ANALISA KEGAGALAN DAN PERKIRAAN UMUR SISA PIPA AIR PADA BOILER 31F-4 UTILITIES-1 DI PT BADAK NGL BONTANG Ir. Muchtar Karokaro M.Sc, 1, Yuli Setiyorini, S.T., M.Phil, 1, Denny Alfiantino Ibni 2
1
Staff Pengajar Teknik Material dan Metalurgi ITS, 2Mahasiswa Teknik Material dan Metalurgi ITS e-mail :
[email protected]
ABSTRAK Utilities-1 boiler 31F-4 di PT Badak adalah boiler yang digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga uap sumber tenaga utama untuk membangkitkan penggerak mesin proses berupa pompa, kompresor, uap untuk reboiler dan pemanas kebutuhan proses. Boiler ini sudah digunakan selama 29 tahun. Dalam kurun waktu tersebut, telah terjadi kegagalan fungsi pada waterwall tube (baja karbon menengah ASME B&PV SA 178 C nomor 37) di nose section. Adanya kerusakan tersebut diperlukan metode analisa kegagalan. Metode yang dilakukan pengamatan visual makro dan mikro yaitu meliputi pengukuran ketebalan, analisa struktur mikro (mikroskop optic), analisa morfologi dan komposisi (SEMEDX). Pengujian mekanikal (microhardness). Sedangkan untuk perkiraan umur sisa, dilakukan penilaian analisa secara kuantitatif dengan menggunakan metode Shammas dan analisa kualitatif berdasarkan kurva Neubauer dan Wedel, serta gambar struktur mirko Mardianto. Setelah dilakukan analisa kegagalan, diketahui bahwa kegagalan berupa panas yang berlebih dalam jangka waktu yang lama dan diawali dengan korosi merata dan selanjutnya terjadi korosi galvanik pada tube. Untuk perkiraan umur sisa diperoleh nilai sebesar 12.000 jam dan 54.040 jam secara kuantitatif dan berada pada kurva Neubauer dan Wedel berada pada kelas C yang artinya harus diperbaiki atau diganti dengan tube yang baru setelah enam bulan beroperasi, serta berdasarkan gambar struktur mikro Mardianto perkiraan kerusakan 80% menghasilkan perkiraan umur sisa 20%, dengan keterangan inspeksi ulang setelah 10.000 jam operasi. Kata kunci: waterwall tube, baja karbon menengah SA 178 C, korosi merata, korosi galvanik, korosi erosi, perkiraan umur sisa
ABSTRACT Utilities-1 boiler31F-4 in PT Badak is used as steam powered electricity generator as the main power to drive process-machines such as pimps, compressors, and reboiler steam. This boiler has been used for 29 years and suffered failure on its waterwall tube for precise on its nose section number 37. The tube is ASME B&PV SA 178 C. Failure analysis is conducted on failure macro and micro visual test including thickness measurement, microstructure analysis (microscope optic), morphology & composition (SEMEDX), Mechanical testing is done by microhardness test.While to estimate remaining life assessment, quantitative and qualitative analysis by Shammas method, Neubauer-Wedel curve, and Mardianto microstructure standard is conducted. The analysis resulted that the failure is caused by long-term overheating, started by uniform/general corrosion that leads to galvanic corrosion is occured. For remaining life assessment is estimated 12.000 hours and 54.040 hours quantitatively. It is placed in C class on Neubauer-Wedel curve, that means to be repaired or replaced with a new tube after six months operation. According to Mardianto microstructure, the estimated lost is 80% that resulted to 20% remaining life time with inspection after 10.000 hours works. Keywords : waterwall tube, medium carbon steel SA 178 C, unform corrosion, galvanic corrosion, remaining life assessment
1
1. PENDAHULUAN PT. Badak merupakan salah satu perusahan terbesar yang menghasilkan LNG, dimana diperlukan adanya daya suatu penggerak. Daya penggerak ini berasal dari turbin uap yang dibangkitkan oleh boiler. Boiler sudah beroperasi selama kurang lebih 300.000 jam, tidak menutup kemungkinan terjadi degradasi bahan pada komponenkomponen di boiler, terutama pada pipa yang beroperasi pada temperatur tinggi. Permasalahan yang sering terjadi di pabrik pada pipa berupa crack, penebalan scale, bluging, maupun korosi pit. Permasalahan yang sering terjadi tersebut dapat membahayakan bagi boiler serta dapat menurunkan daya kerja sistem. Untuk mengatasi permasalahan tersebut diperlukannya analisa kegagalan serta perkiraan umur sisa terhadap pipa. Untuk penentuan perkiraan umur sisa menggunakan dua metode, secara analisa kualitatif dan secara analisa kuantitatif sebagai perbandingan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk dapat mengetahui kerusakan dan penilaian umur sisa pada tube dengan melakukan pengamatan morphology, komposisi kimia, serta pengukuran prosentase kemuluran sehingga diharapkan nantinya sebagai pertimbangan dalam pencegahan dan perawatan untuk menghindari kebocoran tube yang serupa. 2. METODOLOGI PENELITIAN Metodologi yang dilakukan pada sampel tube digunakan pengukuran ketebalan, pengamatan makro dan mikro, yaitu pengamatan makro dilakukan dengan menggunakan kamera dan stereomicroscope sedangkan pengamatan mikro digunakan pengamatan mikrostruktur (Mikroskop optik), uji SEM-EDX, dan uji kekerasan (Microhardness). Kemudian untuk perkiraan umur sisa menggunakan metode metalografi dengan pendekatan pada penelitian kurva Neubauer-Wedel dan Mardianto (2007) untuk yang kualitatif sedangkan untuk yang kuantitatif menggunakan pendekatan Shammas.
3. DATA DAN PEMBAHASAN 3.1. Material Material tube yang digunakan adalah SA 178 C. Menurut Standard Boiler and Pressure Vessel Code (ASME B&PV, 1995) material merupakan logam paduan dengan komposisi kimia unsur utama adalah Fe. Berikut ini spesifikasi komposisi kimia unsur paduan yang terkandung dan sifat mekanik material tube. Tabel 3.1 Komposisi Kimia Tube SA 178 C
Element Carbon Manganese Phosphorus, max Sulfur, max Silicon
Composition, % 0,35 max 0,80 0,035 0,035 …
Tabel 3.2 Sifat Mekanik
Tensile Strength, ksi [MPa] Yield Strength, ksi [Mpa] Elongation, min, %
60 [415] 37 [255] 30
Peninjauan dari kadar karbon yang dimiliki, material waterwall tube untuk boiler termasuk jenis baja karbon medium atau nama lainnya carbon-manganese steel karena memiliki kandungan Mn 0,8%. Mn menaikkan kekuatan dan kekerasan, dan ini lebih efektif pada kadar karbon yang lebih tinggi. Berdasarkan tabel komposisi kimia masih terdapat unsur – unsur pemadu lain. Unsur – unsur pemadu ini dipilih agar memperoleh sifat mekanik tertentu yang tahan terhadap temperatur tinggi (refractory). Spesifikasi komponen material waterwall tube SA 178 C diperlihatkan pada tabel 3.3. Tabel 3.3 Data Teknis Waterwall Tube
Diameter luar Tebal nominal Material Grade Nomor Temperatur design Tekanan design
76,2 mm 4 mm SA 178 C 37 371 oC 1025 Psig 2
3.2. Pengukuran Ketebalan Nilai rata – rata kedua sampel (tube gagal dan normal) ditampilkan dalam bentuk grafik pada gambar 3.1.
c)
Aliran fluida
Gambar 3.1 Grafik nilai rata –rata ketebalan kedua sampel
Gambar 3.1 menunjukkan bahwa menurut nilai ketebalan yang dihasilkan pada tube yang gagal ini menunjukkan bahwa nilai ketebalan tube berkurang akibat terdegradasinya material karena korosi merata yang dihasilkan. Berkurangnya nilai ketebalan pipa tentunya akan mempengaruhi kekuatan material. Namun nilai ketebalan ini masih berada pada kawasan ketebalan yang ditoleransikan karena nilai ketebalan nominal sebesar 4 mm. 3.3. Pengamatan Makro Berikut ini hasil dari pengamatan makro. a)
b)
penggembun gan
Gambar 3.2 Hasil foto dari kamera digital sampel waterwall tube yang menunjukkan kerusakan a) tampak samping b) permukaan luar terdapat retakan yang dilingkari b1) hasil foto dari streomicroscope 8x perbearan c) permukaan dalam menunjukkan endapan deposit c1) 11x perbesaran retakan permukaan dalam c2) 15x perbesaran depoit; retakan dimulai dari permukaan dalam dan menjalar keluar
Awal retakan (initiation crack) terdapat pada penggembungan dibagian tube yang melengkung (gambar 3.2a). Tidak tampak adanya gejala endapan deposit pada dinding permukaan luar hanya saja retakan terlihat membentuk pola transfersal dan sedikit sekali lapisan coating yang terkelupas (gambar 3.2b) dan (gambar 3.2b1). Jika diasumikan retakan berasal dari dinding permukaan dalam tube, seperti yang ditampilkan pada gambar 3.2c dan gambar 3.2c1. Pada dinding permukaan dalam menunjukkan bahwa terbentuknya endapan deposit yang merata dan kemudian bagian yang menggembung, deposit sudah terlepas, sehingga kerusakan yang terjadi akibat dari korosi merata (uniform corrosion) pada dinding tube, namun pada bagian yang melengkung material mengalami deformasi menyebabkan deposit dapat dengan mudah terlepas dari dinding tube. 3.4. Pengamatan Mikroskop Optik Hasil dari pengamatan mikroskop optik pada specimen tube normal ditampilkan sebagai berikut: 3
Hasil pengamatan tube yang gagal: Dinding Permukan dalam a)
b)
c) Gambar 3.3 Specimen tube normal perbesaran 200x
Pada gambar 3.3 merupakan gambar specimen tube yang normal (tidak mengalami perlakuan sama sekali) yang sudah mengalami etsa. Tampak pada gambar terlihat bahwa struktur ferrite diperlihatkan pada butiran yang berwarna terang, di mana memiliki unsur C yang relative sebesar 0,35% dapat dilihat pada tabel 3.1, serta struktur pearlite diperlihatkan pada butiran yang berwarna gelap. Pada gambar 3.4 menunjukkan pengambaran tube gagal yang menghasilkan tiga daerah yang berbeda, yaitu daerah deposit, daerah transisi, dan daerah base metal. Pada daerah inner surface inilah terdapat endapat deposit. Endapat deposit merupakan unsur – unsur pembawa dari aliran air yang masuk kedalam tube. Dengan adanya deposit tersebut, seiringnya waktu material tube mengalami degradasi, dilihat dari gambar 3.5a. di mana material terdifusi oleh deposit. Adapun penyebab lain dari akibat adanya deposit yaitu, material mengalami perbedaan pemerataan panas. Perbedaan pemerataan panas inilah yang menyebabkan air didalam tube tidak menguap secara baik, karena konduktifitas termal pada deposit lebih rendah daripada material tube. Pada gambar 3.5b adalah daerah transisi, namun pada daerah transisi kurang begitu menampakkan perbedaan dengan base metal. Oleh karena itu diperlukannya pengujian lebih lanjut dengan menggunakan alat SEM yang mempunyai kemampuan perbesaran lebih besar dari pada mikroskop optik.
Dinding Permukan luar
Gambar 3.4 Specimen tube gagal perbesaran 100x serta daerah pengamatan
Pada gambar 3.5 pengamatan dilakukan kembali pada tiga daerah dengan perbesaran 500X, ditampilkan sebagai berikut: a)
b)
c)
Gambar 3.5 Specimen tube perbesaran 500x a.)deposit b.)transisi c.)base metal
4
Pada gambar 3.5c menunjukkan merupakan daerah pengamatan base metal material tube gagal terlihat bahwa bentuk penggambaran struktur mikro berbeda sekali dengan strukutr mikro yang normal. Pada base metal tube gagal ini terlihat butiran ferrite lebih dominan ketimbang butiran pearlite. Tampak juga pada butiran pearlite terlihat memudar (kabur). Pemudaran butiran dimungkinkan karena terdispersinya karbida yang masuk ke dalam struktur. Kristal butiran ferrite, sehingga pearlite yang sebelumnya berbentuk lamellar cenderung berbentuk bulat,
1
1
Pearlite(Fe 3C – α) Fe3C(speroid) +α dengan kata lain Fe3C cenderung mau berpisah menjadi Fe3C yang bulat (speroid/globular partikel). Itulah mengapa butiran ferrite cenderung lebih dominan ketimbang butiran pearlite, karena butiran pearlite berusaha menyeimbangkan dirinya dengan cara menyisip pada butiran struktur kirtal ferrite yang disebabkan dari pengaruh temperatur tinggi dalam jangka waktu yang lama. 3.5 Pengamatan (SEM-EDX) Uji SEM-EDX dilakukan untuk melanjutkan pengamatan yang lebih mendalam beserta komposisi unsur setelah melakukan pengamatan mikroskop optik. Hasil penggambaran SEM ditampilkan pada gambar 3.6. Hasil uji SEM dapat ditampilkan dengan jelas terbentuknya tiga daerah yang berbeda, terutama pada daerah transisi dengan ketebalan tertentu yang di mana pada pengamatan mikroskop optik tidak mampu menghasilkan penggambaran dengan jelas karena terbatasnya pembesaran gambar (gambar 3.6). Pada daerah transisi terditeksi mengandung kadar oksigen yang tinggi sebesar 22,83 Wt% yang berasal dari media aliran air yang mengalami penguapan (gambar 3.7b). Hal ini menunjukkan bahwa korosi yang terbentuk adalah korosi merata (uniform corrosion) dengan produk korosi berupa oksida besi.
Gambar 3.6 Penampang samping pada pembentukan deposit di base metal specimen waterwall tube: a) morfologi pada tiga daerah, a1) deposit
Dengan adanya korosi merata ini ketebalan material akan berkurang. Berikut reaksi yang terjadi,
2Fe + O2 + 2H2O 2Fe(OH)2 Selain itu pada daerah deposit juga terditeksi mengandung unsur Cu sebesar 55,44 Wt% (gambar 3.7c). unsur Cu yang mengendap ini sangat tinggi, hal ini menunjukkan bahwa, selain korosi merata, tube ini juga mengalami efek korosi galvanik. Korosi galvanik ini dapat terjadi karena adanya perbedaan potensial, Cu sebagai katoda dan Fe sebagai anoda, sehingga Fe akan mengalami oksidasi. Menurut hasil analisa sebelumnya dari pihak PT Badak NGL, Cu ini kemungkinan berasal dari material compound untuk sealing system pada manway steam drum dan mud drum, menggunakan copaslip. Bahan utama copaslip ini tidak ikut mendidih dan tertinggal di bagian tube yang terpengaruh grafitasi sehingga menempel pada tube terutama di bagian nose (Purnawan 2011). 5
a.) Base Metal
b.) Daerah Transisi
c.) Daerah Deposit
Gambar 3.7 Grafik komposisi unsur pada pemetaan gambar EDX a.) daerah base metal, b.) daerah transisi, c.) daerah deposit
6
3.6 Pengujian Kekerasan Hasil dari pengujian kekerasan ditampilkan pada gambar 3.8.
Gambar 3.9 Perkiraan umur kemuluran yang berdasarkan pada klasifikasi cavity (Neubauer dan Wedel 1983) Gambar 3.8 Grafik nilai kekerasan rata-rata pada tube gagal dan tube normal.
Data hasil uji kekerasan diperoleh bahwa pada tube yang gagal memiliki angka kekerasan yang lebih tinggi dibanding dengan tube yang normal untuk fasa pearlite maupun ferrite (gambar 3.8). Ini disebabkan oleh temperatur operasi. Bisa dikatakan pula merupakan pemanasan yang berlebih dalam waktu yang lama. 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. 3.7 Perkiraan Umur Sisa Dalam melakukan perkiraan umur sisa secara kualitatif menggunakan persamaan kurva Neubauer-Wedel (1983) (gambar 3.9) dan Mardianto (2007).
Untuk perkiraan secara kuantitatif menggunakan pendekatan Shammas menjadi dua metode. Metode pertama, perkiraan berdasarkan persamaan 3.1 yaitu kombinasi dari percobaan Cane dan Shammas. .....persamaan 3.1 Metode kedua perkiraan berdasarkan waktu operasi dibandingkan dengan waktu rusak (texp/tr) dengan perhitungan pada persamaan 3.2 ..........persamaan 3.2 Kemudian diplot pada kurva klasifikasi cavity, kemudian dikorelasikan dengan kurva Neubauer dan Wedel, serta kurva ERA Technology dari penelitian Mardianto. Pada perkiraan umur sisa untuk metode pertama persamaan Shammas sisa usia kerja sebesar 12.000 jam dari waktu operasi 200.000 jam. Metode kedua didapat sisa usia kerja sebesar 54040 jam dari waktu operasi 200.000. hal ini menunjukkan bahwa pada perhitungan metode kedua sudah mendekati nilai dari waktu yang sebenarnya di lapangan, di mana pipa boiler telah mengalami kerusakan di saat waktu rusak (time to rupture) sebesar 254.040 jam. Jika dibandingkan dengan metode yang pertama estimasi total sampai gagal hanya sebesar 212.000 jam. 7
Ketika dihubungkan dengan kurva Neubauer dan Wedel posisi strukturmikro berada di klasifikasi kerusakan kelas C. klsifikasi kerusakan kelas C dengan penjelasan bahwa pipa atau tube sudah harus dalam perbaikan atau pergantian dengan tube yang baru, karena sudah berada pada batas perawatan sampai dilakukan perbaikan sekala besar (Neubauer dan Wedel, 1983), . Begitu pula ketika dicocokkan dengan penelitian Mardianto perkiraan kerusakan sebesar 80% dan perkiraan sisa umur hanya 20%. Pada kondisi tersebut strukturmikro sudah menunjukkan bahwa pada fase pearlite yang pada fase normal berbentuk lameral, sudah cenderung berbentuk bulat terdispersi dibutiran ferrite. Hal ini dikarenakan proses pemanasan berlebih dalam jangka waktu yang sangat lama. 3.8 Mekanisme Kegagalan Mekanisme kegagalan diasumsikan bahwa bagian dalam tube mengalami korosi. Korosi ini merupakan penumpukkan daripada scale/deposit. Karena adanya scale temperatur material tube menjadi lebih tinggi dari pada temperatur lain (pemeratanan panas yang berbeda – beda) karena konduktifitas termal pada deposit lebih rendah daripada konduktifitas termal tube. Seiringnya waktu berjalan semakin banyak pula endapan scale yang melekat terutama dibagian nose section. Akibatnya temperatur pipa meningkat sehingga menyebabkan kekuatan pipa berkurang terutama daerah yang menggelembung yang kemudian material mengalami deformasi. Dengan adanya deformasi material (menggelembung) ketebalan pipa menjadi berkurang atau menjadi tipis. Penipisan ketebalan mengakibatkan tegangan menjadi besar. Dengan tegangan menjadi besar deformasi banyak lagi. Begitu seterusnya hingga pada waktu tertentu akhirnya mengalami retakan (crack).
5. KESIMPULAN Hasil dari analisa yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan 1. Faktor yang menyebabkan kegagalan dari material tube SA 178 C pada Boiler 31F-4 Utilities 1 PT Badak NGL Bontang adalah a.) Kegagalan berupa panas yang berlebih dalam jangka waktu yang lama (Long – Term Overheating). b.) Kegagalan berawal dari korosi merata (uniform corrosion) produk korosi okisda besi dan terjadi penumpukan Cu sehingga menghasilkan korosi bimetal (galvanic corrosion). 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 12.000 jam. - Persamaan Shammas (1988) metode kedua sebesar 54.040 jam. b.) Perkiraan kualitatif - Kurva Neubaur dan Wedel (1983) berada di kelas C dengan keterangan harus diperbaiki atau diganti dengan tube yang baru setelah enam bulan beroperasi. - Gambar struktur mikro Mardianto (2007) perkiraan kerusakan 80% menghasilkan perkiraan umur sisa 20%. Keterangan inspeksi ulang setelah sekitar 10.000 jam operasi. DAFTAR PUSTAKA Anonim Ahmad, J. dkk. 2009. Failure investigation on rear waterwall tube of boiler. Engineering Failure Analysis 16:2325-2332. Annual Book of ASTM Standards, Section 3 Metals test method and analytical prosedures. 1986. Metallography; Nondestructive Testing. Standard methods of preparation of metallographic specimens. ASTM E3: 5 - 11 8
Annual Book of ASTM Standards, Section 3 Metals test method and analytical prosedures. 1986. Metallography; Nondestructive Testing. Standard test method for microhardness of materials. ASTM E384: 342 - 346 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II Metrials Part A – Ferrous Material Specifications. 1995. Subcommitte on materials. New York: The American Society of Mechanical Engineers. Bulloch, J.H., Callagy, A.G., Scully, S., Greene, A. 2009. A failure analysis and remnant life assessment of boiler evaporator tubes in two 250 MW boiler. Engineering Failure Analysis 16:775-793. Cane, B.J. dan Shammas, M.S. 1984. A Method for Remanent Life Estimation by Quantitative Assessment of Creep Cavitation on Plant. In Damage Mechanism and Life Assessment of High – Temperature Components, ed. R.Viswanathan, 219. USA: ASM International Metals Park, Ohio 44073. Dhua, S.K. 2010. Metallurgical investigation of failed boiler water-wall tubes receiced from a thermal power station. Engineering Failure Analysis 17: 1572-1579.
Malek, M.A. 2005. Power Boiler Design, Inspection, and Repair: ASME Code Simplified. Michigan University: McGraw-Hill. Mardianto, D. 2007. Analisa Kegagalan dan Perkiraan Umur Sisa Terhadap Riser Tube Waste Heat Boiler E 1 007 B NH3 Unit di PT Pupuk Kaltim, Tbk. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Moran, M.J. 2004. Bab 8 Sistem Tenaga Uap: Termodinamika Teknik Jilid 2. Translated by Nugroho, Y.S., Surjosatyo, A. Ed. Simarmata, L. 1 – 5. Jakarta: Erlangga. Neubauer, B dan Wedel, U. 1983. Restlife Estimation of Creeping Components by Means of Replicas, in Advances in Life Prediction Methods, Ed. Woodford, D.A. and Whitehead, J.R., 307-314. American Society of Mechanical Engineers. New York. Port, Robert D. and Herro, Harvey M. 1991. The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis. USA: McGraw-Hill, Inc. Shammas, M. et al. 1988. Remaining Life of Boiler Pressure Parts, HAZ Models. In Damage Mechanism and Life Assessment of High – Temperature Components, ed. R.Viswanathan, 220 – 223. USA: ASM International Metals Park, Ohio 44073.
Drastiawati, N. 2009. Analisa kerusakan tube left waterwall boiler furnace PLTU ditinjau dari aspek metalurgi. Insitut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
Sopan Syofian, e-mail message to author, March 16, 2011
Ellis, F.V. et al. 1988. Remaining Life Assessment of Boiler Pressure Parts. In Damage Mechanism and Life Assessment of High – Temperature Components, ed. R.Viswanathan, 218. USA: ASM International Metals Park, Ohio 44073.
Viswanathan, R. 1995. Damage Mechanism and Life Assessment of High – Temperature Components. USA: ASM International Metals Park, Ohio 44073..
Teguh Purnawan, e-mail message to author, Desember 30, 2011.
9
