康寧：全干式光纜的可靠性研究

　　ICCSZ訊   1月20日，全干式“無油膏”室外光纜在北美市場商業(yè)應(yīng)用經(jīng)過了10年的里程碑，從2004年全干式光纜在北美商用以來，每年用量和占比都在迅速增長，到2016年，全干式光纜需求占北美總光纜需求約99%。在過去的10年商用過程中，沒有任何因阻水材料導致的故障，現(xiàn)在是時候總結(jié)全干式光纜的現(xiàn)場應(yīng)用性能，同時相關(guān)的行業(yè)標準也在隨著全干式技術(shù)的演進而更新。

　　目前，市場上使用的全干式光纜，大部分采用阻水紗線和阻水帶阻水，在松套管中放置阻水紗，很多出版刊物和文獻資料對這些全干式光纜有詳細的介紹。而本文研究的是松套管中采用高吸水樹脂(SAP)粉末的全干式光纜技術(shù)及長期可靠性，這是一種全新的光纜制造技術(shù)，與以往的全干式光纜相比，具有結(jié)構(gòu)更小、更緊湊、接續(xù)更快的優(yōu)勢。本文將探索全干式阻水材料SAP給光纜設(shè)計和測試帶來的挑戰(zhàn)，如何確保光纜在各種環(huán)境下的阻水性能、溫度性能、老化性能等，以及在沒有粘性介質(zhì)情況下，如何確保光纖和松套管之間的耦合力值，以保證光纜坡度或垂直布放時光纖余長的穩(wěn)定和均勻。同時，本文開發(fā)了一些測試程序，充分考慮SAP的特性和光纜的應(yīng)用環(huán)境，以便更加全面地評估SAP全干式光纜的長期穩(wěn)定性。

　　所有的室外光纜都要求阻水技術(shù)，防止水分滲入光纜和在光纜中縱向傳播。早在上世紀80年代，室外光纜主要采用油膏膠體達到水密性，在松套管里面以及松套管和護套之間都采用油膏填充式。此外，油膏在松套管中的作用還有：提供光纖和套管之間的耦合，有助于控制套管加工工藝和控制套管中光纖適當?shù)挠嚅L。然而，在今天的市場上，許多客戶希望更工藝友好的光纜，因此，這個行業(yè)已轉(zhuǎn)移到無油膏填充式阻水方式，也稱全干式光纜。在很大程度上，“全干式”替代“油膏填充式”這一演進源于光纜部署應(yīng)用環(huán)境變化的驅(qū)動。在過去，大部分光纜部署用于跨國跨省長途干線網(wǎng)絡(luò)，那時光纜接續(xù)還不頻繁，接續(xù)量不大。然而，一旦光纖網(wǎng)絡(luò)進入接入網(wǎng)和配線網(wǎng)絡(luò)，超大接續(xù)工作量，必須提高光纜接續(xù)效率，因此，推動了這種無油膏填充式的技術(shù)。這一技術(shù)主要起源于日本，在上世紀90年代，日本大規(guī)模發(fā)展光纖到戶(FFTx)，然而隨著光纖到戶(FTTx)部署數(shù)量和范圍的增長，全干式光纜技術(shù)在全球產(chǎn)生了日益濃厚的興趣。起初，很多光纜生產(chǎn)廠家使用吸水膨脹的阻水帶，縱包在光纜纜芯外，替代油膏用于纜芯和護套之間阻水。當開剝光纜準備端接時，這減少了現(xiàn)場工人的清潔工作。然而，這種半干式光纜，套管中依然采用油膏填充，這種油膏不僅提供了阻水效果，同時由于其自身的高粘度系數(shù)性能提供了光纖和套管很好的耦合作用。

　　2000年以后， 隨著SAP技術(shù)和光纜工藝技術(shù)的進步，使得光纜套管中的填充油膏可以完全去除，使用全干式阻水材料替代，如聚酯紗線和SAP纖維復合紗線，或聚酯紗線附著SAP顆粒，在松套管擠出過程中將這些阻水材料隨著光纖一起放入套管。這些進步大大減少了施工現(xiàn)場端接的勞動量，同時提供了更干凈的光纖表面，光纖的熔接質(zhì)量更好。全干式光纜設(shè)計的演進，如今在北美市場，幾乎所有的運營商都選擇全干式光纜。此外，北美一些大的光纜供應(yīng)商都以全干式光纜產(chǎn)品為主要產(chǎn)品。圖1是北美市場全干式光纜和油膏填充式光纜接受比例。而且，在日本市場，99%的光纜都是采用全干式技術(shù)。

　　目前，市場上使用的全干式光纜，大部分采用阻水紗線和阻水帶阻水，在松套管中放置阻水紗，很多出版刊物和文獻資料對這些全干式光纜有詳細的介紹。但是，本文研究的是另一種新型的全干式技術(shù)，在光纜松套管中填充少量SAP樹脂粉末達到全截面阻水效果，這一技術(shù)還鮮有報道。SAP全干式技術(shù)，比阻水紗線提供了多方面的優(yōu)勢。最初采用SAP粉末的目的是，在更理想的張力窗口下，可以有效的減少松套管尺寸。光纜套管中使用傳統(tǒng)阻水紗線時，需要更大的松套管來減小阻水紗線對光纖的負面作用，或者減少光纜可以使用的環(huán)境范圍。通過采用SAP粉末，套管可以做到尺寸更小，同時這種光纜安裝更容易、更快捷、更安全[3]。采用SAP阻水技術(shù)的全干式光纜，除了以上優(yōu)勢以外，光纜的維護性能和耐久型遠超過行業(yè)標準對光纜的要求。

　　隨著新材料的引入和光纜新型設(shè)計的演進，現(xiàn)有的行業(yè)標準對有些關(guān)鍵的性能指標難以準確的測試盒表征，需要開發(fā)額外的測試來評估這些關(guān)鍵性能。本論文闡述了這些測試方法并提供相關(guān)數(shù)據(jù)來顯示全干式光纜技術(shù)的可靠性。

　　1.2高吸水樹脂

　　目前用于全干式松套管中的高吸水樹脂是一種含有親水集團的交聯(lián)聚丙烯酸，以鈉鹽中和。與水接觸時，SAP吸收水分通過滲透壓和氫鍵。由于SAP樹脂內(nèi)部和被侵入液體之間鈉離子濃度的差異產(chǎn)生的滲透壓，SAP樹脂內(nèi)部和外部離子濃度趨向平衡，從而快速捕獲入侵的水分。SAP樹脂分子鏈是線性的，分子鏈上的羧基基團有50%-70%以鈉鹽的形式存在。當接觸水時，SAP分子鏈上羧基游離成帶負電荷的羧酸根離子。離子間的負電排斥力使得SAP分子展開，同時大量的羧酸根與外部的水分形成氫鍵結(jié)合，從而SAP形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸收大量的水分。圖2是SAP分子吸水機理示意圖。

　　影響SAP吸水性能的兩個因素：

　　1,水溶液中離子濃度

　　2,高吸水樹脂的交聯(lián)度

　　用于光纜中的SAP通常是輕交聯(lián)度的樹脂，這有助于最大化的吸水能力。因此，這種SAP樹脂的吸水膨脹性能主要取決于水溶液中離子濃度。當水中含有帶正電的離子，這些正電離子吸引到SAP樹脂中羧酸根離子上，從而降低了SAP樹脂的吸水膨脹性能。這就解釋了為什么隨著離子濃度增加，SAP吸水性能下降。一個典型的SAP樹脂可以吸收其自身體積300被的去離子水或自來水;但在1%氯化鈉溶液中只能吸收其自身體積的30到40倍;在1%氯化鈣溶液中，其吸收水量更小。

　　對于光纜來說，其填充的阻水材料必須具有快速的吸水速率和一定的吸水能力，以便快速阻止水分蔓延。此外，阻水材料還需要有一定的強度，以便在壓力水環(huán)境下阻止水分蔓延，行業(yè)標準要求，1米水柱壓力下，保持24小時不滲漏。

　　2,測試

　　在光纜松套管中采用高吸水樹脂(SAP)作為阻水材料是一種新型的設(shè)計，現(xiàn)有的光纜行業(yè)標準不能全方面的表征其有效性和可靠性。本文開發(fā)了一系列的測試程序，以便更有效地表征這種全干式新型光纜的可靠性能。

　　以下是本文考慮的一些潛在的性能測試：

　　1,SAP樹脂粉末是否會從套管中脫落?是否會污染工作環(huán)境或存在健康和安全風險?

　　2,與其他全干式光纜相比，此光纜在接續(xù)時如何操作?

　　3,光纖是否能夠與套管有效耦合，以確保使用過程中光纖余長穩(wěn)定均勻?

　　4,SAP粉末顆粒會刮傷光纖涂層嗎?

　　5,在一些極端環(huán)境下阻水效果，包括在鹽水中的阻水效果?

　　6,當在零度以下的冰凍條件下，SAP吸水冰凍后光纖附加衰減?

　　7,隨著光纜的老化，其機械性能變化

　　2.1 SAP粉末是否會脫落污染工作環(huán)境和危害健康?

　　雖然松套管中SAP樹脂的量很少，但也可能存在潛在的風險，SAP粉末是否會脫落污染一些敏感的儀器或危害到敏感性體質(zhì)人群的健康?SAP粉末脫落性能測試程序如下。

　　a)SAP粉末脫落測試

　　這個測試是用來模擬光纜安裝工人在接續(xù)操作過程中，SAP粉末脫落的可能性。同時，選擇了采用阻水紗線的全干式光纜作為對比，因為阻水紗線全干式光纜從2000年到現(xiàn)在一直在使用，而且證明是安全可靠的。

　　測試光纜樣品長度2米，兩端開口，從15cm高度上豎直跌落到預先稱量的干凈容器中，每段樣品豎直跌落5次。然后，稱量收集的重量。同時，使用了阻水紗線全干式光纜同樣的測試。

　　測試結(jié)果：采用0.1mg精度天平稱量，SAP全干式光纜和阻水紗全干式光纜兩種樣品，收集器皿重量前后都沒有變化，都沒有任何的粉末脫落情況。因此，可以判斷兩者都不會污染工作環(huán)境。

　　b)健康和安全性評估

　　盡管SAP粉末不會從套管中脫落，那么在接續(xù)操作過程中可能接觸到SAP粉末，因此，需要進一步測試SAP粉末是否存在健康和安全方面的風險。

　　本測試由第三方測試機構(gòu)評估SAP粉末的工業(yè)衛(wèi)生健康。本研究的目的是確定全干式光纜處理過程的三個階段SAP的可吸入濃度。光纜接續(xù)的三個階段，第一階段，開剝光纜，取出套管;第二階段，去除套管，準備光纖熔接;第三階段，安裝區(qū)域的上方。為了模擬最壞的情況，本實驗接續(xù)光纜數(shù)量是平時接續(xù)環(huán)境下的2.5倍。

　　呼吸道塵埃樣本收集，使用BGI氣旋連接到每分鐘2.2升的采樣泵。樣品被收集到酸沖洗的2微米聚四氟乙烯過濾器。采用OSHA ID125G樣本的分析方法。這項研究的測試結(jié)果如下表：

　　表1 空氣中監(jiān)測到SAP濃度

　　結(jié)果表明，在實驗操作車廂內(nèi)，可呼吸的塵埃濃度遠遠低于制造廠商推薦的濃度限值，因此，這種光纜的接續(xù)操作過程不存在危害健康。

　　2.2 SAP全干式光纜的接續(xù)

　　最初設(shè)計這種全干式光纜的目的是提高全干式光纜的接續(xù)效率，因為沒有油膏，開剝和準備接續(xù)光纖時不需要擦拭油膏，節(jié)省了大量的時間[3]。通過使用SAP可以去除阻水紗線，減小套管的尺寸，也會進一步提高接續(xù)效率。

　　本研究對比了以下幾種接續(xù)環(huán)境，光纜端接、中間下線、松套管接入、熔接托盤和光纜接頭盒。標準的工具和操作程序，按照行業(yè)技術(shù)標準要求準備光纜接續(xù)工作，取平均時間進行評估。對比采用阻水紗線和采用SAP樹脂的兩種全干式光纜接續(xù)準備時間。

　　這兩種全干式光纜的接續(xù)準備時間相當，然而，SAP松套管處理過程中顯示明顯的優(yōu)勢，彎曲半徑更小，彎曲更靈活，不容易彎折。

　　2.3 光纖與松套管耦合

　　對于還沒有絞合的直線松套管，光纖和松套管之間幾乎沒有耦合力。光纜中光纖與松套管如果不能有效地耦合，其運行風險很高，光纖余長不穩(wěn)定，將導致光纖損耗增加。因此，在各種條件下，光纖與松套管之間的耦合力非常關(guān)鍵。

　　a)光纖在光纜中的耦合力值測試

　　光纖在光纜中靜態(tài)耦合力值測試方法：拉力測試機，從不同長度的光纜樣品中將光纖拉出，測量光纖的拉出力值，同時與油膏填充光纜進行對比。確保測試光纜樣品平直和水平放置，如圖3所示，從一端開剝出約1米的光纖，將光纖固定在負載夾具上，將光纖以100±25mm/分鐘速率水平拉出，當負載力值不再增加時停止實驗。

　　與采用阻水紗線和油膏填充式的光纜結(jié)構(gòu)相比，松套管采用SAP樹脂的光纜中光纖的耦合力值最好。所有測試樣品長度小于5米，太長的光纜樣品會導致光纖拉斷。隨著套管內(nèi)徑減小，光纖在光纜中的耦合力值增大。

　　圖4顯示不同結(jié)構(gòu)樣品光纖在光纜中的耦合力值。光纖力值大于150N以上將不再測試，因為超過150N以上，光纖容易被拉斷。根據(jù)圖4所示，松套管采用SAP的光纜，光纖耦合力值最大。

　　b)垂直安裝和震動條件下光纖衰減

　　當光纖耦合力值很小時，對于垂直布放的光纜，尤其存在震動的情況下，光纖容易下移。這種光纖的移動導致頂部光纖受拉力、損耗增加，而底部光纖余長過大受壓應(yīng)力容易斷纖。通過兩個方面的測試來評估此光纜垂直布放的適應(yīng)性能，一是測量光纖的相對位移，另一個是測量光纖損耗。

　　將光纜垂直懸掛10米長度，并在頂部放置一個震動源，震動時間持續(xù)1小時，分別從頂部和底部測量光纖的位移。同時，對阻水紗全干式光纜結(jié)構(gòu)做相同的測試，對比測試結(jié)果。第二個測試，每15分鐘測試光纖損。

　　光纖位移量如下表2：

　　相對于測試光纜的長度，光纖位移量微乎其微，這兩種光纜的位移量相當，因此，在震動和垂直布放時，SAP光纜性能類似于阻水紗全干式光纜。在第二個測試中，兩種光纜的損耗沒有明顯變化，這進一步證明SAP全干式光纜可以垂直布放。

　　2.4 SAP粉末是否擦傷光纖涂層?

　　在松套管中，SAP顆粒與光纖直接接觸。為了確保SAP均勻分散和良好的工藝條件，對SAP顆粒的大小和均勻性有一定的要求，在生產(chǎn)和使用過程中，這種SAP顆粒是否會擦傷光纖涂層呢?在沒有經(jīng)驗的情況下，需要通過測試來評估這一風險。

　　如圖4將光纜兩端固定安裝，兩端安裝在可以加載張力的設(shè)備上，中間繞過動滑輪，中間滑輪可以來回拉動，中間滑輪的尺寸最好選擇20倍光纜直徑，以模擬現(xiàn)場安裝環(huán)境，在這種運動過程中，套管中的光纖和SAP顆?？赡艽嬖谀Σ磷饔谩?/p>

　　光纜的兩端標準夾具固定住。將光纜拉倒最大允許拉力下，測試光纖損耗作為基準線。然后，來回移動輪子10次，停止后再測試光纖衰減。

　　對比滑輪滑動前后光纖衰減，沒有明顯差異，說明沒有光纖損傷或斷裂。進一步檢查套管中光纖，在高倍顯微鏡下觀察其表面，沒有發(fā)現(xiàn)擦傷和裂紋痕跡，這進一步說明光纖沒有損害。

　　2.5 SAP樹脂的阻水效果

　　SAP樹脂的主要作用是阻止水分進入光纜，而且需要迅速阻水。如果水分滲透到核心設(shè)備中，可能會損傷敏感的傳輸設(shè)備，造成很大的損失。在標準FOTP-82中對滲水測試要求使用自來水，然而，在現(xiàn)場條件下，光纜實際應(yīng)用環(huán)境中，可能存在不同離子濃度的鹽水。本文前面介紹了SAP樹脂吸水性能對鹽水濃度敏感，因此，本文設(shè)計了實驗來測試光纜在鹽水環(huán)境下的阻水效果，而且，SAP吸水后膠體需具備一定的強度，以便達到長久的阻水效果。

　　a)極端條件下的滲水測試

　　松套管中采用SAP的全干式光纜完全能夠通過24小時滲水測試(依照GR-20標準測試，光纜測試長度1米，1米高水柱)。然而，SAP是親水性質(zhì)的，需要考慮經(jīng)過更長的浸水時間，水分是否會繼續(xù)滲入。本文將測試時間延長到35天， 1米長度的光纜樣品，在1米高度水壓下，測試水柱使用3%氯化鈉鹽水，以便考察其的長期滲水穩(wěn)定性。測試結(jié)果如圖6所示。

　　依據(jù)圖6的測試結(jié)果，光纜樣品經(jīng)過35天滲水測試后，水滲入的長度小于1米， SAP全干式光纜在自來水和鹽水環(huán)境下，滲水性能、吸水速率、長期阻水效果遠遠優(yōu)于行業(yè)標準，證明是長期可靠的。

　　b)高壓水下滲水測試

　　行業(yè)標準中規(guī)定的滲水測試水壓力為1米水柱(相當于1.4PSI壓強)。為評估SAP全干式光纜在高壓水下阻水能力，本文設(shè)計了更高水壓下滲水測試。

　　將SAP全干式光纜樣品接到壓強為50PSI和77PSI的水柱環(huán)境下，本實驗使用兩種水柱，自來水和3%的氯化鈉溶液。測試后，將光纜開剝，觀察纜芯滲水長度和松套管中滲水長度，記錄結(jié)果列于表3，結(jié)果表明SAP即使在高壓水環(huán)境下依然能達到有效的阻水性能。

　　表3 高壓水下滲水測試結(jié)果

　　c)高溫水環(huán)境下滲水測試

　　本文還研究了再高溫水環(huán)境下阻水效果，當護套破損水滲入光纜時，有些地區(qū)夏季水溫較高，本文設(shè)計了實驗來考察SAP全干式光纜在50℃水環(huán)境下阻水效果。將多跟30米的松套管插入50℃水柱下，水柱水溫恒溫，水柱高度1米，持續(xù)測試32天，每隔一周取出一根樣品觀察滲水長度。測試結(jié)果列于圖7。

　　圖7 測試結(jié)果顯示，即使在這種極端條件下，松套管滲水長度小于1米，這證明SAP全干式光纜在高溫環(huán)境下依然具有很好的阻水效果，然而，光纜實際應(yīng)用環(huán)境不太可能接觸到50℃這么高溫度的水。

　　2.6松套管中SAP吸水冰凍后對光纖衰減影響?

　　在某些極端的情況下，當光纜破損，水分浸入，SAP吸水膨脹，然后在低溫下冰凍，這可能會影響光纖的衰減。本實驗設(shè)計用來測試這種極端條件下，SAP全干式光纜中光纖附加衰減。

　　為了增加全干式光纜中SAP吸水長度，本實驗將光纜樣品剝開，去除護套，切開松套管，用注射器將自來水注入松套管，然后在-40℃下冰凍，同時監(jiān)測光纖衰減。

　　實驗結(jié)果測得在1550nm處光纖附加衰減0.001Db/km，這表明，在-40℃下冰凍，光纖沒有明顯附加衰減。同時，也測試了采用阻水紗的全干式光纜樣品，兩者實驗結(jié)果相當，光纖都沒有明顯附加衰減。采用阻水紗的全干式光纜已經(jīng)在市場上大批量使用了十多年，實踐驗證，其阻水效果良好。

　　2.7光纜老化后是否影響其機械性能?

　　將這種SAP阻水的全干式光纜，依照Telcordia GR-20和ICEA-640做溫度循環(huán)測試和老化測試，并對老化后的樣品測試全套機械性能，對比光纜老化前和老化后機械性能變化。

　　實驗結(jié)果顯示，老化前和老化后的樣品光纜，所有機械性能測試中，光纖應(yīng)變和光功率沒有顯著差異。因此，可以判斷光纜老化后，全套機械性能符合要求。

　　3.總結(jié)

　　全干式光纜大批量商用已經(jīng)十多年了，沒有任何報道因阻水材料出現(xiàn)問題。隨著光纜新型設(shè)計的演進，現(xiàn)有的行業(yè)標準測試方法難以表征其長期可靠性能，需要根據(jù)材料的特性和結(jié)構(gòu)特性開發(fā)一些額外的測試程序。如本文描述的，通過這些新型的測試評估，這種新型的SAP全干式光纜，比阻水紗線全干式和傳統(tǒng)油膏填充式光纜都更具有優(yōu)勢。更好的環(huán)境友好特性和安全可靠性能使得全干式光纜成為美國市場上首選結(jié)構(gòu)。這種新型全干式技術(shù)，采用SAP粉末阻水的全干式光纜，在結(jié)構(gòu)和使用方面，比阻水紗線全干式和傳統(tǒng)油膏填充式光纜都更具有優(yōu)勢。

　　4.感謝

　　感謝康寧所有為全干式光纜做出貢獻的人員。

　　參考文獻

　　【1】K. Temple, A. Bringuier, D. Seddon, R. Wagman “Update: Gel-Free Outside Plant Fiber-Optic Cable Performance Results in Special Testing”, IWCS Proceedings, p. 561 (2007).

　　【2】C. Clyburn, “Long-Term Stability of a Superabsorbent Gel for Water-blocking Performance”, IWCS Proceedings, p. 147 (2010).

　　【3】N. German, J. Rowe, C. Quinn, “Performance of a Totally Dry Gel-free Stranded Loose Tube Cable Design”, IWCS Proceedings, p. 70 (2004).

　　作者簡介

　　Catharina(Kitty)， Tedder,，女，康寧光纜系統(tǒng)材料專家，高級工程師，她從事光纜制造30年。

　　Chris Quinn，男，康寧光纜系統(tǒng)材料研發(fā)經(jīng)理，1999年加入康寧系統(tǒng)。

　　Dave Seddon，男，康寧光纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計專家，高級工程師，從事電纜和光纜設(shè)計40多年，獲得24項光纜領(lǐng)域的專利。

　　Mike Ellwanger，男，1991年加入康寧光纜系統(tǒng)，高級工程師，產(chǎn)品經(jīng)理。