深地深海油氣勘探用測井電纜鎧裝鋼絲的研發(fā)

董鉑 夏迪星 喬文瑋

摘要：對深地深海油氣勘探用測井電纜鎧裝鋼絲進行了研發(fā)試制，試制結果表明：鎧裝鋼的盤條微觀結構為全片層的珠光體組織，未出現(xiàn)先共析鐵素體、先共析滲碳體和馬氏體等異常組織，軋制后的冷卻工藝合理，抗強度為1 623 MPa。盤條冷拉拔為鋼絲后，珠光體中的片層滲碳體出現(xiàn)扭轉、斷裂的現(xiàn)象，出現(xiàn)了顆粒狀滲碳體的形貌，冷拉拔加工硬化使鋼絲抗拉強度提升至2 084 MPa。

關鍵詞：深地深海;承荷探測電纜;鎧裝鋼;微觀組織

Abstract： The development and trial production of armored steel wire for logging cable used in deep-sea oil and gas exploration are carried out. The results show that the microstructure of armored steel wire rod is full lamellar pearlite structure， and there are no abnormal structures such as proeutectoid ferrite， proeutectoid cementite and martensite. The cooling process after rolling is reasonable， and the strength is 1 623 MPa. After the wire rod is cold drawn to steel wire， the lamellar cementite in pearlite appears torsion and fracture， and the morphology of granular cementite appears. The tensile strength of steel wire is increased to 2 084 MPa by cold drawing hardening.

Key words： deep-land and deep-sea; load bearing detection cable; armored steel; microstructure

隨著石油天然氣的日益消耗，為了獲得更多的油氣資源，深地深海油氣田的勘探工作需要使用到大量的高強度的承荷探測電纜[1]。經常使用在環(huán)境惡劣的深地深海領域，其長度可達萬米，隨著深度的不斷增加，溫度、壓力以及自身重力等復合外界條件勢必會對電纜的安全工作產生影響[2]。附加海底地震，海洋暗流的沖涮以及大量海底生物的撞擊等因素，要求深地深海探測電纜必須具有較高的使用性能，但是鎧裝電纜的外殼通常為橡膠，其制備工藝簡單，強度不足以及無法承受高溫、高壓等工作環(huán)境，無法滿足深地深海油氣勘探的使用要求[3-5]。因此我國早在1 977年就開始了承荷電纜使用鎧裝鋼絲的研發(fā)，鎧裝鋼絲的抗拉強度逐步提高，抗拉強度逐步直到2 000MPa甚至更高[6-8]。江蘇華能電纜股份有限公司自主研發(fā)了抗拉強度為2 000 MPa、直徑為Φ1.7 mm的深地深海用特種電纜鎧裝鋼絲。

1實驗材料及方法

實驗材料采用電爐進行冶煉，完成后澆鑄為鋼錠，鋼錠重新升溫后采用鍛壓機鍛打為50 × 50 × 1000 mm3的鋼棒，在鋼棒上取樣化驗化學成分，結果如表1所示。

鋼棒運送至軋鋼廠軋制為Φ 6.5 mm的盤條，冷卻過程采用保溫桶緩慢冷卻的方式冷卻至室溫，然后冷拉拔加工為Φ 1.7 mm的鋼絲。對實驗材料在軋制為盤條和冷拉拔為鋼絲后的微觀組織進行觀察，微觀組織觀察采用光學顯微鏡（Olympus PEM3-3）、掃描電子顯微鏡（SEM，Sirion 400）和透射電子顯微鏡（TEM， JEM–2010HT）進行。同時，對盤條和鋼絲的強度性能采用萬能拉伸試驗機（TS-1 000 KN-100 T）進行測試。

2試驗結果與討論

2.1 盤條的微觀組織和強度性能

實驗材料軋制為盤條后，在保溫桶中進行冷卻至室溫，光學顯微組織如圖1（a）所示，組織為全部的珠光體組織，未觀察到先共析滲碳體或者先共析鐵素體。實驗材料中C元素的含量為0.97 wt.%，屬于過共析鋼，軋制為Φ 6.5 mm的盤條后，尺寸較小，在空冷狀態(tài)下的冷卻速度較大，可能會形成馬氏體的脆性組織。在保溫桶內進行緩慢冷卻，實驗材料發(fā)生了共析轉變，轉變?yōu)槿康闹楣怏w組織。在掃描電子顯微鏡下進一步觀察實驗材料的微觀組織形貌，如圖1（b）所示，在掃描電鏡照片上對具有相同方向的滲碳體進行劃線切割，統(tǒng)計珠光體團的平均大小為10.3 ± 0.6 μm。同時在透射電子顯微鏡下觀察滲碳體的形貌，如圖1（c）所示，可以明顯的看出滲碳體和鐵素體的形貌，采用線性切割法統(tǒng)計珠光體的片層間距，盤條軋制后珠光體片層間距的大小為95 ± 10 μm。實驗材料軋制為盤條后進行強度性能測試，盤條的屈服強度為1 486 MPa，抗拉強度為1 623 MPa，伸長率為5.5 %。

2.2 鋼絲的微觀組織和強度性能

盤條拉伸為鋼絲后，在鋼絲上取樣進行觀察微觀組織形貌，鋼絲的掃描電鏡照片如圖2（a）所示，平行的滲碳體片層在拉伸過程中出現(xiàn)了斷裂、扭曲，滲碳體片層變薄的現(xiàn)象。透射電鏡照片如圖2（b）所示，從透射電鏡照片中可以看出，滲碳體的形貌由于冷拉拔加工，滲碳體不再呈現(xiàn)規(guī)則的排列，出現(xiàn)了錯疊及翻轉的現(xiàn)象，并且出現(xiàn)了部分顆粒狀滲碳體，這是在拉伸過程中斷裂的片層滲碳體在應力的作用下發(fā)生了球化轉變[9]。盤條拉伸為鋼絲后，對鋼絲的強度性能進行了測試，鋼絲的屈服強度為1 854 MPa，抗拉強度為2 084 MPa，伸長率為3.5 %。

2.3 實驗材料的微觀組織及強度的變化規(guī)律

實驗材料在軋制為盤條和拉拔為鋼絲后的微觀組織和強度性能變化規(guī)律如表2所示。實驗材料軋制為盤條后，組織為全片層的珠光體組織，沒有出現(xiàn)先共析滲碳體、先共析鐵素體和馬氏體等異常組織，說明實驗材料軋制后的冷卻工藝合理[10]。在此工藝下進行盤條的軋制，能夠獲得冷拉拔加工前所需要的合理組織，盤條的抗拉強度為1 623 MPa。冷拉拔加工為鋼絲后，由于加工硬化效果的累計，鋼絲的強度對比盤條出現(xiàn)了大幅度的增加。同時，盤條微觀組織中的全片層珠光體組織中滲碳體片層出現(xiàn)了扭轉、拉伸變薄、斷裂和球化轉變?yōu)轭w粒狀的現(xiàn)象，抗拉強度也由于冷拉拔的加工硬化效果提高至2 084 MPa。

結論

（1）實驗材料軋制為盤條后的組織為全片層的珠光體組織，未發(fā)現(xiàn)有先共析滲碳體、先共析鐵素體和馬氏體等異常組織，抗拉強度為1 623 MPa。

（2）實驗材料的盤條冷拉拔加工為鋼絲后，片層的滲碳體轉變?yōu)榕まD、變薄、斷裂和顆粒狀的滲碳體，抗拉強度提高至2 084 MPa。

參考文獻

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作者簡介：董 ?鉑（1980-），工程師，高郵市人力資源市場管理辦公室

通訊作者：夏迪星（1993-），助理工程師，省承荷探測電纜用工程技術研究中心主任，