CN105839023A - 一种海洋钻井平台钻井水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钻井水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、S、P、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Si、Cr、Ni、Cu、Sn、Gd、Pr，其余为Fe；将待熔炼的Fe、Mn、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Cr、Ni、Cu、Sn、RE按照材料成分比例，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加入C、P、S、Si，并保温15min～40min，搅拌均匀；在惰性气体加压条件下冷却至590℃，保温15min～40min，再降温至室温，得到海洋钻井平台水系统用合金材料成品。本发明制得的产品具有良好的防锈、耐压的性能。

Description

一种海洋钻井平台钻井水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钻井水系统用合金材料及其制备方法。
背景技术
纵观世界海洋钻井平台的发展历史，自1887年世界上最早的海上石油勘探开发工作起源以来，直到50多年以后，也就是20世纪40年代末期，海上石油工程才开始有了新的起色并发生了较大变化。当时世界范围内共有3个国家能够从事海上石油开发工作，所用的平台都是固定式平台，且结构和钻井方式均比较简单，平台适应水深的能力只有几十米。但随着装备技术的不断进步及石油的战略意义和石油本身带给人们巨额利润的诱惑，致使海洋油气资源的勘探开发格局发生了巨大变化。近20年来，以美国、挪威等西方发达国家为代表的海洋勘探开发水平已上升到了一个很高的层次，无论从钻井平台本身而言，还是从钻井装备能力、控制技术及适应性而言，均为海洋油气勘探开发提供了良好的保障。一方面，钻井平台的数量剧增，品种多样；另一方面，适应水深和钻深的能力越来越强。据统计，目前世界上仅移动式钻井平台数量已接近700台，最大适应水深能力已超过3000m，钻井深度已超过12000m。不仅如此，世界范围内具备从事海洋勘探开发能力的国家和海洋油气开采量也同样发生了巨大变化，目前全球范围内能够从事海洋勘探开发的国家和地区已达到100多个，所开发的油气产量已占全球总油气产量的35％左右，其发展速度非常迅猛。
钻井水系统是海洋钻井平台的一个服务系统，主要用于调配钻井液，钻井液一般是淡水，钻井水可以通过注入站或者造水机获得，也可以把平台上的其他淡水作为钻井水。钻井水系统包括淡水舱、饮用水舱、钻井水舱。钻井水系统的最重要的服务是调配水基泥浆，除此之外，按照系统设计的不同，有时候它会进入井控系统作为井控动力液体调配剂，或者给淡水冷却系统补水。但是，在海洋钻井平台这一仍在不断完善的技术中，海洋钻井平台的消防系统的材料在很大程度上处于摸索和不断试验阶段，如何选择和制造良好的防锈、耐压的水系统材料，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钻井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：
一种海洋钻井平台钻井水系统用合金材料，所述合金材料的原料成分及其质量百分比为：C：0.10％～0.30％，Mn：0.50％～0.80％，P：0.03％～0.04％，S：0.03％～0.04％，Al：0.03％～0.04％，Bi：0.40％～0.60％，Pb：0.30％～0.70％，Zn：0.3％～0.4％，Rh：0.3％～0.4％，Si：0.60％～1.50％，Cr：14.0％～16.0％，Ni：2.0％～3.0，Cu：0.90％～1.20％，Sn：3.0％～4.0％，RE：0.20％～0.90％，其余为Fe。
进一步的，RE包括，Gd：0.10％～0.45％，Pr：0.10％～0.45％。
进一步的，原料成分及其质量百分比为：C：0.25％，Mn：0.70％，P：0.04％，S：0.04％，Al：0.03％，Bi：0.46％，Pb：0.37％，Zn：0.34％，Rh：0.34％，Si：0.60％，Cr：14.60％，Ni：2.30％，Cu：0.92％，Sn：3.40％，Gd：0.15％，Pr：0.15％，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：0.10％～0.30％，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钻井水系统用材料中C含量规定为0.10％～0.30％，优选为0.25％。
Mn：0.50％～0.80％，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钻井水系统的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为0.50％～0.80％，优选为0.70％。
P：0.03％～0.04％，P可提高强度，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆，含量需严格控制，一般不超过0.050％，焊接结构中不超过0.045％，考虑到航海作业的具体实际，本发明将P含量规定为0.03％～0.04％，优选为0.04％。
S：0.03％～0.04％，S可引起铝合金热脆，降低铝合金的塑性、冲击韧性、疲劳强度等，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，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0.04％。
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0.30％。
Bi：0.40％～0.60％，Bi的存在因而引起钢的脆性，它能使不锈钢热态韧性降低，如含铋量较多，还会降低钢的塑性，影响钢的高温强度，致使不锈钢挤压材产生裂纹。如作特殊用途加入少量铋入钢中，则可显著改善钢的切削加工性能。为适应航海气候条件及作业要求效果，本发明将Bi含量规定为0.40％～0.60％，优选为0.46％。
Pb：0.30％～0.70％，绝大部分铅在冶炼过程中以蒸汽逸出钢液。由于铅和铁不生成固熔体，一般它是以微小的球状形态而存在于钢中，易发生偏析，对钢的性质有一定不良影响，铅能使钢的塑性略有降低，使钢的冲击值有降低。如因特殊用途则是在浇注过程中加入，钢中含少量铅可改善钢的切削加工性能。为适应海洋钻井平台钻井水系统的具体实际的特殊需求，本发明将Pb含量规定为0.30％～0.70％，优选为0.37％。
Zn：0.30％～0.40％，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0.30％～0.40％，优选为0.34％。
Rh：0.30％～0.40％，Rh有较强的反射能力，加热状态下特别柔软。铑的化学稳定性好，抗氧化性很好，加入到钢材中，能够提高钢材的稳定性。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Rh含量规定为0.30％～0.40％，优选为0.34％。
Si：0.60％～1.50％，硅是大多数压铸铝合金的主要元素。它能改善合金的铸造性能。硅与铝能组成固溶体。铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性，硅与铝形成共晶体，可提高合金的高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向。为适应海洋条件及海洋钻井平台钻井水系统的特殊需求，本发明将Si含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.60％。
Cr：14.0％～16.0％，铬可以在铝中形成金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会场增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色，本发明将合金材质中Cr含量规定为14.0％～16.0％，优选为14.60％。
Ni：2.0％～3.0％，镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性。镍与铁的作用一样，能减少合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响，提高合金的焊接性能。为适应海洋条件及海洋钻井平台钻井水系统的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为2.0％～3.0％，优选为2.30％。
Cu：0.90％～1.20％，铜能提高钢材合金的强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。为适应海洋条件及海洋钻井平台钻井水系统的特殊需求，本发明将材质中Cu含量规定为0.90％～1.20％，优选为0.92％。
Sn：3.0％～4.0％，在钢中加入一定量的锡，会不同程度的提高钢的抗腐蚀能力及耐磨性。为适应海洋条件及海洋钻井平台钻井水系统的特殊需求，本发明将合金材料中Sn含量规定为3.0％～4.0％，优选为3.40％。
RE：0.20％～0.90％，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钻井水系统的不良影响，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钻井水系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20％～0.90％，包括Gd：0.10％～0.45％，Pr：0.10％～0.45％，优选为Gd：0.15％，Pr：0.15％。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钻井水系统用合金材料的制备方法，制作步骤如下：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Cr、Ni、Cu、Sn、RE单质按照材料成分比例，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B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Si单质，并保温15min～40min，搅拌均匀；
步骤C、在惰性气体加压条件下冷却至590℃，保温15min～40min，再降温至室温，得到海洋钻井平台钻井水系统用材料成品。
进一步的，步骤A中，烧结的温度为870℃～880℃时，RE的组成为Pr。
进一步的，步骤A中，烧结的温度为880℃～900℃时，RE的组成为Pr和Gd。
进一步的，步骤C中，冷却的速率为55℃/min～65℃/min。
进一步的，步骤C中，降温的速率为55℃/min～65℃/min。
进一步的，步骤C中，惰性气体为氮气或氖气。
进一步的，步骤C中，加压的压力为55Mpa～65Mpa。
本发明的优点是：
本发明所提供的海洋钻井平台钻井水系统用合金材料成品，制备的合金材料具有良好的防锈、耐压的性能。
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：0.25％，Mn：0.70％，P：0.04％，S：0.04％，Al：0.03％，Bi：0.46％，Pb：0.37％，Zn：0.34％，Rh：0.34％，Si：0.60％，Cr：14.60％，Ni：2.30％，Cu：0.92％，Sn：3.40％，Gd：0.15％，Pr：0.15％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Cr、Ni、Cu、Sn、Gd、Pr单质按照材料成分比例，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B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Si单质，并保温36min，搅拌均匀；
步骤C、在氖气加压57Mpa条件下，以64℃/min的降温速率冷却至590℃，保温36min，再以64℃/min的降温速率降至室温，得到海洋钻井平台钻井水系统用合金材料成品。
实施例2
原料组分：
C：0.10％，Mn：0.50％，P：0.03％，S：0.03％，Al：0.03％，Bi：0.40％，Pb：0.30％，Zn：0.30％，Rh：0.30％，Si：0.60％，Cr：14.0％，Ni：2.0％，Cu：0.90％，Sn：3.0％，Gd：0.10％，Pr：0.10％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Cr、Ni、Cu、Sn、Gd、Pr单质按照材料成分比例，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B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Si单质，并保温15min，搅拌均匀；
步骤C、在氖气加压57Mpa条件下，以55℃/min的降温速率冷却至590℃，保温15min，再以55℃/min的降温速率降至室温，得到海洋钻井平台钻井水系统用合金材料成品。
实施例3
原料组分：
C：0.30％，Mn：0.80％，P：0.04％，S：0.04％，Al：0.04％，Bi：0.60％，Pb：0.70％，Zn：0.40％，Rh：0.40％，Si：1.50％，Cr：16.0％，Ni：3.0％，Cu：1.20％，Sn：4.0％，Gd：0.45％，Pr：0.45％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Cr、Ni、Cu、Sn、Gd、Pr单质按照材料成分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为900℃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、Si单质，并保温40min，搅拌均匀；
步骤C、在氮气加压57Mpa条件下，以65℃/min的降温速率冷却至590℃，保温40min，再以65℃/min的降温速率降至室温，得到海洋钻井平台钻井水系统用合金材料成品。
实施例4
原料组分：
C：0.20％，Mn：0.65％，P：0.035％，S：0.035％，Al：0.035％，Bi：0.50％，Pb：0.50％，Zn：0.35％，Rh：0.35％，Si：1.05％，Cr：15.0％，Ni：2.50％，Cu：1.05％，Sn：3.50％，Pr：0.20％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Cr、Ni、Cu、Sn、Pr单质按照材料成分比例，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、Si单质，并保温28min，搅拌均匀；
步骤C、在氮气加压60Mpa条件下，以60℃/min的降温速率冷却至590℃，保温28min，再以60℃/min的降温速率降至室温，得到海洋钻井平台钻井水系统用合金材料成品。
实验例1
抗磨性对比试验：
本发明实施例1～4制备的海洋钻井平台钻井水系统用合金材料与普通钻井水系统用合金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，并作材料的抗腐蚀试验，性能见表1。
表1抗磨性及硬度对比试验结果
材料 抗腐蚀倍率 湿磨抗磨倍率 硬度(HB)
普通钻井水系统用合金材料 1.0 1.0 140
实施例1制得合金材料 2.96 1.29 180
实施例2制得合金材料 2.90 1.27 180
实施例3制得合金材料 2.94 1.25 180
实施例4制得合金材料 2.95 1.26 180
实验例2
将本发明实施例1～4制备的海洋钻井平台钻井水系统用合金材料与普通消防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钻井水系统用合金材料，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钻井水系统用合金材料。
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 (10)

1.一种海洋钻井平台钻井水系统用合金材料，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：0.10％～0.30％，Mn：0.50％～0.80％，P：0.03％～0.04％，S：0.03％～0.04％，Al：0.03％～0.04％，Bi：0.40％～0.60％，Pb：0.30％～0.70％，Zn：0.3％～0.4％，Rh：0.3％～0.4％，Si：0.60％～1.50％，Cr：14.0％～16.0％，Ni：2.0％～3.0％，Cu：0.90％～1.20％，Sn：3.0％～4.0％，RE：0.20％～0.90％，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：Gd：0.10％～0.45％，Pr：0.10％～0.45％。
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：0.25％，Mn：0.70％，P：0.04％，S：0.04％，Al：0.03％，Bi：0.46％，Pb：0.37％，Zn：0.34％，Rh：0.34％，Si：0.60％，Cr：14.60％，Ni：2.30％，Cu：0.92％，Sn：3.40％，Gd：0.15％，Pr：0.15％，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，制作步骤如下：
步骤A、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Bi、Pb、Zn、Rh、Cr、Ni、Cu、Sn、RE单质按照材料成分比例，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B、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、P、S、Si单质，并保温15min～40min，搅拌均匀；
步骤C、在惰性气体加压条件下冷却至590℃，保温15min～40min，再降温至室温，得到海洋钻井平台水系统用合金材料成品。
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870℃～880℃时，RE的组成为Pr。
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880℃～900℃时，RE的组成为Pr和Gd。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述冷却的速率为55℃/min～65℃/min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述降温的速率为55℃/min～65℃/min。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述惰性气体为氮气或氖气。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述加压的压力为55Mpa～65Mpa。
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