Prosiding Pertcmuan Ilmiah Sains Materi 1996
APLIKASI PERSAMAf'+N "LARSON-MILLER" UNTUK MEMPREDIKSI UMUR ATAU SISA UMUR KOMPONEN YANG BEROPERASI PADA
TEMPERATUR TINGGI1
ILHAM HATTAz
ABSTRAK
APLlKASI PERSAMAAN "LARSON-MILLER" UNTUK MEMPREDIKSI UMUR ATAU SISA UMUR KOMPONEN YANG BEROPERASI PADA TEMPERATUR TINGGI". Persamaan " Lanon-Miller " (PLM) yang ditemukan oleh F.R. Larson dan James Miller pada tahun 1951, merupakan rumus empiris yang banyak diaplikasikan untuk memprediksi umur dan sisa umur pada komponen boiler atau komponen yang beroperasi pada temperatur tinggi. Persamaan ini hanya tergantung pada waklu (I) dan temperatur (T), yang biasa ditulis dengan rumus PLM = T ( C + log t ) 0,001. Persamaan ini dapat diaplikasi apabila proses pengujian terhadap komponen atau material dilakukan dengan uji creep atau mulur dalam kondisi beban dan temperalur konstan. Pada makalah ini, disajikan suatu hasil penelitian terhadap salah satu pip, boiler yang telah meledak setelah beroperasi selama 71.832 jam, dengan uji creep. Dari hasil pengujian daD penelilian ini, dapat ditentukan sisa umur pipa boiler yang bersamaan dipasang dengan pipa yang meledak tersebut, yailu dengan menggunakan persamaan Larson- Miller, sehingga dapat dianlisipasi sedini mungkin pengganlian pipa boiler agar tidak terjadi kecelakaan yang berakibat fatal.
ABSTRACT
APLICATION OF THE lARSON -MILLER EQUATION TO PREDICT THE AGE AND THE REMAINING LIFE OF COMPONENT FOR lliGH TEMPERATURE OPERATION. The Larson-Miller Equation (PLM) which was discovered by F.R. Larson and James Miller in 1951, is an empirical formula that can be applied to predict the age and the remaining life of a boiler component or any component operated at high temperature. This equation only depends on time (t) and temperature (T), which is commonly written as PLM = 0.001 T (C + Log t), which can be applied if the process of component or material testing is done by Creep/Rupture Test with a constant amount of load and temperature. This paper presents the outcome of research done by means of Creep Test on a boiler pipe that was exploded after 71,832 hours operation. From such finding, the remaining life of boiler pipes which were installed at the same time with the exploded one can be determined by the Larson-Miller Equation, in order to anticipall: the earliest possiblc n:placement of a boiler pipe and thus prevent fatal accident that might occur due to explosion.
adalah dengan menggunakan persamaan
"Larson-Miller" parameter.
Penggunaan persarnaan "Larson-Miller"
Parameter, sangat tergantung daTi basil pengujian creep atau mulur. Creep merupakan suatu gejala yang terjadi pada material berupa perubahan dimensi akibat adanya tegangan dan temperatur tinggi dalam waktu yang lama. Pada temperatur tinggi kekuatan suatu material akan menurun secara perlahan-lahan dengan pertambahnya waktu operasi. Jadi pengujian creep digunakan untuk mengetahui ketahanan suatu material yang dinyatakan dalam waktu sebagai fungsi daTi temperatur.
TUJUAN PENELITIAN
Pada penelitian ini tujuan yang dicapai adalah :
a. Menentukan sisa umur pipa boiler yang beroperasi pada temperatur tinggi.
b. Memprediksi bahaya kerusakan yang akan terjadi pada pipa boiler.
c. Mengoptimalkan penggunaan peralatan yang beroperasi.
PENDAHULUAN
Penggunaan material baja untuk keperluan industri pengolahan minyak dan gas, industri kirnia clan pembangkit lislrik, umumnya dioperasikan pada temperatur tinggi, yaitu berkisar antara 500°C hingga 1200oC. Material ini biasanya digunakan sebagai pipa boiler dengan jenis baja yang dipakai adalah baja ferritik atau baja austenitik.
Pada saat pemasangan komponen- komponen pabrik atau industri pengola-han minyak clan gas, pipa boiler yang terpasang cukup banyak clan waktunya hampir bersamaan antara yang satu dengan yang lainnya, sedangkan umur pipa yang bcropyrasi pacta temperatur linggi, biasanya tclah direncanakan dalam kurun waktu 100.000 jam clan tentunya harus diopcrasikan dalam kondisi yang aman, akan tetapi pada kenyataannya belum saatnya diganti pip a tcrsebut telah mcledak, sehingga mengakibatkan kerugian clan kecelaka- an yang cukup besar.
Oleh karcna itu pada era sckarang ini perhatian industriawan yang bergcrak dalam bidang minyak dan gas, alau petrokimia, keamanan dW1 kelayakan opcrasi dari suatu peralatan atau komponcn, bcrkcmbang kearah tinjauan terhadap umur opcrasi.
Untuk mcngoptimalkan umur operasi dari pipa boiler alau komponcn lail1nya, haruslah jelas didalam teknik mcmprc-diksi terhadap umur sisa, salah satu cara yang scring digunakan
PEMECAHANMASALAH
Komponen-komponen pabrik atau industri
pengolahan minyak dan gas yang beroperasi
pada temperatur tinggidalam kurun waktu yang cukup lama, sering meledak atau rusak tanpa diketahui terlebih dahulu penyebabnya. Hal ini seharusnya tidak 1. Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah Sains Materi 1996
2. StafPencliti Bidang Materia! UPT-LUK BPP Teknologi
Pada akhirnya laju creep bertambah besar hingga terjadi patah.
Persamaan Larson-Miller parameter dikembangkan berdasarkan persamaan laju tipe Arhenius, yang menyatakan bahwa creep merupakan proses aktivasi tunggal yang terjadi pada temperatur diatas atau disekitar 0,4 T m ,
yaitu :
Es = A e-Q/RT
dimana Eo adalah laju creep, A adalah konstanta, Q adalah energi aktivasi dalam deformasi R adalah konstanta gas dan temperatur dalam derajat kelvin. Dengan asumsi bahwa waktu yang menyebabkan regangan creep tidak berubah atau waktu patah creep berbanding terbalik dengan laju creep, perubahan waktu t pada persamaan tersebut berubah menjadi :
perlu terjadi, apabila ditangani lebih awal dengan pemcriksaan rutin atau dengan menge- tahui terlebih dahulu sisa umur pakai dari
komponen tcrsebut.
Pacta umumnya komponen yang dioperasikan pacta temperatur tinggi kerusakannya diakibatkan olch proses creep atau mulur. Untuk mendeteksi atau menemukan sedini mungkin cacat-cacat yang terjadi pacta proses mulur pacta suatu komponen, selayaknya dilakukan inspeksi rutin. akan tetapi dengan cara inipun masih agak susah untuk mengetahui kapan komporten tersebut harus diganti, agar tidak terjadi l~akan atau kcrusakan yang tidak diinginkan. -
Untuk itu, maka salah satu cara yang terbaik atau yang scring digunakan untuk memprediksi umur pipa boiler adalah dcngan menggunakan persamaan "Larson-Miller" parameter. Dari persamaan ini dapat dengan mudah diprediksi sisa umur atau umur pakai suatu komponen khususnya yang beroperasi pacta temperatur tinggi, dengan plot data dm"i hasil uji creep.
t = A e-Q/RT
Bila persamaan ini dilogaritmakan, maka akan didapat suatu persamaan sebagai berikut :
Persamaan Larson-Miller ParameterBagian-bagian konstruksi atau komponen dapat terdeformasi secara kontinu dan perlahan- lahan dalan1 kurun waktu yang lama, apabila dibebani sccara tctap. Deformasi yang tergantung pada waktu dan temperatur dinamakan creep. Creep juga dapat terjadi pada temperatur rcndah, akan tctapi yang sangat menyolok tcljadi pada tcmpcratur tinggi atau yang mendckati temperatur cairo Pada tern - peratur yang lebih tinggi dari 0,4 kali titik cair dalam derajat kelvin atau biasanya dinyatakan dengan 0,4Tm, perubahan rcgangan creep terhadap waktu dapat dilihat pada gambar 1.
T (Log t + C) = PLM
Menurut Larson-Miller Konstanta C sarna dengan Logaritma A, dan berdasarkan percobaan nilai berkisar antara 15 sarnpai dengan 30, tergantung pada jenis material yang digunakan atau yang dipakai. Dan berdasarkan standar "API Recommended Practice 530"
ditetapkan bahwa untuk baja feritik nilai C = 20 dan untuk baja Austenit nilai C = 15, sehingga Persamaan Larson- Miller menetapkan sebagai berikut :
Untuk penggunaan derajat Fahrenheit,
PLM = (T + 460)(log t + C)10.3
-Untuk penggunaan derajat Celcius,
PLM = (T + 273)(log t + C)10.3
-Untuk penggunaan Baja Feritik,
PLM = (T + 460)(log t + 20)10.3
-Untuk penggunaan Baja Austenit,
PLM = (T + 460)(log t + 15)10.3 -Adapun Jenis Baja Feritik yang adalah
* Baja Karbon A-161, A-192, A-S3B
* BajaKarbon-l/2 Mo atau
* Baja 1¥4 Cr-l/2 Mo atau TII
* Baja 2¥4 Cr- 1 Mo atau T22
* Baja 3Cr- 1 Mo atau T2I
* Baja sCr-l/2 Mo atau T5
w- t
Gambar 1. Kurva Creep, pcrubahan regangan terhadap waktu dalam 3 tahapan creep.
Pada gamhar terlihat bahwa jika beban tertentu dibcrikan, maka dcngan segera terjadi regangan sesaat (Eo). Jika bcban dibiarkan terus menerus, m.lka laju creep akan turn terhadap waktu hingga mencapai kcadaan hampir seimbang, dimana laju crecpnya mengalami perubahan w.lktu yang kccil tcrhadap waktu.
Tabel 2. Hasil Uji Creep Untuk Potongan Melintang
PLM = 22,05. Sedangkan untuk faktor keama-nan 1,6 kali tegangan nominal, dari kurva ini juga didapatkan besarnya nilai PLM = 21,42. Faktor keamanan yang lebih besar memberikan jaminan yang lebih aman, sehingga sebaik dalam industri pengolahan minyak daD Gas, serta industri kimia dan pembangkit listrik, menggunakan faktor keamanan yang lebih besar agar dapat dicegah sedini mungkin terjadinya kerusakan yang fatal.
Dari kedua nilai PLM tersebut diatas, dibuat suatu kurva barn yaitu gambar 6, untuk menghitung sisa umur pipa atau tube.
Dari data yang tertera pada tabel 1 daD 2, kemudian dibuat suatu kurva atau grafik Persamaan Larson-Miller Para- meter (PLM) yang terlihat pada gambar 4 dan 5, pada gambar ini juga diplot kurva material tube yang belum pernah dipakai atau dengan kala lain masih baru, sesuai dengan kurva PLM material standar jenis HK-40. Hal ini penting, sebab dari kurva
ini dapat dihitung daD dibandingkan umur daD sisa umur daTi tube atau pipa yang digunakan
untuk reformer hydrogen plant.
.~.kanan 010 1 .20.' OaJa2
Garnbar 6. Kurva Sisa Umur Vs Temperatur Operasi. Hasil Perhitungan Persarnaan Larson-Miller Parame- ter (PLM) untuk faktor kearnanan 10..." dan
10"JIn
Kurva ini dibuat berdasarkan aplikasi Persamaan Larson-Miller, Yaitu
PLM = (T + 273)(log t + 15)10.3
Pada kurva ini terlihat sisa umur clan temperatur operasi dari pipa reformer tersebut. Untuk memudahkan pengama- tan clan perhitungan, maka temperatur operasi clan sisa umur ditabulasikan seperti yang terlihat pada tabel 3.
Dari tabel ini tertera, bahwa umur operasi pip a atau tube reformer sangat tergantung pada temperatur operasi, oleh karena itu mengingat waktu yang dibutuhkan untuk pengganti pipa tersebut sebaiknya tabel 3 dapat diguna-kan sebagai pedoman atau acuan untuk membuat jadwal kapan pipa tersebut harus diganti, sampai kapan harus beroperasi clan sampai kapan paling lambat pengiriman pipa tersebut.
Apabila ditentukan bahwa tempera- tur operasi pipa reformer adalah 908°C maka kemungkinan lamanya beroperasi atau sisa umurnya pipa tersebut hanya 4.684 jam atau 6,5 bulan untuk pengambilan faktor keamanan 1 (satu), sedangkan untuk faktor keamanan 1,6,maka sisa umurnya hanyal.371 jam atau 1,9
bulan.
Dengan menggunakan rumus perhitungan
sederhana. hubungan antara tekanan operasi daD tegangan pada pipa, dapat diketahui bahwategangan nominal yang beroperasi pada pip a
atau tube adalah 7.985 Mpa.Untuk faktor keamanan l(satu) kali nilai tegangan nominal yang biasanya dipersyaratkan oleh standar API, maka dari kurva yang tertera pada gambar 5 dapat diketahui besarnya nilai
* Baja 5Cr-lh Mo-Si atau T5
* Baja 7Cr-lh Mo atau T7
* Baja 9Cr- IMo atau T9 -Jenis Baja Austenit adaIah :
* Baja 18Cr-8Ni atau 304 & 304H
* Baja 16Cr-12Ni-2Mo atau 316 & 316H
* Baja 18Cr-l0Ni- Ti atau 321 & 321H
* Baja 18Cr-l0Ni-Cb atau 347 & 347H
* Ni-Fe-Cr atau Paduan 800H
* 25Cr-20Ni atau HK-40
utuh tanpa cacat yang berarti. Kemudian diadakan uji creep terhadap semua benda uji yang telah dibuat, seperti yang telihat pada gambar 3. Pada penelitian ini benda uji yang dibuat sebanyak 10 buah untuk potongan memanjang daD 6 buah untuk potongan melintang (circumferential).
, "...
"""ft~_ml-lll.J'8III""'" ~ Gambar 3. Foto mesin uji creep yang
digunakan untuk penelitian.
METODOOGIPENELITIAN
Penelitian ini dilakukan terhadap tube reformer hydrogen plant yang telab beroperasi sejak 1984 clan pada bulan januari 1995 meledak setelah beropera- si selama 71.832 jam.
Adapun tube reformer yang diteliti adalab sebagai berikut :
-Diameter luar (O.D) : 137,40 rom -Diameter dalan (I.D) : 101,60 rom -Ketebalan pipa : 17,10 mm -Tekanan operasi : 20,5 kg/cm2 -Temperatur Disain : 974°C
-Temperatur operasi : 870°C + 974°C -Lama Operasi : :t 11 Tabun
Jenis material yang digunakan untuk tube ini adalab jenis baja austenit 25Cr-20Ni atau HK-40, tube atau pipa ini kemudian akan diteliti sisa umur yang masih terpasang bersamaan dengan pipa yang meledak tersebut. Langkab- langkab yang diambil dalam penelitian diawali dengan pengumpulan data lapangan, kemudian bagian-bagian pipa yang telab meledak dibawa ke Laboratorium untuk diteliti, pada penelitian ini pipa tersebut dibuat benda uji seperti pada gambar 2. Arab pemotongan benda uji diambil dalam dua arab yaitu arab memanjang clan arab circumferential (melintang).
Data basil pengujian diplot daIarn suatu kurva persarnaan Larson-Miller. Dari kurva
tersebut didapat suatu basil perhitungan untuk mendeteksi sisa umur dari komponen yang lain yang sejenis daD bersarnaan dipasang dengan pipa yang telah meledak.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah diadakan pengujian creep, maka didapatkan suatu basil seperti yang tercantum dalam label 1 clan 2 dibawah ini. Pada label tersebut terlihat bahwa pengujian dilakukan pada temperatur 870°C hingga tempe~atur
ll00°C, hal ini dilakukan sebab tem- peratur operasi pada tube berada pada julat temperatur terse but.
Benda uji diambil daTi bagian pipa yang tidak rusak atau meledak yang mempu- nyai jarak kurang lebih 50 Cm daTi daerah yang pecah atau rusak, hal ini perlu diperhatikan sebab pacta daerah tersebut pipa yang akan digunakan untuk penelitian harus benar-benar mewakili pipa yang lain, artinya kondisi pipa yang diteliti masih
Tabel 3. Prediksi Sisa Urnur Pipa atau Tube Reformer Hydrogen Plant Terhadap Ternperatur Operasi daD Faktor Kearnanan
Untuk mencapai basil yang optimal tanpa terjadi kecelakaan atau ledakan yang fatal, maka sebaiknya temperatur operasi pipa atau tube dibuat lebih rendah dari temperatur operasi rata- rata, hal ini mengingat bahwa penggan-tian pipa-pipa yang masih terpasang memerlukan dana yang cutup besar dan pengadaannyapun
memerlukan waktu yang lama, sehingga dibutuhkan penjadualan yang ketat dan akurat.
UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar- besarnya kepada Bapak Hadi Sunandrio, Bapak Gunawan Sakri, Bapak Amir Partowiyatmo, Bapak Syahfandi, daD Bapak Supriyadi, yang telah memberikan kesempatan kepada karni untuk menulis makalah ini. Disamping itu, rasa terima kasih yang sebesar-besarnya juga karni ucapkan pada pihak Pertarnina UP II Dumai yang telah membantu dalam pengambilan sampel sebagai bahan penelitian.
DAFTAR PUS TAKA "
1. B.J. CANE AND JOHN W., Remanent Life Assesment Seminar, ERA Techonology Leatherhead-UK 22!23
September 1992 .
2. BEAR, J. M., V. A. ANIS AND M.P SHIPLEY LIFE Assesment and Monitoring of Furnace Heaters, Paper for
Presentation at First International Conference on Plant Realibility for Petroleum Refineries Chemical and Natural Gas Plants, Hyatt Regence Hotel, Houston, Texas November 10-12, 1992.
3. DIETER, GEORGE E., Mechanical Metallurgy, 2nd Edition, Mc Graw Hill, Kogakusha, Ltd. Tokyo 1976.
4. GAROFALO, FRANK., Fundamental of Creep and Creep Rupture in metals, Macmilan, New York. 1965.
5. HARY ADI,MUKSON.,Penerapan Metoda RLA terhadap komponen kritis dari Refinery! Petrochemical Plant. Bimbingan Keahlian Teknik Inspeksi Lanjutan, 1990.
6. J. M , BEAR., AND A. AKERMAD., Probabilistic Remanent Life Assesment of Platformer Fired Heater Tubes, Final Report, September 1991.
7 YOSHIAKI,IMOTO.,SUSUMU TERADA AND KONHEI MAKI., A Method Predicting Creep Damage of Reformer Tubes With Through Wall Thermal
Gradient, Paper Presentation at AICHE Meeting, Montreal, Quebec. Canada, October 4-9, 1981
DISKUSI
Nasanuddin Salam:
Apakah konstanta C dalam rumus PLM = T (C + log t) 0,001 mengandung variabel tekanan dan jenis fluida yang mengalir ?
Dham Hatta :
Faktor C sangat tergantung dari jenis material : -Untuk material Ferritic Steel nilai C = 20 -Untuk material Austenitic Steel ni1ai C = 15 Faktor tekanan diperhitungkan pacta rumus
KESIMPULANDari basil penelitian daD pengujian yang dilakukan terhadap pipa atau tube; reformer hydrogen plant dengan rnengaplikasikan persarnaan Larson-Miller, rnaka dapat disirnpulkan bahwa :
1. Persarnaan Larson -Miller sangat sederhana untuk digunakan rnemprediksi sisa umur ataupun umur suatu pipa ketel atau boiler yang beroperasi pada temperatur tinggi.
2. Hasil prediksi yang didapatkan dari persarnaan Larson-Miller dapat digunakan untuk menilai kondisi peralatan yang memberikan keuntungan baik daTi segi ekononris rnaupun kearnanan, serta rnernbantu rneningkat-kan kehandalan peralatan.
3. Sisa urnur operasi pipa atau tube reformer sangat tergantung pada ternperatur operasi.
P (D -2 t)
