ارتباط ريزساختار و خواص مكانيكي با تنش‌هاي پسماند ناحيه جوش چند پاسه محيطي خطوط لوله 56 اينچ فولادي API X-70

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

تنش‌هاي پسماند ناشي از جوش‌كاري باعث كاهش تنش طراحي خطوط لوله قطور و پرفشار انتقال گاز طبيعي مي‌شود. در اين مطالعه كه براي اولين بار در ايران صورت گرفته است، ابتدا دو قطعه لوله 56 اينچ فولادي (از نوع درز جوش مارپيچ) با گريد ايكس 70 و ضخامت 780/0 اينچ بر اساس دستورالعمل ويژه شركت ملي گاز ايران جوش‌كاري گرديد. پس از آن آزمون كرنش سنجي سوراخ بر اساس استاندارد ASTM E 837 انجام شد. سپس براي اطمينان از سلامت جوش، تبديل كرنش‌هاي آزاد شده به تنش و تشخيص اثر اين تنش‌ها بر رفتار سازه، آزمايش‌هاي كوانتومتري، متالوگرافي، كشش و ضربه انجام شد. نتايج نشان مي‌دهد حداكثر تنش پسماند كششي در مركز درز جوش و در راستاي محيطي سطح خارجي لوله برابر با MPa 318 بوده و بيش از 60 % استحكام تسليم جوش مي‌باشد. در منطقه جوش، عناصر ميكروآلياژي كاهش و ميزان كربن افزايش يافته است. در پاس سطح 75% فاز مارتنزيت تمپر نشده مشاهده شده است. افزايش كربن سبب افزايش حجم كريستالي مارتنزيت و در نتيجه كاهش تنش پسماند و همچنين كاهش مقاومت ماده خواهد شد. كاهش استحكام كششي در جوش نيز سبب افزايش درصد تنش پسماند نسبت به استحكام استاتيكي سازه شده است. علاوه بر اين كمترين مقاومت به ضربه در راستاي محيطي (45J) جوش سر به سر لوله اتفاق افتاده است. بنابراين مركز درز جوش در راستاي محيطي سطح خارجي به عنوان ناحيه بحراني لوله داراي بيشترين تنش پسماند كششي و درصد فاز مارتنزيت و كمترين عناصر ميكروآلياژي، استحكام تسليم، كرنش نهايي و مقاومت به ضربه است

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