一种海洋钻井平台盐水系统用合金材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种海洋钻井平台盐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、B、V、Ti、Nb、Ta、Co、Si、Cr、Ni、Cu、La、Lu，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630℃回火，再升温至950℃退火，最后降温得到海洋钻井平台盐水系统用材料成品。本发明制备的海洋钻井平台盐水系统用合金材料具有良好的防锈、耐压、不易变形的性能。
【专利说明】
一种海洋钻井平台盐水系统用合金材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种海洋钻井平台盐水系统用合金材料及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 在海洋钻井平台技术发展过程中，美国、挪威等西方发达国家由于起步早已积累 了一定经验，尤其在海洋深水技术开发方面一直处于领先和垄断地位，但随着近几年世界 多个国家涉足海洋勘探开发领域，尤其是我国、巴西、韩国、日本等国家的崛起，今后海洋装 备技术将呈现出多渠道、多国化，百花齐放的发展局面。20世纪90年代后期，部分钻井平台 开始向多功能化方向发展。新型的多功能海洋平台不仅具有钻井功能，同时还具备修井、采 油、生活和动力等多种功能。如具有动力定位装置的FPS0,不仅完全具备上述功能，而且还 可以作为穿梭油轮，实现一条船开发一个海上大型油田的目标。多功能半潜式钻井平台不 仅可用作钻井平台，也可用作生产平台、起重平台、铺管平台、生活平台以及海上科研基地， 甚至可用作导弹发射平台等，适用范围越来越广。
[0003] 通常海洋钻井平台中盐水的作用是用来调配泥浆钻井液，盐水是用来配制水基泥 浆的，它们是含有似工&、1%、(：1、8匕1(等离子的化学盐溶液。在平台结构中会有专门用于装 盐水的结构舱室，一般是2个或以上，这些舱和普通的压载舱有点类似，平台上的盐水是通 过注入站进入到平台的的盐水舱，通过盐水栗驳运到每个需要盐水的地方。盐水蒸发后容 易析出结晶，会堵塞细的管路，所以盐水系统的各种仪表的选择及盐水系统材料的选择十 分重要。但是，在海洋钻井平台这一仍在不断完善的技术中，海洋钻井平台盐水系统的材料 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、不易变形的盐 水系统材料，是当前一个急需解决的问题。
【发明内容】
[0004] 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盐水系统用合金材 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。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案： 一种海洋钻井平台盐水系统用合金材料，所述合金材料的原料成分及其质量百分比 为：C: 0 ? 16%~0 ? 24%，Mn: 0 ? 35 %~0 ? 65%，S: 0 ? 03%~0 ? 04%，P: 0 ? 03%~0 ? 04%，B: 1 ? 90%~2 ? 20%，V: 1?90%~2?20%，Ti:1?30%~1?70%，Nb:1?90%~2?20%，Ta:1?90%~2?20%，Co:0?30%~0?40%，Si: 0 ? 60%~1 ? 50%，Cr: 11 ? 5%~14 ? 0%，Ni : 1 ? 90%~2 ? 20%，Cu: 1 ? 90%~2 ? 20%，RE: 0 ? 20%~0 ? 90%，其余 为Fe。
[0006] 进一步的，RE 包括，Pr: 0 ? 10%~0 ? 45%，Ce: 0 ? 10%~0 ? 45%，其余为 Fe。
[0007] 进一步的，原料成分及其质量百分比为:C:0.21%，Mn:0.36%，S:0.03%，P:0.03%，B: 1.92%,V：1.92%,Ti：1.37%,Nb：1.92%,Ta：1.92%,Co：0.34%,Si：1.0%,Cr：13.0%,Ni：1.92%, Cu: 1 ? 92%，La: 0 ? 25%，Lu: 0 ? 35%，其余为 Fe。
[0008] 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％。
[0009] C:0.16%~0.24%，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盐水系统用材料中C含量规定为 0 ? 16%~0 ? 24%，优选为0 ? 21 %。
[0010] Mn: 0.35%~0.65%，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盐水系统的具体实际的特殊需求，本 发明将Mn含量规定为0.35%~0.65%，优选为0.36%。
[0011] 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含量规定为〇. 03%~0.04%，优选为0.03%。
[0012] 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%。
[0013] B: 1.90%~2.20%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1.90%~2.20%，优选为1.92%。
[0014] V: 1.90%~2.20%，V的细小颗粒形成的新相的晶核，将降低钢的淬透性。增加钢的回 火稳定性并有强烈的二次硬化作用。固溶于铁素体中有极强的固溶固溶强化作用。有细化 晶粒作用，所以对低温冲击韧性有利，碳化钒是金属碳化物中最硬最耐磨的，可以提高工具 钢的使用寿命。为适应海洋条件及海洋钻井平台盐水系统的特殊需求，本发明将合金材料 中V含量规定为1.90%~2.20%，优选为1.92%。
[0015] Ta: 1.90%~2.20%，Ta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盐水系统的特殊需求，本发明将材质中Ta含量规定为 1 ? 90%~2 ? 20%，优选为 1 ? 92%。
[0016] Ti : 1.30%~1.70%，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。考虑到航空的具体实际，为适应航海气候条 件及作业要求效果，本发明将Zr含量规定为1.30%~1.70%，优选为1.37%。
[0017] Nb: 1.90%~2.20%，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Nb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盐水系统的特殊需求，本发明将材质中Nb含量规定为 1 ? 90%~2 ? 20%，优选为 1 ? 92%。
[0018] Ta: 1.90%~2.20%，Ta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盐水系统的特殊需求，本发明将材质中Ta含量规定为 1 ? 90%~2 ? 20%，优选为 1 ? 92%。
[0019] 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盐水系统的特殊需求，本发明将材料 中Co含量规定为0.30%~0.40%，优选为0.34%。
[0020] 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， 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盐水 系统的特殊需求，本发明将Si含量规定为0.60%~1.50%，优选为1.0%。
[0021 ] 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% 〇
[0022] Ni: 1.90%~2.20%，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盐水系统的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为1.90%~ 2.20%，优选为 1.92%。
[0023] Cu: 1.90%~2.20%，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盐水系统的特殊需求，本发明将材质中Cu含量规定为1.90%~ 2.20%，优选为 1.92%。
[0024] 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盐水系统的不良 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盐水系统的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为 0 ? 20%~0 ? 90%，包括 La: 0 ? 10%~0 ? 45%，Lu: 0 ? 10%~0 ? 45%，优选为 La: 0 ? 25%，Lu: 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。
[0025]本发明的另一个目的，在于提供一种海洋钻井平台盐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、V、Ti、Nb、T、Co、Cr、Ni、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960°0980°(：条件下熔融； 步骤b、在金属恪融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、B、Si单质，并保温25min~ 50min，搅拌均勾； 步骤c、在惰性气体加压条件下降温至630 °C回火，保温25min~40min，再升温至950 °C退 火，保温25min~40min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台盐水系统用合金材料成品。 [0026] 进一步的，步骤a中，烧结的温度为960°0970°C时，RE的组成为La。
[0027] 进一步的，步骤a中，烧结的温度为970°0980°C时，RE的组成为La和Lu。
[0028] 进一步的，步骤S03具体为： I、 在氖气或氩气气氛下，在压力为45MPa~55MPa的加压条件下以45°C/min~55°C/min的 速率降温至630°C回火，保温15min~40min; II、 再以45°C/min~55°C/min的速率升温至950°C退火，保温15min~40min; III、 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。
[0029] 本发明的优点是： 本发明所提供的海洋钻井平台盐水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】
[0030] 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。
[0031] 实施例1 原料组分： C：0.21%,Mn：0.36%,S：0.03%,P：0.03%,B：1.92%,V：1.92%,Ti：1.37%,Nb：1.92%,Ta： 1.92%，Co:0.34%，Si :1.0%，Cr: 13.0%，Ni:l .92%，Cu:l .92%，La:0.25%，Lu:0.35%，其余为Fe。 [0032] 通过如下方法制备： 步骤a、将待熔炼的Fe、Mn、T i、Nb、Ta、Co、Cr、Ni、Cu、La、Lu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°C条件下熔融； 步骤b、在金属恪融的条件下按照材料成分比例加入(：、3、？、13、￥、3;[单质，并保温361]1；[11， 搅拌均匀； 步骤c、在氖气加压47MPa条件下，以64°C/min的降温速率冷却至630°C，保温36min，再 以64°C/min的升温速率升温至950°C保温36min退火，最后以64°C/min的降温速率降至室温 得到海洋钻井平台盐水系统用合金材料成品。
[0033] 实施例2 原料组分： C：0.16%,Mn：0.35%,S：0.03%,P：0.03%,B：1.90%,V：1.90%,Ti：1.30%,Nb：1.90%,Ta： 1 ? 90%，Co: 0 ? 30%，Si : 0 ? 60%，Cr: 11 ? 5%，Ni : 1 ? 90%，Cu: 1 ? 90%，La: 0 ? 20%，其余为Fe。
[0034] 通过如下方法制备： 步骤a、将待熔炼的Fe、Mn、T i、Nb、Ta、Co、Cr、Ni、Cu、La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 °C条件下熔融； 步骤b、在金属恪融的条件下按照材料成分比例加入(：、3、？、13、￥、3;[单质，并保温251]1；[11， 搅拌均匀； 步骤c、在氖气加压45MPa条件下，以45°C/min的降温速率冷却至630°C，保温25min，再 以45°C/min的升温速率升温至950°C保温25min退火，最后以45°C/min的降温速率降至室温 得到海洋钻井平台盐水系统用合金材料成品。
[0035] 实施例3 原料组分： C：0.24%,Mn：0.65%,S：0.04%,P：0.04%,B：2.20%,V：2.20%,Ti：1.70%,Nb：2.20%,Ta： 2 ? 20%，Co: 0 ? 40%，Si : 1 ? 50%，Cr: 14 ? 0%，Ni : 2 ? 20%，Cu: 2 ? 20%，La: 0 ? 45%，Lu: 0 ? 45%，其余为 Fe〇
[0036] 通过如下方法制备： 步骤a、将待熔炼的Fe、Mn、T i、Nb、Ta、Co、Cr、Ni、Cu、La、Lu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 °C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(：、3、？、8、￥、31单质，搅拌均匀，并 保温50min; 步骤c、在氩气加压55MPa条件下，以55°C/min的降温速率冷却至630°C，保温40min，再 以55°C/min的升温速率升温至950°C保温40min退火，最后以55°C/min的降温速率降至室温 得到海洋钻井平台盐水系统用合金材料成品。
[0037] 实施例4 原料组分： C：0.24%,Mn：0.65%,S：0.04%,P：0.04%,B：2.20%,V：2.20%,Ti：1.70%,Nb：2.20%,Ta： 2 ? 20%，Co: 0 ? 40%，Si : 1 ? 50%，Cr: 14 ? 0%，Ni : 2 ? 20%，Cu: 2 ? 20%，La: 0 ? 45%，Lu: 0 ? 45%，其余为 Fe〇
[0038] 通过如下方法制备： 步骤a、将待熔炼的Fe、Mn、T i、Nb、Ta、Co、Cr、Ni、Cu、La、Lu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°C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(：、3、？、8、￥、31单质，搅拌均匀，并 保温38min; 步骤c、在氩气加压50MPa条件下，以50°C/min的降温速率冷却至630°C，保温33min，再 以50 °C/min的升温速率升温至950 °C保温33min退火，最后以50 °C/min的降温速率降至室温 得到海洋钻井平台盐水系统用合金材料成品。
[0039] 实验例1 抗磨性对比试验： 本发明实施例1~4所制海洋钻井平台盐水系统用合金材料与普通盐水系统用合金材料 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。
[0040] 表1抗磨性及硬度对比试验结果
实验例2 将本发明实施例卜4所制海洋钻井平台盐水系统用合金材料与普通盐水系统用材料相 比较，其性能结果如下表2。
[0041] 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盐水系统用合金材料，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盐水系统用合 金材料。
[0042]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。
【主权项】
1. 一种海洋钻井平台盐水系统用合金材料，其特征在于，所述合金材料的原料成分及 其质量百分比为：包括C: 0 · 16%~0 · 24%，Μη: 0 · 35 %~0 · 65%，S: 0 · 03%~0 · 04%，P: 0 · 03%~0 · 04%， Β:1·90%~2·20%，V:1·90%~2·20%，Ti:1·30%~1·70%，Nb:1·90%~2·20%，Ta:1·90%~2·20%，Co: 0.30%~0.40%,S i：0.60%~1.50%,Cr：11.5%~14.0%,Ni：1.90%~2.20%,Cu：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，La: 0.10%~0.45%，Lu: 0.10%~0.45%，其余为 Fe。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: 0.21%,Mn：0.36%,S：0.03%,P：0.03%,B：1.92%,V：1.92%,Ti：1.37%,Nb：1.92%,Ta：1.92%,Co： 0.34%，51 :1.0%，0:13.0%，附：1.92%，〇1:1.92%，1^:0.25%儿11 :0.35%，其余为卩6。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、V、Ti、Nb、T、Co、Cr、Ni、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960°0980°(：条件下熔融； 步骤b、在金属恪融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、B、Si单质，并保温25min~ 50min，搅拌均勾； 步骤c、在惰性气体加压条件下降温至630°C回火，保温25min~40min，再升温至950°C退 火，保温25min~40min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台盐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960°〇 970°C时，RE的组成为La。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970t> 980°C时，RE的组成为La和Lu。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： [、在氖气或氩气气氛下，在压力为45MPa~55MPa的加压条件下以45°C/min~55°C/min的 速率降温至630°C回火，保温15min~40min; 13、再以45°C/min~55°C/min的速率升温至950°C退火，保温15min~40min; ill、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。
【文档编号】C22C38/02GK105821320SQ201610442814
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】侯芬芳
【申请人】泉州市惠安闽投商贸有限公司