管道開孔器金屬疲勞現(xiàn)象

金屬疲勞是指材料、零構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。

管道開孔器的部件在進(jìn)行管道帶壓開孔施工作業(yè)中，管道應(yīng)力和管道震動(dòng)以及切削管道時(shí)應(yīng)變長期作用下，管道開孔器機(jī)身、變速箱、鉆桿等部件由于積累損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。

金屬部件疲勞的破壞過程是材料內(nèi)部薄弱區(qū)域的組織在變動(dòng)應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定程度后發(fā)生突然斷裂的過程，是一個(gè)從局部區(qū)域開始的損傷積累，最終使管道開孔器部件引起整體破壞的過程，從而使管道開孔器部分功能失效。

管道開孔器金屬部件的疲勞形式可分成以下分類：

a.按應(yīng)力狀態(tài)分為：鉆桿彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞，管道開孔器機(jī)身拉壓疲勞、以及管道開孔器底座接觸疲勞以及以上因素的復(fù)合疲勞；

b.按管道開孔器工作環(huán)境和接觸情況分為：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞以及接觸疲勞等；

c.按應(yīng)力高低和斷裂壽命分：高周疲勞和低周疲勞。

管道開孔器的部件中這兩種主要的疲勞分類是高周疲勞（HCF）和低周疲勞(LCF)，兩者的分類依據(jù)是高周疲勞裂紋經(jīng)歷至少10000次循環(huán)致失效，部件所受應(yīng)力水平較低。高周疲勞有著一段很長的裂紋產(chǎn)生時(shí)期

而低周疲勞的部件裂紋產(chǎn)生于疲勞壽命的早期，大致為低于3%-10%的疲勞壽命，之后有一段很長的裂紋拓展時(shí)期，周次為10的2次-5次方，所受應(yīng)力水平較高。同時(shí)，低周疲勞伴隨有彈、塑（粘塑）性兩種行為，可分為四個(gè)主要階段：

a.循環(huán)硬化 b.裂紋產(chǎn)生c.裂紋拓展d.最終斷裂

管道開孔器部件疲勞的破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。尤其是管道開孔器在帶壓開孔工程施工中對(duì)管道進(jìn)行切削和輸送刀具的鉆桿來說，本身就處于每時(shí)每刻的震動(dòng)中，而且自身還要做出旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)動(dòng)作。

而金屬部件的疲勞對(duì)缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對(duì)缺陷具有高度的選擇性。因?yàn)槿笨诨蛄鸭y會(huì)引起應(yīng)力集中，加大對(duì)材料的損傷作用；組織缺陷（夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等），將降低材料的局部強(qiáng)度，二者綜合會(huì)加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。

因此，壓力管道進(jìn)行帶壓開孔工程施工中，嚴(yán)禁使用鑄造藝制作的帶壓開孔工具及相關(guān)零配件，尤其是不得使用鑄造閥門、管件等脆性鋼渣及鐵水鑄造的管道開孔器部件。由于國內(nèi)對(duì)鋼材的回收機(jī)制不完善，鑄造所用的鋼水及鐵水無法鑒定其級(jí)別，鑄造出的管道開孔器部件質(zhì)量堪憂。而鑄造工藝本身就會(huì)產(chǎn)生夾雜、疏松等無法消除的缺陷，因此使用這種方法制造的管道開孔器會(huì)造成嚴(yán)重的管道施工及人身傷亡事故。

從管道開孔器疲勞斷口中可以尋找整個(gè)斷裂過程的所有痕跡，記載著很多斷裂信息，具有明顯的形貌特征，而這些特征又受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小及環(huán)境因素的影響，因此對(duì)疲勞斷口的分析是研究管道開孔器疲勞過程、分析疲勞失效原因的一種重要方法。

疲勞斷裂經(jīng)歷了裂紋萌生和擴(kuò)展過程。由于應(yīng)力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，相應(yīng)的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)的特征。

疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，其產(chǎn)生的位置多出現(xiàn)在機(jī)件表面，經(jīng)常會(huì)和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷（夾雜、縮孔、白點(diǎn)、伯析等），也會(huì)因局部材料強(qiáng)度降低而在機(jī)件內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。

管道開孔器部件疲勞破壞的疲勞源可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)，它與機(jī)件的應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)。如管道開孔器單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個(gè)源區(qū)，雙向反復(fù)彎曲可出現(xiàn)兩個(gè)疲勞源。過載程度愈高，名義應(yīng)力越大，出現(xiàn)疲勞源的數(shù)目就越多。

管道開孔器部件的斷口中同時(shí)存在幾個(gè)疲勞源，可根據(jù)每個(gè)疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后，源區(qū)越光亮，相連的疲勞區(qū)越大，就越先產(chǎn)生，反之，產(chǎn)生的就較晚。其管道開孔器部件的斷口較為光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時(shí)還會(huì)有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。

斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)，其程度隨裂紋向前擴(kuò)展逐漸減弱，反映裂紋擴(kuò)展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。