一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法與流程
2023-05-24 09:32:21
本發明屬於鐵基合金領域，具體涉及一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法。
背景技術：
：近年來，我國海洋石油裝備開發工作發生了重大變化，海洋裝備無論從大型平臺開發建設，還是從鑽井配套裝備研發來說，發展勢頭均非常迅猛，並在世界海洋油氣裝備發展格局中開始佔據重要位置。我國正在逐步加大海洋石油勘探開發力度，需要大量相應的高端技術裝備，必須增強實施國產化的信心與決心，加快主要裝備的自主研發進度，加速提升裝備業整體技術水平。國家正在實施走出去向深海要石油的戰略，相應地需要大量的鑽井裝備，實現相應裝備的國產化是實施走出去向深海要石油的物質技術基礎。國內製造企業在陸地鑽井裝備方面發展迅速，已覆蓋1000m～12000m全系列井深的各種鑽井裝備。絞車、鑽井泵、轉盤、頂驅等常規陸地鑽井裝備的性能與國外相差不大，也得到了國際用戶的認可。要將上述設備配套在海洋平臺上，就必須對這些設備進行更深層次的改進開發，以滿足海洋尤其是深海環境要求。海洋鑽井平臺的甲板是海洋鑽井平臺的一個重要的系統，甲板是海洋鑽井平臺的重要構件，是結構中位於內底板以上的平面結構，用於封蓋船內空間，並將其水平分隔成層。甲板是船梁上的鋼板，將船體分隔成上、中、下層。甲板是由板與骨架構成，對保證海洋鑽井平臺強度及不沉性有重要作用，而且提供了布置各種艙室、安置裝備和機械設備的面積。因此，甲板的材料對於海洋鑽井平臺而言十分重要。但是，在海洋鑽井平臺這一仍在不斷完善的技術中，海洋鑽井平臺甲板的材料在很大程度上處於摸索和不斷試驗階段，如何選擇和製造良好的防鏽、耐壓、不易變形的甲板材料，是當前一個急需解決的問題。技術實現要素：為了克服上述不足，本發明的目的在於提供一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法，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。為了解決上述技術問題，本發明採取如下的技術方案：一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法，製作步驟如下：步驟S01、準備原料，原料成分及其質量百分比為：C：0.05％～0.10％，Mn：1.0％～2.0％，S：0.03％～0.04％，P：0.03％～0.04％，Ti：8.0％～11.0％，Mo：0.40％～1.0％，Ni：8.0％～11.0％，B：0.60％～1.50％，Ca：0.60％～1.50％，Ba：1.30％～1.70％，Li：0.60％～1.50％，Sb：0.30％～0.40％，Si：0.60％～1.50％，Cr：18.0％～21.0％，Nb：0.60％～1.50％，Al：1.90％～2.20％，RE：0.20％～0.90％，其餘為Fe。步驟S02、將Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Li、Sb、Cr、Nb、Al、RE單質按照材料成分比例，加入剛玉坩堝的真空室內，抽真空，升溫至850℃～880℃的溫度條件下將各金屬單質混合旋轉熔融；步驟S03、在金屬熔融的條件下，按照材料成分比例向金屬熔融液中加入C、S、P、B、Si單質，混合旋轉2～4h，並保溫50min～60min，融合均勻；步驟S04、在氮氣或氙氣氣體加壓條件下降溫至600℃回火，保溫50min～60min，再升溫至950℃退火，保溫50min～60min，最後降溫至室溫，得到海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料成品。進一步的，步驟S01中，RE包括：Pr：0.10％～0.45％，Tb：0.10％～0.45％。進一步的，步驟S01中，原料成分及其質量百分比為：C：0.08％，Mn：1.20％，S：0.03％，P：0.04％，Ni：8.10％，Ti：8.10％，Mo：0.50％，B：0.60％，Ca：0.80％，Ba：1.60％，Li：0.90％，Sb：0.34％，Si：1.50％，Cr：20.0％，Nb：1.0％，Al：2.0％，Pr：0.35％，Tb：0.35％，其餘為Fe。進一步的，步驟S02中，燒結的溫度為850℃～860℃時，RE的組成為Pr。進一步的，步驟S02中，燒結的溫度為860℃～880℃時，RE的組成為Pr和Tb。進一步的，步驟S03中，旋轉的轉速為7000r/min～12000r/min。進一步的，步驟S04具體為：a、在氬氣或氙氣氣氛保護下，加壓條件下以45℃/min～60℃/min的降溫速率降溫至650℃回火，保溫45min～60min；b、再以50℃/min～60℃/min的升溫速率升溫至950℃退火，保溫45min～60min；c、最後以50℃/min～60℃/min的降溫速率降溫至室溫，得到海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料成品。進一步的，a中，加壓的條件為50MPa～60MPa。以下，對本發明中採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％。C：0.05％～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、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，本發明將海洋鑽井平臺甲板用材料中C含量規定為0.05％～0.10％，優選為0.08％。Mn：1.0％～2.0％，Mn是一種弱脫氧劑合金中添加Mn，不但有利於合金的抗蝕性，而且還能使合金的強度提高，並能降低熱裂紋傾向，改善合金的抗腐蝕性能和焊接性能。隨著Mn含量增加，合金強度有所提高，為適應海洋鑽井平臺甲板的具體實際的特殊需求，本發明將Mn含量規定為1.0％～2.0％，優選為1.20％。P：0.03％～0.04％，P可提高強度，但嚴重降低塑性、衝擊韌性、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P含量規定為0.03％～0.04％，優選為0.04％。S：0.03％～0.04％，S可引起合金熱脆，降低合金的塑性、衝擊韌性、疲勞強度等，一定量的S與Mn在鋼材中形成MnS，有助於提高切削性的元素。在低於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、難於切削並降低其韌性，因此將S規定為0.03％～0.04％，優選為0.03％。Ni：8.0％～11.0％，鎳在合金中能提高合金的強度和硬度，降低耐蝕性。鎳與鐵的作用一樣，能減少合金對模具的熔蝕，同時又能中和鐵的有害影響，提高合金的焊接性能。為適應海洋條件及海洋鑽井平臺甲板的特殊需求，本發明將材質中Ni含量規定為8.0％～11.0％，優選為8.10％。Ti：8.0％～11.0％，Ti是合金中常用的添加元素，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。考慮到航海的具體實際，為適應航海氣候條件及作業要求效果，本發明將Ti含量規定為8.0％～11.0％，優選為8.10％。Mo：0.40％～1.0％，低含量的Mo能強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度，降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，提高鋼的耐熱性和高溫強度，為適應海洋鑽井平臺甲板的具體實際的特殊需求，本發明將材質中Mo含量規定為0.40％～1.0％，優選為0.50％。B：0.60％～1.50％，微量硼在晶界上阻抑鐵素體晶核的形成，從而延長奧氏體的孕育期，提高鋼的淬透性。但隨鋼中碳含量的增加，此種作用逐漸減弱以至完全消失。考慮到航海作業的具體實際，本發明將B含量規定為0.60％～1.50％，優選為0.60％。Ca：0.60％～1.50％，Ca可用於合金的脫氧劑、油類的脫水劑、冶金的還原劑、鐵和鐵合金的脫硫與脫碳劑等，為適應海洋鑽井平臺甲板的具體實際的特殊需求，本發明將材質中Ca含量規定為0.60％～1.50％，優選為0.80％。Ba：1.30％～1.70％，Ba存在時降低Ca蒸氣壓的作用非常明顯，而且Ba元素本身也是僅次於Ca的強脫氧劑。為適應海洋鑽井平臺甲板的具體實際的特殊需求，本發明將材質中Ba含量規定為1.30％～1.70％，優選為1.60％。Li：0.60％～1.50％，在冶金工業中用來作脫氧劑或脫氯劑，利用鋰同氧、氮和二氧化碳均能反應的特性，來消除金屬裡的氣泡。為適應海洋鑽井平臺甲板的具體實際的特殊需求，本發明將材質中Li含量規定為0.60％～1.50％，優選為0.90％。Sb：0.30％～0.40％，在鋼中加入一定量的銻，會不同程度的提高鋼的抗腐蝕能力及耐磨性。為適應海洋鑽井平臺甲板的具體實際的特殊需求，本發明將合金材料中Sb含量規定為0.30％～0.40％，優選為0.34％。Si：0.60％～1.50％，矽是大多數壓鑄合金的主要元素。它能改善合金的鑄造性能。矽合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性，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鑽井平臺甲板的特殊需求，本發明將材料中Si含量規定為0.60％～1.50％，優選為1.50％。Cr：18.0％～21.0％，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18.0％～21.0％，優選為20.0％。Nb：0.60％～1.50％，Nb能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加Nb，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。Nb可改善焊接性能。在奧氏體不鏽鋼中加Nb可防止晶間腐蝕現象。本發明將材料中Nb含量規定為0.60％～1.50％，優選為1.0％。Al：1.90％～2.20％，Al在煉鋼中起良好的脫氧作用，鋼中加入少量的Al，能細化鋼的晶粒，提高鋼的強度，提高衝擊韌性，提高鋼的抗氧化性能，提高不鏽鋼對強氧化性酸類的耐蝕能力。Al還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、矽合用，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Al含量規定為1.90％～2.20％，優選為2.0％。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，並使夾雜相趨於球化。還可降低熔體表面張力，增加流動性，有利於澆注成錠，對工藝性能有著明顯的影響；稀土金屬還能消除磁場及複雜的水文環境對海洋鑽井平臺甲板的不良影響，從而提高了海洋鑽井平臺的使用壽命；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鑽井平臺甲板的特殊需求，本發明將材料中RE含量規定為0.20％～0.90％，包括，Pr：0.10％～0.45％，Tb：0.10％～0.45％；優選為Pr：0.35％，Tb：0.35％。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，有利於降低成本。本發明的優點是：本發明所提供的海洋鑽井平臺甲板用合金材料成品，製備的材料具有良好的防鏽、耐壓、不易變形的性能。具體實施方式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。實施例1一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法製作步驟如下：步驟S01、準備原料，原料成分及其質量百分比為：C：0.08％，Mn：1.20％，S：0.03％，P：0.04％，Ni：8.10％，Ti：8.10％，Mo：0.50％，B：0.60％，Ca：0.80％，Ba：1.60％，Li：0.90％，Sb：0.34％，Si：1.50％，Cr：20.0％，Nb：1.0％，Al：2.0％，Pr：0.35％，Tb：0.35％，其餘為Fe。步驟S02、將Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr、Tb單質按照材料成分比例，加入剛玉坩堝的真空室內，抽真空，升溫至865℃的溫度條件下將各金屬單質混合旋轉熔融。步驟S03、在金屬熔融的條件下，按照材料成分比例向金屬熔融液中加入C、P、S、B、Si單質，混合旋轉2h，並保溫56min，融合均勻；其中旋轉的轉速為7000r/min。步驟S04、在氮氣氣氛保護下，加壓條件下以54℃/min的降溫速率降溫至600℃回火，保溫56min；再以54℃/min的升溫速率升溫至850℃退火，保溫56min；最後以54℃/min的降溫速率降溫至室溫，得到海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料成品。其中加壓的條件為57MPa。實施例2一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法製作步驟如下：步驟S01、準備原料，原料成分及其質量百分比為：C：0.05％，Mn：1.0％，S：0.03％，P：0.03％，Ti：8.0％，Mo：0.40％，Ni：8.0％，B：0.60％，Ca：0.60％，Ba：1.30％，Li：0.60％，Sb：0.30％，Si：0.60％，Cr：18.0％，Nb：0.60％，Al：1.90％，Pr：0.20％，其餘為Fe。步驟S02、將Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr單質按照材料成分比例，加入剛玉坩堝的真空室內，抽真空，升溫至850℃的溫度條件下將各金屬單質混合旋轉熔融。步驟S03、在金屬熔融的條件下，按照材料成分比例向金屬熔融液中加入C、P、S、B、Si單質，混合旋轉4h，並保溫50min，融合均勻；其中旋轉的轉速為12000r/min。步驟S04、在氮氣氣氛保護下，加壓條件下以50℃/min的降溫速率降溫至600℃回火，保溫50min；再以50℃/min的升溫速率升溫至850℃退火，保溫50min；最後以50℃/min的降溫速率降溫至室溫，得到海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料成品。其中加壓的條件為50MPa。實施例3一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法製作步驟如下：步驟S01、準備原料，原料成分及其質量百分比為：C：0.10％，Mn：2.0％，S：0.04％，P：0.04％，Ti：11.0％，Mo：1.0％，Ni：11.0％，B：1.50％，Ca：1.50％，Ba：1.70％，Li：1.50％，Sb：0.40％，Si：1.50％，Cr：21.0％，Nb：1.50％，Al：2.20％，Pr：0.45％，Tb：0.45％，其餘為Fe。步驟S02、將Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr、Tb單質按照材料成分比例，加入剛玉坩堝的真空室內，抽真空，升溫至880℃的溫度條件下將各金屬單質混合旋轉熔融。步驟S03、在金屬熔融的條件下，按照材料成分比例向金屬熔融液中加入C、P、S、B、Si單質，混合旋轉3h，並保溫60min，融合均勻。其中旋轉的轉速為10500r/min。步驟S04、在氙氣氣氛保護下，加壓條件下以60℃/min的降溫速率降溫至600℃回火，保溫60min；再以60℃/min的升溫速率升溫至850℃退火，保溫60min；最後以60℃/min的降溫速率降溫至室溫，得到海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料成品。其中加壓的條件為60MPa。實施例4一種海洋鑽井平臺甲板用合金材料的製備方法製作步驟如下：步驟S01、準備原料，原料成分及其質量百分比為：C：0.75％，Mn：1.50％，S：0.035％，P：0.035％，Ti：9.50％，Mo：0.70％，Ni：9.50％，B：1.05％，Ca：1.05％，Ba：1.50％，Li：1.05％，Sb：0.35％，Si：1.05％，Cr：19.50％，Nb：1.05％，Al：2.05％，Pr：0.28％，Tb：0.28％，其餘為Fe。步驟S02、將Fe、Mn、Ni、Ti、Mo、Ca、Ba、Le、Sb、Cr、Nb、Al、Pr、Tb單質按照材料成分比例，加入剛玉坩堝的真空室內，抽真空，升溫至865℃的溫度條件下將各金屬單質混合旋轉熔融。步驟S03、在金屬熔融的條件下，按照材料成分比例向金屬熔融液中加入C、P、S、B、Si單質，混合旋轉3.5h，並保溫55min，融合均勻。其中旋轉的轉速為11000r/min。步驟S04、在氙氣氣氛保護下，加壓條件下以55℃/min的降溫速率降溫至600℃回火，保溫60min；再以55℃/min的升溫速率升溫至850℃退火，保溫55min；最後以55℃/min的降溫速率降溫至室溫，得到海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料成品。其中加壓的條件為55MPa。實驗例1抗磨性對比試驗：本發明實施例1～4製備得到的海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料與普通甲板用合金材料在射流式衝刷腐蝕磨損試驗機上做漿料(石英砂+水)溼磨試驗，並作材料的抗腐蝕試驗，性能見表1。表1抗磨性及硬度對比試驗結果材料抗腐蝕倍率溼磨抗磨倍率硬度(HB)普通甲板材料1.01.0140實施例1所制合金材料2.181.58189實施例2所制合金材料2.151.58187實施例3所制合金材料2.121.56185實施例4所制合金材料2.131.57184實驗例2將本發明實施例1～4製備得到的海洋鑽井平臺泥漿供給系統用合金材料與普通甲板用材料相比較，其性能結果如下表2。表2基本金屬特性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於普通甲板用合金材料，製備本發明合金的特殊材料用量少，相對成本低，更加適合用於海洋鑽井平臺甲板用合金材料。以上僅為本發明的優選實施例及實驗例而已，並不用於限制本發明，對於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範圍之內。當前第1頁1 2 3