مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی عددی جوشکاری زیرپودری مارپیچ در لوله فولادی انتقال گاز از نوع API X70

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
چکیده
تنش‌های پسماند ناشی از جوشکاری باعث کاهش تنش طراحی در خطوط لوله قطور و پر فشار انتقال گاز طبیعی می‌شود. لوله مورد بررسی از نوع API X۷۰ با قطر خارجی و ضخامت ۱۴۲/۳ و ۱/۹۸سانتی‌متر است. برای اندازه‌گیری تنش‌های پسماند در این لوله از آزمایش کرنش‌سنجی سوراخ استفاده می‌شود. با توجه به ابعاد بزرگ لوله و اینکه حمل‌ونقل آن برای انجام آزمون کرنش‌سنجی سوراخ مشکل است جداسازی یک نمونه محدود از آن بسیار مناسب است. در پژوهش حاضر ابعاد این نمونه با ابعاد محدود بررسی می‌شود سپس شبیه‌سازی جوشکاری در نمونه جداشده انجام و تنش‌های پسماند از جمله تنش پسماند به‌منظور ضخامت برای اولین بار ارایه می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که جداسازی نمونه استاندارد با ابعاد ۴۴×۳۲سانتی‌متر به‌منظور اندازه‌گیری تنش پسماند در لوله فولادی مطلوب است. موقعیت و میزان تنش پسماند کششی و فشاری بیشینه در لوله به دست آمده و تغییرات تنش‌های پسماند محیطی و طولی در سطوح داخلی و خارجی و در نواحی مختلف جوش بررسی می‌شود. همچنین صحت‌سنجی نتایج به دست آمده با نتایج اندازه‌گیری تنش پسماند در لوله از همین نوع فولاد با هندسه مشابه در مقیاس صنعتی انجام می‌شود. نتایج نشان داد که حداکثر تنش پسماند در سطح داخلی لوله در جهت طولی برابر ۴۶۰مگاپاسکال (۹۶% تنش تسلیم) بوده و پس از آزمون فشار مایع ایستا به ۲۰۰مگاپاسکال (۴۲% تنش تسلیم) تقلیل یافته است. به دلیل اینکه این مقدار کمتر از نصف تنش تسلیم است روش کرنش‌سنجی سوراخ پس از آزمون فشار مایع ایستا معتبر است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Simulation of Submerged Spiral Arc Welding on API X70 Gas Transmission Steel Pipe

نویسندگان English

M. Rajabi
S.H. Hashemi
Mechanical Engineering Department, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده English

Welding residual stresses decrease designing stress in natural gas transmission pipes with large diameter under high internal pressure. The outside diameter and wall thickness of API X70 steel in this research are 1423 and 19.8 millimeter. Hole drilling is the most common technique in order to measure residual stresses. Because of large diameter of this pipe, its transportation to conduct hole drilling test is a big problem so cutting a finite sample is desired. In this study standard dimension of this sample plate is analyzed and simulation of welding process is done from which and residual stresses in different directions are obtained. Residual stresses in the thickness direction is presented for the first time. The results showed separating a finite sample with the size of 320×440 millimeter is appropriate to do hole drilling test. The location and amount of the maximum residual stress is evaluated and compared for both simulation and experimental samples. Variation in hoop and longitudinal residual stresses on both internal and external surfaces of pipe samples are investigated. Also validation of simulation results with the experimental results of the same pipe is perfomed. Maximum residual stress (460MPa) is measured on inner surface of the pipe (96 percent of yield stress) which is reduced to 200MPa (42 percent of yield stress) after hydrostatic test. Because residual stress after hydrostatic test is lower than half of yield stress, hole drilling technique is validated after hydrostatic test.

کلیدواژه‌ها English

Residual Stress
spiral welded pipe
hole drilling technique
natural gas transmission pipes
API X70
Schajer GS. Residual stresses: Measurement by destructive testing. International Journal of Materials Science and Engineering. 2016;2(1):1-10. [Link] [DOI:10.1016/B978-0-12-803581-8.03039-3]
Majzoobi GH, Seifi R, Ali-akbar S. Exprimental and numerical study of temperature distibution and determination of residual stresses due to welding of plates. Journal of Modeling in Engineering. 2012;9(27):49-59. [Persian] [Link]
Sattari-Far I, Farahani MR. Effect of the weld groove shape and pass number on residual stresses in butt-welded pipes. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2009;86(11):723-731. [Link] [DOI:10.1016/j.ijpvp.2009.07.007]
Forouzan MR, Mirfalah Nasiri SM, Mokhtari A, Heidari A, Golestaneh SJ. Residual stress prediction in submerged arc welded spiral pipes. Materials & Design. 2012;33:384-394. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2011.04.016]
Nakhodchi S, Shokuhfar A, Akbari Iraj S, Rezazadeh H. Numerical and Experimental study of temperature and residual stress in multi-pass welding of two stainless steel plates having different. Modares Mechanical Engineering. 2014;14(9):81-89. [Persian]. [Link]
Sabokrouh M, Hashemi SH, Farahani MR. Experimental determination of residual stresses in multi-pass girth welding of thermo-mechanical steel pipe. Journal of Applied and computational Sciences in Mechanics. 2013;25(2 Suppl 10):111-120. [Persian] [Link]
Charkhi M, Akbari D. Application of pre-heating in the reduction of residual stress in the repair welds of steel pipes. Modares Mechanical Engineering. 2018;17(2):1-10. [Persian] [Link]
Qiang B, Yadong L, Yao C, Wang X. Through-thickness welding residual stress and its effect on stress intensity factor for semi-elliptical surface cracks in butt-welded steel plate. Engineering Fracture Mechanics. 2018;193:17-31. [Link] [DOI:10.1016/j.engfracmech.2018.02.016]
Hashemi SH, Mohammadyani 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]
Withers PJ, Bhadeshia HKDH. Residual stress, part 1 - measurement techniques. Materials Science and Technology. 2001;17(4):355-365. [Link] [DOI:10.1179/026708301101509980]
Breakthrough Strategy Committee. New joining technology for metal pipe in the construction industry. Unknown City Publisher: Breakthrough Strategy Committee; 2003. [Link]
Nezamdost MR, Nekouie Esfahani MR, Hashemi SH, Mirbozorgi SA. Investigation of temperature and residual stresses field of submerged arc welding by finite element method and experiments. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016;87(1-4):615-624. [Link] [DOI:10.1007/s00170-016-8509-4]
Huang X, Liu Z, Xie H. Recent Progress in residual stress measurement techniques. Acta Mechanica Solida Sinica. 2013;26(6):570-583. [Link] [DOI:10.1016/S0894-9166(14)60002-1]
ASTM International. ASTM E837-13a, standard test method for determining residual stresses by the hole-drilling strain-gage method. Volume 03.01. West Conshohocken: ASTM International; 2013. [Link]
Sedighi M, Nezamnezhad R. Effect of peak positioning method on accuracy of X-Ray diffraction residual stress measurement. Exprimental Techniques. 2016;40(1):295-302. [Link] [DOI:10.1007/s40799-016-0033-9]
Masoumi M, Herculano LFG, Abreu HFGd. Study of texture and microstructure evaluation of steel API 5L X70 under various thermomechanical cycles. Materials Science & Engineering: A. 2015;639:550-558. [Link] [DOI:10.1016/j.msea.2015.05.020]
American Water Work Association. C200-75: AWWA standard for steel water pipe 6 inches and larger. Denver: AWWA; 1975. [Link]
Iranian Petroleum Standard. Material and eqipment standard for line pipe, IPS-M-PI-190. 2nd Edition. Tehran: Iranian Petroleum Standards; 2004. [Link]