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行帶壓開孔作業時，由于鉆頭的不斷旋進和對管道的切削，形成了震動和反復摩擦。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作用于鉆體及其附件，常常會引起發生金屬疲勞現象。

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中反復震動和摩擦引起的內應力變化，在帶壓開孔工程施工中更容易發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，在經濟條件允許的情況下，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、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。



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。其發生的位置多出現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。但若材料內部存在嚴重冶金缺陷（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部引發出疲勞源。

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

1.3疲勞源的數量可以是一個也可以是多個。主要表現在管道帶壓開孔施工過程中，它與帶壓開孔機的應力狀態及過載程度有關。如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。

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

1.4疲勞源產生的順序沒有固定規則。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，相連的疲勞越大，就越先產產生；反之，產生的就晚一些。

2.了解了疲勞源的產生的原因，就不得不對疲勞區進行分析和研究。疲勞區是疲勞亞穩擴展形成的區域。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。

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

貝紋區的總范圍與過載程度及材料的性質有關。若帶壓開孔機名義應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，低名義應力或高韌性材料，疲勞區范圍較大，貝紋線粗且明顯。

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

3.瞬斷區是裂紋失穩擴展形成的區域。在疲勞亞臨界擴展階段，隨應力循環增加，裂級不斷增長，當增加到臨界尺寸ac時，裂紋尖端的應力場強度因子KI達到材料斷裂韌性KIC時。裂紋就失穩快速擴展，導致帶壓開孔機瞬時斷裂。

瞬斷區一般應在疲勞源對側。但對旋轉彎曲來說，低名義應力時，瞬斷區位置逆轉方向偏轉一角度；高名義應力時，多個疲勞源同時從表面向內擴展，使瞬斷區移向中心位置。

瞬斷區大小與帶壓開孔機承受名義應力及材料性質有關，高名義應力低韌性材料瞬斷區大；反之，瞬斷區則小。

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，在經濟條件允許的情況下，盡量采用鍛造及機加方法制造的管道帶壓開孔設備。