SA-387 Gr.11 Cl.2 (13 CrMo 4-5) YÜKSEK SICAKLIK DAYANIMLI ÇELİĞİN TEKRARLI ISIL İŞLEM KOŞULLARINDA DAYANIM ÖZELLİKLERİNİN DEĞİŞİMİ

Transkript

1 SA-387 Gr.11 Cl.2 (13 CrMo 4-5) YÜKSEK SICAKLIK DAYANIMLI ÇELİĞİN TEKRARLI ISIL İŞLEM KOŞULLARINDA DAYANIM ÖZELLİKLERİNİN DEĞİŞİMİ Barbaros GÜLŞAH 1, Doç. Dr. Emel TABAN 2 1 Makina Mühendisi, TMMOB MMO Kocaeli Şubesi Kaynak Komisyonu e-posta: bgulsah@tekfenim.com 2 Kocaeli Üniversitesi, Makine Müh. Bölümü e-posta: emelt@kocaeli.edu.tr ÖZET H 2 S ortamlarında çalışacak rafineri ekipmanlarının NACE ( National Assosiacion of Corrosion Engineers) standartlarına göre korozyon dirençlerinin sağlanması amacıyla, özellikle kaynaklı bağlantıların tekrarlı ısıl işlemlere tabi tutulması yaygın başvurulan bir yöntemdir. Kaynaklı bağlantı içeren bu tür basınçlı kapların kaynaklı imalat, kaynak tamiri ve olası bir, ikinci kaynak tamiri durumlarını takiben en az 3 defa, kaynak sonrası gerilme giderme ısıl işlemlerine maruz kalacağı göz önünde bulundurularak 3 farklı kaynak yöntemi ile birleştirilen ( SMAW, GTAW, SAW) SA-387 Gr.11 Cl.2 (13 CrMo 4-5), ASME Sec VIII Div. 1 gereksinimleri çerçevesinde gerilme giderme tavının sıcaklık ve süre olarak üst limitlerinde 3 çevrim, alt limitlerinde ise 1 defa uygulanan gerilme giderme ısıl işlemleri sonrası kaynak ve ısıdan etkilenmiş bölgelerinde sertlik ile çentik darbe tokluğu testleri yapılmıştır. Her ısıl işlem sonrası alınan numunelerle yapılan testlerden elde edilen mekanik değerlerin değişimi gözlenerek, tekrarlı ısıl işlem durumunun farklı kaynak yöntemleriyle birleştirilen bağlantılarda amaçlanan iyileşmelere gerçekten neden olup olmadığı araştırılmıştır. ABTRACT Cyclic post weld heat treatments are widely used common processes to maintain corrosion resistance of welded joints which are expected to endure at H 2 S environments according to NACE (National Assosiacion of Corrosion Engineers). For the pressure vessels which are including welded joints as manufacture welding, a repair weld and an additional repair weld conditions and following 3 post weld heat treatments considered. Three different welding methods applied on (SMAW, GTAW,SAW) plates of SA-387 Gr.11 Cl.2 (13 CrMo 4-5) subjected to cyclic post weld heat treatments at maximum time/temperature conditions 3 s and at minimum time/temperature conditions 1 as per ASME Sec. VIII Div.1 requirements. In the sequal, change of toughness and hardness values observed at weld and heat effected zones. As the observation of change on mechanical test results of test pieces which are taken after each post weld heat treatment, cyclic heat treatments benefits on different weld methods are researched.. 291

2 1. GİRİŞ Yüksek sıcaklık dayanımlı çelikler (creep resistant steels) rafineriler, enerji santralleri, atık ısı çevrim sistemleri, kimya tesisleri, nükleer reaktörler gibi endüstride kritik noktalarda kullanılan başlıca malzemelerdendir. Tasarım aşamasında, endüstriyel tesis içerisinde elde edilmesi veya mukavemet gösterilmesi gereken koşullar çerçevesinde makine/sistemlerin performansını ve çalışma ömrünü artırmak, ekonomik fizibiliteyi ve teknik uygulanabilirliği geliştirmenin yanında kullanılacak malzeme miktarlarından tasarruf etmek amacıyla da imalat bu tür çeliklerin pek çok farklı türlerine başvurulmaktadır. Farklı standartlarda yüksek sıcaklık dayanımlı çelikler, ana hatları aşağı yukarı aynı olsa da farklı şekillerde tanımlanabilir: EURONORM Yüksek sıcaklık malzemeleri uygulama sırasında sıcak gaz ve yakıtların etkisine 55 ºC ve üzeri sıcaklıklarda karşı koyabilen malzemelerdir. DIN 1724 Bu standarda göre sıcaklığa dayanıklı çelikler ise ~ 54 C sıcaklığına kadar uzun süreler mekanik özelliklerini koruyabilen malzemelerdir. Diğer yandan, yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler ve alaşımlar ise bu sıcaklıklar ~ 8 C ye kadar olabilir. DIN 1746 Yüksek sıcaklığa dayanıklı östenitik çelikler, en az kütle-% 13 Cr içeren ve 55 C üzerindeki sıcaklıklara uzun süreler mekanik yük taşıyabilen ve mukavemetini sürdürebilen östenitik çeliklerdir. DIN EN 132, ºC nin üzerindeki sıcaklıklarda uzun süreli kullanım koşulları altında mekanik özelliklerini (sürünme limit ve sürünme mukavemeti) koruyabilen ve en az kütle-% 8 krom içeren çelik, nikel veya kobalt alaşımlarıdır. Schatt a göre Yüksek sıcaklığa dayanıklı çelikler, 4 C nin üzerinde kullanılabilen alaşımsız ve alaşımlı çeliklerdir. Bürgel e göre Yüksek sıcaklık malzemeleri içerisinde 5 C nin üzerinde mekanik özelliklerini ve korozyon dayanımını koruyabilen tüm malzemeler sayılabilir Tesis veya makinelerde kullanılacak çeliklerin seçiminde ilk dikkat edilecek konu çalışma sıcaklığı ve çalışma ortamıdır. Malzemenin türünü büyük oranda bu parametrelerle belirleriz. Çalışma basıncı, emniyet katsayıları gibi değerler ise daha çok kullanılacak malzemenin kalınlığına etki ederler. Farklı çalışma sıcaklıkları için malzeme seçimi kabaca Tablo 1 den görülebilir. SICAKLIK ARALIĞI Tablo 1. Yüksek sıcaklık dayanımlı çeliklerin kullanım sıcaklıkları ÇELİK TİPİ < 4 C -Isıya dayanıklı ince taneli yapı çeliği Mn alaşımlı 4 58 C -Alaşımsız ve düşük alaşımlı sıcaklığa dayanıklı çelikler CrMo ve CrMoV 55 6 C -Martenzitik %9-12 Cr çelikleri -Östenitik paslanmaz çelikler 6 65 C -Östenitik paslanmaz çelikler -Mukavemeti optimize edilmiş ferritik %9 Cr çeliği (62 C ye kadar) 65 8 C -Yüksek sıcaklığa dayanıklı östenitik paslanmaz çelikler 292

3 Yüksek sıcaklık dayanımlı çelikler içerdikleri Cr, Mo, V gibi elementlerin etkisiyle özellikle kaynak ve ısıdan etkilenmiş (Heat Affected Zone HAZ) bölgelerinde gevrekleşme eğilimi gösterirler. Yüksek sıcaklık ve basınç altında konstrüksiyonun stabilitesi ile arzu edilen mukavemet değerlerini elde edebilmek, bu gevrek bölgelerin giderilmesiyle mümkün olabilmektedir. Bu yüzden, bu tür çeliklerin kullanıldığı ekipmanların imalatının ayrılmaz bir parçası da, mevcut tecrübeler ve uluslar arası standartların gerekleri olarak kaynak sonrası ısıl işlem (Post Weld Heat Treatment - PWHT) uygulamasıdır. PWHT uygulamalarında, kullanılan çelik tipi, malzeme et kalınlığı ve hedeflenen metalürjik iç yapı değişimleri doğrultusunda, farklı sıcaklık seviyeleri, bu sıcaklıklarda farklı bekleme süreleri ve yine farklı ısıtma/soğutma hızları uugulanmaktadır. Uygulamaya konu çeliklerin sülfür, hidrojen sülfür, kostik, klor vb. farklı kimyasallarla temas halinde olmasi durumunda kaynak ve PWHT gereksinimleri de NACE (National Association of Corrosion Engineers) standartlarına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Aynı bölgede birden çok kaynak öngörülmüş ise, bu kimyasal ortamların yaratacağı koşulların hassasiyeti göz önünde tutularak tekrarlı (cyclic) PWHT uygulamaları gündeme gelmektedir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Çalışmamıza konu deneylerimiz, rafineride kullanılmak üzere ASME SEC.IIA SA-387 Gr.11 Cl.2 (13 CrMo 4-5 ) yüksek sıcaklık dayanımlı çelikten üretilen ısı eşanjörlerinin (heat exchanger) ıslak hidrojen sülfür (WetH 2 S) ortamına maruz kalacak olması nedeniyle müşteri şartnameleri gereğince: 1- Kaynaklı birleştirme 2- Olası bir kaynak tamiri 3- Aynı bölgede olası bir ikinci kaynak tamiri veya revizyonu Göz önünde bulundurularak yapılan tekrarlı PWHT (Simulated PWHT) uygulamalarının kaynaklı birleştirmenin mukavemet, sertlik, tokluk değerleri üzerinde meydana getirdiği değişimlerin, gerçekten arzu edilen değerlere ulaşıp ulaşmadığının, imalat esnasında kullandığımız 3 farklı kaynak yöntemi için (GTAW, SMAW, SAW) test edilmesini konu almaktadır. Çalışmalarda, iki farklı kalınlıkta 13 Cr Mo 4-5 kalite, 13 mm kalınlığında levha, GTAW (TIG) yöntemi ile 2 mm kalinlığindaki levha ise SMAW ve SAW yöntemleri ile kaynak edilmiştir. Kaynak sarf malzemesi olarak: E818B2-H4R tür elektrod, ER8S-B2 tür TIG teli EBR2 tür SAW tel-toz kombinasyonu kullanılmıştır. 293

4 Her yöntem yaklaşık Kj/mm ısı girdisi oluşturacak akım, gerilim, hız parametreleri kullanılarak uygulanmıştır. Her bir kaynak yöntemine ait kaynaklı levhaların 2 ayrı sıcaklık aralığında ve 4 farklı koşulda PWHT sonrası esas metal, kaynak metali ve HAZ bölgesinden işlenen test numunelerinde meydana gelen değişmeler gözlenmiştir. Uygulama standardı ve ilgili şartnamelerinin izin verdiği minimum ve maksimum sıcaklık ve bekleme süreleri baz alınarak yapılan deneylerde ilk grup C arasında 6 dakika bekletilmiştir ve 4. grup numuneler ise C arasında dakika bekleme zamanı olacak şekilde sırasıyla 1, 2 ve 3 çevrim PWHT tabi tutulmuştur. Böylelikle ortaya 3 farklı kaynak yöntemine, 4 farklı koşulda uygulanan PWHT sonrası kaynaklı parçalardan işlenerek elde edilen numunelere, konu parçaların minimum dizayn sıcaklığı olan 18 C de çentik darbe testleri ve sertlik taramaları yapılmıştır. Her parçaya ait, no'lu numuneler C'de 6 dakika no'lu numuneler C'de dakika no'lu numuneler C'de dakika no'lu numuneler C'de dakika 3 şeklinde PWHT tabi tutulmuşlardır. Çentik darbe testleri neticesinde elde edilen değerlere ait ölçüm sonuçlarını gösteren gafikler Şekil 4, 5, 6 da verilmiştir. Kaynaklı test parçalarına ait makro görüntüleri Şekil 1, 2 ve 3 de görülmektedir. Şekil 1. SMAW ile kaynatılan parçaya ait makro görüntüsü 294

5 JOULE KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ Şekil 2. SAW ile kaynatılan parçaya ait makro görüntüsü Şekil 3. GTAW ile kaynatılan parçaya ait makro görüntüsü SAW WELD HAZ Şekil 4. SAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde Kaynak ve HAZ bölgelerinden elde edilen charpy impact sonuçlarının değişimi. 295

6 JOULE JOULE KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ GTAW WELD HAZ Şekil 4. GTAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde Kaynak ve HAZ bölgelerinden elde edilen charpy impact sonuçlarının değişimi SMAW WELD HAZ Şekil 6. SMAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde Kaynak ve HAZ bölgelerinden elde edilen charpy impact sonuçlarının değişimi. Her bir kaynak yönteminde, her bir farklı PWHT koşulu uygulanmış her bir parçadan kep (1-1 no.lu taramalar ) ve kök (1-2 no.lu taramalar) bölgelerinden 2 şer adet sertlik ölçümü alınmıştır. Sertlik taramaları ile elde edilen değerlere ait ölçüm sonuçlarını gösteren Şekiller Şekil 4, 5, 6, 7, 8 ve 9 da gösterilmiştir. 296

7 Hardness Vickers Hardness Vickers Hardness Vickers KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ 3 2 SAW cap C 6 mins C mins 1 Şekil 7. SAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde kep kısımlarından elde edilen sertlik değerleri. SAW bottom C 6 mins C mins C mins 2 Şekil 8. SAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde kök kısımlarından elde edilen sertlik değerleri. GTAW cap C 6 mins C mins C mins 2 Şekil 9. GTAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde 297

8 Hardness Vickers Hardness Vickers Hardness Vickers KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ kep kısımlarından elde edilen sertlik değerleri. 3 2 GTAW bottom C 6 mins C mins C mins 2 Şekil 1. GTAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde kök kısımlarından elde edilen sertlik değerleri. 3 2 SMAW cap C 6 mins C mins C mins 2 Şekil 11. SMAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde kep kısımlarından elde edilen sertlik değerleri. 3 2 SMAW bottom C 6 mins C mins C mins 2 Şekil 12. SMAW kaynaklarının farklı ısıl işlem koşulları neticesinde kep kısımlarından elde edilen sertlik değerleri. 298

9 3. SONUÇLAR Yapılan deneylerden edilen sonuçlar, C de 6 dakika, ve C de dakika ve 3 olarak uygulanan ısıl işlemler sonucunda 13 Cr Mo 4-5 (SA-387 Gr.11 cl.1) malzemede her 3 kaynak yönteminde de çentik darbe tokluğu değerlerinin 5 joule/mm 2 kadar düştüğü, HV1 sertlik değerlerinde ise SMAW ve SAW yöntemlerinde minimum PWHT koşullarında sertliğin beklendiği gibi yüksek çıktığı, ancak maksimum PWHT koşullarında tekrarlı ısıl işlem uygulamalarının kayda değer iyileşmeye neden olmadığı gözlenirken, GTAW yönteminde HV1 gibi ciddi değişikliklere neden olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışma sonucunda; GTAW yöntemi ile yapılan kaynaklarda meydana gelen yüksek sertliklerin giderilmesinde tekrarlı PWHT yönteminin anlamlı olduğu, ancak diğer yöntemlerde ciddi bir fark yaratmadığı görülmüştür. Bu da PWHT yaklaşımlarımızın sadece sertlik değerlerine bakmaktan ziyade, farklı kaynak yöntemleri için farklı şekilde olabileceği fikrini vermektedir. Bu çalışma çerçevesinde sonuçlar açık olsa da konuyla ilgili daha çok deneysel veriye gereksinim duyulmaktadir ve yeterince veri elde edildiğinde, NACE kapsamında hedeflenen sertlik düşüşlerini sağlamayan, ancak tokluk değerlerine negatif etkisi olan simulated PWHT ların bazı kaynak yöntemleri için sınırlandırılması hatta iptal edilmesi konusu gündeme gelerek enerji, zaman ve maliyetlerden tasarruf sağlanabilir. 4. KAYNAKÇA [1] ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII Div.1 - Rules for Construction of Pressure Vessels, 213. [2] A.Dikiciklioğlu The Effects of heat input and stress-relief tempering on the toughness of the HAZ in the welding of type HI, HII, 17 Mn 4 and 19 Mn [3] C. Kırbaş, "Effect of stress relief annealing temperature on mechanical properties of AISI P11 VE AISI P91 grade seamless pipe steels" 214. [4] C. Smith, P.G.H. Pistorius, The effect of a long post weld heat treatment on the integrity of a welded joint in a pressure vessel steel, [5] K. Laha, K. Bhanu Sankara Rao, S.L. Mannan Materials Science and Engineering: A Volume 129, Issue 2, 1 Creep behaviour of post-weld heat-treated 2.25Cr-1Mo ferritic steel base, weld metal and weldments Kasım 199, Pages [6] NACE Standard MR13 Materials Resistant to Sulfide Stress Coracking in Corrosive Petroleum refining Environemts, 21. [7] NACE Standard SP472 Methods and Controls to Prevent In-Service Environmental Cracking of Carbon Steel Weldments in Corrosive Petroleum Refining Environments, 21. [8] V. Uygun, Dissmiliar welds of P91 steel and pwht-mechanical properties

10 3