UCTEA Chamber of Metallurgical & Materials Engineers Proceedings Book

960 IMMC 2016 | 18th International Metallurgy & Materials Congress

İsdemir’de API-5L PSL2 X70 Kalite Bobin Üretimi, Uygulanan Testler ve Mekanik Özelliklerinin İyileştirilmesi

Muhammet Bilen

İskenderun Demir Çelik Fabrikaları A.Ş. - Türkiye

Abstract Pipes used in oil or gas transport 97% of the base material are hot rolled coil. Nowadays most of the used oil & gas pipelines are produced according to API-5L or EN ISO 3183 (DIN EN 10208-2) standards. Mostly spiral submerged arc welded and longitudinal submerged arc welded tubes are utilized for oil&gas pipelines. Hot rolled coils are used for spiral welded tubes manufactured by submerged arc welding method, however longitudinal submerged arc welded (LSAW) tubes are manufactured by heavy plates and coil. Although API-5L X42, X52 and X60 quality steels are considered for these kinds of pipe production, X70 and X80 quality steels are preferred for higher strength requirements. Nickel, titanium, vanadium additions are taken advantage of in order to achieve reduced carbon levels and thermomechanical rolling effect, while molybdenum chrome nickel levels are increased to reach the high strength necessities. In this study, ISDEMIR’s X70 quality steel production parameters and its relation with international standards are provided. Additionally, thermomechanical rolling process which enables desired level of high strength, low ductile brittle transition temperature, good weldability, high toughness properties requested in these steel qualities, and improvements made by microalloy additions and mechanical tests have been also defined. Moreover, chemical analysis, tensile test, charpy V-notch impact test, surface control, macro-micro structural analysis ( grain size, inclusion rate), DWTT (Drop Weight Tear Test), bending, hardness test results and customer expectations are exhibited and can be found in this study.

Özet Petrol veya do algaz ta mac l nda kullan lan borular n ana malzemesi % 97 oran nda s cak haddelenmi bobinlerdir. Günümüzde kullan lan hat borular n n ço u API-5L veya EN ISO 3183 (DIN EN 10208-2) standartlar na göre üretilmektedir. Gaz ve petrol iletim hatlar nda ço unlukla tozalt kaynak yöntemi ile üretilen spiral veya düz diki li borular kullan lmaktad r. Spiral boru imalat s cak haddelenmi rulodan, düz diki li boru ise levhadan veya bobinden imal edilmektedir. Bu borular için API-5L X42, X52 ve X60 çelikleri kullan l rken, daha sonraki yüksek mukavemet gereksinmeleri için X70 ve X80 çelikleri tercih edilmeye ba lanm t r. Karbon içeri i dü ürülmü , termomekanik haddeleme etkisi için niyobyum, titanyum, vanadyum ve istenilen mukavemet de erlerine ula mak için de molibden, krom ve nikel ile takviye edilmi tir. Bu çal mada, SDEM R’de X70 kalite çeli in üretim parametreleri ortaya konmu ve di er standartlar ile ili kisi belirtilmi tir. Bu tip malzemelerde istenilen yüksek mukavemet, dü ük darbe geçi s cakl , iyi kaynaklanabilme ve tokluk özellikleri için uygun termomekanik haddeleme prosesi ve mikro ala m elementlerin kullan m ve mekanik testler ile yap lan iyile tirmeler belirtilmi tir. Kimyasal analiz, çekme testi, darbe testi, yüzey kontrolü, makroyap - mikroyap analizi (tane boyutu, inküzyon miktar ) DWTT (Drop Weight Tear Test), katlama ve sertlik testi gibi çal malar ile ula lan nokta ve mü teri beklentileri ortaya konmu tur. 1. Giri

Do al gaz ve petrol boru hatlar ülkemizde ve dünyada stratejik öneme sahip enerji kaynaklar n n iletiminde kullan lmaktad r. Dünyada enerji iletim hatlar n n yakla k %70’i boru hatlar yla ta nmaktad r. Boru hatlar yla ayn zamanda LPG, ham petrol, gazolin ve di er rafine edilmi petrol ürünleri gibi çok çe itli tehlikeli s v lar da ta nmaktad r. Boru hatlar nda meydana gelen hasarlar hava, göl ve nehir kirlili inden, insanlar n yaralanmas na ve hayat kay plar na kadar

birçok ciddi hasarlara sebep olmaktad r. Bundan dolay boru hatt hasarlar çok kritik ve tehlikelidir ve bu borular n imal edildi i çelik bobinlerin üretimi önem arz etmektedir. [1] Söz konusu petrol ve dogalgaz üretim alanlar ile bunlar n tüketim yerleri aras ndaki mesafelerin gittikçe artmas , petrol ve do algaz n co rafik olarak daha zor bölgelerden ve daha yüksek i letme bas nçlar nda daha uzun mesafelere ta nmas

TMMOB Metalurj i ve Malzeme Mühendisleri Odas ıBildir i ler Kitab ı

96118. Uluslararas ı Metalurj i ve Malzeme Kongresi | IMMC 2016

gere ini ortaya ç karm t r. API çelikleri, Amerikan Petrol Enstitüsü'nün belirledi i standartlara göre üretilen çelikler olup, petrol ve dogalgaz boru hatlar ile okyanus ve denizlerde yap lan iletimlerde kullan lmaktad r. Son zamanlarda yürütülmekte olan boru hatt projeleri sebebiyle API çeliklerine olan talepler de artm t r. Bu çeliklerin özelli i, yüksek mukavemetli ve dü ük ala ml olmalar dolay s yla kaynak yapmaya, ekil vermeye ve darbelere kar dayan kl olmalar olarak ifade edilebilir. Bu çelikler literatürde HSLA (High Strenght Low Alloy) olarak adland r lmaktad r. S cak haddelenmi petrol boru çelikleri; yüksek mukavemet, mükemmel tokluk, yeterli korozyon direnci ve iyi kaynaklanabilirlik özellikleri ile içerisinden petrol nakline oldukça uygun borulard r. Spiral boru imalat s cak haddelenmi rulodan, düz diki li boru ise levhadan ve bobinden imal edilmektedir. Bu tip çeliklerden özellikle API X52, X60, X65 ve X70 gibi kaliteler boru üreticilerin ihtiyaçlar na uygun mikro ala ml çeliklerdir. Ülkemizin de bu pazarda pay sahibi olabilmesi amac yla, sdemir'de bu tür çeliklerin üretilmesine ba lanm ve sorunsuz bir ekilde boru imalatlar nda kullan lmaya devam edilmektedir. Bu çeliklerden özellikle X70 /X70M (L485ME) çelik kalitesi üzerinde yap lan çal malar özetlenmeye çal lm t r. 2. sdemir’de X70 Kalite Çelik Üretimi

sdemir’de genel üretim ak k saca u ekilde

özetlenebilir: Yüksek f r nda üretilen pik, çelikhane (konverter) a amas nda s v çelik olarak üretilip, 2.cil metalürji istasyonlar ndan ala mland rma ve di er faaliyetler ile beraber, sürekli döküm makinelerinde 225 mm geni li inde ve 800 mm’den 2050 mm geni lik aral nda slab olarak dökülür. Gerekli görüldü ünde skarf ve test i lemlerinden sonra slab f r n na programlanan yar mamuller, s cak haddehane nihai mü teri beklentileri ve standartlara göre bobin olarak üretilmekte ve gerekli görüldü ü takdirde bobin, sarma-dilme-makas hatlar na iletilmekte ve paketlenmektedir. API X70 çeli i yüksek bas nçl artlar alt nda uzak mesafelerden gaz, su, petrol veya do algaz ta mac l nda kullan lan çe itli çaplarda düz veya spiral olarak üretilen borular n imalat nda kullan lan çeliklerdir. Bu çeliklerde yüksek mukavemet ve tokluk özellikleri yan nda iyi kaynaklanabilme özelli i aranmaktad r. Bu amaçla dü ük karbonlu, dü ük kükürt - fosfor oranlar nda ve dü ük empüriteli (safs zl k) üretim yap lma zorunlulu u vard r. Yüksek mukavemet ve mikro ala mland rma (Nb, Ti, V, Mo, Cr) ile termomekanik haddeleme yöntemleri birlikte kullan larak üretilebilirler. X70 kalitesine ( sdemir kalite kodu 9070 ve 9071) ait çeliklerin üretiminde sdemir proses ad mlar nda a a daki hususlar önem arz etmektedir.

2.1. Konverter

• Dü ük kükürtlü s v çelik üretimi için yüksek f r ndan % C = 4,50 min., % Mn = 0,40 – 0,70, % S = 1200 ppm max. olacak ekilde s v ham demir üretimi yap lmaktad r.

• Konverterde hurdadan kükürt girdisini engellemek için temiz hurda kullan lmaktad r.

• Kükürt giderme prosesinde % S de eri 80 ppm alt nda olacak ekilde pik haz rlanmaktad r.

• % 100 argon ile alttan kar t rma yap lmaktad r. • lave üfleme yap lmay p, üretim ve potaya cüruf

kaç r lmayacak ekilde konverter döküm süresi kontrol alt ndan tutulmaktad r.

• “Ti” inklüzyonlar çelik için çok önemli oldu undan hurda kalitesi önem arz etmektedir.

2.2. kincil Metalurji stasyonu

• nklüzyon yüzdürmek için min. 3 – 5 dakika aras soft – bubbling yap lmaktad r.

• Curuftan inklüzyon geri dönü ünü engellemek için ideal i lem süresi alt nda i lem yap lmaktad r.

• Azot pick-up’lar min. seviyede tutulmaktad r.

2.3. Sürekli Döküm Makineleri

• Slablar n içyap s nda segregasyonu engellemek için soft–reduction (yumu ak ezme) yap lmaktad r.

• Slablar n yüzey kalitesini kontrol etmek için yap lacak olan kontrol skarf s kl önemlidir.

• API çelik kalitelerinin birço unda, Nb, V veya Cr gibi elementlerin birden fazlas bulundu undan, üretilen slablar en az 3–4 gün havada so utulduktan sonra manipülasyonu uygundur.

• Azot pick-up’lar min. seviyede tutulmaktad r.

2.4. Bu kalitede Standard n Talep etti i Testler

• Kimyasal Analiz • Çekme Testi (Akma Mukavemeti, Çekme

Mukavemeti, % Uzama, Akma/Çekme Oran ) • Darbe Testi (tek - ortalama de er, shear area ) • DWTT Testi (tek- ortalama de er, shear area )

2.5. Yüzey Kalitesi Beklentileri

• EN 10163-2 Class B, Subclass 3 garanti edilmeli, • Skarf (gerekiyorsa) yap lmal , • Laminasyon, kenar çatla , tufal, pitting (oyuk),

çizik, gaz bo lu u, inklüzyon ve kabuk olmamal , • Yüzey Muayene Cihaz ile kontrol sa lanmal , • Ultrasonik Test yap lmal d r.

3. Deneysel Çal malar 3.1. Mü teri Beklentileri ve Literatür Bilgileri sdemir taraf ndan üretilen X70 kalite petrol boru

çeliklerinde elde edilmesi beklenen özellikler

UCTEA Chamber of Metallurgical & Materials Engineers Proceedings Book

962 IMMC 2016 | 18th International Metallurgy & Materials Congress

sonucunda a a daki mü teri beklentilerinin kar lanmas hedeflenmi tir. Mü teri Beklentileri: (Testler)

• Kimyasal analiz • Çekme testi • Darbe testi • DWTT testi • Katlama testi • Sertlik testi • UT testi • nklüzyon testi • Tane Büyüklü ü testi • Segregasyon testi

Bu hedeflenen parametrelerden en önemlilerinde birisi, ürünün Serbest Dü me Darbe Testi (DWTT-Drop Weight Tear Test) sonucunda k r lan bölgesinde en az %85 sünek k r lma elde edilmesidir. Sünek k r lma ile birlikte malzemede yüksek dayan ma gereksinim duyulmaktad r. Yüksek Dayan ml Dü ük Ala ml çeli in (HSLA – High Strenght Low Alloy) üretimi s ras nda kimyasal bile im ve termomekanik haddeleme; çeli in son yap s n belirleyen temel faktörler olarak belirlenmi tir. Malzemenin kimyasal bile iminde yer alan elementlerin malzeme yap s üzerindeki etkileri a a daki gibi özetlenebilir. [2] • C: Karbon oran artt kça sertle ebilirlik artar. • Si: Silisyum malzemenin i lenmesini zorla t r p,

yüzey kalitesini bozdu undan özellikle ilave edilmez. Ancak sertle ebilirli i, a nma dayan m n ve elastikiyeti yükseltir.

• Mn: Mangan dönü üm h z n dü ürmesinden dolay sertle ebilirli i büyük oranda artt r r

• P: Fosfor çeli in mukavemetini ve sertle ebilirli ini artt r r. Fakat sünekli i ve toklu u azalt r.

• S: Kükürt genel olarak kaynak kabiliyeti ve sertle ebilirli i olumsuz etkiler.

• Cr: Krom dayan m ve sertle ebilme özelli ini artt r r.

• Ni: Krom ile birlikte kullan lan nikel sertli in derinli e inmesini sa lar.

• Mo: Krom ve nikel ile beraber kullan lan molibden az miktarda kat lmas na ra men sertlik ve dayan m artt r r.

• V : %0.05’e kadar vanadyum ilavesi çeli in sertle ebilirli ini artt r r. Daha büyük miktarlardaki ilavesinde sertle ebilirli i azaltt görülür. Çünkü muhtemelen östenit’te zorlukla çözülebilen karbürler olu turmaktad r.

• N: Azot çeli in mukavemetini ve sertle ebilirli ini artt r r. Fakat süneklik ve toklu unu azalt r.

HSLA çeliklerin üretiminde en önemli etkenlerden birisi olan termomekanik haddeleme i leminin endüstriyel uygulamalar yakla k 40 y ll k geçmi e

sahip olup ilk uygulay c lar boru üreticileridir. Termomekanik haddeleme i leminin (h zl so utma i lemi ile birlikte veya de il) en uygun olarak kullan labilece i ürün s cak haddelenmi bobindir. Termomekanik haddeleme i lemi temel olarak 3 ba l k alt nda incelenebilmektedir:

1- Yeniden s tma(tavlama) 2- Haddeleme(kaba ve erit) 3- So utma(ve sar m)

Her bir proses a amas n n çeli in son yap s üzerinde belirleyici bir etkisi olup, bu etki Çizelge 1’deki tabloda özetlenmi tir [3]: Çizelge 1. S cak haddehane parametrelerinin mikroyap üzerinde etkisi

Proses Parametresi Mikroyap De i imi

Slab f r n s cakl • Çökeltilerin çözünmesi • Östenit taneciklerinin irile mesi

Kaba hadde s cakl

• Yeniden kristalle me • Tanecik büyüklü ü • Doku olu umu

kmal s cakl • Çökelme • Yeniden Kristalle me seviyesi • Ferrit dönü ümü

Sar lma S cakl

• Ferrit parçac k irile mesi • Çökelme • Ferrit dönü ümü sonras ürün

olu umu Slab n yeniden s t lmas ndaki ana hedef homojen bir slab s cakl ve buna ba l olarak homojen östenit tanecik büyüklü ü elde etmektir. Yeniden s tma s cakl (slab f r n s cakl ), mikro yap s bilinen bir çelik için ba lang ç tane büyüklü ünü ve östenitin mikro ala m içeri ini belirleyicidir. Kaba haddelemenin ana amac yeniden kristalle en östenitte en iyi tanecik büyüklü ünü elde etmek olup, 10000C üzerindeki s cakl klarda istenilen sonuç elde edilir.[4] 3.2. Kimyasal Analiz Bilgileri Üretilen bobinlere ait kimyasal kompozisyon bilgileri a a daki tabloda gösterilmi tir. [3] Çizelge 2. Bobinlere ait % kimyasal kompozisyon

C Mn S P SI AL V CU NI CR MO NB TI

0,06 1,63 0,002 0,013 0,16 0,024 0,008 0,03 0,03 0,25 0,19 0,09 0,01

0,07 1,61 0,005 0,010 0,16 0,018 0,002 0,03 0,16 0,02 0,20 0,10 0,02

0,05 1,64 0,003 0,019 0,10 0,029 0,004 0,03 0,14 0,06 0,22 0,10 0,01

3.3. Mekanik Sonuçlar Üretilen bobinlerin mekanik test sonuçlar Çizelge 3’de detayland r lm t r. [3]

TMMOB Metalurj i ve Malzeme Mühendisleri Odas ıBildir i ler Kitab ı

96318. Uluslararas ı Metalurj i ve Malzeme Kongresi | IMMC 2016

Çizelge 3. Üretilen bobinlere ait mekanik özellikler Kal nl k Min

.Akma(49,5) Max. Akma (64,7) Akma / Çekme

Akma Mukavemeti (kg/mm2) 16,5 50,1 58,7 0,83

16,7 49,8 57,4 0,82

19,5 49,9 56,6 0,8

20 50,3 57,2 0,79

Çekme Mukavemeti (kg/mm2) Kal nl k ÇEKME

M N(58,2) ÇEKME MAX(77,5) ORTALAMA

16,5 63 69,3 65,7

16,7 62,2 67,6 64,5

19,5 64,5 69,2 66,1

20 63,9 68,6 66

% Uzama De eri Kal nl k UZAMA M N UZAMA MAX ORTALAMA

16,5 35 42 39

16,7 39 47 43

19,5 35 45 41

20 40 46 44

Çentik Darbe Kal nl k JOULE M N JOULE MAX ORTALAMA S cakl k

16,5 164 228 193 -10

16,5 152 225 180 -20

16,7 192 278 235 -10

16,7 181 253 218 -20

19,5 190 234 219 -10

19,5 180 240 208 -20

20 165 203 211 -10

20 158 197 199 -20

DWTT Kal nl k %SA M N(85) %SA MAX %SAORTALAMA S cakl k

16,5 — — — -10

16,5 100 100 100 -20

16,7 — — — -10

16,7 90 97 93,4 -20

19,5 — — — -10

19,5 95 98 96 -20

20 — — — -10

20 96 98 96,66 -20

DWT testine ait yüzey alan görüntüsü a a daki ekil 1’de ve katlama test sonuçlar na ait görseller ekil 2’de belirtilmi tir.[3] API X70 kalite boru çeliklerinde, a rl k dü ürme y rtma testi (DWTT-Drop Weight Tear Test) sonucunda k r lan bölgede en az %85 sünek k r lma elde edilmesi hedeflenmektedir.

ekil 1. DWT testi k r lma yüzeyi (%Shear area).

ekil 2. Katlama (bükme) test sonucu.

3.4. Mikroyap ncelemeleri Üretilen bobinlere ait inküzyon bilgileri ile tane büyüklü ü de eri ekil 3’de gösterilmi tir. nklüzyon görüntüleri ve bobinin çe itli bölgelerinden al nan mikroyap örnekleri ise ekil 4’de belirtilmi tir. [3]

ekil 3. nklüzyon (kal nt ) ölçümü ve tane büyüklü ü.

ekil 4. Mikroyap örnekleri ve inküzyon foto raflar .

4. Sonuçlar ve Tart ma

Yap lan denemeler sonucu 16,5 mm ile 20 mm aras X70 kalite API 5L PSL2 seviyesinde bobinler sdemir’de üretilmi ve boru üreticilerinde yap lan

testlerde ba ar sa lanarak ticari üretimi geçilmi tir. Çal malarda anlat lan testler d nda boru imalat sonras kaynak makro incelemesi de yap lm ve herhangi bir sorun ile kar la lmam t r. Sadece standard n talep etti i s n r de erler de il, bunun yan nda ba ta Tanap projesi olmak üzere birçok projenin gerektirdi i daha yüksek beklenti ve mekanik mukavemet de erlerine ula lm t r. Referanslar [1] Uysal A.K., Cansever, N., “Do al Gaz Ve Petrol Boru Hatlar nda Hidrojenin Neden Oldu u Çatlamalar”, 3. Uluslar Aras Tahribats z Muayene Sempozyumu Ve Sergisi, 17-19 Nisan 2008 stanbul 194-203. [2] Köse S., Sakin R., , Bal kesir Üniversitesi Edremit M.Y.O., Makine Bölümü, A s -1040 Ve A s -P20 Çeliklerde Ala m Oranlar Ve Mikro Yap n n Sertle me Kabiliyetine Etkisi. 2010 [3] sdemir X70 Üretim Raporlar , 2014 [4] Gonzalez J.E.G., Study Of The Effect Of Hot Rolling Processing Parameters On The Variability Of Hsla Steels, 2002