Ottimizzazione del trattamento termico di recipienti in pressione

The work presented in this thesis refers to the heat treatment performed on jumbo cylinders produced by Tenaris Dalmine S.p.A.. During the study, a finite elements model has been created through Comsol Multiphysics, simulating the behaviour of pressure vessels inserted in the furnace, to find the distribution of temperature on the piece during the process (the step of austenitizing and tempering). The first geometric model created was the 2D of cross section of cylinder, to study what happens along the body; the second model was the 2D axisymmetric of longitudinal section, to understand what happens in the most critical part of the cylinder, such as the shoulders. The validation of the model has been performed by comparing simulations results with data obtained from a first instrumented test: in this test it was measured and registered cylinder temperature during a single heat treatment. The positive outcome of the validation phase allowed to use the model to find the optimal duration of treatment of all cylinders made in Tenaris, while to define temperature it has been analized mecanical tests performed from march 2012. With this new finite elements model, using the 2D cross section geometry, it has still been possible to study multiple treatments (a treatment with more jumbo cylinders in furnace at the same time). An instrumented test, done in july 2012 to measure temperature during a double treatment, allowed to verify if the duration established by the simulator was correct: while there was no problem for tempering, for austenitizing the boundary conditions have been revised. After review, and after a new comparison with experimental data, heat treatment parameters have been optimized. The created model can also be used to find treatment parameters of cylinders still in design stage, reducing experimental tests number and then related costs.

Il lavoro presentato in questa tesi riguarda lo studio del trattamento termico di bonifica e ettuato sui bomboloni realizzati da Tenaris Dalmine S.p.A.. In modo particolare è stato creato un modello agli elementi finiti attraverso Comsol Multiphysics simulando numericamente il comportamento dei recipienti in pressione inseriti nel forno, per individuare la distribuzione spaziale e temporale della temperatura sul corpo del bombolone durante le fasi di riscaldo dei trattamenti di tempra e rinvenimento. Il primo modello geometrico realizzato è stato quello 2D della sezione trasversale del bombolone inserito nel forno, per studiare ciò che accade sul corpo del bombolone; il secondo quello 2D assialsimmetrico della sezione longitudinale, per meglio comprendere ciò che accade nelle parti più critiche del bombolone stesso, come le ogive. La validazione del modello è stata effettuata confrontando i risultati delle simulazioni con i dati ricavati da una prima prova sperimentale, durante la quale veniva misurata e registrata la temperatura del bombolone per tutta la durata di un trattamento di bonifica in singolo (soltanto un bombolone nel forno). L'esito positivo della fase di validazione ha permesso quindi di utilizzare il modello creato, per individuare la durata ottimale del trattamento di tutti i bomboloni prodotti in azienda, mentre per la determinazione della temperatura sono state analizzate prove meccaniche effettuate sui bomboloni durante il periodo di tesi. Con il nuovo modello, utilizzando la geometria 2D della sezione trasversale, è stato possibile simulare inoltre i trattamenti multipli, vale a dire il trattamento di più bomboloni contemporaneamente. Una seconda prova strumentata, eseguita nel luglio del 2012 per monitorare la temperatura durante un trattamento in doppio, ha permesso infine di verificare la correttezza della durata individuata attraverso il simulatore: se per la fase di rinvenimento era stata impostata nella maniera corretta, per la tempra si è resa necessaria una revisione delle condizioni al contorno. In seguito alla revisione e a un nuovo confronto con i dati sperimentali, sono stati individuati i nuovi parametri ottimizzati per il trattamento di tempra. Il modello può così essere utilizzato anche per individuare parametri di trattamento di bomboloni ancora in progettazione, riducendo il numero di prove sperimentali e di conseguenza dei costi correlati.