مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

بررسی عددی و تجربی تأثیر ترتیب جوشکاری بر توزیع تنش پسماند در اتصال تیوب به تیوب شیت مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله با چیدمان‌ مثلثی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز،ایران
2 دانشکده فنی مهندسی، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز
10.22034/ijme.2026.575347.2164
چکیده
تنش‌های پسماند ناشی از جوشکاری نقش تعیین‌کننده‌ای در شروع ترک و کاهش قابلیت اطمینان مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، به‌ویژه در ناحیه اتصال تیوب به تیوب‌شیت، ایفا می‌کنند. با وجود مطالعات متعدد عددی در این حوزه، اثر هم‌زمان فاصله تیوب‌ها و ترتیب جوشکاری در چیدمان مثلثی تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است. در این پژوهش، یک مدل عددی سه‌بعدی مبتنی بر تحلیل کوپل حرارتی–سازه‌ای برای پیش‌بینی توزیع تنش‌های پسماند در اتصالات تیوب به تیوب‌شیت توسعه داده شده است. فرآیند جوشکاری قوسی تنگستنی با گاز محافظ با درنظرگیری یک پاس جوش گوشه‌ای محیطی مدل‌سازی شده و شار حرارتی قوس به‌صورت یک تابع گوسی وابسته به زمان، از طریق زیر‌برنامه اختصاصی در نرم‌افزار آباکوس اعمال گردیده است. نوآوری اصلی مدل ارائه‌شده، امکان بازتولید دقیق توالی‌های مختلف جوشکاری و بررسی اثر برهم‌نهی حرارتی و سازه‌ای ناشی از آن‌ها بر تنش‌های پسماند نهایی است. نتایج عددی نشان می‌دهد که تغییر ترتیب جوشکاری، بدون اعمال هیچ‌گونه عملیات تنش‌زدایی یا تغییر در پارامترهای فرآیندی، می‌تواند منجر به بازتوزیع قابل‌توجه میدان تنش و کاهش تنش‌های پسماند کششی تا حدود ۹7 % در چیدمان مثلثی شود. برای اعتبارسنجی، توزیع دمایی حین جوشکاری به‌وسیله ترموگرافی مادون قرمز و تنش‌های پسماند با روش پراش اشعه ایکس اندازه‌گیری شده که تطابق مناسبی با نتایج عددی نشان می‌دهند. چارچوب عددی توسعه‌یافته می‌تواند به‌عنوان ابزاری کارآمد برای بهینه‌سازی ترتیب جوشکاری و افزایش عمر بهره‌برداری مبدل‌های حرارتی صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

An Experimental and Numerical Study on the Influence of Welding Sequence on Residual Stress Distribution in Triangular-Layout tube-to-tubesheet Joints of Shell and Tube Heat exchangers

نویسندگان English

Reza Sheibani 1
Amin Rabiezadeh 2
Reza jahedi 1
Mehrdad Mohammadi 1
1 Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Shiraz Branch, Shiraz, Iran
2 Department of Materials Engineering, Islamic Azad University, Shiraz Branch, Shiraz, Iran
چکیده English

Abstract

Welding-induced residual stresses play a critical role in crack initiation and reduced reliability of shell-and-tube heat exchangers, particularly in tube-to-tubesheet joints. Despite extensive numerical investigations in this field, the combined effect of tube spacing and welding sequence in triangular tube layouts has not yet been systematically examined. In this study, a three-dimensional numerical model based on a coupled thermo-mechanical analysis is developed to predict the residual stress distribution in tube-to-tubesheet joints. The gas tungsten arc welding (GTAW) process is modeled considering a single-pass circumferential fillet weld, and the arc heat input is applied as a time-dependent Gaussian heat flux via a dedicated user subroutine implemented in ABAQUS. The primary novelty of the proposed model lies in its ability to accurately reproduce various welding sequences and to evaluate the resulting thermo-mechanical superposition effects on the final residual stress field. Numerical results indicate that modifying the welding sequence alone, without applying any stress-relief treatment or altering process parameters, can lead to a significant redistribution of stresses and a reduction of tensile residual stresses by up to 97% in the triangular tube arrangement. For validation purposes, the transient temperature field during welding is measured using infrared thermography, while residual stresses are experimentally determined by X-ray diffraction. A good agreement is observed between the numerical predictions and experimental measurements. The developed numerical framework provides an effective tool for optimizing welding sequences and enhancing the service life of industrial heat exchangers.

کلیدواژه‌ها English

Residual stress
welding sequence
three-dimensional numerical simulation
thermo-mechanical analysis

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 22 مرداد 1405