Fibra óptica con clasificación de 500 °C para aplicaciones de alta temperatura

Las fibras ópticas de vidrio a base de sílice sin revestimiento pueden soportar temperaturas superiores a 600 °C. Sin embargo, las fibras de vidrio deben protegerse del medio ambiente. Las fibras de telecomunicaciones estándar suelen estar recubiertas con acrilato que permite su uso a temperaturas de hasta 85 °C. Las fibras ópticas especiales se pueden producir con un revestimiento de poliimida, lo que permite que estas fibras se utilicen en entornos de hasta 300 °C. Este tipo de fibra se ha utilizado ampliamente en la industria del petróleo y el gas para proporcionar comunicaciones importantes y funciones de detección para la gestión de yacimientos.

Para temperaturas superiores a 300 °C, los revestimientos metálicos serían atractivos. Los producidos hasta la fecha se han considerado inadecuados para el despliegue de pozos geotérmicos debido a los altos valores de atenuación a bajas temperaturas1. El procesamiento de petróleo aguas abajo también puede beneficiarse de las mediciones de alta temperatura que requieren fibras de baja atenuación que funcionan más allá de los 300 °C. Esta atenuación, así como los cambios significativos de atenuación durante el ciclo, generalmente se atribuyen a la microflexión y al gran desajuste de los coeficientes de expansión térmica entre el revestimiento de metal y la fibra de vidrio2. Entre otras cosas, los recubrimientos metálicos más delgados podrían ayudar a mitigar estos problemas; sin embargo, la producción de largas longitudes de fibra recubierta de metal de alta calidad con un espesor controlado del recubrimiento no es trivial2.

En este artículo, se demostrará una fibra recubierta de metal capaz de soportar temperaturas de hasta 500 °C, y se demostrará que esta fibra se puede alternar entre temperatura ambiente y 500 °C, manteniendo una atenuación baja, incluso a bajas temperaturas. .

Diseño de fibra

Se ha demostrado desde principios de la década de 1980 que la entrada de hidrógeno en el vidrio a base de sílice induce pérdidas en las fibras ópticas en longitudes de onda específicas debido a la absorción de una variedad de especies relacionadas con el hidrógeno3. Las fibras de sílice comunes que se utilizan en las comunicaciones, como el monomodo estándar (SM) y el multimodo de índice graduado (MM) estándar, sufren una degradación óptica drástica en presencia de hidrógeno, incluso a temperatura ambiente. Los núcleos de estas fibras suelen estar dopados con elementos que aumentan el índice de refracción, como el germanio y el fósforo. Dependiendo de la temperatura y H₂ concentración, una vez que el hidrógeno se difunde en el núcleo de la fibra, puede migrar a sitios intersticiales de la estructura y/o unirse con defectos existentes en el vidrio como SiO, GeO y P-O. La pérdida total de fibra alcanza cientos de decibelios por kilómetro, lo que la hace inutilizable para cualquier aplicación de transmisión de luz.

AFL adoptó un enfoque innovador para evitar la degradación óptica de las fibras ópticas inmersas en un entorno hostil al modificar y optimizar el diseño del componente de vidrio de la propia fibra. En particular, el enfoque consiste en eliminar los dopantes que crean más defectos en la estructura del vidrio, como el germanio, el fósforo y el boro. La fibra está diseñada con solo sílice en el núcleo, junto con dopaje con flúor para lograr el perfil de índice gradual de la fibra multimodo4. Esta fibra es producida por AFL y tiene la marca Verrillon ^® VHM5000; es un GIMMF de 0,2 NA 50/125 μm.

VHM5000 fue la fibra base utilizada con este revestimiento metálico. Tenía un recubrimiento a base de oro con un espesor de pared de aproximadamente 3 a 5 μm, que está muy por debajo del espesor de recubrimiento típico de 15 a 25 μm para las fibras recubiertas de metal disponibles en el mercado. En la Figura 1 se muestra una imagen SEM transversal que demuestra la buena concentricidad e integridad del proceso de recubrimiento.

Las fibras recubiertas de metal pueden tener pérdidas ópticas en estado estirado de hasta 20-100 dB/km a temperatura ambiente ² . La Figura 2 muestra la atenuación espectral del VHM5000 con un revestimiento a base de oro que se muestra en la Figura 1, a temperatura ambiente, medida en 88 m de fibra. La fibra se midió en una bobina suelta de 300 mm de diámetro.

La atenuación espectral de esta fibra con un recubrimiento a base de oro muestra niveles de atenuación similares a los de las fibras multimodo recubiertas de acrilato o poliimida estándar, a diferencia de los niveles significativamente más altos que muestran otras fibras multimodo recubiertas de metal disponibles en el mercado.

Las fibras recubiertas de metal también tienen la tendencia a "unirse en frío" a otros metales, o a sí mismas, a temperaturas significativamente inferiores a su temperatura de fusión. AFL tiene un proceso pendiente de patente que evita que estas fibras recubiertas de metal se unan. Este proceso se aplicó a todas las fibras en estas pruebas.

Resultados y Discusión

La Figura 3 muestra seis ciclos de temperatura de VHM5000 con revestimiento a base de oro, entre temperatura ambiente y 375 °C. Los datos se adquirieron cada 5 minutos utilizando un OTDR. La fibra estaba en una bobina suelta de 114 mm y 40 metros de longitud. Cada ciclo consistió en una rampa de 30 °C/hora hasta 375 °C, la temperatura se mantuvo en 375 °C durante 24 horas y luego se redujo en rampa de 30 °C/hora hasta 60 °C. En ese momento, se permitió que el horno volviera a la temperatura ambiente y luego se inició el siguiente ciclo. 850 nm fue la longitud de onda que se controló.

Cuarenta y tres metros de fibra recubierta con base de oro VHM5000 se colocaron en un horno a 500°C durante 900 horas. Se conectó un OTDR a la fibra al final de las 900 horas y se ejecutó un ciclo de 500 °C. La Figura 4 muestra este ciclo de temperatura, entre temperatura ambiente y 500°C. Los datos se adquirieron cada 5 minutos. La fibra estaba en una bobina suelta de 114 mm. El ciclo consistió en una rampa de 30°C/hora hasta 500°C, la temperatura se mantuvo a 500°C durante 34 horas, y el horno se detuvo y se permitió que volviera a la temperatura ambiente por sí mismo. La longitud de onda que se evaluó fue de 850 nm.

Conclusión

Se demostró una fibra óptica recubierta de metal de baja atenuación capaz de soportar temperaturas de hasta 500 °C. El rendimiento se validó mediante un OTDR. Los ciclos de temperatura mostraron que la fibra recubierta de metal podía resistir la expansión y contracción del recubrimiento de metal repetidas varias veces. La atenuación tanto a temperatura ambiente como a temperatura alta fue significativamente menor que cualquier atenuación informada en fibras recubiertas de metal.

El remojo de 900 horas y la evaluación subsiguiente de la fibra mostraron que la fibra aún funcionaba bien después de una exposición prolongada a 500°C. Además, este proceso es capaz de producir largas longitudes de fibra, hasta 3,5 km continuos.

Este artículo fue escrito por William Jacobsen, ingeniero senior; Abdel Soufiane, doctorado, gerente general y director técnico; y John D'Urso, Ingeniero Principal; Fibras especiales AFL (North Grafton, MA). Para obtener más información, visite aquí .

Referencias

1. Reinsch, T. y Henninges, J. “Caracterización dependiente de la temperatura de las fibras ópticas para la detección de temperatura distribuida en pozos geotérmicos calientes, ” Ciencia y tecnología de medición, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A., y Semjonov, S. “Fibras recubiertas de metal, Manual de fibras ópticas especializadas, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R. y Burrus, C.A. “Gas-in-glass—un nuevo medio de ganancia Raman:hidrógeno molecular en fibras ópticas de sílice sólido, ” Optar. Lett., 7, 297-299 (1982).
4. Weiss, J. “Sensores de pozos geotérmicos de fondo de pozo que comprenden una fibra óptica resistente al hidrógeno. ” Patente de EE. UU. n.° 6853798 B1, (2005).