深地深海油气勘探用测井电缆铠装钢丝的研发

乔文玮， 武阿林， 杨恒勇， 夏迪星

（江苏华能电缆股份有限公司，高邮 225613）

0 引 言

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大量的高强度的承荷探测电缆［1］。 其经常被使用在环境恶劣的深地深海领域，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、拉伸强度太低，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1977 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，可达到2 000 MPa及以上［6⁃8］。 为了提高产品竞争力，采用高碳低硅的合金成分设计，通过圆坯加热、盘条轧制、等温淬火，以及冷拉拔等工序，本工作开发了一种抗拉强度为2 000 MPa、直径为1.7 mm 的深地深海用特种电缆铠装钢丝。

1 试验材料及方法

试验材料采用电炉进行冶炼，完成后浇铸为钢锭，钢锭重新升温后采用锻压机锻打为50 mm×50 mm×1 000 mm 的钢棒，在钢棒上取样化验化学成分，结果见表1。

表1 试验钢的化学成分（质量分数） %

钢棒运送至轧钢厂轧制为φ6.5 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φ1.7 mm 的钢丝。 分别将φ6.5 mm 的盘条和φ1.7 mm 的钢丝采用机械加工的方式加工为金相试样，经SiO2砂纸研磨，并在2.5 μm 的金刚石抛光液机械抛光后，采用4% （体积分数，下同）的硝酸乙醇溶液腐蚀。 采用Olympus PEM3⁃3 型光学显微镜（OM）在自然光的环境下进行微观组织观察。 然后将金相试样放入Sirion 400型扫描电子显微镜（SEM）中进一步放大，进行局部微观组织观察。 对于透射电镜下观察的样品，先用线切割方法从试样上切取0.3 mm 厚的样品，用SiO2砂纸研磨至厚度为50 ～80 μm，在专用冲孔器上冲出直径为3 mm 的小圆片，随后在MTP⁃1A 型电解双喷仪上进行减薄；其中，电解双喷减薄用高氯酸与无水乙醇体积比 4 ∶96 的腐蚀液，温度为-20 ℃，电压为70 V下进行抛光。 将制备好的透射电镜样品在 JEM⁃2010HT 型透射电子显微镜（TEM）下观察珠光体的片层间距。 片层间距的计算方法采用线性截距方法进行。 同时，对盘条和钢丝的拉伸强度、屈服强度性能采用TS⁃1 000 KN⁃100 T 型万能拉伸试验机进行测试。

2 结果与讨论

2.1 盘条的微观组织和强度性能

试验材料轧制为盘条后，在保温桶中冷却至室温，试样采用光学显微镜在自然光环境下进行观察，光学显微组织见图 1（a）。 由图 1（a）可知：OM 组织均为珠光体组织，未观察到先共析渗碳体或者先共析铁素体。 试验材料中碳的质量分数为0.97%，属于过共析钢，轧制为φ6.5 mm 的盘条后，尺寸较小，在空气冷却状态下的冷却速率较大，可能会形成马氏体的脆性组织。 在保温桶内进行缓慢冷却，试验材料发生了共析转变，试料全部转变为珠光体组织。 在扫描电子显微镜下进一步观察试验材料的微观组织形貌，见图1（b），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，见图 1（c）。 由图 1（c）可以明显地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 。 试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%。

图1 试验材料轧制为盘条后的微观组织

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见图2（a），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。 透射电镜照片见图2（b），由图2（b）可以看出：渗碳体的形貌由于冷拉拔加工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，这是因为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，对钢丝的抗拉强度、屈服强度进行了测试，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%。

图2 盘条拉拔为钢丝后的微观形貌

2.3 试验材料的微观组织及强度的变化规律

试验材料在轧制为盘条和拉拔为钢丝后的微观组织和抗拉强度性能变化规律见表2。 试验材料轧制为盘条后，组织为全片层的珠光体组织，未出现先共析渗碳体、先共析铁素体和马氏体等异常组织，说明试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结构组织，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，钢丝的抗拉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。

表2 试验材料轧制为盘条和拉拔为钢丝后微观组织和强度性能变化

3 结束语

试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。 试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。 满足了抗拉强度为2 000 MPa 深地深海探测电缆对高强度铠装钢丝的要求。