管道開孔器金屬疲勞現象

金屬疲勞是指材料、零構件在循環應力或循環應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環次數后產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。

管道開孔器的部件在進行管道帶壓開孔施工作業中，管道應力和管道震動以及切削管道時應變長期作用下，管道開孔器機身、變速箱、鉆桿等部件由于積累損傷而引起的斷裂現象。

金屬部件疲勞的破壞過程是材料內部薄弱區域的組織在變動應力作用下，逐漸發生變化和損傷累積、開裂，當裂紋擴展達到一定程度后發生突然斷裂的過程，是一個從局部區域開始的損傷積累，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.按應力狀態分為：鉆桿彎曲疲勞、扭轉疲勞，管道開孔器機身拉壓疲勞、以及管道開孔器底座接觸疲勞以及以上因素的復合疲勞；

b.按管道開孔器工作環境和接觸情況分為：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)，兩者的分類依據是高周疲勞裂紋經歷至少10000次循環致失效，部件所受應力水平較低。高周疲勞有著一段很長的裂紋產生時期

而低周疲勞的部件裂紋產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期，周次為10的2次-5次方，所受應力水平較高。同時，低周疲勞伴隨有彈、塑（粘塑）性兩種行為，可分為四個主要階段：

a.循環硬化 b.裂紋產生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發生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。尤其是管道開孔器在帶壓開孔工程施工中對管道進行切削和輸送刀具的鉆桿來說，本身就處于每時每刻的震動中，而且自身還要做出旋轉和推進動作。

而金屬部件的疲勞對缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會引起應力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷（夾雜、疏松、白點、脫碳等），將降低材料的局部強度，二者綜合會加速疲勞破壞的起始與發展。

因此，壓力管道進行帶壓開孔工程施工中，嚴禁使用鑄造藝制作的帶壓開孔工具及相關零配件，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。由于國內對鋼材的回收機制不完善，鑄造所用的鋼水及鐵水無法鑒定其級別，鑄造出的管道開孔器部件質量堪憂。而鑄造工藝本身就會產生夾雜、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造成嚴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、應力狀態、應力大小及環境因素的影響，因此對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。

疲勞斷裂經歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩態擴展階段，相應的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區與瞬時斷裂區的特征。

疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，其產生的位置多出現在機件表面，經常會和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內部存在嚴重冶金缺陷（夾雜、縮孔、白點、伯析等），也會因局部材料強度降低而在機件內部引發出疲勞源。

管道開孔器部件疲勞破壞的疲勞源可以是一個，也可以是多個，它與機件的應力狀態及過載程度有關。如管道開孔器單向彎曲疲勞僅產生一個源區，雙向反復彎曲可出現兩個疲勞源。過載程度愈高，名義應力越大，出現疲勞源的數目就越多。

管道開孔器部件的斷口中同時存在幾個疲勞源，可根據每個疲勞區大小、源區的光亮程度確定各疲勞源產生的先后，源區越光亮，相連的疲勞區越大，就越先產生，反之，產生的就較晚。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），有時還會有裂紋擴展臺階。

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