帶壓開孔機疲勞斷口的形成及解決方案

管道在帶壓開孔機進(jìn)行帶壓開孔作業(yè)時，由于鉆頭的不斷旋進(jìn)和對管道的切削，形成了震動和反復(fù)摩擦。在這種工況條件下，帶壓開孔機鉆體及變速箱都承受著一定的壓力和載荷。而這種壓力和載荷反復(fù)作用于鉆體及其附件，常常會引起發(fā)生金屬疲勞現(xiàn)象。

如果此時帶壓開孔機制造時采用鑄造方法時，由于加工工藝影響，帶壓開孔機零件存著氣孔、疏松、夾雜、夾渣、裂紋、偏析等缺陷；而此時又使用了鑄造閥門及管件所用的劣質(zhì)鑄鋼材料時，帶壓開孔機不僅要承受管道的壓力，還要承受切削管道作業(yè)中反復(fù)震動和摩擦引起的內(nèi)應(yīng)力變化，在帶壓開孔工程施工中更容易發(fā)生金屬疲勞引起的強度降低甚至斷裂，造成管道工程施工事故。因此，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，盡量采用鍛造及機加方法制造的管道帶壓開孔設(shè)備。下面簡要介紹一下金屬疲勞斷口及疲勞源對帶壓開孔機的影響：

疲勞斷口保留了帶壓開孔機部件整個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，因此對疲勞斷口的分析是研究帶壓開孔機疲勞過程、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)與瞬時斷裂區(qū)的特征。



1.      帶壓開孔的疲勞源

1.1疲勞源是帶壓開孔機疲勞裂紋萌生的策源地。其發(fā)生的位置多出現(xiàn)在帶壓開孔機部件的表面，常和缺口、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、伯析、白點等也就是鑄造的帶壓開孔機部件），也會因局部材料強度降低而在鉆體及配件的內(nèi)部引發(fā)出疲勞源。

1.2疲勞的特點具有因金屬反復(fù)位移或震動引起的裂紋表面受反復(fù)擠壓，摩擦次數(shù)多，疲勞源區(qū)比較光亮，而且因加工硬化，該區(qū)表面硬度會有所提高。

1.3疲勞源的數(shù)量可以是一個也可以是多個。主要表現(xiàn)在管道帶壓開孔施工過程中，它與帶壓開孔機的應(yīng)力狀態(tài)及過載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個源區(qū)，雙向反復(fù)彎曲可出現(xiàn)兩個疲勞源。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。

帶壓開孔機在作業(yè)過程中，鉆桿對管道既有旋轉(zhuǎn)切削還有不斷旋進(jìn)的兩種動力混合，是一種螺旋式切削動作；而帶壓開孔刀是一種旋轉(zhuǎn)式反復(fù)切削動作，因此，帶壓開孔機的不同部件也存著不同的疲勞源數(shù)目。

1.4疲勞源產(chǎn)生的順序沒有固定規(guī)則。若帶壓開孔機鑄造的部件斷口中同時存在幾個疲勞源，可根據(jù)每個疲勞區(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，相連的疲勞越大，就越先產(chǎn)產(chǎn)生；反之，產(chǎn)生的就晚一些。

2.了解了疲勞源的產(chǎn)生的原因，就不得不對疲勞區(qū)進(jìn)行分析和研究。疲勞區(qū)是疲勞亞穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。斷口較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有裂紋擴(kuò)展臺階。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。

而貝紋線的產(chǎn)生一般認(rèn)為是因載荷變動引起的，因為帶壓開孔機運轉(zhuǎn)時常有啟動、停歇、偶然過載等，均要在裂紋擴(kuò)展前沿線留下弧狀貝紋線痕跡。疲勞區(qū)的每組貝紋線好象一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。近疲勞源區(qū)貝紋線較細(xì)密，表明裂紋擴(kuò)展較慢；遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴(kuò)展較快。

貝紋區(qū)的總范圍與過載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若帶壓開孔機名義應(yīng)力較高或材料韌性較差，則疲勞范圍較小，貝紋線并不明顯；反之，低名義應(yīng)力或高韌性材料，疲勞區(qū)范圍較大，貝紋線粗且明顯。

貝紋線的形狀則由裂紋前沿線各點的擴(kuò)展速度、載荷類型、過載程度及應(yīng)力集中等決定。

3.瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的區(qū)域。在疲勞亞臨界擴(kuò)展階段，隨應(yīng)力循環(huán)增加，裂級不斷增長，當(dāng)增加到臨界尺寸ac時，裂紋尖端的應(yīng)力場強度因子KI達(dá)到材料斷裂韌性KIC時。裂紋就失穩(wěn)快速擴(kuò)展，導(dǎo)致帶壓開孔機瞬時斷裂。

瞬斷區(qū)一般應(yīng)在疲勞源對側(cè)。但對旋轉(zhuǎn)彎曲來說，低名義應(yīng)力時，瞬斷區(qū)位置逆轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一角度；高名義應(yīng)力時，多個疲勞源同時從表面向內(nèi)擴(kuò)展，使瞬斷區(qū)移向中心位置。

瞬斷區(qū)大小與帶壓開孔機承受名義應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應(yīng)力低韌性材料瞬斷區(qū)大；反之，瞬斷區(qū)則小。

總之，帶壓開孔機若采用鑄造方法制造，由于其工藝天然存著氣孔、疏松、夾雜、夾渣、裂紋、偏析等缺陷更容易發(fā)生金屬疲勞引起的強度降低甚至斷裂，造成管道工程施工事故。因此，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，盡量采用鍛造及機加方法制造的管道帶壓開孔設(shè)備。