رشد ترک خستگی در نمونه های استاندارد مخازن جداز ضخیم تولیدی از فولاد A516

رشد ترک نیمه بیضوی در دیواره مخازن استوانه ای جدار ضخیم مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اهمیت مسئله رشد ترک در مخازن استوانه ای تحت فشار. هدف، ارائه یک مدل سه بعدی عددی و تجربی. جهت رشد ترک خستگی و تخمین عمر خستگی مخازن تحت فشار می باشد. که با داشتن پارامترهای هندسی و فیزیکی مسئله میزان عمر خستگی این مخازن. را بطور دقیق تری نسبت به آزمون های استاندارد موجود به طور تجربی و عددی پیش بینی نمود. یک نمونه پر کاربرد از فولاد مخزن برای انجام آزمایشات تجربی مورد آنالیز قرار گرفت. خواص مکانیکی و پارامترهای خستگی فولاد مخزن به صورت تجربی تعیین گردید.

جهت تحلیل رشد ترک و حاصل آوری عمر خستگی از روش المان محدود. روابط مکانیک شکست و نرم افزار فرنک تری دی استفاده شد. در نهایت نتایج حاصل از آزمایشات تجربی و نتایج حاصل از نرم افزار مقایسه شد. و نشان داده شد که نمونه استاندارد جدید نتایج دقیق تری نسبت به نمونه های استاندارد موجود دارد.

رشد ترک خستگی یکی از با اهمیت ترین مسائل مکانیک شکست می باشد. عامل اصلی بسیاری از خرابی ها در مخازن تحت فشار که در صنعت نفت و گاز استفاده فراوانی دارند. وجود ترک در جداره مخازن است. این ترک ها ممکن است در اثر خوردگی. مراحل تولید ورق، جوشکاری و یا در هنگام نصب مخزن به وجود بیایند.در صنعت نفت و گاز با توجه به وجود مواد شیمیایی خطرناک. مواد قابل اشتعال و انفجار، افزایش میزان امنیت در سیستم های ذخیره سازی از اهمیت ویژه برخوردار است. با توجه به این مسئله تحقیقات بسیاری پیرامون مخازن استوانه ای تحت فشار انجام گردیده است. که بیشتر این موارد مربوط به بررسی رشد ترک در این مخازن میباشد. و نشان از اهمیت، این موضوع است. مرجع مقایسه جامعی پیرامون این تحقیقات ارائه می دهد.

بررسی رفتار رشد ترک با استفاده از قوانین و روابط مکانیک شکست الاستیک خطی تحت بارهای خستگی انجام می شود. برای تحلیل رشد ترک از روش المان محدود و نرم افزار تخصصی رشد ترک فرنک تری دی استفاده کردیم. سپس برای بدست آوردن عمر خستگی از رابطه پاریس استفاده شد.

در این رابطه da/dn تغییرات طول ترک نسبت به تعداد سکیل بارگذاری را بیان می کند. و کسب مقادیر ثابت C , M با استفاده از آزمایشات تجربی و رسم منحنی da/dn اندازه گیری می شود. بنابراین تغییرات ضریب شدت تنش

تعیین کننده سرعت رشد ترک خستگی می باشد. میزان تنش و فاکتور شدت تنش که در ایجاد ترک به وجود می آید. نسبت به دیگر موارد از اهمیت بیشتری برخوردار است. که با استفاده از روش های شبیه سازی عددی محاسبه می شود.

در آزمون تجربی همواره هندسته نمونه های استاندارد موجود به عنوان مبنای اندازه گیری دیتاهای تجربی بود. در این تحقیق دیتاهای تجربی با استفاده از نمونه های استاندارد موجود و نمونه استاندارد تاییدی. جدید که از دقت بالاتری برخوردار است بدست آمد.

📊 نتایج عددی و تجربی

• مدل‌سازی سه‌بعدی ترک نیمه‌بیضوی در دیواره مخزن با استفاده از نرم‌افزار FRANC3D انجام شد.
• ضریب شدت تنش (SIF) در نقاط مختلف ترک محاسبه شد و با داده‌های تجربی مقایسه گردید.
• رفتار رشد ترک در نمونه‌های استاندارد جدید، تطابق بیشتری با شرایط واقعی مخزن تحت فشار داشت.
• عمر خستگی پیش‌بینی‌شده با مدل عددی، نسبت به روش‌های سنتی، دقت بالاتری نشان داد.
• توزیع تنش در اطراف ترک به‌صورت غیرخطی و وابسته به هندسه ترک و ضخامت جداره تحلیل شد.
• مقایسه با نمونه‌های استاندارد موجود نشان داد که مدل پیشنهادی می‌تواند عمر خستگی را با خطای کمتر پیش‌بینی کند.

🔍 نکات برجسته

• استفاده از روش المان محدود و مکانیک شکست خطی برای تحلیل دقیق‌تر.
• تعیین پارامترهای خستگی فولاد A516 به‌صورت تجربی، شامل ضریب Paris و آستانه رشد ترک.
• پیشنهاد یک نمونه استاندارد جدید برای تست خستگی که رفتار واقعی مخزن را بهتر شبیه‌سازی می‌کند.

📐 روابط ریاضی استفاده‌شده در تحلیل رشد ترک

در این مقاله از قانون Paris برای مدل‌سازی رشد ترک استفاده گردید:

\frac{da}{dN} = C \cdot (\Delta K)^m

• ( \frac{da}{dN} ): نرخ رشد ترک بر حسب تعداد سیکل بارگذاری
• ( \Delta K ): دامنه ضریب شدت تنش
• ( C, m ): ضرایب تجربی وابسته به جنس ماده (برای فولاد A516 از آزمایش تجربی استخراج شده‌اند)

همچنین برای محاسبه ضریب شدت تنش ( K ) در ترک نیمه‌بیضوی از روابط مکانیک شکست خطی استفاده شده است:

K = Y \cdot \sigma \cdot \sqrt{\pi a}

• ( Y ): ضریب هندسی وابسته به شکل ترک و موقعیت آن
• ( \sigma ): تنش اعمال‌شده
• ( a ): طول ترک

📊 نمودارهای کلیدی

1. نمودار رشد ترک بر حسب تعداد سیکل بارگذاری (a vs N)
   • نشان‌دهنده افزایش طول ترک با افزایش سیکل‌ها
   • رفتار غیرخطی و شتاب‌دار در مراحل پایانی عمر خستگی
2. نمودار ضریب شدت تنش در نقاط مختلف جبهه ترک (K vs موقعیت)
   • بیشترین مقدار ( K ) در نوک ترک و نقاط بحرانی دیواره مخزن
3. نمودار مقایسه‌ای بین مدل پیشنهادی و نمونه‌های استاندارد موجود
   • مدل جدید دقت بالاتری در پیش‌بینی عمر خستگی دارد

🧪 نکته مهم

در نرم‌افزار FRANC3D، ترک نیمه‌بیضوی به‌صورت سه‌بعدی مدل‌سازی گردید. و توزیع تنش اطراف آن با روش المان محدود تحلیل شده است. این روش باعث شد نتایج عددی با داده‌های تجربی تطابق خوبی داشته باشند.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی شامل سختی، استحکام، مدول الاستیسیته و چقرمگی شکست، رفتار خستگی و خزشی خواصی هستند. که تعیین کننده ی خواص مکانیکی (کشش، ضربه، سختی سنجی و…) و آنالیز شیمیایی (متالوگرافی) به طور کامل برای فولاد مورد نظر انجام شد. رفتار مواد در برابر نیروهای وارده هستند. این خواص پیش از آنکه یک قطعه مورد استفاده قرار گیرد. بایستی به طور کامل بررسی شوند.

A516- ورق – A516 gr – A516 gr 60 – A516 gr 70- از رده ی ورقهای ساختمانی است. که با گریدهای 60,70 تولید میگردد. ورق A516 gr60 – A516 gr 70 کاربرد بسیاری در صنایع مخزن سازی. و ساخت دیگهای بخار دارد. ورقهای فولادی A516 دارای استحکام کششی بالا هستند .

که برای ساخت دیواره مخازن بصورت خم و عدسی بکار گیری میشوند. ورقهای A516 با کیفیت های (گریدهای) دیگری بمانند. A516 gr65 , A516 gr55 (طبق استاندارد ایالات متحده آمریکا ASTM). نیز تولید میگردد. 

در واقع تفاوت کیفیتهای (گریدهای) مختلف ورق آتشخوار در تحمل فشار و دما. قابلیت عدسی شدن، تست کشش – تست ضربه است. کمپانیهای داخلی مخزن ساز.عمدتاً از ورقهای ساخت کشور ایران (فولاد مبارکه اصفهان) و ساخت کمپانیهای کشورهایی چون اوکراین،کره جنوبی و چین استفاده میکنند.

ورقهای A516 ساخت ایران و چین بدلیل کم بودن درصد منگنز موجود در ورقهای تولیدی توسط آنان. در رده های با کیفیت پایین تر قرار میگیرند. ورق A516-grفولاد کربنی است. که در آن از مقادیر ناچیزی مانند فسفر و گوگرد. و عناصری نظیر منگنز و سیلیسیون در بالاترین سطوح مجاز قرار دارد. بمنظور نیل به یک ورق فولاد کربنی مرغوب و با کیفیت، با خصوصیت خمش و عدسی شدگی استفاده گردید.