影响录井钢丝使用寿命因素
影响录井钢丝使用寿命因素【1】
摘要：本文主要通过对使用过程中影响录井钢丝寿命的工作条件、环境因素以及钢丝性能与显微组织等情况进行分析研究，找出一些规律性的影响因素，指出提高录井钢丝使用寿命的技术措施。
Abstract: By analyzing the well logging wire working condition, environment factors, mechanical properties and microstructure, we found some rulers of affect factors. Then we gave some measures to improve the well logging wire working life.
关键词：录井钢丝;影响因素;显微组织
Key words: well logging wire;affect factors;microstructure
0 引言
录井钢丝是用于石油、地质探测时传送和提升测井仪器等物品的重要承力元件，其使用环境复杂、传送过程长，要求安全可靠并能长时间使用，有比一般普通钢丝绳更高的性能要求。
其抗拉强度通常要求不低于1600MPa，疲劳试验后其磨损部位应具有足够的强度。
录井钢丝工作简图见图1。
1 影响使用寿命的因素分析
1.1 环境因素 录井钢丝的使用环境比较复杂，即有不同区域的大气环境，又有不同油田产物的特殊环境。
金属材料腐蚀是指金属材料与周围环境介质之间由于化学或电化学作用引起的破坏或变质现象。
其中包括受介质作用发生状态改变，形成新相(金属化合物等腐蚀产物)的情况，如铁在自然环境中的锈蚀。
在某些特定条件的辐射条件下，介质之中的某些因素还可能成为决定腐蚀速率的关键因素[1]。
例如，某油井内有腐蚀性介质的存在，无论录井钢丝是否处于作业状态，腐蚀性介质都会持续不断地腐蚀录井钢丝。
工作一段时间后，在录井钢丝表面形成腐蚀坑。
在拉力和微弯曲作用下，会在腐蚀坑底部产生横向裂纹源，此时腐蚀性介质进入裂纹，显著加速裂纹的扩展，裂纹扩展到一定程度形成裂纹源区。
裂纹源区形成后，在外力作用下逐步扩展，最终形成亚临界扩展区[2]。
1.2 表面损伤 录井钢丝表面损伤各类缺陷有凹坑、裂缝、沟槽、黑皮、碰碰伤、擦伤、划痕等[4]。
制造过程中产生的有规律性的损伤，如拔丝成形加工
型模本身粗糙所造成的微小不平度。
例如，对某例断绳事故分析中，检查了全部114根钢丝，100%钢丝断口处于严重程度不等的损伤处[3]。
表面损伤使钢丝组织和性能严重恶化，拉伸性能降低，韧性指标―扭转值和弯曲值下降更低，对钢丝绳的寿命可能造成致命的危害，钢丝的早期失效大部分都和钢丝表面损伤有关。
1.3 磨损 磨损也是表面损伤的一种形式，但磨损是钢丝失效最常见且最严重的一种。
钢丝经过滑轮或缠绕到滚筒上时将承受巨大的径向力，钢丝之间互相挤压，其接触表面形成挤压伤痕。
经过大量检查发现中层钢丝的加压伤痕最严重，伤痕接近螺旋状分布。
磨损引起组织变化，钢丝在使用中如提拉速度很高，在经过滑轮时，或者排到滚筒上时，高速摩擦产生摩擦热，钢丝表面温度达到材料相变点以上时，由于周围金属基体的快速冷却作用，表层产生淬火马氏体。
这种组织硬而脆，当钢丝通过滑轮和滚筒处时经过反复弯曲疲劳载荷，马氏体层开裂，有些钢丝宏观即可看到裂纹。
录井钢丝表面磨损后，进行试验发现如下规律：①钢丝拉伸性能下降，最大下降21.5%，多数钢丝达不到标准规定值要求。
②钢丝扭转值大幅度下降，损伤程度严重时，扭转一次即断裂，大部分钢丝扭转值大大低于标准要求。
1.4 残余应力 残余应力是物体未受外力时，其内部存在的保持自身相互平衡的应力系统。
钢丝拉拔过程中，由于受变形区外摩擦作用造成材料不均匀变形，金属中心层和边缘层流动速度不同，会在材料的内部出现附加应力，并以残余应力形式存在于钢丝制品中。
影响残余应力的因素：
1.4.1 变形量的影响 当钢丝拉拔变形量较小时靠近表面的金属材料产生塑性延伸，而内层材料没有延伸或者延伸量很小，内层材料阻止表层材料伸长，而表层材料同时拉伸内层材料，从而使表层成残余压应力，内层呈残余拉应力。
当钢丝拉拔变形量较大时，因为较大的压缩率使得塑性变形区贯穿整个横截面，表层由于与模具间的接触阻力而延伸量较小，内层材料则塑性延伸量较大。
这样,表层材料阻止内层材料延伸，而产生表层为残余拉应力，内层为残余压应力。
1.4.2 材料的影响 材料越软，拉拔后产生的残余应力最大值越低;若材料越硬，塑性变形向中心的深入也就越困难，越易在表面呈现压应力的分布。
同时，材料的成分、组织结构及加工硬化状态分布不均匀，都会使材料的内外部分变形的难易程度不同，因而引起不均匀的残余应力。
1.4.3 润滑的影响 钢丝在通过模孔拉拔变形过程中，当润滑条件不好或模角设计不合理时，钢丝与模具间摩擦增加，内外层间应力差值更大，变形不均匀程度增加，直接影响产品力学性能。
摩擦过大还会引起钢丝表面起皮、起刺，导致表面质量不合格，甚至造成拉拔断丝。
冷拉拔变形的主要参数如拉拔道次、变形速度及模具参数也会对残余应力的分布状态产生一定影响，从而影响钢丝的最终性能。
1.5 显微组织 钢丝最理想的拉拔组织是均匀的索氏体组织。
标准要求盘条的索氏体化率应达到95%以上。
图2是在工艺控制良好情况下得到的细小均匀的索氏体组织，可基本达到最佳强度和韧性的组合。
但在实际生产中常出现的非正常组织有渗碳体、屈氏体、长条状铁素体组织，见图3。
这种组织对室温静强度影响不大，但对于材料的疲劳抗力和弯曲性能影响较大，研究表明裂纹往往起始于这些非正常的组织区域[6]。
2 提高录井钢丝使用寿命的技术措施
2.1 钢丝制造质量控制 从制造所用原材料盘条的质量控制开始，提出更高的材料成分与表面质量控制标准。
通过控制钢丝的热处理，达到细小均匀的索氏体组织，建立更严格的金相检验标准。
优化拉拔工艺过程，合理控制每个阶段的变形量。
2.2 钢丝表面腐蚀控制 选取适合在不同腐蚀环境下工作的材料制造各种录井钢丝，如在碳钢中加入铜、磷、铬、镍等合金元素，能将零件的耐大气腐蚀性能提高4-8倍;在深海油井上使用不锈钢是抵御CO2和CL-等侵蚀的有效方法。
在录井钢丝表面使用各种有机、无机涂层和金属镀层，也是抵御各类腐蚀的必不可少的有效手段。
2.3 钢丝表面完整性控制 研究钢丝最外层表面与周围环境间界面的几何形状，包括表面微观几何形状与表面缺陷等表面特征;研究表面层内的特性，包括表面内的残余应力、变形强化、加工硬化、金相组织变化、裂纹等技术指标。
2.4 使用维护保障控制 加强对录井钢丝使用状态的研究，有效防止使用中的各种意外损伤，根据特定使用环境，制定使用维护方法，给出录井钢丝的使用寿命和日历寿命。
参考文献：
[1]宣天鹏.材料表面功能镀覆层及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008: 231-233.
[2]吕英臣，郭合理等.录井钢丝的失效分析[J].金属制品,2010，(3):72.