深地深海油气勘探用测井电缆铠装钢丝的研发

董铂 夏迪星 乔文玮

摘要：对深地深海油气勘探用测井电缆铠装钢丝进行了研发试制，试制结果表明：铠装钢的盘条微观结构为全片层的珠光体组织，未出现先共析铁素体、先共析渗碳体和马氏体等异常组织，轧制后的冷却工艺合理，抗强度为1 623 MPa。盘条冷拉拔为钢丝后，珠光体中的片层渗碳体出现扭转、断裂的现象，出现了颗粒状渗碳体的形貌，冷拉拔加工硬化使钢丝抗拉强度提升至2 084 MPa。

关键词：深地深海;承荷探测电缆;铠装钢;微观组织

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

随着石油天然气的日益消耗，为了获得更多的油气资源，深地深海油气田的勘探工作需要使用到大量的高强度的承荷探测电缆[1]。经常使用在环境恶劣的深地深海领域，其长度可达万米，随着深度的不断增加，温度、压力以及自身重力等复合外界条件势必会对电缆的安全工作产生影响[2]。附加海底地震，海洋暗流的冲涮以及大量海底生物的撞击等因素，要求深地深海探测电缆必须具有较高的使用性能，但是铠装电缆的外壳通常为橡胶，其制备工艺简单，强度不足以及无法承受高温、高压等工作环境，无法满足深地深海油气勘探的使用要求[3-5]。因此我国早在1 977年就开始了承荷电缆使用铠装钢丝的研发，铠装钢丝的抗拉强度逐步提高，抗拉强度逐步直到2 000MPa甚至更高[6-8]。江苏华能电缆股份有限公司自主研发了抗拉强度为2 000 MPa、直径为Φ1.7 mm的深地深海用特种电缆铠装钢丝。

1实验材料及方法

实验材料采用电炉進行冶炼，完成后浇铸为钢锭，钢锭重新升温后采用锻压机锻打为50 × 50 × 1000 mm3的钢棒，在钢棒上取样化验化学成分，结果如表1所示。

钢棒运送至轧钢厂轧制为Φ 6.5 mm的盘条，冷却过程采用保温桶缓慢冷却的方式冷却至室温，然后冷拉拔加工为Φ 1.7 mm的钢丝。对实验材料在轧制为盘条和冷拉拔为钢丝后的微观组织进行观察，微观组织观察采用光学显微镜（Olympus PEM3-3）、扫描电子显微镜（SEM，Sirion 400）和透射电子显微镜（TEM， JEM–2010HT）进行。同时，对盘条和钢丝的强度性能采用万能拉伸试验机（TS-1 000 KN-100 T）进行测试。

2试验结果与讨论

2.1 盘条的微观组织和强度性能

实验材料轧制为盘条后，在保温桶中进行冷却至室温，光学显微组织如图1（a）所示，组织为全部的珠光体组织，未观察到先共析渗碳体或者先共析铁素体。实验材料中C元素的含量为0.97 wt.%，属于过共析钢，轧制为Φ 6.5 mm的盘条后，尺寸较小，在空冷状态下的冷却速度较大，可能会形成马氏体的脆性组织。在保温桶内进行缓慢冷却，实验材料发生了共析转变，转变为全部的珠光体组织。在扫描电子显微镜下进一步观察实验材料的微观组织形貌，如图1（b）所示，在扫描电镜照片上对具有相同方向的渗碳体进行划线切割，统计珠光体团的平均大小为10.3 ± 0.6 μm。同时在透射电子显微镜下观察渗碳体的形貌，如图1（c）所示，可以明显的看出渗碳体和铁素体的形貌，采用线性切割法统计珠光体的片层间距，盘条轧制后珠光体片层间距的大小为95 ± 10 μm。实验材料轧制为盘条后进行强度性能测试，盘条的屈服强度为1 486 MPa，抗拉强度为1 623 MPa，伸长率为5.5 %。

2.2 钢丝的微观组织和强度性能

盘条拉伸为钢丝后，在钢丝上取样进行观察微观组织形貌，钢丝的扫描电镜照片如图2（a）所示，平行的渗碳体片层在拉伸过程中出现了断裂、扭曲，渗碳体片层变薄的现象。透射电镜照片如图2（b）所示，从透射电镜照片中可以看出，渗碳体的形貌由于冷拉拔加工，渗碳体不再呈现规则的排列，出现了错叠及翻转的现象，并且出现了部分颗粒状渗碳体，这是在拉伸过程中断裂的片层渗碳体在应力的作用下发生了球化转变[9]。盘条拉伸为钢丝后，对钢丝的强度性能进行了测试，钢丝的屈服强度为1 854 MPa，抗拉强度为2 084 MPa，伸长率为3.5 %。

2.3 实验材料的微观组织及强度的变化规律

实验材料在轧制为盘条和拉拔为钢丝后的微观组织和强度性能变化规律如表2所示。实验材料轧制为盘条后，组织为全片层的珠光体组织，没有出现先共析渗碳体、先共析铁素体和马氏体等异常组织，说明实验材料轧制后的冷却工艺合理[10]。在此工艺下进行盘条的轧制，能够获得冷拉拔加工前所需要的合理组织，盘条的抗拉强度为1 623 MPa。冷拉拔加工为钢丝后，由于加工硬化效果的累计，钢丝的强度对比盘条出现了大幅度的增加。同时，盘条微观组织中的全片层珠光体组织中渗碳体片层出现了扭转、拉伸变薄、断裂和球化转变为颗粒状的现象，抗拉强度也由于冷拉拔的加工硬化效果提高至2 084 MPa。

结论

（1）实验材料轧制为盘条后的组织为全片层的珠光体组织，未发现有先共析渗碳体、先共析铁素体和马氏体等异常组织，抗拉强度为1 623 MPa。

（2）实验材料的盘条冷拉拔加工为钢丝后，片层的渗碳体转变为扭转、变薄、断裂和颗粒状的渗碳体，抗拉强度提高至2 084 MPa。

参考文献

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[10] 徐伟. 高强度热镀锌弹簧钢丝生产工艺[J].金属制品， 2015，41 （4）： 40-44.

作者简介：董  铂（1980-），工程师，高邮市人力资源市场管理办公室

通讯作者：夏迪星（1993-），助理工程师，省承荷探测电缆用工程技术研究中心主任，