本發(fā)明屬于鐵基合金領(lǐng)域，具體涉及一種海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
據(jù)國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來(lái)世界油氣總儲(chǔ)量的44％將來(lái)自海洋。海洋石油資源潛力巨大，已成為世界各大石油公司競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。我國(guó)自20世紀(jì)60年代開始海洋油氣自營(yíng)勘探開發(fā)，經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)油氣勘探開發(fā)企業(yè)已具備了海洋油氣田自主開發(fā)能力，國(guó)內(nèi)裝備企業(yè)已經(jīng)具有全面自主設(shè)計(jì)和建造淺海鉆井、采油平臺(tái)的能力，具備深水鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)建造能力。立足于近海大陸架、積極拓展深水領(lǐng)域是我國(guó)未來(lái)海洋油氣勘探開發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我國(guó)必須加快技術(shù)創(chuàng)新，縮短與世界先進(jìn)水平的差距。
海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)是海洋鉆進(jìn)平臺(tái)系統(tǒng)的重要組成部分，燃油系統(tǒng)在平臺(tái)上，船用柴油和陸地上的普通的柴油不太一樣，它的分子鏈相對(duì)較長(zhǎng)。燃油系統(tǒng)需要有幾個(gè)大容積的艙來(lái)裝足夠柴油機(jī)燃燒的柴油，每天的耗油量約100噸。燃油可以通過(guò)重力的方式進(jìn)入主機(jī)的噴油嘴，在高壓下高速進(jìn)入汽缸，發(fā)火燃燒。多余的油返回管線或則油艙。在高速的旋轉(zhuǎn)下，離心力把不同比重的物質(zhì)分離開來(lái)。調(diào)節(jié)比重環(huán)來(lái)分離不同比重的燃油，分離出來(lái)的油渣被排到分油機(jī)下的油渣柜里。因此，對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)的燃油系統(tǒng)的材料會(huì)有別于其他系統(tǒng)的材料，需要其具有良好的耐高溫、防腐蝕、耐壓性能。但是，在海洋鉆井平臺(tái)這一仍在不斷完善的技術(shù)中，海洋鉆井平臺(tái)的燃油系統(tǒng)的材料在很大程度上處于摸索和不斷試驗(yàn)階段。如何選擇和制造優(yōu)良的、既防腐蝕又耐熱的海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)材料，是當(dāng)前一個(gè)急需解決的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料及其制備方法，綜合考慮各成分的成本，優(yōu)化各成分之間的比例，找到性價(jià)比最高的材料組方，加入稀土金屬，能夠有效地解決上述問(wèn)題。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：
一種海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料，所述合金材料的原料成分及其質(zhì)量百分比為：C：0.10％～0.20％，Mn：0.40％～0.70％，P：0.03％～0.04％，S：0.03％～0.04％，Re：0.4％～0.6％，Mg：0.4％～0.6％，Sn：0.3％～0.4％，Si：0.5％～1.0％，Cr：4.0％～6.5％，Mo：0.45％～0.65％，Be：3.0％～4.0％，Zr：0.30％～0.40％，Ti：0.30％～0.40％，RE：0.20％～0.60％，其余為Fe。
進(jìn)一步的，RE包括：Eu：0.10％～0.30％，Tb：0.10％～0.30％。
進(jìn)一步的，原料成分及其質(zhì)量百分比為：C：0.20％，Mn：0.40％，P：0.03％，S：0.04％，Re：0.6％，Mg：0.4％，Sn：0.3％，Si：0.75％，Cr：6.5％，Mo：0.60％，Be：3.0％，Zr：0.40％，Ti：0.35％，Eu：0.20％，Tb：0.10％，其余為Fe。
以下，對(duì)本發(fā)明中采用的合金的成分組成的限定理由進(jìn)行說(shuō)明，成分組成中涉及的％指質(zhì)量％。
C：0.10％～0.20％，C在鋼材中可形成固溶體組織、提高鋼的強(qiáng)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(qiáng)度、硬度就越高，但塑性、韌性也會(huì)隨之降低，反之，含碳量越低，鋼的塑性、韌性越高，其強(qiáng)度、硬度也會(huì)隨之降低，為適應(yīng)海洋條件及作業(yè)要求效果，本發(fā)明將海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用材料中C含量規(guī)定為0.10％～0.20％，優(yōu)選為0.20％。
Mn：0.40％～0.70％，Mn是一種弱脫氧劑，鋼材中添加Mn，不但有利于鋼材的抗蝕性，而且還能使鋼材的強(qiáng)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Mn含量增加，鋼材強(qiáng)度有所提高，為適應(yīng)海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的具體實(shí)際的特殊需求，本發(fā)明將Mn含量規(guī)定為0.40％～0.70％，優(yōu)選為0.40％。
P：0.03％～0.04％，磷對(duì)提高鋼材的抗拉強(qiáng)度有一定的作用，但同時(shí)又都增加鋼材的脆性。為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將P含量規(guī)定為0.03％～0.04％，優(yōu)選為0.03％。
S：0.03％～0.04％，S可引起鋼材熱脆，降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和抗銹性等，一般建筑用鋼含硫量要求不超過(guò)0.055％，在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)不超過(guò)0.050％。一定量的S與Mn在鋼材中形成MnS，有助于提高切削性的元素。在低于0.001％時(shí)添加效果不充分，超過(guò)0.15％則添加效果飽和，S會(huì)降低鐵水的流動(dòng)性，阻止Fe3C分解，使鑄件產(chǎn)生氣孔、難于切削并降低其韌性，因此將S規(guī)定為0.03％～0.04％，優(yōu)選為0.04％。
Re：0.40％～0.60％，錸能夠同時(shí)提高鎢、鉬、鉻的強(qiáng)度和塑性，為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將合金材料中Re含量規(guī)定為0.40％～0.60％，優(yōu)選為0.60％。
Mg：0.40％～0.60％，在合金中加入少量的鎂，可提高強(qiáng)度和屈服極限，提高了合金的切削加工性。含鎂的合金具有優(yōu)良的耐蝕性。為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將合金材料中Mg含量規(guī)定為0.40％～0.60％，優(yōu)選為0.40％。
Sn：0.30％～0.40％，Sn是低熔點(diǎn)金屬，在合金可以略降低合金強(qiáng)度，但能改善切削性能。為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將合金材料中Sn含量規(guī)定為0.30％～0.40％，優(yōu)選為0.30％。
Si：0.5％～1.0％，Si可提高鋼材的耐熱性和耐蝕性，降低韌性和塑性，在鋼材中能降低熔點(diǎn)，改善流動(dòng)性。為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將Si含量規(guī)定為0.5％～1.0％，優(yōu)選為0.75％。
Cr：4.0％～6.5％，Cr在鋼材中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性。鉻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(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將Cr含量規(guī)定為4.0％～6.5％，優(yōu)選為6.5％。
Mo：0.45％～0.65％，低含量的Mo能強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)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(qiáng)度。為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將材質(zhì)中Mo含量規(guī)定為0.45％～0.65％，優(yōu)選為0.60％。
Be：3.0％～4.0％，在合金中加人較高量Be時(shí)，可以加速以上合金時(shí)效進(jìn)程并提高時(shí)效硬度。在合金中加入Be，可以加速時(shí)效硬化進(jìn)程，提高硬度近1倍，同時(shí)還可增加時(shí)效析出相數(shù)目，減小其尺寸。本發(fā)明將合金材料中Be含量規(guī)定為3.0％～4.0％，優(yōu)選為3.0％。
Zr：0.30％～0.40％，Zr是冶煉過(guò)程中的除氧、硫、磷劑，Zr能提高鋼的強(qiáng)度與硬度，尤其是鋼的持久強(qiáng)度及改善鋼的焊接性能，本發(fā)明將材料中Zr含量規(guī)定為0.30％～0.40％，優(yōu)選為0.40％。
Ti：0.30％～0.40％，Ti是合金中常用的添加元素，鈦與成為結(jié)晶時(shí)的非自發(fā)核心，起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用，還能起到變質(zhì)劑作用，增加晶核，細(xì)化晶粒。為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將材質(zhì)中Ti含量規(guī)定為0.30％～0.40％，優(yōu)選為0.35％。
RE：0.20％～0.60％，稀土元素加入合金中，能夠提高合金材料的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性，使合金熔鑄時(shí)增加成分過(guò)冷，細(xì)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(dòng)性，有利于澆注成錠，對(duì)工藝性能有著明顯的影響，稀土金屬還能消除磁場(chǎng)及復(fù)雜的水文環(huán)境對(duì)海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的不良影響，從而提高了海洋鉆井平臺(tái)的使用壽命，同時(shí)在承力相同的條件下，明顯減輕結(jié)構(gòu)件重量。為適應(yīng)海洋條件及海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)的特殊需求，本發(fā)明將材料中RE含量規(guī)定為0.20％～0.60％，包括Eu：0.10％～0.30％，Tb：0.10％～0.30％，優(yōu)選為Eu：0.20％，Tb：0.10％。在本發(fā)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(qiáng)度、耐磨性的作用，有利于降低成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，在于提供一種海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料的制備方法，包括如下制作步驟：
步驟i、將待熔煉的Fe、Mn、Re、Mg、Sn、Cr、Mo、Be、Zr、Ti、RE單質(zhì)按照材料成分比例，加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)，抽真空，在燒結(jié)溫度為930℃～950℃條件下熔融；
步驟ii、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、P、S、Be、Si單質(zhì)，并保溫20min～50min，攪拌均勻；
步驟iii、在惰性氣體加壓條件下冷卻至720℃，保溫20min～50min，再降溫至室溫，得到海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料成品。
進(jìn)一步的，步驟i中，燒結(jié)的溫度為940℃～950℃時(shí)，RE的組成為Eu。
進(jìn)一步的，步驟i中，燒結(jié)的溫度為950℃～960℃時(shí)，RE的組成為Eu和Tb。
進(jìn)一步的，步驟iii中，冷卻的速率為40℃/min～50℃/min。
進(jìn)一步的，步驟iii中，降溫的速率為40℃/min～50℃/min。
進(jìn)一步的，步驟iii中，惰性氣體為氦氣或氪氣。
進(jìn)一步的，步驟iii中，加壓的壓力為40Mpa～50Mpa。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
本發(fā)明所提供的海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料成品，制備的合金材料具有良好的抗磁、抗腐蝕、耐壓、耐高溫、受熱不易形變的性能。
具體實(shí)施方式
以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，用來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1
原料組分：
C：0.20％，Mn：0.40％，P：0.03％，S：0.04％，Re：0.6％，Mg：0.4％，Sn：0.3％，Si：0.75％，Cr：6.5％，Mo：0.60％，Be：3.0％，Zr：0.40％，Ti：0.35％，Eu：0.20％，Tb：0.10％，其余為Fe。
通過(guò)如下方法制備：
步驟i、將待熔煉的Fe、Mn、Re、Mg、Sn、Cr、Mo、Be、Zr、Ti、Eu、Tb單質(zhì)按照材料成分比例，加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)，抽真空，在燒結(jié)溫度為955℃條件下熔融；
步驟ii、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、P、S、Be、Si單質(zhì)，并保溫26min，攪拌均勻；
步驟iii、在氦氣加壓47Mpa條件下，以44℃/min的降溫速率冷卻至720℃，保溫26min，再以44℃/min的降溫速率降至室溫，得到海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料成品。
實(shí)施例2
原料組分：
C：0.10％，Mn：0.40％，P：0.03％，S：0.03％，Re：0.40％，Mg：0.40％，Sn：0.30％，Si：0.50％，Cr：4.0％，Mo：0.45％，Be：3.0％，Zr：0.30％，Ti：0.30％，Eu：0.20％，其余為Fe。
通過(guò)如下方法制備：
步驟i、將待熔煉的Fe、Mn、Re、Mg、Sn、Cr、Mo、Be、Zr、Ti、Eu單質(zhì)按照材料成分比例，加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)，抽真空，在燒結(jié)溫度為930℃條件下熔融；
步驟ii、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、P、S、Be、Si單質(zhì)，并保溫20min，攪拌均勻；
步驟iii、在氦氣加壓40Mpa條件下，以40℃/min的降溫速率冷卻至720℃，保溫20min，再以40℃/min的降溫速率降至室溫，得到海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料成品。
實(shí)施例3
原料組分：
C：0.20％，Mn：0.70％，P：0.04％，S：0.04％，Re：0.60％，Mg：0.60％，Sn：0.40％，Si：1.0％，Cr：6.5％，Mo：0.65％，Be：4.0％，Zr：0.40％，Ti：0.40％，Eu：0.30％，Tb：0.30％，其余為Fe。
通過(guò)如下方法制備：
步驟i、將待熔煉的Fe、Mn、Re、Mg、Sn、Cr、Mo、Be、Zr、Ti、Tb、Eu單質(zhì)按照材料成分比例，加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)，抽真空，在燒結(jié)溫度為960℃條件下熔融；
步驟ii、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、P、S、Be、Si單質(zhì)，并保溫50min，攪拌均勻；
步驟iii、在氪氣加壓40Mpa條件下，以50℃/min的降溫速率冷卻至720℃，保溫50min，再以50℃/min的降溫速率降至室溫，得到海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料成品。
實(shí)施例4
原料組分：
C：0.15％，Mn：0.55％，P：0.035％，S：0.035％，Re：0.50％，Mg：0.50％，Sn：0.35％，Si：0.75％，Cr：5.3％，Mo：0.55％，Be：3.5％，Zr：0.35％，Ti：0.35％，Eu：0.20％，Tb：0.20％，其余為Fe。
通過(guò)如下方法制備：
步驟i、將待熔煉的Fe、Mn、Re、Mg、Sn、Cr、Mo、Be、Zr、Ti、Tb、Eu單質(zhì)按照材料成分比例，加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)，抽真空，在燒結(jié)溫度為950℃條件下熔融；
步驟ii、在金屬熔融的條件下按照材料成分比例加入C、P、S、Be、Si單質(zhì)，并保溫35min，攪拌均勻；
步驟iii、在氪氣加壓40Mpa條件下，以45℃/min的降溫速率冷卻至720℃，保溫35min，再以45℃/min的降溫速率降至室溫，得到海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料成品。
實(shí)驗(yàn)例1
抗磨性對(duì)比試驗(yàn)：
本發(fā)明實(shí)施例1～4制備的海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料與普通燃油系統(tǒng)用材料在射流式?jīng)_刷腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上做漿料(石英砂+水)濕磨試驗(yàn)，并作材料的抗腐蝕試驗(yàn)，性能見(jiàn)表1。
表1抗磨性及硬度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)例2
將本發(fā)明實(shí)施例1～4制備的海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料與普通淡水冷卻系統(tǒng)用材料的基本金屬特性相比較，其性能結(jié)果如下表2。
表2基本金屬特性性能比較
由上述試驗(yàn)例可見(jiàn)，本發(fā)明合金材料的各項(xiàng)性能均高于普通燃油系統(tǒng)用材料，制備本發(fā)明合金的特殊材料用量少，相對(duì)成本低，更加適合用于海洋鉆井平臺(tái)燃油系統(tǒng)用合金材料。
以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及實(shí)驗(yàn)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。