Date of Award

11-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Abdelhamid Mourad

Abstract

Tube-to-tubesheet joints, an integral component of shell and tube heat exchangers, are known for their vulnerability to leakage problems at the joint region due to mechanical and chemical factors coupled with fabrication techniques involved in creating these joints. An ideal condition of manufacturing process parameters and geometrical variables required to produce tube-to-tubesheet joints is highly desired. One of the most promising candidate materials to fabricate tube-to-tubesheet joints is titanium or titanium alloys due to their excellent strength and resistance to corrosion. The present study investigates the structural integrity of three categories of Titanium Grade 2 based tube-to-tubesheet joints comprising of welded joints, expanded joints, and welded-expanded joints. The influence of Tungsten inert gas welding process and three expansion percentages (4%, 6%, and 8%) on the mechanical and metallurgical characteristics are studied with the presence of double grooves on the inner wall of the tubesheet. The study focuses on three distinct zones of the tube: the weld zone (WZ), the heat affected zone (HAZ), and the unaffected base material (UBM), which refers to the portion of the tube that was not influenced by thermal or mechanical processes. The results showed that α′-phase was dominant in the weld zone and the heat affected zone with no noticeable signs for β-phase remnants in the mentioned zones. The microstructural analysis revealed a coarsening in the grain structure when moving from the UBM to WZ through the HAZ. It was observed that HCP α-phase crystals transformed into α′-phase crystals post rapid cooling in WZ and HAZ. Additionally, the results of the XRD analysis confirmed the absence of β-phase at the HAZ and WZ due to the indistinguishable diffraction pattern between the base material (α-phase dominant) and the weld (α′-phase dominant). Microstructural analysis on the expanded joints showed a direct relationship between the expansion percentage and the reduction of grain size near the roller expander in the expanded zone, while grains in transition and unexpanded zones experienced an insignificant impact due to expansion at both tube’s surfaces. The macroscopic studies revealed that the minimum leak path of the weld was satisfactorily greater than two-thirds of the tube wall thickness, or 1.02 mm. The tube pull-out test showed that the tube pull-out loads were greater than the maximum allowable axial load for all the cases considered, verifying that every joint manufactured for this project was mechanically sound under axial loading conditions. Moreover, the weld region was found to be the hardest region in Vicker's hardness test due vii

to the dominance of the α′-phase, with a maximum hardness of 173.6 HV, and all measured hardness values in the weld region, tubesheet base material, heat affected zones, and tube materials were found to be below the maximum allowable limit. In conclusion, the integration of welding and expansion techniques for Titanium Grade 2 tube-to-tubesheet joints led to a reliable joint design exhibiting superior mechanical performance, refined microstructure, and safe leak-tight characteristics suitable for critical heat exchanger applications.

Arabic Abstract

التحقيق في الأداء الميكانيكي والخصائص المعدنية لوصلات الأنابيب مع ألواح الأنابيب المصنوعة من التيتانيوم الدرجة الثانية

من المعروف أن وصلة الأنابيب مع لوحة الأنابيب، وهي مكون أساسي للمبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب، معرضة لمشاكل التسرب في منطقة الوصلة بسبب العوامل الميكانيكية والكيميائية الناتجة عن التقنيات المستخدمة في تصنيع هذه الوصلات. إن اختيار عوامل التصنيع والمتغيرات الهندسية المثلى المطلوبة لإنتاج هذه الوصلات مهم للغاية. يعد التيتانيوم أو سبائك التيتانيوم أحد أكثر المواد المرشحة الواعدة لتصنيع وصلات الأنابيب مع ألواح الأنابيب نظرًا لقوتها ومقاومتها الممتازة للتآكل نتيجة الصدأ. تبحث الدراسة الحالية في السلامة الهيكلية لثلاث أنواع من وصلات الأنابيب مع ألواح الأنابيب المصنعة من التيتانيوم الدرجة 2 والتي تنقسم الى وصلات ملحومة، وصلات التمدد، ووصلات ملحومة،ومتمددة. تمت دراسة تأثير اللحام بغاز التنغستن الخامل وثلاث نسب تمدد مختلفة (% 4 و % 6 و % 8 ) على الخصائص الميكانيكية والمعدنية للوصلات بوجود حزوز مزدوجة على الجدار الداخلي لألواح الأنابيب. ترتكز الدراسة على ثلاثة مواضع مختلفة للأنبوب: منطقة اللحام  (WZ )، المنطقة المتأثرة بالحرارة  (HAZ)، والمادة الأساسية غير المتأثرة(UBM)، والتي تشير إلى جزء الأنبوب الذي لم يتأثر بالعمليات الحرارية أو الميكانيكية. أظهرت النتائج أن الطور αكان مسيطراً في منطقة اللحام والمنطقة المتأثر بالحرارة مع عدم وجود علامات ملحوظة لبقايا الطور β في المناطق المذكورة. كشف التحليل المجهري الميكروسكوبي عن خشونة في بنية الحبوب عند الانتقال من UBM إلى WZ عبر HAZ  . لوحظ أن بلورات الطور α ذات البنية البلورية HCP تتحول إلى بلورات الطور α بعد التبريد السريع في  WZ و HAZ.  بالإضافة إلى ذلك، أكدت نتائج تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) عدم وجود طور β في منطقة  HAZ ومنطقة WZ بسبب نمط الحيود غير القابل للتمييز بين المادة الأساسية (حيث يسود الطور α) واللحام (حيث يسود الطور (α′  أظهر التحليل المجهري للوصلات المتمددة علاقة مباشرة بين نسبة التمدد وانخفاض حجم الحبيبات بالقرب من موسع الأسطوانة في المنطقة المتوسعة، في حين تعرضت الحبيبات في المناطق الانتقالية وغير المتوسعة لتغير لا يذكر في حجمها الناتج عن تمدد الأنابيب داخل ألواح الأنابيب. كشفت الدراسات الماكروسكوبية أن الحد الأدنى لمسار التسرب في اللحام كان أكبر بشك ل كا ف من ثلثي سمك جدار الأنبوب، والذي يكا فئ mm 1.02.  أظهر اختبار سحب الأنبوب أن أحمال سحب الأنبوب كانت أكبر من أقصى حمل محوري مسموح به لجميع الحالات المدروس ة، والذي يثبت أن جميع الوصلات التي تم تصنيعها في هذا العمل كانت سليمة ميكانيكيا في ظل ظروف التحميل المحوري. علاوة على ذلك، وجد أن منطقة اللحام هي المنطقة الأكثر صلابة في اختبار صلابة فيكر بسبب هيمنة الطور α′ ، مع أقصى صلابة بلغت قيمتها HV 173.6, و أن جميع قيم الصلابة المقاسة في منطقة اللحام، لوحة الأنبوب، المناطق المتأثر ة بالحرارة، و الأنابيب أقل م ن الحد الأقصى المسموح به. وفي الختام، أد ى دمج تقنيات اللحام والتوسع في وصلات الأنابيب مع ألواح الأنابيبب المصنوعة من التيتانيوم من الدرجة 2 إلى تصميم موثوق به يتميز بأداء ميكانيكي متفوق، وبنية دقيقة، وخصائص آمنة مقاومة للتسرب مناسبة للإستخدام في المبادلات الحرارية في التطبيقات الحرجة .

Download
COinS