ANALISIS KEGAGALAN BODI POMPA BAJA NITRIDING
Nusin Samosir, Yusuf Nampira dan Basuki AgungP2TBDU – BATAN ABSTRAK
Telah dilakukan analisis kegagalan bodi pompa baja nitriding (baja X2CrNiMoN1814, 14429) yang permukaannya dikeraskan dengan cara nitridasi dengan garam ammoniak. Kegagalan bodi pompa setelah digunakan selama 3600 jam (150 hari) yahg digerakkan pada tekanan 200-250 atm dan temperatur 42-1400C. Analisis kegagalan dilakukan dengan cara fraktografi dan analisis
komposisi kimia dengan X-ray fluoresence. Hasil analisis fraktografi menunjukkan adanya tanda chevron dan beach mark pada permukaan patahan yang merupakan ciri sumber kegagalan karena adanya inklusi, hasil analisis komposisi kimia menunjukkan bahwa kegagalan bersumber dari terjadinya konsentrasi inkusi MnS pada permukaan pipa bagian dalam pada saat proses pabrikasi bodi pompa baja nitriding tersebut. Jadi kegagalan bodi pompa baja nitriding adalah karena kelelahan (fatigue) yang sumber kegagalan karena adanya konsentrasi inklusi MnS pada permukaan pipa dalam pada saat proses /pengecoran bodi pompa baja nitriding tersebut.
Kata kunci : fraktrografi, fatik, inklusi, X-ray, fluoresen
ABSTRACT
Failure Analysis on the nitridized steel body pump. A fiailura analysis for conducted on the body pump (steel X2CrNiMoN1814, 14429), which was nitride hardening by an ammonium salt. The pump was broken when it has been operated for 3600 hours (150 days) at the normal operating condition, i.e. at pressure and temperature of 200 – 250 atm and 42 – 140oC, respectively. The
failure was analyzed through fractography and chemical composition analysis by X-ray fluorescence. The fractographic results showed that the chevron and beach marks, which are indicators of failure due to inclusions, present at the surface of the broken area. The chemical composition analysis gave information that the source of failure came from the present of concentrated MnS inclusions in the inner surface of the pipe, which is predicted to occur during the fabrication process. Thus, the failure was a result of fatigue, where the source of failure came from the present of MnS inclusions in the inner surface.
Key words : Fractography, fatigue, inclusions, x-ray fluorescence.
PENDAHULUAN
egagalan alat dalam proses produksi sangat mempengaruhi kinerja suatu perusahaan/pabrikan dalam memenuhi permintaan mitra kerja dan pelanggan dalam memproduksi suatu produk setengah jadi yang menjadi bahan baku bagi mitra kerja dan pelanggan yang lain. Demikian halnya salah satu perusahaan yang memproduksi butir-butir plastik yang merupakan bahan baku bagi mitra kerjanya yang berlokasi di kawasan industri di propinsi Banten. Mesin produksi butir-butir plastik polietilen mengalami kerusakan pada Bodi pompa yang terbuat dari baja nitriding.
K
Bodi pompa dikenal dengan baja X2 CrNiMoN1814 (1.4429) yang permukannya
dikeras dengan cara nitriding dengan garam ammoniak. Bodi pompa ini digerakkan pada 200-250 atm pada temperatur 42 - 140 oC. Bodi
pompa diganti setelah operasi 3600 jam (150 hari) karena terjadinya retakan pada bagian tanpa beban seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Dari kegagalan ini ingin diketahui penyebab kegagalan / kerusakan Bodi pompa tersebut karena umur pemakaian relatif sangat cepat rusak.
Guna mengetahui penyebab kerusakan tersebut dilakukan pemeriksaan fraktografi dengan camera digital Sony P-10 yang dikombinasikan dengan perangkat lunak adove photoshop dan analisis komposisi kimia. dengan X-ray fluoresece
Bahan
Bahan adalah Baja Nitriding X2 CrNiMoNi1814 (1.4429) dengan komposisi
seperti dalam Tabel 1. dengan diameter 241,3 mm dan diameter lobang pipa 50 mm dan berat 500 kg.
Tabel 1. Komposisi Kimia ( dalam %)
Fe Mn Ni Cr Si C V S P Mo
95,67 0,50 O,10 1,61 0,19 0,45 0,01 0,004 0,009 0,19
Gambar 1. Mesin dan lokasi patahan bodi pompa
Peralatan
1. Camera digital sony P-10
Karena sampel besar dan sulit dipotong maka fotogradi dilakukan dengan camera digital, karena tidak dapat difotografi dengan mikroskop optik dan Scanning Electron Microscope
2. Komputer dan solfware adove photoshop 3. X-ray fluoresence
Untuk analisis komposisi kimia.
Tata Kerja
1. Fotografi dengan camera digital permukaan patahan bodi pompa dengan dan tanpa di zoom
2. Analisis komposisi kimia dengan x-ray fluoresen yang diambil dari daerah matriks dan pada inklusi dengan cara dikerok. Hasil analisis komposisi kimia dapat dilihat pada Tabel 1 dan 2 serta Gambar 6 dan 7.
4. Hasil fotografi diedit dengan solfware adove photosop baik untuk memperbesar maupun memperkecil gambar.
5. Dianalisis morfologi retakan dan komposisi kimia
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil
Hasil fraktografi dapat dilihat pada Gambar 2 tampak bahwa sumber kegagalan dari pipa lapis dalam (tanda panah S) kemudian membentuk Chevron sebagai reaksi dari pema nasan pada saat operasi dan pendinginan saat tidak operasi yang ditandai dengan zona fatique (ZF) dan akhirnya dipermukaan bodi pompa terjadi retakan. Yang ditandai dengan masuknya polietilen (PE) yang yang berwarna hitam. Selanjutnya terjadi zona transisi kombinasi fatik dan retakan ( ZT) yang mengakibatkan tanda pantai ( beach mark)yang diperlihatkan pada Gambar 3. Gambar 4. adalah permukaan yang sudah dibersihkan dengan aceton akan tetapi pada daera inklusi masih tersisa polietilen. Pada Tabel 1 adalah komposisi kimia baja bodi pompa dan Tabel 2 hasil analisis komposisi daerah matrik dan daerah inklusi sedangkan Gambar 5 dan 6 adalah Gambar intensitas spektrum daerah matriks dan daerah inklusi.
Gambar 2. Bentuk penampang permukaan patahan bodi pompa
Gambar 3. Inklusi dan tanda chepron dan beacmark
Pembahasan
Dari gambar patahan bodi pompa (Gambar 2 dan 3) terlihat bahwa rusak/gagal karena fatik (tanda chevron & beachmark). Pada gambar tersebut menunjukkan adanya inklusi pada daerah yang berdekatan dengan pipa pelapis dalam. Dilihat dari rambatah retakan tampak inklusi ini sebagai sumber patahan(tanda panah S). Inklusi ini memberikan tegangan internal dan kemungkinan inklusi mempunyai unsur melting point yang rendah sehingga terjadi kombinasi tegangan dan hot shortness setempat (penggetasan karena panas).
Retakan merambat dari Inklusi ke zona fatik (ZC) kemudian ke zona transisi(ZT) pada tahap ini, sumber merambat dari ¼ lingkaran luar pipa dalam bersamaan dengan terjadinya retakan sekunder hingga kepermukaan bodi pompa (> ¾ permukaan pompa).
Dengan semakin melebarnya retakan, pada permukaan bodi pompa, pelastik polietilen (PE) masuk ke rongga retakan yang ditandai dengan warna hitam di keliling bodi pompa (> ¾ permukaan rotor pada Gambar 2 dan 3). Semakin lebarnya retakan, menyebabkan beban puntir (dari putaran motor) dan bodi pompa ikut memutar pipa dalam, sehingga permukaan pipa yang bersentuhan dengan sumber retakan (tanda S) dari bodi pompa “ patah”. Hal ini diikuti dengan perubahan bentuk pipa menjadi lonjong dan secara bersamaan cairan pelastik polietilen memasuki celah antara pipa dalam dan bodi pompa. Dan pada akhirnya bodi pompa putus sedangkan pipa dalam semakin berubah bentuk karena puntiran; pada saat patah dapat dilihat permukaan patahannya yang ditandai dengan zona kontinu.(continous zone, ZC ).
Gambar 5. Hasil Analisis Komposisi kiama ( matriks) Secara Kwalitiatif
Gambar 6. Hasil Analisis Komposisi kimia ( Inklusi) Secara Kwalitiatif
Gambar 4. Gambar permukaan bodi pompa setelah dibersihkan
Analisis Komposisi Kimia
Untuk mengetahui komposisi inklusi yang diduga sebagai sumber kerusakan/kegagalan dilakukan analisis komposisi kimia dengan X-ray fluorescence pada daerah matriks dan daerah inklusi. Hasil analisis komposisi kimia dari cuplikan matriks dan cuplikan inklusi dapat dilihat pada Tabel 2 dan Gambar 5 dan 6 spektrum unsur-unsur kedua cuplikan.
Tabel 2. Komposisi unsur berdasarkan intensitasnya
Unsur Daerah matrikIntensitasInklusi
S - 18,37
Mn 2,18 1,18
Intensitas dari unsur dalam inklusi menunjukkan adanya kandungan sulfur lebih tinggi dibandingkan dengan kandungannya dalam matrik. Disamping kandungan Mn pada inklusi lebih rendah dari daerah matrik. Keadaan tersebut menunjukkan bahwa senyawa inklusi tersebut adalah MnS yang meleleh pada temperatur 100 oC.
KESIMPULAN
Terjadinya Kegagalan Bodi pompa (Rotor Melt Pump Y-7004) adalah karena kelelahan (fatique) yang bersumber dari konsentrasi inklusi MnS pada permukaan pipa dalam membuat daerah insitu menjadi lemah karena hot shortness (penggetasan karena panas) dari unsur S yang temperatur lelehnya rendah. Terjadinya inklusi diduga pada saat pengecoran ( casting ) bodi pompa tersebut.
DAFTAR PUSTAKA
1. ASM Metal Handbook “ Failure Analysis And Prevention “, 9th Ed., Metal Park, Ohio
1987
2. SISWOSUWARNO M, Penerapan Efektif Metoda Analisis Kegagalan, Pertemuan Ilmiah Iptek Bahan Puspiptek Serpong 22-23 Oktober 2002.
3. BARGEL H.J., SCHULZE, Werkstoffkunde, VDI-Verlag GmbH, Duesseldorf, 1983 4. DIETER G.E.Jr., Mechanical metallurgy,
Mc.Graw Hill Book Inc. New York 1961’
TANYA JAWAB Tumpal P.
Bagaimana caranya agar bodi pompa baja nitriding lebih tahan terhadap kegagalan tersebut?
Apa yang memulai proses terjadinya kegagalan tersebut?
Proses apa yang dilakukan untuk menghindari kegagalan tersebut?Nusin Samosir
Caranya pipa dalam bodi pompa sebelum dicor terlebih dahulu dibersihkan/dipikling agar terhindar dari kontaminasi penyebab inklusi yang merupakan sumber kegagalan.
Yang memulai proses terjadinya kegagalantersebut adalah inklusi MnS yang titik leburnya < dari 100 0C sementara alat
bekerja sampai temperatur 142 0C, sehingga
terjadi penggetasan (hotshortes).
