Дослідження питань старіння оптичного волокна
Волоконно-оптичні кабелі застосовуються в Україні ось уже понад два десятки років і відповідно деякі думаючі люди починають задаватися питаннями: "Теоретично термін служби волоконно-оптичних кабелів становить 25 років, а як ця цифра узгоджується з практикою? Чи доведеться в найближчому майбутньому змінювати кабелі, прокладені в 90-х роках?Чи стикався хтось із виходом оптики з ладу через старість?"
Справді, цифра 25 років фігурує в технічних умовах компаній-виробників оптичного кабелю. Незважаючи на те, що кабельна промисловість постійно розвивається, розробляються нові матеріали для кабелів, значення 25 років залишається поки незмінним. Як у нових технічних умовах, так і в старих, (наприклад, ТУ К04.037-98 ТОВ "Саранськкабель-Оптика" від 1998 р.) фігурує цифра 25.
Важливо зазначити, що термін служби встановлюють у ТУ на кабелі конкретних марок. Залежно від конструкції кабелю та області його застосування значення терміну служби може змінюватись від 2 до 45 років (що затверджено в ГОСТ Р 52266-2004). Наприклад, оптичних кабелів зв'язку виробництва ЗАТ " ОКС 01 " (м. Санкт-Петербург) вказується термін служби 40 років. Не варто плутати мінімальний термін служби, що вказується виробниками, 25 років з гарантійним терміном. Останній, як правило, складає 2 роки з дня введення в експлуатацію та його обчислюють з дати введення кабелю в експлуатацію, але не пізніше ніж 6 місяців з дати реалізації кабелю заводом-виробником.
На сайті Інтегра-Кабель можна знайти наступну фразу, що зустрічається також і в ТУ: "Термін служби оптичних кабелів, включаючи термін зберігання, при дотриманні вказівок з монтажу та експлуатації та за відсутності впливів, що перевищують зазначені в технічнихумовах, щонайменше 25 років". У цій фразі варто звернути увагу на наступні два моменти. По-перше, заявлений термін служби кабелю буде близько 25 років тільки при дотриманні всіх технічних режимів виготовлення ОВ, при дотриманні технології прокладання та монтажу кабелю, а також при забезпеченні належного захисту волокон від атмосферно-кліматичних та механічних впливів у процесі експлуатації, на оптичний кабель можуть впливати циклічна зміна температури, плісняві гриби, роса, дощ, іній, соляний туман, сонячне випромінювання та ін.
1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg" />
По-друге, термін служби 25 років входить термін зберігання кабелю на барабані. Відповідно до тих же технічних умов, мінімальний термін зберігання кабелів при зберіганні в опалюваних приміщеннях – 25 років; у польових умовах під навісом – 10 років.
Для тих, хто з оптикою особливо не знайомий, коротко пояснимо перший момент: як механічні навантаження, що впливають на кабель, а значить потенційно і на волокно, впливають на термін служби останнього. Скло прийнято вважати дуже тендітним матеріалом, не здатним витримувати різні механічні дії: розтяг, вигин тощо. Якщо ми візьмемо скляний циліндр, наприклад, лампи денного освітлення, очевидно, гнутися він не буде. Однак через свої мікроскопічні розміри, скляні волокна досить добре згинаються. Також волокна досить міцні на розтягування. Межа міцності волокна на розрив перевищує ту ж величину для сталевої нитки ідентичного розміру. Більше того, мідний провідник повинен мати вдвічі більший діаметр, щоб забезпечити ту саму межу міцності, що й волокно.
Основна причина, що зумовлює крихкість волокна – наявність мікротріщин на поверхніта дефектів усередині волокна. При цьому поверхневі тріщини більші (Рис. 2). Вони можуть зростати під впливом навантаження, що додається до волокна (волокно піддається навантаженням під час виробництва кабелю, його прокладки, монтажу та подальшої експлуатації).
1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg" />
Теоретична міцність волокна на розтяг становить 20 ГПа (або 20 кН/мм2). Насправді через різні дефекти, міцність набагато нижча – близько 5 ГПа (або 5 кН/мм2). Щоб перевірити, наскільки це значення відповідає дійсності, було проведено експеримент, метою якого було визначення значень гранично допустимого навантаження на розрив сучасних волокон G.652 і G.657. Відразу варто відзначити, що експеримент проводився на "побутовому рівні", без застосування вивіреного високоточного вимірювального обладнання. Тому про високу точність одержаних результатів ми не говоримо. Як рушійної сили виступав інтерес, вимірювальна установка збиралася "на коліні". Звичайно, подібні випробування проводяться при виготовленні волокон, але ці відомості нам недоступні. Експеримент полягав у наступному. Було взято 20 відрізків волокна серії G.652 SMF28+ Conring inc. (рис. 3) та 10 відрізків волокна серії G.657. Для кожного зразка виміряно значення гранично допустимого навантаження на розрив.
1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg" />
Після серії випробувань і розрахунків похибок вийшло, що середнє значення гранично допустимого зусилля, що розтягує, оптичного волокна G.652 Сorning становить 57,202 ± 1,170 Н, середнє значення гранично допустимого розтягуючого зусилля волокна G.657 - 62,2 ± 0.результатам можна дійти невтішного висновку у тому, що волокна G.657 трохи міцніше на розрив оптичних волокон G.652. Цей результат пояснюється наявністю в конструкції ОВ G.657 щільного буферного покриття. Якщо цей експеримент викликав у вас інтерес, у майбутньому можу уявити його з усіма подробицями.
З впливом механічних навантажень на міцність волокна начебто все гранично зрозуміло, але чому термін служби кабелю входить термін зберігання. Невже псується волокно з часом, навіть якщо не експлуатується?
Справа в тому, що крім механічних впливів, на термін служби волокна також впливають температурні зміни, хімічні дії, перепади вологості та багато інших факторів. Усі вони призводять до появи дефектів.
Отже, відповіді питанням, скільки прослужить оптичний кабель, необхідно вивчити ступінь впливу волокно безлічі чинників. Тому далі розглядатимемо це питання поетапно з різних сторін. Почнемо з питання, як старість волокна впливає з його граничну міцність на розрив.
Дослідження граничної міцності на розрив старого волокна
Дане дослідження проводили нещодавно в компанії Corning. Необхідна міцність волокна гарантує можливість його експлуатації.
Для проведення такого роду дослідження необхідно штучно зістарити волокна. Старіння волокон в лабораторії - це процес, за допомогою якого волокно міститься в умовах підвищеної температури та вологості, з метою прискорення процесу старіння та утворення на його поверхні мікроскопічних дефектів.
У цьому експерименті метою випробування волокон на міцність є отримання граничних значень розрив. Розподіл значень міцності на розрив волокна залежить від довжини зразка, швидкостірозтягування та умов навколишнього середовища. Результати подають у вигляді статистичного розподілу. Випробування волокон проводиться після витримки зразків у спеціальній камері штучного клімату при заданій температурі та вологості.
Опис проведення експерименту
Наведемо опис кліматичних умов, що створювалися у лабораторній камері для навмисного старіння волокна. Процес прискорення старіння проходив у два етапи: у кліматичній камері та у природних умовах.
Лабораторні випробування містили такі етапи:
1) протягом 15 днів кабель утримувався в умовах циклічної зміни температури, пікове значення досягало 70°C;
2) на 7 днів кабель занурювався у воду, температура води 80 ° C;
3) 5 тижнів зберігання кабелю в умовах підвищеної температури та вологості (при відносній вологості 94% та температурі 80°C).
Старіння в умовах природного довкілля: кабель був намотаний на дерев'яній котушці і зберігався без захисту на відкритому просторі більше 2 років.
Такий комбінований вплив методів прискорення процесу старіння волокон у лабораторії та під дією навколишнього середовища можна вважати досить серйозним. Це підтверджує той факт, що в результаті даних маніпуляцій повністю зруйнувався барабан і перед тестуванням необхідно було перемотати кабель на іншу котушку.
1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif" />
Для тестування було обрано волокна з тих ділянок кабелю, які найбільш віддалені від осі кабельного барабана, тобто. які безпосередньо контактували із зовнішнім агресивним середовищем.
Від тестованого кабелю були відрізані шматки завдовжкиприблизно два метри, з яких було акуратно вилучено волокна. З волокон ретельно видалено гідрофоб тканиною Kimwipe просоченої D-гелем. Після очищення всі волокна підвішені вертикально. Дані роботи проводилися при відносній вологості повітря 45% та температурі 23°C.
Тестування на міцність було здійснено за допомогою стандартної вимірювальної установки. Число екземплярів – 15. Розрахункова довжина волокон – 0.5 метра, швидкість розтягування – 70% від довжини волокна за хвилину. Кліматичні умови – відносна вологість 45 %, температура 23 °C.
Результати тестування волокон на міцність наведено у Таблиці 2.
Як видно з таблиці, для різних зразків значення розтягуючого навантаження на розрив мають невеликий розкид. Середнє значення для стандартних волокон становить 545 кгс/мм2 (5.35 гПа), що відповідає вимогам. Таким чином, можна дійти невтішного висновку, що старіння кабелю не сильно погіршило міцності волокон. Ця величина знаходиться в допустимих межах і волокна придатні для подальшої експлуатації.
Висновок
Створені умови старіння волоконно-оптичного кабелю сильно не погіршили властивості волокна за міцністю на розрив. Отримані значення вважаються допустимими. Дані результати свідчать, що кабельні компоненти добре виконують свої захисні функції ОВ від прискореного старіння.
Деякі монтажники стверджують, що у роботі їм траплялися оптичні кабелі 93-94 років виготовлення та прокладки, яким особливо нічого не сталося, і вони продовжують працювати. Іншим траплялися старі кабелі, модулі яких буквально розсипались у руці. Звичайно, багато залежить від виробника кабелю, від матеріалів, що використовуються.для кабелю, їх якості, від дотримання технологій монтажу та ін. Загалом питання старіння ВОЛЗ є досить багатопрофільним. Навряд чи хтось зможе виразно сказати, наскільки з кожним роком збільшується згасання в волокні. У цій статті порушено лише невелику частину цієї проблеми. У майбутньому планується розглянути вплив кліматичних факторів на інші параметри волокна та термін його служби. Якщо у вас є досвід у цьому питанні або цікаві приклади, можете поділитися ними тут з колегами.