一種海洋鉆井平臺壓載系統用合金材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鐵基合金領域，具體設及一種海洋鉆井平臺壓載系統用合金材料及其 制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著陸地油氣資源開采力度的日漸加大和油氣儲量的不斷減少，占全球資源總量 約34%的海洋石油資源已成為人們關注的焦點和新一輪油氣勘探開發的熱點。海洋鉆井平 臺作為海上油氣勘探開發的重要裝備之一，目前已在世界范圍內受到了普遍關注。受海洋 作業惡劣環境的影響，海洋鉆井平臺技術發展在近十幾年中發生了重大變化，人們已經不 再滿足于過去傳統的平臺裝備技術和鉆探方式，而是逐漸將目光從淺海移向深海、由淺油 氣層轉向深油氣層、由簡單地質層轉向復雜地質層等，從而使得海洋鉆井平臺裝備也隨之 由過去比較單一的固定式、自升式等裝備發展到技術先進、控制性好、鉆探能力強、適應范 圍廣的鉆探船、半潛式平臺等勘探開發裝備上來，并已成為當前和今后一段時間內世界海 洋油氣勘探開發的必然趨勢。
[0003] 海洋鉆井平臺壓載系統是海洋鉆進平臺的重要組成部分，系統通過壓載累設計， 使海水W重力注入立管和在累壓下排艇外溢流管，排載管不必在壓載艙外壁開孔，實現壓 載艙不與海洋直接聯通。壓載系統的作用就是使平臺能夠相對自由的吃水，保持在深海中 的穩性。簡單地來說，就是用累把船艇外的海水抽到平臺里的壓載艙里面去，而且反向 也能把海水從艙里抽出來排到海里去。因此，海洋鉆井平臺的壓載系統結構材料是決定壓 載系統質量好壞的關鍵，更是整個海洋鉆井平臺的重要部件，不斷提高海洋鉆井平臺壓載 系統結構材料質量水平是當代海洋鉆井平臺設計制造人員不得不面臨的一大難題。
【發明內容】
[0004] 為了克服現有海洋鉆井平臺壓載系統結構材料質量參差不齊的不足，本發明的目 的在于提供一種海洋鉆井平臺壓載系統用合金材料及其制備方法，綜合考慮各成分的成 本，在保證與同等成本材料有相等或更高質量的前提下，優化各成分之間的比例，找到性價 比最高的材料組方，加入稀±金屬，制備的材料有良好的抗磁、抗海水腐蝕、耐壓、不易形變 的性能，能夠有效地解決上述問題。
[000引為了解決上述技術問題，本發明采取如下的技術方案： 一種海洋鉆井平臺壓載系統用合金材料，所述原料成分及其質量百分比為:c:0.04%~ 0.100/0，Μη: 0.80/0~2.00/0，P: 0.030/0~0.040/0，S: 0.030/0~0.040/0，Si : 1.00/0~2.00/0，吐：17.00/0~20.00/0， Ni : 8.0%~11.0%，Ti : 0.45%~0.70%，Ta: 0.2%~0.5%，抓：0.20%~0.50%，Cu: 0.7%~1.2%，Ge: 0.70/0 ~1.2%，RE: 0.40% ~1.0%，其余為化。
[0006] 進一步的，RE 包括，Sc: 0.2%~0.5%，Eu: 0.20%~0.50〇/〇。
[0007] 進一步的，原料組分最佳重量百分比如下：C:0.08%，Mn: 1.50%，P:0.03%，S:0.03〇/〇， Si：1.50%,Cr：18.0%,Ni：10.0%,Ti：0.70%,Ta：0.5%,Nb：0.20%,Cu：1.0%,Ge：0.7%, Sc： ο. 30%，Eu: ο. 40%，其余為化。
[0008] W下，對本發明中采用的合金的成分組成的限定理由進行說明，成分組成中設及 的%指質量％。
[0009] C:0.04%~0.10%，C在鋼材中可形成固溶體組織、提高鋼的強度;形成碳化物組織， 可提高鋼的硬度及耐磨性。因此，C在鋼材中，含碳量越高，鋼的強度、硬度就越高，但塑性、 初性也會隨之降低;反之，含碳量越低，鋼的塑性、初性越高，其強度、硬度也會隨之降低，為 適應海洋條件及作業要求效果，本發明將海洋鉆井平臺壓載系統用材料中C含量規定為 0.04%~0.10%，優選為 0.08〇/〇。
[0010] Μη: 0.8%~2.0%，Mn是一種弱脫氧劑，鋼材中添加 Μη，不但有利于鋼材的抗蝕性，而 且還能使鋼材的強度提高，并能降低熱裂紋傾向，改善鋼材的抗腐蝕性能和焊接性能。隨著 Μη含量增加，鋼材強度有所提高，為適應海洋鉆井平臺壓載系統的具體實際的特殊需求，本 發明將Μη含量規定為0.8%~2.0%，優選為1.50%。
[0011] Ρ:0.03%~0.04%，憐對提高鋼材的抗拉強度有一定的作用，但同時又都增加鋼材的 脆性。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將Ρ含量規定為0.03%~ 0.04%，優選為 0.03%。
[001引8:0.03%~0.04%，S可引起鋼材熱脆，降低鋼材的塑性、沖擊初性、疲勞強度和抗誘 性等，一般建筑用鋼含硫量要求不超過0.055%，在焊接結構中應不超過0.050%。一定量的S 與Μη在鋼材中形成MnS，有助于提高切削性的元素。在低于0.001%時添加效果不充分，超過 0.15%則添加效果飽和，S會降低鐵水的流動性，阻止FesC分解，使鑄件產生氣孔、難于切削 并降低其初性，因此將S規定為0.03%~0.04%，優選為0.03%。
[0013] Si : 1.0%~2.0%，Si可提高鋼材的耐熱性和耐蝕性，降低初性和塑性;在鋼材中能降 低烙點，改善流動性。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將Si含 量規定為1.0%~2.0%，優選為1.50〇/〇。
[0014] 吐：17.0%~20.0%，化在鋼材中，銘能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑 性和初性。銘又能提高鋼材的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是鋼材的重要合金元素。為適應海 洋條件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將Cr含量規定為17.0%~20.0%，優選為 18.0%〇
[0015] Μ : 8.0%~11.0%，儀在鋼材中能提高合金的強度和硬度，降低耐蝕性，提高合金的 焊接性能。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將材質中Μ含量 規定為8.0%~11.0%，優選為10.0%。
[0016] Ti:0.45%~0.70%，Ti是合金中常用的添加元素，鐵與侶形成TiAb相，成為結晶時 的非自發核屯、，起細化鑄造組織和焊縫組織的作用；還能起到變質劑作用，增加晶核，細化 晶粒。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將Ti含量規定為0.45% ~0.70%，優選為0.70%。
[0017] 化:0.2%~0.5%，Ta是強碳化物形成元素，化的碳化物在高溫下十分穩定，只比鐵的 碳化物略為遜色。由于化具有良好的熱強性，因此，Ta在低合金耐熱鋼和高合金耐熱鋼中都 獲得了廣泛的應用，提高了鋼的熱強性。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊 需求，本發明將合金材料中化含量規定為0.2%~0.5%，優選為0.70%。
[0018] Nb: 0.20%~0.50%，妮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但 塑性和初性有所下降。在普通低合金鋼中加妮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氨、氮、氨腐 蝕能力。妮可改善焊接性能。在奧氏體不誘鋼中加妮，可防止晶間腐蝕現象。為適應海洋條 件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將材料中Nb含量規定為0.20%~0.50%，優選 為 0.20〇/〇。
[0019] 化:0.7%~1.2%，銅能提高合金的強度和初性，特別是大氣腐蝕性能。為適應海洋條 件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將化含量規定為0.7%~1.2%，優選為1.0%。
[0020] Ge:0.7%~1.2%，錯一般可W與娃、金、鐵、銅等合成合金材料。錯晶體里的原子排列 與金剛石一樣，因此物理特性呈現硬而且脆的特征，可W增加合金的硬度；由于易碎、易剝 落，因此工業中有采用把錯與銅、銀合成合金材料的工藝，W解決錯的不足。為適應海洋條 件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將材料中Ge含量規定為0.7%~1.2%，優選為 0.7%〇
[0021 ] RE: 0.40%~1.0%，稀±元素加入合金中，能夠提高合金材料的機械強度和抗腐蝕 性，使合金烙鑄時增加成分過冷，細化晶粒，減少二次晶間距，減少合金中的氣體和夾雜，并 使夾雜相趨于球化。還可降低烙體表面張力，增加流動性，有利于誘注成錠，對工藝性能有 著明顯的影響;稀±金屬還能消除磁場及復雜的水文環境對海洋鉆井平臺壓載系統的不良 影響，從而提高了海洋鉆井平臺的使用壽命；同時在承力相同的條件下，明顯減輕結構件重 量。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓載系統的特殊需求，本發明將材料中RE含量規定為 0.40%~1.0%，包括，Sc: 0.2%~0.5%，Eu: 0.20%~0.50%;優選為Sc: 0.30%，Eu: 0.40%。在本發明 中使用的稀±金屬含量較少，但是能夠起到很好的消磁和增加合金強度、耐磨性的作用，有 利于降低成本。
[0022] 本發明的另一個目的，在于一種海洋鉆井平臺壓載系統用合金材料的制備方法， 包括W下制作步驟： 步驟A、將待烙煉的Fe、Mn、吐、Ni、Ti、Ta、Nb、Cu、RE按照材料成分比例，加入水冷銅相 蝸的真空室內，抽真空，在燒結溫度為850°C~880°C條件下烙融； 步驟B、在金屬烙融的條件下按照材料成分比例加入(：、？、5、66、51，并保溫2〇111111~ 50min，攬拌均勻； 步驟C、將烙融金屬冷卻至室溫得到海洋鉆井平臺壓載系統用結構材料社制板粗巧； 步驟D、將烙煉金屬粗巧在常壓惰性氣體條件下回火保溫20min~50min，冷卻至室溫得 到海洋鉆井平臺壓載系統用結構材料社制板成品。
[0023] 進一步的，步驟A中，燒結的溫度為850°C~860°C時，RE的組成為Sc或Eu。進一步的， 所述的一種海洋鉆井平臺壓載系統用材料的制備方法，所述燒結的溫度為860°C~880°C時， RE的組成為Sc和化。
[0024] 進一步的，步驟C中，烙融金屬冷卻速率為50°C/min~80°C/min。
[0025] 進一步的，步驟D中，烙煉金屬粗巧回火的溫度為600°C。
[0026] 進一步的，步驟D中，烙煉金屬粗巧回火后的降溫速率為50°C/min~80°C/min。
[0027] 進一步的，步驟D中，惰性氣體為氮氣。
[002引 本發明的優點是： 本發明所提供的海洋鉆井平臺壓載系統用合金材料成品，制備的材料抗磁性能優良， 抗海水腐蝕、耐壓、硬度大、不易形變。
【具體實施方