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)應用經過了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)在是時候總結全干式光纜的現(xiàn)場應用性能，同時相關的行業(yè)標準也在隨著全干式技術的演進而更新。

　　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及長期可靠性，這是一種全新的光纜制造技術，與以往的全干式光纜相比，具有結構更小、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，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用環(huán)境變化的驅動。在過去，大部分光纜部署用于跨國跨省長途干線網絡，那時光纜接續(xù)還不頻繁，接續(xù)量不大。然而，一旦光纖網絡進入接入網和配線網絡，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。這一技術主要起源于日本，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，全干式光纜技術在全球產生了日益濃厚的興趣。起初，很多光纜生產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技術和光纜工藝技術的進步，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，光纖的熔接質量更好。全干式光纜設計的演進，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商都以全干式光纜產品為主要產品。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。

　　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，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，這一技術還鮮有報道。SAP全干式技術，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計的演進，現(xiàn)有的行業(yè)標準對有些關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鍵性能。本論文闡述了這些測試方法并提供相關數(shù)據(jù)來顯示全干式光纜技術的可靠性。

　　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樹脂內部和被侵入液體之間鈉離子濃度的差異產生的滲透壓，SAP樹脂內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合，從而SAP形成網絡結構，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。這項研究的測試結果如下表：

　　表1 空氣中監(jiān)測到SAP濃度

　　結果表明，在實驗操作車廂內，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構相比，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。隨著套管內徑減小，光纖在光纜中的耦合力值增大。

　　圖4顯示不同結構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構做相同的測試，對比測試結果。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?。

　　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備中，可能會損傷敏感的傳輸設備，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是親水性質的，需要考慮經過更長的浸水時間，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。測試結果如圖6所示。

　　依據(jù)圖6的測試結果，光纜樣品經過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，記錄結果列于表3，結果表明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。測試結果列于圖7。

　　圖7 測試結果顯示，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

　　全干式光纜大批量商用已經十多年了，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)材料的特性和結構特性開發(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構。這種新型全干式技術，采用SAP粉末阻水的全干式光纜，在結構和使用方面，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)經理，1999年加入康寧系統(tǒng)。

　　Dave Seddon，男，康寧光纜系統(tǒng)結構設計專家，高級工程師，從事電纜和光纜設計40多年，獲得24項光纜領域的專利。

　　Mike Ellwanger，男，1991年加入康寧光纜系統(tǒng)，高級工程師，產品經理。