CN105506512A - 一种海洋钻井平台压载系统用合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海洋钻井平台压载系统用合金材料及其制备方法，所述原料成分为：C、Mn、P、S、Si、Cr、Ni、Ti、Cu、Ta、Nb，其余为Fe；将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、RE按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，熔融；在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，保温，搅拌均匀；将熔融金属冷却至室温得到轧制板粗坯；将熔炼金属粗坯在常压惰性气体条件下回火保温20min~50min，冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板成品。本发明制备的海洋钻井平台压载系统用合金材料具有良好的抗磁、抗海水腐蚀、耐压、不易形变的性能。

Description

一种海洋钻井平台压载系统用合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种海洋钻井平台压载系统用合金材料及其制备方法。
背景技术
随着陆地油气资源开采力度的日渐加大和油气储量的不断减少，占全球资源总量约34%的海洋石油资源已成为人们关注的焦点和新一轮油气勘探开发的热点。海洋钻井平台作为海上油气勘探开发的重要装备之一，目前已在世界范围内受到了普遍关注。受海洋作业恶劣环境的影响，海洋钻井平台技术发展在近十几年中发生了重大变化，人们已经不再满足于过去传统的平台装备技术和钻探方式，而是逐渐将目光从浅海移向深海、由浅油气层转向深油气层、由简单地质层转向复杂地质层等，从而使得海洋钻井平台装备也随之由过去比较单一的固定式、自升式等装备发展到技术先进、控制性好、钻探能力强、适应范围广的钻探船、半潜式平台等勘探开发装备上来，并已成为当前和今后一段时间内世界海洋油气勘探开发的必然趋势。
海洋钻井平台压载系统是海洋钻进平台的重要组成部分，系统通过压载泵设计，使海水以重力注入立管和在泵压下排舷外溢流管，排载管不必在压载舱外壁开孔，实现压载舱不与海洋直接联通。压载系统的作用就是使平台能够相对自由的吃水，保持在深海中
的稳性。简单地来说，就是用泵把船舷外的海水抽到平台里的压载舱里面去，而且反向也能把海水从舱里抽出来排到海里去。因此，海洋钻井平台的压载系统结构材料是决定压载系统质量好坏的关键，更是整个海洋钻井平台的重要部件，不断提高海洋钻井平台压载系统结构材料质量水平是当代海洋钻井平台设计制造人员不得不面临的一大难题。
发明内容
为了克服现有海洋钻井平台压载系统结构材料质量参差不齐的不足，本发明的目的在于提供一种海洋钻井平台压载系统用合金材料及其制备方法，综合考虑各成分的成本，在保证与同等成本材料有相等或更高质量的前提下，优化各成分之间的比例，找到性价比最高的材料组方，加入稀土金属，制备的材料有良好的抗磁、抗海水腐蚀、耐压、不易形变的性能，能够有效地解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：
一种海洋钻井平台压载系统用合金材料，所述原料成分及其质量百分比为：C：0.04%~0.10%，Mn：0.8%~2.0%，P：0.03%~0.04%，S：0.03%~0.04%，Si：1.0%~2.0%，Cr：17.0%~20.0%，Ni：8.0%~11.0%，Ti：0.45%~0.70%，Ta：0.2%~0.5%，Nb：0.20%~0.50%，Cu：0.7%~1.2%，Ge：0.7%~1.2%，RE：0.40%~1.0%，其余为Fe。
进一步的，RE包括，Sc：0.2%~0.5%，Eu：0.20%~0.50%。
进一步的，原料组分最佳重量百分比如下：C：0.08%，Mn：1.50%，P：0.03%，S：0.03%，Si：1.50%，Cr：18.0%，Ni：10.0%，Ti：0.70%，Ta：0.5%，Nb：0.20%，Cu：1.0%，Ge：0.7%，Sc：0.30%，Eu：0.40%，其余为Fe。
以下，对本发明中采用的合金的成分组成的限定理由进行说明，成分组成中涉及的%指质量%。
C：0.04%~0.10%，C在钢材中可形成固溶体组织、提高钢的强度；形成碳化物组织，可提高钢的硬度及耐磨性。因此，C在钢材中，含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低;反之，含碳量越低，钢的塑性、韧性越高，其强度、硬度也会随之降低，为适应海洋条件及作业要求效果，本发明将海洋钻井平台压载系统用材料中C含量规定为0.04%~0.10%，优选为0.08%。
Mn：0.8%~2.0%，Mn是一种弱脱氧剂，钢材中添加Mn，不但有利于钢材的抗蚀性，而且还能使钢材的强度提高，并能降低热裂纹倾向，改善钢材的抗腐蚀性能和焊接性能。随着Mn含量增加，钢材强度有所提高，为适应海洋钻井平台压载系统的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为0.8%~2.0%，优选为1.50%。
P：0.03%~0.04%，磷对提高钢材的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢材的脆性。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将P含量规定为0.03%~0.04%，优选为0.03%。
S：0.03%~0.04%，S可引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等，一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。一定量的S与Mn在钢材中形成MnS，有助于提高切削性的元素。在低于0.001%时添加效果不充分，超过0.15%则添加效果饱和，S会降低铁水的流动性，阻止Fe3C分解，使铸件产生气孔、难于切削并降低其韧性，因此将S规定为0.03%~0.04%，优选为0.03%。
Si：1.0%~2.0%，Si可提高钢材的耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性；在钢材中能降低熔点，改善流动性。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将Si含量规定为1.0%~2.0%，优选为1.50%。
Cr：17.0%~20.0%，Cr在钢材中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢材的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是钢材的重要合金元素。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将Cr含量规定为17.0%~20.0%，优选为18.0%。
Ni：8.0%~11.0%，镍在钢材中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性，提高合金的焊接性能。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为8.0%~11.0%，优选为10.0%。
Ti：0.45%~0.70%，Ti是合金中常用的添加元素，钛与铝形成TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用；还能起到变质剂作用，增加晶核，细化晶粒。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将Ti含量规定为0.45%~0.70%，优选为0.70%。
Ta：0.2%~0.5%，Ta是强碳化物形成元素，Ta的碳化物在高温下十分稳定，只比钛的碳化物略为逊色。由于Ta具有良好的热强性，因此，Ta在低合金耐热钢和高合金耐热钢中都获得了广泛的应用，提高了钢的热强性。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将合金材料中Ta含量规定为0.2%~0.5%，优选为0.70%。
Nb：0.20%~0.50%，铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将材料中Nb含量规定为0.20%~0.50%，优选为0.20%。
Cu：0.7%~1.2%，铜能提高合金的强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将Cu含量规定为0.7%~1.2%，优选为1.0%。
Ge：0.7%~1.2%，锗一般可以与硅、金、钛、铜等合成合金材料。锗晶体里的原子排列与金刚石一样，因此物理特性呈现硬而且脆的特征，可以增加合金的硬度；由于易碎、易剥落，因此工业中有采用把锗与铜、银合成合金材料的工艺，以解决锗的不足。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将材料中Ge含量规定为0.7%~1.2%，优选为0.7%。
RE：0.40%~1.0%，稀土元素加入合金中，能够提高合金材料的机械强度和抗腐蚀性，使合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注成锭，对工艺性能有着明显的影响；稀土金属还能消除磁场及复杂的水文环境对海洋钻井平台压载系统的不良影响，从而提高了海洋钻井平台的使用寿命；同时在承力相同的条件下，明显减轻结构件重量。为适应海洋条件及海洋钻井平台压载系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.40%~1.0%，包括，Sc：0.2%~0.5%，Eu：0.20%~0.50%；优选为Sc：0.30%，Eu：0.40%。在本发明中使用的稀土金属含量较少，但是能够起到很好的消磁和增加合金强度、耐磨性的作用，有利于降低成本。
本发明的另一个目的，在于一种海洋钻井平台压载系统用合金材料的制备方法，包括以下制作步骤：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、RE按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为850℃~880℃条件下熔融；
步骤B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，并保温20min~50min，搅拌均匀；
步骤C、将熔融金属冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用结构材料轧制板粗坯；
步骤D、将熔炼金属粗坯在常压惰性气体条件下回火保温20min~50min，冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用结构材料轧制板成品。
进一步的，步骤A中，烧结的温度为850℃~860℃时，RE的组成为Sc或Eu。进一步的，所述的一种海洋钻井平台压载系统用材料的制备方法，所述烧结的温度为860℃~880℃时，RE的组成为Sc和Eu。
进一步的，步骤C中，熔融金属冷却速率为50℃/min~80℃/min。
进一步的，步骤D中，熔炼金属粗坯回火的温度为600℃。
进一步的，步骤D中，熔炼金属粗坯回火后的降温速率为50℃/min~80℃/min。
进一步的，步骤D中，惰性气体为氮气。
本发明的优点是：
本发明所提供的海洋钻井平台压载系统用合金材料成品，制备的材料抗磁性能优良，抗海水腐蚀、耐压、硬度大、不易形变。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，用来对本发明作进一步详细说明。
实施例1
原料组分：
C：0.08%，Mn：1.50%，P：0.03%，S：0.03%，Si：1.50%，Cr：18.0%，Ni：10.0%，Ti：0.70%，Ta：0.5%，Nb：0.20%，Cu：1.0%，Ge：0.7%，Sc：0.30%，Eu：0.40%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、Sc、Eu按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为875℃条件下熔融；
步骤B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，并保温42min，搅拌均匀；
步骤C、将熔融金属以70℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板粗坯。
步骤D、将熔炼金属粗坯在常压充入N2的条件下回火保温42min，以70℃/min的降温速率冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用合金材料轧制板成品。
实施例2
原料组分：
C：0.04%，Mn：0.80%，P：0.03%，S：0.03%，Si：1.0%，Cr：17.0%，Ni：8.0%，Ti：0.45%，Ta：0.20%，Nb：0.20%，Cu：0.70%，Ge：0.70%，Sc：0.20%，Eu：0.20%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、Sc、Eu按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为870℃条件下熔融；
步骤B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，并保温20min，搅拌均匀；
步骤C、将熔融金属以50℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板粗坯。
步骤D、将熔炼金属粗坯在常压充入N2的条件下回火保温20min，以50℃/min的降温速率冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用合金材料轧制板成品。
实施例3
原料组分：
C：0.10%，Mn：2.0%，P：0.04%，S：0.04%，Si：2.0%，Cr：20.0%，Ni：11.0%，Ti：0.70%，Ta：0.50%，Nb：0.50%，Cu：1.20%，Ge：1.20%，Sc：0.50%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、Sc按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为850℃条件下熔融；
步骤B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，并保温50min，搅拌均匀；
步骤C、将熔融金属以80℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板粗坯。
步骤D、将熔炼金属粗坯在常压充入N2的条件下回火保温50min，以80℃/min的降温速率冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用合金材料轧制板成品。
实施例4
原料组分：
C：0.10%，Mn：2.0%，P：0.04%，S：0.04%，Si：2.0%，Cr：20.0%，Ni：11.0%，Ti：0.70%，Ta：0.50%，Nb：0.50%，Cu：1.20%，Ge：1.20%，Eu：0.50%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、Eu按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为855℃条件下熔融；
步骤B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，并保温35min，搅拌均匀；
步骤C、将熔融金属以65℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板粗坯。
步骤D、将熔炼金属粗坯在常压充入N2的条件下回火保温35min，以65℃/min的降温速率冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用合金材料轧制板成品。
实施例5
原料组分：
C：0.07%，Mn：1.40%，P：0.035%，S：0.035%，Si：1.50%，Cr：18.50%，Ni：9.50%，Ti：0.58%，Ta：0.35%，Nb：0.35%，Cu：1.0%，Ge：1.20%，Eu：0.35%，Sc：0.35%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、Eu、Sc按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为860℃条件下熔融；
步骤B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，并保温40min，搅拌均匀；
步骤C、将熔融金属以70℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板粗坯。
步骤D、将熔炼金属粗坯在常压充入N2的条件下回火保温35min，以70℃/min的降温速率冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用合金材料轧制板成品。
实验例1
抗磨性对比试验：
本发明实施例1~5制备的海洋钻井平台压载系统用合金材料与普通压载系统用钢材在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上做浆料（石英砂+水）湿磨试验，在高应力动载磨料磨损试验机上做石英砂干磨试验，性能见表1。
表1抗磨性及硬度对比试验结果
材料 干磨抗磨倍率 湿磨抗磨倍率 硬度（HB）
普通压载系统用钢材 1.0 1.0 220
实施例1所制合金材料 1.26 1.23 2655 -->
实施例2所制合金材料 1.20 1.18 260
实施例3所制合金材料 1.19 1.16 264
实施例4所制合金材料 1.15 1.17 260
实施例5所制合金材料 1.17 1.18 269
实验例2
将本发明实施例1~5制备的海洋钻井平台压载系统用合金材料与普通压载系统用钢材的基本金属特性相比较，其性能结果如下表2。
表2基本金属特性性能比较
由上述试验例可见，本发明海洋钻井平台压载系统用合金材料的各项性能均高于普通结构钢材，制备本发明海洋钻井平台压载系统用合金材料的特殊材料用量少，相对成本低，更加适合用于海洋钻井平台压载系统用合金材料。
以上仅为本发明的优选实施例及实验例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋钻井平台压载系统用合金材料，其特征在于，所述原料成分及其质量百分比为：C：0.04%~0.10%，Mn：0.8%~2.0%，P：0.03%~0.04%，S：0.03%~0.04%，Si：1.0%~2.0%，Cr：17.0%~20.0%，Ni：8.0%~11.0%，Ti：0.45%~0.70%，Ta：0.2%~0.5%，Nb：0.20%~0.50%，Cu：0.7%~1.2%，Ge：0.7%~1.2%，RE：0.40%~1.0%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述RE包括：Sc：0.2%~0.5%，Eu：0.20%~0.50%。
3.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述原料成分及其质量百分比为：C：0.08%，Mn：1.50%，P：0.03%，S：0.03%，Si：1.50%，Cr：18.0%，Ni：10.0%，Ti：0.70%，Ta：0.5%，Nb：0.20%，Cu：1.0%，Ge：0.7%，Sc：0.30%，Eu：0.40%，其余为Fe。
4.一种根据权利要求1~3任一项所述合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下制作步骤：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、RE按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为850℃~880℃条件下熔融；
步骤B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Ge、Si，并保温20min~50min，搅拌均匀；
步骤C、将熔融金属冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板粗坯；
步骤D、将熔炼金属粗坯在常压惰性气体条件下回火保温20min~50min，冷却至室温得到海洋钻井平台压载系统用材料轧制板成品。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述烧结的温度为850℃~860℃时，RE的组成为Sc或Eu。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述烧结的温度为860℃~880℃时，RE的组成为Sc和Eu。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述熔融金属的冷却速率为50℃/min~80℃/min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤D中，所述熔炼金属粗坯回火的温度为600℃。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤D中，所述熔炼金属粗坯回火后的冷却速率为50℃/min~80℃/min。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤D中，所述惰性气体为氮气。
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