Prosiding PertemuanI1miah Ibnu Pengetahuandan TeknologiBahan 2002 Serpong.22 -23 Oktober2002
ISSN 1411-2213
PENGARUH INKLUSI NON-METAL TERHADAP KETAHANAN HYDROGEN INDUCED CRACKING PADA PLAT PIPA SOUR GAS API5LX-52 ZaenalMuntoha PT. Krakatau Steel, Indonesia 11.Raya Cilegon, Banten
ABSTRAK PENGARUH INKLUSI NON-METAL TERHADAP KETAHANAN HYDROGEN INDUCED CR4CKINGPADA PLAT PIPA SOUR GAS API5LX-52. Telah dilakukan investigasi pengaruh inklusi non-metal terhadap ketahanan hydrogen induced cracking, mc pactaplat bahan pipa aplikasi sour gas API5LX-52. Ketahanan mc ditentukan dari crack length ratio, CLR, yang dapat menggambarkan ukuran inklusi pactaplat. Panjang clanlebar retak yang terjadi diobservasi dengan mikroskop optik terhadap permukaan transversal,jenis clan komposisi inklusi dianalisis dengan EDS. Hasil evaluasi uji mc yang dilakukan terhadap 35 buah sampel menunjukkan bahwa pactadaerah retak terdapat inklusi clan berperan sebagaipemicu perambatanretak. Jenis inklusi oksida ditemukan pactahampir semua sampel uji sebagaiinklusi yang dominan. Terdapat korelasi empirik antara CLR (Y) clanlebar retak (X) mengikuti hubungan eksponensial Y = 1,175 e 0.0024 X. Namun, pertambahanpanjang retak ditemukan tidak etektip pactasampel yang memiliki lebar retak dari 5 mikron sampaidengan 100 mikron. Disamping itu, ditemukan juga nilai CLR pactadaerah tengah plat dapat mencapai 80 % dibanding 40 0/0pactadacrah sepanjang tebal. Daerah yang paling rentan terhadap l-llC actapactadaerah tengah plat.
Kata kunci : mc, perambatanretak, inklusi,viva sour gas.
ABSTRACT THE EFFECTS OF NONMETALLIC INCLUSIONS OVER HYDROGEN INDUCED CRACKING RESI~ANCE ON PLATE FOR SOUR GAS PIPE APPLICATION, API5LX-52. Investigation on the effect of nonmetallic inclusions in API5LX-52 sour gas pipe sheets has been done. rnc resistance was determined by crack length ratio, CLR that representing dimensions of inclusions in sheet materials. The length and width of cracks were observed by means of optical and electron microscopes on the transversal surface of samples along with type and composition of inclusion were evaluated by EDS. Inclusions of oxide type were tound almost in all crack areas of the 35 rnc test samples that responsible in promoting crack propagations. It was also found an empirical correlation betwcen CLR (Y) and crack width (X) to tollow an exponential relationship of Y = I. I 75 eO0024 x but the increasing of crack length was ineffective tor samples with crack width in the range 5 100 microns. Furthermore, It was observed that values of CLR can be as high as 80 % at the center line compared with of only 40 % in the thickness length. It is concluded that the most sensitive area tor I-llC locating at middle area of sheet plate. Key w(lrds : HIC, crack propagation, inclusion, sour gas pipe
PENDAHULUAN Plat baja untuk aplikasi .sourga.s dalam bentuk pipa penyalur disamping harns memenuhi kualitas sifat mekanik tertentu, juga hams mempunyai ketahanan terhadap Hydrogen Induced Cracking (HIC) [1]. HIC mempakan suatu bentuk kemsakan internal yang disebabkanoleh menjalamyaretak secaraparaleldengan permukaan baja tanpa diberi tegangan luar (external stre,ss).Retak ini cenderungterhubung antara retak satu dengan yang lainnya karena tekanan hidrogen yang timbul menghasilkan tegangan pada permukaan sekitarnya daD cenderung menghasilkan retak membentuk aDak tangga (stepwise), tergantung pada distribusi deformasi plastis dan tegangan geser [2]. Didalam material baja pipa sour gas, atom hidrogen bisa berdifusi dengan cepat pada suhu
152
operasional ke tempat dengan tegangan internal yang lebih tinggi seperti batas butir, inklusi daD daerah tegangan triaxial [3]. Mekanisme HIC diawali dengan atom hidrogenyang masukke dalam baja yang kemudian terakumulasi pada tempat awal HIC membentuk embrio berupa molekul hidrogen yang pada saatnya dapat menyebabkantekanan internal yang cukup tinggi untuk mengawaliretak[4]. Penjalaran retak bahwa arab penjalaran cenderungparalel terhadap arab pengerolan[5]. Atomatom hidrogen yang dimaksud dapat berasaldari reaksi korosi Fe dengan ~s daD adanya perangkap atom hidrogen seperti inklusi/matriks interface, void, impuritie.\',dislokasi, laminasi, atau retak mikro. Tempat terkumpulnya atom hidrogen adalah void, nonmetallic
'.1
PengaruJ,Inklusi Non-Metal TerhadapKetahananHydrogenInduced Cracking Pada Plat Pipa Sour Gu API5LX-52 (Zaenal Muntoha) inclu...ion, slag particle, inklu...i MnS atau daerah segregasiyang terkandung dalam material [6]. Pada makalah ini dibahas pengaroh inklusi nonmetal terhadapketahanan HIC pada plat bahan pipa aplikasi sour gas,terotama lebar retak yang teljadi yang dinyatakan sebagai Crack Length Ratio (CLR) daD kaitannya dengan ketahanan HIC. Selain pengaroh ukuran inklusi daD jenis inklusi juga pengaruh penyebaraninklusi daDreduksi plat terhadap ketahanan Hydrogen Induced Cracking juga dibahas.
parameterHIC yang dinyatakan dalam persen(%): Crack Length Ratio (CLR), Crack Thicknes.sRatio (CTR)daDCrackSensibilityRatio (CSR). r
w
~
~l' I :::-=-~ 1- ==--' ,;
!
----,. ~
I
_b
1 I
r
1
II
i ~
---'
./"--
METODE PENELITIAN Sarnpeldiarnbil dari 35 (tiga puluh lima) produk gulungan lembar baja (coil) dengan grade yang sarna daD diberi tanda sesuaidengan nomor gulungan lembar basil produksi PT. Krakatau Steel. Pengamatan iQklusi dilakukan pada pennukaan longitudinal tiap-tiap sarnpel dengan menggunakan mikroskop optik. Untuk pengamatan inklusi dengan ukuran yang sangat halus dilakukan dibawah ScanningElectron Microscope,SEM yang dilengkapi EDS sehingga memungkinkan analisis mikro komposisi unsur-unsur yang terkandung dalam inklusi. Tata carapengujian mc mengacukepadaNACE TM0284-96 denganmenggunakan larutan A ( 5% berat NaCI + 0,5% berat~ COOH + 94,5%beratair destilasi). Plat uji dengan ukuran 20 cm x 100 cm diamplas terlebih dahulu daD dimasukan ke dalam bejana yang berisi larutan A, kemudian bejana tersebutditutup rapat. Setelah itu sistem dialiri gas H2S selama 96 jam (Gambar 1). Setelahtahapan ini, kemudian plat sarnpel dipotong menjadi empat bagian untuk tujuan pengarnatandan pengujian. Panjang retak (a) dan Lebar retak (b) pada sampel diukur menggunakan skala yang terdapatpada lensa okuler. Untuk retak yang membentuk stepwise, panjang dan lebar retak yang diukur seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Kemudian dati panjang daD lebar retak yang diukur dapat dihitung besarnya
ke udara
Larutan Volume Spesitik HzS konsentrasi HzS flow rate
pH
5% NaCI 4,5 mUcm1 2500 .3400 ppm 10 mUmin./1 3 -3,8
pH control
CH,COOH
Temperatur
25 :t 2 .C 96 Jam
Waktu uji
Gambar 1. Diagram alir penelitian
1.&
Dimana CLR CTR CSR b a W T
: : : : : : : :
-1 b
--I'
Crack Length Ratio,% Crack ThicknessRatio,% Crack Sen.ribi[ityRatio.% Lebar retak stepwi.re Panjangretak .rtepwi.~e Panjangplat sampel Lebar plat sampel(tebal plat)
Gambar 2. Skematik retak stepwi.~e dan perhitungan parameter retak HIC
BASIL DAN PEMBAHASAN Dari basil uji HIC terhadap 35 buah sampel uji, ditemukan retak HIC pada 19 sampel. Lebar retak bervariasi antara 5 mikrometer sampai dengan beberapa Talusmikrometer. Diamati babwa bentuk retak bempa retak tunggal maupun retak berkelompok yang membentuk anak tangga. Pada Gambar 3, diperlihatkan fotomikro retak tunggal (A) maupun retak berkelompok yang diamati baik ke arab tengah plat (B) maupun ke arab tebal plat (C). Disamping itu, pada daerah retak (0) ditemukan adanya inklusi. Sedangkan analisis spot dengan EDS diperoleh komposisi mikro daTi inklusi dengan kandungan yang bervariasi seperti ditunjukan pada Tabel I. Meskipun analisis dengan XRF tidak dapat memastikansenyawainklusi , namun kuat dugaanbahwa jenis illklusi yang terdeteksi umumnya bempa karbida daDoksida. lnklusi-inklusi ini dapatdipandang sebagaicacat volume dalam material. Pada kondisi material dibawah pengamh tegangan/stres.\"selama proses produksi plat, inklusi dalam material berperan sebagai pemicu pembentukan mikro void [7] maupun kemungkinan perambatan retak melalui pelepasan sebagian energi regangan/strain. Tentu saja untuk menghindari agar hal ini tidak terjadi maka ukuran inklusi hams sekecil mungkin dibawah ukuran kritisnya sehingga selama dalam kondisi regangankarena prosesproduksi, ukuran inklusi meskipun akan membesar, osmun diharapkan tidak mele,vati ukuran kritis.
153
Prosiding Pertemuan Ibniah Ibnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN1411-2213
Gambar 3. Foto mikro memperlihatkanA) retak tunggal, B) retak kelompok centerline, C) retak kelompok kearah tebal dan D) ret!ik pada arah longitudinal serta inklusi
Berdasarkan foto mikro daTi sampel yang telah menjalani uji HIC sesuaidengan prosedurpengujiannya, telah dilakukan pengukuran parameter-parameterHI C antara lain CLR, CTR daD CSR (lihat Gambar 2). Pada umumnya ketiga parameter HIC ini memiliki kecenderungan yang sarna daD ditemukan adanya korelasi empirik antaraparameter HIC dengan lebar retak,b. Korelasi ini ditunjukkan pada Gambar 4 dimana nilai evaluasi CLR daTi berbagai sampel uji diplot terhadaplebar retak, x dalam skala logaritma. Plot antara nilai CLR, Y terlihat memiliki hubungan eksponensial terhadap lebar retak dinyatakan oleh hubungan Y= l,l74exp(O,OO24b).
154
Berdasarkankorelasipada Gambar4 dapatdilihat bahwa terjadi pertambahan panjang retak yang ditentukan oleh lebar retak. Namun, pertambahan panjang retak belum efektip pada sampel uji denganlebar retak antara 5 j.l.msampai dengan 100 J.I.lll.Berdasarkan model pembentukan mikro void selama proses pengerolan panas yang diusulkan Pickering F.B [7] bahwa mikro void barn terbentuk bila ukuran inklusi diatas 2 -3 j.l.myang mernpakan embrio terjadinya perambatanretak. Padapengamatanini ditenlukan bahwa lebarretak minimum adaIah 5 J.I.ffi (lihat Gambar 4). Oleh karena itu diduga bahwa lebar retak 5 J.I.ffi pactaplat sampelberasal
Pengaruh Inklusi Non-Metal TerhadapKetahanan HydrogenInduced Cracking Pada Plai Pipa Sour GasAP15LX-52 (Zaenal Muntoha) dari inklusi dengan ukuran 2 -3 ~m, meskipun inklusi dengan ukuran ini tidak terdeteksi dalam penelitian ini. Reduksi plat selama proses pengerolan panas telah menyebabkan terjadinya mikro void yang sangat tergantung pada ukuran inklusi. Semakinbesar reduksi plat, semakin tinggi tegangan yang diberikan dan semakin kecil batas ukuran kritis untuk terjadinya perambatan retak. Selain itu semakin besar reduksi menyebabkansemakinbesartegangan sisayang dialami plat yang pada gilirannya mempermudah terjadinya perambatan retak IllC pada ujung mikro void karena terjadinya pemusatan tegangan yang semakin besar. Data pada Gambar 4 hampir seluruhnyaberasal daTi sampel uji dengan tebal 6,35 mm. Plat dengan ketebalan ini tentunya telah mendapat tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan plat denganketebalan 7,92 mm. Sehingga plat denganreduksi yang lebih besar mengalami retakIII C lebih besar.Hal ini dapatdl'buktikan dengan databahwa untuk plat dengan reduksi 96,825% (tebal plat = 6,35 mm) , daTi21 permukaan transversal yang diamati, 10 permukaan diantaranya mengalami retak-retak dengan CLR yang bervariasi besarnyasampai dengan 80%, sedangkan untuk plat dengan reduksi 96,04%(tebalplat 7,92 mm), dari 21 pennukaan tranS1'ersa/ yang diamati hanya I permukaan yang mengalami retak dengan CLR yang besarnya dibawah 10%. y = 1.1748e""z" 50 I
45 40 i
~
35-
.30i >.251
~ 20 { u 15'
1~E 1
10
100
1000
10000
Lebar Retak = b(xl, nVkron Gambar 4. Korelasi antara CLR dengan lebar retak pada plat baja setelah dilakukan uji HIC, tebal plat 6,35
Pengaruh penyebaraninklusi terhadapHIC d.1pat dilihat denganmembandingkan niIai CLR terhadaplebar retak yang disajikan pada Gambar 5 daD Gambar 6. Diperoleh bahwa retak yang terdistribusi ke arab garis tengah plat temyata lebih rentan terhadapmc daTipada retakyang terdistribusikearah tebal,sebagaimanaterlihat pada Gambar5 nilai CLR dapatmencapai80%sedangkan pada Gambar6 hanyamencapai40%. Hal ini dikarenakan daerah tengah plat merupakan daerah yang menderita tegangan sisa paling tinggi daTidaerah lainnya didalam suatu plat. Pada daerah garis tengah sampel terjadi segregasi yang dapat mempermudah terjadinya perambatanretak. Berbeda denganjenis inklusi MnS yang banyak ditemukan pada baja, temyata pemeriksaaninklusi pada
'"
"" LebarRetak .b.
'"'" mikron
Gambar 5. Ketahanan HIC dengan distribusi retak menyebarkearahsumbutengahplat baja gradeAPI5LX52, tebal plat 6,35 rom
t
10
'OG
1000
1*0
I.., Rolak .b, mlkroll G.:;mba!'6. Ketahanan HIC dengan distribusi retak m;:nyebar kearah teba! plat baja grade API5L-X52, tebaJplat 6,35 rom
pennukaan longitudinal sampel (searah pengerolan) tidak ditemukan adanya inklusi MnS. lnklusi yang ditemukan adalah inklusi oksida pada 14 buah sampel denganpanjang inklusi antara 0,18 mm sampai dengan 5,4 DUn,inklusi slag pada 2 buah sampeldenganpanjang inklusi 0,26mm dan 2,4mm, daninklusi (fi, Nb)xCypada I buah sampel dengan panjang 0,22 mm dan besar butir-an2 -50 ~2. Biladikaitkan nilai CLRhasil uji HIC pada sampeluji dengansan1pelhasil pemeriksaaninklusi n1akadiperolehhubunganantara CLR dan ukuran inklusi seperti yang disajikan pada Gambar 7. Oleh karena itu dapat dipastikan inklusi oksida merupakan inklusi yang cukup berpotensi untuk menyebabkan terjadinya mc yang signifikan pada plat baja.
0
0.5
1
1,5
2
25
3
3,5
4
4.5
5
5.5
6
Panjang hlklusl, mm .Oksida
.Slag
6 TiNb
Gambar 7. Korelasi nilai CLR basi! uji HIC dengan ukurall inklusi
KESIMPULAN Berdasarkaninvestigasipengaruhinklusi non metal terhadap ketahananHIC plat pipa sour gas
155
Prosiding Pertemuan lbniah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN1411-2213
API5LX-52 sepertitelah dibicarakan diatas dapatditarik beberapa kesimpulan bahwa ketahanan HIC yang dinyatakan denganCLR memiliki korelasi eksponensial terhadap lebar retak. Pertambahan panjang retak tidak efektip padajangkau lebar retak 5 -100 J.lm.Pengaruh penyebaran inklusi baik ke arab sumbu pusat maupun ke arab teba1plat menunmkanketahananHI C dan daerah paling rentan terhadap HIC berada pada pusat plat. Inklusi oksida merupakan inklusi yang paling utama pemicu terjadinya HIC.
UCAPAN TERIMA KASm Penulis berhutang budi kepada Program Studi Ilmu Material, Program PascasarjanaFMIFA-UI tempat dimana penulis mengecap pendidikan tinggi daD memberikaninspirasi untuk melaksanakantx:nelitian ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan Dinas Pengujian daD Simulasi Proses PT Krakatau Steel atas fasilitas daD sarana yang diberikan seialnatx:nelitian ini dilakukan.
DAFTAR PUSTAKA [1]. M. S. CAYARD, Serviceability of Coiled Tubing for Oil and Gas Application-III,URL: http:// \\'\\w.corrosionsource.coln/llotopicslO729I 998.htnl. diakses 20 September(2000). [2]. K. N. AKTRIRS. P.H. POrvlPRERY,2-nd Int Cong., Hydrogen in Metal PaperNo.3 81 Coral GablesFL: into Assoc. for Hydrogen Energy, (1977) [3]. Y. NAKAI, H. KURAHASHI, N. TOTSUKA, and Y. WESUNG, Corrosion 82, Paper (132), NACE International (1982) [4]. H. KIMISHIMA, Development of Manufacturing Techonogy of Large Diameter Weld Pipe, 112and 113d1 Nishigama Memorial Lecture,ISIJ. PP. (1986) [5]. D. WARREW, Meta//urgy Physic, 26 (38), (1987) [6]. F. A. GOLIGHTLY, Mechanism of Damage, Monitoring and Inspection, Sour Service Problem and Solutions, The First Symposium of The Engineering Associates Group, United Kingdom (1991) [7]. F.B. PICKERING, J. I. S. I., (1958) 148-189.
Ke Daftar Isi 156
