CN105671451A

CN105671451A - 一种海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105671451A
Application number: CN201610069912.3A
Authority: CN
Inventors: 陈镕真
Original assignee: Huian Weike Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Huian Weike Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2016-06-15

Abstract

本发明提供一种海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料及其制备方法，所述合金材料的原料成分为：C、Mn、Re、Be、Zn、Mg、Al、Si、Cr、Ni、Mo、Sr、Dy、Ce，其余为Fe；将待熔炼的Fe、Mn、Re、Zn、Mg、Al、Cr、Ni、Mo、Sr、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960℃~980℃条件下熔融；在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、Be、Si，并保温30min~40min，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海水冷却系统用合金材料。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

一种海洋钻井平台海水冷却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海水冷却系统用合金材料及其制备方法。

背景技术

金融危机对海洋油气勘探开发构成了冲击。石油公司由于融资和低油价原因，上游的勘探开发活动减少，从而造成了大量的钻井平台闲置，日费下降。浮式海洋钻井平台一直保持比较高的利用率，但自升式海洋钻井平台的利用率下降到了历史的低点，并随着新建平台逐渐进入市场，加快了老平台的退役。随着全球经济的逐步复苏，全球对油气的需求不断增加，油价逐渐回升，海上的油气投资和勘探开发必将更加活跃，新一轮的海洋钻井平台需求高峰将卷土重来。如果油价一直保持高位水平，并保持一定的海洋油气发现率，适合深水、超深水和极地等恶劣环境的海洋钻井平台将是未来海洋钻井平台市场发展的一个主要趋势。

海洋钻井平台海水冷却系统是海洋钻进平台的重要组成部分，在海洋钻井平台上，很多机械在运行的时候都会产生大量的热量。比如柴油机，它燃烧柴油推动活塞做功，通过曲轴把能量传递出去。在这个过程中，摩擦，燃烧产生的热量都会使金属产生疲劳，或者会使机械的过热保护装置启动，使机械停止下来。还有很多机械设备需要冷却，比如液压单元、发电机组、变频器、空气压缩机、高压泥浆泵、绞车、推进器刹车片、推进器液压单元等。但是，海水是有腐蚀性的，让它直接接触去冷却设备的话，就很容易造成机械的腐蚀。因此，海洋钻井平台的海水冷却系统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，如何选择和制造优良的、既防海水腐蚀又适合海洋钻井平台的海水冷却系统材料，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海水冷却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：

一种海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料，所述材料成分及其质量百分比为：C：0.04%~0.10%，Mn：0.80%~1.50%，Re：0.80%~1.50%，Be：0.3%~0.4%，Zn：0.4%~0.6%，Mg：0.4%~0.6%，Al：0.3%~0.4%，Si：1.0%~3.0%，Cr：14.0%~22.0%，Ni：7.5%~12.5%，Mo：0.02%~0.05%，Sr：3.0%~4.0%，RE：0.20%~0.80%，其余为Fe。

进一步的，RE包括，Dy：0.10%~0.40%，Ce：0.10%~0.40%。

进一步的，材料成分及其质量百分比为：C：0.08%，Mn：1.50%，Re：1.50%，Be：0.34%，Zn：0.6%，Mg：0.4%，Al：0.35%，Si：2.0%，Cr：20.0%，Ni：10.0%，Mo：0.05%，Sr：3.50%，Dy：0.20%，Ce：0.30%，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海水冷却系统用材料中C含量规定为0.04%~0.10%，优选为0.08%。

Mn：0.80%~1.50%，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海水冷却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%。

Re：0.80%~1.50%，铼能够同时提高钨、钼、铬的强度和塑性，为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将P含量规定为0.80%~1.50%，优选为1.50%。

Be：0.30%~0.40%，在合金中加人较高量Be时，可以加速以上合金时效进程并提高时效硬度。在合金中加入Be，可以加速时效硬化进程，提高硬度近1倍，同时还可增加时效析出相数目，减小其尺寸。本发明将合金材料中Be含量规定为0.30%~0.40%，优选为0.34%。

Zn：0.40%~0.60%，Zn在合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围中。含锌量很高的合金却具有较好的铸造性能和机械性能，切削加工也比较好，为为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将合金材料中Zn含量规定为0.40%~0.60%，优选为0.60%。

Mg：0.40%~0.60%，在合金中加入少量的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的切削加工性。含镁的合金具有优良的耐蚀性。为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将合金材料中Mg含量规定为0.40%~0.60%，优选为0.40%。

Al：0.30%~0.40%，Al在炼钢中起良好的脱氧作用，钢中加入少量的Al，能细化钢的晶粒，提高钢的强度，提高冲击韧性，提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力。Al还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。为适应航海气候条件及作业要求效果，本发明将Al含量规定为0.30%~0.40%，优选为0.35%。

Si：1.0%~3.0%，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海水冷却系统的特殊需求，本发明将Si含量规定为1.0%~3.0%，优选为2.0%。

Cr：14.0%~22.0%，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海水冷却系统的特殊需求，本发明将Cr含量规定为14.0%~22.0%，优选为20.0%。

Ni：7.5%~12.5%，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海水冷却系统的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为7.5%~12.5%，优选为10.0%。

Mo：0.02%~0.05%，低含量的Mo能强化铁素体，提高钢的强度和硬度；降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；提高钢的耐热性和高温强度，为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为0.02%~0.05%，优选为0.05%。

Sr：3.0%~4.0%，Sr有很强的吸收X射线辐射功能和独特的物理化学性能，为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将合金材料中Sr含量规定为3.0%~4.0%，优选为3.50%。

RE：0.20%~0.80%，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海水冷却系统的不良影响，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海水冷却系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20%~0.80%，包括，Dy：0.10%~0.40%，Ce：0.10%~0.40%，优选为Dy：0.20%，Ce：0.30%。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材料强度、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海水冷却系统用合金材料及其制备方法，包括如下制作步骤：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Re、Zn、Mg、Al、Cr、Ni、Mo、Sr、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960℃~980℃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、Be、Si，并保温30min~40min，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海水冷却系统用材料。

进一步的，步骤中，烧结的温度为960℃~970℃时，RE的组成为Ce。

进一步的，步骤中，烧结的温度为970℃~980℃时，RE的组成为Ce和Dy。

进一步的，步骤中，冷却的速率为70℃/min~80℃/min。

进一步的，步骤中，惰性气体为氖气或氪气。

进一步的，步骤中，加压的压力为80Mpa~100Mpa。

本发明的优点是：

本发明所提供的海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料成品，制备的材料具有良好的抗磁、抗海水腐蚀、耐压、不易形变的性能。

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：0.08%，Mn：1.50%，Re：1.50%，Be：0.34%，Zn：0.6%，Mg：0.4%，Al：0.35%，Si：2.0%，Cr：20.0%，Ni：10.0%，Mo：0.05%，Sr：3.50%，Dy：0.20%，Ce：0.30%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Re、Zn、Mg、Al、Cr、Ni、Mo、Sr、Dy、Ce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975℃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、Be、Si，并保温34min，搅拌均匀；

步骤、在氪气压力为85Mpa的条件下将熔融金属以74℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料。

实施例2

原料组分：

C：0.04%，Mn：0.80%，Re：0.80%，Be：0.30%，Zn：0.40%，Mg：0.40%，Al：0.30%，Si：1.0%，Cr：14.0%，Ni：7.5%，Mo：0.02%，Sr：3.0%，Ce：0.30%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Re、Zn、Mg、Al、Cr、Ni、Mo、Sr、Ce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960℃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、Be、Si，并保温30min，搅拌均匀；

步骤、在氪气压力为80Mpa的条件下将熔融金属以70℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料。

实施例3

原料组分：

C：0.10%，Mn：1.50%，Re：1.50%，Be：0.40%，Zn：0.60%，Mg：0.60%，Al：0.40%，Si：3.0%，Cr：22.0%，Ni：12.5%，Mo：0.05%，Sr：4.0%，Ce：0.40%，Dy：0.40%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Re、Zn、Mg、Al、Cr、Ni、Mo、Sr、Ce、Dy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980℃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、Be、Si，并保温40min，搅拌均匀；

步骤、在氖气压力为100Mpa的条件下将熔融金属以80℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料。

实施例4

原料组分：

C：0.07%，Mn：1.20%，Re：1.20%，Be：0.35%，Zn：0.50%，Mg：0.50%，Al：0.35%，Si：2.0%，Cr：18.0%，Ni：10.0%，Mo：0.035%，Sr：3.50%，Ce：0.25%，Dy：0.25%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Re、Zn、Mg、Al、Cr、Ni、Mo、Sr、Ce、Dy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975℃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、Be、Si，并保温35min，搅拌均匀；

步骤、在氖气压力为90Mpa的条件下将熔融金属以75℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料。

实验例1

抗磨性对比试验：

本发明实施例1~5所制海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料与普通海水冷却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）
				普通海水冷却系统材料	1.0	1.0	187
实施例1所制合金材料	1.26	1.39	205
				实施例2所制合金材料	1.20	1.37	200
实施例3所制合金材料	1.24	1.35	204
				实施例4所制合金材料	1.25	1.36	200

实验例2

将本发明实施例1~5所制海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料与普通海水冷却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海水冷却系统用合金材料。

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

1.一种海洋钻井平台海水冷却系统用合金材料，其特征在于，所述材料成分及其质量百分比为：C：0.04%~0.10%，Mn：0.80%~1.50%，Re：0.80%~1.50%，Be：0.3%~0.4%，Zn：0.4%~0.6%，Mg：0.4%~0.6%，Al：0.3%~0.4%，Si：1.0%~3.0%，Cr：14.0%~22.0%，Ni：7.5%~12.5%，Mo：0.02%~0.05%，Sr：3.0%~4.0%，RE：0.20%~0.80%，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：Dy：0.10%~0.40%，Ce：0.10%~0.40%。

3.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述材料成分及其质量百分比为：C：0.08%，Mn：1.50%，Re：1.50%，Be：0.34%，Zn：0.6%，Mg：0.4%，Al：0.35%，Si：2.0%，Cr：20.0%，Ni：10.0%，Mo：0.05%，Sr：3.50%，Dy：0.20%，Ce：0.30%，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，包括如下制作步骤：

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960℃~970℃时，RE的组成为Ce。

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970℃~980℃时，RE的组成为Ce和Dy。

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70℃/min~80℃/min。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述惰性气体为氖气或氪气。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述加压的条件为80Mpa~100Mpa。