CN105734425A - 一种海洋钻井平台结构材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种海洋钻井平台结构材料的制备方法，制作步骤如下：准备原料，原料成分及其质量百分比为：C、Mn、P、S、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、RE，其余为Fe；将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、RE，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为950℃～970℃条件下熔融；在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si，并保温10min～20min，搅拌均匀；将熔融金属冷却至室温得到结构材料轧制板粗坯；将熔炼金属粗坯回火保温，冷却至室温得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。本发明制备的海洋钻井平台结构材料具有良好的抗磁、抗海水腐蚀、耐压、耐冲撞的性能。

Description

一种海洋钻井平台结构材料
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结构材料。
背景技术
海洋钻井平台是在海洋上进行作业，石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台上设采油设备，平台与海底井口有立管相通。随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋。因此，钻井工程作业也必须在浩瀚的海洋中进行。在海上进行油气钻井施工时，几百吨重的钻机要有足够的支撑和放置的空间，同时还要有钻井人员生活居住的地方，海上石油钻井平台就担负起了这一重任。由于海上气候的多变、海上风浪和海底暗流的破坏，海上钻井装置的稳定性和安全性更显重要。
当前，海洋石油勘探开发已进入到一个新的时代，世界各国对海洋油气资源勘探开发的力度不断加大。近年来我国虽然在海洋平台建造及技术研究方面做了大量工作，并取得了可喜的成绩，但就海洋装备技术实力和技术水平而言，我国仍处于一个比较落后的位置，尤其是在海洋钻井平台结构材料等方面，我国与发达国家之间还存在着很大的差距。因此，我国必须加快科研步伐，奋力追赶西方发达国家，早日步入世界海洋石油装备强国行列。
发明内容
为了克服上述现有技术不足，本发明的目的在于提供一种海洋钻井平台结构材料，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，制备的材料抗磁性能优良，抗海水腐蚀、耐压、硬度大、抗冲击性能好，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：
一种海洋钻井平台结构材料的制备方法，制作步骤如下：
步骤I，准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.20％～0.25％，Mn：0.5％～0.8％，P：0.04％～0.05％，S：0.04％～0.05％，Si：0.5％～0.7％，Cr：0.3％～0.5％，Ni：0.5％～0.7％，Mo：0.45％～0.65％，Cu：0.3％～0.5％，W：0.20％～0.30％，Nb：0.02％～0.04％，RE：0.20％～0.60％，其余为Fe；原材料皆为单质。
步骤II，将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、RE单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为950℃～970℃条件下熔融。
步骤III，在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si单质，并保温10min～20min，搅拌均匀。
步骤IV，将熔融金属冷却至室温得到海洋钻井平台结构材料轧制板粗坯。
步骤V，将熔炼金属粗坯回火保温10min～20min，冷却至室温得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。
进一步地，步骤I中，RE包括，Nd：0.10％～0.30％，Dy：0.10％～0.30％。
进一步地，步骤I中，原料成分及重量百分比计为：C：0.25％，Mn：0.60％，P：0.04％，S：0.045％，Si：0.60％，Cr：0.35％，Ni：0.50％，Mo：0.50％，Cu：0.50％，W：0.25％，Nb：0.03％，Nd：0.25％，Dy：0.25％，其余为Fe。
进一步地，步骤II中，烧结的温度为950℃～960℃时，RE的组成为Nd或Dy。
进一步地，步骤II中，烧结的温度为960℃～970℃时，RE的组成为Nd和Dy。
进一步地，步骤IV中，熔融金属冷却速率为80℃/min～100℃/min。
进一步地，步骤V中，熔炼金属粗坯回火的温度为630℃。
进一步地，步骤V中，熔炼金属粗坯回火后的冷却速率为50℃/min～80℃/min。
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：0.20％～0.25％，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结构材料中C含量规定为0.20％～0.25％，优选为0.25％。
Mn：0.5％～0.8％，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结构的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为0.5％～0.8％，优选为0.60％。
P：0.04％～0.05％，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结构的特殊需求，本发明将P含量规定为0.04％～0.05％，优选为0.04％。
S：0.04％～0.05％，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0.04％～0.05％，优选为0.045％。
Si：0.5％～0.7％，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结构的特殊需求，本发明将Si含量规定为0.5％～0.7％，优选为0.60％。
Cr：0.3％～0.5％，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结构的特殊需求，本发明将Cr含量规定为0.3％～0.5％，优选为0.35％。
Ni：0.5％～0.7％，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结构的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为0.5％～0.7％，优选为0.50％。
Mo：0.45％～0.65％，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结构的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为0.45％～0.65％，优选为0.50％。
Cu：0.3％～0.5％，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的特殊需求，本发明将Cu含量规定为0.3％～0.5％，优选为0.50％。
W：0.20％～0.30％，钨熔点高，比重大，钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。为适应海洋条件及海洋钻井平台的特殊需求，本发明将材料中W含量规定为0.20％～0.30％，优选为0.25％。
Nb：0.02％～0.04％，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的特殊需求，本发明将材料中Nb含量规定为0.02％～0.04％，优选为0.03％。
RE：0.2％～0.6％，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结构的不良影响，从而提高了海洋钻井平台结构的使用寿命；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结构的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20％～0.60％，包括，Nd：0.10％～0.30％，Dy：0.10％～0.30％；优选为Nd：0.25％，Dy：0.25％。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。
本发明的优点是：
本发明所提供的海洋钻井平台结构材料成品，制备的材料抗磁性能优良，抗海水腐蚀、耐压、硬度大、抗冲击性能好，性价比高。
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：0.25％，Mn：0.60％，P：0.04％，S：0.045％，Si：0.60％，Cr：0.35％，Ni：0.50％，Mo：0.50％，Cu：0.50％，W：0.25％，Nb：0.03％，Nd：0.25％，Dy：0.25％，其余为Fe，原料皆为单质。
通过如下方法制备：
(1)将待熔炼的Fe、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、Nd、Dy单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为965℃条件下熔融；
(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si单质，并保温12min，搅拌均匀；
(3)将熔融金属以90℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板粗坯。
(4)将熔炼金属粗坯在630℃条件下回火保温12min，以70℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。
实施例2
原料组分：
C：0.20％，Mn：0.50％，P：0.04％，S：0.04％，Si：0.50％，Cr：0.30％，Ni：0.50％，Mo：0.45％，Cu：0.30％，W：0.20％，Nb：0.02％，Nd：0.20％，其余为Fe，原料皆为单质。
通过如下方法制备：
(1)将待熔炼的Fe、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、Nd单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为950℃条件下熔融；
(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si单质，并保温10min，搅拌均匀；
(3)将熔融金属以80℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板粗坯。
(4)将熔炼金属粗坯在630℃条件下回火保温10min，以50℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。
实施例3
原料组分：
C：0.22％，Mn：0.60％，P：0.04％，S：0.05％，Si：0.60％，Cr：0.40％，Ni：0.70％，Mo：0.50％，Cu：0.40％，W：0.25％，Nb：0.03％，Dy：0.25％，其余为Fe，原料皆为单质。
通过如下方法制备：
(1)将待熔炼的Fe、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、Dy单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为958℃条件下熔融；
(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si单质，并保温15min，搅拌均匀；
(3)将熔融金属以100℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板粗坯。
(4)将熔炼金属粗坯在630℃条件下回火保温15min，以60℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。
实施例4
原料组分：
C：0.25％，Mn：0.80％，P：0.05％，S：0.05％，Si：0.70％，Cr：0.50％，Ni：0.70％，Mo：0.65％，Cu：0.50％，W：0.30％，Nb：0.04％，Dy：0.30％、Nd：0.30％，其余为Fe，原料皆为单质。
通过如下方法制备：
(1)将待熔炼的Fe、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、Dy、Nd单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为970℃条件下熔融；
(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si单质，并保温20min，搅拌均匀；
(3)将熔融金属以90℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板粗坯。
(4)将熔炼金属粗坯在630℃条件下回火保温20min，以80℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。
实施例5
原料组分：
C：0.23％，Mn：0.65％，P：0.045％，S：0.045％，Si：0.60％，Cr：0.40％，Ni：0.60％，Mo：0.55％，Cu：0.40％，W：0.25％，Nb：0.03％，Dy：0.20％、Nd：0.20％，其余为Fe，原料皆为单质。
通过如下方法制备：
(1)将待熔炼的Fe、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、Dy、Nd单质，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；
(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si单质，并保温15min，搅拌均匀；
(3)将熔融金属以90℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板粗坯。
(4)将熔炼金属粗坯在630℃条件下回火保温15min，以65℃/min的降温速率冷却至室温，得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。
实验例1
抗磨性对比试验：
本发明实施例1～5所制海洋钻井平台结构材料与普通结构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，性能结果见表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(HRC)
普通结构钢材 1.0 1.0 50.0
实施例1所制结构材料 1.24 1.22 54.7
实施例2所制结构材料 1.19 1.16 54.4
实施例3所制结构材料 1.18 1.17 54.4
实施例4所制结构材料 1.13 1.18 54.2
实施例5所制结构材料 1.17 1.19 54.2
实验例2
将本发明实施例1～5所制海洋钻井平台结构材料与普通结构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，本发明钢材材料的各项性能均高于普通结构钢材，制备本发明钢材的特殊材料用量少，相对成本低，更加适合用于海洋钻井平台结构的材料。
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 (8)

1.一种海洋钻井平台结构材料的制备方法，其特征在于，制作步骤如下：
步骤I，准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.20％～0.25％，Mn：0.5％～0.8％，P：0.04％～0.05％，S：0.04％～0.05％，Si：0.5％～0.7％，Cr：0.3％～0.5％，Ni：0.5％～0.7％，Mo：0.45％～0.65％，Cu：0.3％～0.5％，W：0.20％～0.30％，Nb：0.02％～0.04％，RE：0.20％～0.60％，其余为Fe；皆为单质；
步骤II，将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu、W、Nb、RE单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为950℃～970℃条件下熔融；
步骤III，在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si单质，并保温10min～20min，搅拌均匀；
步骤IV，将熔融金属冷却至室温得到海洋钻井平台结构材料轧制板粗坯；
步骤V，将熔炼金属粗坯回火保温10min～20min，冷却至室温得到海洋钻井平台结构材料轧制板成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤I中，所述RE包括，Nd：0.10％～0.30％，Dy：0.10％～0.30％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤I中，所述原料成分及重量百分比计为：C：0.25％，Mn：0.60％，P：0.04％，S：0.045％，Si：0.60％，Cr：0.35％，Ni：0.50％，Mo：0.50％，Cu：0.50％，W：0.25％，Nb：0.03％，Nd：0.25％，Dy：0.25％，其余为Fe。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤II中，所述烧结的温度为950℃～960℃时，RE的组成为Nd或Dy。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤II中，所述烧结的温度为960℃～970℃时，RE的组成为Nd和Dy。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤IV中，所述熔融金属冷却速率为80℃/min～100℃/min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤V中，所述熔炼金属粗坯回火的温度为630℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤V中，所述熔炼金属粗坯回火后的冷却速率为50℃/min～80℃/min。
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