شبيه‌سازي توزيع تنش‌هاي پسماند در جوش سربه‌سر خطوط انتقال گاز طبيعي

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

وجود تنش‌هاي پسماند باعث كاهش مقدار تنش طراحي مجاز در خطوط انتقال گاز مي‌شود. در اين مقاله ابتدا دو قطعه لوله فولادي X70 با قطر 56 اينچ به روش دستي جوشكاري شد. سپس آزمون تجربي كرنش‌سنجي سوراخ براي ارزيابي توزيع تنش‌هاي پسماند در اين اتصال انجام شد. در ادامه، شبيه‌سازي المان محدود فرآيند جوشكاري براي ارزيابي دقيق توزيع تنش‌هاي پسماند در اين اتصال انجام شد كه نتايج آن با مقايسه با نتايج تجربي صحه‌گذاري شد. نتايج كيفي به‌دست‌آمده به ميزان مناسبي با نتايج آزمايشگاهي همخواني دارد. نتايج شبيه‌سازي (با اختلاف 15% نسبت به نتايج تجربي) حداكثر تنش پسماند را در راستاي محيطي درز جوش خارجي لوله ارزيابي نمود. نتايج تجربي نشان داد كه حداكثر تنش پسماند كششي در مركز ناحيه جوش و در راستاي محيطي سطح خارجي لوله به وجود آمده است. همچنين حداكثر تنش پسماند فشاري در راستاهاي محيطي و محوري سطح داخلي لوله در منطقه متاثر از حرارت جوش قرار دارد. تغييرات تنش‌هاي پسماند محيطي در سطوح داخل و خارج لوله رفتارهاي مشابه داشته و اين تنش‌ها در مركز ناحيه جوش به‌صورت كششي است. اما با فاصله‌گرفتن از مركز ناحيه جوش رفتاري متضاد (در سطح خارج لوله به‌صورت كششي و در سطح داخل آن به صورت فشاري) مشاهده شد.

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.