Jurnal MEKINTEK Volume 4 Nomor 2, Juli- Desember 2013
ISSN 2086-7026 www.jurnalmekintek.com
ANALISA BULGING TUBE SUPERHEATER BOILER PADA MATERIAL SA 213 Gr.T11 Sariyusda Dosen Politeknik Negeri Lhokseumawe E-mail:
[email protected]
Abstrak Tube superheater package boiler mengalami pecah akibat terjadi pemanasan berlebih dalam jangka waktu yang lama. Metode penelitian dilakukan dengan menggunakan pengujian tidak merusak, termasuk pemeriksaan secara visual dan mikrostruktur dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM). Penghalangan aliran uap menyebabkan overheating pada dinding tube. Tube yang pecah mempunyai panjang 45 mm ke arah sumbu pipa, ditandai dengan mengembung dan efek mulut ikan Pemeriksan secara visual pada lokasi gagal memperlihatkan bahwa diaphragm yang menghalangi aliran uap.Pemeriksaan secara visual terlihat permukaan luar tube mengembung dan mulut ikan; Panjang 45 mm, lebar rata-rata 10,025 mm dan diameter 46,75 mm, pertambahan diameter 2,26 mm. Hasil pengujian mikrostruktur pada permukaan dinding tube menunjukkan morpologi pecah adalah perpatahan getas, pergeseran dan dislokasi pada batas butir terjadi secara intragranular yang memungkinkan terjadi pecah atau kegagalan dengan mode berbentuk mengelembung (bulging).
Kata kunci: Tube superheater, upper header, diaphragm. 1. PENDAHULUAN Package boiler adalah sumber pesawat pembangkit uap (steam) yang merupakan tipe ketel pipa air (water tube) dan berbahan bakar gas alam, dan mulai dioperasikan pada tahun 2003. Pada pesawat pembangkit uap ini, air pengisi ketel didapatkan dari dearator pada unit pegolahan air yang dipompakan oleh BFWP (Boiler Feed Water Pump). Ketika melalui ekonomizer air mendapatkan pemanasan awal sebelum memasuki drum uap (steam drum) dari hasil pembakaran gas alam di dalam dapur (burner). Dari drum uap fluida uap menuju ke tube superheater yang terjadi pemanasan lanjut [2]. Ada beberapa faktor yang harus diselidiki sebagai penyebab timbulnya long term overheating di daerah tube superheater. Apakah karena letak tube superheater dekat dengan nyala api yang berarti faktor konstruksi (design), atau apakah karena pemilihan material yang tidak sesuai dengan kebutuhan yang berarti faktor manufaktur dan material, atau apakah karena pengaruh temperatur dan tekanan yang berarti faktor lingkungan, apakah karena perawatan dan inspeksi berarti faktor operasi, atau apakah karena kesemuanya atau sebagiannya memberikan kontribusi atas
terjadinya kegagalan di tube superheater package boiler [4]. Pada tube superheater terjadi pemanasan terus menerus dalam jangka waktu yang lama, sehingga mengalami pecah (rupture). yang dikatagorikan sebagai penomena kegagalan long term overheating [3]. Tube superheater yang mengalami gagal, yaitu pada tube baris 1 nomor 8 dengan material SA 213 Gr.T11. Tujuan penelitian ini ialah: (1) untuk mengetahui penyebab terjadinya pecah ; (2) untuk menganalisa kejadian mengelembung (bulging) pada tube superheater. Fluida air masuk ke drum uap dan drum air yang saling berhubungan melalui boiler bank dimana terjadi pemanasan dari pembakaran (burner), sehingga terjadi perubahan fasa air ke fasa uap. Uap yang keluar dari drum uap masuk ke superheater, dimana superheater dan header merupakan satu kesatuan terdiri dari primary dan secondary superheater (final superheater) pada upper header dan lower header (gambar 1). Ditinjau dari permukaan pecah karena overheating dapat dibagi dua yaitu thick lip rupture dan thin lip rupture [4]. Pecah thick lip rupture ditandai dengan permukaan pecahnya 331
Jurnal MEKINTEK Volume 4 Nomor 2, Juli- Desember 2013
ISSN 2086-7026 www.jurnalmekintek.com
yang tebal, liat dan terjadi bulging atau mengembung. Pecah yang normal terjadi pada bahagian yang sejajar dengan sumbu axis atau pada sisi longitudinal, dikenal dengan pecah fishmouth (gambar 1). Pecah thick lip disebabkan oleh overheating dalam waktu lama (long term overheating) pada temperatur di atas temperatur aman dari material tube.
Gambar 1. Pecah thick lip Faktor yang menyebabkan terjadinya peningkatan temperatur melebihi kondisi design (long term overheating) adalah: (1) Terjadinya bloking pada laluan gas panas pada laluan konveksi sehingga meningkatkan aliran gas panas pada daerah tertentu saja. Koefisien heat transfer (ho) diperbesar oleh kecepatan gas panas yang tinggi di bagian sisi uap dan akan meningkatkan temperatur material. (2) Faktor dalam kerak (factor internal scale) dari bagian air (water side) dapat meningkatkan konduktivitas termal baja sampai 5%. Hal ini akan mengurangi perpindahan panas dari gas panas ke fluida. (3) Terjadinya pengurangan supply uap, apabila kondisi ini terjadi penyumbatan aliran uap karena adanya internal kerak pada tube, hal ini disertai terbentuknya lapisan uap yang tipis (vapor film) yang konduktivitas panasnya rendah. Sewaktu aliran flux panas yang besar melalui daerah yang lapisan uapnya tipis akan mengakibatkan temperatur dinding tube tinggi sekali (terjadi overheating). (4) Faktor burner adjustment ketidak sempurnaan bahan bakar gas atau oxygen yang didistribusikan tidak sesuai dengan burner, pengaruhnya akan meningkatkan flux panas. (5) Faktor aliran uap yang tidak sempurna Thin lip rupture kegagalan yang disebabkan oleh short term overheating terjadi diatas temperatur aman material tube dan disertai bulging dekat daerah pecah. Faktor penyebab short term overheating adalah: (1) Terjadinya bloking di dalam tube superheater karena terkumpulnya kondensat pada laluan uap; (2) Terjadinya bocor halus pada tube. Pada pipa air
kebocoran halus tidak dapat dideteksi di dalam dapur. Kebocoran yang besar diketahui dengan berkurangnya aliran fluida yang terjadi dibawah kondisi normal, disertai flux panas yang tinggi menyebabkan temperatur material naik dengan cepat (gambar 2).
Gambar 2. Pecah thin lip 2. METODOLOGI Metoda untuk menganalisa kejadian mengelembung(bulging)padatube superheater. Pemeriksaan permukaan retak harus dilakukan pada berbagai tingkat pembesaran dan resolusi menggunakan optik dan mikroskop elektron. Hal ini harus dilengkapi dengan pemeriksaan metallografi bagian selektif yang dipilih dari komponen. Data informasi yang dapat dihasilkan dari tes ini sangat berguna untuk menentukan penyebab, mekanisme, dan urutan dari peristiwa kegagalan. Pengamatan mikrostruktur material SA 213 Gr. T11 yang telah mounting dilakukan dengan menggunakan alat Scanning Electron Microscope (SEM) Lab Uji Polimer LIPI Bandung. Selanjutnya hasil yang diperoleh yang berupa foto mikrostruktur dalam pembesaran akan diamati dengan menggunakan bantuan software Adope Photoshop CS5 Extended. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Sumber utama kejadian pecah tube superheater
Sumber utama kegagalan tube superheater dilakukan dengan melihat secara visual karakteristik tube pecah. Tube yang pecah (rupture) yaitu tube primary superheater dapat dilihat pada (gambar 3), yang mempunyai karakteristik sebagai berikut: a. Lokasi yang pecah berada di ruang superheater bagian belakang. b. Titik yang pecah berada diposisi vertikal keatas dengan jarak 2300 mm dari lantai ruang bakar. c. Lebar permukaan yang pecah bervariasi dengan rata-rata 10 mm yang berbentuk mulut ikan (fishmouth). d. Arah pecah berlawanan dengan arah aliran panas dapur. e. Terdapat perbedaan warna permukaan tube yang pecah dengan tube yang lainnya, warna 332
Jurnal MEKINTEK Volume 4 Nomor 2, Juli- Desember 2013
ISSN 2086-7026 www.jurnalmekintek.com
tube pada area yang pecah lebih kuningkehijauan dan di area lain dengan yang warna coklat-kemerah-merahan. f. Terjadi penambahan diameter tube atau mengembung (bulging) pada titik yang pecah dengan rata-rata diameter 46,75 mm. g. Permukaan yang pecah terdapat lapisan kerak dari metal tube itu sendiri karena terjadi peledakan (ekplosif) pada saat pecah.
Gambar 5. Tube yang pecah
Tabel 1 diameter Posisi ukur
Panjang retak dan pembesaran Diameter luar (bulging) mm
JUMLAH UKUR
1
2
AE BF CG DH RATARATA
47 46,9 46,6 46,8 46,83
47,5 46,4 46,5 46,3 46,68
Panjang retak (2a) mm
Lebar retak (2c) mm
1
2
45
9,9 10,2 10,1 9,9 10,02 5
Gambar 3. Karekteristik tube pecah Analisa Kejadian Pecah (Rupture) Pada Tube Superheater Pengamatan visual Pengamatan yang dilakukan secara visual kegagalan tube menunjukkan pipa mengalami pemanasan yang berlebih (overheating). Ini ditandai dengan terjadinya mulut ikan “fishmouth effect” dan mengembung “bulging” (tabel 1.) pada tube seperti terlihat pada gambar 4., 5., dan 6.
Gambar 4. Tube pecah bulging
Gambar 6. Pengamatan sampel Pengujian mikroskopis dilakukan dengan menggunakan Scanning Electron Microscope di Laboratorium Uji Polimer Pusat Penelitian Fisika-LIPI Bandung. Pengujian Scanning Electron Microscope dengan menggunakan alat JOEL 6360- LA. Pemeriksaan bertujuan untuk mengetahui struktur mikro yang terjadi pada baja paduan rendah SA 213 Gr.T11 dengan metode pemeriksaan: 1. Pemotongan spesimen 10 x 10 mm 2. Pembingkaian (mounting) 3. Pengamplasan dimulai secara bertahap dari 400, 500, 600, 800, 1000, dan 1200 4. Pemolesan menggunakan pasta diamond
333
Jurnal MEKINTEK Volume 4 Nomor 2, Juli- Desember 2013
ISSN 2086-7026 www.jurnalmekintek.com
5. Pengetsaan yang digunakan adalah cairan nital 4% dengan waktu 15 dt sampai dengan 25 dt 6. Kemudian dicuci dengan air serta dikeringkan 7. Spesimen siap difoto dibawah mikroskop optik dengan pembesaran 1000X dan 5000X pada voltage 15kV Material tube SA 213 Gr. T11 diperlakukan menurut prosedur pengujian SEM dengan dimensi pemotongan 10 x 10 mm. Pengujian specimen dilakukan pada 4 titik daerah pengujian seperti diperlihatkan pada gambar 6.
menurunnya tegangan luluh, dislokasi pada batas butir yang pecah secara intragranular dengan perpatahan brittle. Mikro struktur didekat daerah pecah akan menunjukkan perpanjangan butir, karena gabungan struktur mikro ferrite dan produk transformasi (pearlit dan bainit). Fenomena ini disebabkan oleh quenching dari uap yang keluar dari dalam tube yang gagal.
Gambar 7. Daerah pengujian SEM material SA 213 Gr. T11
Gambar 9. Hasil uji SEM spesimen daerah 1 dan 2 dengan pembesaran 5000X)
Gambar 8. Pemotongan material ukuran 10 x 10 mm untuk uji SEM Hasil pengujian yang dilakukan terhadap material SA 213 Grade T11 pada daerah 1 menunjukkan bahwa, mikrostruktur material dengan matrik ferrite, butiran pearliet, karbida krom dan silicon. Hasil pengujian yang dilakukan pada daerah 2 tube yang pecah mempunyai fenomena long term overheating yaitu merupakan penggabungan dekomposisi perlite ke dalam ferrite dan spheroidal karbida. Kejadian ini akan mengurangi kekuatan material tube, jika terus berlangsung akan menyebabkan ruang kosong (formation of void) sepanjang batas butir dan peristiwa pemisahan butir akibat tegangan. Akibat tegangan yang terjadi tube akan pecah atau gagal seperti diperlihatkan pada gambar 8. Hasil pengujian yang dilakukan pada daerah 3 terjadi long term overheating dikarenakan
Hasil pengujian yang dilakukan pada daerah 4 terlihat struktur mikro dengan kondisi overheating ditunjukkan oleh penebalan batas butir yang berbentuk tanah kering (heat check). Lekukan-lekukan pada tanah kering tersebut merupakan bagian yang mengalami oksidasi yang paling cepat.
334
Gambar 10. Hasil uji SEM spesimen daerah 3 dan 4 dengan pembesaran 5000X)
Jurnal MEKINTEK Volume 4 Nomor 2, Juli- Desember 2013 Kondisi overheating ini diperkirakan akibat prosentasi uap yang rendah, sebagai mana disebutkan pada karekteristik tube yang pecah bahwa tube pecah akibat kekurangan aliran fluida yang masuk ke tube primary superheater. Flux panas yang besar disertai dengan adanya vapor film akan mengakibatkan temperatur dinding tube superheater menjadi tinggi sekali (overheating) sehingga terjadi mengelembung (bulging).
ISSN 2086-7026 www.jurnalmekintek.com Histories, ASM International Materials Park, Ohio, 2005. [7] ASTM A 956, Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products, 1992. [8] Gandy D, The Grade 11 and 12 Low Alloy Steel Hand Book,California, Electric Power Research Institute, final report, 2007.
4. KESIMPULAN Hasil pengamatan visual tube superheater memperlihatkan terjadi mengembung (bulging) dan mulut ikan (fish mouth); Panjang 45 mm, lebar rata-rata 10,025 mm dan diameter 46,75 mm, pertambahan diameter 2,26 mm. Hasil pengujian SEM menunjukkan bahwa mikrostruktur terjadi dislokasi pada batas butir dimana pecah secara intragranular dengan perpatahan brittle sehingga terjadi mengelembung (bulging). REFERENSI [1] Port D. Robert., Herro M. Harvey., The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis, Nalco Chemical Company, New York, McGraw Hill Inc, 1991. [2] Sukandar., Analisa Kerusakan Pipa Boiler Feed Water (BFW) pada Ujung Saluran Injektor Inhibitor, Laporan Tesis, Magister Teknik Mesin FT-UI, 2002. [3] Thermal Energy Equipment: Boilers & Thermic Fluid Heaters Energy Efficiency Guide for Industry in Asia. www.energyefficiencyasia.org. diakses tanggal 20 April 2011. [4] Port D. Robert., Herro M. Harvey., The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis, Nalco Chemical Company, New York, McGraw Hill Inc, 1991. [5] ASM Handbook, volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2002. [6] V.Ramachandran,A.C. Raghuram,R.V. Krishnan, and S.K. Bhaumik, Failure Analysisof Engineering Structures Methodology andCase 335
