Doğal gaz boru hatlarında orbital kaynak teknolojisi kullanılarak yapılan kaynakların mekanik ve mikroyapı özelliklerinin incelenmesi
Characterization of microstructure and mechanical properties of girth welds welded with orbital welding technology in the natural gas pipelines
Yazar: HANİFE DİDEM GENÇKAN
Danışman: PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Doğal gaz boru hatları = Natural gas pipelines ; MAG kaynak arkı = MAG welding ; Çelik borular = Steel pipes

Özet:
Doğal gaz ve petrol gibi enerji kaynaklarının uzun mesafeler boyunca taşınımı için en ekonomik yol yüksek basınç altında çalışabilen büyük çaplı çelik boru hatlarıdır. Büyük çaplı boruların yüksek basınç altında güvenli bir şekilde kullanımını garanti etmek için yüksek dayanımlı, yüksek darbe direncine sahip, yüksek performanslı çeliklerin kullanımı gerekmektedir. Bu çeliklerin uzun boru hatları şeklinde birleştirilebilmesi için iyi kaynaklanabilirlik özelliğinin de olması gerekmektedir.X65 çelik kalitesi ve daha yüksek kalite çelikler (X70, X80, X100, X120), yüksek basınç altında  ve düşük sıcaklıkta çalışma olanağı sağlamakla birlikte, düşük et kalınlıklarında bile aynı performansı gösterebilmektedirler.  Boru çeliği kalitesi arttıkça, boru mukavemetinin artmasının yanı sıra, boru et kalınlığı ve ağırlığı azalmakta ve böylece kaynak ağzının daraltılması ile kaynak süresi ve kullanılan kaynak sarf malzemesi miktarı da azalmaktadır. Bunlara bağlı olarak, boruların gerekli bölgeye taşınımı için ulaşım maliyetleri de azalmaktadır. Ayrıca termomekanik haddeleme saysinde azaltılabilen karbon içerikleri ile daha iyi kaynaklanabilirlik özellikleri, ilave edilen mikro alaşım elementleri ile de yüksek tokluk değerleri  göstermektedirler.  Bu nedenlerle boru hattı uygulamalarında X65, X70 ve X80 kalite çelikler geleneksel yöntemlerle üretilen çeliklere göre daha çok tercih edilmektedirler. Boru hattı çelikleri Amerikan Petrol Enstitüsü'ne (API) göre sınıflandırılmaktadır. Bu çelikler tipik olarak düşük alaşımlı, yüksek mukavemetli ve termo mekanik kontrollü haddelenmiş (TMCP) çelikler olarak isimlendirilmektedir. Termo mekanik haddelenmiş çeliklerin kontrollü haddelenmesi ile mikro yapıda değişiklik elde edilerek yüksek dayanım değerlerine ulaşılmaktadır.  Bu çeliklerde yüksek mukavemet, küçük oranlarda mikro alaşım elementlerinin düşük karbonlu çeliğe ilavesi ile sağlanmaktadır. Bu alaşım elementleri vanadyum, niyobyum, titanyumdur. Bu elementler güçlü karbür ve nitrür yapıcı elementler olup, sıcak haddeleme sırasında tane büyümesini engelleyerek ve soğuma sırasında ince taneli ferrit yapısı çekirdeklenerek yüksek dayanımlı çeliklerin üretilmesi sağlanmaktadır. Boru çeliklerinin kimyasal yapısı ve üretim yöntemlerinde son yıllardaki hızlı gelişmeler,  bu çeliklerin kaynak edilebilirliği için gerekli olan sarf malzemelerinin de gelişmesini zorunlu kılmıştır. 
Kullanılan kaynak yöntemi ve kaynak sarf malzemesi kaynak kalitesi ve projenin tamamlanma süresini belirlemekle beraber, boru hattının emniyeti, çalışma ömrü ve ekonomikliği için büyük önem arz etmektedir.  Bu bakımdan kaliteli bir boru hattı kaynağı için kaynak yönteminin ve kaynak sarf malzemesinin doğru seçilmesi önemlidir. Yüksek mukavemetli boru çeliklerinin kaynağında kullanılan özlü tellerin mukavemet değerlerinin kullanılan ana malzemeden daha yüksek olmalıdır.  Bazı projelerde ise kaynak metali bölgesi çentik darbe direnci, düşük sıcaklıklarda daha yüksek olma gereksinimi mevcuttur. Bu nedenle yüksek dayanımlı düşük alaşımlı çelikler için sarf kaynak teli tasarımı ve üretimi önemli olmaktadır. Ulusal pazarda yüksek mukavemetli X80 çelik boruların orbital kaynağında kullanılabilecek kaynak sarf malzemesi bulunmamaktadır. Bu tür ürünler ithal edilerek ülkemizde çeşitli boru hatları kaynaklarında kullanılmaktadır. Bu tür yüksek mekanik özelliklere sahip olan kaynak ürünlerinin gerektirdiği teknoloji ve metalurjik bilgilerin acil olarak ülkemizde geliştirilmesi ülke sanayisi ve ekonomisi için öncelikli konu teşkil etmektedir. Özellikle, gelecek on yıl perspektifi içinde, Türkiye'den geçmesi planlanan petrol ve doğal gaz boru hatlarının sayısı ve potansiyeli göz önüne alınınca, bu tür projelere Türkiye sanayisinin katılabilmesi ve kaynak ürünleri verebilmesi için gerekli teknolojiyi üretmesi ve bu teknolojiye sahip olması gerekmektedir. Bu nedenle boru hattı kaynağında yüksek mukavemetli çelikler için geliştirilen kaynak sarf malzemeleri, hızlı ve otomatik kaynak yöntemleri kullanılarak saha birleştirme kaynaklarında sorunsuz bir şekilde çalışması gerekmektedir.
Bu tür boru hatlarının dünyanın birçok bölgesinde giderek artan örnekleri görüldüğü gibi, ülkemizde de TANAP, TAP, ITE, ITGEP, ITGI olarak adlandırılan doğal gaz boru hatlarının ülkemiz sınırları içerisinden geçmesi söz konusudur. Enerjinin boru hatları ile hızlı ve ekonomik olarak taşınması için boruların saha birleştirme kaynaklarında ileri teknoloji gerektiren otomasyona uygun orbital kaynak yöntemlerinin kullanılması öngörülmektedir. Mekanize bir yöntem olması nedeni ile, elde edilen düzenli, hızlı ve kaliteli kaynak dikişleri nedeniyle orbital kaynak sistemi elle yapılan kaynaklardan çok daha iyi sonuçlar vermektedir. Bu yöntem ile kaynak hızı artmakta, kalite ve verimlilikte artış sağlanmaktadır. Ayrıca insan kaynaklı hatalar elimine edilmekte ve çok düşük insan gücü ile kaynak işlemi bitirilmektedir. Bu sistemle özlü teller ve masif teller kombinasyon şeklinde kullanılarak çok yüksek kaynak metali yığma oranlarına çıkılabilmektedir. Orbital kaynak sistemi ile ilgili yapılan çalışmalara ve makalelere ulusal literatürümüzde rastlanılmamakla birlikte, potansiyel boru hatları bulunan Türkiye'de  bu çalışmaların gerçekleştirilmesi ülke ekonomisi ve gelişimi açısından önem taşımaktadır. 
Bu çalışmada, farklı et kalınlığı ve boru çaplarına sahip X65, X70 ve X80 kalite çelik boruların kaynağı orbital kaynak sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kaynak sırasında rutil özlü kaynak telleri kullanılmış olup, X65 ve X70 çelik borular için %88 Ar - %12 CO2, X80 çelik boru için %100 CO2 koruyucu gazı kullanılmıştır. Kaynak öncesinde, yapılan deneme çalışmaları sonucu optimum orbital kaynak parametreleri belirlenmiştir. X65 ve X70 çelik borunun kaynağı için dikişsiz rutil özlü tel kullanılmıştır. X80 çelik boru kaynağı için ise borunun mekanik özelliklerini karşılayacak rutil özlü tel tasarımı ve üretimi yapılmıştır.
X80 çelik boru için tasarlanan  rutil özlü teller, AWS A5.29 standardına göre Gedik Kaynak A.Ş. fabrikası özlü tel üretim hattında üretilmiştir. Tasarlanan ve üretilen farklı kimyasal içeriklere sahip özlü teller kendi içlerinde değerlendirilmiş ve deneyde kullanılan ana malzeme X80 çeliğine en uygun bulunan rutil özlü telin X80 çelik boru MAG orbital kaynağında kullanımı gerçekleştirilmiştir.Rutil özlü kaynak teli tasarımları sırasında, kaynak metalinde düşük sıcaklıkta yüksek darbe direnci ve X80 çelik boru özelliklerini karşılayacak mukavemet özellikleri elde edilmeye çalışılmıştır. Bu nedenle özlü tel tasarımı sırasında  nikel, mangan ve karbon elementleri ile oynanarak tasarımlar yapılmıştır. Saf kaynak metallerine ait akma ve çekme dayanımları, çentik darbe dayanımı ve mikro yapı-kimyasal özellikler arasındaki ilişkiler açıklanmıştır. Özlü tellerin kimyasal analizleri X-Ray spektrometresi ile analiz edilmiştir. Nikelin kaynak metalinin düşük sıcaklıklardaki çentik darbe dayanımını yükselttiği görülmüştür. Manganın  ise %1.5 oranından fazla ilavesi ile darbe direncini düşürdüğü, fakat çekme mukavemetini yükselttiği gözlenmiştir. Düşük sıcaklıkta yüksek darbe direnci için karbon içeriğinin azaltılması gerekmektedir.  Karbon kaynak metalinin sünekliğini azaltarak, sünek-gevrek geçiş sıcaklığını sağa doğru ötelemektedir. Böylece darbe geçiş sıcaklığı artmakta ve düşük çentik darbe dayanımı elde edilmektedir. Bu bilgiler dahilinde saf kaynak metalinde bulunan karbon,  nikel ve mangan  arasında standartta verilen ağırlıkça % oranlar göz önünde tutularak, uygun bir toz formülasyonu tespit edilmiştir. Tasarım çalışmaları sonucunda, Tasarım 8 olarak adlandırılan rutil özlü kaynak teli X80 çelik boru kaynağı için mekanik özellikler bakımından yeterli ve uygun bulunmuştur.
Orbital kaynak parametrelerinin belirlenmesi ve kullanılacak kaynak sarf malzemelerinin ayarlanmasından sonra üç farklı çeliğin MAG Orbital kaynakları gerçekleştirilmiştir. Tüm kaynaklı çelik borular için EN 1435 standardına göre radyografi muayene yapılmış ve elde edilen dijital radyografi filmleri API 1104'e göre değerlendirilmiş ve uygun bulunmuştur. Kaynaklı parçalara ait çentikli çekme numunelerinde de kaynak bölgesinde herhangi bir kaynak hatasına rastlanılmamıştır. Boru çap boyunca kaynak bölgesinin aynı özelliklere sahip olup olmadığını görebilmek için  12-3 ve 3-6 saat pozisyonundan çıkartılan numunelerde kimyasal, mekanik ve mikro yapı incelemeleri yapılmıştır. Mikro yapı değerlendirmeleri için kaynak bölgesi önce 200, 600 ve 1200'lük aşındırıcı disk ile zımparalanmış ve akabinde parlatma işleminden sonra % 3'lük nital çözeltisi ile dağlanmıştır. Kaynak bölgesi, ısı tesiri altındaki bölgenin (ITAB) mikro yapısı optik mikroskopta ve taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir. Bu incelemeler sırasında ferrit, iğnesel ferrit ve beynit yapıları gözlenmiştir. İğnesel ferrit yapısı düşük sıcaklıklarda yüksek darbe direnci sağlamak için en iyi mikro yapı olarak söylenebilmektedir. Kaynak dikişlerinde sert ve gevrek olan martenzit yapısına rastlanmamıştır.Farklı bölgelerden alınan numunelere ait mekanik özellikleri belirlemek için, çekme testi, eğme testi, çentikli darbe testi ve sertlik testleri gerçekleştirilmiştir. Her iki saat pozisyonundan alınan numunelerde, çentik darbe dayanımları aynı elde edilmiştir. Aynı şekilde kaynaklı boruların 12-3 ve 3-6 saat pozisyonlarından alınan sertlik değerleri de benzer sonuçlar göstermiştir. Böylece orbital kaynak sistemi ile borunun her bölgesinde aynı kalitenin sağlandığı söylenebilmektedir. Kaynaklı parçalara uygulanan çekme testi sonucu, elde edilen mekanik değerler API 1104 standartlarında istenen değerler arasında bulunmuştur. Tüm borularda kopma ana malzemeden gerçekleşmiştir. Bu da kaynak metalinin başarılı olduğunu göstermektedir. Kaynaklı parçaların çentik darbe testleri 20 °C, -10°C, -20°C, -30°C, -40°C, -50°C, -60°C'de gerçekleştirilmiştir. X65 kaynaklı çelik borunun çentik darbe dayanım değerleri X70 kaynaklı çelik borununkinden daha yüksek tespit edilmiştir. X80 çelik borunun Tasarım 8 rutil özlü teli ile kaynağı sonucu 0°C'de API 5L/ISO 3183 standardı gerekliliğine göre yeterli bulunmuştur.Sonuç olarak, düşük alaşımlı yüksek mukavemetli farklı çaplara sahip API 5L X65, X70 ve X80 çelik boruların rutil özlü teller kullanarak MAG Orbital kaynak yöntemi ile kaynakları gerçekleştirilmiş, optimum orbital kaynak parametreleri belirlenmiş ve farklı pozisyonlarda kaynak dikişi mekanik ve mikro yapı özelliklerinde farklılık olmadığı detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bununla birlikte X80 çelik malzemenin mukavemet değerlerini karşılayacak bir rutil özlü tel tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Yapılan tasarım ve formülasyon çalışmaları sonucu Tasarım 8 adındaki rutil özlü tel X80 çeliğinin mekanik özelliklerini karşıladığı tespit edilmiş ve  X80 çelik borunun orbital kaynağında  kullanılmıştır. Ayrıca, çalışmada X80 çelik boru kaynağı için ithal edilmiş dikişsiz bir rutil özlü tel kullanılarak elde edilen kaynak metali mekanik özellikleri Tasarım 8 mekanik özellikleri ile karşılaştırılmıştır. Dikişsiz rutil özlü tellerin kaynak metali hidrojen miktarı telin kapama yapısından dolayı dikişli olana göre daha düşüktür, bu da kaynak metali çentik darbe dayanım sonuçlarını olumlu olarak etkilemektedir.

Abstract:
Transporting oil and gas through long distance by using large diameter pipeline under high pressure is an economical way. Using larger diameter pipelines under higher opareting pressures is trend in the pipeline design for higher transportation efficiency. In order to guarantee the safety of the pipeline, high-performance pipeline steel with high strength, high notch toughness and good weld ability is required to be used. Using higher grade comparing to lower grades pipeline steels (X65, X70, X80, X100, X120) allow to work under greater pressure and at low temperature copare to lower grades of pipe steels with the same pipe thickness. Using higher grade of steels allows the ower pipe thickness and weight. As a result of that, cost of welding consumables, welding time and pipe transportation can be significantly reduced. Therefore, X65, X70 and X80 (X100, X120) grade high strength steels are preferred in natural gas and oil pipelines instead of conventional grades such as X52 and X60.The quality of pipeline steels are classified into API Grades by American Petroleum Institute (API Spec. 5L). These steels are typically classified as High Strength Low Alloy (HSLA) steels and thermo mechanical hot rolled controlling the microstructure (i.e. thermo mechanical rolling process). High strength is achieved by the small additions of micro-alloying elements (such as Vanadium, Niobium and Titanium) to low carbon steel These elements are strong carbide and nitride formers, producing a fine dispersion of stable precipitates that inhibit grain growth during hot rolling and assist in nucleating fine grained ferrite during cooling.
Welding consumables which are going to work under high internal pressure, should have higher tensile and yield strength than the base material. Additionally, in some projects and applications, welding zone also should have higher fracture toughness at low working temperatures. So, it is important to design more strength welding consumable for these kind of pipeline steels.Ever-increasing weld quality and productivity requirements of the final welds from the pipeline, MAG-orbital welding is the one of the first choice for the joining of pipes. Due to the automation, consistent and excellent weld quality, orbital welding is far greater than what can be achieved manually. These days, there are many pipeline project in Turkey called TANAP, TAP, ITE, ITGEP, ITGI. Because of the time saving, high quality and productivity,  it is important to use MAG Orbital welding system in pipeline projects.MAG Orbital welding is an automated arc welding method that moves the arc around a round work piece while the work piece remains stationary. Pipelines with different pipe diameters as small as a few millimeters or as large as several centimeters can be welded in this way. As this technique increases welding speed, saves time, brings increase in quality and improvement in productivity. It also completely eliminates human errors and inconsistency by employing minimum manpower. FluXcored wires and solid wires are used in orbital welding method. High deposition rate with solid and flux cored wires for root, hot, filler and cap passes can be reached by this automatic MIG-MAG welding process. 
This study focused on orbital welding of X65, X70 and X80 grade steel pipes having different diameters and wall thicknesses. Pipes were joined by orbital welding with using flux cored wires (FCW) in 5G position under shielding gas compositions of  88% Ar - 12% CO2 for X65 and X70 grades of steel and 100% CO2 gases for X80 grade steel. Firstly, for all steel types, optimum welding parameters of orbital welding system were determined. And then seamless rutile flux core wire have been used to have perfect weldability for X65 and X70 steels. Beside this, new rutile flux cored wire for X80 grade steel was designed and produced at Gedik Welding facilities according to AWS A5.29 standard. In this study, flux cored wire consumables for X80 pipe steels have not been produced in Turkey, designed and manufactured according to API 1104 and AWS standards. Weldability, mechanical and chemical properties of newly desinged rutile flux cored wires were examined and compared to each other. In this research, different chemical composition of flux cored welding wires having higher yield and tensile strength than X80 grade steel has been studied. Furthermore, higher notch impact toughness values at low temperature has been tried to aimed. Notch impact toughness of welded parts have been examined and the relation between microstructure and mechanical properties were investigated. During the research, 8 designs have been done and Design no: 8 has the best suitable results for X80 steel. In this study, the effect of different alloying elements in cored-wire that affecting to mechanical and chemical properties of weld metal. Chemical compounds of designed rutile flux cored wires for X80 grade steel are determined by X-Ray spectrometer. It has been found that nickel improves the impact toughness of weld metals especially at low temperatures. The higher mangan content in the weld metal results lower toughness values but also increases the tensile strength. To achieve higher toughness values at low temperatures, carbon content in the weld metal must also be decreased. Interaction of mangan, nickel and carbon have to be well tuned for balanced toughness and tensile strength. It is pointed that fine grained structure also increase the toughness and decrease the ductile brittle transition temperature.Radiography tests are applied according to EN 1435 to all welded pipe segments. Digital radiography test results are evaluated according to API 1104 and results are approved to API 1104. Nick break test is applied to welded specimens according to API 1104. None of welding defects have been observed.Microstructural examinations were carried out in cross section of the samples. Ferritic, Acicular ferrite and bainitic microstructures are observed in welded specimens. Acicular ferrite microstructures are the best microstructures to reach higher toughness at low temperatures. Heat affected zones of weld specimens are also have ferritic and bainitic microstructure. Martensite is unwanted microstructures and has negative effect for reaching higher toughness values at low temperatures. In this study no martensite phases were observed during the SEM and optical analysis.In order to determine mechanical properties of the weldments, tensile test, bending test, V-notch impact test and micro-hardness measurements were carried out. Specimens were extracted from two positions from the welded pipe segments (12-3 and 3-6 clock positions) to research the mechanical properties. The results in 3-6 clock position are similar to results of 12-3 clock position.Tensile and charpy-V tests are applied to welded specimens for define mechanical properties of weld seams. Specimens are prepared according to API 1104 standard. All the tensile test specimens ruptured from base metals during tensile test as required in API 1104.  Charpy-V tests  of welded specimens at various temperatures ( 20°C, -10°C,   -20°C, -30°C, -40°C, -50°C, -60°C ) were investigated. Toughness values were proved the requirements of API 5L/ISO 3183. (≤ X80 grade ; Ø≥ 1422mm 40J at O°C; Ø<1422 mm 27J at O°C).In this study, it is aimed to design and produce of  rutile flux cored  welding wires for X80 has not been manufactured in Turkey. Other main purpose of the study is optimising the welding parameters for orbital welding. The another focus point of this study is  to investigate of the chemical and mechanical characterization of orbital girth welds of X65, X70 and X80 pipe steels extracted from 12-3 and 3-6 clock positions. According to investigations, it was achieved that the similar weld quality around the pipe by using orbital welding system. Beside these, X80 weld metal mechanical properties (Design no:8) were compared to equivalent product which is seamless rutile flux cored wire that imported from an foreign company . Finally, it is shown that seamless rutile flux cored wires have higher charphy test results compared to butt joint design due to seamless joint design of wire that is not allowing hydrogen penetration into the weld metal.