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(jìn)行了研發(fā)試制，試制結(jié)果表明：鎧裝鋼的盤條微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(zhuǎn)、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(qiáng)度提升至2 084 MPa。

關(guān)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(qiáng)度的承荷探測電纜[1]。經(jīng)常使用在環(huán)境惡劣的深地深海領(lǐng)域，其長度可達(dá)萬米，隨著深度的不斷增加，溫度、壓力以及自身重力等復(fù)合外界條件勢必會對電纜的安全工作產(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(qiáng)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(qiáng)度逐步提高，抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)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 × 50 × 1000 mm3的鋼棒，在鋼棒上取樣化驗(yàn)化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

鋼棒運(yùn)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(shí)驗(yàn)材料在軋制為盤條和冷拉拔為鋼絲后的微觀組織進(jìn)行觀察，微觀組織觀察采用光學(xué)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(jìn)行。同時，對盤條和鋼絲的強(qiáng)度性能采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)（TS-1 000 KN-100 T）進(jìn)行測試。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 盤條的微觀組織和強(qiáng)度性能

實(shí)驗(yàn)材料軋制為盤條后，在保溫桶中進(jìn)行冷卻至室溫，光學(xué)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(shí)驗(yàn)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(nèi)進(jìn)行緩慢冷卻，實(shí)驗(yàn)材料發(fā)生了共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿康闹楣怏w組織。在掃描電子顯微鏡下進(jìn)一步觀察實(shí)驗(yàn)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(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(jì)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(shí)驗(yàn)材料軋制為盤條后進(jìn)行強(qiáng)度性能測試，盤條的屈服強(qiáng)度為1 486 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 623 MPa，伸長率為5.5 %。

2.2 鋼絲的微觀組織和強(qiáng)度性能

盤條拉伸為鋼絲后，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(zhuǎn)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(yīng)力的作用下發(fā)生了球化轉(zhuǎn)變[9]。盤條拉伸為鋼絲后，對鋼絲的強(qiáng)度性能進(jìn)行了測試，鋼絲的屈服強(qiáng)度為1 854 MPa，抗拉強(qiáng)度為2 084 MPa，伸長率為3.5 %。

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

實(shí)驗(yàn)材料在軋制為盤條和拉拔為鋼絲后的微觀組織和強(qiáng)度性能變化規(guī)律如表2所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料軋制后的冷卻工藝合理[10]。在此工藝下進(jìn)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(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)，鋼絲的強(qiáng)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(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。

結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度為1 623 MPa。

（2）實(shí)驗(yàn)材料的盤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。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬文瑋， 馮路路， 楊恒勇， 等. Nb對承荷探測電纜鎧裝鋼珠光體組織的影響[J]， 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2021，（2），45-47.

[2] 范建軍， 郭乃康， 王萬錢. 承荷探測電纜用鍍鋅鋼絲的生產(chǎn)[J]， 金屬制品， 1999， 25（5），31-33.

[3] 馮路路， 喬文瑋， 魯修宇. 0.88C-1.22Si-0.75Mn-2Al高強(qiáng)度電纜鎧裝鋼用盤條的試制[J].特殊鋼， 2019，40 （3）： 43-45.

[4] 王文超， 張建民， 趙囿林， 等. 扁鋼絲鎧裝光纖復(fù)合海纜拉伸試驗(yàn)與仿真分析[J].高電壓技術(shù)， 2019，45 （11）： 3467-3473.

[5] 李春梅. 交流單芯海底電纜載流量提升方法探討[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)， 2017，（06）： 33-35.

[6] 王林烽， 周立初， 陳華青， 等. ·5.35 mm-2 100 MPa橋梁用鋅鋁鋼絲的工藝與組織性能[J] . 鋼鐵， 2019，54（2）：90-96.

[7] 喬亞楠， 劉新寬， 劉平， 等. 高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲表面硬度與扭轉(zhuǎn)性能關(guān)系研究[J] . 功能材料， 2017，48（8）：8053-8057.

[8] 楊茂明. 高強(qiáng)度七芯高溫承荷探測電纜[P] . 科技成果， 2017-01-22.

[9] 黃克. 拉拔與熱鍍鋅對輸電電纜骨架用高強(qiáng)度鋼絲組織與性能的影響[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2016.

[10] 徐偉. 高強(qiáng)度熱鍍鋅彈簧鋼絲生產(chǎn)工藝[J].金屬制品， 2015，41 （4）： 40-44.

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(shù)研究中心主任，