Modelamiento y análisis de esfuerzos en una unión soldada con defectologia para un tanque de almacenamiento de crudo en acero A-36 con método SMAW en una junta horizontal a tope en V

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Resumen

The following thesis focused on a finite element simulation of a welding process using the SMAW method in a V-butt joint of A-36 steel applied to a crude oil storage tank using ANSYS software, where the aim was to predict the thermal behavior of the weld, the consequences of the process and the structural behavior of the model with its design factors. Initial calculations were performed to define parameters such as the thickness of the rings for the location of the joint, the working pressure and the projected diameter of the tank; some theoretical stresses present in the tank were calculated. Then, the two welded joints were modeled using the SolidWorks CAD software, made in order to have a conformity and non-conformity according to the international API 650 standard. These models were exported to the ANSYS software in its Workbench section. In the first stage of the simulation, the transient thermal process was executed, a stage in which the welding was replicated in its SMAW method and where the thermal behavior of the joints was obtained in an interval of 120 seconds. The second stage of the simulation consisted of the structural section, where conditions such as hydrostatic pressure, the force of the tank weight, among others, were considered. With this, deformation and stress results were obtained, influenced by the previous thermal development in the model. With the results of the simulation, several detail nodes were set at certain distances from the weld bead, at these points the thermal behavior was obtained and, based on the CCT diagram of the material, the cooling rates of each point were determined. Once the velocities were obtained, the phases present in the material and their respective percentage at each point in both the rejection and acceptance joints were calculated. In the structural part, points in the porosities of both joints were also determined, and the stresses and strains present in these nodes were analyzed. Finally, the thermal and structural results in the nodes of both joints were compared to evaluate which of the two models presents a better performance and efficiency under the conditions established for the storage tank. Once the development was completed, the respective analysis was carried out, in which it was emphasized that the value of the stresses and strains is influenced by the amount of porosities and their diameter, as well as the possible problems that this may mean over time for the possible application in reality.

Descripción

El siguiente trabajo de grado se centró en una simulación por elementos finitos de un proceso de soldadura por el método SMAW en una junta a tope en V de acero A-36 aplicada a un tanque de almacenamiento de crudo mediante el software ANSYS, donde se buscó predecir el comportamiento térmico de la soldadura, las consecuencias del proceso y el comportamiento estructural del modelo con sus factores de diseño. En primer lugar, se realizaron los cálculos iniciales para definir parámetros como el espesor de los anillos para la ubicación de la junta, la presión de trabajo y el diámetro proyectado del tanque; así se calcularon algunos esfuerzos teóricos presente en el tanque. Después, mediante el software CAD SolidWorks se modelaron las dos juntas soldadas, realizadas con el fin de tener una conforme y no conforme de acuerdo a norma internacional API 650. Dichos modelos fueron exportados al software ANSYS en su apartado Workbench, en la primera etapa de la simulación se ejecutó el proceso térmico transitorio, etapa en la que se replicó la soldadura en su método SMAW y donde se obtuvo el comportamiento térmico de las juntas en un intervalo de 120 segundos. La segunda etapa de la simulación constó del apartado estructural, donde se plantearon condiciones como la presión hidrostátic a, la fuerza del peso de tanque, entre otros. Con ello se obtuvieron resultados de deformación y esfuerzos, influenciados por el previo desarrollo térmico en el modelo. Con los resultados de la simulación, se fijaron varios nodos de detalle a ciertas distancias del cordón de soldadura, en estos puntos se obtuvo el comportamiento térmico y, en base al diagrama CCT del material, se determinaron las velocidades de enfriamiento de cada punto. Con la obtención de las velocidades se calcularon las fases presentes en el material y su respectivo porcentaje en cada punto tanto en la junta de rechazo como en la de aceptación. En la parte estructural también se determinaron puntos en las porosidades de ambas juntas, en dichos nodos se analizaron los esfuerzos y deformaciones presentes. Finalmente, se compararon los resultados térmicos y estructurales en los nodos de ambas juntas, para evaluar cuál de los dos modelos presenta un mejor rendimiento y desempeño frente a las condiciones establecidas para el tanque de almacenamiento. Con el desarrollo culminado se realizó el respectivo análisis, en el cual se hizo énfasis, que el valor de los esfuerzos y deformaciones está influenciado por la cantidad de porosidades y su diámetro, como también en las posibles problemáticas que esto puede significar en el tiempo para la posible aplicación en la realidad.

Palabras clave

Simulación, Soldadura, Estructural, Temperatura, Norma, Diseño

Citación