Ratcheting deformation of pressurized Z2CND18.12N stainless steel $90^{\circ}$ elbow pipe with local wall thinning subjected to constant internal pressure and reversed bending was studied using finite element analysis. Chen-Jiao-Kim (CJK) kinematic hardening model, which was used to simulate ratcheting behavior of pressurized $90^{\circ}$ elbow pipe with local wall thinning at extrados, flanks and intrados, was implemented into finite element software ANSYS. The local wall thinning was located at extrados, flanks and intrados of $90^{\circ}$ elbow pipe, whose geometry was rectangular cross-section. The effect of depth, axial length and circumferential angle of local wall thinning at extrados, flanks and intrados on the ratcheting behaviors of $90^{\circ}$ elbow pipe were studied in this paper. Three-dimensional elastic-plastic analysis with Chen-Jiao-Kim (CJK) kinematic hardening model was carried out to evaluate structural ratcheting behaviors. The results indicated that ratcheting strain was generated mainly along the hoop direction, while axial ratcheting strain was relatively small.
Elbows with various shapes of local wall thinning were numerically analyzed by finite element method to get load-displacement curves and the maximum loads. Results were compared with the experimental data obtained by another study. Elastic-plastic analysis were carried out under the combined loading conditions of internal pressure and in-plane bending loads. Two types of bending loads were considered such as elbow opening mode and elbow closing mode. Also, two different wall thinning geometries were modeled. Wall thinning area located extrados or intrados of elbow inner surface was considered. Longitudinal and circumferential lengths of the thinning area and the thinned thickness were varied for analysis. The results showed that the maximum load of the wall-thinned elbow decreased with increasing of the circumferential thinning length and the thinned thickness in both of extrados and intrados thinning locations in both loading types. The maximum load obtained by the analysis were in good agreement with the experimentally measured maximum load with the same wall thinning type and dimensions. This supports accuracy of the analysis results obtained in this study.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.10
s.253
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pp.1269-1275
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2006
The purpose of this study is to investigate the effect of bend angle on the collapse behavior of locally wall thinned pipe bends. For this purpose, the present study performed three-dimensional finite element analysis on the 30-, 60-, and 90-degree pipe bends with local wall thinning at the center of intrados, extrados, and crown, and evaluated the collapse moment for different thinning dimensions under closing- and opening-mode bending with a constant internal pressure. The results showed that, for intrados and extrados wall thinning, the reduction in the collapse moment due to local wall thinning became significant with decreasing bend angle of pipe bends. This effect of bend angle was enhanced with increasing thinning dimensions, and it was clearer fur opening-mode bending than for closing-mode bending. For crown wall thinning, however, the effect of bend angle was unclear and was less sensitive to the change of wall thinning shapes.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.10
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pp.1227-1234
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2012
In this study, fatigue tests were carried out using real-scale pipe bend specimens with wall-thinning defects under a cyclic bending load together with a constant internal pressure of 10 MPa. The wall-thinning defect was located at the extrados and the intrados of the pipe bend specimens. A fully reversed cyclic in-plane bending displacement was applied to the specimens. For the pipe bends with wall thinning at the extrados, an axial crack occurred at the crown of the pipe bend rather than at the extrados where the defect was located. In addition, the fatigue life was longer than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve in ASME Sec.III, and it was less dependent on the axial length of the wall-thinning defect. For the pipe bends with wall thinning at the intrados, a circumferential crack occurred at the intrados. In this case, the fatigue life was much shorter than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve, and it clearly decreased with decreasing axial length of the wall-thinning defect.
This study aims to quantitatively evaluate failure pressure of wall-thinned elbow under combined load along with internal pressure, by conducting real-scale burst test and finite element analysis together. For quantitative evaluation, failure pressure data was extracted from the real-scale burst test first, and then finite element analysis was carried out to compare with the test result. For the test, the wall-thinning defect of the extrados or intrados inside the center of 90-degree elbow was considered and the loading modes to open or close the specimen maintaining a certain load or displacement were applied. Internal pressure was applied until failure occurred. As a result, when the bending load was applied under the load control condition, the intrados of the defect was more affected by failure pressure than the extrados, and the opening mode was more vulnerable to failure pressure than the closing mode. When the bending load was applied under the displacement control, it was hardly affected by failure pressure though it was slightly different from the defect position. The result of the finite element analysis showed a similar aspect with the test. Moreover, when major factors such as material properties and pipeline thickness were calibrated to accurate values, the analytical results was more similar to the test results.
This study performed burst tests using real-scale pipe elbow containing simulated local wall-thinning to evaluate the effects of circumferential thinning angle and bending load on the failure pressure of wall-thinned elbow. The tests were carried out under the loading conditions of internal pressure and combined internal pressure and bending loads. Three circumferential thinning angles, ${\theta}/{\Pi}=0.125,\;0.25,\;0.5$, and different thinning locations, intrados and extrados, were considered. The test results showed that the failure pressure of wall-thinned elbow decreased with increasing circumferential thinning angle for both thinning locations. This tendency is different from that observed in the wall-thinned straight pipe. Also, the failure pressure of intrados wall-thinned elbow was higher than that of extrados wall-thinned elbow with the same thinning depth and equivalent thinning length. In addition, the effect of bending moment on the failure pressure was not obvious.
The purpose of this study is to investigate the effect of circumferential location of local wall thinning defect on the collapse behavior of an elbow. Thus, the present study conducts three-dimensional finite element analysis on the 90-degree elbow containing a local wall thinning at intrados, crown and extrados of bend region and evaluates the collapse moment of wall thinned elbow under various thinning shapes and loading conditions. Combined internal pressure and bending moment are considered as an applied load. The internal pressure of $0\~20MPa$ and both closing and opening mode bending are employed. The results of analysis show that the reduction in collapse moment of the elbow by local wall thinning is more significant for a defect locating at crown than for a defect locating at intrados or at extrados. Also, the effect of internal pressure on the collapse moment of wall thinned elbow depends on the circumferential location of thinning defect and applied bending mode.
Kim, Woo-Gon;Jang, Jin-Sung;Kuk, Il-Hiun;Joo, Jin-Won;Kim, Sung-Chung
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.22
no.1
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pp.238-246
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1998
Surface residual stresses as well as wall thickness and ovality changes after U-bending process on UNS N06690 row-1 heat exchanger tubes, were estimated. Surface residual stresses were measured by Hole Drilling Method(HDM), calculating the stresses from relieved strains of 3 rosette strain gages. After bending of the tubes, dimensional tolerances for wall thickness and ovality were satisfied with ASTM requirements. Residual stresses at the extrados were introduced with compressive stress(-) by bending operations, and its maximum value reached-319 MPa in axial direction at ${\phi}=0^{\circ}$ in position. Tensile residual stresses(+) of ${\sigma}_zz=45$ MPa,${\sigma}_zz=25$ MPa were introduced in the intrados surface at position of ${\phi}=0^{\circ}$ Maximum tensile residual stress of 170 MPa was detected on the flank side at position of ,${\phi}=95^{\circ}$i.e., at apex region. It appeared that higher stress gradients were generated at the irregular transition regions. In the trend of residual stress changes with U-bend position, the extrados is related with the changes of ovality and the intrados is related with the changes of wall thickness.
Local wall thinning elbow due to the water flow is one of the main degradation phenomenon in carbon steel pipe of plant system. The API579 code of FFS (fitness for service) used in the chemical plant gives a guideline to protect local wall thin problem in a straight pipe, but it does not include an elbow. In this study, the locally wall thinned elbow, which is considered an extrados or intrados wall thinned elbow, was carried out considering in-plane or out-plane bending using FEM (finite element method) analysis, and some of results were also compared with the experimental data. The results could give the structure integrity assessment to protect the local wall thinned elbow.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.10
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pp.1017-1024
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2007
This study performed a series of burst tests at ambient temperature using real-scale elbow specimen containing a local wall-thinning defect at it's intrados or extrados and evaluated failure pressure of locally wall-thinned elbows. In the experiment, a 90-degree 100A, Sch. 80 standard elbow was employed, and various wall-thinning geometries, such as length, depth, and circumferential angle, were considered. From the results of experiment, the dependences of failure pressure of wall-thinned elbows on the defect geometries and locations were investigated. In addition, the reliability of existing models was examined by comparing the tests data with the results predicted from existing failure pressure evaluation models for locally wall-thinned elbow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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