Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,MohammadReza Forouzan
محمد مشایخی (استاد راهنما) محمدرضا فروزان (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hadi Hedayati
هادی هدایتی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Effect of Welding Sequence and Hydrotest Process on Welding Residual Stresses in SUS304 Stainless Steel Pipes
Weld joints often contain various types of flaws such as slag inclusions, gas pores or stick spots. From such flaws during the service, cracks can initiate, grow slowly and finally lead to failure. Fatigue behavior of a welded structure is complicated by many factors intrinsic to the nature of welded joints. Among these effects, the residual stresses as consequence of thermal multi-pass welding cycles can be a dominant effect on fatigue crack propagation. Tensile residual stresses are generally detrimental, increasing the susceptibility of a weld to fatigue damage, stress corrosion cracking and fracture. When assessing the risk for growth of defects such as surface flaws in piping systems, the welding residual stress may give a large contribution to the total stress field than stress caused by design loads. Moreover, in order to prevent inter-granular stress corrosion cracking in the root area of welds in stainless steel pipes, it is necessary to satisfy certain requirements concerning process condition, material properties and welding residual stress. Therefore, a good estimation of the welding residual stress fields is then needed. In the present study, temperature fields and residual stress states in the weld joints of SUS304 stainless steel pipes are computed numerically using a thermo-elasto-plastic analysis. This weld joint is a circumferential butt-weld joint and is done in two passes using gas tungsten arc welding. Welding procedure is simulated in two and three dimensions using a subroutine developed in finite element ABAQUS software for applying heat flux. The applied heat flux is represented by a double ellipsoid model. Futhermore, the element birth and death technique is used to simulate weld passes and filler metal deposition into the weld pool. When the simulation is done, the effect of welding sequence on welding residual stresses are considered using four different welding sequences proposed. Finally, the effect of hydrotese process in decreasing the residual stresses is evaluated. To verify the validity of simulation results, they are compared with the results of the experimental measurements of residual stresses attained by hole drilling method. As the results of the simulation show, selecting a suitable welding sequence can substantially decrease the amount of tensial residual stresses and can change them to compressive stresses in certain situations. Also the results of this research show that applying a hydrotest pressure after welding process can reduce welding residual stresses up to 70%. Key Words multi-pass welding process, welding residual stresses, element birth and death, welding sequence, hydrotest process.
اتصالات جوشی معمولاً با عیوب مختلفی از جمله ذرات سرباره، تخلخل یا مُک و پیرتردی همراه هستند. این عیوب می‌توانند منشا شکل‌گیری ترک‌هایی باشند که هنگام سرویس‌دهی قطعه در آن شکل گرفته و به آرامی رشد کرده و در نهایت منجر به شکست قطعه ‌گردند. رفتار خستگی یک سازه‌ی جوشکاری شده بواسطه‌ی پارامترهای زیادی که به طبیعت اتصالات جوشکاری شده وابسته است، از پیچیدگی‌های فراوانی برخوردار است. در این میان تنش‌های پسماند به عنوان یکی از اثرات حاصل از سیکل‌های‌ حرارتی در جوشکاری‌های چند‌پاسه، تاثیر غالبی بر رشد ترک خستگی دارد. تنش‌های پسماند کششی معمولاًً زیانبار بوده و سازه‌های جوشکاری شده را نسبت به آسیب خستگی، ترک‌خوردگی تنشی و شکست مستعد می‌سازند. در مواردی که احتمال رشد عیوبی از جمله ترک‌های سطحی در سیستم‌های لوله‌کشی وجود دارد، تنش‌های پسماند جوشی در مقایسه با تنش‌های ناشی از بارهای طراحی سهم زیادی را در میدان تنش‌ کلی دارا هستند. به علاوه به منظور جلوگیری از بروز ترک‌خوردگی تنشی میان‌دانه‌ای در ریشه جوش در لوله‌های فولادی زنگ‌نزن لازم است تا نیازمندی‌های خاصی در ارتباط با شرایط کاری، خواص مواد و تنش‌های پسماند جوشی برآورده گردد. از این رو به دست آوردن تخمینی مناسب از میدان تنش‌های پسماند جوشی ضروری می‌باشد. در تحقیق حاضر میدان‌های دمایی و تنش‌های پسماند ایجاد شده در اتصالات جوشی لوله‌های فولادی زنگ‌نزن SUS304 با انجام یک تحلیل ترمو- الاستیک- پلاستیک به صورت عددی محاسبه شده است. این اتصال جوشی، یک اتصال لب به لب محیطی بوده که در دو پاس و به روش جوشکاری قوس تنگستنی با گاز محافظ صورت گرفته است. فرآیند جوشکاری به صورت دوبعدی و سه‌بعدی در نرم‌افزار اجزای محدود ABAQUS به کمک یک زیر‌برنامه به منظور اعمال شار حرارتی به مدل شبیه‌‌سازی شده است. شار اعمالی از نوع دو‌بیضی است. همچنین جهت مدل‌سازی پاس‌های جوشی و ورود المان‌های مذاب به داخل حوضچه‌ی جوش از تکنیک تولّد و مرگ المان‌ها استفاده شده است. پس از مدل‌سازی فرآیند فوق، تاثیر ترتیب جوشکاری بر شکل‌گیری تنش‌های پسماند در لوله با در نظر گرفتن 4 نوع حرکت پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها نیز فرآیند تاثیر فرآیند هیدروتست پس از جوشکاری بر کاهش این تنش‌ها ارزیابی شده است. جهت ارزیابی صحت نتایج به دست آمده، نتایج حاصل از شبیه‌سازی مدل فوق با نتایج حاصل از اندازه‌گیری تجربی تنش‌های پسماند با استفاده از روش کرنش‌سنجی سوراخ مقایسه شده است. بررسی نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد که انتخاب ترتیب مناسب جوشکاری می‌تواند تا حدود زیادی تنش‌های پسماند کششی را کاهش و در مواقعی آن‌ها را به تنش‌های فشاری تبدیل نماید. همچنین، نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که بارگذاری هیدروتست پس از فرآیند جوشکاری می‌تواند تا 70% تنش‌های پسماند جوشی را کاهش دهد. کلمات کلیدی: فرآیند جوشکاری چند‌پاسه، تنش‌های پسماند جوشی، تولد و مرگ المان، ترتیب جوشکاری، فرآیند هیدروتست.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی