本发明涉及一种钢管及其制造方法，尤其涉及一种地质钻探用钢管及其制造方法。
背景技术：
：随着矿产资源的不断开采消耗，浅层矿产逐渐减少，地质勘探工作随之向更深地层发展。目前地质勘探深度已由数十到数百米逐渐增加到1500米乃至2000米以上，更深的深度、更复杂的地层条件对所应用的地质钻探管提出了更严苛的性能要求，钻探管管柱承受拉、压、扭、弯、振动等复杂载荷的同时，还面临着地层的摩擦、腐蚀介质等各类复杂因素联合作用。通常而言，增加管材的强度，可以有效提高其耐拉、压、扭等载荷能力，同时硬度的提高也会增进其耐磨能力。但高强度材料需要具备足够的韧性匹配，才能有效抵抗表面微小缺陷的扩展以及交变载荷带来的疲劳问题。目前国内常用的钻探管级别为yb/t标准中的dz40、dz50、dz60，jisg3465中的r780等，最高级别为抗拉强度830mpa级别，目前已明显无法满足深孔钻探需求，需要开发更高级别的钻探管产品。近年来，国内部分厂家开发了一些采用调质热处理的高强度钻探管产品，抗拉强度可达900-1000mpa级别，但是管材经过调质热处理后一方面椭圆度会变差，对后续螺纹加工带来不利影响，另一方面部分钻具厂家通常采用管端加厚之后再加工螺纹的方式来增加连接强度，而加厚时需要加热到高温，材料重新奥氏体化后势必无法保持调质状态的高强度，因而调质管材并不适用于后续的加厚使用。因此，需要开发无须调质即可获得高强高韧性的钻探管产品，以适应深层地质钻探需求。公开号为cn102994895a，公开日为2013年3月27日，名称为“一种微合金化高强度高韧性地质钻探用钢及其生产工艺”的中国专利文献公开了一种微合金化高强度高韧性地质钻探用钢及其生产工艺。在该专利文献所公开的技术方案中，主要原理是在碳锰钢基础上添加微合金元素进行强化，其抗拉强度级别最高仅到750mpa水平，已不能满足深层钻探需求。公开号为cn104532168a，公开日为2015年4月22日，名称为“高品质非调质钻探用无缝钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种高品质非调质钻探用无缝钢管及其制造方法，其强度可达1100mpa以上，采用了贝氏体组织设计，然而，在该专利文献所公开的技术方案中，其设计原理为中高碳mn-mo系贝氏体钢。技术实现要素：本发明的目的之一在于提供一种高强高韧非调质地质钻探用钢管，该高强度高韧非调质地质钻探用钢管采用基于mn-mo-b-nb系合金添加，可以在奥氏体空冷条件下得到高强度均匀化的贝氏体组织，同时采用合理的成分低碳体系与空冷冷速相配合，可以在奥氏体空冷条件下得到高强度的细晶贝氏体组织，从而使得的高强度高韧非调质地质钻探用钢管具有高强度高韧性。为了实现上述目的，本发明提出了一种高强高韧非调质地质钻探用钢管，其化学元素质量百分比为：c：0.05～0.15％，si：0.5～1％，mn：1.6％～2.5％，cr：0.2～1％，mo：0.2～0.8％，b：0.001～0.005％，al：0.01～0.08％，nb：0.01～0.06％，n≤0.008％以下，余量为fe及其他不可避免的杂质。经过对材料成分、组织及性能的关系研究，本案发明人发现：采用低c、高mn辅以适量cr、mo、b等合金元素的方式，一方面可增加奥氏体稳定性，推迟珠光体转变即增加淬透性，另一方面又可以降低ms点，减少过冷奥氏体向马氏体转变的倾向，使得所获得的钢管经过空冷便可得到以贝氏体为主的微观组织和高的强韧性。基于上述发现，本案发明人对本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管的各化学元素的进行设计，设计原理如下所述：c：在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，c有利于提高钢的强度，但同时也会降低钢的塑韧性，此外c还会提高ms点，增加钢形成马氏体的倾向，为了保证钢的强韧性匹配，并保持贝氏体组织，因而，本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管将c的质量百分比限定在0.05～0.15％。si：在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，si是钢中由脱氧剂而带入的元素，在钢中有利于奥氏体向贝氏体的转变，因此需要保持其质量百分比在0.5％以上，但当si的质量百分比超过1％时，会显著增加钢的冷脆倾向。在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，对si的质量百分比限定在0.5-1.0％。mn：在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，mn具有扩大奥氏体相区，增加淬透性，细化晶粒等有益效果，在限制c的质量百分比在较低水平(例如c的质量百分比在0.05～0.15％)时，需要加入足够的mn来提高固溶强化效果，但同时mn的质量百分比超过2.5％后，会对钢的热加工性能产生明显的影响。因此，在本发明所述的技术方案中，对mn的质量百分比限定在1.6-2.5％。cr：cr为强碳化物形成元素，其碳化物在相变过程中的弥散析出强化是重要的材料强化机制，通常cr需要加入0.2％以上才有明显效果。但加入量如过多，则会形成粗大的碳化物，从而降低材料的韧性。因此，在本发明所述的技术方案中，对cr的质量百分比限定在0.2-1％。mo：在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，mo强烈推迟过冷奥氏体向珠光体转变，对于形成以贝氏体为主的组织非常有利，同时mo有较好的固溶强化效果，有利于提升钢的性能。因此基于组织及性能控制的要求，需要加入质量百分比0.2％以上的mo。此外，质量百分比过高的mo会倾向于形成粗大的碳化物析出，对钢的韧性不利，因此需要限制mo含量在0.8％以下。因此，本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管对mo的质量百分比限定在0.2～0.8。b：在本发明所述的技术方案中，b能强烈增加钢的过冷奥氏体稳定性，从而增加贝氏体转变倾向，添加质量百分比在0.001％以上的b即可明显出现此效果，当b的质量百分比超过0.005％后，易在晶界位置析出不利于钢韧性的氮化物，因此，在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，将b的质量百分比控制在0.001～0.005％。al：在本发明所述的技术方案中，al是钢脱氧所必须的元素，因此无法完全避免带入，但al的质量百分比超过0.1％后，对浇铸过程等有不利影响，因此，本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管控制al的质量百分比在0.01～0.08％，优选地，控制al的质量百分比在0.01～0.05％。nb：在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，nb的碳化物在高温时析出，有利于细化晶粒从而提高钢的强韧性，根据本案发明人的研究，nb在微合金元素中，其析出温度(例如1000℃)最为有利于本发明中贝氏体组织的细化，需要添加0.01％以上的nb方可得到明显效果，此外，nb的质量百分比超过0.06％后，容易形成粗大碳化物从而不利于钢的塑韧性。因此，需要对本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管控制nb的质量百分比在0.01～0.06％。n：在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，钢中加入n会有效提升钢的强度和硬度，但n容易和b结合形成氮化硼从而消除b在钢中增加贝氏体转变倾向的特性，因而，在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中对n的质量百分比控制在n≤0.008％。s：s是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、热加工性、韧性等都有不利影响，因此需要限制s的质量百分比在0.01％以下，优选地，控制s的质量百分比0.005％以下。p：p是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、韧性等都有不利影响，因此需要限制p的质量百分比在0.03％以下，优选地，控制p的质量百分比在以0.02％以下。o：o在钢中以各类氧化物夹杂物存在，夹杂的存在对钢的热加工性、塑韧性均有不良影响，为了保证最终性能，需要控制o的质量百分比低于0.008％。进一步地，在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，相关化学元素还满足：mn+6mo≥3.2，其中mn和mo分别表示其质量百分比。这是因为：mn和mo都是促进奥氏体向贝氏体转变的元素，本案发明人发现，在前述元素控制的基础上，保证mn+6mo≥3.2，可以有效保证粒状贝氏体所占组织比例，从而提高钢的韧性。需要说明的是，mn、mo在代入计算时的值为百分号前的数值，也就是说，例如当mn的质量百分比为2.1％，mo的质量百分比为0.28％时，运算式为2.1+6×0.28＝3.78≥3.2。进一步地，在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，相关化学元素还满足：al/n≥2，其中al和n分别表示其质量百分比。控制al/n≥2，有利于将n元素尽可能的固化。需要说明的是，al、n在代入计算时的值为百分号前的数值，也就是说，例如当al的质量百分比为0.02％，n的质量百分比为0.004％时，运算式为0.02/0.004＝5≥2。进一步地，在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，其微观组织的主体为贝氏体，贝氏体的相比例为90％以上，并且贝氏体组织中粒状贝氏体占比60％以上。进一步地，在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管中，其晶粒度在8级以上。进一步地，在本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管，其抗拉强度≥1000mpa，0℃全尺寸冲击功kv2≥80j。本发明的另一目的在于提供一种上述的高强高韧非调质地质钻探用钢管的制造方法，采用该制造方法无需调质热处理，仅通过简单的控冷即可使得所获得的钢管具有高的强韧性。此外，该制造方法生产流程较为简单，也不会出现因调质热处理带来的椭圆度增加及直度不良等问题。同时产品也适用于后续管端墩粗加厚式的地质钻杆生产方法，管端加厚之后同样经过空冷即可获得高的强韧性。为了达到上述目的，本发明提出了一种上述的高强高韧非调质地质钻探用钢管的制造方法，包括步骤：(1)制得管坯；(2)将管坯制成荒管；(3)钢管轧制：轧制温度不低于800℃，以使终轧后的组织为全奥氏体组织；(4)轧后空冷。上述方案中，轧制温度过低，会引起先共析铁素体析出，进而降低所获得的钢管的强韧性。进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(2)中，将管坯加热到1150～1300℃，保持1～4小时后，经穿孔、连轧、张力减径或张力定径得到荒管。上述方案中，加热温度不低于1150℃，是为了保证足够的变形能力，而控制加热温度低于1300℃是为了防止过烧发生。进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(4)中，平均冷却速度为10℃/min-120℃/min，当冷却速度速低于10℃/min时，由于过冷度偏低，相变更趋向于平衡态转变，会生成较多的先共析铁素体软相，从而影响钢的强韧性，然而，当冷却速度高于120℃/min时，则会生成脆性的马氏体相，影响钢的韧性。本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管通过对mn-mo-b系贝氏体钢的研究，发现基于mn-mo-b-nb系合金添加，采用合理的成分体系与空冷冷速相配合，可以在奥氏体空冷条件下得到高强度的细晶贝氏体组织，晶粒度达到8级以上，其中，微观组织的主体为贝氏体，贝氏体的相比例为90％以上，并且贝氏体组织中粒状贝氏体占比60％以上。因而，使得本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管获得足够的强韧性配合。所得到的高强高韧非调质地质钻探用钢管，其抗拉强度≥1000mpa，0℃全尺寸冲击功kv2≥80j，适用于更深层的地质钻探。此外，本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管在较宽的冷速范围内均可得到高比例的贝氏体组织，性能较为稳定，可用于制造大壁厚的管料。另外，本发明所述的制造方法轧后无须调质热处理，只需经过简单的空冷即可获得高的强韧性的钢管，生产流程较为简单，也不会出现因调质热处理带来的椭圆度增加及直度不良等问题。同时产品也适用于后续管端墩粗加厚式的地质钻杆生产方法，管端加厚之后同样经过空冷即可获得高的强韧性。附图说明图1为实施例1的高强高韧非调质地质钻探用钢管的金相组织图。具体实施方式下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的高强高韧非调质地质钻探用钢管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。实施例1-6以及对比例1-4表1列出了实施例1-6的高强高韧非调质地质钻探用钢管以及对比例1-4的常规钢管中的各化学元素的质量百分比。表1.(wt％，余量为fe和除了p、s、o以外的其他不可避免的杂质元素)实施例1-6的高强高韧非调质地质钻探用钢管以及对比例1-4的常规钢管的制造方法包括步骤：(1)按照表1所列的各化学元素组分浇铸成锭，制得管坯；(2)将管坯制成荒管：将管坯加热到1150～1300℃，保持1～4小时后，经穿孔、连轧、张力减径或张力定径得到荒管；(3)钢管轧制：轧制温度不低于800℃，以使终轧后的组织为全奥氏体组织；(4)轧后空冷：平均冷却速度为10℃/min-120℃/min。表2列出了实施例1-6的高强高韧非调质地质钻探用钢管以及对比例1-4的常规钢管的制造方法中的具体工艺参数。表2中的各项数据具体测定情况：屈服强度数据是将制成的钢管加工成api弧形试样，按api标准检验后取平均数得出；全尺寸夏比v型冲击吸收功数据是在制成的钢管上取截面积为5*10*55半尺寸v型冲击试样，按gb/t229标准检验后取平均数得出；金相组织比例是从样管上取全壁厚试样打磨抛光后，使用4％硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下拍照利用光学软件统计得出。完全冷却至室温所耗时间采用埋偶试验进行。表2.实施例1-6的高强高韧非调质地质钻探用钢管以及对比例1-4的常规钢管进行了性能测定，并将其结果列于表3。表3编号抗拉强度rm(mpa)0℃，全尺寸冲击功(j)实施例1102097实施例21080134实施例31145123实施例41116168实施例51139176实施例61082128对比例191576对比例272642对比例377034对比例4119621由表3可以看出，本案各实施例的高强高韧非调质地质钻探用钢管，其抗拉强度≥1000mpa，0℃全尺寸冲击功kv2≥80j。结合表1至表3可以看出，对比例1、2、3由于未采用本案的化学元素组分配比，因而，对比例1-3的常规钢管无法获得足够的强韧性；此外，对比例3的终轧温度过低，引起先共析铁素体析出，进而降低强韧性；而对比例4虽然采用了本案的化学元素组分配比，然而，在制造过程中由于冷却速度过快，生成过多的板条状贝氏体甚至马氏体组织，降低了对比例4的常规钢管的韧性。图1为实施例1的高强高韧非调质地质钻探用钢管的金相组织图。由图1可以看出，实施例1的高强高韧非调质地质钻探用钢管，其微观组织的主体为贝氏体，贝氏体的相比例为90％以上，并且贝氏体组织中粒状贝氏体占比60％以上，晶粒度在8级以上。需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。当前第1页12