深海中的隐形老化：海底光缆长期服役过程中的蠕变损伤与寿命评估丨江苏精川材料检测

虽然谈到海底光缆时人们最自然联想到的是船锚拖拽、渔网缠绕、海底地震诸种突发事件，但是从工程可靠性的角度不难判断：决定海底光缆寿命的根本因素不是某一次事故，而是若干年来缓慢、渐进的老化过程。

从现有资料中可以十分清楚、可靠地看到，全球海缆系统平均每年有约200起故障或维修事件，而2013—2024年全球在役海缆总长度持续增长，但是同期年维修次数基本处在稳定区间，因此可自然、妥帖地得出结论：现代海缆的设计、路由勘察、埋设保护诸种水平都有很大提高。

图1  全球海底光缆长度持续增长，但年维修次数基本维持在约200次/年水平

对于一根设计寿命20—30 年的海底光缆而言，安装阶段的张力、服役阶段的海流和波浪、海床悬跨、沉积物摩擦、温度变化以及海水腐蚀都会不断参与损伤累积。很多损伤不会立即造成断缆，却会持续改变结构刚度和载荷分配。当损伤跨过临界阈值后，一次普通海流扰动或常规维修操作，都可能成为最终故障的触发点。

1. 海底光缆不是一根“简单的线”

现代海底光缆是十分典型的多层复合结构，虽然不同海缆的具体结构有差异，但是基本都包含光纤单元、金属导体或加强件、阻水层、聚合物护套及钢丝铠装层诸种层次，且各层材料都有十分清晰、明确的功能：光纤用来传光，聚乙烯护套用来隔水防护，Kevlar或其他增强纤维起抗拉作用，钢铠装层起抗外力破坏的作用。

图2 典型海底通信电缆截面结构，不同功能层共同决定海缆的长期可靠性

从系统角度看，海底光缆还不是一条孤立线路。它连接登陆站、分支器、放大中继器和陆上网络，构成跨洋通信链路。一处局部损伤如果发展为断纤、漏电或铠装失效，影响的往往不是某一个零件，而是整条链路的可用性。

图3  海底通信光缆系统的基本工作流程，登陆站、分支器和中继器共同构成长距离传输链路

2. 长期载荷究竟在损伤什么？

海底光缆从制造、运输、铺设到服役，会经历多种载荷。铺设时存在轴向张力和弯曲；服役时存在海流、波浪、海床摩擦和悬跨振动；深海环境中还会叠加静水压力。对于带有螺旋铠装结构的电缆，轴向拉伸并不会只产生伸长，还会诱发扭转响应。

图4  海底电缆螺旋铠装结构模型，轴向载荷、扭转载荷与层间接触共同影响整体力学响应

从Ocean Engineering上发表的数值结果可以十分清楚、可靠地看到，海底电缆在拉伸、扭转载荷及外部静水压共同作用下整体拉伸刚度有明显下降，在4000 m深海条件下，耦合作用使拉伸刚度整体降低约30%。因此海缆的风险绝不止是“载荷有多大”，更要考虑“载荷如何长期耦合”。

图5  长期载荷并不一定立即破坏海缆，但会通过时间累积推动蠕变、松弛、刚度下降和裂纹萌生。

因此，由于海底光缆服役老化实质上是一个时间依赖的损伤过程，故可十分自然、妥帖地表述为：长期载荷先引起材料微小变形，继而导致刚度降低、局部应力集中，最后促使裂纹、腐蚀坑或界面脱粘扩展。

3. HDPE护套：最容易被忽视的蠕变源

高密度聚乙烯（HDPE）是海底光缆护套中常见的聚合物材料。它具有耐腐蚀、低吸水、韧性好和加工方便等优点，但其本质上属于粘弹性材料。在长期恒载或循环载荷下，聚合物分子链会发生滑移、重排和应力松弛，从而出现随时间增长的不可逆变形。

对于海缆护套而言，蠕变并不一定意味着护套马上开裂。更常见的表现是尺寸稳定性下降、局部贴合状态变化、层间接触压力改变，以及整体弯曲刚度慢慢衰减。这类变化在短期检验中不明显，但在十几年甚至几十年的服役尺度上，会逐步改变结构受力。

图6  HDPE在不同载荷条件下的蠕变响应，曲线反映了聚合物在恒载下的时间依赖变形

从Marine Structures 2026年全尺寸动态海缆试验的结果可以十分清楚、可靠地看到，100000次循环载荷作用之后海缆弯曲刚度按对数规律下降并趋于平台，因此很自然地得出重要结论：即使当时尚无肉眼可见裂纹，海缆结构已经从“初始刚度状态”进入“服役后刚度状态”。

图7  动态海缆全尺寸试验对象及弯曲加载装置，用于研究循环载荷和温升对弯曲刚度的影响

图8  动态海缆弯曲刚度随循环次数增加而逐渐下降，并最终进入平台区

4. Kevlar、光纤与钢铠装层的慢性损伤

由于HDPE护套的根本问题可以很自然、妥帖地概括为“慢慢变形”，因此Kevlar增强层的根本问题就是“长期松弛”。Kevlar 芳纶纤维强度高、模量大，故很适合用来提高海缆的抗拉性能，但是毋庸讳言，长期受张力作用时Kevlar纤维会发生蠕变：低于约70% 破断载荷时以初级蠕变为主，载荷再增大时次级蠕变就十分明显。

图9  Kevlar-29纤维在长期载荷下的蠕变曲线，高载荷下蠕变过程更加明显

图10  光纤静态疲劳试验方法示意，包括拉伸、卷绕弯曲和双点弯曲测试

图11  光纤强度Weibull分布示意，少量弱缺陷往往控制长距离光纤的可靠性

钢铠装层则面临另一类问题：由于海水环境中存在腐蚀减薄及机械磨损问题，因此有必要对铠装钢丝的腐蚀机理予以系统分析：即铠装钢丝虽有外层机械保护，但是长期处在海流、沉积物、局部电化学环境之中，故易发生点蚀、磨蚀及局部截面积损失，而截面积减小后原由多根铠装丝分担的载荷将重新分配，局部应力自然升高。

图12  海底光缆在不同海床条件下的损伤和铠装退化实例

图13  海底光缆由多材料共同构成，不同损伤机制最终都会汇聚为结构完整性下降。

5. 从材料损伤到系统失效

由于从失效分析的角度可以十分自然、清楚地看到，单一材料损伤很少直接引起系统级故障，因此文中所论十分明确：多种损伤机制耦合才是最危险的情形：HDPE护套蠕变引起局部约束变化，Kevlar增强层松弛引起承载路径改变，光纤缺陷在潮湿应力下扩展，钢铠装层因腐蚀、磨损而截面积损失。

而由于损伤会使内部载荷分布不断变化，故某些局部区域会逐渐成为薄弱点，因此外部锚害、渔业拖拽或海床冲刷只不过是以此为触发因素，而事故之前结构内部已存在相当程度的慢性退化。

图14  海底电缆外部损伤故障统计及其随水深变化的分布，渔业活动和锚害是浅海区域的重要外部风险。来源：IET Generation, Transmission & Distribution 2021。

从图14所绘的海底电缆外部损伤故障统计及随水深变化的分布可以十分清楚、自然地看到渔业活动及锚害是浅海区域的主要外部风险。

由于海底光缆的可靠性不可能单纯依靠“事故后维修”来保证，因此对高价值海缆系统而言，最合理的做法是主动、及时地检测慢性损伤信号，估测剩余寿命，在风险尚可控之时予以维护。

6. 剩余寿命如何评估？

由于海底光缆寿命评估一般都由“材料试验—数值模型—在线监测”诸方面联合支撑，故可十分自然、妥帖地给出各环节的作用：材料层面先做拉伸、蠕变、DMA、疲劳及腐蚀试验以获得长期性能参数，结构层面建立有限元模型分析拉伸、弯曲、扭转及外压耦合时的应力分布，运维层面用在线监测数据判断状态异常。

图15  HDPE蠕变寿命预测模型示例，通过短期试验和本构模型外推长期失效时间。来源：Polymers 2023。

由于近年分布式光纤传感技术已经很自然、妥帖地成为海缆状态监测的重要方向，故可十分清楚地利用DTS进行温度监测，用BOTDR/BOTDA进行应变监测，用DAS检测振动及声学扰动，且更难得的是能将通信光纤本身直接用作传感通道。

图16  基于分布式声学传感（DAS）的海缆悬跨长度变化监测框架

图17  海底光缆寿命管理闭环：从材料测试到风险预警，再到维修决策。

7. 检测机构能够做什么？

对于海缆制造、敷设和运维单位而言，第三方检测和失效分析的价值不只在于“判定是否合格”，更在于帮助识别损伤机制和评估剩余风险。围绕海底光缆长期服役，可重点开展以下工作：

• 材料性能评价：HDPE、XLPE、Kevlar、铅护套及钢铠装材料的拉伸、压缩、DMA、蠕变和松弛试验。

• 腐蚀与环境适应性评价：对海水浸泡、盐雾、电化学腐蚀、沉积物腐蚀及铠装钢丝腐蚀诸种失效形式予以系统分析。

• 失效分析：对断口做了系统分析，又作了金相/显微组织观察，同时进行了SEM/EDS成分分析、腐蚀产物分析及裂纹路径识别。

• 寿命评估与建模：从材料参数、有限元分析及服役工况出发，合理、严谨地建立剩余寿命及风险等级 的判断准则。

由于前面所作的工作把“看不见的慢性老化”很好地转化为可检测、可分析、可预测的工程风险，因此很自然地成为设计优化、验收评价、运维决策的可靠依据。

结语

由于海底光缆真正的敌人绝不是一次剧烈冲击，而是长期积累的种种微小损伤，故而可以十分自然、妥帖地把HDPE护套蠕变、Kevlar增强层松弛、光纤静态疲劳及钢铠装层腐蚀诸种因素都归结为海底光缆的慢性老化机制。

由于海底通信网络、海上新能源产业都迅猛发展，故海底光缆已从传统的通信基础设施演变为海洋工程中举足轻重的生命线，因此材料测试、失效分析、在线监测及寿命预测都将成为提高海缆可靠性的有力手段。

参考文献

[1] Winston Qiu. Statistics on Subsea Cable Fault and Repair. Submarine Networks, 2025.

[2] Zhang D. et al. Submarine Cable Systems: A Review of Installation, Monitoring, and Maintenance Processes and Technologies. Processes, 2026, 14, 821.

[3] Chang H.-C., Chen B.-F. Mechanical behavior of submarine cable under coupled tension, torsion and compressive loads. Ocean Engineering, 2019, 189, 106272.

[4] Stamelos A. et al. Experimental investigation of evolution of bending stiffness in dynamic submarine cables and the contribution of polyethylene layers. Marine Structures, 2026, 109, 104062.

[5] Drozdov A. D. et al. Lifetime Predictions for High-Density Polyethylene under Creep: Experiments and Modeling. Polymers, 2023, 15, 334.

[6] Lafitte M. H., Bunsell A. R. The Creep of Kevlar-29 Fibers. Polymer Engineering and Science, 1985, 25(3), 182-186.

[7] Matthewson M. J., Kurkjian C. R. Static Fatigue of Optical Fibers in Bending. Journal of the American Ceramic Society, 1987, 70(9), 662-668.

[8] Matthewson M. J. Optical Fiber Reliability Models. Fiber Optics Reliability and Testing, SPIE, 1993/2017.

[9] Wang W. et al. Failure of submarine cables used in high-voltage power transmission: Characteristics, mechanisms, key issues and prospects. IET Generation, Transmission & Distribution, 2021, 15, 1387-1402.

[10] Ogasawara Y. An Empirical Examination of the Adverse and Favorable Effects of Marine Environmental Conditions on the Durability of Optical-Fiber Submarine Cables. Journal of Marine Science and Engineering, 2026, 14, 701.

[11] Mishima S. et al. Monitoring exposure-length variations in submarine power cables using distributed fiber-optic sensing. 2026.

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