CN105886905A - 一种海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋钻井平台压缩空气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、As、Al、Zr、Zn、Co、Si、Cr、W、Cu、Nb、Pr、Ce，其余为Fe；在真空、950℃~970℃条件下烧结金属原料、非金属原料，在惰性气体加压条件下冷却至630℃回火，再升温至950℃退火，最后降温得到海洋钻井平台压缩空气系统用材料成品。本发明制备的产品具有良好的防锈、耐压、不易变形的性能。

Description

一种海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料及其制作方法

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缩空气系统用合金材料及其制作方法。

背景技术

我国拥有面积辽阔的海洋资源，中大陆海岸线长达18000公里,大陆架面积将近110万平方公里，管辖海域有300万平方公里。海洋蕴藏着极其丰富的资源，我国渤海、黄海、东海和南中国海都有大面积的沉积盆地，石油资源达400亿吨以上，天然气千万亿立方米之多。在我国发展计划中，石油的增量全部靠海上，2005年达4000吨，2010年将达5000万吨。我国深水油气田开发发展速度较慢，深水钻井装备是制约我国石油公司进军深海的主要瓶颈。要加速发展我国深水油气田的开发，就必须充分吸收和消化国外深水海洋钻井平台关键技术，借鉴海洋钻井平台设计、制造等方面国外成功的经验，在此基础上研制适应我国深水油气田环境的海洋钻井平台。

压缩空气在海洋钻井平台上有很多用途，比如，气动隔膜泵需要空气驱动，汽笛，海底门清洁，各种气动阀门，防火风闸，散装粉尘系统，平台上面需要压缩空气的一备等。空气经压缩以后温度很升高，冷却后里面的水蒸气会凝结，经过空气压缩机之后会携带油份。所以需各级处理，处理上述的杂质，得到比较洁净的压缩空气，以适应各种设备的要求。特别是用于仪表和控制系统的压缩空气，对空气的质量要求很高。系统的原理很简单，和起动空气系统相似，不同的是，用途不一样而已。压缩空气瓶里的空气被分配到各个需要它的地方。因此，压缩空气系统的材料对于海洋钻井平台而言十分重要；但是，在海洋钻井平台这一仍在不断完善的技术中，海洋钻井平台压缩空气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、不易变形的压缩空气系统材料，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压缩空气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：

一种海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料，所述合金材料的原料成分及其质量百分比为：C：0.20%~0.30%，Mn：0.40%~0.70%，S：0.40%~0.70%，P：0.03%~0.04%，As：0.03%~0.04%，Al：0.40%~0.70%，Zr：0.60%~1.0%，Zn：0.90%~1.20%，Co：0.90%~1.20%，Si：0.40%~0.70%，Cr：0.50%~0.90%，W：0.90%~1.20%，Cu：0.90%~1.20%，Nb：0.5%~0.90%，，RE：0.20%~0.90%，其余为Fe。

进一步的，RE包括，Pr：0.10%~0.45%，Ce：0.10%~0.45%。

进一步的，原料成分及其质量百分比为：C：0.20%，Mn：0.60%，S：0.040%，P：0.03%，As：0.03%，Al：0.470%，Zr：0.60%，Zn：0.92%，Co：0.92%，Si：0.47%，Cr：0.59%，W：0.92%，Cu：0.92%，Nb：0.59%，Pr：0.15%，Ce：0.14%，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：0.20%~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压缩空气系统用材料中C含量规定为0.20%~0.30%，优选为0.20%。

Mn：0.40%~0.70%，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压缩空气系统的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为0.40%~0.70%，优选为0.60%。

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0.03%。

S：0.03%~0.04%，S可引起合金热脆，降低合金的塑性、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%。

As：0.03%~0.04%，As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，增加回火脆性敏感性。为适应海洋条件及海洋钻井平台压缩空气系统的特殊需求，本发明将合金材料中As含量规定为0.03%~0.04%，优选为0.03%。

Al：0.40%~0.70%，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0.40%~0.70%，优选为0.47%。

Zr：0.60%~1.0%，Zr缩小缩小γ相区，形成γ相圈，在α铁以及γ铁中的最大溶解度分别为0.3%和0.7%强碳化物以及氮化物形成元素，其作用仅次于钛。为适应航海气候条件及作业要求效果，本发明将Zr含量规定为0.60%~1.0%，优选为0.60%。

Zn：0.90%~1.20%，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压缩空气系统的特殊需求，本发明将合金材料中Zn含量规定为0.90%~1.20%，优选为0.92%。

Co：0.90%~1.20%，Co可以提高和改善钢的高温性能，增加其抗硬性，提高合金的抗氧化性和耐蚀性能，为适应海洋条件及海洋钻井平台压缩空气系统的特殊需求，本发明将材料中Co含量规定为0.90%~1.20%，优选为0.92%。

Si：0.40%~0.70%，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压缩空气系统的特殊需求，本发明将Si含量规定为0.40%~0.70%，优选为0.47%。

Cr：0.50%~0.90%，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0.50%~0.90%，优选为0.59%。

W：0.90%~1.20%，钨熔点高，比重大，是贵重的合金元素。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压缩空气系统的特殊需求，本发明将合金材料中W含量规定为0.90%~1.20%，优选为0.92%。

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压缩空气系统的特殊需求，本发明将材质中Cu含量规定为0.90%~1.20%，优选为0.92%。

Nb：0.50%~0.90%，Nb能显著提高钢的淬透性，细化晶粒并降低钢的淬透性。增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量Ta可在不影响钢的塑性或韧性的情况下，提高钢的强度。为适应海洋条件及海洋钻井平台压缩空气系统的特殊需求，本发明将材质中Cu含量规定为0.50%~0.90%，优选为0.59%。

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压缩空气系统的不良影响，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缩空气系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20%~0.90%，包括，Ce：0.10%~0.45%，Pr：0.10%~0.45%；优选为Ce：0.20%，Pr：0.20%。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压缩空气系统用合金材料的制作方法，制作步骤如下：

步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、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950℃~970℃条件下熔融；

步骤S02、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、As、Si单质，搅拌均匀，并保温，15min~40min；

步骤S03、在惰性气体加压条件下降温至630℃回火，保温15min~40min，再升温至950℃退火，保温15min~40min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料成品。

进一步的，步骤S01中，烧结的温度为950℃~960℃时，RE的组成为Ce。

进一步的，步骤S01中，烧结的温度为960℃~970℃时，RE的组成为Ce和 Pr。

更进一步的，步骤S03具体为：

a、在氦气或氪气气氛下，在压力为35MPa~45MPa的加压条件下以35℃/min~45℃/min的速率降温至630℃回火，保温15min~40min；

b、再以35℃/min~45℃/min的速率升温至950℃退火，保温15min~40min；

c、最后降温至室温，得到海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料成品。

本发明的优点是：

本发明所提供的海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料成品，制备的材料具有良好的防锈、耐压、不易变形的性能。

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：0.20%，Mn：0.60%，S：0.04%，P：0.03%，As：0.03%，Al：0.470%，Zr：0.60%，Zn：0.92%，Co：0.92%，Si：0.47%，Cr：0.59%，W：0.92%，Cu：0.92%，Nb：0.59%，Pr：0.15%，Ce：0.14%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce、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965℃条件下熔融；

步骤S02、在金属熔融的条件按照材料成分比例下加入C、S、P、As、Si单质，并保温26min，搅拌均匀；

步骤S03、在氦气加压37MPa条件下，以44℃/min的降温速率冷却至650℃，保温26min，再以44℃/min的升温速率升温至950℃保温26min退火，最后以44℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料成品。

实施例 2

原料组分：

C：0.20%，Mn：0.40%，S：0.03%，P：0.03%，As：0.03%，Al：0.40%，Zr：0.60%，Zn：0.90%，Co：0.90%，Si：0.40%，Cr：0.50%，W：0.90%，Cu：0.90%，Nb：0.50%，Ce：0.20 %，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce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950℃条件下熔融；

步骤S02、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、As、Si单质，并保温15min，搅拌均匀；

步骤S03、在氦气加压35MPa条件下，以35℃/min的降温速率冷却至650℃，保温15min，再以35℃/min的升温速率升温至950℃保温15min退火，最后以35℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料成品。

实施例 3

原料组分：

C：0.30%，Mn：0.70%，S：0.04%，P：0.04%，As：0.04%，Al：0.40%，Zr：1.0%，Zn：1.20%，Co：1.20%，Si：0.70%，Cr：0.90%，W：1.20%，Cu：1.20%，Nb：0.90%，Ce：0.45%，Pr：0.45%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce、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970℃条件下熔融；

步骤S02、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、As、Si单质，并保温40min，搅拌均匀；

步骤S03、在氪气加压45MPa条件下，以45℃/min的降温速率冷却至650℃，保温40min，再以45℃/min的升温速率升温至950℃保温40min退火，最后以45℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料成品。

实施例 4

原料组分：

C：0.30%，Mn：0.70%，S：0.04%，P：0.04%，As：0.04%，Al：0.40%，Zr：1.0%，Zn：1.20%，Co：1.20%，Si：0.70%，Cr：0.90%，W：1.20%，Cu：1.20%，Nb：0.90%，Ce：0.45%，Pr：0.45%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce、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970℃条件下熔融；

步骤S02、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、As、Si单质，并保温40min，搅拌均匀；

步骤S03、在氪气加压45MPa条件下，以45℃/min的降温速率冷却至650℃，保温40min，再以45℃/min的升温速率升温至950℃保温40min退火，最后以45℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台压缩空气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所制的海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料与普通压缩空气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）
				普通压缩空气系统合金材料	1.0	1.0	140
实施例1所制合金材料	2.76	1.79	187
				实施例2所制合金材料	2.70	1.77	183
实施例3所制合金材料	2.74	1.75	182
				实施例4所制合金材料	2.75	1.76	181

实验例 2

将本发明实施例1~4所制的海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料与普通压缩空气系统用材料相比较，其性能结果如下表2。

表2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压缩空气系统用合金材料，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压缩空气系统用合金材料。

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 (7)

1.一种海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料，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：0.20%~0.30%，Mn：0.40%~0.70%，S：0.03%~0.04%，P：0.03%~0.04%，As：0.03%~0.04%，Al：0.40%~0.70%，Zr：0.60%~1.0%，Zn：0.90%~1.20%，Co：0.90%~1.20%，Si：0.40%~0.70%，Cr：0.5%~0.90%，W：0.90%~1.20%，Cu：0.90%~1.20%，Nb：0.5%~0.90%，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，Pr：0.10%~0.45%，Ce：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：0.20%，Mn：0.60%，S：0.040%，P：0.03%，As：0.03%，Al：0.47%，Zr：0.60%，Zn：0.92%，Co：0.92%，Si：0.47%，Cr：0.59%，W：0.92%，Cu：0.92%，Nb：0.59%，Pr：0.15%，Ce：0.14%，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S01、将待熔炼的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、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950℃~970℃条件下熔融；

步骤S02、在金属熔融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、As、Si单质，搅拌均匀，并保温，15min~40min；

步骤S03、在惰性气体加压条件下降温至630℃回火，保温15min~40min，再升温至950℃退火，保温15min~40min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台压缩空气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S01中，所述烧结的温度为950℃~960℃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S01中，所述烧结的温度为960℃~970℃时，RE的组成为Ce和 Pr。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S03具体为：

a、在氦气或氪气气氛下，在压力为35MPa~45MPa的加压条件下以35℃/min~45℃/min的速率降温至630℃回火，保温15min~40min；

b、再以35℃/min~45℃/min的速率升温至950℃退火，保温15min~40min；

c、最后降温至室温，得到海洋钻井平台压缩空气系统用合金材料成品。