CN105925914A - 一种海洋钻井平台基油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基油系统用材料及其制备方法，所述合金材料的原料成分为：C、Mn、S、P、Ru、Rh、Zr、Mo、W、Co、Si、Cr、Hf、Zn、Tb、Yb，其余为Fe；在真空、960℃~980℃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620℃回火，再升温至950℃退火，最后降温得到海洋钻井平台泥浆供给系统用材料成品。本发明制得的产品具有良好的防锈、耐压、不易变形的性能。

Description

一种海洋钻井平台基油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基油系统用合金材料及其制备方法。

背景技术

金融危机爆发之前的几年，由于国际市场对石油需求不断攀升，国际油价节节上涨，海洋钻井工作量也保持稳定增长，因此，用于海洋油气勘探开发的各类钻井平台出现了供不应求。许多石油公司都在排队等待租用钻井平台，全球商用海洋钻井平台的租约甚至被订到了5年之后，从而带动新一轮海洋钻井平台建造的高潮，海洋平台队伍不断扩充。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。现在，国内建造的多个平台和船体上用的主机、动力系统、专用设备、自动化工具等仍需花巨资向发达国家购买。在海洋钻井、平台定位、系统控制、自动检测和事故处理等技术方面，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。

海洋钻井平台的基油系统在钻井过程中也起着非常重要的作用，基油系统的良好运行在某些岩层可以大大加快钻井速度。和盐水系统一样，基油也是通过注入站进入平台结构舱中。但是，基油系统的油基泥浆会对环境产生破环，现在有很多国家的海域是不允许用油基泥浆作为钻井液钻井的。另外，处理后的油基泥浆的杂质是不被允许随意丢弃的。需要专门存储起来，送岸处理。因此，基油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，海洋钻井平台基油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、不易变形的基油系统材料，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基油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：

一种海洋钻井平台基油系统用合金材料，所述合金材料的原料成分及其质量百分比为：C：0.06%~0.15%，Mn：0.60%~1.50%，S：0.03%~0.04%，P：0.03%~0.04%，Ru：0.60%~1.50%，Rh：0.60%~1.50%，Zr：1.30%~1.70%，Mo：0.60%~1.50%，W：0.60%~1.50%，Co：0.30%~0.40%，Si：0.60%~1.50%，Cr：11.5%~14.0%，Hf：0.60%~1.50%，Zn：1.90%~2.20%，RE：0.20%~0.90%，其余为Fe。

进一步的，RE包括，Tb：0.10%~0.45%，Yb：0.10%~0.45%。

进一步的，原料成分及其质量百分比为：C：0.10%，Mn：0.65%，S：0.04%，P：0.04%，Ru：0.65%，Rh：0.65%，Zr：1.37%，Mo：0.65%，W：0.65%，Co：0.34%，Si：0.65%，Cr：13.0%，Hf：0.65%，Zn：2.10%，Tb：0.15%，Yb：0.35%，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：0.06%~0.15%，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基油系统用材料中C含量规定为0.06%~0.15%，优选为0.10%。

Mn：0.60%~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基油系统的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。

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%。

Ru：0.60%~1.50%，Ru在合金中被用来增强铂和钯的硬度，为适应海洋钻井平台基油系统的具体实际的特殊需求，本发明将Ru含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。

Rh：0.60%~1.50%，铑化学稳定性特别高，具有很好的抗腐蚀和抗氧化能力。添加铑的合金能抵抗普通酸和化学试剂的腐蚀，为为适应海洋钻井平台基油系统的具体实际的特殊需求，本发明将合金材料中Rh含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。

Zr：1.30%~1.70%，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1.30%~1.70%，优选为1.37%。

Mo：0.60%~1.50%，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，为适应海洋钻井平台基油系统的具体实际的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。

W：0.60%~1.50%，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。为适应海洋钻井平台基油系统的具体实际的特殊需求，本发明将合金材料中W含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。

Co：0.30%~0.40%，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基油系统的特殊需求，本发明将材料中Co含量规定为0.30%~0.40%，优选为0.34%。

Si：0.60%~1.50%，硅是大多数压铸合金的主要元素。它能改善合金的铸造性能。硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性，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基油系统的特殊需求，本发明将材料中Si含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。

Cr：11.5%~14.0%，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11.5%~14.0%，优选为13.0%。

Hf：0.60%~1.50%，铪具有可塑性、易加工、耐高温抗腐蚀，为适应海洋条件及海洋钻井平台基油系统的特殊需求，本发明将材料中Hf含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。

Zn：1.90%~2.20%，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基油系统的特殊需求，本发明将合金材料中Zn含量规定为1.90%~2.20%，优选为2.10%。

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基油系统的不良影响，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基油系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20%~0.90%，包括Tb：0.10%~0.45%，Yb：0.10%~0.45%，优选为Tb：0.15%，Yb：0.35%。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基油系统用合金材料的制备方法，制作步骤如下：

步骤 、将待熔炼的Fe、Mn、Ru、Rh、Zr、Mo、W、Co、Cr、Hf、Zn 、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、S、P、Si单质，并保温25min~50min，搅拌均匀；

步骤、在惰性气体加压条件下降温至620℃回火，保温25min~40min，再升温至950℃退火，保温25min~40min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台基油系统用合金材料成品。

进一步的，步骤中，烧结的温度为960℃~970℃时，RE的组成为Tb。

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

进一步的，步骤具体为：

a、在氦气或氪气气氛下，在压力为45MPa~55MPa的加压条件下以45℃/min~55℃/min的速率降温至630℃回火，保温15min~40min；

b、再以45℃/min~55℃/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基油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：0.10%，Mn：0.65%，S：0.04%，P：0.04%，Ru：0.65%，Rh：0.65%，Zr：1.37%，Mo：0.65%，W：0.65%，Co：0.34%，Si：0.65%，Cr：13.0%，Hf：0.65%，Zn：2.10%，Tb：0.15%，Yb：0.35%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Ru、Rh、Zr、Mo、W、Co、Cr、Hf、Zn、Tb、Yb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、P、S、Si单质，搅拌均匀，并保温36min；

步骤、在氦气加压47MPa条件下，以54℃/min的降温速率冷却至620℃，保温36min，再以54℃/min的升温速率升温至950℃保温36min退火，最后以54℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台基油系统用合金材料成品。

实施例2

原料组分：

C：0.06%，Mn：0.60%，S：0.03%，P：0.03%，Ru：0.60%，Rh：0.60%，Zr：1.30%，Mo：0.60%，W：0.60%，Co：0.30%，Si：0.60%，Cr：11.50%，Hf：0.60%，Zn：1.90%，Tb：0.10%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Ru、Rh、Zr、Mo、W、Co、Cr、Hf、Zn、Tb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、P、S、Si单质，搅拌均匀，并保温25min；

步骤、在氪气加压45MPa条件下，以45℃/min的降温速率冷却至620℃，保温25min，再以45℃/min的升温速率升温至950℃保温25min退火，最后以45℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台基油系统用合金材料成品。

实施例3

原料组分：

C：0.15%，Mn：1.50%，S：0.04%，P：0.04%，Ru：1.50%，Rh：1.50%，Zr：1.70%，Mo：1.50%，W：1.50%，Co：0.40%，Si：1.50%，Cr：14.0%，Hf：1.50%，Zn：2.20%，Tb：0.45%，Yb：0.35%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Ru、Rh、Zr、Mo、W、Co、Cr、Hf、Zn、Tb、Yb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、P、S、Si单质，搅拌均匀，并保温50min；

步骤、在氪气加压55MPa条件下，以55℃/min的降温速率冷却至620℃，保温40min，再以55℃/min的升温速率升温至950℃保温40min退火，最后以55℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台基油系统用合金材料成品。

实施例4

原料组分：

C：0.105%，Mn：1.05%，S：0.035%，P：0.035%，Ru：1.05%，Rh：1.05%，Zr：1.50%，Mo：1.05%，W：1.05%，Co：0.35%，Si：1.05%，Cr：12.8%，Hf：1.05%，Zn：2.05%，Tb：0.275%，Yb：0.275%，其余为Fe。

通过如下方法制备：

步骤、将待熔炼的Fe、Mn、Ru、Rh、Zr、Mo、W、Co、Cr、Hf、Zn、Tb、Yb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、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，搅拌均匀，并保温38min；

步骤、在氦气加压50MPa条件下，以50℃/min的降温速率冷却至620℃，保温33min，再以50℃/min的升温速率升温至950℃保温33min退火，最后以50℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台基油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制得的海洋钻井平台基油系统用合金材料与普通基油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）
				普通基油系统合金材料	1.0	1.0	140
实施例1所制合金材料	2.69	1.69	187
				实施例2所制合金材料	2.60	1.67	185
实施例3所制合金材料	2.64	1.65	183
				实施例4所制合金材料	2.65	1.66	182

实验例2

将本发明实施例1~4制得的海洋钻井平台基油系统用合金材料与普通基油系统用材料相比较，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基油系统用合金材料，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基油系统用合金材料。

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基油系统用合金材料，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：0.06%~0.15%，Mn：0.60%~1.50%，S：0.03%~0.04%，P：0.03%~0.04%，Ru：0.60%~1.50%，Rh：0.60%~1.50%，Zr：1.30%~1.70%，Mo：0.60%~1.50%，W：0.60%~1.50%，Co：0.30%~0.40%，Si：0.60%~1.50%，Cr：11.5%~14.0%，Hf：0.60%~1.50%，Zn：1.90%~2.20%，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，Tb：0.10%~0.45%，Yb：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：0.10%，Mn：0.65%，S：0.04%，P：0.04%，Ru：0.65%，Rh：0.65%，Zr：1.37%，Mo：0.65%，W：0.65%，Co：0.34%，Si：0.65%，Cr：13.0%，Hf：0.65%，Zn：2.10%，Tb：0.15%，Yb：0.35%，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、将待熔炼的Fe、Mn、Ru、Rh、Zr、Mo、W、Co、Cr、Hf、Zn 、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、S、P、Si单质，并保温25min~50min，搅拌均匀；

步骤、在惰性气体加压条件下降温至620℃回火，保温25min~40min，再升温至950℃退火，保温25min~40min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台基油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，步骤中，所述烧结的温度为960℃~970℃时，RE的组成为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970℃~980℃时，RE的组成为Tb和 Yb。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤具体为：

a、在氦气或氪气气氛下，在压力为45MPa~55MPa的加压条件下以45℃/min~55℃/min的速率降温至630℃回火，保温15min~40min；

b、再以45℃/min~55℃/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。