JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
1
Analisa Kegagalan U – Fire Tube Heater Treater di Santan Terminal Chevron Indonesia Company Dyan Ratna Mayangsari dan Rochman Rochiem Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak—Heater treater di Santan Terminal berfungsi memanaskan lumpur yang berasal dari sludge tank sehingga minyak yang terkandung pada lumpur bisa terpisah dengan cepat. Heater treater memlilki 3 komponen yaitu vertical vessel, heat exchanger dan fire tube. Fire tube pada heater treater berbentuk vertical dan cekung menyerupai huruf u. U – fire tube ini memliki diameter 30 inch dan tebalnya 12 mm. Pada bulan Desember 2012 heater treater mengalami kegagalan berupa bulging yang terjadi pada bagian eksternal u – fire tube. Material yang digunakan pada u – fire tube adalah carbon steel ASME SA 36. Temperatur yang beroperasi pada u – fire tube sekitar 257.4 – 312.4 oC. Penelitian dilakukan untuk mengetahui factor penyebab dan mekanisme terjadinya kegagalan pada u – fire tube. Untuk mengetahui lebih lanjut penyebab kegagalan material ini maka, dilakukan analisis kegagalan berupa pengamatan makro, pengamatan mikro (metallograpy),pengujian SEM – EDX , dan pengujian kekerasan. Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan kegagalan yang terjadi pada u – fire tube heater treater disebabkan oleh thermal fatigue. Mekanisme terjadinya thermal fatigue ini karena adanya pemanasan local (hotspot temperature) di bagian internal u – fire tube karena adanya beban mekanik dari sludge yang menumpuk di bagian eksternal u – fire tube sehingga mengakibatkan bulging. Hasil pengujian kekerasan menunjukkan bahwa nilai kekerasan rata – rata yang lebih tinggi pada daerah yang mengalami kegagalan. Kata Kunci—ASME SA 36, Bulging, Heater Treater, Thermal Fatigue, U – Fire Tube
I. PENDAHULUAN HEVRON Indonesia Company merupakan sebuah perusahaan eksplorasi dan produksi di bidang minyak dan gas, mempunyai beberapa lapangan produksi, salah satunya adalah Santan Terminal. Santan Terminal mempunyai dua tempat pengolahan yaitu tempat pengolahan gas (Liquid Extraction Plant) dan tempat pengolahan minyak (Santan Process Plant). Hasil dari proses pengolahan gas yaitu butane dan propane yang kemudian disimpan di sphere tank sedangkan hasil dari pengolahan minyak berupa crude oil, air dan lumpur berminyak (sludge). Crude oil yang dihasilkan disimpan di storage tank, air dibuang ke laut dan lumpur berminyak (sludge) disimpan di sludge tank untuk diolah kembali. Unit yang digunakan dalam pengolahan lumpur berminyak (sludge) adalah heater treater. Heater treater berfungsi untuk memanaskan lumpur berminyak (sludge) yang berasal dari sludge tank sehingga minyak yang masih terkandung di dalamnya dapat terpisah. Heater treater terdiri dari vessel, heat exchanger dan fire
C
tube. Pada bulan Desember 2012 terjadi kerusakan fire tube heater treater pada bagian U - fire tube yang berada dalam vessel. Kerusakan yang ditemukan berupa bulging. U – fire tube menggunakan material ASME SA 36. Temperatur yang beroperasi pada fire tube sekitar 257.4 – 312.4 oC. Analisa kegagalan dilakukan berdasarkan data operasi dan informasi kegagalan pada U – fire tube heater treater. Metode analisa yang digunakan adalah pengamatan makro dan mikro terhadap bulging yang terjadi pada material tersebut. Hasil analisa diharapkan dapat menjadi rekomendasi dalam meminimalisir terjadinya kegagalan. Dalam jurnal ini dibahas mengenai faktor penyebab retak pada komponen dan mekanisme retak pada pipa outlet superheater tersebut. II. URAIAN PENELITIAN A. Material yang Digunakan Material yang digunakan u – fire tube heater treater yang mengalami kegagalan adalah carbon steel standar ASME SA 36. Tabel 1 Komposisi kimia ASME SA 36
No
Unsur
Komposisi Kimia (%)
1
Carbon
ASME II part A 0.26 max
Mill Test Certificate 0.17
2
Mangan
…
1.08
3
Phospor
0.04 max
0.011
4
Sulfur
0.05 max
0.013
5
Silicon
0.40 max
0.26
6
Copper
0.20 min
0.03
7
Krom
…
0.04
8
Nikel
…
0.02
9
Aluminium
…
0.029
10
Fe
Balance
Balance
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 Tabel 2 Sifat mekanik ASME SA 36
No
1 2
Carbon Steel ASME SA 36
ASME II Part A Mill Test Certificate
Tensile Strength (MPa) 400 - 500 502
2
B. Hasil Pengamatan Mikroskopik (Metallography)
Sifat Mekanik Yield Elongation Point (%) (Mpa) 250 23 380
Ferrit Perlit
22 Gambar 2 Strukturmikro material tidak retak dengan perbesaran1000x
B. Pengamatan Makroskopik Pengamatan makroskpik dilakukan untuk mengetahui bentuk dan kondisi material yang mengalami kegagalan. Pengambilan gambar dilakukan dengan kamera digital tipe Canon Powershot A2300 HD C. Pengamatan Mikroskopik (Metallography) Pengamatan metallography yang dilakukan bertujuan untuk membandingkan strukturmikro material yang mengalami kegagalan dengan strukturmikro material yang tidak mengalami kegagalan. Pengamatan dilakukan dengan menggunakan mikoroskop optic D. Pengujian SEM-EDX Pengujian SEM dilakukan untuk mengetahui morfologi dan perambatan retakan pada permukaan. Setelah dilakukan pengujian dengan SEM, dilanjutkan pengujian dengan EDX untuk mengetahui unsur – unsur serta penyebarannya pada bagian retakan. E. Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan untuk membandingkan nilai kekerasan pada material yang mengalami kegagalan dengan material yang tidak mengalami kegagalan. Pengujian kekerasan menggunakan metode vickers hardness.
IV. ANALISA DATA A. Hasil Pengamatan Makroskopik
Intergranular Crack
(a)
Perlit Ferrit
(b) Gambar 3 (a) Strukturmikro material yang bulging dan retak dengan perbesaran 100x (b) Strukturmikro material di daerah sekitar retak dengan perbesaran 1000x
Gambar 2 menunjukkan struktur mikro pada material yang tidak mengalami retak. Dari gambar dapat dilihat bahwa fasa yang terbentuk berupa ferit dan perlit mengacu juga pada Atlas metal Handbook vol.7 Gambar 3 menunjukkan struktur mikro pada material yang mengalami retakan. Fasa yang terbentuk pada daerah tersebut masih berupa ferit dan perlit. Pada daerah ini tidak terjadi perlakuan panas yang signifikan yang dapat mengubah struktur mikronya. Hal ini menunjukkan bahwa material tidak mengalami perubahan temperatur yang signifikan. Dari gambar struktur mikro dapat dilihat bahwa retakan yang terjadi searah dengan batas butir ferrit dan perlit sehingga dapat disimpulkan bahwa retakan yang terjadi merupakan intergranular crack.
Crack
(a)
(b)
Gambar 1 Pengamatan visual permukaan material u – fire tube pada daerah retakan (a) dengan perbesaran 10x (b) dengan perbesaran 40x.
Dari pengamatan visual, dapat dilihat bahwa pada material u –fire tube ditemukan adanya retakan. Arah retakan membujur dengan panjang 3 cm dan melintang dengan panjang 1 cm pada bagian u – fire tube yang mengalami bulging. Lebar retakan yaitu 1 mm.
C. Hasil Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan menggunakan Vicker Hardness dengan indentor berbentuk piramida dan beban yang diberikan adalah 100 kgf. Hasil pengujian kekerasan pada material u – fire tube yang mengalami bulging dan retak serta material u - fire tube tanpa bulging dan retak ditunjukkan pada table 3 dan gambar 4.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
3 Pada gambar 6, jumlah retakan pada permukaan adalah 4 retakan dengan awalan retakan yang berbeda. Retakan yang terjadi berupa intergranular crack. Sedangkan hasil mapping persebaran unsur – unsur pada daerah retakkan ditunjukkan pada gambar 7.
Gambar 4 (a) Lokasi indentasi pada material u – fire tube yang mengalami bulging dan retak. (b) Lokasi indentasi pada material u – fire tube tanpa bulging dan retak. Tabel 3 Hasil pengujian kekerasan rata – rata
Hardness Vickers Number (Rata – Rata) Material Bulging Material Tanpa Bulging dan Retak (HV) dan Retak (HV) 125.8 111.2 129.4 114 134.4 114.6 134.8 116.6 133.8 118.4
Lokasi
Hardness Vickers Number
1 2 3 4 5 160 140 120 100 80 60 40 20 0
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
Failure No Failure
1
2 3 4 Lokasi Indentasi
5
Gambar 5 Grafik nilai kekerasan material u – fire tube
Dari grafik dapat dilihat bahwa terjadi peningkatan nilai kekerasan yang signifikan pada material u – fire tube yang mengalami bulging dan retak. D. Hasil Pengujian SEM – EDX
1
2
4 3
Gambar 6 Hasil pengujian SEM spesimen yang mengalami bulging dan retak dengan perbesaran 35x
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
(l)
(k)
(m)
(n)
(o) Gambar 6 Hasil mapping unsur – unsur pada daerah retakan dengan perbesaran 200x , dimana (a) unsur C, (b) unsur N, (c) unsur O, (d) unsur Na, (e) unsur Mn, (f) unsur Al, (g) unsur Si, (h) unsur P, (i) unsur S, (j) unsur Cl, (k) unsur V, (l) unsur Cr, (m) unsur Fe, (n) unsur Ni, dan (o) unsur Cu
Unsur carbon, copper, krom, nikel, aluminium dan Fe tersebar merata pada permukaan material yang mengalami bulging dan retak. Unsur oksigen juga tersebar pada daerah retakan. Unsur paduan yang lain seperti mangan, silicon, pospor, dan sulfur persebarannya tidak merata, sehingga mengakibatkan kekuatan mekanik dan kekerasan pada material tidak merata. Hal ini yang memungkinkan terjadinya bulging karena kekuatan pada material menurun. Unsur nitrogen, natrium, chlorin, dan vanadium berasal dari sisa minyak bumi yang menempel pada material. V. PEMBAHASAN Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan pada u – fire tube heater treater, berupa pengamatan makroskopik dan mikroskopik (metallography), pengujian kekerasan, dan pengujian SEM – EDX, dilakukan pembahasan mengenai kegagalan pada u – fire tube heater treater. Hasil pengamatan makroskopik menunjukkan bahwa terdapat retak pada bagian u – fire tube yang mengalami bulging. Arah retakan membujur dan melintang pada bagian u – fire tube. Panjang retakan yang membujur sebesar 3 cm sedangkan retakan yang melintang sebesar 1 cm. masing – masing retakan mempunyai lebar 1 mm. Berdasarkan pengamatan mikroskopik (metallography) diketahui bahwa fasa yang terbentuk berupa ferit dan perlit pada bagian u – fire tube yang tidak retak maupun yang retak. Fasa yang terbentuk pada daerah
4 tersebut masih berupa ferit dan perlit. Pada daerah ini tidak terjadi perlakuan panas yang signifikan yang dapat mengubah struktur mikronya. Hal ini menunjukkan bahwa material tidak mengalami perubahan temperatur yang signifikan. Hasil pengamatan metallography menunjukkan bahwa tipe retakan yang terjadi adalah intergranular crack karena retakan tersebut menjalar searah dengan batas butir. Hal ini juga didukung dengan hasil pengujian SEM yang menunjukkan morfologi retakan pada u – fire tube. Dari pengujian SEM – EDX ini dapat diketahui arah perambatan retakan material. Hasil pengujian EDX menunjukkan bahwa unsur carbon, copper, krom, nikel, aluminium dan Fe tersebar merata pada permukaan material yang mengalami bulging dan retak. Unsur oksigen juga tersebar pada daerah retakan. Hal ini sesuai dengan hasil mapping persebaran unsur pada daerah retakan (gambar 6). Jumlah unsur mangan, silicon, pospor, dan sulfur pada daerah retakan mengalami peningkatan jika dibandingkan dengan jumlah pada material yang tidak mengalami retak. Jumlah unsur pada daerah retakan tersebut adalah 1.46% Mn; 1.15% Si; 2.08% P, dan 0.32% S. Sedangkan pada daerah tanpa retakan jumlah unsur tersebut adalah 0.37% Mn; 0.98% Si; 0.61% P; dan 0.3% S. Hal tersebut sesuai dengan hasil mapping persebaran unsur pada daerah retakan. Hasil mapping menunjukkan bahwa persebaran unsur mangan, silicon, pospor dan sufur terpusat pada daerah retakan saja. Jika dilihat dari jumlah unsur – unsur tersebut pada daerah retakan, maka kekerasan pada daerah retakan tersebut semakin tinggi. Hal ini dikarenakan unsur mangan mempunyai pengaruh terhadap kekerasan suatu material sedangkan unsur silicon, pospor dan sulfur merupakan unsur penggetas pada suatu material sehingga memungkinkan terjadinya retak. Beban mekanik dari lumpur yang menumpuk di bagian eksternal u – fire tube sehingga mengakibatkan terjadinya pemanasan terpusat (hotspot temperature) pada bagian internal u – fire tube yang memungkinkan terjadinya bulging. Selain unsur – unsur yang telah disebutkan, hasil pengujian EDX juga menunjukkan adanya unsur nitrogen, vanadium, chlorin dan natrium. Unsur – unsur tersebut merupakan komposisi minyak bumi yang masih terkandung dalam lumpur.lumpur yang masih mengandung minyak tersebut menempel pada material u – fire tube. Unsur – unsur tersebut jumlahnya sangat kecil sehingga tidak terlalu mempengaruhi kegagalan yang terjadi pada u – fire tube. Berdasarkan hasil pengujian kekerasan pada table 3 menunjukkan bahwa kekerasan meningkat pada daerah retakan. Hasil pengujian ini sesuai dengan hasil pengujian EDX, karena peningkatan kekerasan pada daerah retakan disebabkan oleh peningkatan jumlah unsur mangan, silicon, pospor dan sulfur dan persebaran unsur – unsur tersebut tidak merata pada material u – fire tube. Kekerasan yang tinggi juga mengakibatkan suatu material menjadi getas akibat beban mekanik dari lumpur dapat sehingga mengakibatkan retak. Dari hasil pengujian – pengujian yang telah dilakukan, mekanisme terjadinya kegagalan pada u – fire tube adalah beban mekanik dari lumpur berminyak dan pemanasan yang tidak merata (hotspot temperature) pada ufire tube serta shock thermal yang terjadi akibat seringnya start up dan start down. Oleh karena itu, factor utama penyebab terjadinya bulging adalah thermal fatigue. Selain
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 itu adanya retakan yang terjadi pada u – fire tube ini diduga karena adanya peningkatan kandungan unsur mangan silicon, pospor dan sulfur. VI. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan hal-hal berikut ini : 1. Peneyebab terjadinya bulging dan retak adalah thermal fatigue 2. Mekanisme terjadinya bulging dan retak adalah adanya pemanasan local (hotspot temperature) di bagian internal u – fire tube yang berlangsung secara terus – menerus karena adanya beban mekanik dari sludge yang menumpuk di bagian eksternal u – fire tube sehingga mengakibatkan bulging. Start up dan start down yang terjadi pada heater treater juga mengakibatkan terjadinya retakan karena start up dan start down dapat menghasilkan shock thermal pada heater treater tersebut UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih terhadap semua pihak baik dari Jurusan Teknik Material dan Metalurgi maupun dari Chevron Indonesia Company yang telah mendukung dan membantu pengerjaan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
[3]
[4]
[5] [6]
[7] [8] [9] [10] [11] [12]
Usman dan A. Nusair Khan. 2006. Failure Analysis of Heat Exchanger Tubes. Pakistan : Metaalurgy Division M. Mansoor and N. Ejaz. 2010. Thermal Fatigue Failure of Fuel Spray Bars of a Jet Engine Afterburner. Pakistan : Institute of Industrial Control System. Ichsan, Roby.2011. Analisa Kegagalan pada Outlet Manifold Cell-B Primary Reformer. Surabaya : Jurusan Teknik Material dan Metalurgi ITS Hastariningtyas, Dian. 2012. Analisa Kegagalan pada Pipa Outlet Superheater ASTM A 106 Gr. B PT. Pertamina EP Field Subang. Surabaya : Jurusan Teknik Material dan Metalurgi ITS ___. 2002. ASM Handbook Vol. 11 Failure Analysis and Prevention. Material park. Ohio. USA. ASM International ___. 1997. ASTM E 384 Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials. West Conshohocken. United States. ___. 2002. ASME II Part A for Boiler and Pressure Vessel Ferrous Material Spesification. New York. ___. 2003. API 571 Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry. Washington, D.C. ___.2004. ASM Handbook Vol 9 Metallography and Microstructures. Material park. Ohio. USA. ASM International R. Brooks, Charlie and Choudhury, Ashok. 2002. Failure Analysis of Engineering Materials. New York : McGraw-Hill. Suherman, Wahid. 1999. Metalurgi 1. Surabaya : Departemen Teknik Mesin ITS Bradbury, E.J. 1991. Dasar Metalurgi untuk Rekayasawan. Jakarta : Gramedia Pustaka Utama.
5
