Date of Award

4-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Mechanical & Aerospace Engineering

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Prof. Abdel-Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Dr. Hamad Al Jassmi

Abstract

Tubes and tubesheets, integral components of shell and tube heat exchangers, have an important role in the functioning of the heat transfer between the tube-side and shell-side fluids. Tube-to-tubesheet joints act as a barrier to prevent the mixing of the transfer fluids in addition to aiding the structural rigidity of the shell and tube heat exchanger. Tube expansion process and welding are the manufacturing processes used for fabricating structurally rigid tube-to-tubesheet joints. Many instances of tube-totubesheet joint failures leading to the complete collapse of the heat exchangers demand attention to assessing the mechanical and metallurgical characteristics of tube-totubesheet joints fabricated using conventional manufacturing processes (tungsten inert gas welding and roller tube expansion). The possibilities of novel non-conventional techniques for joining tube and tubesheet are highly demanded to overcome the disadvantages of conventional manufacturing processes.

The main objectives of this work are to investigate the structural integrity of tubeto- tubesheet joints produced using conventional manufacturing processes involving tungsten inert gas (TIG) welding, roller expansion and hybrid TIG welding-roller expansion and, non-conventional processes involving friction stir welding (FSW) and hybrid roller expansion-FSW. This dissertation initially investigated and compared the performance of TIG welded, roller expanded and hybrid TIG welded-roller expanded low carbon steel-based A179 tubes to SA 516 Gr. 70 tubesheet joints at different expansion percentages (4%, 6%, 8% and 10%) and tubesheet groove conditions (without groove, one groove and two grooves). Secondly, the effect of tube expansion percentages in hybrid TIG welded-roller expanded A179 tube to SA 266 Gr.2 tubesheet joints at 3%, 5% and 7% expansion using mock-up tubesheet block with multiple holes for accommodating the influence of neighbour hole expansion is assessed. Furthermore, comparative studies are made by evaluating tube pull-out load, minimum leak path, hardness, and weld metallurgy in accordance with international standards. The microstructural changes and hardness at the expanded and transition zone were given essential attention since defects are known to nucleate at the transition and expanded regions. As an alternative to conventional techniques, the scope for the unconventional fabrication of AA 6061-T6 tube to AA 6063-T6 tubesheet joints using the friction stir welding process is further analyzed. The effect of tube projection and radial clearance on the mechanical and metallurgical characteristics of friction stir welded joints are investigated using a hybrid integrated Taguchi-PCA-GRA optimization technique. Finally, a novel technique for producing hybrid joints using roller expansion followed by friction stir welding on AA 6061-T6 based tube and tubesheet is proposed.

The results of the dissertation proved that the roller expansion process alone is insufficient for relatively less thick tubesheets (23 mm tubesheet) and either TIG welding or hybrid joining (TIG welding + roller expansion) is mandatory for producing quality joints with adequate pull-out strength. Poor workmanship, lack of weld penetration and insufficient minimum leak path reduced the strength of the joint significantly. Tubesheet thickness and roller expansion length were proven as crucial factors in providing the tube pull-out strength. The grains at the expanded and transition zones were significantly refined by the roller expansion process. The qualified tube-totubesheet joints (satisfactorily tested) exhibited joint strength greater than the axial strength of the tube. In the case of friction stir welding of tube-to-tubesheet joints, high weld penetration and maximum leak path were achieved using an effective selection of tube projection and radial clearance compared to the tungsten inert gas welding process. Furthermore, the study significantly contributed to the proposal of producing hybrid roller expanded-friction stir welded joints where friction stir welding was proved efficient for sealing the roller expanded joints. The outcomes and techniques of the study are highly beneficial to the professionals and researchers working in the fields of heat exchangers and boilers.

Arabic Abstract


تقييم النزاهة الهيكلية لوصلات الانابيب مع صفيحة الانابيب للمبادل الحراري الغلافي الانبوبي المصنعة باستخدام عمليات التصنيع التقليدية وغير التقليدية

الأنابيب وألواح الأنابيب، وهي مكونات متكاملة للمبادلات الحرارية الغلافية الانبوبية، لها دور مهم في عمل نقل الحرارة بين سوائل جانب الأنبوب وجانب الغلاف. تعمل الوصلات من الأنبوب إلى الأنبوب كحاجز لمنع اختلاط سوائل النقل بالإضافة إلى المساعدة في الصلابة الهيكلية للمبادل الحراري الغلافي الانبوبي. عملية توسيع الأنبوب واللحام هي عمليات التصنيع المستخدمة لتصنيع وصلات الأنابيب الصلبة الهيكلية. تتطلب العديد من حالات فشل المفصل من الأنبوب إلى الأنبوب الذي يؤدي إلى الانهيار الكامل للمبادلات الحرارية الانتباه إلى تقييم الخصائص الميكانيكية والمعدنية للوصلات من الأنبوب إلى الأنابيب المصنوعة باستخدام عمليات التصنيع التقليدية )اللحام بالغاز الخامل بالتنغستن وتمدد أنبوب الأسطوانة(. إن إمكانيات التقنيات الجديدة غير التقليدية لربط الأنبوب وصفيحة الأنابيب مطلوبة بشدة للتغلب على عيوب عمليات التصنيع التقليدية.

تتمثل الأهداف الرئيسية لهذا العمل في التحقق من السلامة الهيكلية للوصلات من الأنبوب إلى اللوح الأنبوبي التي يتم إنتاجها باستخدام عمليات التصنيع التقليدية التي تتضمن لحام غاز التنغستن الخامل (TIG)، وتمدد الأسطوانة وتمدد أسطوانة اللحام الهجين TIG ، والعمليات غير التقليدية التي تنطوي على احتكاك لحام التحريك (FSW) و تمدد الأسطوانة الهجينة – FSW . تم التحقيق في هذه الرسالة في البداية ومقارنة أداء أنابيب TIG الملحومة و الممتدة بالأسطوانة والهجينة TIG ذات الأسطوانة الملحومة الموسعة منخفضة الكربون القائمة على الفولاذ الكربوني إلى SA 516 GR. 70 وصلة أنابيب بنسب توسع مختلفة (4% ،6% ، 8% و 10%) وظروف ثلم الصفيحة الأنبوبية (بدون ثلم، ثلم واحد و ثلمان). ثانيًا، تأثير النسب المئوية لتمدد الأنبوب في أنبوب A179 الموسع الملحومة TIG الهجين إلى وصلات صفائح الأنابيب SA 266 Gr. 2 بتوسيع 3% و 5% و 7% باستخدام نموذج كتلة أنابيب مع ثقوب متعددة لاستيعاب تأثير الثقوب المجاورة يتم تقييم توسع الحفرة. علاوة على ذلك، يتم إجراء دراسات مقارنة من خلال تقييم حمل سحب الأنبوب، ومسار التسرب الأدنى، والصلابة، ومعادن اللحام وفقًا للمعايير الدولية. تم إيلاء الاهتمام الأساسي للتغييرات الهيكلية المجهرية والصلابة في المنطقة الموسعة والانتقالية حيث من المعروف أن العيوب تتكوّن في المناطق الانتقالية والموسعة. كبديل للتقنيات التقليدية، يتم تحليل نطاق التصنيع غير التقليدي لأنبوب AA 6061-T6 إلى وصلات صفائح الأنابيب AA 6063-T6 باستخدام عملية لحام الدمج الاحتكاكي. تم دراسة تأثير إسقاط الأنبوب والتخليص الشعاعي على الخصائص الميكانيكية والمعدنية للوصلات الملحومة بدمج الاحتكاك باستخدام تقنية تحسين Taguchi-PCA-GRA المتكاملة المختلطة. أخيرًا، تم اقتراح تقنية جديدة لإنتاج الوصلات الهجينة باستخدام تمدد الأسطوانة متبوعًا بلحام التقليب الاحتكاكي على أنبوب و ألواح الأنابيب القائمة على AA 6061-T6.

أثبتت نتائج الرسالة أن عملية تمدد الأسطوانة وحدها غير كافية لألواح الأنابيب الأقل سمكًا نسبيًا (ورقة أنابيب 23 مم) وأن اللحام TIG أو الانضمام الهجين (لحام TIG + تمدد الاسطوانة) إلزامي لإنتاج وصلات عالية الجودة ذات قوة سحب كافية. أدى ضعف الصنعة ونقص اختراق اللحام وعدم كفاية الحد الأدنى من مسار التسرب إلى تقليل قوة المفصل بشكل كبير. ثبت أن سماكة الصفيحة الأنبوبية وطول تمدد الأسطوانة هما عاملان حاسمان في توفير قوة سحب الأنبوب. تم تنقية الحبوب في المناطق الممتدة والانتقالية بشكل كبير من خلال عملية تمدد الأسطوانة. أظهرت المفاصل المؤهلة من الأنبوب إلى الأنبوب (تم اختبارها بشكل مرض) للأنبوب. في حالة اللحام بالخلط الاحتكاكي للوصلات من الأنبوب إلى الأنبوب، تم تحقيق اختراق لحام عالي وأقصى مسار لل تسرب باستخدام اختيار فعال لإسقاط الأنبوب وخلوص نصف قطري مقارنة بعملية اللحام بالغاز الخامل بالتنغستن. علاوة على ذلك، ساهمت الدراسة بشكل كبير في اقتراح إنتاج وصلات ملحومة بتقليب الاحتكاك الممدد ذات الأسطوانة الهجينة حيث أثبت اللحام الدمج الاحتكاكي كفاءته في إحكام الوصلات الموسعة بالأسطوانة. نتائج وتقنيات الدراسة مفيدة للغاية للمهنيين والباحثين العاملين في مجالات المبادلات الحرارية والغلايات.

Download

Share

COinS