一种用于海洋钻井平台海水冷却系统的合金材料及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种用于海洋钻井平台海水冷却系统的合金 材料及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 金融危机对海洋油气勘探开发构成了冲击。石油公司由于融资和低油价原因，上 游的勘探开发活动减少，从而造成了大量的钻井平台闲置，日费下降。浮式海洋钻井平台一 直保持比较高的利用率，但自升式海洋钻井平台的利用率下降到了历史的低点，并随着新 建平台逐渐进入市场，加快了老平台的退役。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，新一轮的海洋钻井平 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，适合 深水、超深水和极地等恶劣环境的海洋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]海洋钻井平台海水冷却系统是海洋钻进平台的重要组成部分，在海洋钻井平台 上，很多机械在运行的时候都会产生大量的热量。比如柴油机，它燃烧柴油推动活塞做功， 通过曲轴把能量传递出去。在这个过程中，摩擦、燃烧产生的热量都会使金属产生疲劳，或 者会使机械的过热保护装置启动，使机械停止下来;还有很多机械设备需要冷却，比如液压 单元、发电机组、变频器、空气压缩机、高压泥浆栗、绞车、推进器刹车片、推进器液压单元 等。但是，海水是有腐蚀性的，海水pH值一般在8.3~8.5，溶解氧5~6mg/L，含有大量氯离子 和其他盐类离子，是强电解质溶液，具有强腐蚀性;海水系统的腐蚀损坏问题比较突出，随 着电站运行年份的增加，海水介质的设备腐蚀损坏趋势日益加剧，纠正性维修工作量和由 此产生的维修成本逐年增加。
[0004] 因此，海洋钻井平台的海水冷却系统材料是决定系统质量好坏的关键，更是整个 海洋钻井平台的重要部件，如何选择和制造优良的、既防海水腐蚀又适合海洋钻井平台的 海水冷却系统材料，是当前一个急需解决的问题。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述不足，本发明的目的在于提供一种用于海洋钻井平台海水冷却系统 的合金材料，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。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：
[0007] -种用于海洋钻井平台海水冷却系统的合金材料的制作方法，制作步骤如下：
[0008] 步骤 S01:准备原材料，原材料包括 C、Mn、Re、Be、Zn、Mg、Al、Si、Cr、Ni、Mo、Sr、RE、Fe 单质，原料的质量百分比组成满足：
[0009] C:0.04%~0.10%，Mn:0.80%~1.50%，Re:0.80%~1.50%，Be:0.3%~0.4%， Zn:0.4%~0.6%，Mg:0.4%~0.6%，Al:0.3%~0.4%，Si :1.0%~3.0%，Cr:14.0%~ 22.0%，Ni:7.5%~12.5%，M〇:0.02%~0.05%，Sr:3.0%~4.0%，RE:0.20%~0.80%， 其余为Fe;
[0010] 步骤S02:将待熔炼的？6、]?11、1^、211、]\%^1、0、附、]\1〇、3匕1^单质，加入7尺冷铜坩埚 的真空室内，抽真空，在烧结温度为960°C~980°C条件下熔融；
[0011] 步骤S03:在金属熔融的条件下加入(：、86、3丨，并保温3〇11^11~4〇1^11，搅拌均匀 ；
[0012]步骤S04:在惰性气体加压条件下冷却至室温得到海洋钻井平台海水冷却系统用 材料。
[0013]进一步地，1^单质包括〇7、〇6,〇7、〇6在原料中的质量百分比为〇 7:〇.1〇%~ 0.40%、Ce:0.10% ~0.40%。
[0014] 进一步地，步骤S02中，烧结的温度为960°C~970°C时，RE的组成为Ce。
[0015] 进一步地，步骤S02中，所述烧结的温度为970°C~980°C时，RE的组成为Ce和Dy。
[0016] 进一步地，步骤S03中，所述恪融金属冷却速率为70°C/min~80°C/min。
[0017] 进一步地，步骤S04中，所述惰性气体为氖气或氪气。
[0018] 进一步地，步骤S04中，所述加压的条件为80Mpa~lOOMpa。
[0019] 根据本发明的另一目的，在于提供一种用于海洋钻井平台海水冷却系统的合金材 料，采用上述任一种制备方法制备而成。
[0020] 进一步地，合金材料按质量百分比计含有如下原料组分，C:0.08%，Mn: 1.50%， Re：1.50% ,Be:0.34% ,Zn：0.6% ,Mg：0.4% ,A1 ：0.35% ,Si ：2.0% ,Cr：20.0% ,Ni：10.0% , Mo:0.05%，Sr:3.50%，Dy:0.20%，Ce:0.30%，其余为Fe。
[0021] 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％。
[0022] C: 0.04%~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海水冷却系统用材料中C含量 规定为0 · 04 %~0 · 10 %，优选为0 · 08 %。
[0023] Μη: 0.80 %~1.50%，Mn是一种弱脱氧剂，钢材中添加 Μη，不但有利于钢材的抗蚀 性，而且还能使钢材的强度提高，并能降低热裂纹倾向，改善钢材的抗腐蚀性能和焊接性 能。随着Μη含量增加，钢材强度有所提高，为适应海洋钻井平台海水冷却系统的具体实际的 特殊需求，本发明将Μη含量规定为0.80 %~1.50 %，优选为1.50 %。
[0024] Re: 0.80 %~1.50 %，铼能够同时提高钨、钼、铬的强度和塑性，为适应海洋条件及 海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将P含量规定为〇. 80%~1.50 %，优选为 1.50%〇
[0025] Be:0.30%~0.40%，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0.30 %~0.40 %，优选为 0.34%〇
[0026] Zn: 0.40%~0.60%，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，为为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将合金 材料中Zn含量规定为0.40 %~0.60 %，优选为0.60 %。
[0027] Mg: 0.40 %~0.60 %，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海水冷 却系统的特殊需求，本发明将合金材料中Mg含量规定为0.40%~0.60%，优选为0.40%。 [0028] A1:0.30 %~0.40%，A1在炼钢中起良好的脱氧作用，钢中加入少量的A1，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，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A1含量规 定为0.30%~0.40%，优选为0.35%。
[0029] Si : 1.0%~3.0%，Si可提高钢材的耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性;在钢材中 能降低熔点，改善流动性。为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发 明将Si含量规定为1.0%~3.0%，优选为2.0%。
[0030] Cr: 14.0%~22.0%，Cr在钢材中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低 塑性和韧性。铬又能提高钢材的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是钢材的重要合金元素。为适应 海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将C r含量规定为14.0 %~ 22.0%，优选为 20.0%。
[0031] Ni : 7.5%~12.5 %，镍在钢材中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性，提高合金 的焊接性能。为适应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将材质中 Ni含量规定为7.5%~12.5%，优选为10.0%。
[0032] M〇:0.02%~0.05%，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，为适应海洋条件及海洋钻井 平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为0.02 %~0.05 %，优选为 0.05%〇
[0033] Sr: 3.0 %~4.0 %，Sr有很强的吸收X射线辐射功能和独特的物理化学性能，为适 应海洋条件及海洋钻井平台海水冷却系统的特殊需求，本发明将合金材料中Sr含量规定为 3.0%~4.0%，优选为3.50%。
[0034] RE: 0.20 %~0.80 %，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海水冷却系统 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海