Title of article :
Effect of Residual Stress on Failure of Tube-to-tubesheet Weld in Heat Exchangers
Author/Authors :
Farrahi, G.H School of Mechanical Engineering - Sharif University of Technology, Tehran, Iran , Minaii, K School of Mechanical Engineering - Sharif University of Technology, Tehran, Iran , Chamani, M School of Mechanical Engineering - Sharif University of Technology, Tehran, Iran , Mahmoudi, A.H Mechanical Engineering Department - Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
Abstract :
In a shell and tube heat exchanger, the failure of tube-to-tubesheet welds results in high-pressure water jet which erodes the refractory in front of the tubesheet. Finite element method was employed to simulate the welding process and post weld heat treatment (PWHT) to find the factors affecting the failure in tube-to-tubesheet weldments. Residual stresses in two different geometries of tube-to-tubesheet weldment were calculated through uncoupled thermal-structural analysis. The results showed that the values of residual stresses are higher in heat exchanger of site 1 than site 2 due to more weld passes and geometry of connection. Also, the maximum stress in site 1 occurs at the shellside face of tubesheet while it is on the weld toe in site 2. High tensile residual stresses, especially in Site 1, reduce the tubesheet life. Therefore, performing an efficient PWHT is vital. The PWHT simulation indicated that the process designed is effective for both sites by reducing the residual stress significantly. In addition, the effect of stress concentration was examined on both sites. Moreover, the stress concentration factor in site 1 is as twice as in site 2 and it is the main reason for more failures in site 1.
Farsi abstract :
در يك مبدل حرارتي پوسته و لوله خرابي در اتصال جوشي لوله به تيوبشيت منجر به ايجاد جت آب پرفشار مي شود كه
سبب خرابي عايق مقابل تيوب شيت مي گردد. جهت بررسي دلايل ايجاد اين خرابي، اتصال جوشي لوله به تيوب شيت و
عمليات حرارتي بعد از جوشكاري با استفاده از روش المان محدود مدل سازي شده است. با انجام تحليل حرارتي-سازهاي
غيركوپل تنشهاي پسماند و اعوجاج لوله و تيوب شيت در دو مبدل حرارتي با هندسه اتصال لوله به تيوب شيت متفاوت
محاسبه گرديد. با بررسي و مقايسه تنش هاي پسماند در هر دو سايت مشخص شد كه تنش پسماند در مبدل سايت 1 بيشتر
از سايت 2 بوده كه ناشي از تعداد پاس هاي بيشتر و هندسه اتصال است. همچنين بيشينه تنش در سايت 1 روي سطح تيوب
شيت و در سمت لوله ها روي مي دهد در حالي كه در سايت 2 در محل گرده جوش بيشينه تنش مشاهده ميشود. مقادير بالاي
تنش پسماند كششي خصوصا در سايت 1 عمر تيوب شيت را كاهش مي دهد، به همين جهت انجام يك عمليات حرارتي
مناسب پس از جوش، امري اجتناب ناپذير است. با شبيه سازي فرآيند عمليات حرارتي اين نتيجه بدست آمد كه عمليات
حرارتي طراحي شده براي هر دو سايت بطور موثر عمل مي كند و ميزان تنش ها را بطور قابل ملاحظه اي كاهش مي دهد.
علاوه بر اين با بررسي اثر ضريب تمركز تنش در سايت 1 و 2 اين نتيجه حاصل شد كه ضريب تمركز تنش در سايت 1
تقريباً دو برابر سايت 2 است كه يكي از دلايل بروز خرابي بيشتر در مبدل سايت 1 مي باشد.
Keywords :
Stress Concentration Factor , Heat Exchanger , Post Weld Heat Treatment , Residual Stress