CN106148853A - 一种海洋钻井平台甲板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甲板用合金材料的制备方法，制作步骤如下：准备原料，原料成分为：C、Mn、S、P、Ti、Mo、Ni、B、Ca、Ba、Li、Sb、Si、Cr、Nb、Al、RE，其余为Fe。将Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Li、Sb、Cr、Nb、Al、RE单质按照材料成分比例，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、B、Si单质，混合旋转并保温，融合均匀；在氮气或氙气气体加压条件下降温至600℃回火并保温，再升温至950℃退火并保温，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

一种海洋钻井平台甲板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甲板用合金材料的制备方法。
背景技术
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。我国正在逐步加大海洋石油勘探开发力度，需要大量相应的高端技术装备，必须增强实施国产化的信心与决心，加快主要装备的自主研发进度，加速提升装备业整体技术水平。国家正在实施走出去向深海要石油的战略，相应地需要大量的钻井装备，实现相应装备的国产化是实施走出去向深海要石油的物质技术基础。国内制造企业在陆地钻井装备方面发展迅速，已覆盖1000m～12000m全系列井深的各种钻井装备。绞车、钻井泵、转盘、顶驱等常规陆地钻井装备的性能与国外相差不大，也得到了国际用户的认可。要将上述设备配套在海洋平台上，就必须对这些设备进行更深层次的改进开发，以满足海洋尤其是深海环境要求。
海洋钻井平台的甲板是海洋钻井平台的一个重要的系统，甲板是海洋钻井平台的重要构件，是结构中位于内底板以上的平面结构，用于封盖船内空间，并将其水平分隔成层。甲板是船梁上的钢板，将船体分隔成上、中、下层。甲板是由板与骨架构成，对保证海洋钻井平台强度及不沉性有重要作用，而且提供了布置各种舱室、安 置装备和机械设备的面积。因此，甲板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，海洋钻井平台甲板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、不易变形的甲板材料，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甲板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：
一种海洋钻井平台甲板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：0.05％～0.10％，Mn：1.0％～2.0％，S：0.03％～0.04％，P：0.03％～0.04％，Ti：8.0％～11.0％，Mo：0.40％～1.0％，Ni：8.0％～11.0％，B：0.60％～1.50％，Ca：0.60％～1.50％，Ba：1.30％～1.70％，Li：0.60％～1.50％，Sb：0.30％～0.40％，Si：0.60％～1.50％，Cr：18.0％～21.0％，Nb：0.60％～1.50％，Al：1.90％～2.20％，RE：0.20％～0.90％，其余为Fe。
步骤S02、将Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Li、Sb、Cr、Nb、Al、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850℃～880℃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、B、Si单质，混合旋转2～4h，并保温50min～60min，融合均匀；
步骤S04、在氮气或氙气气体加压条件下降温至600℃回火，保温50min～60min，再升温至950℃退火，保温50min～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：Pr：0.10％～0.45％，Tb：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：0.08％，Mn：1.20％，S：0.03％，P：0.04％，Ni：8.10％，Ti：8.10％，Mo：0.50％，B：0.60％，Ca：0.80％，Ba：1.60％，Li：0.90％，Sb：0.34％，Si：1.50％，Cr：20.0％，Nb：1.0％，Al：2.0％，Pr：0.35％，Tb：0.35％，其余为Fe。
进一步的，步骤S02中，烧结的温度为850℃～860℃时，RE的组成为Pr。
进一步的，步骤S02中，烧结的温度为860℃～880℃时，RE的组成为Pr和Tb。
进一步的，步骤S03中，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50℃/min～60℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温45min～60min；
c、最后以50℃/min～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。
进一步的，a中，加压的条件为50MPa～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：0.05％～0.10％，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甲板用材料中C含量规定为0.05％～0.10％，优选为0.08％。
Mn：1.0％～2.0％，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甲板的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为1.0％～2.0％，优选为1.20％。
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％。
Ni：8.0％～11.0％，镍在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甲板的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为8.0％～11.0％，优选为8.10％。
Ti：8.0％～11.0％，Ti是合金中常用的添加元素，起细化铸造组织和焊缝组织的作用，还能起到变质剂作用，增加晶核，细化晶粒。考虑到航海的具体实际，为适应航海气候条件及作业要求效果，本发明将Ti含量规定为8.0％～11.0％，优选为8.10％。
Mo：0.40％～1.0％，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甲板的具体实际的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为0.40％～1.0％，优选为0.50％。
B：0.60％～1.50％，微量硼在晶界上阻抑铁素体晶核的形成，从而延长奥氏体的孕育期，提高钢的淬透性。但随钢中碳含量的增加，此种作用逐渐减弱以至完全消失。考虑到航海作业的具体实际，本发明将B含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.60％。
Ca：0.60％～1.50％，Ca可用于合金的脱氧剂、油类的脱水剂、冶金的还原剂、铁和铁合金的脱硫与脱碳剂等，为适应海洋钻井平台甲板的具体实际的特殊需求，本发明将材质中Ca含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.80％。
Ba：1.30％～1.70％，Ba存在时降低Ca蒸气压的作用非常明显，而且Ba元素本身也是仅次于Ca的强脱氧剂。为适应海洋钻井平台甲板的具体实际的特殊需求，本发明将材质中Ba含量规定为1.30％～1.70％，优选为1.60％。
Li：0.60％～1.50％，在冶金工业中用来作脱氧剂或脱氯剂，利用锂同氧、氮和二氧化碳均能反应的特性，来消除金属里的气泡。为适应海洋钻井平台甲板的具体实际的特殊需求，本发明将材质中Li含量规定为0.60％～1.50％，优选为0.90％。
Sb：0.30％～0.40％，在钢中加入一定量的锑，会不同程度的提高钢的抗腐蚀能力及耐磨性。为适应海洋钻井平台甲板的具体实际的特殊需求，本发明将合金材料中Sb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甲板的特殊需求，本发明将材料中Si含量规定为0.60％～1.50％，优选为1.50％。
Cr：18.0％～21.0％，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18.0％～21.0％，优选为20.0％。
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1.0％。
Al：1.90％～2.20％，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1.90％～2.20％，优选为2.0％。
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甲板的不良影响，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甲板的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20％～0.90％，包括，Pr：0.10％～0.45％，Tb：0.10％～0.45％；优选为Pr：0.35％，Tb：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。
本发明的优点是：
本发明所提供的海洋钻井平台甲板用合金材料成品，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
一种海洋钻井平台甲板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：0.08％，Mn：1.20％，S：0.03％，P：0.04％，Ni：8.10％，Ti：8.10％，Mo：0.50％，B：0.60％，Ca：0.80％，Ba：1.60％，Li：0.90％，Sb：0.34％，Si：1.50％，Cr：20.0％，Nb：1.0％，Al：2.0％，Pr：0.35％，Tb：0.35％，其余为Fe。
步骤S02、将Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr、Tb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865℃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、B、Si单质，混合旋转2h，并保温56min，融合均匀；其中旋转的转速为7000r/min。
步骤S04、在氮气气氛保护下，加压条件下以54℃/min的降温速率降温至600℃回火，保温56min；再以54℃/min的升温速率升温至850℃退火，保温56min；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。其中加压的条件为57MPa。
实施例2
一种海洋钻井平台甲板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：0.05％，Mn：1.0％，S：0.03％，P：0.03％，Ti：8.0％，Mo：0.40％，Ni：8.0％，B：0.60％，Ca：0.60％，Ba：1.30％，Li：0.60％，Sb：0.30％， Si：0.60％，Cr：18.0％，Nb：0.60％，Al：1.90％，Pr：0.20％，其余为Fe。
步骤S02、将Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr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850℃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、B、Si单质，混合旋转4h，并保温50min，融合均匀；其中旋转的转速为12000r/min。
步骤S04、在氮气气氛保护下，加压条件下以50℃/min的降温速率降温至600℃回火，保温50min；再以50℃/min的升温速率升温至850℃退火，保温50min；最后以50℃/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。其中加压的条件为50MPa。
实施例3
一种海洋钻井平台甲板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：2.0％，S：0.04％，P：0.04％，Ti：11.0％，Mo：1.0％，Ni：11.0％，B：1.50％，Ca：1.50％，Ba：1.70％，Li：1.50％，Sb：0.40％，Si：1.50％，Cr：21.0％，Nb：1.50％，Al：2.20％，Pr：0.45％，Tb：0.45％，其余为Fe。
步骤S02、将Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr、Tb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880℃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、B、Si单质，混合旋转3h，并保温60min，融合均匀。其中旋转的转速为10500r/min。
步骤S04、在氙气气氛保护下，加压条件下以60℃/min的降温速率降温至600℃回火，保温60min；再以60℃/min的升温速率升温至850℃退火，保温60min；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。其中加压的条件为60MPa。
实施例4
一种海洋钻井平台甲板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：0.75％，Mn：1.50％，S：0.035％，P：0.035％，Ti：9.50％，Mo：0.70％，Ni：9.50％，B：1.05％，Ca：1.05％，Ba：1.50％，Li：1.05％，Sb：0.35％，Si：1.05％，Cr：19.50％，Nb：1.05％，Al：2.05％，Pr：0.28％，Tb：0.28％，其余为Fe。
步骤S02、将Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr、Tb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865℃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、B、Si单质，混合旋转3.5h，并保温55min，融合均匀。其中旋转的转速为11000r/min。
步骤S04、在氙气气氛保护下，加压条件下以55℃/min的降温速率降温至600℃回火，保温60min；再以55℃/min的升温速率升温 至850℃退火，保温55min；最后以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。其中加压的条件为55MPa。
实验例1
抗磨性对比试验：
本发明实施例1～4制备得到的海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料与普通甲板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)
普通甲板材料 1.0 1.0 140
实施例1所制合金材料 2.18 1.58 189
实施例2所制合金材料 2.15 1.58 187
实施例3所制合金材料 2.12 1.56 185
实施例4所制合金材料 2.13 1.57 184
实验例2
将本发明实施例1～4制备得到的海洋钻井平台泥浆供给系统用合金材料与普通甲板用材料相比较，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甲板用合金材料，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甲板用合金材料。
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甲板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：0.05％～0.10％，Mn：1.0％～2.0％，S：0.03％～0.04％，P：0.03％～0.04％，Ti：8.0％～11.0％，Mo：0.40％～1.0％，Ni：8.0％～11.0％，B：0.60％～1.50％，Ca：0.60％～1.50％，Ba：1.30％～1.70％，Li：0.60％～1.50％，Sb：0.30％～0.40％，Si：0.60％～1.50％，Cr：18.0％～21.0％，Nb：0.60％～1.50％，Al：1.90％～2.20％，RE：0.20％～0.90％，其余为Fe；
步骤S02、将Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Li、Sb、Cr、Nb、Al、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850℃～880℃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、B、Si单质，混合旋转2～4h，并保温50min～60min，融合均匀；
步骤S04、在氮气或氙气气体加压条件下降温至600℃回火，保温50min～60min，再升温至950℃退火，保温50min～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：Pr：0.10％～0.45％，Tb：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：0.08％，Mn：1.20％，S：0.03％，P：0.04％，Ni：8.10％，Ti：8.10％，Mo：0.50％，B：0.60％， Ca：0.80％，Ba：1.60％，Li：0.90％，Sb：0.34％，Si：1.50％，Cr：20.0％，Nb：1.0％，Al：2.0％，Pr：0.35％，Tb：0.35％，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850℃～860℃时，RE的组成为Pr。
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860℃～880℃时，RE的组成为Pr和Tb。
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50℃/min～60℃/min的升温速率升温至950℃退火，保温45min～60min；
c、最后以50℃/min～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。
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50MPa～60MPa。
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