徐 敏，张 华，胡 淼

（1.中国电子科技集团公司第八研究所，安徽 淮南 232001；2.陆军装备部驻合肥地区军事代表室，安徽 合肥 230000）

0 引 言

分布式温度传感系统（Distributed Temperature Sensing，DTS）以激光脉冲在光纤中传输产生的非线性散射效应为基础，应用光时域反射仪（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）连续测量光纤沿线任一点的温度。测温光缆是DTS的重要部件之一，目前国内液化天然气防泄漏系统中基本采用常规结构光缆作为测温光缆，没有进行针对性设计，导致测量参数不准确、系统可靠性不高。基于此，设计一种大温宽测温光缆。

1 测温光缆结构设计及材料选型

一般情况下，测温光缆长期工作拉伸负荷不小于1 kN，短期工作拉伸负荷不小于3 kN，工作温度范围为196 ～+300 ℃。项目用的测温光缆要求外径小、重量轻、柔软度适中、适用于小弯曲半径安装以及工作温度范围达到近500 ℃，在设计时需要选用特种光纤，保证光缆在要求的温度范围内能够稳定工作。

大温宽测温光缆采用微型不锈钢干式松套管结构，可以有效保证光纤信号传输的稳定性。采用304不锈钢丝作为加强件，具有抗拉强度高、耐腐蚀、抗蠕变强等特点，能够有效保证大温宽测温光缆的机械性能。大温宽测温光缆结构如图1所示。

图1 大温宽测温光缆结构

光纤在水汽中长期工作，其表面会出现裂纹，不仅会损伤光纤的强度，还会使光纤的损耗进一步增加，因此水分对光纤寿命的影响不容忽视[1]。常规光单元阻水采用光纤填充膏的形式来保护光纤不受水分的影响，现有光纤填充纤膏在低温时纤膏硬化，轻则导致光纤衰减变大，重则导致光纤断裂。在高温时，纤膏状态会发生改变，变成油水分离的液体形态，还可能会析出一些不明物质与光纤发生反应。基于此，本文的光单元采用干式阻水设计。光单元保护管采用不锈钢管，具有外径小、结构紧凑及抗侧压能力强等特点，不仅能使光纤具有最佳的填充密度，还能为测温光缆提供充足的光纤余长，保证光缆具有良好的拉伸性能[2]。为了保证不锈钢管在一定压力下不会被压扁，通过变形位移参数设计不锈钢松套管外径及壁厚。变形位移计算公式为

式中：δ为变形位移量，%；V为材料的泊松比；E为材料的杨氏模量，MPa；D为松套管外径，mm；t为松套管壁厚，mm；P为侧压力，N；L为受力长度，mm。

测温光缆的一个重要性能就是测温，而测温性能与光纤性能、光缆温度适配性、光缆导热性能等均有关联，其中光缆温度适配性、光缆导热性能需要在光缆设计时予以重点考虑。考虑到系统技术指标要求，选取单模光纤作为传感元件。一般单模光纤的温度适应范围为-45～80 ℃，无法满足大温宽测温光缆的技术指标，因此设计对单模光纤进行聚酰亚胺涂覆，确保光纤在-196～300 ℃的温度范围内可靠工作。测温光缆的温度适配性需要考虑光缆各部件的热膨胀效应，选用的钢管、钢丝均采用304不锈钢材质，保证线膨胀系数一致，防止高温或低温时因光缆各部件膨胀系数不同而导致线缆结构异常情况发生。

通过铠装不锈钢丝的方式来保障测温光缆机械性能，采用抗拉强度不小于1 200 MPa的钢丝，可以满足指标断裂强度不小于3 kN的要求。为了保证钢丝的绞合稳定性，需要对钢丝进行预变形处理、退扭及施加一定的张力控制。合适的预变形处理和张力可以有效消除钢丝的残余应力，退扭可以释放绞合应力，从而保证铠装的质量。

2 微型不锈钢松套管工艺控制

由于使用的微型不锈钢管外径仅有1.4 mm，相比常规尺寸钢管工艺控制难度更大。根据钢管内容纳光纤数量和不锈钢管拉拔量，设计成型台外径为2.3 mm，壁厚为0.15 mm。微型不锈钢松套管的形成过程主要包括4步：一是通过5组预成型模具将宽度为10 mm、厚度为0.15 mm的不锈钢带弯曲成型；二是通过3组成型模具将弯曲成型的不锈钢带制成管状；三是通过激光焊接装置将制成管状的不锈钢管焊接成无缝管；四是通过拉拔模具对无缝管进行二次拉拔，最终得到外径为1.4 mm的不锈钢管。

由于该成型台使用不锈钢带的厚度比常规焊接不锈钢带的厚度薄，在激光焊接时容易出现不锈钢管焊接效果不理想，同时在拉拔过程中也会出现拉断的现象。经过工艺调试，发现适当降低拉伸比能够有效提高焊接质量。降低拉伸比例后，不锈钢拉伸量降低，不锈钢带在其弹性限度内拉伸，有效避免微型不锈钢管被拉断的现象。不锈钢管拉伸后，通过牵引轮后使其张力得到释放，使不锈钢管得到适当的弹性回缩，而光纤经过牵引轮后相对于钢管的弹性回缩要小的多，从而产生了光纤余长。不同的张力会对钢管有不同程度的拉伸，使钢管在经过牵引轮后有不同的回弹，产生不同的光纤余长[3]。为了保证生产的稳定连续，牵引轮的张力不能施加过大。为了保证不锈钢管中光纤有足够的余长，还要考虑光纤的放纤张力、钢管的收线张力等工艺参数，将余长控制在合适的范围内。

表1 光缆性能检测结果

3 测温光缆性能测试

根据性能指标和工艺控制要求完成大温宽测温光缆制造后，对光缆性能进行相应测试[4,5]。各项指标检测结果如表1所示。

从测试结果看，该光缆的各项技术指标、性能指标均达到设计要求，表明结构设计合理，工艺的控制准确。

4 结 论

从结构设计、制造工艺及性能检测等方面介绍了一种大温宽测温光缆，该类缆具有结构尺寸小、弯曲半径小、质量轻以及安装方便等优点。随着光纤测温技术的快速发展，在敷设条件和使用环境不同的情况下，对测温光缆的性能也有不同的要求。在一些特殊环境下，新型大温宽测温光缆为特定用户提供了新的解决方案，具有较好的应用价值。