ANALISA KEGAGALAN OUTER DAN INNER TUBE CHLOROPAC DI PLTU PT. PJB UP GRESIK Oleh : Chafidh Ardiansyah
2708100032
Pembimbing: Ir. Muchtar Karokaro, M.Sc NIP. 1947 07 17 1978 01 1001 Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012
PENDAHULUAN
Chloropac Chloropac adalah sebuah alat yang berfungsi untuk memproduksi
sodium
hipoklorit
(NaOCl).
Sodium
hipoklorit dibuat didalam chloropac dengan bahan baku air laut dengan cara elektrolisa.
Chloropac unit 3 & 4 di PLTU PT.PJB UP GRESIK
Bekerja dengan Kecepatan air laut + 5 kgf/cm2, tegangan 60 V, arus 1.200 A dan temperatur 40oC
Mengalami kegagalan pada outer dan inner tube chloropac dan mulai beroperasi pada bulan Juli 2011 dan kebocoran telah terjadi pada bulan Desember 2011, dengan kata lain umur Chloropac 5 bulan
Kegagalan berupa kebocoran
Latar Belakang
Perumusan Masalah Kegagalan outer dan inner tube chloropac unit 3&4
Apa faktor penyebabnya???
Apa upaya yang dapat diambil???
Bagaimana mekanismenya???
Tujuan
1
Menentukan Faktor-faktor penyebab kegagalan pada outer dan inner tube chloropac
2
Mempelajari mekanisme kegagalan outer dan inner tube chloropac
3
Mengetahui upaya yang dapat diambil pada kegagalan outer dan inner tube chloropac
Keadaan lingkungan luar dianggap tetap
Material outer dan inner tube bersifat homogen Komposisi kimia dianggap homogen pada tiap spesimen
Batasan Masalah
Manfaat Penelitian Mahasiswa dapat memahami dan mengaplikasikan ilmu yang diperoleh khususnya dalam bidang material dan metalurgi, sedangkan untuk pihak perusahaan agar hasil
penelitian dapat dijadikan sebagai rekomendasi untuk meminimalisir jenis kegagalan yang sama di kemudian hari.
TINJAUAN PUSTAKA
Chloropac adalah sebuah alat yang berfungsi untuk memproduksi
sodium
hipoklorit
(NaOCl).
Sodium
hipoklorit dibuat didalam chloropac dengan bahan baku air laut dengan cara elektrolisa.
Chloropac
Gambar chloropac
Teori Elektrolisis • Proses elektrolisis didasarkan pada prinsip Faraday yaitu menggambarkan aksi yang dihasilkan dari bagian dari sebuah arus listrik melalui elektrolit. • Air laut pada prinsipnya adalah “garam + air” • Garam yang berpengaruh terhadap produksi sodium hypochloride adalah garam NaCl. • Dengan adanya aliran arus listrik (DC), maka air laut yang masuk kedalam cell modul akan terurai menjadi : Garam (NaCl) menjadi ion Na+ & ion ClAir (H2O) menjadi ion 2H+ & ion O2-
• Elektrolisa untuk memicu reaksi kimia pembentukan sodium hypochloride pada air laut dapat dijelaskan sebagai berikut : • Reaksi pada sisi Anoda : 2Cl- Cl2 + 2ereaksi oksidasi Cl2 + H2O HOCl + HCl • Reaksi pada sisi Katoda : Na+ + e- NaO reaksi reduksi 2NaO + 2H2O H2 + 2NaOH • Reaksi gabungan : HCl + NaOH NaCl + H2O HOCl + NaOH NaOCl + H2O • Reaksi ringkas : NaCl + H2O + Arus Listrik NaOCl + H2 Gas
Modul sel chloropac • Modul sel adalah pemasangan yang tersusun dari 16 seri sel hidrolik terhubung. Elektrolisis dalam sebuah modul merupakan proses yang berkesinambungan.
Element (%)
Titanium
Nitrogen
0.03 (max)
Carbon
0.08 (max)
Hydrogen
0.015 (max)
Iron
0.20 (max)
Oxygen
0.030 (max)
Aluminium
(-)
Vanadium
(-)
Tin
(-)
Ruthenium
(-)
Palladium
(-)
Cobalt
(-)
Molybdenum
(-)
Chromium
(-)
Nickel
(-)
Niobium
(-)
Zirconium
(-)
Silicon
(-)
Titanium
Balance
Komposisi dan sifat mekanik yang dibutuhkan dari outer dan inner tube (ASTM B 338 Gr.1)
Grade
1
Yield Strength
Tensile Strength, min
Min
Elongation
max
ksi
Mpa
ksi
Mpa
ksi
Mpa
35
240
25
170
45
310
24
1
• Faktor kesalahan dalam
2
• Faktor kesalahan dalam proses perancangan komponen mesin
3
• Kondisi kerja yang ekstrim
pemilihan material
Analisa Kegagalan
1 •Identifikasi permasalahan
2
3
•Investigasi Material
•Pembebanan dan Tegangan
korosi adalah rusak atau lapuknya suatu material
(umumnya
logam)
karena
berinteraksi dengan lingkungan sekitar.
KOROSI
Korosi Batas Butir ( Intergranular Corrosion ) • Intergranular corrosion adalah bentuk korosi yang terjadi pada paduan logam akibat terjadinya reaksi antar unsur logam tersebut di batas butirnya disebabkan karena susunan kristal pada suatu atom material mengalami kekosongan maka akan berakibat mudahnya material mengalami korosi.
Jenis-jenis Korosi
Korosi basah • Korosi basah merupakan suatu proses elektrokimia, yaitu proses kimia yang menimbulkan arus listrik. Karena logam merupakan penghantar listrik yang baik, maka logam akan sangat mudah mengalami proses semacam ini. Akibatnya logam akan bereaksi secara elektrokimia dengan lingkungannya dan akan membentuk senyawa yang sejenis dengan bentuknya di alam.
Korosi Erosi • Korosi Erosi adalah korosi yang terjadi karena adanya pengaruh kecepatan fluida
METODOLOGI
Mulai
Diagram Alir Pengumpulan Data Awal Kegagalan (Studi Literatur) Alat dan Bahan
Preparasi Spesimen
Pengamatan Makro
Uji Komposisi Kimia
Uji XRD
Analisa dan Pembahasan
Kesimpulan, Saran dan Rekomendasi
Selesai
Uji SEM-EDX
Uji Mikroskop Optik
Pengamatan Makro
Di Balik
(a)
(b)
(c)
(a) Pengamatan visual permukaan outer tube daerah lubang dengan perbesaran 20x sisi luar (b) Pengamatan visual permukaan outer tube daerah lubang dengan perbesaran 50x sisi luar (c) Pengamatan visual permukaan outer tube daerah lubang dengan perbesaran 50x sisi dalam
Penampang Kegagalan Outer tube
Di Balik
(a)
(b)
(c)
(a) Pengamatan visual permukaan inner tube daerah lubang dengan perbesaran 20x sisi luar (b) Pengamatan visual permukaan inner tube daerah lubang dengan perbesaran 50x sisi luar (c) Pengamatan visual permukaan inner tube daerah lubang dengan perbesaran 50x sisi dalam
Penampang Kegagalan Inner tube
Pengujian Komposisi Kimia OES (Optical Emission Spectroscopy )
(a)
(b)
(a) Spesimen outer tube sebelum di spectrometry (b) Spesimen outer tube setelah di spectrometry (c) Spesimen inner tube sebelum di spectrometry (d) Spesimen inner tube setelah di spectrometry
(c)
(d)
Hasil komparasi uji komposisi kimia (ASTM B 338 Gr.1) Unsur
Outer Tube
Inner Tube
(-)
(-)
0.032
0.027
(-)
(-)
0.20 (max)
16.150
17.160
0.18 (max)
(-)
(-)
(-)
0.150
0.068
(-)
9.580
9.700
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
0.090
0.112
(-)
0.042
0.037
(-)
0.026
0.016
(-)
1.140
1.150
(-)
(-)
(-)
(-)
0.022
0.018
Balance
71.850
70.820
Nitrogen
0.03 (max)
Carbon
0.08 (max)
Hydrogen
0.015 (max)
Iron Oxygen Aluminium Vanadium
Tin Ruthenium Palladium Cobalt Molybdenum Chromium Nickel Niobium Zirconium Silicon Titanium
Hasil uji
Titanium
Hasil Pengujian Metallography 1
2
3
4
Struktur mikro outer tube sisi dalam dan inner tube sisi luar dengan perbesaran 200x (1) & (3) dan perbesaran 1000x (2) & (4)
Diagram kesetimbangan fasa Ti-V
αTi + βTi,V
Diagram kesetimbangan fasa Al-Ti-V
βTi,V + Ti3Al
βTi,V + TiAl
βTi,V + Ti3Al + TiAl
Hasil Pengamatan SEM-EDX 1
2
1
2
Material Titanium Outer Tube sisi dalam dan hasil SEM dengan perbesaran 90x pada outer tube sisi dalam
Hasil Pengamatan SEM-EDX 3
4
3
4
Material Titanium Inner Tube sisi luar dan hasil SEM dengan perbesaran 250x pada inner tube sisi luar
Hasil Pengamatan SEM-EDX Element
Wt%
At%
CK
07.32
15.59
NK
00.00
00.00
OK
28.29
45.23
NaK
02.64
02.94
AlK
08.00
07.58
NbL
01.85
00.51
CaK
04.20
02.68
TiK
47.69
25.47
VK
00.00
00.00
Matrix
Corre ction
ZAF
Hasil pengujian SEM-EDX pada spesimen outer tube sisi dalam dengan pembesaran 90x dan komposisi hasil EDX
Hasil Pengamatan SEM-EDX
Element
Wt%
At%
CK
08.25
16.04
OK
34.19
49.89
NaK
02.92
02.97
MgK
03.42
03.29
AlK
02.77
02.39
SiK
01.65
01.37
SK
01.23
00.90
ClK
02.29
01.51
KK
01.49
00.89
CaK
03.99
02.33
TiK
37.79
18.42
VK
00.00
00.00
Matrix
Corre ction
ZAF
Hasil pengujian SEM-EDX pada spesimen inner tube sisi luar dengan pembesaran 250x dan komposisi hasil EDX
Pengujian XRD FeCl2 VC
Fe
FeCl2
TiS3
SF6
TiN
TiN TiN
Ni3S2
TiN
Fe VC
Hasil pengujian XRD pada spesimen outer tube sisi dalam
Pengujian XRD Ti VC
Ti
Ti Fe Ti
Ti TiN
Nb3Si
FeSi2
Hasil pengujian XRD pada spesimen inner tube sisi luar
TiN
Ti
VC Fe
Pembahasan • Dari pengamatan Makro, bisa diketahui bahwa pipa outer tube mengalami kerusakan atau kebocoran yang berawal dari sisi dalam ke sisi luar, seperti terlihat pada gambar 4.1 (c), yaitu adanya endapan dan cekungan-cekungan akibat pengikisan dan korosi dari dalam. • Kerusakan pada outer tube ini pada umumnya berada pada sisi katoda atau elektroda negatif, hal ini sesuai dengan reaksi yang terjadi pada katoda yaitu Na+ + e- NaO dan 2NaO + 2H2O H2 + 2NaOH.
Pembahasan • Begitu juga pada inner tube, kerusakan atau bocornya berawal dari sisi luar ke sisi dalam, seperti terlihat pada gambar 4.2 (b) adanya endapan atau cekungan-cekungan akibat pengikisan dan korosi dari luar. • Kerusakan pada inner tube ini pada umumnya berada pada sisi katoda atau elektroda negatif, hal ini sesuai dengan reaksi yang terjadi pada katoda yaitu Na+ + e- NaO dan 2NaO + 2H2O H2 + 2NaOH.
Pembahasan • Dari hasil uji spectrometry bisa diketahui bahwa pipa outer tube dan inner tube seperti pada tabel 4.1 terdapat tiga unsur dominan yaitu V, Fe dan Ti. • Dari hasil uji metallography pada pipa outer tube dan inner tube bisa diketahui struktur mikro yang seperti garis hitam atau gelap adalah intergranular beta dan yang terang adalah alpha • Dari pengamatan Mikro yang dilakukan dengan bantuan SEM-EDX bisa diketahui bahwa hasil SEM dari gambar 4.5 (1) dengan perbesaran 90x pada outer tube sisi dalam mempunyai warna gelap lebih banyak daripada gambar 4.5 (2).
Pembahasan • Begitu juga dari gambar 4.6 (3) dapat dilihat bahwa hasil SEM dengan perbesaran 250x pada inner tube sisi luar mempunyai warna gelap lebih banyak daripada gambar 4.6 (4). • Dari gambar 4.7 bisa dilihat bahwa hasil SEM-EDX pada spesimen outer tube sisi dalam ternyata menunjukkan adanya unsur-unsur Ti, Al, C dan O. • Begitu juga dari gambar 4.8 bisa dilihat bahwa hasil SEM-EDX pada spesimen inner tube sisi luar ternyata menunjukkan unsur-unsur Ti, Al, C dan O. • Dengan demikian produk korosi pipa outer tube dan pipa inner tube relatif sama.
Pembahasan • Dari hasil uji XRD pada outer tube ternyata muncul FeCl2, TiN, VC dan unsur/senyawa lain sebagaimana dari hasil XRD. • Begitu juga pada inner tube ternyata muncul Ti, TiN, VC dan unsur/senyawa lain sebagaimana dari hasil XRD. • Hasil uji XRD ini bersesuaian dengan hasil spectrometry.
Kesimpulan • Faktor yang menyebabkan kegagalan material titanium pada pipa outer tube dan pipa inner tube di PLTU unit 3 dan 4 milik PT. PJB UP Gresik yaitu korosi. • Mekanisme kegagalan atau kebocoran pada pipa outer tube dan pipa inner tube terjadi pada sisi katoda atau elektroda negatif, hal ini sesuai dengan reaksi yang terjadi pada katoda yaitu Na+ + e- NaO dan 2NaO + 2H2O H2 + 2NaOH. Hal ini dikarenakan sitemnya yang berselang-seling dalam penyusunan pipa outer tube dan pipa inner tube, sehingga terjadinya korosi juga berselang-seling.
Kesimpulan • Upaya yang dapat diambil untuk mencegah terjadinya kebocoran pipa outer tube dan inner tube yaitu dengan meningkatkan ketebalan pipa outer tube dan pipa inner tube, sehingga umur pipa outer tube dan pipa inner tube relatif dapat diperpanjang. Selain itu dicoba untuk memasang pipa outer sebagai katoda dan pipa inner sebagai anoda atau sebaliknya pipa outer sebagai anoda dan pipa inner sebagai katoda.
Saran • Dilakukan rutin pengechekan dan pencatatan tegangan tiap cell modul chloropac. • Dilakukan pembersihan rutin setiap 1 minggu sakali pada pipa outer tube sisi dalam dan pipa inner tube sisi luar agar endapan garam dan lumpur tidak menempel. • Dilakukan penyusunan katoda-anoda pipa outer tube dan inner tube tidak berselang-seling. • Dilakukan penebalan pipa outer tube dan inner tube agar umur pipa relatif diperpanjang.
DAFTAR PUSTAKA • Fava James A. And Thomas David L.. 1978. Use Of Chlorine To Control OTEC Biofouling. Ocean Engng.Vol.5.pp.269-288. • Nishida, Shin-ichi.1992. Failure Analysis in Engineering Application. Jordan Hill. Oxford. Butterworth Heinemann Ltd. • R. Brooks, Charlie and Choudhury, Ashok. 2002. Failure Analysis of Engineering Materials. New York : McGraw-Hill. • ___. 2002. ASM Metals Handbook Vol.03 Alloy Phase Diagrams. Material park. Ohio. USA. ASM international. • ___. 2004. ASM Metals Handbook Vol.09 Metallographic and Microstructure. Material park. Ohio. USA. ASM international.
