محاسبة ضرایب شدت تنش ترک‌های سه بعدی نیم بیضوی در لوله‌های با درز جوش طولی تحت بارگذاری مود ترکیبی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی صنایع، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دانشجوی دکتری / دانشکدة علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

3 کارشناس ارشد / دانشکدة فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران جنوب

چکیده

لوله‌های با درز جوش طولی از جمله انواع متداول لوله‌های مورد استفاده در صنایعی چون نفت، گاز، پتروشیمی و پالایشگاهی‌اند. واماندگی و شکست این دسته از لوله‌ها عمدتاً به‌واسطة رشد ترک‌ها و ناخالصی‌های موجود در ناحیة جوش یا ناحیة متأثر از حرارت می‌باشد. در این مقاله، پس از ارائة حل تحلیلی برای تعیین ضرایب شدت تنش ترک‌های موجود در لوله‌ها، برای شناسایی بحرانی‌ترین ترک‌ در لوله‌های با درز جوش طولی، تعدادی ترک سه‏بعدی نیم‏بیضوی طولی با نسبت منظرهای 0/5 الی 1 در امتداد خط جوش و در جداره‌های داخلی و خارجی لوله در نرم‌افزار آباکوس مدل می‌شوند و ضرایب شدت تنش مود 1، 2 و 3 این ترک‌ها در سرتاسر جبهة ترک تحت بارگذاری توأمان فشار داخلی و پیچش محاسبه می‌شوند. بر اساس نتایج حاصل مشخص می‌شود که تأثیر هر سه مود بارگذاری بر رفتار شکست این لوله‌ها مؤثر است و عامل فشار داخلی درون این لوله‌ها مهمتر از سایر پارامترها در رشد ترک‌های طولی ایجادشده می‌باشد. همچنین از نتایج چنین برمی‌آید که ترک‌های طولی داخلی به‌عنوان بحرانی‌ترین ترک‌ها در لوله‌های با درز جوش طولی شناخته می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Determination of mixed mode stress intensity factors for longitudinally seam weld pipes containing 3D semi elliptical cracks

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Mohammad Aliha 1
  • Seyed Mohammad Navid Ghoreishi 2
  • Hassan Farahbakhsh 3
چکیده [English]

Longitudinally seam welded pipes are frequently used in the oil and gas industries. Failure of such pipes may be occurred due to the crack growth initiated in the weld zone. At service conditions, cracks existing in these pipes usually experience complex tensile-shear deformations. For estimating the onset of fracture in the cracked pipes during their service life it is necessary to obtain the stress intensity factors. Hence in this paper, several 3D semi elliptical cracks initiated longitudinally along the weld line in the outer and inner wall of a welded pipe with different aspect ratios ranging from 0.5 to 1 are analyzed using ABAQUS software. It is shown that the contribution of all three modes (KI, KII and KIII) may affect significantly the onset of fracture in the investigated pipes. However, the effect of mode I deformation (KI) is more pronounced than the shear mode deformations (KII and KIII). It was also shown that the value of equivalent stress intensity factor in the inner wall is greater than the outer wall of cracked pipe.

کلیدواژه‌ها [English]

  • longitudinally seam weld pipe
  • semi elliptical crack
  • Stress intensity factors
  • mixed mode loading
  • finite element method

[1] Powell, G.W., Metals handbook: Failure analysis and prevention, Asm Intl, 1986.

[2] Halmshaw, R. “Introduction to the non-destructive testing of welded joints.” Elsevier, 1997.

[3] Newman, J.C., I. Raju. “Stress-intensity factors for internal surface cracks in cylindrical pressure vessels.” Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 102, No. 4, 1980, pp. 342-346.

[4] Raju, I., J. Newman. “Stress-intensity factors for internal and external surface cracks in cylindrical vessels.” Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 104, No. 4, 1982, pp. 293-298.

[5] Atluri, S. N., K. Kathiresan. “3D analyses of surface flaws in thick-walled reactor pressure-vessels using displacement-hybrid finite element method.” Nuclear Engineering and Design, Vol. 51, No. 2, 1979, pp. 163-176.

[6] McGowan, J., M. Raymund. “Stress intensity factor solutions for internal longitudinal semi-elliptical surface flaws in a cylinder under arbitrary loadings.” ASTM STP, Vol. 677, 1979, pp. 365-380.

[7] کاوه، زهره، مجیدرضا آیت اللهی. "محاسبه ضرایب شدت تنش مود Ι بارگذاری برای قطعه خمش سه نقطه‌ای شیاردار." مهندسی مکانیک مدرس 13 (5)، 1392، ص. 82-74.

[8] شهر آئینی، سید ایمان، سید حجت هاشمی. "بررسی اثر تغییرات طول و عمق ترک سطحی نیم‌بیضوی بر ایمنی لوله فولادی انتقال گاز." مهندسی مکانیک مدرس 14 (5)، 1393، ص. 32-26.

[9] نظری، محمد باقر، امید عاصمی. "ضریب شدت تنش برای ترک نیم‌بیضوی طولی در یک استوانه جدار ضخیم تحت بارگذاری حرارتی هذلولی." مهندسی مکانیک مدرس 14 (16)، 1393، ص. 151-143.

[10] نبوی، سید مهدی، کریم علیپور، فاضل رحیمی. "اثر انتقال حرارت جابه‌جایی اجباری بر ضرایب شدت تنش گذرا در ترک‌های نیم‌دایروی طولی در استوانه‌ها." دانش و فناوری هوافضا 3 (2)، 1393، ص. 75-65.

[11] Alipour, K., S.M. Nabavi, F. Rahimi. “Local thermal stress intensity factors for an axial semi-elliptical crack in a hollow cylinder using the finite element method.” Strength, Fracture and Complexity, 8.3, 2014, pp. 167-178.

[12] Benhamena, A., B.B. Bouiadjra, A. Amrouche, G. Mesmacque, N. Benseddiq M. Benguediab. “Three finite element analysis of semi-elliptical crack in high density poly-ethylene pipe subjected to internal pressure.” Materials & Design, 31.6, 2010, pp. 3038-3043.

[13] Erdogan, F., G. Sih. “On the crack extension in plates under plane loading and transverse shear.” Journal of Fluids Engineering, Vol. 85, No. 4, 1963, pp. 519-525.

[14] Sih, G. C. Methods of analysis and solutions of crack problems, Springer, 1973.

[15] Hussain, M., S. Pu, J. Underwood. “Strain energy release rate for a crack under combined mode I and mode II.” Fracture analysis, Vol. 560 (1), 1974.

[16] O'donoghue, P. E., T., Nishioka, S.N. Atluri. “Multiple surface cracks in pressure vessels.” Engineering Fracture Mechanics, 20(3), 1984, pp. 545-560.

[17] قره‌باغی، حسین. "محاسبة عددی ضریب شدت تنش استوانه‏های جدار نازک جوشکاری شده آلومینیومی ترک‏دار درمعرض فشار داخلی و تنش‏های پسماند"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه علم و صنعت. 1390.

[18] Lin, X., R. Smith. “Fatigue growth prediction of internal surface cracks in pressure vessels.” Journal of pressure vessel technology, Vol. 120, No. 1, 1998, pp. 17-23.

[19] Knott. J. F. “Fundamentals of fracture mechanics.” Gruppo Italiano Frattura, 1973.

[20] Broek, D. “Elementary engineering fracture mechanics.” Springer Science & Business Media, 1982.

[21] Anderson, T.L., Fracturemechanics:fundamentals and applications, CRC press, 2005.