WCA MAY 2015

纤性能提升可能向终端用户掩盖张力 问题，而该问题可能导致长期机械可 靠性风险。 2.4 通过使电缆中使用材料最少化和 降低设计余量来缩减成本

20% 长期负荷、 0.69 京帕验证测 试纤维

40% 长期负荷、 0.69 京帕验证测 试纤维

20% 长期负荷、 1.38 京帕验证测 试纤维

1 公里光纤的失效概率

每公里 1.0 百万分之一

1,600 年

0.0 年

530 年 *

每 100 公里 1.0 百万分之一

16 年

0.0 年

5.3 年 *

很多架空电缆采用光纤零张力设计。 随着成本压力增大，设计工程师被迫 降低材料成本。随着光纤周围的强度 成分被移除，光纤开始承担部分通常 由电缆中强力构件承担的轴向应变。 设计工程师可能求助于各种电缆标 准，发现长期最大允许张力为验证测试水平的 20% 。 实际上，行业内就这些电缆的设计实践正在从通常安装后光 纤不承担任何负荷向允许光纤承担不超过验证测试水平的 20% 的方向转变。在此负荷水平上电缆可靠性的长期历史表 明这似乎是一项合理的决定。 前面一节中表明，通过允许光纤承担张力可以节省材料成 本。传统光纤验证测试强度为 0.69 京帕( 100 千磅平方英寸)， 按 20% 上限计算，纤维最大允许张力为 0.14 京帕。设计工程 师可以选择使用更强的验证测试纤维，比如 1.38 京帕( 200 千 磅平方英寸)纤维，按 20% 上限计算，纤维最大允许张力可以 增加到 0.28 京帕。通过允许电缆承受更大张力，使光纤分担 的张力加倍，从而进一步缩减光学电缆所用材料。最终结果 是使光学电缆成本更低。 2.6 调整后的光学电缆设计标准的联合效应 所有这些趋势合起来可能导致对服务提供商不太理想的局 面。虽然通用标准允许的纤维张力更强，但是由于使用的是 G.657 纤维，张力并不影响衰减。最终结果可能是对光学电缆 的光纤施加了高达 0.28 京帕的长期张力。同时，人们仍然预 期这些纤维能够使用 30 年以上而不破损。这种情况考验可靠 性理论的极限，在其实施前应当加以更仔细的考量。 3 现行允许张力标准的来源 电缆设计的现行经验法则是最大允许张力不超过验证测试水 平的 20% 。这条标准来源于二十世纪九十年代 [2,3] 所做的可靠 性工作。 在那些研究中，作者表明长期性能与验证测试压力有关，但 这假定存在一定的验证测试失败可能性。后来，他们观察多 个应力腐蚀参数，用 50 千磅平方英寸和 100 千磅平方英寸验证 测试纤维，以表明它们的近似值是确保长期可靠性的一个合 理的、保守的方法。这项工作使光纤行业向前迈出了重要的 一步，为向目前的验证测试水平转变提供了支持。 不幸的是，这项研究有一个关于光纤缺陷分布（具体来讲就 是验证测试时纤维断裂的可能性）的关键假定。这种可能性 不稳定，对于不同条件下或采用不同原材料生产的光纤有很 大区别。图 1 显示了作者的某工厂生产的石英纤维的失效概率 曲线，采用 10 米的计量长度来图解光纤缺陷范围。 该图显示有两个区域：区域 1 （内在强度）和区域 2 （外力强 度）。这条曲线说明了为预测长期纤维可靠性需要刻画的主 要区域。区域 1 为高内在强度区域。被测纤维的玻璃内在强度 为 ~4.6 京帕，明显高于卓讯 GR-20 推荐的 3.1 京帕的上限。该 区域中的短期计量长度强度测试可以用于决定 n 值，被测纤维 的 n 值高于 20 。为了确保电缆的长期可靠性，内在强度和 n 值 通常由终端用户指定。 不幸的是，区域 2 所示的外在部分在定义光缆的长期可靠性 方面起着重要作用。这个区域包含的缺陷更接近验证测试水 平，这些缺陷可能隔数公里出现一次。 2.5 目前可采用 1.38 京帕 （ 200 千磅平方英寸）的更强验证测 试纤维

* 验证测试水平从 0.69 京帕升至 1.38 京帕，失效率有很大差异

❍ 表 1 : 失效概率对比（一百万分之一寿命）

随着时间的推移，如果电缆持续受到压力，这些缺陷就可能 变成纤维断裂。要理解这个区域需要的信息，只有通过测量 很长公里数的纤维才能收集到。更高的验证测试水平能够避 免光纤中出现一些更严重的缺陷。 然而，由于缺乏更多关于光纤整体缺陷分布的信息，对已架 设电缆中光纤可靠性的精准效应很难测定。阐明这一点的途 径之一是用比光纤内在强度稍低的水平，或者约 3.8 京帕( 550 千磅平方英寸)进行光缆验证测试。 如果将实验中截取的一条 1,000 米光纤样本置于 110 千磅平方 英寸的恒定应力环境中，这条光纤很可能在一天之内就会断 裂，或者远远早于 40 年的预期寿命。虽然这个例子是极端情 况，但突出表现了掌握决定可靠性的复杂等式是何等重要。 4 国际电工技术委员会( IEC )技术报告关于 可靠性的指南 国际电工技术委员会 [4] 公布的可靠性模型是目前公认的可靠 性模型之一。该组织报告中提出了一个预测光纤寿命的公 式——经过验证测试的光纤的寿命等式。该等式可以表示为 下列表达式：

其中：

t

f 代表失效时间（寿命） t p 代表验证测试时间 σ p 代表验证测试应力 σ a 代表作用应力 F 代表失效概率 N p 代表验证测试破损率 L 代表张力作用下的长度 m d n 代表应力腐蚀参数

代表威布尔动态疲劳m参数

这个表达式很复杂，但是我们可以得到几个观测值。

图 1 表明作用应力越强，失效概率越高。因此， F 等式中失效 概率变量与作用应力变量 σ a 直接相关。由验证应力的 20% 推 导出长期最大允许负荷的传统经验法则假定这两个变量是独 立的，与图 1 不一致。为了充分掌握失效概率和作用应力之间 的关系，必须检测长达数百公里的光纤。 表 1 给出了三种场景的对比结果。第一种是 0.69 京帕验证测试 纤维，长期负荷为验证测试负荷的 20% 。

我们用下列生成的数值代入等式 1 中：

n

=20

d

m

= 2.5

d

t

= 0.05 秒

p

N p = 每 250 公里 1 处破损

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Wire & Cable ASIA – May/June 2015