一種大溫寬測(cè)溫光纜的研制

徐 敏，張 華，胡 淼

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽 淮南 232001；2.陸軍裝備部駐合肥地區(qū)軍事代表室，安徽 合肥 230000）

0 引 言

分布式溫度傳感系統(tǒng)（Distributed Temperature Sensing，DTS）以激光脈沖在光纖中傳輸產(chǎn)生的非線性散射效應(yīng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用光時(shí)域反射儀（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）連續(xù)測(cè)量光纖沿線任一點(diǎn)的溫度。測(cè)溫光纜是DTS的重要部件之一，目前國(guó)內(nèi)液化天然氣防泄漏系統(tǒng)中基本采用常規(guī)結(jié)構(gòu)光纜作為測(cè)溫光纜，沒(méi)有進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致測(cè)量參數(shù)不準(zhǔn)確、系統(tǒng)可靠性不高。基于此，設(shè)計(jì)一種大溫寬測(cè)溫光纜。

1 測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選型

一般情況下，測(cè)溫光纜長(zhǎng)期工作拉伸負(fù)荷不小于1 kN，短期工作拉伸負(fù)荷不小于3 kN，工作溫度范圍為196 ～+300 ℃。項(xiàng)目用的測(cè)溫光纜要求外徑小、重量輕、柔軟度適中、適用于小彎曲半徑安裝以及工作溫度范圍達(dá)到近500 ℃，在設(shè)計(jì)時(shí)需要選用特種光纖，保證光纜在要求的溫度范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作。

大溫寬測(cè)溫光纜采用微型不銹鋼干式松套管結(jié)構(gòu)，可以有效保證光纖信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。采用304不銹鋼絲作為加強(qiáng)件，具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗蠕變強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠有效保證大溫寬測(cè)溫光纜的機(jī)械性能。大溫寬測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大溫寬測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)

光纖在水汽中長(zhǎng)期工作，其表面會(huì)出現(xiàn)裂紋，不僅會(huì)損傷光纖的強(qiáng)度，還會(huì)使光纖的損耗進(jìn)一步增加，因此水分對(duì)光纖壽命的影響不容忽視[1]。常規(guī)光單元阻水采用光纖填充膏的形式來(lái)保護(hù)光纖不受水分的影響，現(xiàn)有光纖填充纖膏在低溫時(shí)纖膏硬化，輕則導(dǎo)致光纖衰減變大，重則導(dǎo)致光纖斷裂。在高溫時(shí)，纖膏狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，變成油水分離的液體形態(tài)，還可能會(huì)析出一些不明物質(zhì)與光纖發(fā)生反應(yīng)?；诖?，本文的光單元采用干式阻水設(shè)計(jì)。光單元保護(hù)管采用不銹鋼管，具有外徑小、結(jié)構(gòu)緊湊及抗側(cè)壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)，不僅能使光纖具有最佳的填充密度，還能為測(cè)溫光纜提供充足的光纖余長(zhǎng)，保證光纜具有良好的拉伸性能[2]。為了保證不銹鋼管在一定壓力下不會(huì)被壓扁，通過(guò)變形位移參數(shù)設(shè)計(jì)不銹鋼松套管外徑及壁厚。變形位移計(jì)算公式為

式中：δ為變形位移量，%；V為材料的泊松比；E為材料的楊氏模量，MPa；D為松套管外徑，mm；t為松套管壁厚，mm；P為側(cè)壓力，N；L為受力長(zhǎng)度，mm。

測(cè)溫光纜的一個(gè)重要性能就是測(cè)溫，而測(cè)溫性能與光纖性能、光纜溫度適配性、光纜導(dǎo)熱性能等均有關(guān)聯(lián)，其中光纜溫度適配性、光纜導(dǎo)熱性能需要在光纜設(shè)計(jì)時(shí)予以重點(diǎn)考慮。考慮到系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求，選取單模光纖作為傳感元件。一般單模光纖的溫度適應(yīng)范圍為-45～80 ℃，無(wú)法滿足大溫寬測(cè)溫光纜的技術(shù)指標(biāo)，因此設(shè)計(jì)對(duì)單模光纖進(jìn)行聚酰亞胺涂覆，確保光纖在-196～300 ℃的溫度范圍內(nèi)可靠工作。測(cè)溫光纜的溫度適配性需要考慮光纜各部件的熱膨脹效應(yīng)，選用的鋼管、鋼絲均采用304不銹鋼材質(zhì)，保證線膨脹系數(shù)一致，防止高溫或低溫時(shí)因光纜各部件膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致線纜結(jié)構(gòu)異常情況發(fā)生。

通過(guò)鎧裝不銹鋼絲的方式來(lái)保障測(cè)溫光纜機(jī)械性能，采用抗拉強(qiáng)度不小于1 200 MPa的鋼絲，可以滿足指標(biāo)斷裂強(qiáng)度不小于3 kN的要求。為了保證鋼絲的絞合穩(wěn)定性，需要對(duì)鋼絲進(jìn)行預(yù)變形處理、退扭及施加一定的張力控制。合適的預(yù)變形處理和張力可以有效消除鋼絲的殘余應(yīng)力，退扭可以釋放絞合應(yīng)力，從而保證鎧裝的質(zhì)量。

2 微型不銹鋼松套管工藝控制

由于使用的微型不銹鋼管外徑僅有1.4 mm，相比常規(guī)尺寸鋼管工藝控制難度更大。根據(jù)鋼管內(nèi)容納光纖數(shù)量和不銹鋼管拉拔量，設(shè)計(jì)成型臺(tái)外徑為2.3 mm，壁厚為0.15 mm。微型不銹鋼松套管的形成過(guò)程主要包括4步：一是通過(guò)5組預(yù)成型模具將寬度為10 mm、厚度為0.15 mm的不銹鋼帶彎曲成型；二是通過(guò)3組成型模具將彎曲成型的不銹鋼帶制成管狀；三是通過(guò)激光焊接裝置將制成管狀的不銹鋼管焊接成無(wú)縫管；四是通過(guò)拉拔模具對(duì)無(wú)縫管進(jìn)行二次拉拔，最終得到外徑為1.4 mm的不銹鋼管。

由于該成型臺(tái)使用不銹鋼帶的厚度比常規(guī)焊接不銹鋼帶的厚度薄，在激光焊接時(shí)容易出現(xiàn)不銹鋼管焊接效果不理想，同時(shí)在拉拔過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)拉斷的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)工藝調(diào)試，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低拉伸比能夠有效提高焊接質(zhì)量。降低拉伸比例后，不銹鋼拉伸量降低，不銹鋼帶在其彈性限度內(nèi)拉伸，有效避免微型不銹鋼管被拉斷的現(xiàn)象。不銹鋼管拉伸后，通過(guò)牽引輪后使其張力得到釋放，使不銹鋼管得到適當(dāng)?shù)膹椥曰乜s，而光纖經(jīng)過(guò)牽引輪后相對(duì)于鋼管的彈性回縮要小的多，從而產(chǎn)生了光纖余長(zhǎng)。不同的張力會(huì)對(duì)鋼管有不同程度的拉伸，使鋼管在經(jīng)過(guò)牽引輪后有不同的回彈，產(chǎn)生不同的光纖余長(zhǎng)[3]。為了保證生產(chǎn)的穩(wěn)定連續(xù)，牽引輪的張力不能施加過(guò)大。為了保證不銹鋼管中光纖有足夠的余長(zhǎng)，還要考慮光纖的放纖張力、鋼管的收線張力等工藝參數(shù)，將余長(zhǎng)控制在合適的范圍內(nèi)。

表1 光纜性能檢測(cè)結(jié)果

3 測(cè)溫光纜性能測(cè)試

根據(jù)性能指標(biāo)和工藝控制要求完成大溫寬測(cè)溫光纜制造后，對(duì)光纜性能進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試[4,5]。各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果看，該光纜的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝的控制準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及性能檢測(cè)等方面介紹了一種大溫寬測(cè)溫光纜，該類纜具有結(jié)構(gòu)尺寸小、彎曲半徑小、質(zhì)量輕以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著光纖測(cè)溫技術(shù)的快速發(fā)展，在敷設(shè)條件和使用環(huán)境不同的情況下，對(duì)測(cè)溫光纜的性能也有不同的要求。在一些特殊環(huán)境下，新型大溫寬測(cè)溫光纜為特定用戶提供了新的解決方案，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。