Düşük hızlı darbe hasarlı filaman sarım hibrid boruların iç basınç altında yorulma davranışı
Fatigue behavior of filament wound hybrid pipes with low velocity impact damage under internal pressure
Yazar: LOKMAN GEMİ
Danışman: PROF. DR. AHMET AKDEMİR ; DOÇ. DR. MESUT UYANER
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği = Petroleum and Natural Gas Engineering

Özet:
Filaman sarım kompozit borular yüksek basınçta kimyasal madde içeren akışkanların iletilmesinde, endüstriyel atıkların uzaklaştırılmasında, petrol ve doğalgaz iletim hatlarında kullanılmaktadır. Kullanım sırasında kompozit boruların uğrayacağı düşük hızlı darbeler; matris çatlakları, elyaf kopmaları ve özellikle tabakalar arası ayrılma gibi gözle zor tespit edilebilecek hasarlara yol açarlar. Oluşan bu hasarlar borularda hem mukavemet kaybına hem de yorulma ömründe düşüşe neden olabilirler. Bu amaçla cam/karbon/cam sıralaması kullanılarak [±75g°/±55c°/±45g°] konfigürasyona sahip hibrit kompozit borular üretilmiştir. ANSI/AWWA C950 standardında ön görülen çalışma koşulları esas alınarak CTP borular basınç sınıflarına ayrılmış ve boruların işletme basınç değerleri 3, 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 ve 48 MPa teğetsel ön gerilmeler olacak şekilde test koşulları belirlenmiştir. Düşük hızlı darbe hasarının etkisinin incelenmesi amacıyla, yukarıda belirtilen ön gerilmeler altında çalışan borular üzerine 20J enerjiyle düşük hızlı darbe uygulanmış ve ön hasar oluşturulmuştur. Düşük hızlı darbe sırasında boruların dinamik davranışları ve oluşan hasar incelenmiştir. Yapılan çalışma neticesinde 24 MPa ön gerilme değerinden daha yüksek gerilmeler altında, darbe ön hasarının, boruların yorulma davranışına etkisi olmadığı tespit edilmiştir. Bu aşamadan sonra, ANSI/AWWA C950 standardına ön görülen işletme basıncı kategorilerinden 6-12-18 MPa ön gerilme değerleri esas alınarak deney parametreleri belirlenmiştir. Darbe hasarlı hibrit borular, ASTM D 1599-99 standardına göre statik iç basınç testine tabi tutulmuştur. Boruların patlama mukavemetleri belirlenmiştir ve oluşan hasarlar incelenmiştir. Darbe hasarlı ve hasarsız boruların yorulma davranışlarının belirlenmesi amacıyla ASTM-D 2992-06 standardına uygun olarak (R=0.05 gerilme oranı ve f=0.42 Hz frekansta) yorulma testleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, 6, 12 ve 18 MPa teğetsel ön gerilme altında darbeye maruz kalmış numuneler, hasarsız numunelerin patlama mukavemetinin %30 ila %55'ı arasında değiştirilen gerilme değerlerinde yorulmaya tabi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar, hasarsız numunelerin davranışlarıyla kıyaslanmıştır..Yorulma deneyleri sırasında gelişen hasarlar detaylı bir biçimde incelenmiş ve üç önemli hasar aşaması belirlenmiştir. Bu hasarlar; terleme veya damlacık şeklinde ilk sızıntı, yoğun sızıntının (su jeti) başlaması ve sonuç hasarıdır. Sonuç hasarın oluştuğu çevrim sayıları kayıt edilerek S-N eğrisi elde edilmiştir. Yorulma sonrası numunede oluşan hasar bölgeleri incelenmiştir. Bu çalışmalar neticesinde uygulanan ön gerilme değeri arttıkça darbe ön hasarının azaldığı, statik patlatma mukavemetinin ve yorulma ömrünün arttığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Filament wound composite pipes are used in high pressure chemical's transportation, industrial waste disposition, oil and natural gas transmission lines. In case of this type of pipes experience low velocity impacts, barely visible damages such as matrix cracking, fiber breakage and delamination can form. These damage types can result in both loss of strength and decrease of fatigue life. For investigation of this situation, composite pipes with glass/carbon/glass sequence have been produced at [±75g°/±55c°/±45g°] configuration. In accordance with ANSI/AWWA C950 standard, the pipes classified into operating pressure classes and testing pressures determined such that tangential pre-stress are 3, 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 and 48 MPa. 
In order to investigate the effect of low velocity impact damage and dynamic behavior, the pipes subjected to 20J low velocity impact while they are working under different pressures. After the tests, it is observed that when the operating pressure in higher than 24 MPa, the lows velocity impact damage does not affect the fatigue life of the pipes. After that point, the testing parameters modified by considering only pressure classes which yields 6-12-18 MPa's tangential pre-stresses. After the low velocity impact, the pipes subjected to internal pressure test according to ASTM D 1599-99 standard and burst pressure and damage formation have been investigated.
In order to obtain the fatigue behavior the intact and impact pre-damaged pipes were subjected to fatigue testing according to ASTM D 2992-06 which stipulates stress ratio of R=0.05 and loading frequency of f=0.42 Hz. For this aim, the pipes subjected low velocity impact under different operating pressures have now subjected to fatigue loading at stress levels varying between 30% and 55% of burst pressure of intact pipes. The obtained results were compared with fatigue behavior of intact pipes. The damage formation during fatigue loading was examined in detail and three different damage types were observed which are; leakage initiation as sweating or oil droplet formation, intense leakage and final failure. The final failure cycles were recorded and used for obtaining S-N curves. After the fatigue testing, the damage zones within material were examined. As a result of this study, it is observed that, the static burst pressure and fatigue life increased with increased pre-stress value.