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總長90萬公里的海底光纜如何抵御海水腐蝕？

2022-04-01 14:12:01 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

今天小編要介紹一個很有趣的東東——海底光纜。

大家應該都知道海底光纜是什么吧？聽名字就懂啦，就是埋在海底的光纖線纜。

如今這個時代，我們每天都在上網。通過上網，我們可以隨時和世界各地保持聯系，進行信息交換。

而我們上的這個網，就是互聯網（Internet）。Internet之所以是inter+net（網絡與網絡相連的網絡），而不是Intranet（網絡內部的網），就是因為網絡之間的互聯互通。

而海底光纜，就是保證全球各大區域網絡之間能夠互聯互通的主動脈。

實際上，海底光纜的誕生時間并不算長。世界上第一條海底光纜，是1988年建好的，連通歐洲和美國，全長6700公里。這條光纜含有3對光纖，每對的傳輸速率為280Mb/s。

但是海底光纜的大哥，海底電纜，誕生時間就很悠久了。1850年英國和法國之間鋪設了世界第一條海底電纜。到今天，已經168年過去了，比電話的發明還早。

這百多年以來，人類經歷了三次工業革命，進入了信息技術時代，已經完全無法離開數據和數據通信。

而目前，全世界超過90%的跨國數據傳輸，都由海底光纜承擔。

根據最新的數據統計，全球的海底光纜總長達90萬公里，可繞地球22圈。

那么，大家有沒有想過，那么纖細嬌貴的光纖，究竟是怎么埋到那么深的海底去的？又是怎么保證在海底惡劣的環境中不被破壞的？萬一弄壞了，又該如何修理呢？

小編今天就帶大家一起，探索這一系列問題的答案。

海底光纜到底是什么樣的？

首先，我們先看看陸地上的光纜是什么樣子。

喏，就是這樣滴：

怎么樣，是不是比家里看到的光纖結實很多？

再來看看海底光纜：

是不是很夸張？里三層外三層，層層保護！

中間是頭發絲大小的纖芯

放個海底的實物圖，更直觀：

海底光纜，看上去有點像輸油管道

其實，海底光纜和陸地光纜最大的區別，就是它的“鎧裝保護”。

一般來說，“鎧裝保護”包括下面這么幾層：

典型海底光纜的結構解析

之所以要這么多層的保護，就是因為海底光纜面對的海底環境極其復雜嚴苛。

海底的威脅，比挖掘機可怕

首先是海水的腐蝕，這是最主要的問題。海水可是鹽水，長時間浸泡，一般的材料肯定早就爛了。

海底光纜的外層聚合物層，就是為了防止海水和加固鋼纜反應產生氫氣。即使外層真的被腐蝕，內層的銅管、石蠟、碳酸樹脂也會防止氫氣危害到光纖。氫氣分子的滲入，會導致光纖傳輸衰耗增加。

除了海水腐蝕之外，海底光纜還要承受海底壓力，以及自然災害（地震、海嘯等）、人為因素（漁民打撈作業）的重重考驗。

另外，鯊魚還沒事就跑來咬咬。

所以，如果沒有加強鎧裝保護，海底光纜肯定分分鐘就完蛋了。

話說回來，即便有這么嚴實的保護，海底光纜仍然不能永久使用。它的使用壽命，一般來說只是25年。說長不長，說短不短。

另外，關于光纜的粗細，和大家傳統的想法不同。現實中，越是淺水海域，鎧裝保護越嚴密，通常能有胳膊那么粗。反而是深水海域，幾乎不需要加強鎧裝，通常直徑不到20毫米。

為什么呢？因為淺水海域船只的威脅更大啊，深水海域人類想故意破壞都下不去。

海底光纜是如何工作的？

海底光纜，其實就是光纖，利用光在光導纖維中的傳播特性來傳輸數據。

但是，海底光纜又不是單純的一根光纖，它實際上是一個復雜的傳輸系統。

海底光纜系統由兩部分組成：水下設備和岸上設備。

水下設備，主要包括光纜、光放大器/中繼器和水下分支單元。

岸上設備，主要包括光纜終端設備、遠供電源設備、線路監測設備、網絡管理設備和海洋接地裝置等設備。

光纜終端設備負責兩端信號處理、發送和接收。檢測設備就是告警監控和故障定位等等。這些都很好理解。

那中繼器和遠供電源設備是干嘛用的呢？

眾所周知，盡管光纖速度快、帶寬足，但是信號傳送距離有限。由于光存在衰耗，它不能無限制的傳送下去。

所以，為了實現長距離傳輸，需要在中間加中繼器（信號放大器）。而中繼器，是需要用電的。所以，就要用到“遠供電源設備”。

遠程供電示意圖

如上圖所示，海底光纜系統在兩端的陸地上配置了遠供電源設備。它通過海底光纜上的遠供導體，向海底中繼器饋電，從而解決供電的問題。

這個供電采用的是高電壓、低電流的直流供電，供電電流1安培左右，可供電電壓可高達幾千伏。

所以說，如果你看到海底光纜的話，最好離遠一點。

我們來看看具體實物是怎樣的吧！

首先是中繼器：

吊著的那個，就是中繼器

很顯然，中繼器直徑比海底光纜大得多。

正是因為這家伙的尺寸限制了海底光纜的纖芯數量。因為光纜的纖芯越多，中繼器就會成比例的擴大，同時，對供電的要求也隨之加大。

順便提一下，海底光纜內含多對光纖。比如，Google在2016年6月份鋪設那條號稱史上最快的海底光纜（東接美國俄勒岡州，西接日本千葉縣和三重縣，全長9000公里），其纖芯就由6對組成，其容量為60Tb/s（100Gb/s x 100波長 x 6對纖芯）。

再看看岸上設備部分。

首先是遠端電源設備，供電幾千伏的電壓的電源機房到底長什么樣？

上圖左邊藍色的機柜就是遠端供電設備

這個藍色機柜里面實際上是由直流變換器組成，每一個變換器提供幾千伏直流電，且是N+1備份的。

當然，和所有的電源機房一樣，一定有電池備份，斷電時切換到電池電源。

成排的電池

還有碩大無比的柴油發電機。

再去看看線路終端設備機房。

海底光纜上岸后，是從這里冒出地面，接入陸地終端設備的（如下圖）。

這些黃色光纜接入到各種配線架。這些配線架實現對海底光纜線路的連接、分配和調度，并通過配線架連接到運營商的傳輸終端設備。

配線架機房

通過傳輸設備，再連接到各大數據中心。

也就是說，這里就是互聯網的出/入海口。

目前，我們國家大陸地區海底光纜一共有4個登陸點，分別是青島（2條光纜）、上海崇明（3條光纜）、上海南匯（3條光纜），還有汕頭（3條光纜）。

海底光纜到底是怎么鋪設的？

那么，海底光纜是怎么埋的呢？難道是直接往海里一扔，就可以了嗎？

顯然不是的。

海底光纜的鋪設工程，被世界各國公認為最復雜且困難的大型工程之一。

整個鋪設過程可以分為兩個部分，即淺海區域鋪設和深海區域鋪設。

我們先來看個動圖：

上面這個圖，就是海底光纜的鋪設過程（包括淺海和深海）。

其中在淺海區域，光纜敷設船停留在距離海岸數公里的位置，通過岸上牽引機的牽引，將放置在浮包上的光纜向岸邊牽引，然后拆除浮包，使光纜沉至海底。

淺海區域光纜鋪設

光纜敷設船

來個視頻介紹，看得更清楚：

這艘船由ABB公司建造，可以敷設和修復交直流電纜和光纜。船上需要運載大量的待鋪設光纜。目前最先進的光纜敷設船，可以載重兩千公里的光纜，并以兩百公里/天的速度鋪設。

而在深海區域，敷設船先使用水下檢測器搭配水下遙控車，進行水下監視和調整，以避開海底不平整、有巖石的地方。

水下遙控車

完成路線勘察之后，就要進行光纜鋪設。

這個時候，挖掘機上場了。

這就是挖掘機，有點像耕地的犁。實際上，它就是個犁。

挖掘機由敷設船拖曳前進。除了作為光纜沉入海底的配重物之外，它的工作分為三步：

第一步，利用高壓沖水在海底產生一條深約2米的溝槽；

第二步，通過光纜孔，將光纜放入溝槽之中；

第三步，借助旁邊的泥沙將光纜覆蓋好。

所以，總的來說，埋放光纜的過程就是勘查清理、海纜敷設和沖埋保護。

這個過程中，光纜敷設船要特別注意航行速度、光纜釋放速度，以控制光纜的入水角度以及敷設張力，避免由于彎曲半徑過小或張力過大而損傷光纜中脆弱的光纖。

再來個視頻：

海底光纜的鋪設過程

海底光纜如何進行修理？

最后一個問題，也是最麻煩的一個問題，光纜壞了該咋辦？

前面我說過，海底光纜的生存環境極其惡劣，時刻面對各種風險的威脅。一旦被破壞，相當于全球通信主動脈出問題，造成的影響不言而喻。

上世紀七八十年代，海纜很容易遭到捕魚船（拖網）、船錨、鯊魚的破壞。還好，隨著相關法規（禁止在海纜上方區域停船拋錨）和海纜防護能力的提升，這些破壞海纜的情況開始顯著減少。

但是，想要做到萬無一失顯然是不太可能的。像地震這種事情，你就是再怎么防，也防不住。

所以說，海底光纜的受損不可避免。修復海底光纜，也是維護單位的必備技能。

海底光纜的修復過程，大致可分為以下五步：

第一步，首先使用光時域反射儀（OTDR）來定位大致的故障位置，然后借助水下機器人，通過掃描檢測，找到破損海底光纜的精確位置。

光時域反射儀（OTDR）

OTDR使用時域反射原理，先收發一整套信號，斷裂位置會對信號有反射，將該回收的反射信號與應用數學算法計算得出的信號形狀以及時間作比較，從而定位出光纖破損的具體位置。

水下機器人（也叫遙控潛水器，ROV）

第二步，機器人將埋在海底的光纜挖出，然后將其切斷，分別將剪斷的兩端系上船上放下的繩子，拉出海面。

海底光纜修復過程

第三步，在船上完成修復熔接。這個熔接過程相當復雜，因為必須對光纜里的頭發絲粗細的光纖一根一根熔接。

光纜的光纖熔接

第四步，新的海底光纜連接完成后，還需經過反復測試，以確保通訊及數據傳輸正常。

第五步，將修復好的海底光纜重新拋入海中，然后使用機器人進行泥沙掩埋覆蓋。

這樣，就算是徹底修復完成了。

延伸閱讀：我國海底光纜結構、選材及防護

我國的海底光纜主要應用在沿海大陸架、內地江河湖泊跨越等場所，水深一般在500m左右，對這一地區使用的水下光纜要求必須有單層粗鋼絲或雙層鋼絲進行鎧裝保護。及以內的淺水區，因此光纜受人為的機械損傷較為頻繁。光纜經大張力拖拽后，要求其可靠。

當光纜受到40%額定抗拉力（RTS）拖拉后，要保證光纜中光纖的傳輸性能需基本良好，要求光纜中光纖基本不受力，這對光纜中光纖的余長和承受張力構件的鋼絲提出了更為嚴格的要求。

同時對光纜的抗側壓特性也提出了更加苛刻的指標要求。一般情況下，中高強度鋼絲具有一定的回彈性能，光纜承受40%RTS張力后應變基本能恢復，余長不會有很大損失。至于抗側壓性能提高，則要求纜芯設置在正中心，且纜芯單元在保證0.5%余長前提下其尺寸越小越好。這不僅能提高抗側壓能力，同時抗彎曲性能也好。為了保證光單元的長久壽命及性能穩定，海底光纜必須要有全密封的金屬管保護，由于海底光纜一經施工后終生都在水下工作，除了一般的淺水之外還會有含鹽度很高海水，因為只有全密封的金屬管才能保證透潮系數為零。

過去曾經有許多人把GYTA5333型光纜當作水下光纜，實際上這是一種錯誤的做法。檔潮層是開口的金屬管，不能做到透潮系數為零。所應將這種光纜長久應用在水下，是不能保證GYTA5333型光纜沒有全密封的金屬管保護光單元，雖然有鋁帶和鋼帶縱包，但這兩種金屬其壽命的。故GYTA5333型光纜是直埋加強型光纜，而不是真正的水下光纜。

通光海底光纜的結構設計與選材

中心管式海底光纜的主體結構分三部分，分別為纜芯、護套和鎧裝及外披層。

為了提高鋼絲的抗腐壽命，從光纜的結構上，應當避免鋼絲直接與海水接觸。因此在鋼絲鎧裝層中的間隙中及鋼絲的外層必須填充經過改性的瀝青，這種瀝青與鋼絲的粘結強度高、高溫不沾粘、低溫不發脆。因此鎧裝層中的間隙內緩沖層及雙層外被層聚丙稀繩子必須過盈填充瀝青。這樣鋼絲就不會與海水直接接觸，能大大提高其抗腐壽命。

萬一光纜被船錨鉤掛，光纜的外被層及瀝青保護層將受到一定程度的破壞，光纜局部區段會有鋼絲與海水直接接觸的可能，因此，鎧裝鋼絲的材料選擇也是十分重要的。

目前的鋼絲，一種是國產的合金鍍層鋼絲，其鍍層成份是鋅、鋁、鎂三種金屬的合金，其抗腐壽命比普通鍍鋅鋼絲提高約3.5倍，受到普遍歡迎。另一種進口的海纜鋼絲，其抗腐壽命也能在三十年以上，所以海底光纜的材質選擇也是提高其壽命極重要的一環。

（1）纜芯結構

通光海底光纜的纜芯，由不銹鋼帶縱包焊接，鋼管內填充不析氫的阻水纖膏，并使光纖在鋼管內有理想的余長，為了能保證光纜在斷開后，在高的水壓下有良好的阻水性能。鋼管一是為了檢驗其焊縫的焊接質量。二是為了獲得理想的設計余長，海底光纜的單根制造段長，內填充的纖膏其填充率要求在98%以上。鋼管經焊接之后，要連續對其冷拔，冷拔的作用，在一定程度上決定于鋼管的生產段長。

（2）護套結構與材料

海纜的護套，指不銹鋼管外的保護層，一般應采用進口的高密度聚乙烯材料。為了使鋼管與護套粘結牢靠，可以有兩種方案。一是對鋼管進行予熱后擠制；二是在護套與鋼管間擠一層熱熔膠，護套的厚度通常為3mm或更厚些。

（3）鎧裝及外披層

內層的護套及纜芯，使其提高抗沖擊抗側壓性能。海光纜的鎧裝層，有兩個作用，第一個作用是提供高的抗張力指標。第二個作用是保護。

為了獲取高的機械抗張力，鎧裝鋼線通常用強度較高的中碳鍍鋅鋼絲，要求鋼線在水中能耐腐蝕。外披層通常是聚丙烯繩繞扎達到緊固鋼絲的目的，外披層中包含大量瀝青以對鋼絲縫隙進行填充，使鋼絲不與海水接觸。從而提高鋼絲在海水中的抗腐壽命。瀝青要求在高溫時不過份軟化或滴流，在低溫時不發脆。通常選用進口的瀝青較好。根據海光纜的鎧裝鋼絲的粗度及層數，外披層可以選用單層聚丙烯繩繞扎，也可選用雙層聚丙烯繩繞扎。

中碳鋼絲繞絞后，盡管對其采取了予變形措施，但由于其硬度較低碳鋼線高，所以繞絞后，會存在一定的扭絞應力，這一應力易使光纖產生附加損耗，為了減小這種應力對纜芯的影響，通常在鋼絲與纜芯間，設置必要的緩沖層是一種很好的辦法。

根據以上分析，適用于500m水深以內的無中繼淺海光纜的結構見圖1和圖2。

有中繼的淺海光纜，需在不銹鋼松套管外縱包有縫紫銅管，紫銅管的截面積，需根據實際工程遠供電流的大小進行設計。適用于500m水深以內的有中繼淺海光纜的結構見圖3和圖4。圖片　

海底光纜的性能特點

（1）段長要求

海底光纜在水下，要求線路的可靠性高。敷設施工技術復雜。光纜在水下要求全線路徑向密封，且縱向具有一定的抗滲水性能。就此意義來看，接頭盒越少越好，光纜的段長越大越好。

海底光纜必須由專門敷纜船裝運，而我國現有敷設船，最大排水量1200噸左右，實際有效載運量約400噸。按雙層粗鋼絲鎧裝的淺海光纜計，每公里在空氣中的自重約3.9十分方便，而且由于線路的接頭少，可靠性也提高了，價格昂貴的海底光纜的接頭盒用得也噸/km，一般最多一船只能裝運100km。如果將100km長的光纜只做一段，當然，敷設施工省了。但是反過來，超大長度的海底光纜，給制造商帶來巨大的風險和難度，而且給生產這種產品的設備、水電供應等提出許多新的問題。所以，海底光纜的適宜制造段長一般在25-50km之間較為合適。

考慮到諸多方面的綜合因素，通光的海底光纜設定的標準段長暫定為50公里/段。當光纜路由的長度在50公里以內，中間可以不帶任何接頭盒，但這一情況，必須是敷纜船能直達的海域。如果是在內陸水域，則無法使用敷纜船裝運光纜，運輸和施工將限制了光纜的長度，海底光纜的風險和難度，可以說主要是由超大長度引起的。因此，對段長問題不宜作太這樣制造時，可以先盡可能先做長段的，萬一第一根做到30公里斷了，第二根仍可以按50死的規定。比如有一段線路總長有120公里，允許采用三根光纜或中間接頭點不多于二個，公里，第三根仍按平均數40公里進行，這樣，風險度相應降低了，如果都定40公里逐一進行，則第一段就無法交付使用。圖片　　

海底光纜進行機械性能試驗時，光纖的附加衰減不應大于0.05dB（斷裂拉伸負荷除外），試驗后光纖不應有附加衰減（測量值不大于0.03dB，判為無附加衰減）。海底光纜進行工作拉伸負荷時，光纖不應有應變，應變不大于0.005%時，判為無應變。海底光纜進行短暫拉伸負荷時，光纖的伸長量不應大于0.15%。

（2）機械性能要求　