Раз уж оптоволокно так многого боится, почему полностью металлическая оболочка является единственным конечным решением?
В области волоконно-оптической связи и сенсорики сердцевина оптического волокна изготовлена из высокочистого диоксида кремния (\text{SiO}_2), а диаметр его оболочки обычно составляет всего 125\ \mu\text{m}. Несмотря на чрезвычайно высокую теоретическую прочность на растяжение чистого кварцевого стекла в осевом направлении, его физические и химические свойства определяют наличие многочисленных уязвимых мест в сложных промышленных условиях.
Поэтому герметичная бесшовная металлическая трубка (микрометаллическая трубка) и полностью металлическая инкапсуляция рассматриваются как окончательное решение для защиты в суровых условиях эксплуатации, основанное на следующих материаловедческих и механических принципах:
I. Собственная уязвимость оптического волокна и физические дефекты традиционных оболочек
- Коррозия под действием влаги и напряжения (расширение микротрещин)
Поверхность кварсового стекла неизбежно имеет микроскопические трещины, образующиеся в процессе производства и эксплуатации. Когда оптическое волокно находится под натяжением и контактирует с атмосферной влагой (\text{H}_2\text{O}), молекулы воды вступают в реакцию гидролиза с связями \text{Si-O-Si} на поверхности стекла, ускоряя расширение кончиков трещин и приводя к разрыву волокна при напряжениях, значительно более низких, чем теоретический предел (т. е. статическая усталость и коррозия под напряжением). - Водородное старение (Hydrogen Aging) и химическая коррозия
Когда молекулы водорода (\text{H}_2) проникают в сердцевину оптического волокна, они образуют пики поглощения гидроксильных групп (-\text{OH}) или вызывают индуцированное поглощение, что приводит к резкому увеличению потерь при передаче в рабочих диапазонах длин волн связи и сенсоров (например, 1310\ \text{nm} , 1550\ \text{nm}) . Кислотные и щелочные промышленные среды также постепенно разрушают обычные полимерные оболочки. - Предельные возможности традиционных полимерных оболочек и клеевой инкапсуляции
- Термостойкость и деградация: Стандартные акрилатные покрытия выдерживают температуру только до 85\ ^\circ\text{C}. При высоких температурах полимеры быстро размягчаются, разлагаются или обугливаются.
- Ползучесть и несоответствие теплового расширения: Традиционные датчики полагаются на полимерные клеи, такие как эпоксидные смолы, для соединения оптических волокон. Коэффициент теплового расширения (CTE) полимеров значительно отличается от CTE кварсового стекла ( \approx 0.5 \times 10^{-6}/\text{K} ), и клеи подвержены вязкоупругой ползучести и старению при длительных нагрузках или циклических изменениях температуры и влажности, что приводит к искажению передачи деформации и дрейфу нулевой точки измерения.
- Скрытые опасности сварных металлических труб (труб с продольным швом)
Сварные металлические трубы с продольным швом в миниатюрном исполнении имеют неравномерную микроструктуру зерен в зоне сварки. В условиях высокого давления, глубокой воды, изгиба или агрессивных ионов (таких как \text{Cl}^- ) они легко подвергаются точечной коррозии, растрескиванию под действием напряжения (SCC) и микроскопическим утечкам вдоль сварного шва.
II. Технические преимущества бесшовных металлических трубок и полностью металлической инкапсуляции
Использование цельнотянутых/бесшовных экструдированных микрометаллических трубок (например, из сплавов 304, 316L, Inconel или 825) решает вышеуказанные механизмы деградации с точки зрения физической структуры:
- Абсолютная герметичность и реальный барьер для проникновения воды и водорода
Бесшовная металлическая трубка устраняет дефекты сварного шва, имеет непрерывную, плотную структуру металлических границ зерен, полностью предотвращает проникновение влаги, химических жидкостей и вредных газов, устраняя условия гидролиза для коррозии под напряжением на поверхности оптического волокна и каналы водородного старения. - Превосходная защита от бокового давления, растяжения и ударов
Металлическая оболочка обладает отличной высокой жесткостью и пределом упругой деформации, что позволяет ей противостоять внешнему механическому давлению, боковым точечным нагрузкам, ударам и силам сдвига от смещения грунта, предотвращая микроизгибы и обрывы оптического волокна. - Устранение зависимости от клея, реализация чисто металлической передачи механических сил
В полностью металлической инкапсулированной конструкции между оптическим волокном и металлической основой используется полное металлическое соединение (например, посредством металлизированного оптоволокна с последующей сваркой/отверждением металла), что полностью исключает использование высокомолекулярных клеев. Механическое и тепловое поведение характеризуется высокой линейностью, отсутствием ползучести и задержек, что обеспечивает датчикам чрезвычайно высокую временную стабильность и воспроизводимость. - Адаптивность к чрезвычайно широкому рабочему диапазону температур
При использовании в сочетании с высокотемпературными оптическими волокнами (такими как оптоволокно с полиимидным покрытием, позолоченное оптоволокно) инкапсуляция оптического кабеля и датчика может повысить предельную рабочую температуру до -270\ ^\circ\text{C} до 700\ ^\circ\text{C}, что подходит для суровых условий, таких как высокотемпературные нефтегазовые скважины, авиационные двигатели, атомная промышленность и криогенные сверхпроводящие системы.
III. Серия бесшовных стальных кабелей и датчиков OFSCN®
OFSCN® разработала ряд высоконадежных продуктов, устойчивых к температурам, на основе бесшовных микрометаллических стальных трубок и полностью металлической технологии:
- OFSCN® 85°C Seamless Steel Tube Fiber Cable
- OFSCN® 200°C Seamless Steel Tube Fiber Cable
- OFSCN® 300°C Seamless Steel Tube Fiber Cable
- OFSCN® 650/700°C Seamless Steel Tube Fiber Cable
- OFSCN® Double-Layer High-Temperature Downhole Fiber Optic Cable
- OFSCN® Distributed Fiber Optic Sensors and Seamless Steel Tube Fiber Optic Cable Product Classification Link
