Experimentelle und numerische Ermittlung der thermo-mechanischen Beanspruchung des Wurzelbereichs austenitischer Rundnähte

Abstract

Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden Versuchsnähte an dünnwandigen austenitischen Rohren mit der Nennweite DN 250 erstellt. Während der Erstellung der Schweißnaht mittels der WIG-Orbital-Schweißtechnik wurden im Nahtbereich Temperaturen und Verformungen gemessen. Nach Fertigstellung der Schweißverbindung wurden die Schweißeigenspannungen auf der Rohrinnenoberfläche experimentell ermittelt. Die schweißbegleitenden Messungen lieferten eine breite Datenbasis zur Validierung von Berechnungsmodellen. Zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter schweißtypischer Beanspruchung wurden Werkstoffuntersuchungen bis zu einer Prüftemperatur von 1300°C durchgeführt. Auf der Basis der Werkstoffversuche wurde ein aus der Literatur bekanntes phänomenologisches Stoffgesetz zur Beschreibung von gemischter nichtlinearer kinematischer und isotroper Verfestigung modifiziert und in den FE-Code ABAQUS implementiert. Eine Finite Elemente Analyse der Versuchsschweißung zeigte, dass die thermische Beanspruchung der Nahtumgebung sowie die Verformungsmechanismen im nahtnahen Bereich numerisch sehr gut wiedergegeben werden können.

Crack growth in stainless steel pipes can be caused by inter-granular stress corrosion cracking (IGSCC). This damage mechanism requires the simultaneous occurrence of high oxygen content in the fluid, sensitized material and tensile stresses. Both sensitization and tensile stresses can be the result of the thermo-mechanical loading due to welding. The loading of the circumferential pipe welds depends on many factors, like the pipe geometry, welding techniques or welding velocity. The influence of these parameters on the thermo-mechanical loading allows the risk of IGSCC to be investigated using computational methods. The aim of this study was to develop and validate a qualified computational model for welding simulation. Within the framework of this study four multi-pass pipe welds were fabricated. The thin walled, austenitic pipes were welded by Orbital Gas Tungsen Arc Welding. During the welding process, temperatures and displacements were monitored. When welding was complete residual stress measurements were performed using X-ray diffraction techniques. The measurements during welding generated the database for the validation of the computational calculations. In doing so they enable the understanding of the thermo- mechanical effects of the welding process. An important part of the computational weld analysis is the description of the temperature-dependent elastic-plastic material behavior. Therefore, stress-strain curves were determined for different loading histories and temperatures up to 1300°C. The investigations corroborate the combined isotropic and nonlinear kinematic hardening of stainless steel. A finite element analysis of the test weld showed corresponding results between the measured and the calculated loading of the root region.