海工钢丝绳的应用及生产技术研究

海工钢丝绳是指海洋工程装备所使用的钢丝绳。海洋工程是指以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的，并且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩建工程。海洋装备是海洋工程建设和运行所使用的设备，可大致分为以下5 个方面:(1)用于海洋油气和矿产资源开发的装备;(2)利用海洋可再生能源的装备;(3)利用海洋空间资源的装备;(4)海水淡化及利用海洋生物资源的装备;(5)共性海洋基础设施。通常所说的海洋工程装备多指油气类装备。我国在海工钢丝绳的研究、生产和应用方面已做了大量工作，取得了显著成绩，但要赶超世界海工钢丝绳生产知名企业，还有很长的路要走。

1 海工钢丝绳的应用现状及使用要求

1． 1 应用现状

海工钢丝绳主要分为海洋工程施工及吊装用钢丝绳;海洋工程系泊用钢丝绳;钻井作业用钢丝绳;海洋绞机用钢丝绳。

1． 1． 1 海洋工程施工和吊装

海洋工程施工及吊装使用多股或多层股抗旋转钢丝绳，根据吊装货物和起重船型号的不同，钢丝绳直径会有很大变化。上海振华重工设计生产的12 000 t全回转自航式浮吊(图 1)，最大载质量为12 000 t。该船总长 297． 55 m，宽 58． 00 m，型深28． 80 m，设计吃水 13． 5 m，主钩固定吊载质量12 000 t，旋转吊载质量 7 000 t，距回转中心 44 m;副钩固定吊载质量 1 600 t，旋转吊载质量 1 600 t;配有200 kN 双卷筒绞车7 台，200 kN 电动液压绞车2 台;1 400 kN 工作锚绞车 10 台。根据吊载质量和锚绞能力不同，选择不同结构和直径的钢丝绳。

1． 1． 2 海洋工程系泊用钢丝绳

在海洋油气开采中需要用到高技术含量的钢丝绳做为系泊系统用钢丝绳，这种钢丝绳的可靠性直

接影响着油气开采作业的成败及成本的高低。FP-

SO的系泊是钢丝绳的重要应用之一。FPSO是英文Floating Production Storage and Offloading的缩写，中文译为浮式生产、储油、卸油装置，与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是海洋工程

船舶中的高技术产品。FPSO系治用钢丝绳一般要求10~30a的使用寿命。浮式生产设施的应用已很普遍，在全世界已有100多艘FPSO正在操作运行，甚至有取代固定式平台的趋势。图2是FPSO的照片。系泊线采用锚链和钢缆组合，也有采用高防腐蚀的高强度聚酯纤维和锚链组合的方式。常用系泊系统的系泊线由锚链、单股绳、六股或八股绳组成。由8~12条或更多的系泊线一同使用组成系泊系统。

FPSO系泊系统用钢丝绳大多采用065~153mm的高强度六股钢丝绳和单股钢丝绳，密封钢丝绳的使用量也在逐渐增加。在系泊系统中，六股绳和多层股钢丝绳可以被认为是一种每隔几年就被更换的“易耗品”，然而处于系泊线中低段的钢丝绳不容易更换。最受欢迎的系泊系统实际上不采用普通钢丝绳而是采用单股钢丝绳。这是因为普通钢丝绳缺乏单股钢丝绳的扭转刚度（抗扭劲度）和抗腐蚀性。采用高密度聚乙烯涂塑的单股钢丝绳能达到40a的使用寿命。

1.1.3海洋钻井用钢丝绳随着海洋油气储量和产量在全球油气储量与产量中所占份额的不断增加，海洋油气勘探与钻采已成为世界各大石油公司竞争的热点领域。海洋油气钻采装备如图3所示。

油田钻采及试井、通井、修井、捞油、捞沙等项作业所用钢丝绳规格结构不同。抽油杆和油管牵引绳直径22~29mm；抽油杆悬挂器用绳为细绳，直径多为6.5mm；捞砂绳直径13~16mm；洗井绳直径19~26mm；钻井取岩绝直径26~29mm；钻井绳直径29~45mm；绞车用绳直径22~29mm；抽油机驴头绳直径16~29mm；浅海锚绳直径22~122mm；井架起升用绳直径一般在38mm以上，钻机井架起升钢丝绳通常选用的规格有6×61-61.0、65.0、

67.0、72.0，6×37-65.0、72.0，6×55SWS结构，绳径72.0、77.0mm。海上钻井平台多使用吊机进行物资上下平台吊运，钻井设备搬运等，使用频率高，载荷变化多样，长时间暴露在海洋环境中，极易出现疲劳、锈蚀、断丝等现象，这类钢丝绳更要注意日常的维护保养。通常选用6×36WS系列钢丝绳。

1.1.4海洋绞机用钢丝绳

海洋绞机或卷扬用钢丝绳是与绞机和卷扬机配套使用的钢丝绳。绞机用于施工卷扬、移货、移船、海上设施定位、销绞、收卷拖缆、牵引等，用途不同，对钢丝绳的结构规格要求也不相同。

我国是世界上最大的发展中国家，是一个能源生产和消费大国。基本能源消费占世界总消费量的1/10，居世界第2位。全球油气资源深海占41%、浅海占31%、陆上只占28%，我国海洋权属区有300万km2，蕴藏丰富的油气资源，尤其南海是世界公认的“三湾、两湖、两海”大油气区之一，预测石油储量230亿~300亿1，天然气16万亿m’，占中国油气总资源量的1/3，其中70%蕴藏于153.7万km2的深海海域。在海洋油气开采中需要用到高技术含量的钢丝绳作为系治系统用钢丝绳，这种钢丝绳的可靠性直接影响油气开采作业的成败及成本的高低，从长运来看，除了海洋油气开来之外，开采天然气水合物（亦称可燃冰）可解决能源供应问题，这将为海工钢丝绳的应用开拓新的领域。世界天然气水合物中的有机碳约占全球有机碳的53.3%，而煤、石油和天然气三者之和占26.6%。分布在陆地上的天然气水合物最大地质储量约为5300亿t，分布在海洋的最大地质储量约为l6100亿1。仅海洋中的储量就可以满足人类l000多年的需要，目前世界有l22个地区发现了天然气水合物，其中陆地33处，海洋84处，已海底取芯20多处。日本在日本列岛东南斜坡陆棚深海发现了大量可燃冰，钻探30多口井，局部试采成功，已制定了2015年商业开采计划，美国在墨西哥湾深海区发现了大量可烯冰，并刺定了2016年商业开采计划。在我国南海地区预计有680亿1油当量的“可燃冰”；除了南海外，在青海地区也发现了350亿1标准油当量的天然气水合物，在广东沿海珠江口盆地东部海城首次钻获高纯度“可燃冰”，相当于1000亿~1500亿m’的天然气储量，天然气水合物可能成为人类新的后续能源，并逐渐成为海洋油气勘探开发的新亮点。可燃冰的钻采对钢丝绳的未来需求提供了长期保证。

1.2使用要求

1.2.1破断拉力高

由于海工钢丝绳的使用条件往往是起重荷载大、船载质量大、风浪大、船体摆动大，因此需要钢丝绳有巨大的破断拉力，一般破断拉力高达数千千牛，甚至数万千牛，我国《粗直径钢丝绳》标准给出最低级别最小破断拉力1870kN（直径60mm，纤维芯），最高级别23800kN（直径190mm，钢芯）。国外知名企业的钢丝绳破断拉力高于我国标准的同规格要求，例如，我国直径144mm钢芯钢丝绳标准破断拉力13700kN，而英国Bridon同规格钢丝绳破断拉力为14406kN；再如，直径152mm钢芯钢丝绳我国标准破断拉力为15200kN，意大利某公司同规格镀锌钢丝绳破断拉力为19620kN。

l.2.2超重或超长

由于海工钢丝绳一般要求破断拉力高，而纲丝绳中钢丝的抗拉强度是有限的，因此需要增加钢丝根数或钢丝直径，从而增加钢丝绳直径和钢丝绳重量。如Bridon钢丝绳最大直径312mm，单冤质量最高可达60010。在深海作业还要增加钢丝绳的长度，其长度达数千米。如意大利Redaelli公司2013年向荷兰Huisman for CEONA公司提供的35×K7镀锌压实股直径92mm钢丝绳，单根长度5475m，质量227t；供应广州黄墙造船厂直径135mm多层股钢丝绳，单绳质量达到135t；2014年向挪成Car-

gotec公司提供的35×K7策锌压实股直径126mm钢丝绳3l50m，质量245t；该公司生产的多层股绳单绳质量可达4321。

l.2.3耐磨损对疲劳寿命长

FPSO系泊系统用钢丝绳设计寿命达40a，表面看系治属于静载荷，但实际上由于强大的海风海浪作用，船体震频是不可避免的，钢丝绳中应力不断变化，引起钢丝绳疲劳。而对于作为起重和锚纹作用的钢丝绳，不仅钢丝绳中的应力变化引起疲劳，而且在重载条件下反复缠绕会引起钢丝绳的较快磨损。风浪的作用，还可能使钢丝绳的瞬间拉应力急剧增大，过大的拉力波动引起钢丝纪过早断裂失效四。

l.2.4抗海水腐蚀性能优

因为海水对钢铁材料具有强烈的腐蚀性，所以要求钢丝绳耐海水腐蚀，钢丝一般采取厚纹锌技术，另外选取耐海水属蚀的油脂并进行钢丝绝涂油。对于FPSO系泊系统用钢丝绳，则要求进行涂塑处理，钢丝绳涂塑壁厚最小为9mm，一般要求为11mm，两层涂塑别为22mm。

2海工钢丝绳生产和技术装备现状

2.1重点生产企业

目前国内可以生产海工钢丝绳的企业有10多家，产量和质量具有一定竞争力的企业主要有巨力索具股份有限公司、成阳宝石钢管钢纪有限公司、宁夏恒力钢丝绳股份有限公司、江苏狼山钢绳最份有限公司、责州钢绳集团有限公司、鞍钢钢绳有限责任公司、湘漳钢铁集团有限公司钢丝绳厂等。近年来国内钢丝绳金业在海工钢丝绳市场上占有一定份额，但仍然没有形成主流，国际知名钢丝绳生产企业在这一市场仍然具有优势和先机。英国Bridon，韩国Kiswire，意大利Redaelli，印度Usha martin、奥地利Teufelberger等金业生产的海工钢丝绳在市场上具有很强的竞争力。

2.2钢丝绳主要结构

不同用途的钢丝绳，采用的结构也不同。海工钢丝绳还没有技术标准，国内现行标准《重要用途钢丝绳》、《粗直径钢丝绳》与GB/T8706-2006《钢丝纪术语、标记和分类》对钢丝绳的表示方法存在差异，以下参照GB/T8706-2006进行标示。一般对于崂镜、拖缆、钻井架起升、锚绞、卷扬等用途，以六般绳6x

（K）37（a）或八股绳8x（K）37（a）为主，K代表压实股。其主要结构为6x（K）36WS-IWRC、6×（K）41WS-IWRC、6×（K）49SWS-IWRC；8x

（K）36WS-IWRC、8×（K）41WS-IWRC、8x（K）495WS-IWRC。6×6l（a）、6×6l（ab）代表结构6x

61FWS-IWRC；参考结构6×64SFS-IWRC、6x

65FNS-IWRC、6×84WSNS-IWRC、6×55SWS-IWRC.8×61（a）8×6l（alb）代表结构8×6lFWS-IWRC、8×64SFS-IWRC、8×65FNS-IWRC、8x

84WSNS-IWRC、8×55SWS-IWRC。

吊装时，为了防止货物旋转，常选择抗旋转性能优良的多层股纲丝绳，代表结构为35W×7，从意大利和英国进口的海工钢丝绳以多层压实股35×K7结构居多。

对于较粗直径海工钢丝绳，如采采用上述的六股、八股或多层股，钢丝直径将很大，不仅没有相应的原材料，而且对拉拔、热处理和馈锌等造成很大困难，因此，常采用线绳结构。常见的6股子绳缆参考结构：6×（6×36WS-IWRC）-IWRC、6×（6×

41WS-IWRC）-IWRC、6×（6×49SWS-IWRC）-

IWRC、6×（6×55SWS-IWRC）-IWRC、6×（6×

61FWS-IWRC）-IWR、6×（6×64SFS-IWRC）-

IWRC。常见的8股子绳缆参考结构；6x

（8×36WS-IWRC）-IWRC、6×（8×41WS-

IWRC）-IWRC、6×（8×49SWS-IWRC）-IWRC、6×（8×55SWS-IWRC）-IWRC、6×（8×6lFWS-IWRC）-IWRC、6×（8×64SFS-IWRC）-IWRC。

对于单股钢丝绳，如用于海洋石油平台的锚固常采用l×127英钢丝绳，参考结构为1×l45、1x

187、1×378、1×410、1×438等。

2.3主要拾制设备

国内海工钢丝绳生产技术装备近年来有很大发展，其备了一定的国际竞争实力。巨力索具股份有限公司是目前国内粗直径钢丝绳生产最具实力的金业之一，该公司具有KS8/1250、KS8/1680、KS8/2500等成绳机，其中KS8/2500是国内目前最大的成绳机。成阳宝石钢管钢绳有限公司海门分公司拥有KS8/2000成绳机、GGZ40/630拾股机和KG（36+48）/630拾股机，所拥有的20001纲丝绳整绳拉力破断试验机属于国内领先水平。贵州钢绳集团有限公司的大型捻制设备包括从德国进口的KS8/1250、KS8/1650成绳机和自制的KS8/2200成绳机，在钢丝绳生产方面具有较长的历史和丰富经验。宁夏恒力钢丝绳股份有限公司、江苏狼山钢绳股份有限公司、贵州纲绳集团有限公司、获钢钢绳有限责任公司、湘浮钢铁集团有限公司钢丝绳厂等企业也具有大型胶绳设备。

2.4主要制约国素

2.4.1原材料

我国还没有海工钢丝绳的技术标准，按照粗钢丝绳标准，钢丝最高级别抗拉强度为1960MPa，国际知名钢丝纪企业粗直径钢丝绳的抗拉强废超过2000MPa，有的甚至超过2500MPa。事实上，国内粗直径镀锌钢丝绝达到I960MPa已经相当困难，分析原国，这与我国没有钢丝绳专用盘条有关，更没有粗直径钢丝绳和海工钢丝绳专用盘条。国内目前用料各厂家各取所需，有75、77B、80、S82、90A钢；国外用EIPS、EEIPS级别钢号。相比之下，园内缺乏高品质的高强度钢丝绳专用钢盘条。

从盘条直径上未说，缺乏大规格的高碳钢盘条。

以直径110mm结构为6×36WS-IWRC钢丝绳为例，制经钢丝最大直径接近7mm，如果钢丝强度达到2000MPa，压缩率按照80%计算，热处理直径应为15.6mm，热处理后钢丝抗拉强度为1342MPa，国内大规格高强度制绳用盘条难以满足需求。

2.4.2技术装备2.4.2.1拉丝

海工钢丝绳中的钢丝直径差别较大，按照粗直径钢丝绳标准规定，制绳钢丝直径可大于5.8mm，绳中细钢丝直径小于1.5mm，存在问题：（1）粗直径钢丝的拉拔发热问题难以解决；（2）钢丝尺寸差异较大使钢丝对钢丝绳破断拉力的影响已不再主要局报于抗拉强度，单纯提高钢丝抗拉强度并不能带来钢丝绳破断拉力的同幅度上升，钢丝断面枚缩单和延伸率对钢丝绳破断拉力产生的影响不能忽祝。

海工钢丝绳键层分为薄镀锌和厚镀锌，厚键锌通常采用先拉后城工艺，薄镀锌钢丝生产采用先镀后拉或中皱后拉工艺。因钢丝规格相对较大，干拉成为必选，拉拔镀锌饲丝，相对拉拔光面饲丝最大问题是因为敏层与基体材质性质不同，拉拔过程中拉拔热、绒层与模孔的摩擦，很容易造成绒层剥落，如果就层原始质量不高、模其设计不合理、润滑粉选择不当，不仅较层剥落会更严重，甚至符续拉拔都团难。

2.4.2.2热处理和较锌

粗直径钢丝的热彼锌从技术到装务都存在难度四，钢丝镀锌对钢丝绳的力学姓能也会产生影响Ⅷ。国内企业能够对大规格盘条进行索氏体化处理和能够进行大规格镀锌钢丝生产的作业线不多，镀锌钢丝直径很少有超过l1mm的，热处理钢丝直径能超过13mm的也极少，国外明大护处理钢丝直径达到15mm。国内纹锌钢丝生产级通常定位于镀锌钢绞线纲丝和低破镀锌钢丝，处理钢丝直径不大，只是随着大桥缆索钢丝制遗需要，丝径才得到显著提升。海工钢丝绳直径大，用量较大的钢丝绳绳径集中在70~110mm，如采是厚镀锌，即先拉后策，热镀锌后即为成品制绳钢丝，直径一般在6.0mm以下，不少金业的技术装备可以满足要求，但热镀锌后钢丝抗拉强度下降，难以满足高强度钢丝绳要求。对于碑纹锌，由于需要饭后拉拔，如果满足高强度钢丝绳的力学性能要求，热镀锌钢丝直径需要10.0mm甚至更大，现在热镀锌生产线能力明显不足。

2.4.2.3按制

为迎合海工钢丝绳发展之需，国内近年新上了一些大型掩制设备，成绳机工字轮直径达到2000mm及其以上的已有多台（最大直径2500mm），直径630

mm系列捡股机线架个数更是最多达84架。但国产大型设备在稳定性和质量保证能力上和国际知名企业的设备仍存在一定的差距回，制品企业在海工纲丝绳生产和应用方面的经验相对不足，使得园内企业短期内狠难进入海工钢丝绝的高端市场，

3海工钢丝绳的技术装备发展方向

3.1超强拾胶合绳能力

海工钢丝绳生产需要大型的检制设备。我国近年来己经添置了不少大型拾股机和成绳机，甚至还安装了一些大型串联机组]，其技术装备在发展大型钢丝绳的道路上又前进了一大步，但与国际知名企业仍有差距。如Bridon安装了世界著名股绳装务制造企业德国斯凯特（SKET）MKVS1+16/2000+

8/2700这一世界目前最大合绳机组，配置收绝站枚老能力高达600t；Usha martin、Kiswire也分别安装了SKET MKVS1+8/2300+16/2000、1+8/2700+

16/2000串联机组；Kiswire在马来西亚专门建立海工用特种钢丝绳生产基地，其中多层股钢丝绳可生产最大直径达到180mm，组绳最多股数与Redaelli看齐，达到了55根；Bridon、Kiswire 纷纷配置SKTE用于海洋工程粗绳股生产的超大型管式检股机，如SRW 1+48/630、SRW1+45/680、SRW 1+48/800等。鉴于国内的实际情况，在原材料、拉丝、热处理、镀锌等一系列问题未得到有效解决之前，短时间内达到国际一流不现实，不一定要做世界最大，但要在海工钢丝绳的常用范围内做好做优，寻求突破时机。

3.2持殊结构满足特殊需求

没有万能结构钢丝蝇，钢丝绳的结构选择应根据使用条件而确定。从对国际知名钢丝绳企业海工钢丝绳的调查了解得知，企业根据生产和应用实际，选择不同结构的钢丝绳，有些结构属于非标特殊结构，以意大利Redaelli公司为例，2013年该公司提供海工钢丝能78根，都是镀锌钢丝能，其中，Flex-

back35xK7结构49根，占比62.8%，Packl结构14根，占比17.9%，Pack 9P结构6根，占比7.7%，其他结构占比11.6%。Flexback35×K7是多层压实股钢丝绳，具有很好的抗旋转性能。Pack1结构如图4所示，和国内的6×36WS-IWRC相同，但这里的股为压实股，如果按照国内的表示习惯，该结构应为6×K36WS-IWRC（7×7）。该结构钢丝绳主要用于船角的锄固，对抗旋转性没有特殊要求。

Pack9P结构如图5所示，用于梳杆起重机和起重机的主钧钢丝绝，同时要求钢丝绳的耐座性和抗旋转性优良，这是一种非标结构，股结构为l×l9S压实股，外层9个股，绳芯外涂塑料，绳芯也为非标，如果按照国内习惯表示方法，芯结构为12W×7.Bri-

don，Kiswire都有各自的独特结构。3.3涂层和镀层能力增强海工钢丝绳在海洋环境下工作，因遭受海水或海洋气氛的浸蚀，大多要进行防腐处理，常用的防梅方法是制绳钢丝镀锌或钢丝绳涂塑。对于长期猫固的单股钢丝绳，如作为FPSO的锚园钢丝绳，就是在绳外包覆耐海水腐蚀的塑料。为了减少钢丝绳中股与股之间的磨损，提高钢丝绳使用寿命，需要在股间填塑，或在绳芯外涂塑（图5），这样的塑料应具有耐磨性。因为海工钢丝绳一般要其有承受高破断拉力和耐海水腐蚀的特点，其生产应从选取高性能的材料和采用满足功能要求的先进工艺装备入手。研究发现，锌铝合金比纯锌的耐蚀性更好吗-10，但是否可用于海工钢丝绳值得探讨。高强度的纹锌钢丝绳需要高强度的镀锌钢丝，就目前的原材料水平，高强度的镜锌钢丝需要采用先饿后拉或中镀后拉工艺，先级后拉需要大规格的彼锌钢丝，这方面，我国金属制品企业仍是短板，因此，应开发直径13mm以上钢丝的厚镀锌技术和装备，以及直径16mm以上纲丝热处理生产线。

3.4具备索具加工能力

钢丝绳和索具企业原来相对独立，索具企业从钢丝绳企业采购钢丝能，进行吊索、拉索、铺索等索具加工。近年来，随着企业服务用户理念增强和产业链延伸的发展需要，原来的索具企业自己生产钢丝绳，钢丝绳企业向索具加工延伸，形成纪一索一体化的趋势，企业已在深入研究索具制作，提高服务能力国。海工钢丝绳也不例外，钢丝绝企业配备一定的索其加工设备，对于服务用户会具有一定优势。

海工钢丝绳具有较好的发展前景，但我国钢丝纪企业在原料选择、设备和技术上与国际知名钢丝绳企业还有一定差距，产品还处于海工钢丝绳的低端市场，中国企业在瞄准国外大型捡制设备的同时，还应注意配套的技术装备及原材料的选择，切合金业自身实际，研究用户需求，开展个性化服务，开发海工钢统倒特备产品。