CN106048385A - 一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法，制作步骤如下：准备原料：C、Mn、S、P、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Si、Cr、Nb、Sn、RE，其余为Fe。将Fe、Mn、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Cr、Nb、Sn、RE单质加入真空室内，抽真空，升温将各金属单质熔融；向金属熔融液中加入C、S、P、Si，混合旋转并保温，融合均匀；在惰性气体加压下降温至720℃回火，保温45min～60min，再升温至950℃退火，保温，最后降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。最后降温得到海洋钻井平台井口控制系统用材料成品，具有良好的防锈、耐压、不易变形的性能。

Description

一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法
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井口控制系统用合金材料的制备方法。
背景技术
海洋钻井平台经历了一个比较漫长的发展过程，期间钻井平台无论在形式上，数量上，还是在性能方面均发生了巨大变化，这是时代发展的必然规律。近年来，我国海洋石油装备开发工作发生了重大变化，海洋装备无论从大型平台开发建设，还是从钻井配套装备研发来说，发展势头均非常迅猛，并在世界海洋油气装备发展格局中开始占据重要位置。面对风、浪、流等各种复杂的海洋作业环境及海上安全与技术规范条款的要求等，石油装备的高可靠性是保证海洋油气能否顺利开发的先决条件。同时，为了提高平台作业效率，降低劳动强度及减小手工操作的误差率，海洋装备的自动化、智能化控制技术已得到较好的应用。
海洋钻井平台的井口控制系统是海洋钻井平台的一个重要的控制系统，是一个液压控制系统，利用液压力控制阀门。更直接地来讲就是一个液压遥控阀门系统。其要控制的阀门最重要的一部分在海底，系统用的液压流体不是液压油，而是乙二醇的水溶液。因此，井口控制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，海洋钻井平台井口控制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、不易变形的井口控制系统，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井口控制系统用合金材料的制备方法，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：
一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法，制作步骤如下：
步骤S01、准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.10％～0.25％，Mn：0.40％～0.70％，S：0.03％～0.04％，P：0.03％～0.04％，Be：0.60％～1.50％，Ga：0.60％～1.50％，Re：1.30％～1.70％，Mo：0.90％～1.20％，Ge：0.60％～1.50％，Pb：0.30％～0.40％，Si：0.60％～1.50％，Cr：2.0％～2.8％，Nb：0.60％～1.50％，Sn：1.90％～2.20％，RE：0.20％～0.90％，其余为Fe。
步骤S02、将Fe、Mn、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Cr、Nb、Sn、RE单质按照材料成分比例，加入刚玉坩埚的真空室内，抽真空，升温至950℃～970℃的温度条件下将各金属单质混合旋转熔融。
步骤S03、在金属熔融的条件下，按照材料成分比例向金属熔融液中加入C、S、P、Si单质，混合旋转1～3h，并保温45min～60min，融合均匀。
步骤S04、在惰性气体加压条件下降温至720℃回火，保温45min～60min，再升温至950℃退火，保温45min～60min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。
进一步的，步骤S01中，RE包括：Er：0.10％～0.45％，Tm：0.10％～0.45％。
进一步的，步骤S01中，原料成分及其质量百分比为：C：0.18％，Mn：0.47％，S：0.03％，P：0.04％，Be：0.65％，Ga：0.65％，Re：1.37％，Mo：0.94％，Ge：0.65％，Pb：0.34％，Si：0.60％，Cr：2.70％，Nb：0.65％，Sn：1.92％，Er：0.35％，Tm：0.45％，其余为Fe。
进一步的，步骤S02中，烧结的温度为950℃～960℃时，RE的组成为Er。
进一步的，步骤S02中，烧结的温度为960℃～970℃时，RE的组成为Er和Tm。
进一步的，步骤S03中，所述旋转的转速为7000r/min～12000r/min。
进一步的，步骤S04具体为：
a、在氩气或氙气气氛保护下，加压条件下以45℃/min～60℃/min的降温速率降温至650℃回火，保温45min～60min；
b、再以45℃/min～60℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温45min～60min；
c、最后以45℃/min～55℃/min的降温速率降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。
更进一步的，a中，所述加压的条件为45MPa～60MPa。
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％～0.25％，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井口控制系统用材料中C含量规定为0.10％～0.25％，优选为0.18％。
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井口控制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0.47％。
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0.03％。
Be：0.60％～1.50％，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0.60％～1.50％，优选为0.65％。
Ga：0.60％～1.50％，Ga在炼钢中起良好的脱氧作用，钢中加入少量的Ga，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，Ga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Ga含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.65％。
Re：1.30％～1.70％，铼能够同时提高钨、钼、铬的强度和塑性，为适应航海气候条件及作业要求效果，本发明将合金材料中Re含量规定为1.30％～1.70％，优选为1.37％。
Mo：0.90％～1.20％，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井口控制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0.90％～1.20％，优选为0.94％。
Ge：0.60％～1.50％，锗化学性质稳定，常温下不与空气或水蒸汽作用，可强化铁素体，提高耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性；在合金中能降低熔点，改善流动性。为适应海洋条件及海洋钻井平台井口控制系统的特殊需求，本发明将Ge含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.65％。
Pb：0.30％～0.40％，Pb对钢的性质有一定不良影响，铅能使钢的塑性略有降低，使钢的冲击值有较大降低。本发明中，Pb是在浇注过程中加入，使合金钢中含少量铅可改善钢的切削加工性能，为适应海洋条件及海洋钻井平台井口控制系统的特殊需求，本发明将Pb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井口控制系统的特殊需求，本发明将材料中Si含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.60％。
Cr：2.0％～2.8％，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2.0％～2.8％，优选为2.70％。
Nb：0.60％～1.50％，Nb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Nb，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。Nb可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加Nb，可防止晶间腐蚀现象。本发明将材料中Nb含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.65％。
Sn：1.90％～2.20％，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井口控制系统的特殊需求，本发明将合金材料中Sn含量规定为1.90％～2.20％，优选为1.92％。
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井口控制系统的不良影响，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井口控制系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20％～0.90％，包括，Er：0.10％～0.45％，Tm：0.10％～0.45％；优选为Er：0.35％，Tm：0.45％。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。
本发明的优点是：
本发明所提供的海洋钻井平台井口控制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
一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法
制作步骤如下：
步骤S01、准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.18％，Mn：0.47％，S：0.03％，P：0.04％，Be：0.65％，Ga：0.65％，Re：1.37％，Mo：0.94％，Ge：0.65％，Pb：0.34％，Si：0.60％，Cr：2.70％，Nb：0.65％，Sn：1.92％，Er：0.35％，Tm：0.45％，其余为Fe。
步骤S02、将Fe、Mn、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Cr、Nb、Sn、Er、Tm单质按照材料成分比例，加入刚玉坩埚的真空室内，抽真空，升温至965℃的温度条件下将各金属单质混合旋转熔融。
步骤S03、在金属熔融的条件下，按照材料成分比例向金属熔融液中加入C、P、S、Si单质，混合旋转1h，并保温46min，融合均匀。其中旋转的转速为7000r/min。
步骤S04、在氩气气体加压条件下以54℃/min的降温速率降温至720℃回火，保温46min，再以54℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温46min，最后以54℃/min的降温速率降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。其中a中，加压的条件为45MPa。
实施例2
一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法
制作步骤如下：
步骤S01、准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.10％，Mn：0.40％，S：0.03％，P：0.03％，Be：0.60％，Ga：0.60％，Re：1.30％，Mo：0.90％，Ge：0.60％，Pb：0.30％，Si：0.60％，Cr：2.0％，Nb：0.60％，Sn：1.90％，Er：0.20％，其余为Fe。
步骤S02、Fe、Mn、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Cr、Nb、Sn、Er单质按照材料成分比例，加入刚玉坩埚的真空室内，抽真空，升温至950℃的温度条件下将各金属单质混合旋转熔融。
步骤S03、在金属熔融的条件下，按照材料成分比例向金属熔融液中加入C、P、S、Si单质，混合旋转1.2h，并保温45min，融合均匀。其中旋转的转速为7200r/min。
步骤S04、在氩气气体加压条件下以45℃/min的降温速率降温至720℃回火，保温45min，再以45℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温45min，最后以45℃/min的降温速率降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。其中a中，加压的条件为48MPa。
实施例3
一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法
制作步骤如下：
步骤S01、准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.18％，Mn：0.55％，S：0.035％，P：0.035％，Be：0.60％，Ga：1.05％，Re：1.50％，Mo：1.05％，Ge：1.05％，Pb：0.35％，Si：1.05％，Cr：2.40％，Nb：1.05％，Sn：2.05％，Er：0.28％，Tm：0.28％，其余为Fe。
步骤S02、Fe、Mn、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Cr、Nb、Sn、Er、Tm单质按照材料成分比例，加入刚玉坩埚的真空室内，抽真空，升温至960℃的温度条件下将各金属单质混合旋转熔融。
步骤S03、在金属熔融的条件下，按照材料成分比例向金属熔融液中加入C、P、S、Si单质，混合旋转1.3h，并保温53min，融合均匀。其中旋转的转速为8500r/min。
步骤S04、在氙气气体加压条件下以53℃/min的降温速率降温至630℃回火，保温53min，再以53℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温53min，最后以53℃/min的降温速率降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。其中a中，加压的条件为53MPa。
实施例4
一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法
制作步骤如下：
步骤S01、准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.25％，Mn：0.70％，S：0.04％，P：0.04％，Be：1.50％，Ga：1.50％，Re：1.70％，Mo：1.20％，Ge：1.50％，Pb：0.40％，Si：1.50％，Cr：2.80％，Nb：1.50％，Sn：2.20％，Er：0.28％，Tm：0.28％，其余为Fe。
步骤S02、Fe、Mn、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Cr、Nb、Sn、Er、Tm单质按照材料成分比例，加入刚玉坩埚的真空室内，抽真空，升温至970℃的温度条件下将各金属单质混合旋转熔融。
步骤S03、在金属熔融的条件下，按照材料成分比例向金属熔融液中加入C、P、S、Si单质，混合旋转1.5h，并保温53min，融合均匀。其中旋转的转速为8500r/min。
步骤S04、在氙气气体加压条件下以60℃/min的降温速率降温至720℃回火，保温60min，再以60℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温50min，最后以60℃/min的降温速率降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。其中a中，加压的条件为60MPa。
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泥浆供给系统用合金材料与普通井口控制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)
普通井口控制系统材料 1.0 1.0 140
实施例1所制合金材料 2.75 1.78 189
实施例2所制合金材料 2.71 1.78 187
实施例3所制合金材料 2.72 1.76 185
实施例4所制合金材料 2.73 1.77 184
实验例2
将本发明实施例1～4制备的海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料与普通井口控制系统用材料相比较，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井口控制系统用合金材料，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井口控制系统用合金材料。
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 (8)

1.一种海洋钻井平台井口控制系统用合金材料的制备方法，其特征在于，制作步骤如下：
步骤S01、准备原料，原料成分及其质量百分比为：C：0.10％～0.25％，Mn：0.40％～0.70％，S：0.03％～0.04％，P：0.03％～0.04％，Be：0.60％～1.50％，Ga：0.60％～1.50％，Re：1.30％～1.70％，Mo：0.90％～1.20％，Ge：0.60％～1.50％，Pb：0.30％～0.40％，Si：0.60％～1.50％，Cr：2.0％～2.8％，Nb：0.60％～1.50％，Sn：1.90％～2.20％，RE：0.20％～0.90％，其余为Fe；
步骤S02、将Fe、Mn、Be、Ga、Re、Mo、Ge、Pb、Cr、Nb、Sn、RE单质按照材料成分比例，加入刚玉坩埚的真空室内，抽真空，升温至950℃～970℃的温度条件下将各金属单质混合旋转熔融；
步骤S03、在金属熔融的条件下，按照材料成分比例向金属熔融液中加入C、S、P、Si单质，混合旋转1～3h，并保温45min～60min，融合均匀；
步骤S04、在惰性气体加压条件下降温至720℃回火，保温45min～60min，再升温至950℃退火，保温45min～60min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述RE包括：Er：0.10％～0.45％，Tm：0.10％～0.45％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述原料成分及其质量百分比为：C：0.18％，Mn：0.47％，S：0.03％，P：0.04％，Be：0.65％，Ga：0.65％，Re：1.37％，Mo：0.94％，Ge：0.65％，Pb：0.34％，Si：0.60％，Cr：2.70％，Nb：0.65％，Sn：1.92％，Er：0.35％，Tm：0.45％，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S02中，所述烧结的温度为950℃～960℃时，RE的组成为Er。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S02中，所述烧结的温度为960℃～970℃时，RE的组成为Er和Tm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S03中，所述旋转的转速为7000r/min～12000r/min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S04具体为：
a、在氩气或氙气气氛保护下，加压条件下以45℃/min～60℃/min的降温速率降温至650℃回火，保温45min～60min；
b、再以45℃/min～60℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温45min～60min；
c、最后以45℃/min～55℃/min的降温速率降温至室温，得到海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料成品。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，a中，所述加压的条件为45MPa～60MPa。
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