张力作为光纤强度的验收标准，尤其是在光缆生产工艺控制中，应考虑到筛选后的光纤强度将减小。

　　二、光纤储存环境

　　光纤应在避光、干燥、低温的环境中存放，长时间高温、潮湿的环境会降低光纤的疲劳因子值，将使光纤的最小强度降低。

　　根据光纤在不同环境条件下测试的断裂强度分布数据，低温、真空(液氮)环境下光纤具有很高的断裂强度，但在室温环境中光纤强度大幅度降低。

　　光纤长度方向分布着非常小的物理缺陷或微裂纹，这种光纤的临界断裂常常发生在受到潮湿、尘埃、化学物质作用的条件下，光纤涂层旨在减小这些消弱光纤强度的作用。在理想惰性环境条件下(低温、湿度为零、高真空)，任何裂纹都不会生长。仅当外界施加的应力增加到断裂韧度时，断裂才会发生。对非惰性环境下的光纤(高温、潮湿、环境中有水分或化学物质)，任何施加应力会使裂纹生长。由于SiO2键发生水解，故它被称为应力腐蚀。

　　由Griffith断裂理论得知，断裂应力σ与裂纹长度L的关系为：

　　σ=(2Er/πL)1/2 1式

　　式中E是杨氏模量，r是表面能。

　　用裂纹尖端的应力场表示应力强度因子KI则有：

　　KI=σ(πL)1/2 2式

　　将1式代入2式，可得到断裂条件为：

　　Kk=(2πr)1/2 3式

　　Kk是应力强度因子的临界值，称为断裂韧度。当裂纹应力强度因子KI增加到Kk时，光纤上的微裂纹将会生长、扩展直至发生断裂。

　　光纤在存放过程中，受到较强的UV辐射会使涂层材料产生UV降解反应，首先发生在涂料表面逐步向光纤内部发展，长期UV辐射可能导致光纤低温损耗增加。因此在光纤存放和使用过程中应避免受到UV辐射。另外，光纤在着色后，可减小UV辐射涂层降解反应。

　　三、光纤着色及成缆过程受损

　　光纤在正式使用前需经过着色处理，在光纤着色过程中如果出现一段光纤颜色偏淡或完全未着色时，取样品在显微镜下观察一般可发现光纤涂层受损，引起这一现象的主要原因是清洗光纤着色模具和管道的溶剂中含有微小粉尘，着色过程中微小粉尘进入模具后堵塞模具，从而导致光纤颜色偏淡或完全未着色。同时，光纤过模具时的张力会突然上升，发现此情况时，因立刻剪断光纤，清洗模具和管道后再继续着色，否则会将强度低的光纤流入后工序。

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