一種海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料及其制作方法
【專利摘要】本發明提供一種海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料及其制備方法，所述合金材料的原料成分為：C、Mn、S、P、As、Al、Zr、Zn、Co、Si、Cr、W、Cu、Nb、Pr、Ce，其余為Fe；在真空、950℃~970℃條件下燒結金屬原料、非金屬原料，在惰性氣體加壓條件下冷卻至630℃回火，再升溫至950℃退火，最后降溫得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用材料成品。本發明制備的產品具有良好的防銹、耐壓、不易變形的性能。
【專利說明】
一種海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料及其制作方法
技術領域
[0001] 本發明屬于鐵基合金領域，具體涉及一種海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料 及其制作方法。
【背景技術】
[0002] 我國擁有面積遼闊的海洋資源，中大陸海岸線長達18000公里，大陸架面積將近 110萬平方公里，管轄海域有300萬平方公里。海洋蘊藏著極其豐富的資源，我國渤海、黃海、 東海和南中國海都有大面積的沉積盆地，石油資源達400億噸以上，天然氣千萬億立方米之 多。在我國發展計劃中，石油的增量全部靠海上，2005年達4000噸，2010年將達5000萬噸。我 國深水油氣田開發發展速度較慢，深水鉆井裝備是制約我國石油公司進軍深海的主要瓶 頸。要加速發展我國深水油氣田的開發，就必須充分吸收和消化國外深水海洋鉆井平臺關 鍵技術，借鑒海洋鉆井平臺設計、制造等方面國外成功的經驗，在此基礎上研制適應我國深 水油氣田環境的海洋鉆井平臺。
[0003] 壓縮空氣在海洋鉆井平臺上有很多用途，比如，氣動隔膜栗需要空氣驅動，汽笛， 海底門清潔，各種氣動閥門，防火風閘，散裝粉塵系統，平臺上面需要壓縮空氣的一備等。空 氣經壓縮以后溫度很升高，冷卻后里面的水蒸氣會凝結，經過空氣壓縮機之后會攜帶油份。 所以需各級處理，處理上述的雜質，得到比較潔凈的壓縮空氣，以適應各種設備的要求。特 別是用于儀表和控制系統的壓縮空氣，對空氣的質量要求很高。系統的原理很簡單，和起動 空氣系統相似，不同的是，用途不一樣而已。壓縮空氣瓶里的空氣被分配到各個需要它的地 方。因此，壓縮空氣系統的材料對于海洋鉆井平臺而言十分重要;但是，在海洋鉆井平臺這 一仍在不斷完善的技術中，海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的材料在很大程度上處于摸索和不 斷試驗階段，如何選擇和制造良好的防銹、耐壓、不易變形的壓縮空氣系統材料，是當前一 個急需解決的問題。
【發明內容】
[0004] 為了克服上述不足，本發明的目的在于提供一種海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合 金材料及其制備方法，綜合考慮各成分的成本，優化各成分之間的比例，找到性價比最高的 材料組方，加入稀土金屬，能夠有效地解決上述問題。
[0005] 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縮空氣系統用合金材料，所述合金材料的原料成分及其質量百分 比為：C: 0 · 20%~0 · 30%，Μη: 0 · 40%~0 · 70%，S: 0 · 40%~0 · 70%，P: 0 · 03%~0 · 04%，As: 0 · 03%~0 · 04%， A1：0.40%~0.70%,Zr：0.60%~1.0%,Zn：0.90%~1.20%,Co：0.90%~1.20%, Si：0.40%~0.70%,Cr： 0 · 50%~0 · 90%，W:0 · 90%~1 · 20%，Cu: 0 · 90%~1 · 20%，Nb:0 · 5%~0 · 90%，，RE:0 · 20%~0 · 90%，其余為 Fe〇
[0006] 進一步的，RE 包括，Pr: 0 · 10%~0 · 45%，Ce: 0 · 10%~0 · 45%。
[0007] 進一步的，原料成分及其質量百分比為：C: 0.20%，Μη: 0.60%，S: 0.040%，P: 0.03%， As：0.03%,Al：0.470%,Zr：0.60%,Zn：0.92%,Co：0.92%,Si：0.47%,Cr：0.59%,ff：0.92%,Cu： 0.92%，他：0.59%，卩〇0.15%，〇6:0.14%，其余為卩6。
[0008] 以下，對本發明中采用的合金的成分組成的限定理由進行說明，成分組成中涉及 的%指質量％。
[0009] C:0.20%~0.30%，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、 韌性也會隨之降低;反之，含碳量越低，鋼的塑性、韌性越高，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縮空氣系統用材料中C含量規定 為0 · 20%~0 · 30%，優選為0 · 20%。
[0010] Μη: 0.40%~0.70%，Μη是一種弱脫氧劑合金中添加 Μη，不但有利于合金的抗蝕性，而 且還能使合金的強度提高，并能降低熱裂紋傾向，改善合金的抗腐蝕性能和焊接性能。隨著 Μη含量增加，合金強度有所提高，為適應海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的具體實際的特殊需 求，本發明將Μη含量規定為0.40%~0.70%，優選為0.60%。
[0011] Ρ:0.03%~0.04%，Ρ可提高強度，但嚴重降低塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性，尤 其低溫時發生冷脆，含量需嚴格控制，一般不超過0.050%，焊接結構中不超過0.045%，考慮 到航海作業的具體實際，本發明將Ρ含量規定為〇. 03%~0.04%，優選為0.03%。
[0012] S: 0.03%~0.04%，S可引起合金熱脆，降低合金的塑性、沖擊韌性、疲勞強度等，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，使鑄件產生氣孔、難于切削并降低其韌性，因此將S規定為 0 · 03%~0 · 04%，優選為 0 · 04%。
[0013] As: 0.03%~0.04%，As可提高強度，但嚴重降低塑性、沖擊韌性、7令彎性能和可焊性， 尤其低溫時發生冷脆，含量需嚴格控制，增加回火脆性敏感性。為適應海洋條件及海洋鉆井 平臺壓縮空氣系統的特殊需求，本發明將合金材料中As含量規定為0.03%~0.04%，優選為 0.03%〇
[0014] A1:0.40%~0.70%，A1在煉鋼中起良好的脫氧作用，鋼中加入少量的A1，能細化鋼的 晶粒，提尚鋼的強度，提尚沖擊初性，提尚鋼的抗氧化性能，提尚不鎊鋼對強氧化性酸類的 耐蝕能力。A1還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮 性能和耐高溫腐蝕的能力。為適應航海氣候條件及作業要求效果，本發明將A1含量規定為 0 · 40%~0 · 70%，優選為 0 · 47%。
[0015] Zr:0.60%~1.0%，Zr縮小縮小γ相區，形成γ相圈，在α鐵以及γ鐵中的最大溶解度 分別為〇. 3%和0.7%強碳化物以及氮化物形成元素，其作用僅次于鈦。為適應航海氣候條件 及作業要求效果，本發明將Zr含量規定為0.60%~1.0%，優選為0.60%。
[0016] Zn: 0.90%~1.20%，Zn在合金中能提高流動性，增加熱脆性，降低耐蝕性，故應控制 鋅的含量在規定范圍中。含鋅量很高的合金卻具有較好的鑄造性能和機械性能，切削加工 也比較好，為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的特殊需求，本發明將合金材料 中Zn含量規定為0.90%~1.20%，優選為0.92%。
[0017] Co: 0.90%~1.20%，Co可以提高和改善鋼的高溫性能，增加其抗硬性，提高合金的抗 氧化性和耐蝕性能，為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的特殊需求，本發明將 材料中Co含量規定為0.90%~1.20%，優選為0.92%。
[0018] Si : 0.40%~0.70%，硅是大多數壓鑄鋁合金的主要元素。它能改善合金的鑄造性能。 硅與鋁能組成固溶體。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性，硅與鋁形成共晶體，可提高 合金的高溫造型性，減少收縮率，無熱裂傾向。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓縮空氣系 統的特殊需求，本發明將Si含量規定為0.40%~0.70%，優選為0.47%。
[0019] Cr: 0.50%~0.90%，鉻可以在鋁中形成金屬間化合物，阻礙再結晶的形核和長大過 程，對合金有一定的強化作用，還能改善合金韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性。但會場增加 淬火敏感性，使陽極氧化膜呈黃色，本發明將合金材質中Cr含量規定為0.50%~0.90%，優選 為0.59%。
[0020] W:0.90%~1.20%，鎢熔點高，比重大，是貴重的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高 的硬度和耐磨性。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的特殊需求，本發明將合 金材料中W含量規定為0.90%~1.20%，優選為0.92%。
[0021 ] Cu: 0.90%~1.20%，銅能提高鋼材合金的強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。為適應 海洋條件及海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的特殊需求，本發明將材質中Cu含量規定為0.90%~ 1.20%，優選為 0.92%。
[0022] Nb: 0.50%~0.90%，Nb能顯著提高鋼的淬透性，細化晶粒并降低鋼的淬透性。增加鋼 的回火穩定性，有二次硬化作用。微量Ta可在不影響鋼的塑性或韌性的情況下，提高鋼的強 度。為適應海洋條件及海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的特殊需求，本發明將材質中Cu含量規 定為 0 · 50%~0 · 90%，優選為 0 · 59%。
[0023] RE: 0.20%~0.90%，稀土元素加入合金中，能夠提高合金材料的機械強度和抗腐蝕 性，使合金熔鑄時增加成分過冷，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。還可降低熔體表面張力，增加流動性，有利于澆注成錠，對工藝性能有 著明顯的影響;稀土金屬還能消除磁場及復雜的水文環境對海洋鉆井平臺壓縮空氣系統的 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縮空氣系統的特殊需求，本發明將材料中RE含 量規定為〇 · 20%~0 · 90%，包括，Ce : 0 · 10%~0 · 45%，Pr: 0 · 10%~0 · 45%;優選為Ce : 0 · 20%，Pr: 0.20%。在本發明中使用的稀土金屬含量較少，但是能夠起到很好的消磁和增加材料強度、 耐磨性的作用，有利于降低成本。
[0024]本發明的另一個目的，在于提供一種海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料的制 作方法，制作步驟如下： 步驟SO 1、將待熔煉的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、RE單質按照材料成分比例，加入水 冷銅坩堝的真空室內，抽真空，在燒結溫度為950°0970°(：條件下熔融； 步驟S02、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、S、P、As、Si單質，攪拌均勻，并 保溫，15min~40min; 步驟S03、在惰性氣體加壓條件下降溫至630°C回火，保溫15min~40min，再升溫至950°C 退火，保溫15min~40min，最后降溫至室溫，得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成 品。
[0025] 進一步的，步驟SO 1中，燒結的溫度為950 °〇960 °C時，RE的組成為Ce。
[0026] 進一步的，步驟S01中，燒結的溫度為960°0970°C時，RE的組成為Ce和Pr。
[0027]更進一步的，步驟S03具體為： a、 在氦氣或氪氣氣氛下，在壓力為35MPa~45MPa的加壓條件下以35 °C/min~45 °C/min的 速率降溫至630°C回火，保溫15min~40min; b、 再以35°C/min~45°C/min的速率升溫至950°C退火，保溫15min~40min; c、 最后降溫至室溫，得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成品。
[0028]本發明的優點是： 本發明所提供的海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成品，制備的材料具有良好的 防銹、耐壓、不易變形的性能。
【具體實施方式】
[0029]以下給出本發明的具體實施例，用來對本發明作進一步詳細說明。
[0030] 實施例1 原料組分： C：0.20%,Μη：0.60%,S：0.04%,Ρ：0.03%,As：0.03%,A1：0.470%,Zr：0.60%,Zn：0.92%,Co： 0.92%，51:0.47%，0:0.59%，￥:0.92%，〇1 :0.92%，他：0.59%，卩〇0.15%，〇6:0.14%，其余為卩6。
[0031] 通過如下方法制備： 步驟S01、將待熔煉的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce、Pr單質按照材料成分比例，加 入水冷銅坩堝的真空室內，抽真空，在燒結溫度為965°C條件下熔融； 步驟S 0 2、在金屬熔融的條件按照材料成分比例下加入C、S、P、A s、S i單質，并保溫 26min，攪拌均勾； 步驟S03、在氦氣加壓37MPa條件下，以44°C/min的降溫速率冷卻至650°C，保溫26min， 再以44°C/min的升溫速率升溫至950°C保溫26min退火，最后以44°C/min的降溫速率降至室 溫得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成品。
[0032] 實施例2 原料組分： C：0.20%,Μη：0.40%,S：0.03%,Ρ：0.03%,As：0.03%,A1：0.40%,Zr：0.60%,Zn：0.90%,Co： 0 · 90%，Si : 0 · 40%，Cr: 0 · 50%，W: 0 · 90%，Cu: 0 · 90%，Nb: 0 · 50%，Ce: 0 · 20 %，其余為Fe。
[0033] 通過如下方法制備： 步驟SO 1、將待熔煉的Fe、Mn、A1、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce單質按照材料成分比例，加入水 冷銅坩堝的真空室內，抽真空，在燒結溫度為950°C條件下熔融； 步驟S 0 2、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、S、P、A s、S i單質，并保溫 15min，攪拌均勾； 步驟S03、在氦氣加壓35MPa條件下，以35°C/min的降溫速率冷卻至650°C，保溫15min， 再以35°C/min的升溫速率升溫至950°C保溫15min退火，最后以35°C/min的降溫速率降至室 溫得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成品。
[0034] 實施例3 原料組分： C：0.30%,Mn：0.70%,S：0.04%,P：0.04%,As：0.04%,A1：0.40%,Zr：1.0%,Zn：1.20%,Co： 1 · 20%，Si : 0 · 70%，Cr: 0 · 90%，W: 1 · 20%，Cu: 1 · 20%，Nb: 0 · 90%，Ce: 0 · 45%，Pr: 0 · 45%，其余為Fe。
[0035] 通過如下方法制備： 步驟S01、將待熔煉的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce、Pr單質按照材料成分比例，加 入水冷銅坩堝的真空室內，抽真空，在燒結溫度為970°C條件下熔融； 步驟S 0 2、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、S、P、A s、S i單質，并保溫 40min，攪拌均勾； 步驟S03、在氪氣加壓45MPa條件下，以45°C/min的降溫速率冷卻至650°C，保溫40min， 再以45°C/min的升溫速率升溫至950°C保溫40min退火，最后以45°C/min的降溫速率降至室 溫得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成品。
[0036] 實施例4 原料組分： C：0.30%,Mn：0.70%,S：0.04%,P：0.04%,As：0.04%,A1：0.40%,Zr：1.0%,Zn：1.20%,Co： 1 · 20%，Si : 0 · 70%，Cr: 0 · 90%，W: 1 · 20%，Cu: 1 · 20%，Nb: 0 · 90%，Ce: 0 · 45%，Pr: 0 · 45%，其余為Fe。
[0037] 通過如下方法制備： 步驟S01、將待熔煉的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、Ce、Pr單質按照材料成分比例，加 入水冷銅坩堝的真空室內，抽真空，在燒結溫度為970°C條件下熔融； 步驟S 0 2、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、S、P、A s、S i單質，并保溫 40min，攪拌均勾； 步驟S03、在氪氣加壓45MPa條件下，以45°C/min的降溫速率冷卻至650°C，保溫40min， 再以45°C/min的升溫速率升溫至950°C保溫40min退火，最后以45°C/min的降溫速率降至室 溫得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成品。
[0038] 實驗例1 抗磨性對比試驗： 本發明實施例1~4所制的海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料與普通壓縮空氣系統 用合金材料在射流式沖刷腐蝕磨損試驗機上做漿料(石英砂+水)濕磨試驗，并作材料的抗 腐蝕試驗，性能見表1。
[0039]表1抗磨性及硬度對比試驗結果
實驗例2 將本發明實施例卜4所制的海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料與普通壓縮空氣系 統用材料相比較，其性能結果如下表2。
[0040] 表2性能比較
由上述試驗例可見，本發明合金材料的各項性能均高于普通壓縮空氣系統用合金材 料，制備本發明合金的特殊材料用量少，相對成本低，更加適合用于海洋鉆井平臺壓縮空氣 系統用合金材料。
[0041]以上僅為本發明的優選實施例及實驗例而已，并不用于限制本發明，對于本領域 的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任 何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料，其特征在于，所述合金材料的原料成 分及其質量百分比為：C: O · 20%~O · 30%，Mn: O · 40%~O · 70%，S: O · 03%~O · 04%，P: O · 03%~O · 04%， As：0.03%~0.04%,Al：0.40%~0.70%,Zr：0.60%~1.0%,Zn：0.90%~1.20%,Co：0.90%~1.20%,Si： 0.40%~0.70%, Cr：0.5%~0.90%,W：0.90%~1.20%, Cu：0.90%~1.20%,Nb：0.5%~0.90%, RE：0.20% ~0.90%，其余為Fe。2. 根據權利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述RE包括，Pr: 0.10%~0.45%，Ce : 0.10%~0.45%〇3. 根據權利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述原料成分及其質量百分比為:C: 0.20%,Mn：0.60%,S：0.040%,P：0.03%,As：0.03%,Al：0.47%,Zr：0.60%,Zn：0.92%,Co：0.92%, 51 :0.47%，0:0.59%，￥:0.92%，〇1:0.92%，他 ：0.59%，卩〇0.15%，〇6:0.14%，其余為卩6。4. 一種根據權利要求1~3任一項所述合金材料的制備方法，其特征在于，制作步驟如 下： 步驟SO 1、將待熔煉的Fe、Mn、Al、Zr、Zn、Co、Cr、W、Cu、RE單質按照材料成分比例，加入水 冷銅坩堝的真空室內，抽真空，在燒結溫度為950°0970°(：條件下熔融； 步驟S02、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、S、P、As、Si單質，攪拌均勻，并 保溫，15min~40min; 步驟S03、在惰性氣體加壓條件下降溫至630 °C回火，保溫15min~40min，再升溫至950 °C 退火，保溫15min~40min，最后降溫至室溫，得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成 品。5. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟SOl中，所述燒結的溫度為950°〇 960 °C時，RE的組成為Ce。6. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟SOl中，所述燒結的溫度為960°〇 970 °C時，RE的組成為Ce和Pr。7. 根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S03具體為： a、 在氦氣或氪氣氣氛下，在壓力為35MPa~45MPa的加壓條件下以35°C/min~45°C/min的 速率降溫至630°C回火，保溫15min~40min; b、 再以35°C/min~45°C/min的速率升溫至950°C退火，保溫15min~40min; c、 最后降溫至室溫，得到海洋鉆井平臺壓縮空氣系統用合金材料成品。
【文檔編號】C22C38/04GK105886905SQ201610442954
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】侯芬芳
【申請人】泉州市惠安閩投商貿有限公司