ارتباط ریزساختار و خواص مکانیکی با تنش‌های پسماند ناحیه جوش چند پاسه محیطی خطوط لوله 56 اینچ فولادی API X-70

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک، دانشگاه بیرجند

2 دانشکده مکانیک، پردیس فنی، دانشگاه تهران

چکیده

تنش‌های پسماند ناشی از جوش‌کاری باعث کاهش تنش طراحی خطوط لوله قطور و پرفشار انتقال گاز طبیعی می‌شود. در این مطالعه که برای اولین بار در ایران صورت گرفته است، ابتدا دو قطعه لوله 56 اینچ فولادی (از نوع درز جوش مارپیچ) با گرید ایکس 70 و ضخامت 780/0 اینچ بر اساس دستورالعمل ویژه شرکت ملی گاز ایران جوش‌کاری گردید. پس از آن آزمون کرنش سنجی سوراخ بر اساس استاندارد ASTM E 837 انجام شد. سپس برای اطمینان از سلامت جوش، تبدیل کرنش‌های آزاد شده به تنش و تشخیص اثر این تنش‌ها بر رفتار سازه، آزمایش‌های کوانتومتری، متالوگرافی، کشش و ضربه انجام شد. نتایج نشان می‌دهد حداکثر تنش پسماند کششی در مرکز درز جوش و در راستای محیطی سطح خارجی لوله برابر با MPa 318 بوده و بیش از 60 % استحکام تسلیم جوش می‌باشد. در منطقه جوش، عناصر میکروآلیاژی کاهش و میزان کربن افزایش یافته است. در پاس سطح 75% فاز مارتنزیت تمپر نشده مشاهده شده است. افزایش کربن سبب افزایش حجم کریستالی مارتنزیت و در نتیجه کاهش تنش پسماند و همچنین کاهش مقاومت ماده خواهد شد. کاهش استحکام کششی در جوش نیز سبب افزایش درصد تنش پسماند نسبت به استحکام استاتیکی سازه شده است. علاوه بر این کمترین مقاومت به ضربه در راستای محیطی (45J) جوش سر به سر لوله اتفاق افتاده است. بنابراین مرکز درز جوش در راستای محیطی سطح خارجی به عنوان ناحیه بحرانی لوله دارای بیشترین تنش پسماند کششی و درصد فاز مارتنزیت و کمترین عناصر میکروآلیاژی، استحکام تسلیم، کرنش نهایی و مقاومت به ضربه است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Correlation of Microstructural and Mechanical Properties with Residual Stresses in Multi-pass Girth Welding of 56-inche Steel Pipe of Grade API X-70

نویسندگان [English]

  • Majid Sabokrouh 1
  • Seyed Hojat Hashemi 1
  • Mohammadreza Farahani 2
1 Department of Mechanical Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
2 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

The weld residual stresses decrease the design stress in high-pressure large-diameter gas transportation pipelines. In this paper, two API X70 steel pipes (with spiral seam weld) with an outside diameter of 56 inch and a wall thickness of 0.780 inch were first girth welded (according to NIGC code). Next, hole drilling tests were conducted for strain measurement on the surfaces of the pipes. The values of residual stresses on the internal and external surfaces of the pipe were then determined from the measured strain data. To ensure the integrity of the seam weld, different experiments, including chemical analysis, metallographic observation, tensile, and impact tests were performed. The experimental data showed that the maximum tensile residual stress (of the order of 318 MPa) was located on the centre line of the seam weld on the pipe outer surface alongside with the pipe hoop direction. This was more than 60 percent of the yield strength of the seam weld. In the welded zone, micro-alloys content reduced around 75% and un-tempered martensite was observed on the outer weld pass. The carbon content increase resulted in an increase in martensite volume fraction, and thus reduced the residual stress in this region. On the other hand, this effect reduced the material strength. The reduction in material yield strength in the weld caused the increase in residual stress with respect to static yield strength of the pipe. In addition, the minimum Charpy fracture energy (of the order of 45J) was observed in the pipe hoop orientation in the weld center line. Therefore, the external surface of the pipe (weld center line) in its hoop direction with the maximum residual stress, maximum martensite content, minimum micro-alloyed contents, minimum yield strength, minimum elongation and minimum Charpy energy is the critical point in the structure.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Residual Stresses
  • Multi-pass Girth Weld
  • Hole-Drilling Strain Gage Method
  • Microstructural and Mechanical Properties
  • API X70

 

[1]. مقدمه کتاب خلاصه مقالات چهارمین کنفرانس لوله و خطوط انتقال نفت و گاز، شرکت ملی گاز، ایران، 1391.

[2]. New Joining Technology for Metal Pipe in the Construction Industry, Construction Industry Institute & Breakthrough Strategy Committee, Texas, 2003.

[3]. کوکبی ا. ح.، تکنولوژی جوشکاری، نشر آزاده، 1388.

[4]. حائری م.، بررسی متالورژیک عیوب در جوش، نشر کیانا، 1383.

[5]. سبک روح م.، بررسی علل ترک خوردگی جوش در لوله‌های حامل سیال، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه مازندران، ایران، 1387.

[6]. فراهانی م. ر.، بررسی طراحی اتصال جوش بر بزرگی و توزیع تنش‌های پسماند، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، ایران، 1385.

[7]. Bouchard R. P. J., “Validated Residual Stress Profiles for Fracture Assessments of Stainless Steel Pipe Girth Welds”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 84, pp. 195-222, 2007.

[8]. Leggatt R. H., “Residual Stresses in Welded Structures”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 85, pp. 144-151, 2008.

[9]. Kandil F., Lord J., Fry A. and Grant P., Measurement of Residual Stress in Components, A Review of Residual Stress Measurement Methods, NPL Report, 2001.

[10] Handbook of Measurement of Residual Stress, Society for Experimental Mechanics, 1th edition, pp. 2-7, 1996.

[11]. International Welding Engineer, Course According to IIW Guideline IAB-252-07, SLV, Duisburg, 2006.

[12]. Gladman T., The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, Institute of Materials, London, 1997.

[13]. فروزان م. ر.، حیدری ع. و گلستانه س. ج.، شبیه‌سازی اجزای محدود فرآیند جوشکاری زیرپودری لوله‌های API 5L-X70 با درز جوش مستقیم مورد استفاده در صنایع نفت و گاز، استقلال، دوره 28، شماره 1، 1388.

[14]. Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method, ASTM Standard E 837. 

[15]. Leggatt R. H., “Residual Stresses at Girth Welds in Pipes, Welding in Energy Related Projects”, Pergamon, pp. 429–40, 1984.

[16]. سبک روح، م.، هاشمی، س. ح. و فراهانی م. ر.، تعیین تجربی مقدار و توزیع تنش‌های پسماند در جوش چند پاسه محیطی لوله فولادی ترمومکانیکال، پذیرش برای چاپ در سال 1393 نشریه علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک، دانشگاه فردوسی.

[17]. سبک روح م.، بررسی تنش‌های پسماند در جوش سر به سر خطوط لوله انتقال گاز طبیعی ایران، پایان نامه دکتری، دانشگاه بیرجند، ایران، 1392.

[18]. هاشمی س. ح.، سبک روح م. و فراهانی م. ر.، بررسی جوش پذیری اتصال چند پاسه محیطی در لوله فولادی ترمومکانیکال، مجله مهندسی مکانیک مدرس، دانشگاه تربیت مدرس، ایران، 1392.