深地深海油氣勘探用測(cè)井電纜鎧裝鋼絲的研發(fā)

喬文瑋， 武阿林， 楊恒勇， 夏迪星

（江蘇華能電纜股份有限公司，高郵 225613）

0 引 言

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大量的高強(qiáng)度的承荷探測(cè)電纜［1］。 其經(jīng)常被使用在環(huán)境惡劣的深地深海領(lǐng)域，長(zhǎng)度可達(dá)萬(wàn)米，隨著深度的不斷增加，溫度、壓力以及自身重力等復(fù)合外界條件勢(shì)必會(huì)對(duì)電纜的安全工作產(chǎn)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(cè)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(jiǎn)單、拉伸強(qiáng)度太低，無(wú)法承受高溫、高壓等工作環(huán)境，無(wú)法滿足深地深海油氣勘探的使用要求［3?5］。因此，我國(guó)早在1977 年就開(kāi)始了承荷電纜使用鎧裝鋼絲的研發(fā)，鎧裝鋼絲的抗拉強(qiáng)度逐步提高，可達(dá)到2 000 MPa及以上［6?8］。 為了提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，采用高碳低硅的合金成分設(shè)計(jì)，通過(guò)圓坯加熱、盤(pán)條軋制、等溫淬火，以及冷拉拔等工序，本工作開(kāi)發(fā)了一種抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa、直徑為1.7 mm 的深地深海用特種電纜鎧裝鋼絲。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料采用電爐進(jìn)行冶煉，完成后澆鑄為鋼錠，鋼錠重新升溫后采用鍛壓機(jī)鍛打?yàn)?0 mm×50 mm×1 000 mm 的鋼棒，在鋼棒上取樣化驗(yàn)化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

鋼棒運(yùn)送至軋鋼廠軋制為φ6.5 mm 的盤(pán)條，冷卻過(guò)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φ1.7 mm 的鋼絲。 分別將φ6.5 mm 的盤(pán)條和φ1.7 mm 的鋼絲采用機(jī)械加工的方式加工為金相試樣，經(jīng)SiO2砂紙研磨，并在2.5 μm 的金剛石拋光液機(jī)械拋光后，采用4% （體積分?jǐn)?shù)，下同）的硝酸乙醇溶液腐蝕。 采用Olympus PEM3?3 型光學(xué)顯微鏡（OM）在自然光的環(huán)境下進(jìn)行微觀組織觀察。 然后將金相試樣放入Sirion 400型掃描電子顯微鏡（SEM）中進(jìn)一步放大，進(jìn)行局部微觀組織觀察。 對(duì)于透射電鏡下觀察的樣品，先用線切割方法從試樣上切取0.3 mm 厚的樣品，用SiO2砂紙研磨至厚度為50 ～80 μm，在專用沖孔器上沖出直徑為3 mm 的小圓片，隨后在MTP?1A 型電解雙噴儀上進(jìn)行減??；其中，電解雙噴減薄用高氯酸與無(wú)水乙醇體積比 4 ∶96 的腐蝕液，溫度為-20 ℃，電壓為70 V下進(jìn)行拋光。 將制備好的透射電鏡樣品在 JEM?2010HT 型透射電子顯微鏡（TEM）下觀察珠光體的片層間距。 片層間距的計(jì)算方法采用線性截距方法進(jìn)行。 同時(shí)，對(duì)盤(pán)條和鋼絲的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度性能采用TS?1 000 KN?100 T 型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 盤(pán)條的微觀組織和強(qiáng)度性能

試驗(yàn)材料軋制為盤(pán)條后，在保溫桶中冷卻至室溫，試樣采用光學(xué)顯微鏡在自然光環(huán)境下進(jìn)行觀察，光學(xué)顯微組織見(jiàn)圖 1（a）。 由圖 1（a）可知：OM 組織均為珠光體組織，未觀察到先共析滲碳體或者先共析鐵素體。 試驗(yàn)材料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.97%，屬于過(guò)共析鋼，軋制為φ6.5 mm 的盤(pán)條后，尺寸較小，在空氣冷卻狀態(tài)下的冷卻速率較大，可能會(huì)形成馬氏體的脆性組織。 在保溫桶內(nèi)進(jìn)行緩慢冷卻，試驗(yàn)材料發(fā)生了共析轉(zhuǎn)變，試料全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織。 在掃描電子顯微鏡下進(jìn)一步觀察試驗(yàn)材料的微觀組織形貌，見(jiàn)圖1（b），在掃描電鏡照片上對(duì)具有相同方向的滲碳體進(jìn)行劃線切割，統(tǒng)計(jì)珠光體團(tuán)的平均大小為（10.3 ± 0.6） μm。 同時(shí)在透射電子顯微鏡下觀察滲碳體的形貌，見(jiàn)圖 1（c）。 由圖 1（c）可以明顯地看出滲碳體和鐵素體的形貌，采用線性切割法統(tǒng)計(jì)珠光體的片層間距，盤(pán)條軋制后珠光體片層間距的大小為（95 ± 10） μm 。 試驗(yàn)材料軋制為盤(pán)條后進(jìn)行強(qiáng)度性能測(cè)試，盤(pán)條的屈服強(qiáng)度為1 486 MPa，抗拉強(qiáng)度為 1 623 MPa，伸長(zhǎng)率為5.5%。

圖1 試驗(yàn)材料軋制為盤(pán)條后的微觀組織

2.2 鋼絲的微觀組織和強(qiáng)度性能

盤(pán)條拉伸為鋼絲后，在鋼絲上取樣進(jìn)行觀察微觀組織形貌，鋼絲的掃描電鏡照片見(jiàn)圖2（a），平行的滲碳體片層在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)了斷裂、扭曲、滲碳體片層變薄的現(xiàn)象。 透射電鏡照片見(jiàn)圖2（b），由圖2（b）可以看出：滲碳體的形貌由于冷拉拔加工不再呈現(xiàn)規(guī)則的排列，出現(xiàn)了錯(cuò)疊及翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，并且出現(xiàn)了部分顆粒狀滲碳體，這是因?yàn)樵诶爝^(guò)程中斷裂的片層滲碳體在應(yīng)力的作用下發(fā)生了球化轉(zhuǎn)變［9］。 盤(pán)條拉伸為鋼絲后，對(duì)鋼絲的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，鋼絲的屈服強(qiáng)度為1 854 MPa，抗拉強(qiáng)度為2 084 MPa，伸長(zhǎng)率為3.5%。

圖2 盤(pán)條拉拔為鋼絲后的微觀形貌

2.3 試驗(yàn)材料的微觀組織及強(qiáng)度的變化規(guī)律

試驗(yàn)材料在軋制為盤(pán)條和拉拔為鋼絲后的微觀組織和抗拉強(qiáng)度性能變化規(guī)律見(jiàn)表2。 試驗(yàn)材料軋制為盤(pán)條后，組織為全片層的珠光體組織，未出現(xiàn)先共析滲碳體、先共析鐵素體和馬氏體等異常組織，說(shuō)明試驗(yàn)材料軋制后的冷卻工藝合理［10］。 在此工藝下進(jìn)行盤(pán)條的軋制，能夠獲得冷拉拔加工前所需要的結(jié)構(gòu)組織，盤(pán)條的抗拉強(qiáng)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(jì)，鋼絲的抗拉強(qiáng)度對(duì)比盤(pán)條出現(xiàn)了大幅度的增加。 同時(shí)，盤(pán)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(zhuǎn)、拉伸變薄、斷裂和球化轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度也由于冷拉拔的加工硬化效果提高至2 084 MPa。

表2 試驗(yàn)材料軋制為盤(pán)條和拉拔為鋼絲后微觀組織和強(qiáng)度性能變化

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)材料軋制為盤(pán)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(qiáng)度為1 623 MPa。 試驗(yàn)材料的盤(pán)條冷拉拔加工為鋼絲后，片層的滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榕まD(zhuǎn)、變薄、斷裂和顆粒狀的滲碳體，抗拉強(qiáng)度提高至2 084 MPa。 滿足了抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa 深地深海探測(cè)電纜對(duì)高強(qiáng)度鎧裝鋼絲的要求。