本发明涉及非开挖工程领域，尤其涉及一种非开挖整体钻杆用无缝钢管及其制备方法。
背景技术：
非开挖是指利用各种岩土钻掘设备和技术手段，通过导向、定向钻进等方式在地表极小部分开挖的情况下(一般指入口和出口小面积开挖)，敷设、更换和修复各种地下管线的施工新技术，不会阻碍交通，不会破坏绿地、植被，不会影响商店，医院，学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响，因此具有较高的社会经济效果。
非开挖技术源于20世纪70年代，并于90年代传入我国，目前被广泛应用于给水、排水、电力、通信、燃气等领域的新管道建设和旧管道修复，也可以应用于文物、古建筑的保护等方面。随着非开挖工程越来越多的投入到市政，通信，电力，煤改气等领域，市场要求非开挖钻杆符合s135钢级标准，同时产品还要具有良好的价格优势。非开挖整体钻杆的主要成本为胚管的制备，因此，发展能够满足强度需求的整体钻杆产品，同时降低胚管成本，成为非开挖工程领域的必然趋势。
cn103938095a公开了一种165ksi钢级高强高韧钻杆及其制造方法，其成分重量百分比为：c：0.20-0.40％；mn：0.50-1.40％；cr：0.50-1.40％；mo：0.60-2.10％；ti：0.005-0.025％；nb：0.03-0.10％；v：0.02-0.15％；si：0.20-0.40％；al≤0.05％；n≤0.10％；p≤0.015％；s≤0.008％；其余为fe和不可避免的杂质；且，mn减小值＝(3-6)×c增加值，[nb]+[ti]+[v]≤0.25％，5≤[nb]/[ti]≤10，1％≤[cr]+[mo]≤3％；钻杆组织平均晶粒度不小于8.5级，组织为回火索氏体和弥散分布的析出强化相。该钻杆力学性能相比s135钢级提高20％以上，同时具有冲击功(全尺寸试样)在-20℃下不小于80j的高韧性。
cn103820737b公开了一种非开挖钻杆用钢，其组成按质量百分比为：c：0.26-0.29％、si：0.17-0.37％、mn：1.05-1.30％、s≤0.010％、p≤0.015％、cr：0.80-1.10％、mo：0.20-0.25％、ni≤0.10％、v：0.07-0.15％、cu≤0.1％、as≤0.015％、sn≤0.010％、pb≤0.003％、sb≤0.010％，余量为fe和不可避免的杂质。所述钢经调质处理后，其性能符合s135钢级标准，同时在后续的氮化过程中，也不会因氮化温度而降低钢管本身调质后的性能，同时加入的合金元素具有较高的性价比，可作为非开挖钻杆用钢使用。
传统的非开挖钻杆一般选用铬钼钢或锰钼钢作为钻杆用钢，所生产钻杆性能稳定。钼可以提高钢管的淬透性，热强性，防止回火脆性，其还对铁素体有固溶强化作用，同时提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利的作用。但钼原料市场价格相对较高，无形中增加了钢管的生产成本，因此，开发一种无钼的非开挖钻杆钢管，成了本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种非开挖整体钻杆用无缝钢管及其制备方法，在确保钻杆机械性能符合标准的前提下，避免了mo元素的添加，进而降低了生产成本，具体良好的经济效益和应用前景。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
第一方面，本发明提供了一种非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：c0.27-0.32％，si0.15-0.35％，mn1.60-2.00％，cr0.8-1.8％，v0.20-0.26％，，余量为fe和不可避免的杂质。
根据本发明，按质量百分含量计，所述非开挖整体钻杆用无缝钢管中c含量为0.27-0.32％，例如可以是0.27％、0.28％、0.29％、0.30％、0.31％或0.32％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
碳做为钢中最基本的元素，通过固溶强化与析出强化提升管体强度，但碳含量增加会明显加大水淬开裂的风险，所以本发明含碳量控制在0.27-0.32％。
根据本发明，按质量百分含量计，所述非开挖整体钻杆用无缝钢管中si含量为0.15-0.35％，例如可以是0.15％、0.18％、0.20％、0.23％、0.25％、0.28％、0.30％、0.33％或0.35％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述非开挖整体钻杆用无缝钢管中mn含量为1.60-2.00％，例如可以是1.60％、1.65％、1.70％、1.75％、1.80％、1.85％、1.90％、1.95％或2.00％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
锰在钢铁的冶炼过程中有脱硫脱氧功效，防止热脆，故锰能改善钢的锻造性；同时能提高钢的强韧性及钢的淬透性，非开挖整体钻杆经加厚后其单边最厚可达32mm，因此对淬透性的要求较高。本发明中锰含量控制在1.60-2.00％，一方面能够有效提高钢管的淬透性，另一方面，该成分范围的锰能够和各自成分范围内的铬、钒之间形成良好的配合作用，实现了对钼元素的良好替代，使得到的钢管满足api5dp中所规定的s135钢级的各项性能，进而避免了钼元素的添加。
但锰过量会使钢材具有较明显的回火脆性现象，而锰元素对过热较为敏感，极易促使奥氏体晶粒生长，对钢管会产生不利影响。因此本发明在后续调质过程中选用810-830℃对钢管进行淬火，在该温度下对钢管进行奥氏体化，即能节省加热时的高能耗，同时也能消除锰元素过热产生的不利影响，极大的避免回火脆性的产生。而锰元素过少的话，钢管的淬透性不足，强度也难以满足要求。
根据本发明，按质量百分含量计，所述非开挖整体钻杆用无缝钢管中cr含量为0.8-1.8％，例如可以是0.8％、0.9％、1.0％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％或1.8％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
铬不仅可以提高钢的淬透性，同时可以极大的提高回火温度，将其含量控制在0.8-1.8％，能够和各自成分范围的锰以及钒共同发挥作用，在钢管的强度满足要求的前提下，实现了对钼元素的完全替代。然而，铬含量过高使钢管容易出现第二类回火脆性。第二类回火脆性的本质是铬元素使s，p等杂质元素向晶界偏聚，通常加入适量的钼元素或采用回火后快冷的方法来避免，但钼元素价格较高，而一般钢管调质线上不具备回火快冷的功能。本发明通过控制较低的s，p及杂质元素含量能够减少第二类回火脆性，同时低温淬火(810-830℃)+高温回火(570-650℃)的热处理工艺同样能够有效降低第二类回火脆性。而铬元素过少的话，钢管同样会出现淬透性不足，强度难以满足要求等问题。
根据本发明，按质量百分含量计，所述非开挖整体钻杆用无缝钢管中v含量为0.20-0.26％，例如可以是0.20％、0.21％、0.22％、0.23％、0.24％、0.25％或0.26％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
在上述锰、铬含量的范围内，奥氏体晶粒生长过快，使得晶粒过大，降低了钢管的强度。本发明中钒的含量控制在0.20-0.26％，能够和上述成分范围内的锰、铬形成配合，有效细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而增加钢的强度、韧性和耐磨性。同时，钒与碳形成的碳化物具有较高的回火稳定性，能够使得到的钢管在较高的回火温度下保持较好的稳定性，同样增加了钢的强度和弹性。然而当钒含量过低时，钢管的强度和韧性不足，难以满足要求；钒含量过高时，造成了对元素的浪费，不利于成本控制。
根据本发明，按质量百分含量计，所述无缝钢管中：mo≤0.020％，cu≤0.050％，ni≤0.050％，s≤0.010％，p≤0.012％。
根据本发明，按质量百分含量计，所述无缝钢管中：as≤0.020％、sn≤0.015％、pb≤0.01％、sb≤0.01％，bi≤0.01％，所述as、sn、pb、sb和bi的总含量≤0.035％，当其总含量超过0.035％时，钢管的性能下降严重，难以满足要求。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的非开挖整体钻杆用无缝钢管的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按配方量对原料进行配比，经过冶炼和连铸后得到管胚；
(2)对步骤(1)所得管胚进行轧制，轧制完成后进行修整处理；
(3)将步骤(2)修整处理后的管材在810-830℃下进行淬火处理，然后回火处理后得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
经计算，按本发明第一方面提供的配比冶炼得到的钢种，其ac1＝731℃，ac3＝822℃。一般情况下亚共析钢淬火温度设定在ac3以上30-50℃，而实际钢管经奥氏体化后到淬水有一个极短的输送过程，这个过程钢管接触空气而有一定的温降，因此实际温度一般用880-900℃。然而，本发明制备的钢管具有较明显的第二类回火脆性，常规淬火温度880-900℃及回火后空冷极易造成冲击韧性偏低，使冲击韧性达不到要求。本发明优化调质工艺，在810-830℃下加热淬火并保温水淬，然后在570-650℃进行回火。低温淬火+高温回火的热处理工艺能够有效降低第二类回火脆性，使钢管的冲击韧性满足要求。
根据本发明，步骤(1)的操作为：将配方量的原料加入电炉里初炼，然后进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚。
根据本发明，步骤(2)所述轧制处理的操作为：将步骤(1)所得管胚在加热至1280-1300℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管。
根据本发明，步骤(2)所述轧制处理在cpe机组上进行。
根据本发明，步骤(2)所述修整处理的操作为：将经过轧制处理后得到的成型无缝钢管依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车。
根据本发明，步骤(3)所述淬火处理的温度为810-830℃，例如可以是810℃、813℃、815℃、818℃、820℃、823℃、825℃、828℃或830℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当淬火温度过低时(＜810℃)，钢管的硬度和韧性不足，难以满足要求，强度也有所下降。淬火温度过高时(＞830℃)，制得的钢管韧性偏低，冲击韧性达不到要求。
根据本发明，步骤(3)所述回火处理的温度为570-650℃，例如可以是570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃或650℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，步骤(3)所述回火处理结束后，对所得管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份进行盐浴氮化处理。
根据本发明，所述盐浴氮化处理的温度为530-570℃，例如可以是530℃、535℃、540℃、545℃、550℃、555℃、560℃、565℃或570℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
作为优选的技术方案，本发明所述非开挖整体钻杆用无缝钢管的制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的原料加入电炉里初炼，然后进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1280-1300℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在810-830℃下进行淬火处理，然后在570-650℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在530-570℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
本发明制备的无缝钢管可作为整体钻杆应用于非开挖工程领域。
钼在钢中的作用可归纳为提高淬透性，提高热强性，防止回火脆性等。本发明通过调控锰、铬和钒的成分，并调整了后续调质处理的工艺，确保钻杆机械性能符合标准的前提下，实现了对mo元素的完全替代。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过调控无缝钢管中mn、cr、v的含量，结合后续淬火+回火的工艺，在确保钻杆机械性能符合标准的前提下，避免了mo元素的添加，降低了生产成本。所得钢管完全满足api5dp中所规定的s135钢级的各项性能，同时兼具有良好的价格优势，具有良好的经济效益和应用前景。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明在具体实施方式部分提供了一种非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：c0.27-0.32％，si0.15-0.35％，mn1.60-2.00％，cr0.8-1.8％，v0.20-0.26％，mo≤0.020％，cu≤0.050％，ni≤0.050％，s≤0.010％、p≤0.012％，as≤0.020％、sn≤0.015％、pb≤0.01％、sb≤0.01％，bi≤0.01％，所述as、sn、pb、sb和bi的总含量≤0.035％，余量为fe和其他不可避免的杂质。
本发明在具体实施方式部分还提供了一种制备上述非开挖整体钻杆用无缝钢管的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将配方量的原料加入电炉里初炼，然后进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1280-1300℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在810-830℃下进行淬火处理，然后在570-650℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在530-570℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例制备的非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：
c：0.30％，si：0.23％、mn：1.73％、cr：1.50％、v：0.25％，s0.005％、p0.008％，mo：0.001％，ni0.010％，cu0.012％，as0.010％，sn0.005％，pb0.005％、sb0.008％，bi0.003％；其余为铁和其他不可避免的杂质。
按照以下方法制备上述无缝钢管：
(1)按配方量将上述组分的原料加入电炉中进行初炼，接着进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1280℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在810℃下进行淬火处理，然后在580℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在530℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
实施例2
本实施例制备的非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：
c：0.28％，si：0.19％、mn：1.80％、cr：1.00％、v：0.23％，s0.006％、p0.012％，mo：0.0080％，ni0.015％，cu0.008％，as0.0075％，sn0.006％，pb0.007％、sb0.001％，bi0.007％；其余为铁和其他不可避免的杂质。
按照以下方法制备上述无缝钢管：
(1)按配方量将上述组分的原料加入电炉中进行初炼，接着进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1300℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在815℃下进行淬火处理，然后在570℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在540℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
实施例3
本实施例制备的非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：
c：0.27％，si：0.15％、mn：1.60％、cr：0.80％、v：0.20％，s0.008％、p0.012％，mo：0.0095％，ni0.016％，cu0.010％，as0.009％，sn0.009％，pb0.005％、sb0.002％，bi0.007％；其余为铁和其他不可避免的杂质。
按照以下方法制备上述无缝钢管：
(1)按配方量将上述组分的原料加入电炉中进行初炼，接着进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1285℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在820℃下进行淬火处理，然后在600℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在550℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
实施例4
本实施例制备的非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：
c：0.32％，si：0.30％、mn：1.85％、cr：1.80％、v：0.26％，s0.006％、p0.010％，mo：0.008％，ni0.018％，cu0.023％，as0.003％，sn0.009％，pb0.010％、sb0.002％，bi0.004％；其余为铁和其他不可避免的杂质。
按照以下方法制备上述无缝钢管：
(1)按配方量将上述组分的原料加入电炉中进行初炼，接着进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1290℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在830℃下进行淬火处理，然后在590℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在560℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
实施例5
本实施例制备的非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：
c：0.28％，si：0.35％、mn：1.90％、cr：1.45％、v：0.22％，s0.004％、p0.008％，mo：0.002％，ni0.007％，cu0.019％，as0.007％，sn0.007％，pb0.005％、sb0.010％，bi0.005％；其余为铁和其他不可避免的杂质。
按照以下方法制备上述无缝钢管：
(1)按配方量将上述组分的原料加入电炉中进行初炼，接着进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1295℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在825℃下进行淬火处理，然后在650℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在570℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
实施例6
本实施例制备的非开挖整体钻杆用无缝钢管，按质量百分含量计，所述无缝钢管含有以下组分：
c：0.28％，si：0.25％、mn：1.90％、cr：0.90％、v：0.21％，s0.005％、p0.09％，mo：0.010％，ni0.015％，cu0.010％，as0.001％，sn0.003％，pb0.007％、sb0.002％，bi0.009％；其余为铁和其他不可避免的杂质。
按照以下方法制备上述无缝钢管：
(1)按配方量将上述组分的原料加入电炉中进行初炼，接着进行炉外精炼，脱钙处理后真空脱气，经过连铸处理，冷却和精整后得到管胚；
(2)利用cpe机组将步骤(1)所得管胚在加热至1280℃保温处理，依次经过穿孔，cpe顶管，再加热和张力减径后得到成型的无缝钢管；将所得钢依次进行定尺下料，两端镦粗形成公母扣毛胚，然后对毛胚进行粗车；
(3)将步骤(2)得到的管材在810℃下进行淬火处理，然后在630℃下进行回火处理，对回火后管材的公母扣精车螺纹，然后对螺纹部份在560℃进行盐浴氮化处理，得到所述非开挖整体钻杆用无缝钢管。
对比例1
与实施例1相比，除了将无缝钢管中mn元素的含量调整为1.4％外，其他组分和含量与实施例1完全相同(杂质元素未必相同，但均在限定值之下)。
制备方法同实施例1。
对比例2
与实施例1相比，除了将无缝钢管中mn元素的含量调整为2.3％外，其他组分和含量与实施例1完全相同(杂质元素未必相同，但均在限定值之下)。
制备方法同实施例1。
对比例3
与实施例1相比，除了将无缝钢管中cr元素的含量调整为0.60％外，其他组分和含量与实施例1完全相同(杂质元素未必相同，但均在限定值之下)。
制备方法同实施例1。
对比例4
与实施例1相比，除了将无缝钢管中cr元素的含量调整为2.00％外，其他组分和含量与实施例1完全相同(杂质元素未必相同，但均在限定值之下)。
制备方法同实施例1。
对比例5
与实施例1相比，除了将无缝钢管中v元素的含量调整为0.16％外，其他组分和含量与实施例1完全相同(杂质元素未必相同，但均在限定值之下)。
对比例6
本对比例中无缝钢管的成分与实施例1完全相同。
制备过程中，与实施例1相比，除了将步骤(3)中淬火温度调整为800℃外，其他步骤和条件与实施例1完全相同。
对比例7
本对比例中无缝钢管的成分与实施例1完全相同。
制备过程中，与实施例1相比，除了将步骤(3)中淬火温度调整为850℃外，其他步骤和条件与实施例1完全相同。
性能测试
将实施例1-6和对比例1-7制得的钢管制成73×8×3000(mm)的规格，然后分别测试其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率以及冲击功，测试方法按照本领域常规的手段进行，所得结果如表1所示。
表1
由表1中的数据可知，本发明所述的非开挖整体钻杆用无缝钢管，具有良好的综合性能，满足s钢级要求。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。