METODE PENELITIAN
3.4. Pengujian Eksperimental
Pengujian eksperimental yang dilakukan merupakan jenis Non-Destructive Testing (NDT) meliputi pengukuran dimensi, pengujian kekerasan, dan pengujian komposisi kimia.
3.4.1. Pengukuran dimensi
Pengukuran dimensi, seperti tampak pada gambar 3.7 untuk mengetahui perubahan ukuran, baik diameter maupun tebal dinding. Pengukuran dimensi sesuai dengan standar ASTM A 213 T11 Standard Spesification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes [48].
Langkah-langkah pengukuran dimensi menggunakan jangka sorong jangka sorong dan busur derjat adalah sebagai berikut:
1. Masing-masing sisi tube dibagi menjadi 8 bagian dengan busur derajat 2. Tandai dengan huruf yang saling tegak lurus, yaitu AE, BF, CG, dan DH 3. Ukur diameter luar bagian yang ditandai menggunakan jangka sorong
4. Catat dan tabulasi hasil pengukuran
5. Dengan cara yang sama, ukur diameter dalam
6. Ukur tebal pada tiap 8 titik yang telah ditandai, yaitu A, B, C, D, E, F, G dan H
7. Catat dan tabulasi hasil pengukuran 8. Lakukan langkah yang sama pada sisi 2.
3.4.2. Pengujian kekerasan
Pengujian kekerasan pada delapan titik pengujian, seperti tampak pada gambar 3.8 menggunakan TIME Leeb Portable Hardness Tester Type HLN-11A, seperti tampak pada gambar 3.9, sesuai dengan standar ASTM A956 Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products [49].
Gambar 3.8. Titik pengujian kekerasan metode Leeb
Pengujian kekerasan dilakukan dengan menekan bagian atas batang impak, seperti tampak pada gambar 3.10, sehingga massa test tip, yaitu tungsten karbide jatuh akibat gaya pegas, lalu sensor elektronik mengukur kecepatan sebelum/sesudak impak pada permukaan benda uji. Hasil pengujian dapat langsung dicetak dan dikonversi menjadi nilai kekerasan Brinell, Vickers, atau Rockwell.
Gambar 3.10.Pengujian kekerasan tube superheater
Langkah-langkah pengujian kekerasan adalah sebagai berikut: 1. Bersihkan permukaan sampel tube yang akan diuji
2. Hubungkan batang impak ke instrumen dan hidupkan peralatan pada POWER ON
3. Tempatkan batang impak pada titik pengujian yang telah ditandai
4. Pegang sampel tube dengan satu tangan agar tidak bergeser, sementara satu tangan lagi menekan tombol bagian atas batang impak
5. Baca hasil pengukuran pada layar
6. Ulangi pengukuran hingga 3 kali pada tiap titik
3.4.3. Pengujian komposisi kimia
Pengujian komposisi kimia (Positive Material Identification) pada sampel tube superheater menggunakan X-MET5100 for PMI Type X-Ray Fluorescence (XRF), seperti tampak pada gambar 3.11a, sesuai dengan standar ASTM E 1724 – 95 Standard Guide for Testing and Certification of Metal and Metal-Related Reference Materials [51].
.
Gambar 3.11. X-MET5100for PMI Type XRF [52]
X-MET5100 for PMI adalah instrumen yang digunakan untuk menentukan komposisi kimia dengan menentukan unsur paduan pada logam sesuai dengan komposisi yang dimilikinya. Hasil identifikasi dapat berupa nama unsur atau persentase. Alat ini bekerja dengan mengekspos sampel uji ke tabung sinar-X (Gambar 3.11b). Atom-atom dari sampel uji menyerap energi dari sinar- X, sehingga menimbulkan ransangan awal pada atom-atom tersebut dan kemudian memancarkannya. Setiap unsur yang terkandung pada sampel uji akan memancarkan sinar-X dalam bentuk energi. Dengan mengukur intensitas dan karakteristik energi yang dipancarkan oleh sinar-X, maka XRF analyzer memberikan analisa unsur pada sampel uji.
Langkah-langkah pengujian komposisi kimia, seperti tampak pada gambar 3.12, adalah sebagai berikut:
1. Bersihkan permukaan tube yang akan diuji
2. Masukkan PDA (Portable Digital Assistant) pada slot analyzer X-MET5100
3. Hidupkan X-MET (Gambar 3.12a) dan PDA (Gambar 3.12 b) dengan menekan tombol POWER ON
4. Klik Start>X-MET untuk masuk ke menu
Gambar 3.12.Pengujian komposisi kimia (PT PIM)
5. Klik LOGON, masukkan pasword
6. Klik sembarang di layar hingga keluar menu utama
7. Cek kalibrasi sampel yang tersedia. Kemudian pilih Display Spectra>XRF Line Display. Pilih salah satu unsur (Cr atau Mo) dan bandingkan hasil dengan reference material (ASTM), jika sesuai lanjutkan pengujian
8. Pilih Name Sample untuk menamakan sampel uji
9. Pilih Select Method>Low Alloys_LE>Select Method untuk metode pengujian, seperti tampak pada gambar 3.13.
Gambar 3.13. Memilih metode pengujian
10. Pilih Output Setting> conteng pada Log File Name\SD Card >masukkan
nama file>Save, seperti tampak pada gambar 3.14.
11. Pilih Setting>Configuration>Timed Esay>Yes, untuk penekanan trigger dan langsung lepas
12. Pilih Measurement Time>isikan 6>ok, untuk lama pembacaan sinar – X selama 6 detik
13. Tempelkan X-MET5100 pada sampel uji, hingga muncul warna kuning pada background User Mode/Supervisor Mode yang menunjukkan posisi pengujian sudah pas
14. Tekan trigger pada handle dan langsung lepaskan. Pastikan X-MET5100 bekerja dengan adanya lampu merah menyala pada X-RAY ON, seperti tampak pada gambar 3.15.
Gambar 3.15. X-RAY ON
15. Data hasil pengujian yang tersimpan dalam SD Card ditransfer ke PC untuk dicetak dan dianalisa.
Tabel 3.8. Identifikasi elemen dengan X-MET5100 Type XRF [52]
3.5. Simulasi Numerik
Analisa pertama adalah tegangan elastis. Pada analisa ini, hasil analisa numerik dan perhitungan teoritis keduanya divalidasi. Selanjutnya adalah analisa thermal stress, yaitu analisa dengan menggabungkan temperatur dan tekanan. Untuk melihat pengaruh strain hardening pada daerah plastis, dipilih model isotropik.
3.5.1. Simulasi tegangan elastis
Sebagian tube superheater yang dipotong pada daerah gagal sepanjang 100 mm dikaji terhadap pembebanan mekanis akibat tekanan internal sebesar 5 MPa. Model dipilih 1/8 silinder dan ditutup pada ujungnya. Radius dalam (ro), radius luar (ri), tebal (t), modulus elastis (E), dan rasio Poison (v) berturut-turut adalah (18,25 mm), (22,5 mm), (4 mm), (2 x 105
Langkah-langkah simulasi tegangan memiliki urutan yaitu; (1) memilih analysis systems pada toolbox; (2) klik ganda Static Structural; (3) menyelasaikan simulasi tegangan sesuai dengan urutan program seperti tampak pada gambar 3.16.
MPa), dan (0,3).
Gambar 3.16. Langkah-langkah simulasi tegangan 1
2
3.5.1.1. Data material (engineering data)
Memasukkan data material adalah dengan klik ganda pada engineering data. Setelah data dimasukkan, klik tanda centang pada kolom (Parameterized). Data material SA 213 T11 ditunjukkan pada tabel 3.9.
Tabel 3.9. Data material SA 213 T11 [48, 53 ,54 ,55 ,56]
3.5.1.2. Giometri dan mesh
Geometri tube superheater digambar dengan langkah-langkah seperti ditunjukkan pada gambar 3.17 sebagai berikut:
1. Klik kanan Geometry, pilih New Geometry 2. Pilih unit milimeter
Gambar 3.17. Tree Outline pada design moduler
4. Klik ikon Look At Face/Plane/Sketch pada toolbar. 5. Klik untuk menggambar
6. Pilih kemudian tarik garis horizontal dan vertikal. 7. Pilih dan klik perpotongan garis (R7) 8. Pilih pada untuk memberi ukuran
Gambar 3.18. Model dan ukuran tube superheater
9. Pilih untuk tampilan dimensi (Gambar 3.18) 10. Klik toolbar jika sudah selesai suatu tahap
11. Pilih dan klik toolbar menampilkan 3 dimensi.
12. Klik toolbar kemudian pilih sumbu rotasi dengan mengklik pada sumbu vertikal (sumbu Y)
13. Pilih Add Material pada Operation, dan Direction > Normal dan Angle 90°, seperti tampak pada gambar 3.19.
Gambar 3.19. Geometri 3 demensi hasil revolve 90° arah normal
15. Klik File pada Toolbar Menu, pilih Save Project, isikan nama dengan “Simulasi Tegangan”.
16. Klik ganda pada untuk 17. Klik pada Project Outline, dan (Gambar 3.20)
18. Penghalusan mesh. Klik kanan pada pilih insert 19. Klik Face kemudian klik pada bagian radius dalam dan 20. Masukkan 3 untuk ukuran (Gambar 3.21) 21. Klik toolbar untuk melihat hasil meshing.
22. Pilih insert, kemudian pilih untuk menghaluskan mesh pada bagian bawah dengan cara yang sama pada langkah 18 s.d. 20.
23. Klik toolbar untuk melihat hasil meshing. 24. Klik ganda untuk pemberian kondisi batas, yaitu
dan
25. Klik kanan pada Outline>Insert .
3.5.1.3. Kondisi batas dan beban (Setup)
Kondisi batas dan beban dibuat dengan cara-cara berikut:
1. Klik kanan , Insert . Pilih Face yang normal terhadap arah X, kemudian isikan X Component = 0 mm.
Gambar 3.22. Kondisi batas perpindahan arah X=0
2. Langkah yang sama untuk bidang yang normal terhadap Z dan Y=0 3. Klik kanan insert . Pilih Face ,
kemudian klik bagian dalam. Isikan harga tekanan 5 MPa (Gambar 3.23).
3.5.1.4. Solusi (solution)
Solusi untuk menentukan output tegangan dibuat dengan cara-cara berikut: 1. Klik ganda
2. Klik kanan pilih Insert > Stress > Normal 3. Pada pilih Orientation > X Axis
4. Ulangi langkah ke 2 untuk tegangan normal arah sumbu Y dan Z. 5. Klik kanan pilih Insert > Stress > Equivalent (von-Mises)
6. Klik kanan Solution >Insert > Deformation > Directional > Orientation > Z Axis.
3.5.1.5. Hasil (result)
Untuk melihat hasil simulasi, klik ganda pada Results > Solve. Solvesss
3.5.2. Validasi hasil tegangan elastis
Validasi hasil tegangan elastis dibandingkan dengan tegangan desain izin maksimum tube superheater, sesuai dengan desain umur, dan desain temperatur, seperti pada tabel 3.10.
3.5.3. Simulasi thermal stress
Tube bertekanan 5 MPa dan temperatur bervariasi pada dinding (390°C s/d. 400°C pada bagian dalam) dan drop (420°C s/d. 320°C pada bagian luar), mendekati dengan kondisi operasional sebelum dan saat kegagalan.
Langkah-langkah simulasi thermal stress memiliki urutan yaitu; (1) memilih sistem pada toolbox (Custom System), (2) klik ganda thermal stress, (3) klik kanan pada Steady State > Replace With > Transient Thermal, (4) menyelasaikan simulasi termal sesuai dengan urutan program seperti tampak pada gambar 3.24.
Gambar 3.24. Langkah-langkah simulasi thermal stress
3.5.3.1. Data material (engineering data)
Cara memasukkan data material adalah dengan klik ganda Engineering data. dan pilih add new material. Data material SA 213 T11 (Tabel 3.11) untuk simulasi
thermal stress adalah temperature-dependent material properties. Sifat material diperoleh dari literatur [53] dan [54], meliputi berat jenis, modulus, kekuatan, koefisien ekspansi termal, konduktivitas termal, dan panas spesifik. Setelah data dimasukkan, klik tanda centang pada kolom (parameterized).
Tabel 3.11. Data material SA 213 T11 (temperature-dependent) [53, 54]
Model material elastis-plastis dipilih multilinier isotropic hardening. Pada temperatur 400°C, SA 213 T11 memiliki sifat kekuatan seperti gambar 3.25.
Baja yang ulet (ductile) akan mulai mencapai batas elastis jika pemuluran (yield) melewati 0,005 mm [57]. Besarnya tegangan mulur (σy) SA 213 T11 pada temperatur 400°C adalah 160 MPa (Gambar 3.23). Nilai regangan ini diperhitungkan sebagai regangan plastis inisial untuk model pada simulasi ini [32, 39]. Kemudian tegangan dinaikkan sehingga tampak seperti tabel 3.12. berikut:
Tabel 3.12. Sifat multilinear isotropic hardening
3.5.3.2. Giometri dan mesh
Tube sepanjang 100 mm, diameter dalam 36,5 mm, diameter luar 44,5 mm digambar dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Klik kanan Geometry pilih New Geometry untuk menggambar. 2. Pilih unit millimeter
3. Klik XY Plane pada Tree Outline Transient Thermal (ANSYS). 4. Klik ikon Look At Face/Plane/Sketch Look pada toolbar. 5. Klik untuk menggambar.
6. Pilih lalu tarik garis 45°C arah sumbu X (Gambar 3.26) 7. Pilih untuk menggambar dua lingkaran.
8. Pilih pada untuk memberi ukuran. 9. Klik toolbar jika sudah selesai suatu tahap.
Gambar 3.26. Giometri dan diameter tube
10. Pilih dan klik toolbar dalam 3 dimensi (Gambar 3.27) 11. Pilih Extrude Direction > Reversed, dan FD1, Depth 100 mm.
3.5.3.3. Kondisi batas dan beban (termal)
Terdapat dua kondisi batas dan beban untuk jenis simulasi ini, yaitu termal dan struktur. Untuk kondisi batas dan beban struktur diberikan setelah didapatkan hasil simulasi termal.
Kondisi batas dan beban termal diselesaikan dengan langkah berikut: 1. Klik pada Initial Temperatur, isikan 400°C
2. Klik pada Analysis Setting, masukkan time stpes seperti pada gambar 3.28. Akhir simulasi hingga 30 detik
3. Klik kanan Transient Thermal (A5) > Insert > Temperature >Tabular,
isikan data temperatur pada kulit luar dan kulit dalam seperti pada gambar 3.29.
Gambar 3.29. Kondisi batas termal
3.5.3.4. Solusi (termal)
Untuk menentukan output temperatur dibuat dengan cara-cara berikut: 1. Klik kanan pilih Insert > Temperature.
2. Klik kanan Solution pilih Insert > Thermal > Total Heat Flux
3.5.3.5. Kondisi batas dan beban (struktur)
Untuk kondisi batas dan beban struktur dilakukan sebagai berikut:
1. Pada Static Structural, klik kanan Imported Load (Set Up 2)> Imported Body Temperatur
2. Klik pada Analysis Setting, masukkan Time Steps seperti tampak pada gambar 3.28. Akhir simulasi hingga 5 detik
3. Klik kanan Static Structural (B5) > Insert > Frictionless Support, pilih empat sisi, lalu Apply, seperti tampak pada gambar 3.30.
4. Klik kanan Static Structural (B5) > Insert > Pressure, pilih bagian dalam silinder, pada Magnitude, isikan 5 MPa.
Gambar 3.30. Kondisi batas struktur
3.5.3.6. Solusi (solution)
Untuk menentukan output temperatur dibuat dengan cara-cara berikut: 1. Klik kanan pilih Insert > Stress>Equivalent (von Mises)
2. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain >Equivalen (von Mises)
3. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain >Thermal
4. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain > Equivalen Plastic
4. Klik kanan Solution pilih Insert > Deformation > Total
3.5.3.7. Hasil (result)
BAB 4