بررسی تنش های پسماند در جوش سر به سر خطوط لوله انتقال گاز طبیعی ایران
چکیده
در این رساله ابتدا دو قطعه لوله فولادی api x70 (از نوع درز جوش مارپیچ) با قطر 56 و ضخامت 780/0 اینچ بر اساس دستورالعمل ویژه شرکت ملی گاز ایران به روش دستی جوشکاری گردید. پس از آن آزمایش کرنش¬سنجی سوراخ روی سطوح خارجی و داخلی لوله بر اساس استاندارد astm e837 انجام شد. سپس مقادیر تنش پسماند با استفاده از این اطلاعات محاسبه گردید. نتایج تجربی نشان داد، حداکثر تنش پسماند کششی در مرکز ناحیه جوش و در راستای محیطی سطح خارجی لوله به وجود آمده است. همچنین حداکثر تنش پسماند فشاری در راستاهای محیطی و محوری سطح داخلی لوله و تقریبا در فاصله 30 میلی¬متر از مرکز ناحیه جوش قرار دارد. تغییرات تنش¬های پسماند محیطی در سطوح داخل و خارج لوله رفتارهای مشابه داشته و این تنش¬ها در مرکز ناحیه جوش به صورت کششی است. مقادیر این تنش¬ها در مرکز ناحیه جوش سطوح خارجی و داخلی لوله به ترتیب برابر 318 و 191 مگاپاسکال است. تنش¬های پسماند در منطقه متاثر از حرارت به صورت فشاری است. بیشترین مقدار تنش پسماند محوری در منطقه متاثر از حرارت در حدود 137مگاپاسکال است. تنش¬های پسماند محوری در ناحیه جوش سطوح داخل و خارج لوله نزدیک به هم و به صورت فشاری است، اما با فاصله گرفتن از مرکز ناحیه جوش رفتاری متضاد (در سطح خارج لوله به صورت کششی و در سطح داخل آن به صورت فشاری) مشاهده گردید. سپس خواص متالورژیکی و مکانیکی نواحی جوش و منطقه متاثر از حرارت با استفاده از آزمایش-های طیف¬سنجی فلورسانس پرتو ایکس، کوانتومتری، متالوگرافی سیاه و سفید و رنگی، میکروسکپ الکترونی روبشی، کشش، ضربه و سختی¬سنجی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد، جوش محیطی دارای استحکام و انرژی ضربه لازم مطابق استانداردهای صنعتی است. تصاویر حاصل از آزمایش متالوگرافی نشان داد، نواحی مختلف جوش از نظر فاز و ریزساختار کاملا با هم متفاوت است. نتایج آزمایش سختی¬سنجی کمترین و بیشترین میزان سختی را به ترتیب در منطقه متاثر از حرارت و مرکز ناحیه جوش محیطی ارزیابی نمود. افزایش کربن در ناحیه جوش سبب افزایش حجم ساختار بلوری فاز مارتنزیت شده و در نتیجه باعث کاهش تنش پسماند و از سوی دیگر باعث ترد شدن و کاهش مقاومت به ضربه ماده گردیده است. کاهش استحکام کششی در ناحیه جوش نیز سبب افزایش درصد تنش پسماند نسبت به استحکام استاتیکی سازه شده است. علاوه بر این کمترین مقاومت به ضربه در راستای محیطی ناحیه جوش سر به سر لوله اتفاق افتاده است. بنابر این ناحیه جوش در راستای محیطی روی سطح خارجی لوله به عنوان منطقه بحرانی لوله دارای بیشترین تنش پسماند کششی، بیشترین درصد فاز مارتنزیت ترد، کمترین عناصر میکروآلیاژی، کمترین استحکام تسلیم، کمترین ازدیاد طول نسبی و کمترین مقاومت به ضربه است. سپس برای اولین بار از ترکیب نتایج آزمایش¬های سختی¬سنجی و تنش¬های پسماند در نقاط مشخص، چهار معیار بی¬بعد جهت تعیین رفتار مکانیکی واقعی سازه ارائه شد. با استفاده از این اعداد بی-بعد، روند تغییر استحکام استاتیکی و مقاومت به ضربه در نواحی جوش و منطقه متاثر از حرارت مطالعه گردید. همچنین توزیع تنش¬های پسماند با استفاده از توابع چند جمله¬ای و اسپلاین ارزیابی شد.