53
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Histori Kerusakan Refractory Sealpot PLTU Unit 2
Berdasarkan data pareto loss output tahun 2018, PLTU Tenayan Unit 2 mengalami kerusakan refractory sebanyak 3x sehingga menyebabkan munculnya titik hotspot pada surface casing sealpot boiler. Hotspot pada surface sealpot dapat menyebabkan crack atau deformasi casing sealpot. Dari data XRF tahun 2017, material casing sealpot adalah low alloy carbon steel. Berdasarkan referensi API RP 530, bahwa limiting design metal temperature carbon steel adalah 540 °C, ketika casing sealpot diberikan temperatur yang tinggi maka akan sangat berpengaruh terhadap laju penurunan modulus elastisitas, kekuatan leleh dan kekuatan tarik yang maksimum apabila diberi temperature yang semakin tinggi.
Guna mengatasi temperature casing sealpot tidak semakin tinggi, maka PLTU Tenayan Unit 2 harus shutdown untuk melakukan perbaikan refractory.
Selama tahun 2018, PLTU Tenayan Unit 2 mengalami kerugian kerugian finansial sebesar Rp 120.358.342.000,00.
Tabel 4.1 Deskripsi Pareto Loss Output PLTU Tenayan Unit 2 Tahun 2018
NO TANGGAL PROBLEM DAMPAK ACTION PARETO LOSS
OUTPUT (kWh)
1 18-01-2018 Kerusakan Refractory
Hotspot Sealpot 605 ºC
Perbaikan
Refractory Sealpot 34.543.670
2 01-02-2018 Kerusakan Refractory
Hotspot Sealpot 557 ºC
Perbaikan
Refractory Sealpot 23.527.170
3 22-06-2018 Kerusakan Refractory
Hotspot Sealpot 659 ºC
Perbaikan
Refractory Sealpot 34.512.500 Total Loss Output 92.583.340 Kerugian Finansial = (Total Loss Output x Harga per kWh)
= 92.583.340 kWh x Rp 1300 = Rp 120.358.342.000, 00
Tabel 4.2 Data Visual Cek dan Thermography Sealpot Tahun 2018
NO TANGGAL
KEJADIAN DESKRIPSI SURFACE TEMPERATURE CASING SEALPOT
VISUAL CEK INSIDE SEALPOT PASCA UNIT
SHUTDOWN 1 18-01-2018 Hotspot
Sealpot 605 ºC
2 01-02-2018 Hotspot Sealpot 557 ºC
3 22-06-2018 Hotspot Sealpot 659 ºC
Gambar 4.1 Grafik Inlet Temperature vs Surface Temperature
0 200 400 600 800 1000
18 Januari 2018 01 Februari 2018 22 Juni 2018 Inlet Temperatur Sealpot Surface Temperatur Sealpot
(°C)
927 °C 932 °C 956 °C
659 °C 557 °C
605 °C
Gambar 4.2 Area Sealpot Yang Mengalami Hotspot
4.2 Validasi Kerusakan Refractory Berdasarkan Perhitungan Thermal.
Gambar 4.3 Sirkit Thermal Didalam Sealpot Keterangan Gambar 4.3 :
T∞1 : Temperatur Flue Gas Sealpot (°C)
T1 : Temperatur Surface Wearable Castable (°C) T2 : Temperatur Surface Thermal Castable (°C) T3 : Temperatur Surface Insulant Castable (°C) T4 : Temperatur Surface Ceramic Blanket (°C) T5 : Temperatur Surface Carbon Steel (°C) T6 : Temperatur Surface Dinding Sealpot (°C)
h1 : Convection Heat Transfer Coefficient (W/m2.°K)
h2 : Conduction Heat Transfer Coefficient Wearable Castable (W/m2.°K) h3 : Conduction Heat Transfer Coefficient Thermal Castable (W/m2.°K) h4 : Conduction Heat Transfer Coefficient Insulant Castable (W/m2.°K) h5 : Conduction Heat Transfer Coefficient Ceramic Blanket (W/m2.°K) h6 : Conduction Heat Transfer Coefficient Carbon Steel (W/m2.°K) r1 : Jari – Jari Dimensi Flue Gas (m)
r2 : Jari – Jari Dimensi Flue Gas + Wearable Castable (m) r3 : Jari – Jari Dimensi Flue Gas + Thermal Castable (m) r4 : Jari – Jari Dimensi Flue Gas + Insulant Castable (m) r5 : Jari – Jari Dimensi Flue Gas + Ceramic Blanket (m) r6 : Jari – Jari Dimensi Flue Gas + Carbon Steel (m) Tabel 4.3 Lapisan Material Insulasi Sealpot
Material Thickness (m)
Thermal Conductivity (k)
(W/m.°K)
Jari – Jari (r) (m) 0,705 (r1) Wearable Castable 0,1 1,5 (k1) 0,805 (r2) Thermal Castable 0,12 0,16 (k2) 0,925 (r3) Insulant Castable 0,16 0,12 (k3) 1,085 (r4) Ceramic Blanket 0,02 0,12 (k4) 1,105 (r5) Carbon Steel 0,01 54 (k5) 1,115 (r6) Berikut perhitungan kondisi refractory saat normal operasi :
Temperatur Flue Gas Sealpot (T∞1) = 930 °C
Temperatur Surface Wearable Castable (T1) = 927 °C
Temperatur Normal Casing Sealpot (T6) = 103 °C
Berdasarkan tabel Physical Properties of Air at Atmospheric Pressure, Pada temperatur T = 927 °C = 1200 °K didapatkan nilai
𝜇 (Dynamic Viscosity) = 473 𝑥 10−7= 0,0000473 𝑁. 𝑠/𝑚2
𝜌 (𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦) = 0,2902 𝑘𝑔/𝑚3
𝑃𝑟 (𝑃𝑟𝑎𝑛𝑑𝑡𝑙 𝑁𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟) = 0,728
Berdasarkan grafik manual book boiler dongfang, bahwa air flow sebesar 168407 Nm3/h dengan bed temperature sebesar 872,92 °C didapatkan velocity boiler sebesar 3,8 m/s.
Asumsi ketinggian area hotspot adalah 1 meter.
Menghitung Nilai 𝑅𝑒
𝑅𝑒 =𝜌 . 𝜐 . 𝐿 𝜇
𝑅𝑒 =0,2902 . 3,8 . 1 0,0000473 𝑅𝑒 = 23314,16 Keterangan :
𝑅𝑒 : Reynold Number 𝜌 : Density (𝑘𝑔/𝑚3) 𝜐 : Velocity (m/s)
𝐿 : Linier Dimension (m)
𝜇 : Dynamic Viscosity (𝑁. 𝑠/𝑚2)
Menghitung nilai ℎ1 𝑁𝑢 = 𝑘ℎ1
⁄𝐿 ℎ1 =𝑁𝑢 . 𝑘
𝐿
ℎ1 =
(0,0296 . 𝑅𝑒 45 . 𝑃𝑟 13) . 𝑘
𝐿
ℎ1 =
(0,0296 . 23314,16 45 . 0,728 13) . 1,5 1
ℎ1 = 124,601 𝑊 𝑚⁄ 2 . °𝐾 Keterangan :
𝑁𝑢 : Nusselt Number
ℎ1 : Convection Heat Transfer Coefficient (𝑊 𝑚2
⁄ . °𝐾) 𝑘 : Thermal Conductivity Wearable Castable (𝑊 𝑚⁄ . °𝐾)
𝐿 : Linier Dimension (m) 𝑅𝑒 : Reynold Number 𝑃𝑟 : Prandtl Number
Menghitung nilai heat flux convection (𝑞̇𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑘𝑠𝑖)
= ℎ1 . ( 𝑇∞1 − 𝑇1 )
= 124,601 . (930 − 927)
= 467,877 W/𝑚2
Menghitung nilai Conduction Heat Transfer Coefficient (h2 sampai h6) ℎ2 = 𝑟1
𝑘1 . 𝐿𝑛 𝑟2
𝑟1 = (0,705
1,5 . 𝑙𝑛 0,805
0,705) = 0,0623 𝑊 𝑚⁄ 2 . °𝐾 ℎ3 = 𝑟1
𝑘2 . 𝐿𝑛 𝑟3
𝑟2 = (0,705
0,16 . 𝑙𝑛 0,925
0,805) = 0,6122 𝑊 𝑚⁄ 2 . °𝐾 ℎ4 = 𝑟1
𝑘3 . 𝐿𝑛 𝑟4
𝑟3 = (0,705
0,12 . 𝑙𝑛 1,085
0,925) = 0,9373 𝑊 𝑚⁄ 2 . °𝐾 ℎ5 = 𝑟1
𝑘4 . 𝐿𝑛 𝑟5
𝑟4 = (0,705
0,12 . 𝑙𝑛 1,105
1,085) = 0,1073 𝑊 𝑚⁄ 2 . °𝐾 ℎ6 = 𝑟1
𝑘5 . 𝐿𝑛 𝑟6
𝑟5 = ( 0,705
54 . 𝑙𝑛 1,115
1,105) = 0,0001 𝑊 𝑚⁄ 2 . °𝐾
Menghitung Overall Heat Transfer Coefficient (U)
𝑈 = 1
ℎ1 + ℎ2+ ℎ3+ ℎ4+ ℎ5+ ℎ6 = 0,582 𝑊 𝑚⁄ 2 . °𝐾
Heat Flux Konduksi (𝑞̇𝐾𝑜𝑛𝑑𝑢𝑘𝑠𝑖) :
= (𝑇1 − 𝑇6) . 𝑈
= (927 − 80) ∗ 0,582
= 492,628 W/𝑚2
Perhitungan T2
𝑇2 = 𝑇1− (
𝑞̇𝐾𝑜𝑛𝑑 . 𝑟1 . ln𝑟2 𝑟1
𝑘1 )
𝑇2 = 927 − (
492,628 . 0,705 . ln0,805 0,705
1,5 )
𝑇2 = 897,122 °𝐶
Perhitungan T3
𝑇3 = 𝑇2− (
𝑞̇𝐾𝑜𝑛𝑑 . 𝑟1 . ln𝑟3 𝑟2
𝑘2 )
𝑇3 = 897,122 − (
492,628 . 0,705 . ln0,925 0,805
0,16 )
𝑇3 = 603,701 °𝐶
Perhitungan T4
𝑇4 = 𝑇3− (
𝑞̇𝐾𝑜𝑛𝑑 . 𝑟1 . ln𝑟4 𝑟3
𝑘3 )
𝑇4 = 603,701 − (
492,628 . 0,705 . ln1,085 0,925
0,12 )
𝑇4 = 154,50 °𝐶
Perhitungan T5
𝑇5 = 𝑇4− (
𝑞̇𝐾𝑜𝑛𝑑 . 𝑟1 . ln𝑟5 𝑟4
𝑘4 )
𝑇5 = 154,50 − (
492,628 . 0,705 . ln1,105 1,085
0,12 )
𝑇5 = 103,07 °𝐶
Perhitungan T6
𝑇6 = 𝑇5− (
𝑞̇𝐾𝑜𝑛𝑑 . 𝑟1 . ln𝑟6 𝑟5
𝑘5 )
𝑇6 = 103,07 − (
492,628 . 0,705 . ln1,115 1,105
54 )
𝑇6 = 103,01 °𝐶
Gambar 4.4 Grafik Heat Transfer Refractory Sealpot
Dari perhitungan diatas, didapatkan grafik heat transfer masing masing layer refractory sealpot. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa ketika inlet flue gas sealpot di kisaran 930 °C, maka dalam kondisi normal operasi surface temperatur casing sealpot adalah 103 °C.
Jika melihat data thermography tanggal 18 Januari tahun 2018, terdapat selisih antara temperatur flue gas dan temperatur casing sealpot sebesar 322 °C.
Hal ini dapat disimpulkan melalui grafik heat transfer, bahwa refractory di area sealpot sudah mengalami kerusakan sampai dengan lapisan insulant castable.
Wearable Castable Thermal Castable Insulant Castable
Ceramic Blanket
Casing Sealpot
Flue Gas
4.3 Validasi Kerusakan Menggunakan Simulasi CPFD.
Simulasi CPFD adalah simulasi dimana pergerakan partikel solid dan fluida sama-sama bersifat dominan. Simulasi CPFD lebih sesuai untuk analisa aliran di boiler CFB karena fraksi partikel cukup besar dan dapat mempengaruhi aliran fluida. Pada tahapan awal pemodelan, masukkan ekstaksi data input dari data operasi boiler (Tabel 4.4) dan rises (Tabel 4.5) pada beban maksimum di 110 MW.
Tabel 4.4 Data Operasi Boiler Di Daerah Furnace Bed
Tabel 4.5 Data Operasi Boiler Di Daerah Riser
Langkah selanjutnya membuat geometri boiler dimana geometri sealpot disederhanakan menjadi penampang bujur sangkar karena keterbatasan jumlah meshing pada domain simulasi. (Gambar 4.5)
Gambar 4.5 Geometri Boiler PLTU Tenayan
Setelah mendapatkan geometri, kemudian menentukan nilai syarat batas diambil berdasarkan data operasi. Hal ini dapat dilihat pada gambar 4.6.
Gambar 4.6 Boundary Simulasi Boiler CFB PLTU Tenayan
Setelah dilakukan boundary, tahapan selanjutnya adalah melakukan iterasi pada pemodelan hingga didapatkan hasil yang konvergen. Dari hasil simulasi dapat dilihat bahwa pergerakan partikel menunjukkan bahwa pasir bed material memiliki sirkulasi partikel yang sangat besar. Karakteristik pasir bed material mendekati kondisi aerable, dimana pasir terlalu mudah terbawa aliran. Karakter aerable pada pasir bed material akan sangat mempengaruhi karakter fluidized bed boiler, kondisi ini menyebabkan abrasi yang merata pada boiler (Gambar 4.7).
Gambar 4.7 Sirkulasi Partikel Pasir Bed Material Boiler PLTU Tenayan Abrasi pada penggunaan pasir bed material terjadi pada area yang lebih luas berdasarkan kontur volume seperti ditunjukkan pada Gambar 4.8.
Gambar 4.8 Indeks Abrasi Pada Boiler PLTU Tenayan
Distribusi tekanan pada penggunaan pasir bed material pada Gambar 4.9 memiliki selisih tekanan yang tinggi pada daerah sealpot. Fraksi pasir yang tinggi menyebabkan kenaikan hambatan aliran yang tinggi.
Gambar 4.9 Distribusi Tekanan Boiler PLTU Tenayan
Simulasi aliran khusus di daerah sealpot dilakukan untuk mengetahui beban yang terjadi di dalam sealpot. Gambar 4.10 menunjukkan geometri dan meshing di sealpot yang lebih akurat.
Gambar 4.10 Geometri Dan Meshing Di Sealpot
Syarat batas diambil dari ekstrak data di penampang sebelum dan sesudah sealpot, pada simulasi sebelumnya (Gambar 4.11).
Gambar 4.11 Boundary Simulasi Aliran Di Sealpot
Hasil simulasi menunjukkan bahwa partikel dengan ukuran kecil banyak yang tertinggal di dasar sealpot dan terjadi penumpukan partikel di dasar sealpot sebesar 56% selama 500 detik (Tabel 4.6).
Tabel 4.6 Keseimbangan Partikel Pasir di Sealpot
Kondisi ini akan menghambat sirkulasi aliran partikel, termasuk partikel batu bara, residence time partikel yang lebih lama, dan dapat menyebabkan terjadi penyumbatan dan overheating pada daerah tersebut. Pada Gambar 4.12a menunjukkan bahwa pasir tertinggal di dasar sealpot sedangkan gambar 4.12b.
menunjukkan indeks abrasi yang rendah.
Gambar 4.12 Hasil Simulasi Sealpot : a). Aliran Partikel, b). Indeks Abrasi Berdasarkan data operasional boiler PLTU Tenayan pada kondisi beban 110 MW, bahwa flow udara yang digunakan untuk proses bubbling sebesar 168497 Nm3/h dengan bed temperatur sebesar 872 °C (Gambar 4.13)
(a) (b)
Gambar 4.13 Data operasi PLTU Tenayan Pada Beban 110 MW
Untuk mengetahui nilai velocity yang terjadi di dalam furnace boiler, maka digunakan grafik hubungan antara air flow to bed terhadap velocity dan bed temperature. Dari grafik tersebut dapat disimpulkan bahwa velocity yang ada di sistim boiler CFB Tenayan di kisaran 3,8 m/s (Gambar 4.14)
Gambar 4.14 Velocity PLTU Tenayan Pada Beban 110 MW
Berdasarkan referensi buku Prof. Prabir Basu perihal velocity ideal yang terjadi pada boiler CFB di kisaran 4 – 6 m/s (Tabel 4.7). Jika melihat nilai velocity boiler PLTU Tenayan saat beban 110 MW (Gambar 4.14), maka velocity boiler PLTU Tenayan sudah termasuk ke dalam regime fluidizing CFB Boiler
Tabel 4.7 Comparasion of Fluidized Bed With Other Types of Boilers
Sumber : P. Basu, S.A. Fraser, Circulating Fluidized Bed Boilers, Springer, 1991.
Dikarenakan velocity boiler sudah sesuai, maka boiler CFB di PLTU Tenayan tidak memiliki potensi abrasi yang terlalu kritis. Potensi kegagalan operasi justru ditimbulkan oleh overhating di sealpot karena terjadi penumpukan pasir dan menyebabkan residence time yang besar pada partikel batu bara. Overheating di sealpot dapat berpotensi menyebabkan kerusakan refractory.
4.4 Analisa Permasalahan
Metode yang dipakai untuk mencari akar permasalahan adalah dengan Fish Bone Diagram. Dari beberapa mode penyebab kerusakan, peneliti melakukan identifikasi semua kemungkinan penyebab & masing-masing penyebab diidentifikasi sampai dengan ditemukan penyebab awalnya. Tahapan selanjutnya adalah melakukan verifikasi setiap akar penyebab dan menentukan akar penyebab yang sesungguhnya.
Akar penyebab yang sudah didapatkan akan dilakukan analisa agar dapat menghasilkan failure defense task untuk mengatasi, menghilangkan dan meminimalisasi kegagalan agar tidak terjadi lagi.
Gambar 4.15 Fishbone Diagram Kerusakan Refractory Sealpot
Bedasarkan fish bone diagram, kerusakan refractory sealpot disebabkan oleh dua hal yaitu karena kegagalan material refractory dan pengaruh temperatur yang ada di dalam sealpot. Penjelasan fishbone diagram akan dibahas pada sub bab dibawah ini.
4.4.1 Choice and Mixing Refractory.
Berdasarkan manual instruction dari Dongfang Boiler Group Co. Ltd, Drawing no. 29H8321-23 Lining Detail of Circumfluence Fitting, konfigurasi refractory dapat disampaikan sebagai berikut :
Gambar 4.16 Konfigurasi Refractory Inlet U – Valve Sealpot Boiler
Flue Gas Surface
Sealpot
Sesuai dengan kondisi di lapangan yang ditunjukkan di gambar 4.17 mengindikasikan bahwa pemasangan refractory tidak mengikuti kaidah seperti yang ada di gambar 4.6. Terdapat material glass wool yang terpasang di inlet u- valve sealpot boiler pada permukaan steel casing. Sedangkan berdasarkan manual instruction, pada titik tersebut yang terpasang seharusnya adalah Ceramic Blanket.
Dengan adanya hal tersebut maka hal ini berpotensi menyebabkan rendahnya kekuatan refractory yang terpasang pada daerah tersebut dan menyebabkan refractory rentan untuk pecah, terutama di daerah “overhead”.
Gambar 4.17 Pemasangan Tidak Mengikuti Kaidah Manual Instruction 4.4.2 Surface Preparation
Berdasarkan Manual Instruction, surface preparation dibagi menjadi steel surface preparation, refractory surface preparation dan refractory interlayer surface preparation. Construction notes untuk refractory daerah sealpot dapat dijabarkan sebagai berikut :
Sebelum melakukan pemasangan refractroy, pastikan permukaan plat sealpot sudah dibersihkan.
Semua permukaan logam yang kontak dengan refractory di lapisi dengan aluminium – silicate refractory fiber (ASRF) ketebalan 2 mm.
Pemasangan wearable castable dibuat per segmen dengan ukuran 600 – 800 mm.
Jarak antar segmen diberi jarak pemuaian sekitar 2 mm dengan aluminium – silicate refractory fiber (ASRF) ketebalan 2 mm.
Sebelum pemasangan wearable castable, anchor harus dilapisi oleh asphaltum dengan ketebalan 1 – 2 mm.
Antar layer diberikan jarak pemuaian sekitar 3 mm dengan aluminium – silicate refractory fiber (ASRF) ketebalan 4 mm.
Diantara lapisan thermal castable dan no-asbestos calcium-silicate di beri kertas minyak untuk menyerap air.
Diameter anchor sebesar 6 mm dengan material SA-479GR309S.
Aturan pemasangan dari vendor boiler menunjukkan metode pemasangan refractory yang dianjurkan. Mulai dari surface preparation, pemasangan anchor, pemasangan material ekspansi, maupun bentuk dari ekspansi. Aturan vendor ini sudah sesuai dengan best practice pemasangan refractory untuk boiler CFB.
Sehingga penerapan di lapangan jika menerapkan aturan tersebut, akan memberikan service life yang cukup panjang untuk refractory.
Selain aturan tertulis, ditunjukkan juga gambar pemasangan. Hal ini memperjelas lokasi dan bentuk pemasangan untuk setiap titik yang memiliki karakteristik berbeda.
Dari gambar terlihat dimensi maupun bentuk dari refractory. Seperti terlihat di gambar 4.16, terdapat berbagai jenis refractory dengan ketebalan masing- masing yang berbeda. Hal ini menyesuaikan dengan kebutuhan lingkungan kerja, maupun kontur geometri sealpot. Dapat terlihat di gambar, ketebalan lapisan wearable castable adalah 100 mm. Namun, penerapan di lapangan menunjukkan hal yang berbeda. Gambar 4.18 menunjukkan ketebalan refractory yang terpasang mencapai lebih dari 130 mm. Perbedaan ketebalan ini menyebabkan kenaikan beban kerja yang disebabkan oleh naiknya berat refractory. Karena tingginya berat, maka potensi terjadinya keretakan dan kerusakan refractory meningkat.
Gambar 4.18 Ketebalan Wearable Castable Sealpot
4.4.3 Installation Method Refractory
Pada perbaikan refractory tanggal 28 Juni 2018, digunakan refractory repair jenis corundum dengan spesifikasi sesuai tabel 4.8 sebagai berikut :
Tabel 4.8 Spesifikasi Refractory Repair Dari EPC Contractor
Refractoriness > 1790 oC
Temperature > 1500 oC
Bulk Density (after drying) 2800 kg / m3
Plastic Index 25 to 40 %
Thermal Conductivity (hot surface 1000 oC) > 1.5 W / m.K
Porosity < 17 %
The rate of change line (815 oC ~ 1100 oC) 0 ~ -0.2 %
Compressive Strength (110 oC) > 65 Mpa (815 oC) > 85 Mpa
(1100 oC) > 95 Mpa
Lanjutan
Flexural Strength (110 oC) > 10 Mpa (815 oC) > 15 Mpa (1100 oC) > 18 Mpa Thermal shock times (1000 oC water cooling) > 25 times
(1350 oC air cooled) > 50 times Abrasion resistance (ASTMC-704) < 8 cc
Use : boiler furnace water wall, platen superheater, platen reheaters and air inside the chamber at the top, which are pin area, sealpot and imported flue at the site has a pin
Berdasarkan data-data di tabel tersebut, refractory repair bisa digunakan sebagai metoda repair. Namun perlu diperhatikan metode mixing dan aplikasi pada sealpot. Metoda mixing yang digunakan Pihak EPC Contractor adalah menggunakan mesin mixer seperti terlihat pada gambar 4.19.
Gambar 4.19 Mesin Mixer Refractory Yang Digunakan EPC Contractor Mixing dengan mesin mixer relatif lebih menjamin homogenitas dari adonan refractory + binder, sehingga proses pencampuran akan lebih sempurna.
Namun pihak EPC Contractor kurang memperhatikan komposisi pencampuran.
Tidak adanya gelas ukur atau alat timbangan di lapangan menyebabkan komposisi masing-masing bahan kurang terukur. Hal ini berpotensi menyebabkan kurang homogennya refractory, sehingga mengurangi kekuatan refractory.
Pada saat proses pemasangan, pihak EPC Contractor menggunakan metode aplikasi manual dengan alat Hand Trowel. Hal ini diperbolehkan, meskipun kurang memadai dalam hal homogenitas campuran. Selain itu, tidak ada bekisting (frame cetak semen) pada proses pemasangan di lapangan. Dengan tidak adanya bekisting, maka ketebalan permukaan akan tidak rata. Mengingat bahwa kecepatan aliran di daerah sealpot cukup signifikan, maka ketidak-rataan permukaan akan menyebabkan rugi aliran yang berdampak pada terganggunya aliran di sealpot, maupun adanya takikan-takikan kecil sebagai pemicu awal kerusakan refractory.
Salah satu titik perbaikan ditunjukkan pada gambar 4.20.
Gambar 4.20 Contoh Perbaikan Refractory Yang Dilakukan EPC
Dari gambar terlihat bahwa pemasangan refractory kurang rata. Hal ini berdampak pada rugi aliran pada sealpot. Selain itu, tidak memperhitungkan laju ekspansi refractory. Hal ini dapat terlihat pada tidak adanya pemasangan lapisan ekspansi refractory 2 layer ASRF fiber felt, dan permukaan anchor tidak di lapisi dengan aspal sesuai dengan instruction notes vendor sealpot. Hal ini menimbulkan potensi keretakan pada temperatur tinggi yang berdampak pada kerusakan refractory.
Gambar 4.21 Metoda Perbaikan Refractory Sesuai Dengan Best Practices Sebaiknya pemasangan refractory baik baru maupun repair mengikuti aturan instruction notes, dan mengikuti kaidah-kaidah pemasangan refractory.
Salah satu contoh metoda perbaikan yang bisa digunakan adalah seperti pada gambar 4.21.
4.4.4 Anchor Design
Anchor design untuk sealpot PLTU Tenayan menggunakan plat dengan ketebalan 5 mm dan panjang 335 mm menggunakan material yang belum diketahui spesifikasinya, yang dikombinasikan dengan Rod berbentuk “Y”. Mengingat tidak ada spesifikasi yang jelas tentang material yang terpasang, maka tidak bisa diketahui ketahanan material yang dipergunakan, maupun metoda pengelasan (tipe pengelasan, jenis kawat las yang digunakan dan keahlian pemasangan yang diperlukan). Maka diperlukan uji komposisi kimia untuk melihat anchor yang dipergunakan dan melihat karakteristik ketahanan material pada pembebanan temperatur kerja.
Umumnya material yang digunakan pada boiler CFB sebagai anchor adalah SS 304, SS 316, Incoloy-800HT, dan Hayness-230. Pertimbangan pemilihan material berdasarkan pada kekuatan dan ketahanan pada temperatur kerja.
4.4.5 Installation Anchor Welding
Pengelasan Anchor pada Steel Casing memiliki pengaruh yang sangat dominan pada kekuatan refractory. Stabilitas refractory terutama pada posisi
“overhead” sangat dipengaruhi pada kekuatan anchor. Lepasnya Anchor dari Steel Casing akan menyebabkan rapuhnya refractory dan menyebabkan terjadinya fracture. Hal ini bisa terlihat pada gambar berikut :
Gambar 4.22 Kegagalan Pengelasan Anchor Pada Steel Casing
Dari gambar terlihat bahwa pengelasan anchor tidak sempurna (incomplete weld), dan pola patahan mengindikasikan anchor dan Steel Casing tidak menyatu (incomplete fusion). Anchor design untuk sealpot PLTU Tenayan menggunakan plat dengan ketebalan 5 mm. Berdasarkan standart SNI 03-1729-2000, dengan tebal
metal 5 mm maka didapatkan tebal mimimal las sudut sebesar 3 mm sepanjang pengelasan (L).
Tabel 4.13 Ukuran Minimal Las Sudut
Sumber : Standart SNI 03-1729-2000
Gambar 4.23 Design Fillet Weld Anchor
Dari pengamatan di lapangan, ketebalan pengelasan tidak merata dengan ukuran 1- 5 mm sehingga menyebabkan anchor mudah lepas sehingga tidak ada kekuatan penahan refractory dan menyebabkan refractory mudah lepas (spallation).
4.4.6 Mechanical Properties Refractory.
Refractory yang tersusun di dalam sealpot terdiri dari tiga lapisan. Lapisan pertama yang berhubungan langsung dengan flue gas adalah wearable castable.
Lapisan kedua adalah thermal castable, sedangkan lapisan ketiga adalah insulant castable. Masing masing lapisan refractory memiliki fungsi kandungan mechanical properties yang berbeda beda antar lapisannya sesuai dengan beban yang terjadi di dalam sealpot. Guna mengetahui kandungan mechanical properties pada refractory, maka bahan refractory harus dilakukan pengujian di laboratorium untuk didapatkan nilai yang akan dibandingkan dengan dengan technical data sheet. Nilai dari sifat mechanical properties dapat digunakan untuk melakukan analisa penyebab kegagalan refractory dari sisi material refractory.
Berikut perbandingkan nilai refractory hasil laboratorium dengan data manufacrture.
A. Lapisan Pertama (Wearable Castable) Tabel 4.9 Hasil Pengujian Wearable Castable
No Tested Items Test Method Unit Test Result Standart Manufacture
1 Bulk Density ASTM C-134
After drying at 1000 °C G/cm3 2,7 2,5 ~ 2,8
2 Cold Crushing Strength ASTM C-133
After firing at 1000 °C N/mm2 13,4 ≥ 20
3 Modulus of Rupture ASTM C-133
After firing at 1000 °C N/mm2 3,6 ≥ 2,5
4 Permanent Linier Change ASTM C-113
After firing at 1000 °C % 0 0 ~ (-0,2)
Berdasarkan hasil pengujian pada tabel 4.9, bahwa nilai Cold Crushing Strength jauh lebih rendah dari nilai standart manufacture, hal ini mengindikasikan bahwa refractory tidak mampu menahan beban yang tinggi seperti beban panas tinggi dan beban thermal shock sehingga refractory mengalami crack. Crack pada lapisan wearable castable membentuk kontur celah sehingga memudahkan pasir bed material masuk kedalam refractory lapisan kedua.
B. Lapisan Kedua (Thermal Castable) Tabel 4.10 Hasil Pengujian Thermal Castable
No Tested Items Test Method Unit Test Result Standart Manufacture
1 Bulk Density ASTM C-134
After drying at 1000 °C G/cm3 0,92 0,8 ~ 1
2 Cold Crushing Strength ASTM C-133
After firing at 1000 °C N/mm2 2,3 ≥ 1,5
3 Modulus of Rupture ASTM C-133
After firing at 1000 °C N/mm2 1,6 ≥ 2
Lanjutan
4 Permanent Linier Change ASTM C-113
After firing at 1000 °C % -0,1 0 ~ (-0,1)
Berdasarkan hasil pengujian pada tabel 4.10, bahwa nilai modulus of rupture lebih rendah dari nilai standart manufacture, hal ini mengindikasikan bahwa refractory tidak mampu menahan beban abrasi yang tinggi. Dikarenakan pada layer pertama sudah terjadi crack dan pasir bed material sudah masuk ke lapisan kedua, maka berpotensi terjadinya abrasi refractory yang mengakibatkan refractory cepat habis karena gesekan secara terus menerus.
C. Lapisan Ketiga (Insulant Castable) Tabel 4.11 Hasil Pengujian Insulant Castable
No Tested Items Test Method Unit Test Result Standart Manufacture
1 Bulk Density ASTM C-134
After drying at 1000 °C G/cm3 0,3 0,5 ~ 0,6
2 Cold Crushing Strength ASTM C-133
After firing at 1000 °C N/mm2 3,7 ≥ 0,4
3 Modulus of Rupture ASTM C-133
After firing at 1000 °C N/mm2 1,5 ≥ 2
4 Permanent Linier Change ASTM C-113
After firing at 1000 °C % 1 0 ~ (-0,2)
Berdasarkan hasil pengujian pada tabel 4.11, bahwa nilai bulk density lebih rendah dari nilai standart manufacture, hal ini mengindikasikan bahwa refractory lebih ringan dan berongga dibanding dengan layer pertama dan kedua. Hal ini di perparah dengan nilai modulus of rupture dan permanent linier change yang juga rendah. Dampak dari hal tersebut adalah volume refractory tidak stabil dan tidak mampu menahan beban abrasi dari bed material sehingga refractory mudah menjadi rapuh dan bed material mudah menembus ke lapisan berikutnya yaitu ceramic blanket dan kontak langsung dengan carbon steel. Hal ini yang menjadi penyebab terjadinya hotspot pada casing sealpot.
4.4.7 Ekpansi Thermal Antara Refractory Dan Metal
Material refractory memiliki koefisien ekspansi thermal yang berbeda dengan koefisien ekspansi thermal metal (casing dan anchor). Manufacture boiler Dongfang sudah menyebutkan pada Manual Instruction beberapa tindakan yang diperlukan untuk memfasilitasi perbedaan ekspansi thermal ini. Diantaranya adalah pelapisan aspal pada permukaan steel dan anchor, serta membungkus dengan Alumunium-Silicate Refractory Fiber (ASRF) Felt 2 mm. Dengan menggunakan metoda ini diharapkan bisa memfasilitasi ekspansi thermal terutama pada material anchor dan steel yang terjadi pada saat diaplikasikan pada temperatur operasi.
Pada program pemeliharaan refractory tanggal 28 Juni 2018, tidak ditemukan adanya pelapisan aspal setebal 2 mm pada anchor. Hal ini bisa menyebabkan timbulnya crack akibat perbedaan ekspansi thermal antara anchor dan refractory.
4.4.8 Pemuaian Refractory
Disintegrasi pada refractory dapat terjadi akibat thermal stress yang diakibatkan oleh perbedaan koefisien ekspansi antara binder dan aggregat. Untuk memfasilitasi ini, pada saat instalasi refractory, dibagi menjadi beberapa segmen dengan ukuran expand - gap diatur sebesar 2 mm mengikuti kontur atau mengikuti sumbu dengan jarak antar segmen adalah sebesar 600 ~ 800 mm. Expand-gap ini diisi menggunakan 2 Alumunium - Silicate Refractory sepanjang arah lebar dan panjang dengan berbentuk “T”. Namun pada aplikasi di lapangan, aturan ini tidak sepenuhnya diikuti, menyebabkan timbulnya crack akibat thermal stress pemuaian refractory, seperti terlihat pada gambar 4.14. berikut :
Gambar 4.24 Keretakan Akibat Thermal Stress Pemuaian
4.4.9 Proses Curing Dan Dry-Out Refractory
Curing merupakan proses mengontrol laju dan tingkat hilangnya moisture dari refractory. Curing membutuhkan perhatian khusus terutama proses curing insitu dimana kondisi lingkungan lebih susah untuk dikontrol. Refractory sebaiknya dilakukan curing setelah pemasangan, namun sebelum proses start-up Furnace.
Direkomendasikan permukaan refractory tetap lembab (curing compound, wet canvas bags, penyemprotan air atau cetakan/bekisting basah) dalam kurun waktu paling sedikit 24 jam. Dry-up (pengeringan) dilakukan setelah proses curing selesai.
Langkah ini menghilangkan semua air yang tertinggal di refractory. Skedul pengeringan merupakah langkah kritis untuk mencapai kekuatan memadai dari refractory. Contoh diagram curing dan dry-out dapat terlihat pada gambar 4.25.
Temperatur kritis fase dry-out adalah 100 oC, dimana pada temperatur tersebut, semua air dalam refractory akan berubah menjadi uap. Uap yang mengembang secara cepat dapat mengerosi refractory pada saat keluar dari permukaan dalam refractory. Jika kenaikan temperatur terlalu cepat, maka timbul kantong bertekanan pada refractory yang akan mendorong (internal stress) dan membuat rongga (void) atau retak sehingga menimbulkan kerusakan refractory.
Umur refractory di boiler hampir sangat tergantung pada bagaimana perlakuan awal pada saat start-up pasca instalasi refractory. Dengan menggunakan slow warm-up boiler yang terkontrol, umur yang panjang dari refractory dapat dipastikan. Dry-out refractory dapat menggunakan ignitor atau burner portable.
Operasi dengan ignitor atau burner portable akan memberikan input panas yang lambat, sehingga grafik pemanasan bisa mendekati grafik heat curing curve
Gambar 4.25 Refractory Heat Curing Curve Standart API 936
Setiap jenis refractory memiliki grafik Heat Curing Curve sendiri, sehingga pemasangan refractory perlu memperhatikan curing curve yang sesuai dengan jenis refractory.
Gambar 4.26 Curing Curve Untuk Repair Refractory Dari EPC Contractor Pada perbaikan tanggal 28 Juni 2018, pihak EPC Contractor memberikan diagram curing curve sebagai berikut :
Pada aplikasi di lapangan, heat curing curve ini kurang begitu diperhatikan. Hal ini bisa terlihat dari tidak adanya langkah-langkah untuk menjaga curing curve. Durasi kurang dari 10 jam, Unit #1 langsung firing. Hal ini berpotensi menyebabkan kerusakan awal karena fase curing yang belum sempurna, dan fase dry-out yang terlalu cepat, sehingga timbul pressure pocket dan void pada refractory yang menyebabkan retak awal sebagai pemicu kerusakan refractory.
4.4.10 Kondisi Pengoperasian
Kondisi operasi akan mempengaruhi kekuatan refractory. Pembebanan cyclic terutama start-stop dan fluktuasi beban besar dengan grafik perubahan temperatur yang terlalu cepat akan menyebabkan terjadinya perbedaan ekspansi thermal antara refractory dan steel (anchor dan sealpot). Hal ini akan meningkatkan laju kerusakan pada material refractory.
Mengingat bahwa pengoperasian PLTU Tenayan pada tahun 2018 masih mengikuti supervisi vendor EPC, maka kemungkinan kerusakan akibat pola operasi yang tidak sesuai dengan prosedur relatif kecil.
