مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی توزیع تنش‌های پسماند در جوش سربه‌سر خطوط انتقال گاز طبیعی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی، مرکز آموزش عالی محلات، محلات، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
وجود تنش‌های پسماند باعث کاهش مقدار تنش طراحی مجاز در خطوط انتقال گاز می‌شود. در این مقاله ابتدا دو قطعه لوله فولادی X۷۰ با قطر ۵۶اینچ به روش دستی جوشکاری شد. سپس آزمون تجربی کرنش‌سنجی سوراخ برای ارزیابی توزیع تنش‌های پسماند در این اتصال انجام شد. در ادامه، شبیه‌سازی المان محدود فرآیند جوشکاری برای ارزیابی دقیق توزیع تنش‌های پسماند در این اتصال انجام شد که نتایج آن با مقایسه با نتایج تجربی صحه‌گذاری شد. نتایج کیفی به‌دست‌آمده به میزان مناسبی با نتایج آزمایشگاهی همخوانی دارد. نتایج شبیه‌سازی (با اختلاف ۱۵% نسبت به نتایج تجربی) حداکثر تنش پسماند را در راستای محیطی درز جوش خارجی لوله ارزیابی نمود. نتایج تجربی نشان داد که حداکثر تنش پسماند کششی در مرکز ناحیه جوش و در راستای محیطی سطح خارجی لوله به وجود آمده است. همچنین حداکثر تنش پسماند فشاری در راستاهای محیطی و محوری سطح داخلی لوله در منطقه متاثر از حرارت جوش قرار دارد. تغییرات تنش‌های پسماند محیطی در سطوح داخل و خارج لوله رفتارهای مشابه داشته و این تنش‌ها در مرکز ناحیه جوش به‌صورت کششی است. اما با فاصله‌گرفتن از مرکز ناحیه جوش رفتاری متضاد (در سطح خارج لوله به‌صورت کششی و در سطح داخل آن به صورت فشاری) مشاهده شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Simulation of the Residual Stresses Distribution in Girth Weld of Gas Transmission Pipeline

نویسندگان English

M. Sabokrouh 1
M.R. Farahani 2
2 Mechanical Engineering School, North Kargar Avenue, Tehran, Iran. Postal Code: 1439957131
چکیده English

The weld residual stresses decrease the design stress in gas transportation pipelines. In this paper, two X70 steel pipes of 56 inch outside diameter were firstly girth welded. Experimental hole drilling test was conducted to evaluate the residual stress distribution in this joint. Then, the finite element simulation of the welding process was performed to evaluate the residual stress distribution precisely. The numerical results were verified by comparison with the obtained experimental measurements. The qualitative results achieved match properly with the experimental results. Simulation results (with a difference about 15% compared to experimental results) evaluated the maximum residual stress in hoop direction of pipe’s external weld metal. The experimental data showed that the maximum tensile residual stress was located on the center line of the weld gap on the pipe outer surface alongside with the pipe hoop direction. Moreover, the maximum compressive (hoop and axial) residual stresses occurred on the pipe inner surface in heat affected zone. The variations of the hoop residual stresses on the inner and outer surfaces of the pipe had similar trend with tensile distribution at the center line of the weld gap. However, these stresses showed different trends (tensile stress on the outer surface, and compressive stress on the inner surface) with distancing from the weld center line.

کلیدواژه‌ها English

simulation
Residual Stress
Multi Pass Girth Weld
Hole Drilling
gas pipeline
Hashemi SH, Mohamaadyani D. Characterisation of weldment hardness, impact energy and microstructure in API X65 steel. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2012;98:8-15. [Link] [DOI:10.1016/j.ijpvp.2012.05.011]
Hashemi SH, Mohamaadyani D, Pouranvari M, Mousavizadeh SM. On the relation of microstructure and impact toughness characteristics of DSAW steel of grade API X70. Fatigue and Fracture of Engineering Materials & Structures. 2009;32(1):33-40. [Link] [DOI:10.1111/j.1460-2695.2008.01312.x]
Leggatt RH. Residual stresses in welded structures. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2008;85(3):141-151. [Link] [DOI:10.1016/j.ijpvp.2007.10.004]
Bouchard PJ. Validated residual stress profiles for fracture assessments of stainless steel pipe girth welds. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2007;84(4):195-222. [Link] [DOI:10.1016/j.ijpvp.2006.10.006]
Brickstad B, Josefson BL. A parametric study of residual stresses in multi-pass butt-welded stainless steel pipes. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1998;75(1):11-25. [Link] [DOI:10.1016/S0308-0161(97)00117-8]
Sabokrouh M, Hashemi SH, Farahani MR. Experimental study of the weld microstructure properties in assembling of natural gas transmission pipelines. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture. 2017;231(6):1039-1047. [Link] [DOI:10.1177/0954405415579581]
Mochizuki M, Hayashi M, Hattori T. Residual stress distribution depending on welding sequence in multi-pass welded joints with X-shaped groove. Journal of Pressure Vessel Technology. 1999;122(1):27-32. [Link] [DOI:10.1115/1.556142]
Wen S, Hilton P, Farrugia DCJ. Finite element modelling of a submerged arc welding process. Journal of Materials Processing Technology. 2001;119(1-3):203-209. [Link] [DOI:10.1016/S0924-0136(01)00945-1]
Jiang W, Yahiaoui K, Hall F, Laoui T. Finite element simulation of multipass welding: Full three-dimensional versus generalized plane strain or axisymmetric models. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2005;40(6):587-597. [Link] [DOI:10.1243/030932405X16061]
Jiang W, Yahiaoui K, Hall F. Finite Element Predictions of Temperature Distributions in a Multipass Welded Piping Branch Junction. Journal of Pressure Vessel Technology. 2005;127(1):7-12. [Link] [DOI:10.1115/1.1845450]
Mochizuki M, Hayashi M, Hattori T. Numerical Analysis of Welding Residual Stress and Its Verification Using Neutron Diffraction Measurement. Journal of Engineering Materials and Technology. 1999;122(1):98-103. [Link] [DOI:10.1115/1.482772]
Fricke S, Keim E, Schmidt J. Numerical weld modeling - a method for calculating weld-induced residual stresses. Nuclear Engineering and Design. 2001;206(2-3):139-150. [Link] [DOI:10.1016/S0029-5493(00)00414-3]
Akbari D, Farahani MR, Soltani N. Effects of the weld groove shape and geometry on residual stresses in dissimilar butt-welded pipes. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2012;47(2):73-82. [Link] [DOI:10.1177/0309324711434681]
Goldak J, Chakravarti A, Bibby M. A new finite element model for welding heat sources. Metallurgical Transactions B. 1984;15(2):299-305. [Link] [DOI:10.1007/BF02667333]
ASTM Standard E837-13a. Standard test method for determining residual stresses by the hole-drilling strain-gage method [Internet]. West Conshohocken: ASMT International; 2008 [cited 2018 November 10]. Available from: https://www.astm.org/Standards/E837.htm. [Link]
Vishay Precision Group. Measurement of residual stresses by the hole-drilling* strain gage method [Internet]. Wendell NC: Micro-Measurements; 2010 [cited 2018 November 10]. Available from: http://www.vishaypg.com/docs/11053/tn503.pdf [Link]
Hakkak Zargar S, Farahani MR, Besharati Givi MK. Numerical and experimental investigation on the effects of submerged arc welding sequence on the residual distortion of the fillet welded plates. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture. 2016;230(4):654-661. [Link] [DOI:10.1177/0954405414560038]