一種大溫寬測溫光纜的研制

徐 敏，張 華，胡 淼

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

0 引 言

分布式溫度傳感系統（Distributed Temperature Sensing，DTS）以激光脈沖在光纖中傳輸產生的非線性散射效應為基礎，應用光時域反射儀（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）連續測量光纖沿線任一點的溫度。測溫光纜是DTS的重要部件之一，目前國內液化天然氣防泄漏系統中基本采用常規結構光纜作為測溫光纜，沒有進行針對性設計，導致測量參數不準確、系統可靠性不高。基于此，設計一種大溫寬測溫光纜。

1 測溫光纜結構設計及材料選型

一般情況下，測溫光纜長期工作拉伸負荷不小于1 kN，短期工作拉伸負荷不小于3 kN，工作溫度范圍為196 ～+300 ℃。項目用的測溫光纜要求外徑小、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到近500 ℃，在設計時需要選用特種光纖，保證光纜在要求的溫度范圍內能夠穩定工作。

大溫寬測溫光纜采用微型不銹鋼干式松套管結構，可以有效保證光纖信號傳輸的穩定性。采用304不銹鋼絲作為加強件，具有抗拉強度高、耐腐蝕、抗蠕變強等特點，能夠有效保證大溫寬測溫光纜的機械性能。大溫寬測溫光纜結構如圖1所示。

圖1 大溫寬測溫光纜結構

光纖在水汽中長期工作，其表面會出現裂紋，不僅會損傷光纖的強度，還會使光纖的損耗進一步增加，因此水分對光纖壽命的影響不容忽視[1]。常規光單元阻水采用光纖填充膏的形式來保護光纖不受水分的影響，現有光纖填充纖膏在低溫時纖膏硬化，輕則導致光纖衰減變大，重則導致光纖斷裂。在高溫時，纖膏狀態會發生改變，變成油水分離的液體形態，還可能會析出一些不明物質與光纖發生反應。基于此，本文的光單元采用干式阻水設計。光單元保護管采用不銹鋼管，具有外徑小、結構緊湊及抗側壓能力強等特點，不僅能使光纖具有最佳的填充密度，還能為測溫光纜提供充足的光纖余長，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被壓扁，通過變形位移參數設計不銹鋼松套管外徑及壁厚。變形位移計算公式為

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為側壓力，N；L為受力長度，mm。

測溫光纜的一個重要性能就是測溫，而測溫性能與光纖性能、光纜溫度適配性、光纜導熱性能等均有關聯，其中光纜溫度適配性、光纜導熱性能需要在光纜設計時予以重點考慮。考慮到系統技術指標要求，選取單模光纖作為傳感元件。一般單模光纖的溫度適應范圍為-45～80 ℃，無法滿足大溫寬測溫光纜的技術指標，因此設計對單模光纖進行聚酰亞胺涂覆，確保光纖在-196～300 ℃的溫度范圍內可靠工作。測溫光纜的溫度適配性需要考慮光纜各部件的熱膨脹效應，選用的鋼管、鋼絲均采用304不銹鋼材質，保證線膨脹系數一致，防止高溫或低溫時因光纜各部件膨脹系數不同而導致線纜結構異常情況發生。

通過鎧裝不銹鋼絲的方式來保障測溫光纜機械性能，采用抗拉強度不小于1 200 MPa的鋼絲，可以滿足指標斷裂強度不小于3 kN的要求。為了保證鋼絲的絞合穩定性，需要對鋼絲進行預變形處理、退扭及施加一定的張力控制。合適的預變形處理和張力可以有效消除鋼絲的殘余應力，退扭可以釋放絞合應力，從而保證鎧裝的質量。

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，相比常規尺寸鋼管工藝控制難度更大。根據鋼管內容納光纖數量和不銹鋼管拉拔量，設計成型臺外徑為2.3 mm，壁厚為0.15 mm。微型不銹鋼松套管的形成過程主要包括4步：一是通過5組預成型模具將寬度為10 mm、厚度為0.15 mm的不銹鋼帶彎曲成型；二是通過3組成型模具將彎曲成型的不銹鋼帶制成管狀；三是通過激光焊接裝置將制成管狀的不銹鋼管焊接成無縫管；四是通過拉拔模具對無縫管進行二次拉拔，最終得到外徑為1.4 mm的不銹鋼管。

由于該成型臺使用不銹鋼帶的厚度比常規焊接不銹鋼帶的厚度薄，在激光焊接時容易出現不銹鋼管焊接效果不理想，同時在拉拔過程中也會出現拉斷的現象。經過工藝調試，發現適當降低拉伸比能夠有效提高焊接質量。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拉伸，有效避免微型不銹鋼管被拉斷的現象。不銹鋼管拉伸后，通過牽引輪后使其張力得到釋放，使不銹鋼管得到適當的彈性回縮，而光纖經過牽引輪后相對于鋼管的彈性回縮要小的多，從而產生了光纖余長。不同的張力會對鋼管有不同程度的拉伸，使鋼管在經過牽引輪后有不同的回彈，產生不同的光纖余長[3]。為了保證生產的穩定連續，牽引輪的張力不能施加過大。為了保證不銹鋼管中光纖有足夠的余長，還要考慮光纖的放纖張力、鋼管的收線張力等工藝參數，將余長控制在合適的范圍內。

表1 光纜性能檢測結果

3 測溫光纜性能測試

根據性能指標和工藝控制要求完成大溫寬測溫光纜制造后，對光纜性能進行相應測試[4,5]。各項指標檢測結果如表1所示。

從測試結果看，該光纜的各項技術指標、性能指標均達到設計要求，表明結構設計合理，工藝的控制準確。

4 結 論

從結構設計、制造工藝及性能檢測等方面介紹了一種大溫寬測溫光纜，該類纜具有結構尺寸小、彎曲半徑小、質量輕以及安裝方便等優點。隨著光纖測溫技術的快速發展，在敷設條件和使用環境不同的情況下，對測溫光纜的性能也有不同的要求。在一些特殊環境下，新型大溫寬測溫光纜為特定用戶提供了新的解決方案，具有較好的應用價值。