S235 JR alaşımsız çelik boruların dik pozisyonda orbital kaynak cihazı ile birleştirilmesi ve uygulamanın optimizasyonu
The welding of S235 JR non-alloyed steel pipes with orbital welding equipment at vertical position and the optimization of the application
Yazar: HASAN FEHMİ ÇAPIN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL YILMAZ TAPTIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Gelişmekte olan ülkelerde, üretim modellerinin değişmesi sonucu kentleşme oranı her geçen gün yükselmektedir. Köyden kente göç eden kalabalıklar beraberinde dikine yapılaşma ihtiyacını da getirmektedir. Mimari ve çevresel kaygılar son yıllarda inşa edilen yapıların yüksek katlı tasarlanmasını zorunlu kılmaktadır. İnşaat sektöründeki önlenemez büyüme ve sürekli rekabet, alternatif inşaat uygulamalarının geliştirilmesinin önünü açmaktadır. Otomasyon, uygulama süresi ve uygulama maliyeti gibi geliştirilmeye açık parametreler; bir uygulamanın başka bir uygulamaya göre bir adım öne çıkmasını sağlamaktadır.
Hazırlanan tez kapsamında doğal gaz boru hattı inşaatı uygulamalarında rakipsiz olarak görülen Orbital Kaynak Cihazı, yüksek katlı bina inşaatı uygulamaları için değerlendirilmekte ve yapılan deneysel çalışmalarla uygulamanın geçerliliği araştırılmaktadır. Boru hattı inşaatlarında yatay olarak iki borunun birleştirilmesinde kullanılan cihaz ile S235 JR alaşımsız çelik boruların dikey pozisyonda 10° açı ile birleştirilmesi uygulaması gerçekleştirilmiştir. S235 alaşımsız yapı çelikleri, özellikle yüksek katlı bina uygulamalarında sıklıkla tercih edilmektedir. Deneysel çalışmalar kapsamında, ELCOR R71, ELCOR M71 ve GEKA SG2 tel elektrotlar ile 255 mm çapında 30 mm et kalınlığına sahip 1000 mm uzunluğunda S235 JR boru temin edilmiştir. Boru üzerinde üç adet 55° derece açıyla kaynak ağzı hazırlanmıştır. İki kaynak ağzında yapılan deneme çalışmaları sonucunda, parametre analizi yapılarak belirtilen uygulama için hazırlanan balık kılçığı geliştirilmiş olup; kök paso ve dolgu pasolarda kullanılacak tel elektrot tercihi yapılmıştır. Elde edilen yeni balık kılçığı ve belirlenen parametreler yardımıyla üçüncü kaynak ağzında ELCOR R71 rutil özlü tel elektrot ile nihai Orbital Kaynak uygulaması gerçekleştirilmiştir.
Yapılan tüm karakterizasyon çalışmaları API 1104 Boru Hattı ve Bağlantılı Tesislerin Kaynağı standartına uygun yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar da bahsi geçen standarda ya da ikame standartlarına göre değerlendirilmiştir. API 1104 standardı gereğince kaynak metalinin ana metalden daha yüksek akma gerilimine sahip olması gerekmektedir. Bu gereklilik çekme deneyi sonucunda malzemenin ana metalden kopması zorunluluğunu getirmektedir. Yine aynı standartta çentikli çekme deneyi sonrasında kopma kesitinde bulunabilecek gaz kabarcıklarının kabul şartları belirtilmiştir. 1 mm'den büyük çapa sahip gaz kabarcıkları içeren uygulamalar standart tarafından kabul edilmemektedir. Bunun yanı sıra belirtilen standart düşük sıcaklıklarda yüksek kırılma tokluk değerleri talep etmektedir. Tez çalışması kapsamında API 1104 standardına uygun olarak hazırlanan deney numuneleri 5 farklı sıcaklıkta Charpy Darbe Deneyine maruz bırakılmıştır. Mikrosertlik Deneyi ile kaynak bölgelerinin sertlik değerleri ortalama olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar ile çekme deneyi sonuçları beraber değerlendirilmiştir. Malzemenin elastisite özelliklerinin tespiti amacıyla S235 JR çelik borunun farklı bölgelerinden alınan numunelere Eğme Deneyi uygulanmıştır.
Özellikle yüksek mekanik özelliklerinin talep edildiği kaynak uygulamalarında mikroyapıda martenzit yapı kesinlikle istenmez. Taramalı Elektron Mikroskobu yardımıyla kaynak bölgelerinin mikroyapıları incelenmiş ve EDS analizleri yapılmıştır. Kimyasal bileşim analizi yapılan deney numuneleri sayesinde kaynak uygulaması sonrası kaynak bölgelerinde kimyasal bileşim değişimi gözlenmiştir.
Deneysel çalışmalar kapsamında dikey pozisyonda Orbital Kaynak uygulamasının standartlara uygunluğu araştırılmıştır. Belirtilen karakterizasyon çalışmaları ardında aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:
 Radyografik muayene yapılan çelik borunun radyografi filmleri incelenmiştir. İnceleme sonucunda kaynak bölgesinde az miktarda da olsa gözenek ve bazı bölgelerde nüfuziyetsizlik tespit edilmiştir. Bu kaynak hataları API 1104 standardı kabul şartları içerisinde yer almaktadır.
 Kaynak bölgesinin makroyapı görüntüleri incelenmiştir. Yaklaşık 2 mm kalınlığında ITAB tespit edilmiştir.
 Çekme Deneyi sonrasında 4 deney numunesinin de ana metalden koptuğu gözlenmiştir. API 1104 standardında istendiği gibi kaynak metalinin akma dayanımı diğer kaynak bölgelerine göre daha yüksektir.
 Çentikli Çekme Deneyi uygulanan deney numunesinin kopma yüzeyi incelenmiştir. 1 adet gaz kabarcığı gözlenmiştir. Gaz kabarcığının çapı 1 mm'nin altında olduğu için kabul koşulları içerisindedir.
 Charpy Darbe Deneyi 5 farklı sıcaklıkta 3 takım numune ile gerçekleştirilmiştir. -40°C'de ortalama 86 joule tokluk değeri elde edilmiştir.
 4 adet eğme deney numunesinin kaynak bölgeleri incelenmiş ve herhangi kopma ya da yırtılma gözlenmemiştir.
 Mikrosertlik Deneyi sonucunda kaynak metalinin en yüksek sertlik değerine sahip olan bölge olduğu belirlenmiştir. Sertlik değerleri ile çekme deneyi sonuçları birbirini desteklemektedir.
 Ana metalin kimyasal bileşiminde beklenildiği değişiklik olmadığı gözlenmiştir. Kaynak metalinde Si ve Mn gibi özlü tel bileşimden gelen elementler yüksek miktarda tespit edilmiştir.
 Kaynak bölgelerinin mikroyapıları incelendiğinde yapının büyük çoğunluğunda ferrit taneleri gözlemlenmektedir. Martenzit oluşumu istenildiği gibi mevcut değildir. EDS analizleri, kimyasal bileşim analizi ile paralellik göstermektedir.
 S235 JR alaşımsız çelik boruların tez kapsamında belirtilen parametreler ve ELCOR R71 rutil özlü tel elektrot ile dik pozisyonda 10° açı ile birleştirilmesi uygulaması API 1104 standardında talep edilen özellikleri sağlamaktadır.

Abstract:
The rate of urbanization is daily increased with the change in the production model in developing countries. Migration from villages to cities crowds that brings with it the need for vertical construction. In recent years, architectural and environmental concerns enforced the design of high rise buildings. Irrepressible growth and constant competition in the construction industry cause that development of alternative construction applications. The developable parameters, like automation, application time and cost of application, provides that an application is preferable compared to other applications.
At the thesis scope, Orbital Welding Equipment, which seen as unbeatable at the pipeline construction, is evaluated at the construction of high rise buildings and validity of the application is researched with the experimental studies. The jointing application of S235 JR nonalloyed structural steels at the vertical position with 10° angle is practiced with Orbital Welding Equipment using in jointing of pipelines at horizontal position. S235 JR nonalloyed steels is especially preferred at the construction of high rise building. At the scope of experimental studies, ELCOR R71, ELCOR M71 and GEKA SG2 wire electrodes and S235 JR steel pipe which has 30 mm thickness, 255 mm diameter and 1000 mm long is procured. Over the pipe, three weld grooves which have 55° angle is prepared. After the trail weldings at the two weld grooves, a new fishbone is developed with the help of parameter analysis and wire electrodes using at filler and root passes is determined. With The help of the second fishbone and determined parameters, the final Orbital Welding application is performed with ELCOR R71 rutile flux cored wire electrode at the third weld groove.
All characterization studies is made according to API 1104 Welding of Pipelines and Related Facilities. At the same time, obtained results are evulated according to mentioned standard and substituents standards. Accordance with the API 1104 standard, weld metal must have a higher yield stress compared to the base metal. This requirement leads that the specimens of tensile test must rupture from the base metal part. At the mentioned standard, acceptance conditions about the gas bubbles at cross section of the rupture after the notch tensile test. Otherwise, at the API 1104 standard required the high fracture toughness values at the low temperatures. At the scope of experimental studies, Charpy Impact experiment is implemented to prepared specimens at the five different temperatures. Owing to microhardness experiment, average hardness values of different parts of weld specimen are determined. These resutls are evulated with the results of tensile test. In order to determine elastic properties of the material, bend test is performed to the specimens which is taken from different parts of S235 JR steel pipe.
In welding applications especially which require high mechanical properties, Martensite structure is not absolutely required. With the help of the Scanning Electron Microscope, the microstructures of weld regions are investigated and EDS analysis are realized. Through analysis of the chemical composition of the test specimens, in the chemical composition alteration of weld zone was observed after welding applications.
At the experimental studies, compliance of Orbital Welding application with the standards is researched. After the mentioned characterization studies, the following results are obtained;
 The radiographic films of steel pipe are investigated. After the investigation, small amounts of pores and inpenetration are observed. These weld defects are included in the admission conditions of API 1104
 The macrostructure image of weld material is investigated. HAZ which has approximately 2 mm thickness is determined.
 After the tensile test, four specimen ruptured from the base metal region. As required in the API 1104 standard, weld metal has higher yield strength than the other regions.
 The rupture cross section of notch tensile specimen is examined. A gas bubble is observed. Gas bubble diameter is under 1 mm is in the acceptation conditions.
 Charpy Impact Experiment is practiced with three set of specimen at the fife different temperature. At - 40 ° C, the average toughness value is determined 86 joules.
 The weld regions of four bend test specimens are investigated and any rupture or tearing is not observed.
 The results of microhardness experiment shows that weld metal is hardest region of weld material. Microhardness experiment and tensile test results support each other.
 Any alteration is not observed on the base metal chemical composition. Like Si and Mn elements which are coming from flux cored wire electrode was determined.
 After the analyzing the microstructure of the weld region, Ferrite grains are determined generally. The formation of Martensite which is not desired, is not observed. EDS analysis and chemical composition analysis is consistent with.
The jointing application of S235 JR nonalloyed steel pipes with mentioned parameters and ELCOR R71 rutile flux cored wire electrode at the vertical position with 10° angle provides desirable features which is required from API 1104 standard.