Yüksek frekans indüksiyon kaynaklı çelik borulardameydana gelen çatlaklara trız yaklaşımı
Utilizing the method of triz for crackings in high-frequency induction welded steel pipes
Yazar: MERVE SEYYİTOĞLU
Danışman: PROF. DR. İSMAİL YILMAZ TAPTIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Dünyada en çok kullanılan yenilenemeyen enerji kaynaklarından biri petroldür. Son yıllarda petrolün yerini yenilenebilir enerji kaynakları almaya çalışsa da petrole olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Petrole olan bu bağlılık daha fazla petrol rezervleri açılmasına ve ham petrolün çıkarılması için kullanılacak ekipmanlara olan ihtiyacın da artmasına sebep olmaktadır. Bu ekipmanların arasında en önemli paydaya sahip olanlar ise borulardır. Rezervin açılmasından, sondajın yapılması ve petrolün aktarılmasına kadar olan her süreç, bu süreç için özel çap ve et kalınlıklarında dikişli veya dikişsiz üretilmiş borularla sağlanmaktadır. Dikişli üretim yöntemlerinden biri olan Yüksek Frekans İndüksiyon Kaynağı (HFI) diğer dikişli üretim yöntemlerine göre sarf malzeme kullanılmaması ve kolay uygulanabilir olması açısından daha avantajlıdır. Sıcak haddelenmiş çeliğin plastik deformasyonla şekil alıp, boru halini aldıktan sonra kaynaklanmasından oluşan bu prosesi etkileyen birçok kaynak parametresi vardır. Bunlar; ana malzeme yani kullanılan sıcak haddelenmiş çeliğin yapısını etkileyen parametreler, kaynağın voltaj, amper ve ısı girdisini kontrol etmeye yarayan fiziksel parametreler ve kaynaklandıktan sonraki metalin kimyasal özelliklerini etkileyen parametrelerdir. Eğer bu parametreler optimize edilmez ise doğru bir kaynak işlemi yapılamamakta ve kaynak hatalarıyla karşılaşılmaktadır. 1972 yılında İran Körfezi'nde iletim borularında meydana gelen hasar ve 1974'de Suudi Arabistan iletim hattında meydana gelen hasarlar birçok araştımacıyı çelik borulardaki hasar mekanizmalarını incelemeye ve test sonuçlarını araştırmaya itmiştir. O yıllardan günümüze literatüre birçok çalışma kazandırılmış ve kaynak hataları azaltılmaya çalışılmıştır.
Bu tez kapsamında, yüksek frekans indüksiyon kaynaklı borulardaki çatlaklar metalürjik olarak ve mühendislik problemlerinin çözümlerinde kullanılan TRIZ methodu ile incelenmiştir. Yapılan çalışmalarda, su verme ve temperleme işlemlerinden sonra hasarsız muayene yöntemlerinden biri olan ultrasonik testte kaynak bölgesi içerisinde çatlak olduğu tespit edilmiş borulardan alınan numuneler ile çalışılmıştır. Numuneler zımparalama, parlatma ve dağlama gibi numune hazırlama işlemlerine tabi tutulmuş ve akabinde optik ve elektron mikroskopisi yöntemleri ile analiz edilmiştir. Numunelerin kimyasal analizleri için Optik Emisyon Spektroskopisi (OES) ve Enerji Dispersiv Spektrum (EDS), çatlağın karakteristik özelliklerini yüksek büyütmelerde gözlemlemek için optik ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. 
Kaynak dikişi bölgesinin martenzitik yapıda olduğunun gözlenmesi çatlağın sertleştirme ısıl işlemleri sonrasında oluştuğunu doğrular niteliktedir. Ayrıca çatlak borunun iç yüzeyinden başlayarak dışa doğru ilerlemiştir. Bu durum borunun dış çevresinin soğutulmasıyla gerçekleştirilen su verme işleminin borunun dış kısmında basma ve iç kısımda çekme gerilimleri oluşturduğunu göstermektedir. Literatür araştırmalarında edinilen bir diğer bilgi ise Mn/Si oranının mangan ve silisyum kompleks oksitlerini kaynak bölgesinden uzaklaştırmak adına bu oranın en az 8 olmasıdır. İncelenen numunelerin tümünde bu değer 8'in altında olup, kaynak bölgesinde ve çatlak çevresine yapılan SEM-EDS analizi de mangan ve silisyumca zengin oksit partiküllerinin varlığını doğrulamıştır.  
Yapılan yapısal incelemelerin yanı sıra karşılaşılan bu probleme TRIZ metodu kullanılarak çözümler getirilmesi hedeflenmiştir. Problemin tanımlanması ve nedenlerin araştırılması için çeşitli kalite araçları kullanılmış ve çözümler üretilmeye çalışılmıştır. Çözümlerde karşılaşılan çelişkilere TRIZ metodu içerisinde bulunan 39X39 mühendislik matrisi kullanılarak yenilikçi fikirler üretilmesi amaçlanmıştır. Bu matrisin sağladığı 40 buluşçu prensip arasında yer alan fikirler uygulanabilirliğine ve problemin çıkış sebebine uyumluluğuna bağlı olarak kendi içinde irdelenmiş ve çeşitli öneriler verilmiştir. Tüm bunlara ek olarak bir mühendislik problemine etkili bir problem çözme tekniği olan TRIZ kullanılarak yaklaşılmış ve elde edilen yapısal inceleme sonuçları ve TRIZ yaklaşımının korelasyonu sağlanmıştır.

Abstract:
One of the most used non-renewable energy sources in the world is petroleum. Although renewable energy sources have tried to take the place of petroleum in recent years, the need for petroleum has been increasing day by day. This commitment to petroleum leads to more petroleum reserves to open and the need for equipment to be used for the extraction of crude oil. The most important piece among this equipment is pipes. Every process from the opening of the reserve to drilling and the transfer of the petroleum proceeds with welded or seamless pipes in special diameter and wall thickness for this process. High-Frequency Induction Welding (HFI), which is one of the seamed pipe production methods, is more advantageous in terms of no consumables usage and easy application, compared to other seamed pipe production methods.  There are many welding parameters that affect this process, in which the hot rolled steel formed by plastic deformation and given the shape of the pipe. These are the parameters affecting the structure of the main material, namely the hot-rolled steel, the physical parameters affecting the voltage, current, heat input of the welding process, and the parameters affecting the chemical properties of the metal after welding. If these parameters are not being optimized, a correct welding process cannot be performed and welding defects are encountered. In 1972, the damage in the transmission pipes in the Persian Gulf and in 1974, the damage in transmission line in Saudi Arabia led many researchers to investigate the damage mechanisms in steel pipes and to investigate the test results. Since then, many studies have been gained to literature, and welding failures have been tried to be reduced. The most common welding defects in high-frequency induction welding are reported in the open literature as cold weld, lack of fusion, black penetrators, hook cracks, pores, and inclusions.
In this study, cracking in the electrical resistance welded steel pipes were investigated in detail and the TRIZ method was used as an engineering problem-solving technique. Cracking in the welded steel pipes was detected by non-destructive tests such as ultrasonic test (UT) after quenching and tempering processes. After sample preparation techniques like grinding, polishing, and etching, welded samples were analyzed by optical and electron microscopy methods. For chemical analysis of the pipes, Optic Emission Microscopy (OES) was used. According to OES results, the steel was Carbon-Manganese steel and that was named J55 according to the American Petroleum Industry 5L standard. The crack was detected at the weld seam of the pipes. Optical microscope (OM) images are clearly demonstrated that the crack initiated at the inner surface of the pipes and propagated through the outer surface. In OM studies, inclusions were also detected in the welding zone, which exhibited a martensitic microstructure.  Optical and scanning electron microscope (SEM) investigations also revealed inclusions inside of the crack. Welding zone and crack were analyzed by using SEM equipped with energy dispersive spectrometry (EDS) and it was found that inclusions comprise manganese, silicon, and oxygen elements. In the literature, the formation of such type of inclusions was reported when heat input of the welding was higher and the ratio of Mn/Si in the steel was not higher than 8:1. Manganese(II) oxide (MnO)-Silicon dioxide (SiO2) binary phase diagram shows the melting temperature of the complex oxide is mainly dependent on the ratio of Mn/Si. Complex oxides which have lower melting temperature tend to remain smaller in size and move away from the welding zone during the welding operation. According to the binary phase diagram, the oxides which have Mn/Si ratio is 8 have the lowest melting temperature so the steel composition which has Mn/Si ratio minimum 8 must be preferred in order to minimize the number of oxide inclusions.
Detection of the crack by non-destructive tests only after quenching and tempering processes suggests that crack was formed after the hardening process. Additionally, initiation of the crack at the inner surface of the pipe can be accompanied by the heat treatment processes. Since the pipe is quenched by water spraying from the outer shell, compression stresses are formed on the outer surface of the pipe and tensile stresses are formed on the inner surface of the pipe. The crack started from inside of the pipe, which was subjected to tensile type thermal stresses, and propagated to outside of it. It also indicates that thermal stresses caused the crack formation and propagation. 
On the basis of microstructural analysis, it is concluded that complex oxides located in the weld seam and thermal stresses (especially tensile thermal stresses at the inner surface) resulted in cracking of the welded pipes.
On the other hand of structural analysis, was aimed to bring solutions to the problem with using TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving) method. Various quality tools were used to identify the problem and investigate its causes, and solutions were tried to produce. It is aimed to generate innovative ideas within the 39x39 TRIZ engineering contradiction matrix. Defined ideas within 40 inventive principles were provided from the matrix that has been examined within itself and depending on its compatibility with the reason to reveal the problem and feasibility.
In addition, the cracking problem in the welded steel pipes was investigated with the TRIZ method, as an effective problem-solving technique. Correlation of the obtained microstructural analysis results and TRIZ approaches were achieved. 
As a result of the TRIZ study, in order to improve the process and avoid the welding failures, some solutions were obtained. These are calculating the optimum heat input by taking some parameters such as current, potential, and line speed into consideration, and providing the new raw material that has Mn/Si rate is equal or larger than 8:1. Also, in the quenching part, the pipe should be cooled homogenously, this could be obtained by cooling the pipe by rotational motion and supporting it by applying modeling and simulation of the process before running the system. Another important solution is nondestructive evolution during the process running. It is urgent to detect the failure before it results in a catastrophe.
In addition, the whole process should be optimized and monitorable especially in the case of oil drilling and transmission pipe production line which has vital importance in the industry. Normalizing and tempering have also significance since they affect the microstructure namely the mechanical properties of the materials. By taking this crucial effect into account, it is strongly recommended that all heat treatment furnaces must be controlled and in the case of emergency, they give audial or visual warnings.
TRIZ recommends several beneficial solutions to numerous industrial processes. As a consequence of the thesis study, it obviously is seen that TRIZ solves the problems professionally and it formes the background of problem-solving not just applying the analytical methods but problem-solving techniques.