一种海洋钻井平台高压泥浆排出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高压泥浆排出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、Cu、Ga、Mg、Mo、Ge、Sn、Si、Cr、Sb、Zn、Eu、Dy，其余为Fe；将待熔炼的Fe、Mn、Cu、Ga、Mg、Mo、Ge、Sn、Cr、Sb、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960℃~980℃下熔融；在金属熔融的条件下加入C、S、P、Si，并保温，搅拌均匀；在惰性气体加压条件下降温至630℃回火，再升温至950℃退火，保温，最后降至室温，得到海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料成品。本发明制备的产品具有良好的防锈、耐压、不易变形的性能。
【专利说明】
一种海洋钻井平台高压泥浆排出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高压泥浆排出系统用合金 材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着近几年各大石油公司对深海勘探开发投资的增加，深水平台出现供不应求的 态势，签约率相当高，稳定在95%以上，日费价格也大幅度攀升。目前新建的3/4的深水平台 在出厂前即与作业者签订服务合同。随着深海油气新发现的增加和已发现的深海油气田投 入开发，深海钻井平台将更加紧俏。随着全球经济的逐步复苏，全球对油气的需求不断增 加，油价逐渐回升，海上的油气投资和勘探开发必将更加活跃，新一轮的钻井平台需求高峰 将卷土重来。如果油价一直保持高位水平，并保持一定的海洋油气发现率，海洋钻井平台的 需求有望回升到一个比较高的水平。适合深水、超深水和极地等恶劣环境的钻井平台将是 未来海洋钻井平台市场发展的一个主要趋势。
[0003]海洋钻井平台的高压泥浆排出系统在钻井过程中起着非常重要的作用。高压泥浆 排出系统的泥浆栗的排出压力很高，高压泥浆从泥浆栗的排出口开始在管路中的穿行，高 压泥浆的压力很大，用以克服泥浆在旅行过程中的重力，摩擦损失以及带回钻头切下来的 切削。同样地，由于往复栗的本身的特性，为了减少它的排出压力波动，排出口会有空气室。 因此，高压泥浆排出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，海洋钻井平台高压泥浆排出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、不易变形的高压泥浆排出系统材料， 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高压泥浆排出系统 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： 一种海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料，合金材料的原料成分及其质量百分 比为：C: 0 ? 10%~0 ? 25%，Mn: 0 ? 50%~0 ? 80%，S: 0 ? 03%~0 ? 04%，P: 0 ? 03%~0 ? 04%，Cu: 0 ? 60%~1 ? 50%， Ga:0?60%~1?50%，Mg:1?30%~1?70%，Mo:0?45%~0?65%，Ge:0?60%~1?50%，Sn:0?30%~0?40%， Si:0?60%~1?50%，Cr:1?0%~1?15%，Sb:0?60%~1?50%，Zn:1?90%~2?20%，RE:0?20%~0?90%，其 余为Fe。
[0006] 进一步的，RE 包括，Eu: 0 ? 10%~0 ? 45%，Dy: 0 ? 10%~0 ? 45%。
[0007] 进一步的，原料成分及其质量百分比为：C: 0 ? 20%，Mn:0 ? 58%，S:0 ? 04%，P:0 ? 03%， Cu：0.65%,Ga：0.65%,Mg：1.36%,Mo：0.46%,Ge：0.65%,Sn：0.34%,Si：0.65%,Cr：1.10%,Sb： 0 ? 65%，Zn: 1 ? 92%，Eu: 0 ? 25%，Dy: 0 ? 25%，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:0.10%~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高压泥浆排出系统用材料中C含量 规定为〇 ? 1〇%~〇 ? 25%，优选为0 ? 20%。
[0010] Mn: 0.50%~0.80%，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高压泥浆排出系统的具体实际的特 殊需求，本发明将Mn含量规定为0.50%~0.80%，优选为0.58%。
[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 ? 04%。
[0013] Cu: 0.60%~1.50%，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高压泥浆排出系统的特殊需求，本发明将材质中Cu含量规定为 0 ? 60%~1 ? 50%，优选为 0 ? 65%。
[0014] 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，提尚钢的强度，提尚冲击初性，提尚钢的抗氧化性能，提尚不镑钢对强氧化性酸类的 耐蚀能力。A1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%。
[0015] Mg: 1.30%~1.70%，在合金中加入少量的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的 切削加工性。含镁的合金具有优良的耐蚀性。为适应海洋条件及海洋钻井平台高压泥浆排 出系统的特殊需求，本发明将合金材料中Mg含量规定为1.30%~1.70%，优选为1.36%。
[0016] Mo: 0.45%~0.65%，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高压泥浆排 出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0.45%~0.65%，优选为0.46%。 [0017] 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高压泥浆排出系统的特殊需求，本发明将Ge含量规定为0.60%~1.50%， 优选为0.65%。
[0018] Sn: 0.30%~0.40%，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高压泥浆排出系统的特殊需求，本发明将合金材 料中Sn含量规定为0.30%~0.40%，优选为0.34%。
[0019] 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高压泥浆排出系统的特殊需求，本发明将材料中Si含量规 定为0 ? 60%~1 ? 50%，优选为0 ? 65%。
[0020] Cr: 1.0%~1.15%，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1.0%~1.15%，优选为 1.10%〇
[0021] Sb: 0.60%~1.50%，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。为适应海洋条件及海洋钻井平台高压泥浆排出系统的特殊需求，本发明将合金材 料中Sb含量规定为0.60%~1.50%，优选为0.65%。
[0022] 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高压泥浆排出系统的特殊需求，本发明将合金 材料中Zn含量规定为1.90%~2.20%，优选为1.92%。
[0023] 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高压泥浆排出系 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高压泥浆排出系统的特殊需求，本发明将材 料中 RE 含量规定为 0 ? 20%~0 ? 90%，包括 Eu: 0 ? 10%~0 ? 45%，Dy: 0 ? 10%~0 ? 45%，优选为 Eu: 0 ? 25%， Dy:0.25%。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。
[0024] 本发明的另一个目的，在于提供一种海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料 的制备方法，制作步骤如下： 步骤I，将待熔炼的Fe、Mn、Cu、Ga、Mg、Mo、Ge、Sn、Cr、Sb、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°C~980°C条件下熔融； 步骤親_，在金属恪融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、Si单质，并保温35min~ 50min，搅拌均勾； 步骤_，在惰性气体加压条件下降温至630°C回火，保温35min~50min，再升温至950°C 退火，保温35min~50min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材 料成品。
[0025] 进一步的，步骤i中，烧结的温度为960t>970t时，RE的组成为Eu。
[0026] 进一步的，步骤I中，烧结的温度为970°C~980°C时，RE的组成为Eu和Dy。
[0027] 进一步的，步骤議具体为： a、在氪气或氙气气氛下，在压力为35MPa~50MPa的加压条件下以35°C/min~50°C/min的 速率降温至630°C回火，保温15min~40min; b、 再以35°C/min~50°C/min的速率升温至950°C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。
[0028]本发明的优点是： 本发明所提供的海洋钻井平台高压泥浆排出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】
[0029]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。
[0030] 实施例1 原料组分： C：0.20%,Mn：0.58%,S：0.04%,P：0.03%,Cu：0.65%,Ga：0.65%,Mg：1.36%,Mo：0.46%,Ge： 0 ? 65%，Sn:0 ? 34%，Si :0 ? 65%，Cr: 1 ? 10%，Sb:0 ? 65%，Zn: 1 ? 92%，Eu:0 ? 25%，Dy:0 ? 25%，其余为 Fe〇
[0031] 通过如下方法制备： 步骤 i，将待恪炼的？6、]\1]1、(]11、63、]\%、]\1〇、66、311、0、313、211、￡11、〇7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； 步骤錢，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_:，在氪气加压47MPa条件下，以44t：/min的降温速率冷却至6301，保温36min，再 以44°C/min的升温速率升温至950°C保温36min退火，最后以44°C/min的降温速率降至室温 得到海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料成品。
[0032] 实施例2 原料组分： C：0.10%,Mn：0.50%,S：0.03%,P：0.03%,Cu：0.60%,Ga：0.60%,Mg：1.30%,Mo：0.45%,Ge： 0 ? 60%，Sn: 0 ? 30%，Si : 0 ? 60%，Cr: 1 ? 0%，Sb: 0 ? 60%，Zn: 1 ? 90%，Eu: 0 ? 20%，其余为Fe。
[0033] 通过如下方法制备： 步骤i，将待恪炼的？6、]\1]1、(]11、63、]\%、]\1〇、66、311、0、313、211、￡11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； 步骤錢，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 35min； 步骤_:，在氪气加压35MPa条件下，以35t：/min的降温速率冷却至6301，保温35min，再 以35°C/min的升温速率升温至950°C保温35min退火，最后以35°C/min的降温速率降至室温 得到海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料成品。
[0034] 实施例3 原料组分： C：0.25%,Mn：0.80%,S：0.04%,P：0.04%,Cu：1.50%,Ga：1.50%,Mg：1.70%,Mo：0.65%,Ge： 1 ? 50%，Sn: 0 ? 40%，Si : 1 ? 50%，Cr: 1 ? 15%，Sb: 1 ? 50%，Zn: 2 ? 20%，Eu: 0 ? 45%，Dy: 0 ? 45%，其余为 Fe〇
[0035] 通过如下方法制备： 步骤 i，将待恪炼的？6、]\1]1、(]11、63、]\%、]\1〇、66、311、0、313、211、￡11、〇7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_，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； 步骤議，在氙气加压50 MPa条件下，以50t：/min的降温速率冷却至630t，保温50min， 再以50°C/min的升温速率升温至950°C保温50min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高压泥浆排出系统用合金材料成品。
[0036] 实施例4 原料组分： C：0.18%,Mn：0.65%,S：0.035%,P：0.035%,Cu：1.10%,Ga：1.10%,Mg：1.55%,Mo：0.51%, Ge:1.10%，Sn:0.35%，Si:1.10%，Cr:1.08%，Sb :1.10%，Zn:2.05%，Eu:0.275%，Dy:0.275%，其 余为Fe。
[0037] 通过如下方法制备： 步骤 L 将待恪炼的？6、]\1]1、(]11、63、]\%、]\1〇、66、311、0、313、211、￡11、〇7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II，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 43min； 步骤關:，在氙气加压43MPa条件下，以43°C/min的降温速率冷却至630°C，保温43min，再 以43°C/min的升温速率升温至950°C保温33min退火，最后以43°C/min的降温速率降至室温 得到海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料成品。
[0038] 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高压泥浆排出系统用合金材料与普通高压 泥浆排出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。
[0039]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制备得到的海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料与普通高 压泥浆排出系统用材料相比较，其性能结果如下表2。
[0040] 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高压泥浆排出系统用合金 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高压泥 浆排出系统用合金材料。
[0041]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. 一种海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材料，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 · 10%~0 · 25%，Mn: 0 · 50%~0 · 80%，S: 0 · 03%~0 · 04%，P: 0 · 03%~ 0·04%，Cu:0·60%~1·50%，Ga:0·60%~1·50%，Mg:1·30%~1·70%，Mo:0·45%~0·65%，Ge:0·60%~ 1 · 50%，Sn: 0·30%~0·40%，Si:0·60%~1·50%，Cr:1·0%~1·15%，Sb: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，Eu : 0.10%~0.45%，Dy : 0.10%~0.45%〇3. 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%,Μη：0.58%,S：0.04%,P：0.03%,Cu：0.65%,Ga：0.65%,Mg：1.36%,Mo：0.46%,Ge：0.65%, Sn: 0 · 34%，Si : 0 · 65%，Cr: 1 · 10%，Sb: 0 · 65%，Zn: 1 · 92%，Eu: 0 · 25%，Dy: 0 · 25%，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、Cu、Ga、Mg、Mo、Ge、Sn、Cr、Sb、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°C~980°C条件下熔融； 步骤II，在金属恪融的条件下按照材料成分比例加入C、S、P、Si单质，并保温35min~ 50min，搅拌均勾； 步骤_，在惰性气体加压条件下降温至630°C回火，保温35min~50min，再升温至950°C 退火，保温35min~50min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台高压泥浆排出系统用合金材 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960t>970 °C时，RE的组成为Eu。6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤i中，所述烧结的温度为970°0980 °C时，RE的组成为Eu和Dy。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、 在氪气或氙气气氛下，在压力为35MPa~50MPa的加压条件下以35°C/min~50°C/min的 速率降温至630°C回火，保温15min~40min; b、 再以35°C/min~50°C/min的速率升温至950°C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。
【文档编号】C22C38/04GK105821350SQ201610442812
【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