带压开孔机疲劳断口的形成及解决方案

管道在带压开孔机进行带压开孔作业时，由于钻头的不断旋进和对管道的切削，形成了震动和反复摩擦。在这种工况条件下，带压开孔机钻体及变速箱都承受着一定的压力和载荷。而这种压力和载荷反复作用于钻体及其附件，常常会引起发生金属疲劳现象。

如果此时带压开孔机制造时采用铸造方法时，由于加工工艺影响，带压开孔机零件存着气孔、疏松、夹杂、夹渣、裂纹、偏析等缺陷；而此时又使用了铸造阀门及管件所用的劣质铸钢材料时，带压开孔机不仅要承受管道的压力，还要承受切削管道作业中反复震动和摩擦引起的内应力变化，在带压开孔工程施工中更容易发生金属疲劳引起的强度降低甚至断裂，造成管道工程施工事故。因此，在经济条件允许的情况下，尽量采用锻造及机加方法制造的管道带压开孔设备。下面简要介绍一下金属疲劳断口及疲劳源对带压开孔机的影响：

疲劳断口保留了带压开孔机部件整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及环境因素的影响，因此对疲劳断口的分析是研究带压开孔机疲劳过程、分析疲劳失效原因的一种重要方法。

疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，相应的断口上也显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。



1.      带压开孔的疲劳源

1.1疲劳源是带压开孔机疲劳裂纹萌生的策源地。其发生的位置多出现在带压开孔机部件的表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连。但若材料内部存在严重冶金缺陷（夹杂、缩孔、伯析、白点等也就是铸造的带压开孔机部件），也会因局部材料强度降低而在钻体及配件的内部引发出疲劳源。

1.2疲劳的特点具有因金属反复位移或震动引起的裂纹表面受反复挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮，而且因加工硬化，该区表面硬度会有所提高。

1.3疲劳源的数量可以是一个也可以是多个。主要表现在管道带压开孔施工过程中，它与带压开孔机的应力状态及过载程度有关。如单向弯曲疲劳仅产生一个源区，双向反复弯曲可出现两个疲劳源。过载程度愈高，名义应力越大，出现疲劳源的数目就越多。

带压开孔机在作业过程中，钻杆对管道既有旋转切削还有不断旋进的两种动力混合，是一种螺旋式切削动作；而带压开孔刀是一种旋转式反复切削动作，因此，带压开孔机的不同部件也存着不同的疲劳源数目。

1.4疲劳源产生的顺序没有固定规则。若带压开孔机铸造的部件断口中同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳越大，就越先产产生；反之，产生的就晚一些。

2.了解了疲劳源的产生的原因，就不得不对疲劳区进行分析和研究。疲劳区是疲劳亚稳扩展形成的区域。断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶。断口光滑是疲劳源区的延续，其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异。

而贝纹线的产生一般认为是因载荷变动引起的，因为带压开孔机运转时常有启动、停歇、偶然过载等，均要在裂纹扩展前沿线留下弧状贝纹线痕迹。疲劳区的每组贝纹线好象一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。近疲劳源区贝纹线较细密，表明裂纹扩展较慢；远离疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。

贝纹区的总范围与过载程度及材料的性质有关。若带压开孔机名义应力较高或材料韧性较差，则疲劳范围较小，贝纹线并不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，疲劳区范围较大，贝纹线粗且明显。

贝纹线的形状则由裂纹前沿线各点的扩展速度、载荷类型、过载程度及应力集中等决定。

3.瞬断区是裂纹失稳扩展形成的区域。在疲劳亚临界扩展阶段，随应力循环增加，裂级不断增长，当增加到临界尺寸ac时，裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料断裂韧性KIC时。裂纹就失稳快速扩展，导致带压开孔机瞬时断裂。

瞬断区一般应在疲劳源对侧。但对旋转弯曲来说，低名义应力时，瞬断区位置逆转方向偏转一角度；高名义应力时，多个疲劳源同时从表面向内扩展，使瞬断区移向中心位置。

瞬断区大小与带压开孔机承受名义应力及材料性质有关，高名义应力低韧性材料瞬断区大；反之，瞬断区则小。

总之，带压开孔机若采用铸造方法制造，由于其工艺天然存着气孔、疏松、夹杂、夹渣、裂纹、偏析等缺陷更容易发生金属疲劳引起的强度降低甚至断裂，造成管道工程施工事故。因此，在经济条件允许的情况下，尽量采用锻造及机加方法制造的管道带压开孔设备。