为什么带压开孔作业发生钻头断折?

在进行管道带压开孔作业施工中,经常会遇到长时间旋开管道,开孔刀却未接触管道表面,伴随着进刀钻杆也在正常转动,并未出现卡刀,而进刀长度已达到或已超过管道壁厚的现象。此时应当判定中心定位刀具折断或刀具失效,采取立即退刀并查看刀具磨损情况。

带压开孔作业施工中,带压开孔刀具是重要的开孔部位,并且为易损件。组成刀具的分为两部分:中心定位钻头和开孔刀。组合主要的作用是定位钻负责钻透管道,并为开孔刀提供旋削中心。出现以上情况时大多为定位钻失效或折断,致使无法钻透管道形成空转现象,下面就这种现象进行简要分析:

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南水北调管道施工现场

1.钻头合金材料

带压开孔机的硬质合金刀具的消耗约占全部刀具消耗的55%以上,其中带压开孔机中心定位钻的硬质合金焊接刀具因突出的性价比优势和良好的成形工艺得到了广泛的应用,尤其在小型或中等直径管道规格范围开孔和非标成形加工领域占有重要的地位。

1.1带压开孔机中心定位钻头刀体材料主要有45钢、T10A9SiCrW6Mo5Cr4V2。由于刀体不直接参与切削,理论上性能要求较低,但如使用铸造用高碳钢来代替45钢或9SiCr,用来降低成本,但会造成带压开孔中心定位钻钻体断裂,刀齿掉落。

用作带压开孔机中心定位钻钻体的钢材中碳含量越高,氢扩散系数减小,氢溶解度增大。析出物(作为氢原子的陷阱位置)、电位、空孔等各种晶格缺陷与碳含量成正比,碳含量增大,就会抑制氢扩散,因此氢扩散系数也较低。

碳含量的增大,钢材内部就会析出碳化物,在电化学腐蚀反应的作用下,氢脆可能性就会增大,为了确保中心定位钻钻体用钢应当使用具备较强的耐腐蚀性和抗氢脆性。因此,对碳化物的析出和体积分数的控制进行是有效的控制方法。

此时刀齿掉落于带压开孔所形成的涡心中,在钻头不断的转动下,硬质合金残片会镶嵌于管道壁中,不断地与中心定位钻相互作用,会加速钻头的磨损。

钻体虽然不直接参与管道带压开孔时的切削作业,作为硬质合金刀头的钻体应当具有较强的韧性和耐压力性,而并非取决于其自身的红硬性。

1.2在高速、大切削力的带压开孔机钻孔的条件下,中心定位钻刀体、刀齿截面积较小的焊接刀具会出现新刀具或磨损量在正常范围内的刀具,焊口附近的刀体或刀齿折断。因此,在管道进行带压开孔作业时,无论是自动进刀还是手动进刀,进刀的速度一定要保持慢速且匀速,使用较小的进刀量进行多次刀削。待中心定钻旋进且状态稳定后,再依正常速度进刀即可。

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带压开孔现场

2.中心定位钻的焊接

2.1在国内参差不齐的刀具制造厂家在进行刀具生产时,硬质合金刀片的焊接质量也存在较大问题。在中心定位钻钻头采用铜焊方式进行焊接时,高频焊接的焊接温度通常在900-1000摄氏度之间,淬硬过的刀体在焊接过程中被二次加热,温度已经达到钢的正火温度,因此焊缝附近的刀体或整个头部刀体被正火,导致该部分刀体的硬度和强度大幅下降。尤其是钻体边缘的空气接触面积更大,因此受所氧化程度更高,会出现焊接不牢和过热现象。

同时,受热传导的影响,靠近焊缝或头部的中心定位钻的刀体部分也会被加热,虽然被加热的温度低于正火温度,但足以引起该部分刀体的中、高温回火,使该部分刀体的硬度和强度下降。

这一点可以从带压开孔机进行管道开孔后取出的刀具损坏的形式得到验证,焊接刀具的损坏经常发生在焊缝附近的齿部或头部。

2.2严格按照《必赢登录首页带压开孔钻头焊接流程》中7.6.1中所规定的使用标准的焊料和使用规定的焊接温度。

在相同温度下,硬质合金的刀齿与钢的线膨胀系数相差很大,比钢低1/3-1/2,同时硬质合金的导热性也比钢差,因此在焊接过程中,使用铜焊料进行焊接后刀片和刀体凝固成一体,这时刀片和刀体之间的自由收缩受到限制,刀片和刀体都会受到拉、压应力作用。由于硬质合金刀片脆性大,承受应力的能力小于钢,刀片出现崩裂。因此,焊接时应当采用合理的生产工艺来减小冷缩时产生的应力,还要兼顾在带压开孔作业中,刀片在切削管道时受热后的䐍胀所产生的应力。

总之,在带压开孔作业施工中,在刀具生产良好的情况下,较大的切削力和较大的进刀速度会对带压开孔刀造成刀体或刀齿产生扭曲变形,甚至崩裂或报废,也会造成刀具正常磨损范围内,刀具寿命下降。因此,选择合理的进刀方式和调整适当的管道旋削速度是延长刀具使用寿命的有效方法。


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