Noksel Çelik Boru San. A.Ş., Hendek-Sakarya

(1)

(2)

1

KAYNAK D K N N K MYASAL B LE M LE KIRILMA TOKLU U ARASINDAK L K

Kah ama R N^*, le Y ld R N^**, E di KALU ^***

* Noksel elik Boru San. A. ., Hendek-Sakarya 54300 E-mail: ksirin@noksel.com.tr

** As m Kocab k MYO, Kocaeli Universitesi, Hereke-Kocaeli 41800 E-mail: sysirin@yahoo.com

*** M hendislik Fak ltesi, Makina M h. B l m , Kocaeli Universitesi, mit-Kocaeli 41040 E-mail: ekalu @kou.com.tr

ZET

Bu al mada, to alt ka nak ntemi ile retilen spiral diki li do al ga hat borular nda, ka nak metalinin kim asal bile iminin ka nak diki inin tokluk ellikleri erindeki etkisi incelenmi ve bu ama la e itli dene ler ap lm t r. Dene sel al mada, a n ka nak ko ullar nda, farkl kim asal bile ime sahip ka nak telleri kullan lm t r. B lelikle, farkl ala mlanma sonucunda ka nak metalinin kim asal bile iminin de i imine olanak sa lanm ve daha sonra ap lan entik darbe dene leri ard m ile entik darbe mukavemeti ile ka nak metalinin kim asal bile imi aras ndaki ili ki irdelenmi tir.

Anahtar Kelimeler: Ka nak diki i kim asal bile imi, tokluk, spiral boru

THE RELATIONSHIP BETWEEN WELD METAL CHEMICAL COMPOSITION AND TOUGHNESS BEHAVIOUR

ABSTRACT

In this study, the effect of weld metal chemical composition on the toughness behaviour in submerged arc welded spiral pipes, is analyzed by making some industrial experiments. For this reason, initially different weld metal composition are obtained by using different kind of welding wires while all the parameters are kept as same. Finally, relationship between charpy V-notch impact test results and chemical composition of the weld metal is investigated.

Keywords: weld metal chemical composition, toughness, spiral pipe

(3)

2

1. G R

Stratejik nemi bulunan petrol ve do al ga n bulunduklar ka naklardan kar larak a rma istas onlar na, a rma i leminden kan r nlerin ise kullan m erlerine ta nmalar gereklidir.

Y ksek bas n larla ger ekle tirilen bu ta ma i lemi ise o unlukla to alt ka nak ntemi ile retilen b k apl elik borular ile ap lmaktad r. Enerjinin mali etinin nemli bir oranda nakil mali etine ba l olmas , boru hatlar nda a n aplarda daha fa la ga ak sa lanmas gereksinimini orta a karmaktad r. Bu ise, borunun gerek g vdesinde gerekse ka nak diki inde, d k s cakl klarda ksek tokluk elliklerini ka n lma hale getirmektedir.

Ka nak i lemi s ras nda, s n n erel olarak u gulanmas ile mal emede ve ellikle ka nak diki i civar nda olu an b k s cakl k farkl l klar ndan dola i gerilmeler me dana gelir.

Ka naktan sonra orta a kan i gerilmelerin, al ma ko ullar ndaki orlanmalar ve ka nak ban osundan a nan hidrojenin olumsu etkileri ile birle mesi ve sertle en b lgenin plastik ekil de i tirme elli inin olmamas nedeni ile k lcal atlaklar olu maktad r. Genellikle g le g r lme en bu k lcal atlaklar amanla belirli bir b kl e eri ince gevrek k r lma a ol a abilir. entik darbe deneyi k r lma davran n n incelenmesi i in a g n olarak kullan lmaktad r. Vurma de erinin b k oldu u st b lgede s nek, alt b lgede gevrek, ge i b lgesinde ise o unlukla kar k k r lma g r l r. S nek k r lma sa la an tavan enerjisi ksek ve ge i s cakl d k olunca tokluk elli i i ile ir; tavan enerjisi d k ve ge i s cakl ksek olunca da tokluk d er ve elik gevrekle ir. S nek halden gevrek hale ge i belirli bir s cakl k aral nda olur ve elik bu s cakl k aral nda gevrek hale gelir. Bir eli in ge i s cakl mal emenin kim asal bile imi, u gulanan mekanik ve s l i lemler ve i ap gibi bir ok fakt r n etkisi alt ndad r.

nce kesitlerde ksek mukavemet elliklerine sahip olan ve ka nak edilebilirli i olduk a i i olan ince taneli ap elikleri, ga ve petrol iletim hatlar nda olduk a a g n olarak kullan lmaktad r. Ga iletim boru hatlar nda s eet gas ve sour gas olmak ere iki t r elik kullan m s konusudur. S eet ga lar i in, genellikle %0,09 C ve %1,6 a kadar Mn i eren ve karbon e de eri IIW e g re 0,32 e kadar kabilen elikler kullan lmaktad r.

Bunlar o unlukla, Nb ve gereki orsa Ti a da V eklenmesi le ala mland r lm olup, -20 ^oC de ki tokluk de erleri 200 J civar nda olan eliklerdir. NACE s n flamas na g re i lenen r n n bas nc 0,4 MPa ve daha ksek ise ve r n i indeki hidrojen s lf r n (H2S) k smi bas nc 0,0003 MPa dan daha ksek ise bu t r ortamlar sour ortam olarak nitelendirilmektedir. CO2 ve H2S nin her ikisi de nemin bulunmas la koro if hale gelir ve do al ga n koro ifli i bu de erlerin kontrol le belirlenir. Sour ga i in retilen elikler, tokluk elli i ksek ve HIC direnci olduk a fa la olan elikler olarak karakteri e edilebilir.

Bu ellikler ise, pota kim as ve ksek d e de temi lik ile sa lanabilir. B lelikle, sertle ebilme elli i d k ve HIC a s ndan olduk a ararl olan kal nt ve kelti i erme en elik eldesi s konusudur. HIC e kar diren li eliklerin karakteristik ellikleri;

d k miktarda C, Mn ve S i eri i, Ca a da ben er etki i verecek elementler ile s lfit kal nt lar n n k reselle tirilmesi, d k oranda oksit kal nt lar i ermesi olarak etlenebilir.

2. DENEYSEL ALI MA

Dene sel al malar, to alt ka nak ntemi ile retilen spiral diki li boru erinde ap lm t r. Boru d ap 864 mm ve kal nl 8,74 mm olup, ilgili kaynak parametreleri ile elde edilen ka nak diki i Tablo1 de, dene lerde kullan lan ka nak tellerinin kim asal bile imi Tablo 2 de, ka nak to unun ellikleri ise Tablo 3 de verilmi tir.

(4)

3

entik darbe dene leri, mak. darbe i i 300 J ve arpma h 5,42 m/s olan cihaz ile ap lm olup, dene numuneleri DIN 50115 e g re sivri entikli ISO-V eklinde ha rlanm t r ( ekil 1). Numune so utmas s v ban o i inde ap lm olup, hassasi et 0,5 ^oC, tutma s resi ise yedi dakikad r. Numuneler ciha a, entik ekseni mesnet a kl n n tam ortas nda ve entikli

n ekicin vuraca n ters taraf nda olacak ekilde erle tirilmi tir.

Tablo 1. Dene sel al malardaki ka nak parametreleri.

Ak m idde i

(A)

Ark gerilimi

(V)

Tel a (mm)

Kaynak h (m/dk)

kaynak

DC 775 29 3,2

2,20

AC 550 29 3,2

D kaynak

DC 725 29 3,2

AC 450 29 3,2

Tablo 2. Dene sel al malarda kullan lan ka nak tellerinin kim asal bile imi.

C Mn Si Cr Ni Mo Cu Al V Ti B

S2Mo 0,11 0,89 0,16 0,04 0,04 0,50 0,02 0,010 0,01 S3Mo 0,10 1,62 0,15 0,05 0,04 0,49 0,04 0,006 0,01

S3MoTiB 0,07 1,27 0,29 0,04 0,03 0,51 0,03 0,004 0,01 0,15 0,013

* T m teller i in P<%0,010 ve S<%0,010

Tablo 3. Dene sel al malarda kullan lan ka nak to unun ellikleri.

Euronorm G sterimi

Baziklik Derecesi (Boniszewski)

Tane b kl

Yo unluk (kg/dm³)

EN 760 A AB 1 55 AC H5 1,6 2 - 20 1,2

ekil 1. entik darbe dene numunesinin bo utlar 2.1. De e el al ma Y lme i

Deney 1. Dene sel al man n ilk a amas nda, termomekanik haddeleme e tabi tutulmu ve hidrojen k r lganl na kar mukavemeti ksek bir X-65 eli i kullan lm t r (Tablo 4).

elik mal emede mikroala mlama elementi olarak Nb ve V un an s ra Ti da kullan lm t r.

S konusu mal emenin -20 ^oC de ki entik darbe mukavemeti 187 J dur (Tablo 5). To alt ka nak ntemi ile spiral diki li boru retim a amas nda, Tablo 1 de verilen elektriksel kaynak parametrelerine uygun olarak t m ka nak kafalar nda S2Mo teli kullan lm t r. Elde edilen ka nak diki inin kim asal bile imi Tablo 6 da verilmi tir. Kullan lan tel ve to un etkisi ile ka nak metalindeki C ve Si i eri inde belirgin bir art n oldu u g r lmektedir.

Bunun d nda, ka nak telindeki ksek Mo i eri i ka nak metalindeki Mo miktar nda olduk a ksek bir art a ol a m t r. Mangan da ise bir de i imin olmad g r lmektedir.

Ka nak diki inin -20 ^oC de ki entik darbe dene i sonu lar Tablo 7 de g r lmektedir.

55 0,6

45⁰ 2

10 0,1

2 0,1 6,67 0,1

(5)

4

Tablo 4. Dene 1 de kullan lan X-65 eli inin kim asal bile imi.

C Si Mn P S Cu-Ni

Cr-Al Mo N Nb Ti V

0,021 0,23 1,34 0,003 0,001 0,350 0,057 0,002 0,053 0,0140 0,060

Tablo 5. Dene 1 de kullan lan X-65 eli inin -20 ^oC de ki entik darbe sonu lar .

a a no

Deney sonucu (J)

a a no

1 196 11 176

2 211 12 174

3 185 13 183

4 180 14 182

5 214 15 182

6 184 16 178

7 197 17 190

8 196 18 188

9 182 19 168

10 189 20 184

Tablo 6. S2Mo kaynak teli ile elde edilen ka nak diki inin kim asal bile imi (Dene 1).

0,039 0,28 1,33 0,003 0,002 0,266 0,215 0,005 0,034 0,0070 0,040

Tablo 7. Ka nak diki inin -20 ^oC de ki entik darbe sonu lar (Dene 1).

a a no

1 128 9 87 17 96

2 64 10 104 18 102

3 106 11 144 19 117

4 128 12 43 20 115

5 127 13 105 21 107

6 115 14 57 22 104

7 49 15 108 23 124

8 71 16 95 24 47

Deney 2. al man n ikinci a amas nda, di er t m parametreler a n kal rken daha farkl bir kim asal bile ime sahip bir X-65 eli i kullan lm t r (Tablo 8). Daha nce kullan lan mal emeden farkl olarak, bu dene de kullan lan elik mal emenin C i eri i daha fa la, buna kar n Mn i eri i daha d kt r. Mikroala mlama elementi olarak sadece Nb ve V kullan lm buna kar n Ti kullan lmam t r. S konusu mal emenin -20 ^oC de ki entik darbe da an m 170 J dur (Tablo 9). Tablo 10 ve ekil 2 de ise mal emenin de i ik s cakl klardaki entik darbe dene sonu lar g r lmektedir. Tablo 1 de verilen elektriksel ka nak parametrelerine u gun olarak t m ka nak kafalar nda S2Mo teli kullan lm t r. Bu artlar alt nda elde edilen ka nak diki inin kim asal bile imi Tablo 11 de, -20 ^oC de ki entik darbe sonu lar ise Tablo 12 de verilmi tir.

(6)

5

Tablo 8. Dene 2 de kullan lan X-65 eli inin kim asal bile imi.

0,035 0,18 1,10 0,008 0,001 0,296 0,004 0,003 0,057 0,0025 0,064

Tablo 9. Dene 2 de kullan lan X-65 eli inin -20 ^oC de ki entik darbe sonu lar .

Pa a no

1 160 11 169

2 170 12 168

3 175 13 169

4 176 14 176

5 169 15 166

6 165 16 159

7 169 17 144

8 171 18 171

9 167 19 182

10 160 20 182

Tablo 10. Dene 2 de kullan lan eli in de i ik s cakl klardaki entik darbe sonu lar .

Pa a no 20 ôC 0 ôC -40 ôC -60 ôC

1 179 177 161 157

2 168 174 171 163

3 174 175 157 177

Tablo 11. Deney 2 de S2Mo ka nak teli ile elde edilen ka nak diki inin kim asal bile imi.

0,046 0,25 1,16 0,008 0,002 0,240 0,165 0,005 0,037 0,0028 0,044

Pa a no

1 111 9 50 17 53 25 40

2 158 10 80 18 102 26 56

3 125 11 43 19 129 27 116

4 38 12 110 20 46 28 47

5 86 13 63 21 95 29 75

6 59 14 38 22 75 30 135

7 84 15 136 23 43

8 30 16 40 24 116

Tablo 13. Ka nak diki inin de i ik s cakl klardaki entik darbe sonu lar (Dene 2).

Pa a no 20 ôC 0 ôC -40 ôC -60 ôC

1 130 90 44 14

2 135 102 25 17

3 127 114 27 18

(7)

6

malzeme

ka nak diki i

0 40 80 120 160 200

20 0 -20 -40 -60

dene cakl ( C)

enik dabe mkaemei (J) ..

o

ekil 2. Ka nak diki inin entik darbe mukavemetinin s cakl a ba l olarak de i imi.

Deney 3. Deneylerin nc a amas nda t m di er parametreler a n tutulurken sadece ka nak tellerinin cinsi de i tirilerek, t m kafalara S2Mo erine Mn i eri i daha fa la olan S3Mo teli tak lm t r. S3Mo tel kullan m ile ka nak metalindeki Mn miktar n n art r lmas ve artan Mn i eri i ile entik darbe toklu unda art sa lanmas hedeflenmi tir. Bu ko ullar alt nda elde edilen ka nak diki inin kim asal bile imi Tablo 14 de verilmi tir. S3Mo tel kullan m ile ka nak diki indeki Mn miktar ndaki art net bir ekilde g r lmektedir. -20 ^oC

de ki ka nak diki i entik darbe test sonu lar Tablo 15 de verilmi tir.

Tablo 14. Deney 3 de S3Mo ka nak teli ile elde edilen kaynak diki inin kim asal bile imi.

0,048 0,24 1,31 0,008 0,002 0,258 0,162 0,006 0,037 0,0029 0,044

Pa a no

1 98 9 137 17 104 25 110

2 142 10 148 18 144 26 51

3 151 11 138 19 138 27 113

4 146 12 82 20 78 28 118

5 141 13 138 21 144 29 152

6 135 14 148 22 116 30 115

7 128 15 107 23 166

8 133 16 142 24 95

Deney 4. Dene lerin d rd nc ve son a amas nda ka nak telleri bir ke daha de i tirilmi , DC kafalara S3MoTiB tipi tel tak l rken AC kafalarda ise S2Mo cinsi tel kullan lm t r. Bu ko ullar alt nda elde edilen ka nak diki inin kim asal bile imi Tablo 16 da verilmi tir.

S3MoTiB tel kullan m ile entik darbe da an m n n artt g r lmektedir (Tablo 17).

(8)

7

Tablo 16. S3MoTiB kaynak teli ile elde edilen ka nak diki inin kim asal bile imi (Deney 4).

0,044 0,28 1,26 0,010 0,002 0,250 0,171 0,006 0,037 0,0265 0,045

Pa a no

1 160 11 151 21 128

2 130 12 162 22 119

3 174 13 160 23 128

4 158 14 163 24 134

5 144 15 174 25 139

6 142 16 139 26 130

7 110 17 163 27 134

8 142 18 153 28 129

9 142 19 149 29 152

10 132 20 157 30 159

3. SONU LAR

To alt ka na nda, ka nak metali genel olarak b k bir oranda ana metalden olu maktad r.

Bu nedenle, ana metalin kim asal bile iminin ka nak ba lant s n n kim asal bile imi, mikro ap s , tokluk ellikleri ve atlak hassasi eti erindeki etkisi ok fa lad r. IEB b lgesinin tokluk elliklerini artt rma n ndeki olanaklar n k s tl olmas na kar n, ka nak metalinde uygun tel ve toz kullan m ile istenilen kim asal bile imi sa lama ve dola s la ka nak metalinin tokluk elliklerini i ile tirme olana olduk a fa lad r.

Bilindi i gibi, ka nak metalinin mikro ap s ndaki i nemsi ferrit (acicular ferrite-AF) miktar artt k a ka nak metalinin tokluk ellikleri de i ile mektedir. Mangan, Mo ve Ni gibi i nemsi ferrit olu umunu art rarak ka nak metalinin tokluk elliklerine olumlu katk sa lamaktad r.

Yap lan dene sel al malar g stermi tir ki; ka nak diki indeki Mn miktar n n artmas ile tokluk de erlerinde de art olmaktad r. S2Mo tel erine daha ksek Mn i erikli S3Mo tel kullan m ile ka nak metalindeki Mn miktar %1,16 dan %1,31 e km t r. Bunun sonucunda, -20 ^oC de ki entik darbe mukavemeti 80 J de erinden akla k %56 l k bir art la 125 J de erine kselmi tir ( ekil 2).

Titan um, toklu u d r c nde etkisi olan ararl elementler grubunda ki serbest oksijen ve a otu TiO ve TiN olarak ba lar ve dola l olarak toklu u i ile tirir. Tokluk elliklerini d r c nde etki e sahip olan serbest a otu ba lamak i in Ti i erikli tel kullan m olduk a ksek tokluk de erlerinin elde edilmesine olanak sa lamaktad r. Bu durum, dene sel al mada da g r lm olup Mn art n n an nda ka nak metalindeki Ti miktar n n artmas ile tokluk elikleri daha da artarak, -20 ^oC de ki entik darbe mukavemeti 80 J de erinden 144 J de erine kselmi tir ( ekil 2). A r ca, Ti art ile entik darbe dene sonu lar daha homojen bir duruma gelmi tir ( ekil 3 ve ekil 4). Sonu olarak, ka nak metalinde uygun tokluk elliklerinin elde edilebilmesi i in, ka nak metalinde C, Mn ve Mo aras nda u gun bir dengenin kurulmas ve Ti-B i erikli ka nak teli ile ala mland r lmas olduk a nemlidir.

Ancak, Ti ve B ile ala mland r lm ka nak telleri mutlaka d k oksijen i erikli ba ik esasl to lar ile e lendirilmelidir.

(9)

8

0 40 80 120 160 200 240

S2Mo S3Mo S3MoTiB Malzeme

enik dabe mkaemei (J)

ekil 2. - 20 ^oC de ki entik darbe mukavemetinin de i imi (864 8,74 mm).

30 51

110 144

80 125

144 170

158 166

174 182

deney 2 deney 3 deney 4 malzeme

deney no

min ort max

ekil 3. entik darbe dene sonu lar n n min, maks ve ort. de erlerinin g sterimi.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

(J)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

(J)

malzeme (deney 2) S3Mo (deney 3) S3MoTiB (deney 4) S2Mo (deney 2)

ekil 4. Kullan lan tel bile imine ba l olarak entik darbe mukavemetindeki de i im.