PENGANTAR TEKNIK MESIN IWAN PONGO,ST,MT

PENGANTAR TEKNIK MESIN IWAN PONGO,ST,MT

JENIS KERUSAKAN / KEGAGALAN DAN FAKTOR – FAKTOR PENYEBABNYA

ISTILAH KERUSAKAN Suatu

komponen

atau

alat

dinyatakan

mengalami

kerusakan /

kegagalan apabila: 

Tidak dapat dioperasikan secara penuh, atau

 Masih

bisa

dioperasikan,

tetapi

tidak

mampu memberikan

kepuasan kinerja sesuai fungsi yang direncanakan, atau  Kedaannya

telah

memburuk

secara

serius,

sehingga sampai

pada suatu kondisi yang menjadikannya tidak handal lagi atau tidak aman untuk diteruskan pengoperasiannya

KLASIFIKASI KERUSAKAN SECARA UMUM A. SURFACE DAMAGE  Wear and Liquid/Gas Erosion Failures  Corrosion and Elevated-Temperature Failures (Oxidation, Carburization, dll). B. ELASTIC OR PLASTIC DISTORTION  Distortion Failures and Time-Dependent Plastic Deformation (Creep) yang merupakan Elevated-Temperature Failures C. FRACTURE  Ductile and Brittle Fractures (Overload, Impact, Low-Temperature Failures)  Fatigue Fractures  Environmentally Affected Fractures(Corrosion and Thermally-Induced Cracks and Fractures): - Creep Rupture - Overheating - Elevated Temperature Fatigue - Thermal Fatigue - Stress Corrosion Cracking - Hydrogen Damage

- Metal Dusting - Liquid Metal Embrittlement - Hot Cracking - Welding Cracks - Quench Cracks - Grinding Cracks

KERUSAKAN / KEGAGALAN KOMPONEN / ALAT DALAM OPERASI (walau penyebabnya bukan karena kesalahan operasi): 

KEAUSAN (WEAR)



KOROSI (CORROSION)



PERUBAHAN BENTUK (DISTORTION)



RETAK / PATAH / PECAH akibat:

- KELELAHAN (FATIGUE) - BEBAN BERLEBIH (OVERLOAD) - SUHU TINGGI (ELEVATED TEMPERATURE FAILURES) - LINGKUNGAN (ENVIRONMENTALLY AFFECTED FRACTURES) 

PERUBAHAN WARNA / PENAMPAKAN DAN LAINNYA

JENIS – JENIS KERUSAKAN MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU TINGGI  CREEP Adalah pemuluran (strain) yang terjadi sebagai fungsi dari waktu, temperatur dan tegangan yang terjadi  STRESS RUPTURE Adalah kerusakan (retak/patah/putus/pecah) yang terjadi pada komponen yang mengalami creep

JENIS – JENIS KERUSAKAN MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU TINGGI ( Lanjutan )  ELEVATED-TEMPERATURE FATIGUE: Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh siklus beban mekanis pada suhu tinggi  THERMAL FATIGUE: Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh siklus termal (gradian thermal) yang mengakibatkan terjadinya siklus tegangan termal  CREEP-FATIGUE INTERACTION: Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh interaksi antara creep dan fatigue. Laju kerusakan yan terjadi biasanya lebih cepat dibandingkan kalau hanya disebabkan oleh creep atau fatigue saja

JENIS – JENIS KERUSAKAN MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU TINGGI ( Lanjutan )  METALLURGICAL INSTABILITIES: Adalah kerusakan pada material/komponen yang disebabkan oleh perubahan struktur metalurgi yang terjadi selama operasi akibat pengaruh tegangan, waktu, suhu dan lingkungannya. Kerusakan seringkali berupa penurunan kekuatan, atau berupa kenaikan kekuatan/kekerasan sehingga dapat menimbulkan penggetasan. Beberapa contoh kerusakan tersebut: - Recrystalization (Rekristalisasi) - Spheroidization of Carbides - Graphitization - Temper Embrittlement - Sensitisasi pada baja stainless dan nickel-base alloys - Sigma formation pada baja stainless - Aging and Overaging pada nickel-base alloys - Transgranular-Intergranular Fracture Transition - Intermetalic-Phase Precipitation - Interaction of Precipitation Processes

JENIS – JENIS KERUSAKAN MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU TINGGI ( Lanjutan )

 ENVIRONMENTALLY INDUCED FAILURE: Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh interaksi antara permukaan dengan lingkungannya pada suhu tinggi Beberapa contoh kerusakan tersebut: - Hot Corrosion and Erosion-Corrosion - Oxidation (External or Internal) - Carburization - Metal Dusting - Hydrogen Embrittlement - Hydrogen Damage and Decarburization (Hydrogen Attack) - Carbon-Nitrogen Interaction - Contact with Molten Metal (LME) - Contact with Molten Salts

JENIS KERUSAKAN PADA LOGAM (Menurut Pengamatan / Laporan Du Pont Company)  I MP MQG

8 &3. +4. # '

 K CI ? L GI ? J 8 &2. +3. # ' + I cjcj_f _l &D_rgesc' + I c_sq_l &U c_p' + @c` _l @cpjc` gf &Mt cp J m_b' + Ncp_nsf _l &Ck ` pgrrjck cl r' + I cpsq_i _l n_b_ qsf s rgl eeg&Apccn*bjj' + @c` _l @cl rsp_l &Gk n_ar'

JENIS KERUSAKAN PADA LOGAM (Menurut Pengamatan / Laporan Du Pont Company) (Lanjutan) ¤ Kerusakan KOROSI Korosi Permukaan (General Corrosion Korosi Tegangan dan Korosi Kelelahan Korosi Sumur (Pitting Corrosion) Korosi Antar Butir (Intergranular Corrosion) Korosi erosi, kavitasi, fretting Korosi suhu tinggi Korosi galvanis Korosi celah Korosi selektif Korosi lain-lain

% 31,5 23,4 15,7 10,2 9,0 2,3 2,3 1,8 1,1 2,8

Classification of Failures according to failed members: cpq f r M /. # U gpc Others pmnc 10 4 Castings 15 Gears 18 Pulleys & rolls 28

Welds (welded structure) 77

TOTAL 242 CASES Bolts 32

Shafts (with step or key groove) 56

Classification of Failures according to cause:

Static Fracture Corrosion, 13% burst 3% SCC, 5% Delayed fracture Thermal, corrosion and contact fatigue 18%

TOTAL 242 CASES

Low cycle Fatigue 8%

Simple Fatigue 58%

Classification of Failures according to factor:

Inappropriate repair Underestimation 6% of external force Inappropriate 33% of replacement 16% TOTAL ? qqck ` jgl e $ qcrrgl e 0#

Misselection of materials, poor machining & fabrication 19%

242 CASES Inappropriate structure, shape 24%

JENIS DAN KARAKTERISTIK KERUSAKAN: Jenis Kerusakan

Frekwensi Kejadiannya

Fenomena Makro

Pertumbuhan Makro

Keamanan

Fatigue (Kelelahan)

1

Invisible (Tidak terlihat)

Cepat

Berbahaya

Wear (Keausan)

2

Visible (Terlihat)

Bertahap

Aman

Corrosion (Korosi)

3

Terlihat

Bertahap

Aman

Lain-lain (Impact load, overload)

4

Tidak terlihat

Cepat

Berbahaya

Keterangan: 1>2>3>4

KONDISI YANG DAPAT MENIMBULKAN KERUSAKAN DAN CARA PENANGGULANGANNYA I CP SQ? I ? L RCP H? BG@GJ ? 8  E ? W? - RCE ? L E ? L I CP H?  NCL E ? P SF J GL E I SL E ? L  U ? I RS

>

KETAHANAN MATERIAL/ KOMPONEN

RCE ? L E ? L I CP H?  Rce_l e_l R_pgi *Rci _l *J cl rsp*Nsl rgp*E cqcp _r_s i mk ` gl _qgl w_  Qgd_r Rce_l e_l 8Qr_rgq*Bgl _k gq _r_s Gk n_ar &@cl rsp_l ' NCL E ? P SF J GL E I SL E ? L  Rck ncp_rsp  J gl ei sl e_l I mpmqgd*Mi qgb_qg_r_s I _p` spgq_qg  ? jgp_l &djmu'  P _bg_qg  Bjj

KERUSAKAN DAN KERUGIAN Kerusakan alat/mesin atau konstruksi dapat menimbulkan kerugian besar Kerusakan

> 70% kerusakan langsung atau tidak langsung akibat fatigue

Fatigue

Kerusakan produk/alat Kerugian Langsung

Biaya repair Biaya pencegahan/penanggulangan Biaya kompensasi (kecelakaan dalam bentuk luka-luka ataukematian)

Kerugian Total Kerugian Tidak Langsung

Penurunan moral/ketidakpercayaan Produksi menurun Kerusakan terhadap citra

USAHA PENANGGULANGAN KERUSAKAN  Menurunkan Gaya/Tegangan Kerja melalui perbaikan Design: Bentuk, ukuran / dimensi / geometri, susunan / tata letak, perakitan, dll 

Meningkatkan Ketahanan Material / Komponen melalui: - Pemilihan material yang sesuai - Perbaikan proses pembuatan / manufaktur, heat treatment dan fabrikasi / perakitan - Pemberian surface treatment (lapis lindung)

 Mengendalikan

lingkungannya

seperti:

temperatur

kerja,

tekanan /

tegangan kerja, kontaminan / pengotor, konsentrasi lingkungan korosif, kecepatan alir fluida, penggunaan corrosion inhibitor, dll

D? I RMP I C? K ? L ? L CI ML MK G@G? W?

DSL E QGK ? L D? ? R

I CK ? K NS+ P ? U ? R? L

BCQ? GL

NCL ? K NGJ ? L QCL G$ CP E ML MK GI

? K B? J $ D? I RMP QMQG? J B? R? P GU ? W? R NCK ? I ? G? L

NCK GJ GF ? L K ? RCP G? J -@? F ? L

K ? L SD? I RSP D? @P GI ? QG

NCP ? I GR? L ? QQCK @J GL E

NCL B? W? E SL ? ? L NCK ? I ? G? L

? L ? J GQ? I CP SQ? I ? L I CE ? E ? J ? L

FAKTOR-FAKTOR YANG MENYEBABKAN TERJADINYA KERUSAKAN / KEGAGALAN PADA ALAT / MESIN / KOMPONEN

KLASIFIKASI FAKTOR-FAKTOR PENYEBAB KEGAGALAN ATAU KERUSAKAN BGQ? GL + I cq_j_f _l _l _jgq_ ` c` _l &rce_l e_l - rf cpk _j' + I crgb_i qcqs_g_l qrpsi rsp*` cl rsi -ecmk crpgb_l si sp_l + Nck ` c` _l _l ` cpjc` gf _l + Ncl e_` _g_l i ml bgqgjgl ei sl e_l mncp_qg + I crgb_i rcn_r_l qsqsl _l -r_r_ jcr_i + Rgb_i k ck ncpf grsl ei _l MNCP ? QGML ? J i ck _k nsp_u_r_l K ? RCP G? J + I cq_j_f _l npmqcbsp + Bjj, + I cq_j_f _l qncqgdgi _qg mncp_qgml _j k _rcpg_j-i mk nmqgqgi gk g_ + Nck ` c` _l _l -rck ncp_rsp I CE ? E ? J ? k cj_k n_sg` _r_q + A_a_r ncl ecamp_l - npmqcq L + I cq_j_f _l gl qr_j_qgnck ` cl rsi _l nck _q_l e_l + Q_j_f j_i s n_l _q + Ncp_u_r_l i sp_l e k ck _b_g I CP SQ? I ? + Rcph_bgl w_ ncl spsl _l qgd_r + I cq_j_f _l pcn_gpk ci _l gq L ncl ee_l rg_l qsi s a_b_l e + Bjj, + Bjj, K ? L SD? I RSP + I cq_j_f _l + I cq_j_f _l + I cq_j_f _l ncl ecph__l + I cq_j_f _l ncl ecp_q_l ncj_ngq_l + Bjj,

npmqcq nck ` s_r_l j_i s n_l _q npmqcq ncl ecj_q_l $ j_l hsr b_j_k npmqcq

A. FAKTOR / PENGARUH RANCANGAN ( DESAIN )  Good Engineering Design: Merupakan hal yang sangat fundamental dalam pemakaian material secara handal dan efektif  Desain umumnya tidak selalu absolut/mutlak. Namun bisa “kompromi” menurut biaya dan ketersediaan material  Desain dan Pemilihan Material merupakan dua faktor yang sangat penting untuk mencapai umur pemakaian alat/konstruksi sesuai dengan yang diinginkan  Rincian Desain meliputi: - Bentuk dan geometri - Kompatibilitas/Kesesuaian (dari segi metalurgi, lingkungan dan sumber-sumber lainnya) - Faktor Mekanikal (tegangan bekerja/pemusatan tegangan) - Permukaan (Surface Quality)

KLASIFIKASI DASAR-DASAR PERENCANAAN / DESAIN 

Desain yang tidak mengijinkan kerusakan (safe-life design)

Contoh: hampir semua struktur/produk baja dirancang dengan dasar kategori ini. 

Desain

keamanan melalui

yang

mengijinkan

perawatan

kerusakan,

(damage-tolerant

tetapi menjamin

design

or fail-safe

design) Contoh: - pada perancangan pesawat terbang untuk tujuan menurunkan faktor berat pesawat - komponen yang memiliki umur pemakaian terbatas dalam bentuk karakteristik pemakaian seperti: bantalan (bearings), wire ropes, dll

BEBERAPA CONTOH PENGARUH FAKTOR DESAIN Bentuk/struktural, ukuran (size), takikan (design notches) yang dapat menimbulkan stress concentration (seperti pada sambungan, ujung yang tajam, perubahan tebal dinding, dll), lokasi sambungan (joint location), desain sambungan las (weld joint design), attachments & supports, dll.

Design techniques for improving fatigue strength

B. FAKTOR MATERIAL t STRUKTUR  Struktur Kristal  Struktur Mikro t CACAT  Cacat Permukaan  Cacat Internal t TEGANGAN SISA

SIFAT/KARAKTERISTIK  Mekanis  Korosi  Fisika  Dll

 KOMPOSISI KIMIA ¤ PROSES PEMBUATAN/ FABRIKASI ¤ PROSES LAKU PANAS (HEAT TREATMENT) ¤ PROSES FINISHING ¤ SHIPPING & HANDLING

KINERJA DALAM OPERASI

METALLURGICAL CONTROL FOR PRODUCING HIGH QUALITY STEEL CASTINGS Properties  Tensile Property

Product Performance in Service

 Microstructure

 Hardness

 Defects

 Corrosion Resistance

 Impact

 Internal Stresses

 Heat Resistance

 Abrasion

 Wear Resistance

 Corrosion / Oxidation

 Impact Resistance

 Creep



Chemical Composition

¤ Foundry Process Parameters ¤ Heat Treatment ¤ Machining; Welding and Finishing

PEMILIHAN MATERIAL Ù

FAKTOR-FAKTOR YANG HARUS DIPERHATIKAN DALAM PEMILIHAN MATERIAL (terutama untuk suhu tinggi):  Suhu operasi normal yang direncanakan dan suhu minimum serta suhu maksimum yang kemungkinan akan terjadi  Kekerapan/keseringan dan kecepatan siklus termal 

Tingkatan gradien termal didalam komponen



Sifat pemuaian (ekspansi termal) dari paduan



Gaya yang bekerja dan kondisi pembebanan



Umur pemakaian yang direncanakan



Sifat mekanis (sifat tarik dan sifat creep, thermal fatigue, dll)



Lingkungan operasi seperti: korosif, oksidasi, dll

 Repairability seperti welding repair (dalam kondisi baru dan kondisi setelah dioperasikan)  Machinability 

Availability & cost

C. FAKTOR MANUFAKTUR & FABRIKASI SERTA FINISHING

Cacat

Sifat/Karakteristik Komponen/Parts

 Proses Machining  Proses joining/welding  Proses Heat Treatment  Proses Finishing (coating, surface treatment, mechanical finishing, dll

Kinerja

C. FAKTOR MANUFAKTUR & FABRIKASI SERTA FINISHING ( Lanjutan ) Beberapa Contoh Cacat Manufaktur / Fabrikasi / Finishing:  Retak  Cacat las  Cacat karena proses pengerjaan akhir Cr layer

Tension crack in a surface hardened and chrome plated axle shaft bolt, longitudinal section, etched nital. 200 x

Ringkasan: Jenis Cacat/Kerusakan Menurut Proses: Jenis-jenis cacat/Kerusakan Proses

-

-

Casting Forming Machining Welding Coating Heat Treatment Service

Porosity

Bursts

Laps

Hot Tears

Cold Shuts

Inclusion

Crack

V X X V X

X V X X X

X V X V X

V V X V X

V X X X X

V V X V X

V V V V V

X X

X X

X X

X X

X X

X X

V V

Keterangan : V : (terjadi/terbentuk) X : (tidak terbentuk)

D. FAKTOR OPERASI DAN PEMELIHARAAN DESAIN

MATERIAL

CACAT & KETIDAKSESUAIAN PADA KOMPONEN

MANUFAKTUR / FABRIKASI

PERILAKU MESIN / ALAT DALAM OPERASI

KERUSAKAN / KEGAGALAN

PEMASANGAN / INSTALASI PROSEDUR OPERASI / PARAMETER & BEBAN OPERASI

PEMELIHARAAN DAN PENGGANTIAN & PERBAIKAN

IDENTIFICATION OF COMPONENTS DIVISION OF PLANT SYSTEMS ( BOILER PLANT, TURBINE PLANT, ETC )

DIVISION OF PLANT SYSTEMS

CRITICAL COMPONENTS

INFLUENCE COMPONENTS

SCHEMATIC ILLUSTRATION OF BOILER

Age and cumulative operation time of fossil power boilers in Japan (data in 1988)

Classification of boiler pressure parts failure in 1981 to 1991

TABLE DAMAGE FACTORS OF BOILER COMPONENTS

FAILURE PROCESSES OF BOILER COMPONENTS

FAILURE MECHANISMS FOR BOILER TUBING Ù

STRESS – RUPTURE  Short – term overheating  High – temperature creep  Dissimilar – metal welds

Ù

WATER – SIDE CORROSION  Caustic corrosion  Hydrogen damage  Pitting (localized corrosion)

Ù

FIRE – SIDE CORROSION  Low temperature  Water wall  Ash due to coal or oil

FAILURE MECHANISMS FOR BOILER TUBING ( Lanjutan ) Ù

Ù

Ù

EROSION  Fly ash  Soot blower

 Falling slag  Coal particle

WATER – SIDE CORROSION  Vibration  Thermal FIRE – SIDE CORROSION  Maintenance cleaning damage  Chemical excursion damage  Welding Defects

 Corrosion

HEADER LOCATIONS SUSCEPTIBLE TO CRACKING ( SUPERHEATER OUTLET HEADER )

LONG - TERM DAMAGE IN ELEVATED – TEMPERATURE HEADERS

Location Ù Ù Ù Ù Ù Ù

Stub-tube/header weld, tube side Stub tube/header weld, header side Cracking of Ligament between tubes Longitudinal seam welds Girth butt welds All other  Branch connections, saddle and crotch positions  Header body swelling  Other location

Damage Mechanism

Survey percentage

Creep-cavitation in the HAZ

40

Creep-cavitation in the HAZ

34

Thermal fatigue

21

Creep-cavitation in the HAZ and weld metal Creep-cavitation in the HAZ and weld metal

3 3

Creep-cavitation in the HAZ Thermal softening Unknown

Unknown Unknown Unknown

DAMAGE MECHANISMS IN STEAM PIPES Steam pipes carry steam from the boiler to the turbines They are straight pipes with some elbows and bends, but do not have any tube connections The principal problem areas in steam pipes:  Girth weld  Bends and elbows

creep damage (similar to headers) highly stressed areas with creep damage

 Long seam welds (if present)

contain a variety of fabrication flaws (defects)