JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
1
Analisa Kegagalan dan Perkiraan Umur Sisa Pipa Air Pada Boiler Unit I di PLTU PT. PJB UP Gresik Kautsari Anggun Karisma dan Budi Agung Kurniawan Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak - Peranan boiler sangat penting pada pembangkitan listrik di PLTU. Salah satu bagian terpenting adalah waterwall tube panel. Kerusakan pada rangkaian tube waterwall boiler PLTU berupa pecah, retak dan bulging (bengkak). Untuk mengetahui lebih lanjut tentang penyebab kegagalan yang terjadi, dilakukan analisis kegagalan berupa pengamatan visual, uji kekerasan, pengujian ketebalan baik tube maupun deposit, Uji dan metalografi. Sedangkan untuk perkiraan umur sisa memakai metode struktur mikro yang di bandingkan dengan perkiraan tebal tube hingga ditemukan perkiraan umur sisa pakai (remaining life time) pada Material yang mengalami Bulging (bengkak). Dari hasil tersebut diketahui bahwa gagalnya water wall tube diawali dengan adanya korosi oksigen dan sulfur secara merata hingga menyebabkan penipisan pada tube, kemudian disertai dengan temperatur yang semakin meningkat dan tegangan internal tube meyebabkan kinerja material menurun maka luasan penampang tube tidak mapu lagi menahan beban sehingga kegagalanpun terjadi. Kegagalan ini disebabkan deformasi plastis secara permanen hingga material luluh dan sisa umur untuk pemakaian saat operasi boiler ini kurang lebih sekitar 1.5 Bulan terhitung dari Overhaul 2011 yaitu tanggal 26 Maret 2012 pada pukul 12.00 wib. Kata Kunci- Analisa kegagalan, Sisa Umur, STB 42, Waterwall Tube .
U
I. PENDAHULUAN
ntuk menghasilkan energi ini PLTU di dukung oleh
komponen – komponen penting salah satunya adalah boiler yang mempunyai bagian penting juga bernama water wall tube atau dinding furnace. Dengan demikian water wall tube dapat juga untuk mencegah temperatur boiler terlalu tinggi. PLTU Unit 1 pada awalnya beroperasi dengan bahan bakar minyak (BBM), Setelah gasifikasi pada tahun 1996-1997 PLTU Unit 1 ini beroperasi dengan bahan bakar gas (BBG) dan campuran antara BBG dengan BBM. Seiring dengan perkembangan efisiensi bahan bakar, ketersediaan bahan bakar gas tidak mencukupi maka PLTU Unit 1 ini kembali menggunakan bahan bakar minyak residual oil (BBM). Water wall tube sering mengalami kerusakan baik pada bagian luar maupun dalam khususnya pada sisi api. PT. PJB UP Gresik, tepatnya di PLTU unit 1. Kerusakan telah terjadi sebanyak 3 kali dalam jangka 5 tahun terakhir. Terbaru pada 16 januari 2012 pada
pukul 12.00 water wall tube mengalami 9.120 jam operasi (12.49 bulan) tube bulging. Metode yang analisa yang dilakukan , Uji Komposisi pengamatan makro, dan mikro korosi untuk tube JIS STB 42 dan analisa sisa umur pada tube JIS STB 42. Saat ini kondisi pembangkit listrik tenaga uap dan pengolahan migas yang menggunakan tube boiler yang sudah mendekati batas umur disain dan bahkan sudah banyak yang diganti, sehingga diperlukan adanya pengujian untuk memprediksi sisa umur tubes yang masih beroperasi hingga sekarang. Hasil akhir dari analisa kegagalan dan sisa umur pakai pipa ini diharapkan dapat menjadi dasar dalam pemakaian komponen selanjutnya untuk meminimalisir jenis kegagalan yang sama di kemudian hari. II. METODELOGI PENELITIAN Metodologi yang dilakukan pada sampel tube digunakan pengukuran ketebalan, pengamatan makro dan mikro, yaitu pengamatan makro dilakukan dengan menggunakan kamera SLR sedangkan pengamatan mikro digunakan pengamatan mikrostruktur (mikroskop optik), uji SEM-EDX, dan uji kekerasan (hardness test). Kemudian untuk perkiraan umur sisa menggunakan metode metalografi dengan pendekatan pada penelitian kurva Neubauer-Wedel dan Toft Mardsen untuk yang kualitatif sedangkan untuk yang kuantitatif menggunakan pendekatan Shammas. III. DATA DAN PEMBAHASAN 3.1 Material Data teknik untuk komponen Water wall tube di PT. PJB UP Gresik PLTU Unit 1 adalah seamless steel tube dan merupakan jenis medium carbon steel. JIS STB 42 dengan rata – rata angka kekerasan sekitar 100 HRB sampai 170 HRB dan dimanufaktur menggunakan teknik cold finished sesuai standardisasi JIS 3461. Menurut Standard JIS 3461 material yang sering merupakan baja carbon yang sering dipakai pada pipa boiler dan heat exchanger. Baja ini merupakan logam paduan dengan komposisi kimia unsur utama adalah Fe. Maka komposisi kimia dan sifat mekanik dari water wall tube seperti tabel 3.1 dan tabel 3.2 adalah sebagai berikut :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
2
Tabel 3.1 Komposisi kimia Water Wall Tube JIS STB 42. ELEMEN C Mn P Si S (%) 0.32 0.3 - 0.035 0.35 0.035 STB 42 Class 4 Max 0.8 Max Max Max
Tabel 4.6 Perbandingan Unsur pada Spesimen dengan JIS 3461 -1980. Unsur
Sumber : ( HandBook JIS 3461) Tabel 3.2 Sifat Mekanik Water Wall Tube JIS STB 42 \Unit 1.
Part
Tensile strength Kgf/mm2 (N/mm2)
Yield pint or proof stress Kgf/mm2 (N/mm2)
42 min. 26 min. (255) STB 42 (412) min min. CLASS 4 Sumber: ( HandBook JIS 3461)
Elongation % No.11 test piece No.12 test piece
Karbon Mangan Silikon Phospor Sulfur Besi
JIS 3461 1980 . 0,320 max 0,300-0,800 0,350 max 0.0350 max 0.0350 max
Hasil OES 0.220 0.064 0.410 0.013 0.005
Keterangan Sesuai Tidak Sesuai Tidak Sesuai Sesuai Sesuai Balance
3.4 Pengukuran Ketebalan
25%
3.2 Pengamatan Makro
Gambar 2. Grafik Kondisi Ketebalan Tube.
Gambar 1. Gambar Tube STB 42. Pada Gambar 1. inner non fire side dan outer fire side lapisan pipa terlihat mengelupas, Permukaan logam ditutupi dengan oksida besi pelindung, seperti magnetit,
Fe 3 O 4
(hitam), di inner fire side berwarna hitam dan kotoran seperti abu, kerak terkena panas radiasi secara langsung. maka tube 0
Gambar 2. nilai ketebalan dapat dilihat bahwa terjadi penipisan ketebalan pipa semakin ke arah bulging yaitu titik A maka ketebalan semakin berkurang. Hal ini diindikasikan bahwa berdasarkan struktur mikro, Dalam pengertian lain, kemungkinan karbida tersisip ke dalam butiran kristal ferrite. Dengan terdispersinya karbida tersebut ke dalam butiran kristal ferrite mengakibatkan timbulnya tegangan. Hal inilah yang menyebabkan kenapa kekerasan pada tube yang gagal lebih tinggi dari pada tube normal. 3.5 HASIL SEM
0
ini dikenai distribusi temperatur sebesar 535 C - 700 C , long term overheating pada kerusakan tube boiler di sebabkan oleh berkumpulnya deposit pada sisi air, hingga menyebabkan bulging. 3.2 Uji Komposisi Kimia Unsur silikon merupakan pembentuk ferit, tetapi bukan pembentuk karbida, silikon cenderung membetuk partikel oksida, sehingga memperbanyak pengintian kristal dan mengurangi pertumbuhan akibatnya struktur butir semakin halus Sedangkan mangan mempunyai sifat tahan terhadap gesekan dan tekanan unsur ini mudah berubah kekerasannya pada kondisi temperatur yang tidak tetap dan dapat bersifat ferro magnetic
Gambar 3. Inner Tube 3000x.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
3
Gambar 4. Outer Tube 3000x Hasil pengamatan dengan SEM Menujukan bahwa pada daerah yang jauh dari bulging inner dan outer Tube tampak permukaan yang halus ketika kedalaman pengamatan di perbesar maka terlihat baja sudah terkorosi namun hanya di permukaan saja. Pada bagian dekat bulging di titik H terdapat indikasi ada korosi secara merata dan terlihat lebih dalam di Outer Tube Selain korosi yang merata daerah dekat bulging pada titik H ini terlihat retak – retak di sekitar daerah korosi secara membujur dan miring. Di daerah bulging bagian inner (gambar3) atau outer tube (gambar4) terdapat banyak retakan – retakan dan produk korosi pada bagian dalam retakan membetuk melintang sedangkan pada bagian luar berbentuk membujur. 3.6. Pengamatan SEM/EDAX Outer Surface Tube ( Daerah Bulging Titik L)
Gambar 6. Hasil SEM EDAX Inner Tube Dekat Bulging perbesaran 600x Outer Surface Tube (Daerah Dekat Bulging Titik H)
Gambar 7. Hasil SEM EDAX Outer Tube dekat Bulging perbesaran 800x Outer dan Inner Tube ( Daerah Jauh dari Bulging Titik A )
Gambar 5. Hasil SEM EDAX Outer Tube Bulging Perbesaran 800X. Surface Tube (Daerah Dekat Bulging Titik H)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
4 senyawa korosi seperti
Fe2 O3 , Fe3O4 pada daerah inner
tube,dan FeS di outer tube. 3.6. Mikroskop Optik
Gambar 8. Hasil SEM EDAX Daerah Jauh dari Bulging a) Outer Tube 400x b) Inner Tube 800x. Hasil pengamatan dengan EDAX Menujukan bahwa pada daerah yang jauh dari bulging yaitu di titik A inner dan outer Tube tampak permukaan yang halus ketika kedalaman pengamatan di perbesar maka terlihat baja sudah terkorosi namun hanya di permukaan saja. Pada bagian dekat bulging di titik H terdapat indikasi ada korosi secara merata dan terlihat lebih dalam di Outer Tube. Selain korosi oxygen adanya pengendapan dari garam yang terlarut yang terbawa dari air umpan seperti O, Ba, Zn, Ca, Na, Si, Mg terlihat pada hasil EDX
Gambar 11. Hasil Mikroskop Optik Daerah Bulging 2% nital a)1000x b)1000x
3.5. Hasil XRD
Gambar 12. Hasil Mikroskop Optik2% natal Daerah Dekat Bulging a)500x b)1000x
Gambar 9 Hasil Uji XRD Inner Tube. Gambar 13. Hasil Mikroskop Optik 2% nital Daerah Normal a)500x b)1000x
Gambar 10. Hasil Uji XRD Outer Tube. Pada gambar 9 dan gambar 10 adalah hasil XRD dan di dapat
Pada gambar 11 yaitu sampel dari tube yang gagal dimana hampir seluruhnya terbentuk Ferite ( putih ) dari pada perlit (hitam) dan batas butir cenderung berantakan, hampir tidak terbentuk dan banyak lubang (cavitasi). Pada gambar 12 sampel tube di daerah dekat bulging, Pearlite (Hitam ) masih terlihat banyak dan sedikit Ferrite (putih), sedikit cavitasi (lubang) batas butir tidak terlihat jelas. Pada tube yang normal yaitu gambar 13, ferrite ( putih ) sebanding dengan pearlite (hitam), dan batas butir sangat terlihat jelas dan tidak ada cavities (lubang).
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
5
3.7 Hardness ……………..(1) Di mana : A = the number fraction of cavitated boundaries = (0,34) t = service time = (8000 hour) tr = expected rupture life = (9120 hour) t/t r = the expended creep – life fraction n = the stress exponent for creep = 3 λ’ = (2,5) ε r /ε s 2.5−1
A = 1 − (1 −
Gambar14. Gambar Grafik Hardness – Vickers. Kekerasan juga mempunyai kolerasi dengan kekuatan, kekuatan akan naik dengan naiknya kekerasan bersamaan itu keuletan akan menurun. perubahan sifat mekanik yang terjadi karena deformasi ini, akan menyebabkan logam menjadi keras karena tegangan. Makin menurun tingkat keuletannya. Kekerasan yang terjadi diindikasikan bahwa berdasarkan struktur mikro, pearlite sudah mulai terdispersi ke dalam ferrite. Dalam pengertian lain, kemungkinan karbida tersisip ke dalam butiran kristal ferrite. Dengan terdispersinya karbida tersebut ke dalam butiran kristal ferrite mengakibatkan timbulnya tegangan. Hal inilah yang menyebabkan kenapa kekerasan pada tube yang gagal lebih tinggi dari pada tube normal. 3.8 Tegangan Internal
8000 ( 3 x 2,5 ) ) ...............(2) 9.120
..... A = Sehingga fraksi nomor sebesar 0.34 b. Persamaan Shammas a.) Metode pertama …………(3) Di mana : t rem = remaining life t exp = time of operation A = the number fraction of cavitated boundaries Waktu operasi boiler (t exp ) = 8000 hour Fraksi nomor pada batas rongga = 0,35 1 − 1]...........(4) t rem = 8000[ 1 − (1 − 0.34) 9 ' t rem = 247,4226 jam= 10 hari =0.33 bulan
Berdasarkan dasar teori diatas dengan menipisnya dinding 0
pipa. Menjadi 0.168 inch dengan temperatur 600 C . Dimana kekuatan luluh material σy ( 20.000 Psi ) maka kekuatan tube menahan tegangan–tegangan yang timbul akibat tekanan fluida di dalamnya sangat kecil sehingga pipa terdeformasi plastis atau luluh.
sehingga pada metode pertama perkiraan umur sisa setelah beroperasi dari waktu standart 8.000 jam adalah sebesar 10 hari. b) Metode kedua Diketahui :
Namun tegangan – tegangan tidak melampaui kekuatan maximum material ( σ u = 30.000 Psi ) maka pipa tidak sampai pecah. Semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi pula tegangan yang diterima oleh tube. Apabila tube dioperasikan pada temperatur tinggi, maka nilai yield strength akan menurun dengan adanya kenaikan temperatur. Hal ini secara teoritis beban statis kondisi pipa aman, namun fluktuasi (tegangan termal) temperatur sekitar 116 0 C dapat menyebabkan tube luluh
= 8000 = 0.88..........(5) 9120 tr Diplot pada kurva Shammas dibawah ini:
IV. PERHITUNGAN UMUR SISA TUBE
Didapat hasil klasifikasi kerusakan pada kelas C, kemudian dikorelasikan dengan kurva Neubauer dan Wedel dengan persamaan Shammas berikut:
a. Persamaan Cane
t rem =
t exp
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
t rem = t exp (
tr t exp
− 1) .....................(6)
6 2. Perkiraan umur sisa pada tube/pipa berdasarkan metode metalografi dengan perkiraan kuantitatif dan perkiraan kualitatif adalah a.) Perkiraan kuantitatif − Persamaan Shammas (1988) metode pertama sebesar 247,4226 jam. − Persamaan Shammas (1988) metode kedua sebesar 1120jam. b.) Perkiraan kualitatif − Analisa dengan Kurva Neubaur dan Wedel (1983) tube ini berada di kelas C dengan keterangan harus diperbaiki atau diganti dengan tube yang baru setelah enam bulan beroperasi. − Gambar struktur mikro hasil perhitungan mendapatkan hasil perkiraan kerusakan 88% sedangkan perkiraan umur sisa 12%. Keterangan inspeksi ulang setelah sekitar 10.000 jam operasi. − Maka terhitung 1.53 Bulan lagi Sejak tanggal 16 januari 2012 pada pukul 12.00 waterwall tube harus di inspeksi ulang yaitu pada tanggal sekitar 26 Maret 2012 pada pukul 12.00 wib.
9120 \ − 1)..........................(7) 8000 t rem = 1120 Jam
t rem = 8000(
sehingga berdasarkan waktu operasi sebesar 8000 jam metode kedua didapat sisa waktu kerja sebesar 1120 jam = 1.53 bulan dan berada di kelas C adanya mikro crack. Jika dikorelasikan dengan percobaan Mardianto (2007) the expended creep – life fraction
t exp tr
x100% =
8000 x100%) = 87.7% = 88% 9120
Hasil didapat perkiraan kerusakan 80% di tabel strukturmikro (Mardianto ERA Technology 2007)
UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Allah SWT yang telah memberi berkah, beluarga besar saya. Bapak Budi Agung Kurniawan, ST, M,Sc selaku dosen pembimbing yang telah memberi arahan, masukan dan bimbingan selama proses penyusunan Tugas Akhir ini. Bapak Sungging Pintowanatoro, ST, M.Sc selaku ketua Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. Segenap dosen Jurusan Teknik Material dan Metalurgi yang telah memberi ilmu dan bimbingan selama perkuliahan. PT PJB Unit Pembangkit 1 Gresik, Bapak Supartono bagian RENDAL HAR Selaku Pembimbing utama di PJB Gresik, Sehingga Tugas AKhir ini dapat diselesaikan. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
V. KESIMPULAN/RINGKASAN Hasil dari analisa yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan 1. Faktor yang menyebabkan kegagalan dari material tube STB 42 pada water wall boiler Tube Unit 1 PT. PJB UP Gresik adalah a.) Kegagalan berawal dari korosi produk korosi okisda besi dan terjadi penumpukan Oksigen sehingga menghasilkan korosi oksigen . b.) Adanya Deformasi, Tekanan dari air yang menyebabkan tube bersifat luluh namun belum pecah.
[4] [5] [6]
Ahmad, J. dkk. 2009. Failure Investigation On Rear Waterwall Tube Of Boiler. Engineering Failure Analysis. Journal Of Science Direct. 16 : 2325 -2332. Ahmad, J. dkk. 2010. Hydrogen Damage In a Rear Riser Water Wall Tube Of a Power Plant . Journal Of Science Direct . 17 : 1239 – 1245. Alfiantino, Denny. 2012. Failure Analisis And Remaining Life Assesment Waterwall Tube In Boiler 31F-4 Utilities-1 On PT Badak NGL Bontang. Institut Teknologi Sepuluh Nopember , Surabaya. API Recommended Practice 530. Northwest, “Calculation Of Heater Tube Thickness In petrolium Refeneries”, Washington D.C. : American Petrolium Institute, 2004. Hendrato, 2012. Analisa Kerusakan dan Umur Sisa Tube Furnace 019 F102 Di PT. PERTAMINA Refinery Unit IV Cilacap . Universitas Ishikawajima – Harima Heavy Industries, Boiler Plant Enginering Divison , 1978, Assembly of Main Oil Burner, Gresik Steam Power Plant Project Unit I & II 2X100 MW.
