CN105671409A - 一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料，所述合金材料的原料成分为：C、Mn、Co、Zn、B、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、Gd、Tb，其余为Al；将待熔炼的金属原料，加入真空室内，抽真空，在烧结温度为870℃~900℃条件下熔融；在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入非金属原料，并保温，搅拌均匀；在惰性气体加压条件下冷却至室温得到海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。本发明制备的产品具有良好的抗磁、抗海水腐蚀、耐压、不易形变的性能。

Description

一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝基合金领域，具体涉及一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料及其制备方法。

背景技术

2008年金融危机爆发，全球石油需求下降，油价大幅下跌。在资金短缺和利润空间下降的压力下，石油公司逐步缩减了海洋油气上游投资，海洋钻井作业量大幅减少，从而导致许多浅水及中深水钻井平台闲置，日费率相应下降。同时，新一轮建造平台的高峰加剧了这种市场低迷的情况，并加快了平台的更新换代。随着油价的回升，各大石油公司加大了海洋油气上游投资的力度，浅海和中深海平台市场出现回暖的迹象。深水钻井平台受金融危机影响较小，市场需求一直保持旺盛。适合深水、超深水和极地等恶劣环境的钻井平台是未来海洋钻井平台市场发展的一个主要趋势。

海洋钻井平台舱底水系统是海洋钻进平台的重要组成部分，舱底水系统是平台上的一个关系安全的关键系统，作用是为了排出各个舱室的含油污水，把这些污水收集在一个独立舱室中，然后通过处理后，使得污水里面的含油量极少后，然后排到大海里面去，或者排放到平台的服务船上去。以此来避免海洋环境的污染。或者说是减少对海洋的污染。因此，海洋钻井平台的舱底水系统结构材料是决定系统质量好坏的关键，更是整个海洋钻井平台的重要部件，但是国内外对于海洋钻井平台的研发还在不断探索，对于海洋钻井平台的舱底水系统用的合金材料的选用还没有统一的标准，各种合金性能差别很大，给海洋钻井平台设计制造人员带来了很大的麻烦，如何选择和制造优良的适合海洋钻井平台的舱底水系统结构材料，是当前一个急需解决的问题。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的在于提供一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料及其制备方法，综合考虑各成分的成本，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，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：

一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料，所述合金材料的原料成分及其质量百分比为：C：0.0~0.10%，Mn：0.80%~1.50%，Co：0.3%~0.4%，Zn：0.3%~0.4%，B：0.3%~0.4%，Si：1.0%~2.0%，Cr：16.0%~18.0%，Ni：27.5%~30.5Mo：2.0%~3.0%，Cu：3.0%~4.0%，RE：0.40%~1.0%，其余为Al。

进一步的，RE包括，Gd：0.2%~0.50%，Tb：0.20%~0.50%。

进一步的，所述合金材料的原料成分及其质量百分比为：C：0.07%，Mn：1.50%，Co：0.35%，Zn：0.40%，B：0.3%，Si：1.50%，Cr：16.0%，Ni：30.0%，Mo：3.0%，Cu：3.0%，Gd：0.30%，Tb：0.40%，其余为Al。

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%，碳是一种常见的铝合金细化剂，晶粒细化能够显著提高铝合金的力学性能，有利于减少缩松缺陷，降低合金的热裂倾向，缩短合金晶界析出相的扩散距离。为适应海洋条件及作业要求效果，本发明将海洋钻井平台舱底水系统用材料中C含量规定为0.04%~0.10%，优选为0.07%。

Mn：0.80%~1.50%，Mn是一种弱脱氧剂合金中添加Mn，不但有利于合金的抗蚀性，而且还能使合金的强度提高，并能降低热裂纹倾向，改善合金的抗腐蚀性能和焊接性能。随着Mn含量增加，合金强度有所提高，为适应海洋钻井平台舱底水系统的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为0.80%~1.50%，优选为1.50%。

Co：0.30%~0.40%，钴的作用是提高合金硬度和强度，同时有良好的韧性，但使伸长率有所降低。为适应海洋条件及海洋钻井平台舱底水系统的特殊需求，本发明将Co含量规定为0.30%~0.40%，优选为0.35%。

Zn：0.30%~0.40%，Zn可提高铝合金的力学性能，但是过高的Zn含量会减弱铝合金的抗腐蚀性能；为适应海洋条件及海洋钻井平台舱底水系统的特殊需求，本发明将Zn含量规定为0.30%~0.40%，优选为0.40%。

Si：1.0%~2.0%，Si可提高铝合金的耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性；在铝合金中能降低熔点，改善流动性。为适应海洋条件及海洋钻井平台舱底水系统的特殊需求，本发明将Si含量规定为1.0%~2.0%，优选为1.50%。

Cr：16.0%~18.0%，Cr在铝合金中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高铝合金的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是铝合金的重要合金元素。为适应海洋条件及海洋钻井平台舱底水系统的特殊需求，本发明将Cr含量规定为16.0%~18.0%，优选为16.0%。

Ni：27.5%~30.5%，镍在铝合金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舱底水系统的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为27.5%~30.5%，优选为30.0%。

Mo：2.0%~3.0%，低含量的Mo能提高铝合金的强度和硬度；降低铝合金的临界冷却速度，提高铝合金的淬透性；提高铝合金的耐热性和高温强度，为适应海洋条件及海洋钻井平台舱底水系统的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为2.0%~3.0%，优选为3.0%。

Cu：3.0%~4.0%，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舱底水系统的特殊需求，本发明将Cu含量规定为3.0%~4.0%，优选为0.50%。

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舱底水系统的不良影响，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舱底水系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.40%~1.0%，包括，Gd：0.2%~0.50%，Tb：0.20%~0.50%；优选为Gd：0.30%，Tb：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，在于提供一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料的制备方法，包括如下制作步骤：

步骤、将待熔炼的Al、Mn、Co、Zn、Cr、Ni、Mo、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870℃~900℃条件下熔融；

步骤、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、B、Si，并保温30min~60min，搅拌均匀；

步骤、在惰性气体加压条件下冷却至室温得到海洋钻井平台舱底水系统用材料。

进一步的，步骤中，烧结的温度为870℃~890℃时，RE的组成为Gd或Tb。

进一步的，步骤中，烧结的温度为890℃~900℃时，RE的组成为Gd和Tb。

进一步的，步骤中，冷却的速率为50℃/min~60℃/min。

进一步的，步骤中，惰性气体为氦气或氮气。

进一步的，步骤中，加压的条件为100Mpa~120Mpa。

本发明的优点是：

本发明所提供的海洋钻井平台舱底水系统用合金材料成品，制备的材料有良好的抗磁、抗腐蚀、耐压、不易形变、质量轻的性能。

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：0.07%，Mn：1.50%，Co：0.35%，Zn：0.40%，B：0.3%，Si：1.50%，Cr：16.，Ni：30.0%，Mo：3.0%，Cu：3.0%，Gd：0.30%，Tb：0.40%，其余为Al。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Al、Mn、Co、Zn、Cr、Ni、Mo、Cu、Gd、Tb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895℃条件下熔融；

步骤、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、B、Si，并保温40min，搅拌均匀；

步骤、在氮气压力为115Mpa的条件下将熔融金属以54℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。

实施例2

原料组分：

C：0.04%，Mn：0.80%，Co：0.3%，Zn：0.3%，B：0.3%，Si：1.0%，Cr：16.0%，Ni：27.5%，Mo：2.0%，Cu：3.0%，Gd：0.40%，其余为Al。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Al、Mn、Co、Zn、Cr、Ni、Mo、Cu、Gd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、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、B、Si，并保温30min，搅拌均匀；

步骤、在氮气压力为100Mpa的条件下将熔融金属以50℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。

实施例3

原料组分：

C：0.04%，Mn：0.80%，Co：0.3%，Zn：0.3%，B：0.3%，Si：1.0%，Cr：16.0%，Ni：27.5%，Mo：2.0%，Cu：3.0%，Tb：0.40%，其余为Al。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Al、Mn、Co、Zn、Cr、Ni、Mo、Cu、Tb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890℃条件下熔融；

步骤、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、B、Si，并保温60min，搅拌均匀；

步骤、在氮气压力为120Mpa的条件下将熔融金属以60℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。

实施例4

原料组分：

C：0.07%，Mn：1.50%，Co：0.40%，Zn：0.40%，B：0.40%，Si：2.0%，Cr：18.0%，Ni：30.5%，Mo：3.0%，Cu：4.0%，Tb：0.50%，Gd：0.50%，其余为Al。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Al、Mn、Co、Zn、Cr、Ni、Mo、Cu、Tb、Gd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891℃条件下熔融；

步骤、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、B、Si，并保温50min，搅拌均匀；

步骤、在氦气压力为110Mpa的条件下将熔融金属以55℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。

实施例5

原料组分：

C：0.10%，Mn：1.15%，Co：0.35%，Zn：0.35%，B：0.35%，Si：1.50%，Cr：17.0%，Ni：29.0%，Mo：2.50%，Cu：3.50%，Tb：0.35%，Gd：0.35%，其余为Al。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Al、Mn、Co、Zn、Cr、Ni、Mo、Cu、Tb、Gd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890℃条件下熔融；

步骤、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、B、Si，并保温60min，搅拌均匀；

步骤、在氦气压力为120Mpa的条件下将熔融金属以60℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。

实验例1

抗磨性对比试验：

本发明实施例1~5制得的海洋钻井平台舱底水系统用材料与普通舱底水系统用材料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）
				普通舱底水系统用材料	1.0	1.0	1874 -->
实施例1所制合金材料	1.16	1.43	205
				实施例2所制合金材料	1.10	1.38	200
实施例3所制合金材料	1.14	1.36	204
				实施例4所制合金材料	1.15	1.37	200
实施例5所制合金材料	1.17	1.38	203

实验例2

将本发明实施例1~5制得的海洋钻井平台舱底水系统用材料与普通舱底水系统用材料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，本发明合金材料的各项性能均高于普通舱底水系统用材料，制备本发明合金的特殊材料用量少，相对成本低，更加适合用于海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。

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 (9)

1.一种海洋钻井平台舱底水系统用合金材料，其特征在于，所述合金材料的原料成分及其质量百分比为：C：0.04%~0.10%，Mn：0.80%~1.50%，Co：0.3%~0.4%，Zn：0.3%~0.4%，B：0.3%~0.4%，Si：1.0%~2.0%，Cr：16.0%~18.0%，Ni：27.5%~30.5%，Mo：2.0%~3.0%，Cu：3.0%~4.0%，RE：0.40%~1.0%，其余为Al。

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：Gd：0.2%~0.50%，Tb：0.20%~0.50%。

3.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述合金材料的原料成分及其质量百分比为：C：0.07%，Mn：1.50%，Co：0.35%，Zn：0.40%，B：0.3%，Si：1.50%，Cr：16.0%，Ni：30.0%，Mo：3.0%，Cu：3.0%，Gd：0.30%，Tb：0.40%，其余为Al。

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，包括如下制作步骤：

步骤、将待熔炼的Mn、Co、Zn、Cr、Ni、Mo、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870℃~900℃条件下熔融；

步骤、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、B、Si，并保温30min~60min，搅拌均匀；

步骤、在惰性气体加压条件下冷却至室温得到海洋钻井平台舱底水系统用合金材料。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述烧结的温度为870℃~890℃时，RE的组成为Gd或Tb。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述烧结的温度为890℃~900℃时，RE的组成为Gd和Tb。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述冷却的速率为50℃/min~60℃/min。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述惰性气体为氦气或氮气。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述加压的压力为100Mpa~120Mpa。