SUPERVISOR
Mahmoud Farzin,MohammadReza Forouzan
محمود فرزین (استاد راهنما) محمدرضا فروزان (استاد مشاور)
STUDENT
Majid Vasegh
مجید واثق
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Stress Analysis Due to Transient Heat Transfer in Pressure Vessels and Ratcheting Study in Pressure Vessels Considering Nonlinear Combined Hardening
Due to the widespread use of pressure vessels in various industries such as refineries, petrochemical industries, oil and gas, power generation, it is important to analyze these vessels in terms of temperature endurance and load. In many applications the vessel experiences different types of uniform and cyclic pressure or temperature loads. Therefore, the effect of temperature and pressure individually and/or in combination, on the vessel, is important. In many applications, the effects of pressure and temperature are usually considered by applying compressive pre-stress on the vessel. The materials used in the manufacture of these vessels usually are alloy steels, such as nickel-chrome with high strength. The material considered in this study with such strength was DIN 1.6959 steel. Stress analysis in the cylinder in the area of elastic and plastic was carried out under operating temperatures and pressures. The stress distribution through the cylinder thickness obtained in three load types including temperature, pressure and the combination of them, then the results are compared. Although the average value of Mises stress in the case of combination load is more than temperature load case, stress gradient in the thickness of cylinder is much stronger and the value of Mises stress on the inner surface is higher in the latter case. As a result, it can be concluded that sequence of temperature and pressure load is important in the system. For the validation of simulation of transient heat transfer with finite element software a semi-analytical solution was used to achieve transient stress and temperature distribution. A good agreement was observed between the semi-analytical and FE simulation results. To model the real behavior of material and considering Bauschinger effect, different linear and nonlinear hardening models were investigated in this study. Then, simulation of ratcheting in the cylindrical pressure vessel with nonlinear kinematic and isotropic hardening was performed. To use these non-linear mixed models, UMAT subroutines were used in simulations, and the simulation results of these subroutines used in the material model, were compared with experimental results of the same material in published articles for validation. Heat treatment was performed on the test specimens DIN 1.6959 and grips (grips material was considered hot work steel DIN 1.2344). For doing heat treatment on the test specimens, salt bath was used. To obtain material properties, tensile test samples of investigated material were prepared and then tension tests were performed in four different temperatures. To perform cyclic tension-compression tests at elevated temperatures, a back-lash free high-temperature tension-compression test equipment was designed and built. Then, tension-compression tests were conducted on the material DIN 1.6959. After doing heat treatment and cyclic tests on the samples, it was observed that the material softening occurs on the specimens. Isotropic and kinematic hardening parameters obtained according to abaqus help procedure, and simulation of vessels under cyclic temperature and pressure load performed with these material constant. Due to non-proportional loading on the vessel, as a result of temperature, pressure, and temperature-pressure operation on the vessel geometry, according to the stress and strain charts obtained, it can be concluded that the ratcheting occurs in the pressure vessels. Keywords: Thick Pressure Vessel, DIN 1.6959, Inside Pressure, Finite Element Simulation, Ratcheting Phenomena, Non-linear Combined Hardening, Subroutine UMAT, Thermo-Mechanical Test
با توجه به کاربرد گسترده مخزن های تحت فشار در صنایع مختلف مانند صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی، نفت و گاز، نیروگاهی و غیره اهمیت تجزیه و تحلیل این مخزن ها از نظر تحمل دما و نیرو قابل ملاحظه می باشد. یکی از کاربردهای صنعتی مخزن های تحت فشار استفاده در پرس های ایزواستاتیک گرم و سرد می باشد. در این نوع کاربردها مخزن، بارگذاری های مختلف فشاری و دمایی یکنواخت و چرخه ای را تجربه می کند. بنابراین، بررسی اثر بار دما و فشار روی مخزن، به صورت جداگانه و ترکیبی مهم می باشد. به دلیل بالا بودن فشار و دما در این کاربردها، معمولاً با استفاده از روش هایی به مخزن پیش-تنش فشاری اعمال می شود. یکی از این روش ها پیچش سیم پیرامون مخزن است. هم چنین برای خنک سازی مخزن در برابر تغییرات شدید دما از آبگرد پیرامون مخزن استفاده می شود. در این پروژه مدل سازی سیم پیچ و آبگرد انجام شده است. مواد به کار برده شده در ساخت این مخزن ها معمولاً فولادهای آلیاژی نیکل-کروم با استحکام بالا می باشند. ماده ای که در این پژوهش در نظر گرفته شده فولاد DIN 1.6959 می باشد که از جمله فولادهای با استحکام بالا به شمار می رود. تحلیل تنش مخزن در ناحیه ی الاستیک و پلاستیک تحت دما و فشار کاری انجام شده است. توزیع تنش در سه حالت بار دمایی ، فشاری و حالت ترکیبی بدست آمد و باهم مقایسه شد. با اینکه مقدار متوسط تنش در حالت بار ترکیبی نسبت به بار دمایی بیشتر است، در حالت بار دمایی توزیع تنش در ضخامت استوانه خیلی شدیدتر است و هم چنین مقدار تنش در سطح داخلی از حالت ترکیبی بیشتر می باشد. یعنی می توان نتیجه گرفت که ترتیب اعمال بار دما و فشار در سیستم مهم می باشد. برای مدل سازی رفتار واقعی مواد و در نظر گرفتن اثر باشینگر مدل های مختلف سخت شوندگی خطی و غیر خطی در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفته اند. پس از آن، شبیه سازی رچتینگ در مخزن های تحت فشار جداره-ضخیم با استفاده از مدل سخت شوندگی ترکیبی غیر خطی انجام شده است. برای استفاده از این مدل ترکیبی غیر خطی از زیربرنامه ی UMAT کمک گرفته شد، که این زیر برنامه برای صحت سنجی در یک مدل ماده به کار برده شد و نتایج شبیه سازی این مدل ماده با نتایج آزمایشگاهی همان ماده در مقالات مقایسه گردید. عملیات حرارتی روی نمونه آزمون DIN 1.6959 و فک ها (جنس فک ها فولاد گرم کار DIN 1.2344 درنظر گرفته شد) انجام شد. برای انجام عملیات حرارتی روی نمونه آزمون از حمام نمک کمک گرفته شد. برای به دست آوردن خواص ماده مورد بررسی ابتدا نمونه های دمبلی شکل از ماده مورد بررسی ساخته شد وآزمون کشش در 4 دمای مختلف روی نمونه ها انجام شد. برای انجام آزمون کشش-فشار در 4 دمای مختلف تجهیز انجام آزمون کشش-فشار در دمای بالا طراحی و ساخته شد. و در ادامه آزمون چرخه ای کشش-فشار کرنش کنترل روی ماده DIN 1.6959 انجام شد. بعد از انجام عملیات حرارتی و انجام آزمون چرخه ای روی نمونه ها نتیجه گرفته شد که در ماده نرم شوندگی اتفاق می افتد. ثوابت سخت شوندگی همسان و سینماتیک استخراج شد و شبیه سازی مخزن تحت بار چرخه ای دما و فشار با این ثوابت ماده انجام شد.با توجه به اینکه بارگذاری در هندسه مخزن از نوع بارگذاری غیر تناسبی است در شرایط اعمال بار دما، فشار و دما-فشار به هندسه مخزن، با توجه به نمودار های تنش و کرنش بدست آمده می توان نتیجه گرفت که در این شرایط بارگذاری، رچتینگ در مخزن اتفاق می افتد. کلمات کلیدی: مخزن تحت فشار جداره-ضخیم، فشار داخلی، فولاد DIN 1.6959، شبیه سازی اجزای محدود، تنش گرمایی، پدیده ی رچتینگ، سخت شوندگی ترکیبی غیرخطی.