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Analytical and finite element study of residual stresses in the transition zone of hydraulically expanded tube-to-tubesheet joints

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Pourreza Katigari, Mohammadhossein (2018). Analytical and finite element study of residual stresses in the transition zone of hydraulically expanded tube-to-tubesheet joints. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The process of tube expansion has been the subject of much research throughout the years. The first study conducted by Oppenheimer (1927) was dedicated to the mechanical rolling technique of expanding the tube. In fact, initial investigations were mainly concentrated on the manufacturing process of tube expansion, and no attention was paid to tube failure due to the other parameters arising in this process. In 1966, Toba A. alerted researchers to the fact that the highest residual stresses at the tube transition zone are the origin of tube failure, because they cause stress corrosion cracking. Later, in 1976, Krips and Podhorsky modeled the new hydraulic expansion method to expand the tube, which has several advantages in comparison with mechanical rolling. These improvements are the accurate determination of expansion pressure and the longitudinal uniform expansion.

This new method reduces the level of tensile residual stresses at the transition zone which, under a corrosive environment, are the main contributors to crack propagation and, ultimately, tube degradation. Therefore, the analytical and finite element analysis of this zone is the subject of this study. The evaluation of the residual stresses, taking into account as many factors as possible in tube expansion, is the objective of the study. It is worthy to note that influence factors such as tube strain hardening and reverse yielding in the transition zone are not part of this work.

The study begins with the development of an analytical model in which the Von Mises yield condition for a rigid-plastic circular cylindrical shell subjected to axially symmetric loading is considered. The expansion pressure level is limited in order to avoid the tubesheet plastic deformation, although its effect is not significant on the transition zone stresses.

The material behavior is assumed to be elastic perfectly plastic (EPP). The results disclosed that three different regions in the transition zone of the tube should be considered: full plastic, partial plastic and elastic regions. The elastic beam foundation theory and the plasticity theory are used to determine the residual stresses in these regions. The validation of the analytical model is conducted by comparing the results obtained with those of the finite element analysis using ANSYS Workbench 16.2. The results show a good agreement between the two models. Nonetheless, some limitations should be considered in order to obtain reliable analytical residual stresses at the transition zone of an expanded tube.

Titre traduit

Évaluation anlaytique des contraintes résiduelles dans la zone de transition d'un joint dudgeonné

Résumé traduit

Le processus d'expansion des tubes a fait l'objet de nombreuses recherches au cours des années. La première étude menée par Oppenheimer (1927) a été consacrée à la technique de dudgeonnage des tubes par roulement mécanique. En fait, les études précédentes se sont surtout concentrées sur le procédé de fabrication de l'expansion du tube et peu d’attention à la défaillance de l’assemblage dudgeonné. En 1966, Toba A. a attiré l'attention des chercheurs sur le fait que les contraintes résiduelles dans la zone de transition du tube sont à l'origine du problème; les tubes présentent des fissures par corrosion sous contrainte. Plus tard en 1976, Krips et Podhorsky ont développé un modèle pour simuler la nouvelle méthode de dudgeonnage par pression hydraulique pour développer le tube qui présente plusieurs avantages par rapport au mandrinage par roulement. Ces améliorations sont la determination précise de la pression d'expansion nécessaire et l'expansion uniforme de la zone d’expansion. Cependant, la nouvelle méthode a réduit le niveau des contraintes résiduelles de traction dans la zone de transition, lesquelles en milieu corrosif sont les facteurs principaux de la propagation des fissures et finalement la dégradation du joint dudgeonné. Par conséquent, l'analyse de cette zone fera l'objet de cette étude. Des modèles analytique et numérique par éléments finis seront développés pour évaluer les contraintes résiduelles en tenant en compte plusieurs facteurs impliqués dans l'expansion d’un tube. Il est important de noter que les facteurs tels que le durcissement par écrouissage et le retour plastique dans la zone de transition ne seront pas traités dans ce rapport.

L'étude commence par le développement d'un modèle analytique dans lequel s'applique la condition d’écoulement selon Von Mises pour un cylindre circulaire subissant une rotule plastique, lorsque soumise à un chargement axisymétrique. En fait, la pression d'expansion sera limitée afin d'éviter la déformation plastique de la plaque tubulaire, bien que son effet soit négligeable sur les contraintes de la zone de transition. Le comportement du matériau est censé être élastique parfaitement plastique (EPP). Les résultats ont révélé que trois régions différentes dans la zone de transition du tube devraient être considérées: région en rotule plastique, région partiellement plastique et région élastique. Par conséquent, la théorie des poutres sur fondation élastique et la théorie de la plasticité seront appliquées pour déterminer les contraintes résiduelles dans les différentes régions. Le modèle analytique sera validé en comparant les résultats avec ceux obtenus par éléments finis sur ANSYS Workbench 16.2. Les résultats ont montré un bon accord entre ces deux méthodes, bien que certaines limitations doivent être envisagées afin de prédire des contraintes résiduelles analytiques fiables dans la zone transition.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 139-143)
Mots-clés libres: dudgeonnage du tube, dudgeonnage hydraulique, assemblage tubes-plaque à tubes, zone de transition, contraintes résiduelles
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bouzid, Hakim
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 01 nov. 2018 15:30
Dernière modification: 01 nov. 2018 15:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2104

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