LAPORAN
PENELITIAN TUGAS AKHIR
ANALISA KOMPOSISI KIMIA MATERIAL PIPA SUPERHEATER PADA BOILER TAKUMA N900R
KAPASITAS 24 TON/JAM DENGAN ALAT SPECTRO MAX
SITI RAHAYU 1202377
PROGRAM STUDI
TEKNOLOGI PENGOLAHAN HASIL PERKEBUNAN
SEKOLAH TINGGI ILMU PERTANIAN AGROBISNIS PERKEBUNAN
MEDAN
2016
LAPORAN
PENELITIAN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sain Terapan Diploma IV Pada Program Studi Tekonologi Pengolahan Hasil Perkebunan
Sekolah Tinggi Ilmu Pertanian Agrobisnis Perkebunan
ANALISA KOMPOSISI KIMIA MATERIAL PIPA SUPERHEATER PADA BOILER TAKUMA N900R
KAPASITAS 24 TON/JAM DENGAN ALAT SPECTRO MAX
SITI RAHAYU 1202377
PROGRAM STUDI
TEKNOLOGI PENGOLAHAN HASIL PERKEBUNAN
SEKOLAH TINGGI ILMU PERTANIAN AGROBISNIS PERKEBUNAN
MEDAN
2016
HALAMAN PERSETUJUAN
LAPORAN PENELITIAN TUGAS AKHIR
Nama Lengkap : SITI RAHAYU
Nim : 1202377
Program Studi : TEKNOLOGI PENGOLAHAN HASIL PERKEBUNAN
Judul Tugas Akhir : ANALISA KOMPOSISI KIMIA MATERIA PIPA SUPERHEATER PADA BOILER TAKUMA N900R KAPASITAS 24 TON/JAM DENGAN ALAT SPECTRO MAX.
Mengetahui, Menyetujui,
Ka. PS TPHP Pembimbing I Pembimbing II
Giyanto, STP., MT Arnold PG Lbn Gaol, ST., MT Mahyunis, ST., MT
HALAMAN PENGESAHAN
LAPORAN PENELITIAN TUGAS AKHIR
Nama Lengkap : SITI RAHAYU
Nim : 1202377
Program Studi : TEKNOLOGI PENGOLAHAN HASIL PERKEBUNAN
Judul Tugas Akhir : ANALISA KOMPOSISI KIMIA MATERIA PIPA SUPERHEATER PADA BOILER TAKUMA N900R KAPASITAS 24 TON/JAM DENGAN ALAT SPECTRO MAX.
Menyetujui,
Pembimbing I Pembimbing II
Arnold PG Lbn Gaol, ST., MT Mahyunis, ST., MT
Mengetahui,
Ketua Ka. PS TPHP
Wagino, SP., MP Giyanto, STP., MT
Pembimbing Tugas Akhir : 1. Arnold PG Lbn Gaol, ST., MT 2. Mahyunis, ST., MT
Tim Penguji : 1. Zulham Effendi, ST., M.Sc.Eng 2. Giyanto, ST., MT
Telah diuji pada tanggal 10 bulan Oktober Tahun 2016
i
RINGKASAN
SITI RAHAYU, ANALISA KOMPOSISI KIMIA MATERIAL PIPA SUPERHEATER PADA BOILER TAKUMA N900R KAPASITAS 24 TON/JAM DENGAN ALAT SPECTRO MAX. Tugas Akhir Mahasiswa STIPAP Program Studi Teknologi Pengolahan Hasil Perkebunan Dibimbing oleh Arnold PG Lbn Gaol, ST., MT dan Mahyunis, ST., MT
Pipa superheater adalah salah satu komponen pada boiler yang berfungsi untuk merubah uap basah menjadi uap kering yang kemudian dikirim untuk memutarkan turbin, dengan suhu pemanasan 260oC s.d 350oC. Boiler Pengolahan pada Pabrik kelapa sawit terjadi kegagalan pada salah satu komponen pipa superheater dimana pipa tersebut mengalami pecah. Mengetahui penyebab kegagalan pada pipa tersebut dilakukan pengujian secara mekanik dengan pengujian komposisi kimia dengan menggunakakn spectro max. Sebagai pembanding digunakan data standart awal pipa superheater kode pipa JIS G3461 grade STB35 STB 340. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unsur komposisi kimia yang terdapat didalam material pipa superheater dan mengetahui pengurangan unsur komposisi kimia pada material pipa superheater yang mengalami kerusakan.
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratrium Putra Baja Deli Belawan, Waktu penelitian selama 4 bulan, dari bulan Mei s.d Agustus 2016. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode eksperimental dengan penentuan titik sampel pada satu pipa superheater yang mengalami kerusakan, yaitu Titik sampel keadaan baik (Sampel A1) dan Titik sampel pecah (Sampel A3). Masing-masing titik sampel mengalami 4 kali pengulangan dalam pengujian. Jenis pengamatan yang dilakukan adalah Unsur komposisi kimia yang terkandung pada material pipa superheater.
Hasil Penelitian komposisi kimia menunjukkan bahwa material pipa Superheater mengalami penurunan dengan selisih rata-rata Karbon (C) 0,15 %, Silikon (Si) 0,14 %, Mangan (Mn) 0,06 %, Belerang (S) 0,024 % dari persyaratan standart JIS3461 Grade STB35 STB 340 dan material pipa Superheater tergolong baja karbon rendah dengan presentase kadar Karbon (C) standart 0,18 %, < 0,30 % sehingga pipa superheater tersebut tidak tahan pada temperatur diatas 350 oC secara terus-menerus sehingga menyebabkan pipa tersebut mengalami pecah karena adanya proses perlakuan panas yang berlebih secara terus-menerus.
Kata Kunci :Boiler, Pipa Superheater, Standart JIS 3461 Grade STB35 STB 340, Pengujian Spectro Max, Unsur komposisi kimia.
ii
ABSTRACT
SITI RAHAYU, Analyzing the chemical composition pipe material SUPERHEATER in boiler TAKUMA N900R capacity 24 ton/hour by using SPECTRO MAX tool. STIPAP's student Thesis of Technology Study Program of Plantation Corps. Guided byArnold PG Lbn Gaol, ST., MT dan Mahyunis, ST., MT
Superheater pipe is a kind of component in boiler that is function is to change wet steam become dry steam which then sent to twiddle the turbine, by the climate warming 260 oC s.d 350 oC. In processing the palm factory happen the boiler failure in one superheater pipe component where the pipe is broken. To know the cause of failure is done examination mechanics way by examine the chemical composition by usingspectro max. As the comparison is used the started data standard superheater pipe in pipe code JIS G3461 grade STB35 STB 340. The purpose of the research is to know the chemical composition element that there is pipe superheater material and knowing the element decreasing of chemical composition in pipe superheater material that is having the damage.
The research was done in Putra Baja Deli Belawan laboratory. The research time is four months, start from Mey s.d August 2016. The research was done by using experimental method by determining the sample point in a superheater pipe that is having damage, namely good condition of sample point that has 4 times in examination. The kind observation was done by chemical composition element which contain in superheater pipe material.
The result research chemical composition show that the pipe superheater material has the decrease by the difference of average Carbon (c) 0,15 %, Silicon (Si) 0,14
%, Manganese (Mn) 0,06 %, Brimstone (S) 0,024 % from the standard qualification JIS3461 Grade STB35 STB 340 and pipe material superheater clasified low carbon steel with the percentage of carbon content (c) standard 0,18
%, < 0,30 % so that the superheater pipe can not stand in temperatures above 350 oC continously so that causes the pipe is broken because there is the hot treatment continously.
Key words : Boiler, pipe superheater, standard JIS 3461 Grade STB35 STB 340, examine Spectro Max, chemical composition element.
iii
DAFTAR ISI
Hal
RINGKASAN ... i
DAFTAR ISI ... iii
KATA PENGANTAR ... iv
RIWAYAT HIDUP ... vi
DARTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Urgensi Penelitian ... 4
1.3 Tujuan Khusus ... 4
1.4 Target Temuan... 5
1.5 Kontribusi ... 5
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Pengolahan Kelapa Sawit ... 6
2.2 Sistem Pembangkit Tenaga Pengolahan Pabrik Kelapa Sawit ... 7
2.3 Boiler (Prinsip kerja, Termodinamika, Perpindahan Panas pada Boiler) ... 9
2.4 Kontruksi Boiler Pipa Air ... 20
2.5 Komponen utama Boiler Pipa Air ... 20
2.6 Perawatan (Maintenance) ... 24
2.7 Teori kegagalan Pipa Superheater... 27
2.8 Hal – hal umum mengenai Bahan ... 28
2.9 Karakteristik Bahan Logam ... 32
2.10 Besi dan Baja ... 35
2.11 Pengaruh Unsur Panduan dalam Baja Besi dan Baja ... 38
2.12 JIS (Japan Industrial Standart) ... 40
2.13 Material... 41
2.14 Uji Komposisi Kimia ... 42
BAB 3. METODE PENELITIAN ... 43
3.1 Tempat dan Waktu ... 43
3.2 Desain Penelitian ... 43
3.3 Bahan dan Peralatan ... 43
3.4 Tahapan Penelitian ... 44
3.5 Pengamatan dan Indikator ... 45
3.6 Bagan Alur Penelitian ... 46
3.7 Jadwal Penelitian ... 47
iv
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 48
4.1 Pengambilan Sampel ... 48
4.2 Pengukuran Sampel ... 49
4.3 Penentuan titik sampel ... 50
4.4 Pemotongan dan Pengikisan sampel ... 50
4.5 Hasil Pengujian Komposisi Kimia Pipa Superheater ... 51
4.6 Analisa Pembahasan ... 55
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN ... 61
5.1 Kesimpulan ... 61
5.2 Saran ... 62
DAFTAR PUSTAKA ... 63
LAMPIRAN ... 65
1. Hasil pengujian komposisi kimia pada sampel pipa keadaan baik (A1) ... 65
2. Hasil pengujian komposisi kimia pada sampel pipa pecah (A3) ... 66
3. Pengambilan sampel ... 67
4. Pengukuran, penentuan titik sampel, pemotongan dan pengikisan ... 68
5. Pengujian sampel ... 69
6. Alat penelitian ... 70
7. Laporan uji komposisi kimia ... 71
8. Standart Jis G3461 STB 340 ... 74
9. Sketsa posisi pipa Superheater ... 76
v
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang Pemurah dan Maha Penyayang, dan karena limpah karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Analisa Komposisi kimia material pipa Superheater pada Boiler Takuma N900R Kapasitas 24 ton/jam dengan alat Spectro Max dalam waktu yang ditetapkan.
Dalam penyusunan laporan tugas akhir ini penulis banyak mendapatkan bimbingan, bantuan dan dorongan dari beberapa pihak , untuk itu penulis mengucapkan terimakasih kepada:
1. Bapak Wagino Selaku, SP., MP selaku Ketua Kampus STIP-AP Medan.
2. Bapak Giyanto, STP., MP selaku Ketua Prodi Program Studi Teknologi Pengolahan Hasil Perkebunan
3. Bapak Arnold PG Lbn Gaol, ST., MT Selaku dosen pembimbing I yang telah bersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu penulisan Tugas Akhi ini sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan
4. Bapak Mahyunis, ST., MT Selaku dosen pembimbing II yang telah bersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu penulisan Tugas Akhir ini sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan.
5. Ibunda Tercinta Kasminah yang telah memberikan dukungan, semangat, materi maupun doa.
6. Abang, dan Kakak Saya yang sangat saya sayangi yang telah banyak memberi dukungan baik materi maupun doa.
7. Bapak Zulham Effendi, ST., M.Sc.Eng selaku penguji I yang telah bersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam membantu penulisan tugas akhir ini.
8. Bapak Giyanto, STP., MT selaku penguji II yang telah bersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalm membantu penulisan tugas akhir ini.
9. Abang Nurdiansyah Tanjung, SST yang telah memberikan waktu dan pikiran dalam membantu dan memberikan masukkan dalam penulisan tugas akhir ini sehingga tugas akhir ini dapat terlselesaikan.
vi
10. Bapak Mislan, ST yang telah bersedia meluangkan waktu dan pikiran dalam membantu dan memberikan masukkan dalam penulisan tugas akhir ini sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan.
11. Abang Samuel A. Sinaga dan Deddy Ir Manurung selaku karyawan Laboratrium PT. Putra Baja Deli - Belawan yang telah membantu dalam penelitian tugas akhir ini.
12. Roni Permana Setiawan, ATT III yang telah memberikan dukungan dan semangat dalam penulisan tugas akhir ini.
13. Team Boiler dan Komposisi kimia yang telah turut membantu dan memberikan masukkan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
14. Teman – teman Devi Elwina Silalahi, Dewi Anggraini, Rani Febri Monica, Triayu Alami Mariono, Rica sari ayu lestari, Ayudha Rezki yang telah membantu dan memberikan dukungan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
15. Teman – teman kelas TPHP IV F dan G 2012 yang selalu mendukung dan memberikan semangat.
Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat dan menambah informasi bagi pembaca sekalian. Penulis menyadari masih banyak kekurangan pada penelitian ini. Oleh karena itu kritik dan saran dari pembaca terhadap isi tugas akhir ini sangat penulis harapkan. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.
Medan, Oktober 2016 Penulis
vii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pantai Cermin, Kec. Tanjung Pura, Kab. Langkat. Sumatera Utara pada tanggal 17 Agustus 1994, merupakan anak kesebelas dari sebelas bersaudara dari Ayahanda Alm. Ponimin dan Ibu Kasminah.
Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar Swasta Muhammadiyah Desa Pantai Cermin, Kec. Tanjung Pura, Kab. Langkat pada tahun 2006. Kemudian melanjutkan ke SMP Negeri 2 Tanjung Pura, dikota Pantai Cermin, Kec. Tanjung Pura, Kab. Langkat dan lulus pada tahun 2009. Pendidikan lanjut Tingkat Atas di dari SMK N 1 Tanjung Pura, dikota Pantai Cermin, Kec. Tanjung Pura, Kab.
Langkat lulus pada tahun 2012.
Pada tahun 2012 penulis melanjutkan pendidikan di Sekolah Tinggi Ilmu Pertanian Agrobisnis Perkebunan pada Program Studi Teknologi Pengolahan Hasil Perkebunan. Pada tahun 2014 tepatnya semester III, penulis melakukan praktek kerja lapangan (PKL) pertama di Pabrik Kelapa Sawit (PKS) GUNUNG BAYU PTPN IV. Selama PKL I penulis mempelajari alur proses dan pengenalan alat pada pengolahan kelapa sawit. Penulis juga melakukan PKL II pada tahun 2015 tepatnya semester V di Pabrik Kelapa Sawit Gedong Biara PT. MOPOLI RAYA, Kuala Simpang, Aceh. selama melaksanakan PKL II penulis memperdalam pengetahuan tentang aplikasi alat dan mesin pada proses pengolahan di PKS dan manajemen mutu pada pabrik kelapa sawit. Penulis juga melaksanakan kunjungan praktikkum di beberapa PKS dan Pabrik Pengolahan Karet (PPK), diantaranya PKS Dolok Ilir PTPN IV, PKS Sei Silau PTPN III, PPK Sei Silau PTPN III, PPK Gunung Para PTPN III. Penulis melaksanakan penelitian yang berjudul ”Analisa Komposisi Kimia Material Pipa Superheater pada Boiler Takuma N900R Kapasitas 24 ton/jam dengan alat Spectro Max”. Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana sains terapan (SST) di STIP-AP Medan.
viii
DAFTAR TABEL
No Judul Hal
2.1 Standart Komposisi kimia ... 42 4.1 Hasil pengujian pipa superheater ... 52 4.2 Standart komposisi kimia Jis G3461 ... 52
ix
DAFTAR GAMBAR
No Judul Hal
1.1 Posisi pipa Superheater ... 2
1.2 Pipa Superheater Pecah ... 3
2.1 Alur proses pengolahan kelapa sawit ... 6
2.2 Skematik pembangkit tenaga uap... 7
2.3 Siklus Rankine sederhana ... 8
2.4 Kontruksi boiler pipa air ... 20
3.1 Bagan Alur penelitian ... 46
4.1 Denah Pengambilan sampel ... 48
4.2 Pipa Superheater Pecah ... 49
4.3 Pengukuran sampel ... 49
4.4 Penentuan titik sampel pipa Superheater ... 50
4.5 Pemotongan Pipa ... 50
4.6 Pengikisan Pipa ... 50
4.7 Sampel Ex pakai baik (A1) ... 51
4.8 Sampel pecah (A3) ... 51
4.9 Grafik Hasil pengujian sampel A1 ... 53
4.10 Grafik hasil pengujian sampel A3 ... 54
4.11 Grafik hasil pengujian sampel A1 dan A3 ... 55
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pabrik Kelapa Sawit ( PKS ) merupakan pabrik yang mengolah TBS sebagai bahan baku menjadi minyak kelapa sawit atau CPO dan Inti sawit dengan menggunakan berbagai tahapan-tahapan proses pengolahan dari mulai stasiun penerimaan bahan baku, perebusan, pemipilan, penggempaan, pemisahan minyak dan sludge, pemurnian minyak, pengeringan inti sampai stasiun penimbunan. Dalam tahapan- tahapan proses pengolahan tersebut pabrik kelapa sawit ( PKS ) sangat dominan dalam pencapaian rendemen dan mutu yang optimal atau mencapai target yang telah di tentukan, karena sebagian besar pabrik kelapa sawit mempunyai prinsip, yaitu mengutip minyak semaksimal mungkin dan memaksimalkan pengurangan non minyak.
Industri pengolahan kelapa sawit membutuhkkan boiler sebagai pembangkit tenaga uap yang digunakan untuk proses pengolahan kelapa sawit. Boiler yang digunakan pada pabrik kelapa sawit adalah boiler yang menghasilkan uap superheated, dimana uap ini digunakan pertama kali untuk memutarkan turbin sebagai pembangkit tenaga listrik kemudian sisa uap dari pembangkit tersebut digunakan untuk proses pengolahan yaitu, Sterilizer ( alat untuk merebus tandan buah segar ) dan proses pemurnian minyak ( Klarifikasi ) (Rahmat.2002).
Dalam industri pengolahan kelapa sawit Boiler merupakan alat yang sangat penting dalam berjalannya operasional pabrik, sehingga perlu dilakukan maintenance secara rutin dan periodik. Untuk menghindari terjadinya kerusakan pada boiler yang akan menyebabkan produksi steam keunit proses terhenti dan akibatnya terjadi stagnasi pada proses pengolahan kelapa sawit yang pada akhirnya akan menimbulkan kerugian. Adapun tujuan dilakukan perencanaan sistem maintenance, untuk menjamin kelangsungan fungsional
2
suatu sistem sehingga sistem tersebut dapat diharapkan menghasilkakn out put sesuai dengan yang dikehendaki tanpa mengalami kerusakan.
Kerusakan pada boiler umumnya terjadi pada pipa yaitu kebocoran, menggumpalnya kerak, retak, penipisan dan pecah. Kerusakan tersebut seringnya terjadi pada pipa water wall, superheater dan Header, meskipun banyak bagian – bagian lain yang berpotensi terjadinya kerusakan. Kerusakan tersebut kemungkinan terjadi karena faktor seperti kesalahan memilih material, salah desain, kondisi operasi tidak sesuai dan salah perawatan sehingga dapat merubah sifat – sifat dari suatu material. karena suatu material logam mempunyai sifat-sifat tertentu yang dibedakan atas sifat fisik, mekanik,dan kimia (Ing. Schonment Alois dan Gruber Karl, 2003).
Pada salah satu pabrik kelapa sawit ditemukan kasus kerusakan pada sistem pembangkit tenaga yaitu Boiler kapasitas 24 ton/jam Merk Takuma N- 900R, dimana kerusakan tersebut pada pipa super heater yang mengalami Pecah, dengan kode pipa STB 340 JIS G3461 A35. Lokasi pipa Superheater tersebut berada pada pipa ke delapan dengan standart suhu pemanasan 260 oC – 350
oC. Berikut adalah gambar Posisi Pipa yang mengalami kerusakan :
Gambar 1.1 Posisi Pipa Superheater Lokasi pipa
3
Pipa Superheater yang mengalami kerusakan :
Gambar 1.2. Pipa Superheater
Dugaan awal kerusakan disebabkan oleh kerena pipa superheater yang berkerja merubah uap basah menjadi uap kering dengan proses secara langsung dengan pipa, yang kemungkinan menggunakan temperatur tinggi, dan tekanan tinggi secara terus menerus dan sistem operasional yang kurang baik, yang dapat merubah sifat yang dimiliki oleh logam, salah satunya sifat mekanik antara lain kekuatan, keuletan, kekerasan, ketangguhan. Sifat – sifat mekanik tersebut dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain komposisi kimia, perlakuan yang diberikan. Untuk mengetahui penyebab kerusakan tersebut maka perlunya dilakukan analisa kegagalan material yang meliputi Uji kekerasan, Uji tarik, Uji metalografi, dan Uji komposisi kimia.
Pada penelitian ini peneliti akan melakukan pengujian pada pengujian komposisi kimia dan pada pengujian lain akan dilakukan pada kesempatan lain. Pengujian komposisi kimia dapat dilakukan dengan menggunakan Spectro Max yang berfungsi untuk mengetahui komposisi kimia bahan yang terkandung pada material berupa kandungan Carbon (C), Sulfur (S), Silikon (Si), Mangan (Mn), Posfor (P), dan lain - lain. Adapun manfaat pengujian komposisi kimia adalah untuk mengetahui kualitas suatu logam juga
4
kaitannya dengan pemilihan bahan baku yang akan dipergunakan dalam kontruksi suatu alat, selain itu juga bisa membuktikan suatu teori yang ada ataupun penemuan baru dibidang metalurgi. Oleh karena itu penulis tertarik melakukan penelitian uji komposisi kimia material Pipa Super heater dengan judul “ Analisa Komposisi kimia Material Pipa Superheater pada boiler TAKUMA N900R Kapasitas 24 ton/jam dengan Alat Spectro Max“
1.2 Urgensi Penelitian
Boiler merupakan alat yang sangat penting dalam proses pengolahan.
Dimana, jika terjadi kerusakan pada boiler tersebut akan menyebabkan kerugian. Ditemukan kasus kerusakan pada boiler di salah satu pabrik kelapa sawit terjadinya pecah pipa superheater, ada dugaan – dugaan yang menyebabkan pipa mengalami kerusakan seperti kesalahan memilih material, salah desain, kondisi operasi tidak sesuai dan salah perawatan sehingga dapat merubah sifat – sifat dari suatu material. Salah satu sifat material adalah sifat mekanik, dimana dipengaruhi oleh komposisi kimia dan proses perlakuan yang diberikan. Oleh karena itu perlunya dilakukan pengujian analisa kegagalan material salah satunya pengujian komposisi kimia untuk mengetahui unsur komposisi kimia terkandung pada material pipa superheater dan mengetahui berapa jumlah pengurangan unsur komposisi kimia pada pipa yang mengalami kerusakan serta mampu menemukan solusi untuk menghindari kerusakan yang sama pada masa yang akan datang.
1.3 Tujuan Khusus
1. Mendapatkan unsur komposisi kimia yang terkandung pada material pipa super heater yang mengalami kerusakan.
2. Mendapatkan selisih jumlah pengurangan komposisi kimia material pipa superheater yang mengalami kerusakan dengan membandingkan antara komposisi kimia bahan yang dilakukan pengujian pada standart komposisi kimia bahan tersebut.
5 1.4 Target Penemuan
Mendapatkan unsur komposisi kimia bahan pada material pipa Super heater, mengetahui jumlah pengurangan unsur komposisi kimia pipa superheater dengan membandingkan standart komposisi kimia Dan mampu menemukan solusi agar tidak terjadi suatu kejadian yang sama dimasa yang akan datang.
1.5 Kontribusi
Dapat memberikan solusi terhadap perawatan dan pencegahan agar tidak terjadinya kerusakan pada boiler, dapat dijadikan bahan pertimbangan oleh perusahan ketika akan melakukan redisign pipa – pipa Super heater pada boiler dan dapat dijadikan referensi untuk penelitian lebih lanjut khususnya mahasiswa Sekolah Tinggi Ilmu Pertanian Agrobisnis Perkebunan (STIP-AP) Medan jurusan Teknologi Pengolahan Hasil Perkebunan (TPHP).
2.1 Pengolahan kelapa
Pabrik kelapa sawit mengelolah TBS (Tandan Buah Segar (crude palm oil)
Kelapa Sawit merupakan produk setengah jadi. Stasiun proses pengolahan Tandan buah segar menjadi minyak kelapa sawit dan inti kelapa sawit umumnya terdiri dari stasiun utama dan stasiun pendukung. St
berfungsi sebagai berikut penerimaan buah (Sterilizer), Pemipilan
(Presser), Pemurnian
stasiun pendukung berfungsi s Laboratrium (Laboratory), produk (bulking),
Gambar 2.1
6
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
Pengolahan kelapa sawit
k kelapa sawit mengelolah TBS (Tandan Buah Segar
(crude palm oil) dan inti sawit. CPO dan inti yang dihasilkan dari Pabrik Kelapa Sawit merupakan produk setengah jadi. Stasiun proses pengolahan Tandan buah segar menjadi minyak kelapa sawit dan inti kelapa sawit umumnya terdiri dari stasiun utama dan stasiun pendukung. St
berfungsi sebagai berikut penerimaan buah (Fruit receptoin),
Pemipilan (Stripper), pencacahan (digester ) dan pengempaan Pemurnian (Clarifier), Pemisahan biji dan kernel. Sementara, stasiun pendukung berfungsi sebagai berikut, Pembangkit tenaga
(Laboratory), Pengolahan air (water treatment) (bulking), Bengkel (workshop) (Pahan, 2006).
Gambar 2.1 Alur proses Pengolahan kelapa sawit
k kelapa sawit mengelolah TBS (Tandan Buah Segar) menjadi CPO dan inti sawit. CPO dan inti yang dihasilkan dari Pabrik Kelapa Sawit merupakan produk setengah jadi. Stasiun proses pengolahan Tandan buah segar menjadi minyak kelapa sawit dan inti kelapa sawit umumnya terdiri dari stasiun utama dan stasiun pendukung. Stasiun utama (Fruit receptoin), rebusan dan pengempaan Pemisahan biji dan kernel. Sementara, ebagai berikut, Pembangkit tenaga (power), (water treatment), Penimbunan
engolahan kelapa sawit
7
2.2 Sistem Pembangkit Tenaga Pengolahan Pabrik Kelapa Sawit 2.2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)
Dalam pembangkit listrik tenaga uap, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapat berupa batubara (padat), minyak (cair), dan gas. Konversi energi tingkat yang pertama yang terjadi di pembangkit listrik tenaga uap adalah konversi energi primer menjadi energi panas (Kalor). Hal ini dilakukan dalam ruang bakar dari ketel uap. Energi panas ini kemudian dipindahkan ke dalam air yang ada dalam steam drum. Uap dari steam drum dialirkan ke turbin uap. Dalam turbin uap, energi uap dikonversikan menjadi energi mekanis penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uap dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator.
Gambar 2.2 Skematik Pembangkit Tenaga uap
Siklus ideal yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap adalah siklus Rankine. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika, siklus uap dibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uap dapat terjadi secara isotermal. Proses perpindahan kalor yang sama dengan proses perpindahan kalor pada siklus
8
Carnot dapat dicapai pada daerah uap basah dimana perubahan entalpi. fluida kerja akan menghasilkan penguapan atau kondensasi, tetapi tidak pada perubahan temperatur. Temperatur hanya diatur oleh tekanan uap fluida.
Kerja pompa pada siklus Rankine untuk menaikkan tekanan fluida kerja dalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemampatan untukcampuran uap dalam tekanan yang sama pada siklus carnot.
Gambar 2.3. Siklus Rankine Sederhana
Siklus Rankine ideal terdiri dari 4 tahapan proses : 1-2 kompresi isentropik dengan pompa
2-3 penambahan panas dalam boiler secara isobar 3-4 ekspansi isentropik pada turbin
4-1 pelepasan panas pada kondenser secara isobar dan isotermal
Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik karena menurunnya volume spesifik air. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi (compressed liquid) pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan ke boiler pada tekanan yang tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut steam generator. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan
9
memasuki turbin. untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dpat dihasilkan listrik. Tekanan dan temperatur dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondensor dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada tekanan konstan didalam kondensor dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994).
2.3 Boiler ( Prinsip kerja, Thermodinamika, Perpindahan panas pada Boiler) 2.3.1 Pengertian dan Prinsip Kerja Boiler
Ketel Uap merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam berupa energi kerja. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas kesuatu proses. Air panas atau steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai energi kalor kesuatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga sistem Boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik (Djokosetyardjo, 1990).
Ketel uap berfungsi sebagai konversi energi yang mengkonversikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas. Ketel uap terdiri dari dua komponen utama yaitu :
a. Dapur, sebagai alat untuk merobah energi kimia menjadi energi panas.
b. Alat penguap (Evaporator) yang merubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial uap (energi panas).
Kedua komponen tersebut diatas telah dapat untuk memungkinkan sebuah ketel uap untuk berfungsi. Sedangkan komponen – komponen lainnya seperti:
10
1) Corong asap dengan sistem tarikan gas asapnya, memungkinkan dapur berfungsi secara efektif.
2) Sistem pemipaan, seperti pipa api, pada ketel pipa api, pipa – pipa air, pada pipa air, memungkinkan sistem penghantaran kalor yang efektif antara nyala pipa atau gas panas dengan aior ketel.
3) Sistem pemanas uap lanjut, sistem pemanas udara pembakaran serta sistem pemanas air pengisi ketel, berfungsi sebagai alat untuk menaikkan efesiensi ketel (Muin, 1989).
Prinsip kerja boiler sebenarnya cukup sederhana dengan cara mendidihkan air dengan kalor bahan bakar, dalam proses pendidihan air tersebut akan selalu diiringi proses perpindahan panas yang melibatkan bahan bakar, distribusi udara, material pipa, serta partikel air. Kalor dari bahan bakar akan terpancarkan secara radiasi ke pipa – pipa evavorator sehingga memanaskan pipa – pipa tersebut. Panas yang terserap oleh permukaan pipa akan secara konduksi berpindah kesisi permukaan dalam pipa. Proses peyebaran panas antar molekul air didalam aliran ini terjadi secara konveksi, secara bertahap air akan berubah fase menjadi uap basah ( Djokosetyardjo, 1990).
2.3.2 Thermodinamika
Thermodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesific membahas tentang hubungan anatara energi panas dengan kerja.
a. Hukum Thermodinamika I
Hukum thermodinamika pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnakan tetapi hanya dapat di ubah dari suatu bentuk ke bentuk yang lain. Prinsip tersebut juga dikenal sebagai konversi energi.
Hukum pertama dapat dinyatakan secara sederhana : selama interaksi antara sistem harus sama dengan energi yang dilepaskan oleh lingkungan, energi dapat melintas dari suatu sistem tertutup dalam dua bentuk yang berbeda : panas (heat) dan kerja (work).
11 1) Panas
Panas didefinisikan sebagai bentuk energi yang dapat berpindah antara dua sistem (atau dari sistem lingkungan) dengan sifat perbedaan temperatur.
Panas adalah sebuah energi dalam keadaan transisi, dia di kenali jika hanya melewati batas sistem sehingga dalam thermodinamika panas sering diistilahkan dengan heat transfer panas. Suatu proses jika terjadinya perpindahan panas disebut dengan proses adiabatis.
2) Kerja (Work).
Kerja seperti halnya panas adalah suatu bentuk interaksi antara sistem dan lingkungan . jika suatu energi dapat melintasi batas sistem adalah bukan panas dapat dipastikan bahwa bentuk energi tersebut adalah kerja. Kerja dapat diartikan sebagai energi transfer yang berhubungan dengan gaya yang menempuh sebuah jarak.
b. Hukum Thermodinamika II
Menurut pernyataan Kelvin – Plank melihat karakteristik dari sebuah mesin kalor, maka tidak ada sebuah mesin kalor yang dapat mengubahnaya semua menjadi kerja. Keterbatasan tersebut kemudian dibuat sebauh pernyataan oleh kelvin – plank yang berbunyi adalah tidak mungkin untuk sebuah alat dan mesin yang beroperasi dalam sebuah siklus menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi sejumlah kerja bensin. Pernyataan kelvi – Plank (hanya diperuntukkan untuk mesin kalor ) diatas dapat juga diartikan sebagai tidak ada sebuah mesin/alat yang berkerja dalam sebuah siklus menerima panas dari reservoir bertemperatur tinggi dan mengubah panas tetrsebut seluruh menjadi kerja bersih atau dengan kata lain tidak ada sebuah mesin kalor yang mempunyai efesiensi 100 %.
Menurut pernyataan Clausius dapat diungkapkan sebagai berikut : Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk menstransfer panas dari media bertemperatur tinggi.
12
Telah diketahui bahwa panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Pernyataan Clausius tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat siklus yang bertemperatur tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut mungkin terjadi asalkan ada efek luar dalam kasus tersebut dilakukan atau diwakili oleh kompresor yang mendapat energi dari energi listrik. Mesin gerak Abadi Perpetual-Motion Machines kita mempunyai pernyataan yang berulang – ulang bahwa sebuah proses tidak dapat berlangsung jika tidak memenuhi hukum termodinamika pertama dan kedua. Semua alat yang mendengar baik hukum thermodinamika pertama pertama maupun kedua disebut dengan mesin gerak abadi ( Perpetual-Motion Machines ). Sebuah alat yang melanggar hukum thermodinamika pertama disebut dengan mesin gerak abadi tipe pertama (Perpetual-Motion Machines of the first kind – PMM1) dan sebuah alat yang melanggar hukum thermodinamika kedua disebut dengan mesin gerak abadi tipe kedua Perpetual-Motion Machines of the first kind – PMM2 ) (Telaoembanoea, 2009).
2.3.3 Heat Transfer (Perpindahan Panas)
Dalam dapur terdapat hantaran kalor (heat transfer) dari sumber panas (hasil pembakaran bahan bakar) terhadap bidang pemanas (heating suface) secara pancaran dan rambatan ( radiasi dan konduksi ). Dari heating suface panas dihantar lagi kepada air ketel secara koveksi (covencition). Hantarannya panas secara rambatan (conduction) dari sebagian panas diabaikan. Oleh karena itu perhitungan hantaran kalor dalam dapur ketel biasanya secara rambatan diabaikan. Sebelum uraian mengenai hantaran kalor ini diteruskan, perlu diingatkkan kembali bahwa hantaran kalor (heat transfer) berlangsung dalam 3 cara yaitu :
a. Cara Rambatan (conduction).
b. Cara aliran (convection) c. Cara pancaran (radiation)
13
Ada dua tipe hantaran kalor secara pancaran, yaitu : a. Secara lansung (direct)
b. Secara tidak lansung (indirect)
Radiasi lansung (direct radiation) terjadi dari nyala yang bercahaya, panggangan (kisi) bahan bakar yang sedang terbakar, hasil pembakaran yang tidak bersinar. Radiasi tidak langsung (indirect) terjadi dari lapis dinding dapur, hantaran panas secara pancaran terjadi karena getaran – getaran yang dikirimkan oleh molekul – molekul yang lebih panas kemudian di serap ( absorbed) oleh molekul – molekul yang lebih dingin, dalam hal ini tidak perlu adanya media perantara. Dengan kata lain dikatakan bahwa energi panas yang terjadi karena gas gelombang electromagnetic. Energi panas dari sumber panas dikonversikakn menjadi energi dalam bentuk gelombang elegtromanetic. Dalam dapur sumber panas itu adalah nyala api ( flame ), cahaya kuning dari nyala disebabkan oleh hydrocarbon, particle pijar dan arang dan abu terbang dalam nyala. Radiasi dari nyala ditentukan terutama oleh radiasi partikel – partikel yang memenuhi nyala. Jumlah dan ukuran dari partikel tergantung pada jenis bahan bakar yang terbkar, mode pembakaran, bentuk dan volume dari dapur, jumlah udara yang dimasukkan dan lain – lainnya.
2.3.4 Bidang – Bidang Pemanas
Bagian penghantaran panas dari sebuah ketel besar, terdiri dari alat penguap, pemanas lanjut, pemanas ulang dan penguap disebut bidang pemanas primer sedangkan pemanas udara dan ekonomiser disebut sebagai bidang pemanas sekunder.
a. Bidang Pemanas Primer
Bidang pemanas primer pada ketel terdiri dari bagian evaporator (penguap), bagaian pemanas lanjut (superheater), dan bagian pemanas ulang (reheater) bila sistem memakai sebuah turbin pemanasan ulang (reheat turbine).
Permukaan evaporator biasanya dilletakkan pada bagian terpanas ketel
14
didekat zona pembakaran oleh karena air yang mendidih di dalam pipa melindungi bahan dari pemanasan lanjut (over heating). Bagian evaporator terdiri dari pipa – pipa dinding air (water wells), lantai air (water floor), dan tirai air yang dipakai untuk mengerahkan aliran gas panas. Bagian pemanas lanjut (superheater) ialah bidang penghantar panas di mana panas di pindahkan ke uap jenuh (uap saturasi) untuk menaikkan temperaturnya sehingga menaikkan energi potensial uap. Pemanas lanjut khususnya sangat penting untuk produksi uap bagi turbin uap guna mengurangi kandungan kelembaban (embun) dari uap ketika ia berekspansi di turbin. Biasanya pemanas lanjut ini diklasifikasikan sebagai pemanas lanjut konveksi, pemanas lanjut radiasi ataupun pemanas lanjut kombiansi, tergantung padda bagaimana penggunaan energi termal. Biasanya diperlukan pula bahwa temperatur akhir uap tetap konstan meskipun beban keel berbeda – beda. Bila temperatur uap keluar melebihi ketentuan, maka sebagian unit menggunakan atemporator ataupun des superheater yang didalamnya air pengisian yang telah dimampatkan dan disemprotkan ke uap panas lanjut tersebut untuk menurunkan temperaturnya, bagian pemanas ulang dari sebuah ketel besar ialah bagian ketel dimana semua uap keluar dari turbin tekanan tinggi dikembalikan untuk tambahan panas lanjut sebelum ia dikirm keturbin tekanan menengah, pemanas ulang ini sangat mirip dengan pemanas lanjut dalam bentuk dan lokasinya didalam ketel.
b. Bidang Pemanas sekunder
Bidang pemanas sekunder memperoleh dari gas asap setelah gas tersebut memindahkan panasnya kebidang pemanas primer. Untuk memperoleh effisiensi ketel yang tinggi, temperatur gas asap harus serendah sebisa mungkin. Ada dua jenis bidang pemanas sekunder yaitu ekonomiser memindahkan panas dari gas asap ke air pengisian ketel, sementara pemanas udara memindahkan energi gas asap ke udara pembakaran. Meskipun temperatur gas bekas keluar yang rendah dapat menaikkan efesiensi ketel, namun temperatur tersebut tidak boleh diturunkan hingga dibawah 80o C
15
yaitu diatas temperatur titik embun gas bekas. Bila temperatur di rendahkan jauh dibawah ini, kemungkinan akan terjadi kondensasi pada permukaan saluran gas buang yang dingin itu. Semua kondensasi pada sistem gas asap tidak diharapkan, karena cairan tersebut asam dan korosfi oleh karena adanya sulfur dioksida dan sulfur trioksida didalam gas buang. Sayang sekali, kehadiran sejumlah kecil saja sulfur dioksida didalam gas asap secara drastis akan menaikkan temperatur titik embun gas buang. Ekonomiser biasanya dari jenis alat penukar panas aliran silang dimana panas dipindahkan dari gas asap ke air pengisian yang sedang masuk. Diperkirakan bahwa dari perolehan panas di ekonomiser, kanaikkan sekitar 6 oC – 7 oC dapat meningkatkan efesiensi ketel sebesar 1 %. Bukan hanya gas buang yang meninggalkan ekonomiser harus paling tidak 80 oC diatas temperatur titik embun gas asap, tetapi juga air meninggalkan ekonomiser haruslah paling tidak 30 oC dibawah temperatur jenuh air pengisian ketel. Hal ini akan mencegah terjadinya pendidihan dan aliran dua fasa yang disertai dengan penurunan tekanan yang tinggi di dalam ekonomiser sebagai akibat flukstuasi tekanan didalam ketel.
Dalam rancangan ekonomiser biasanya dilakukan penempatan air tekanan tinggi di sebelah dalam pipa – pipa ekonomiser. Oleh karena sisi gas mempunyai koefisien pindahan panas yang rendah dan untuk pengaturan koefisien pindahan panas di dalam sistem, juga sering di lakukan praktek menggunakan perluasan permukaan (sirip) pada pipa – pipa ekonomiser. Satu hal yang berkaitan dengan semua sistem pembakaran ialah kandungan abu dari gas asap serta terjadinya pengendapan abu maupun kerak pada bidang pemanas ketel, baik bidang primer maupun bidang sekunder. Terbetukknya endapan ini khususnya berbahasa untuk bidang – bidang pemanas yang memakai perluasan permukaan (Anonim, 2003).
2.3.5 Klasifikasi Ketel Uap
Ketel uap pada dasarnya terdiri dari bumbung (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa – pipa api maupun pipa air. Berbagai – bagai orang mengklasifikasikan ketel
16
uap tergantung pada sudut pandang masing – masing. Dalam buku ini ketel uap diklasifikasikan dalam kelas yaitu :
a. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel uap uap diklasifikasikan sebagai :
1) Ketel Pipa Api (Fire tube boiler).
2) Ketel Pipa Air (water tube boiler).
Pada ketel api, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala (hasil pembakaran), yang membawa energi panas (thermal energi), yang segera menstransfer ke air ketel melalui bidang pemanas (heating surface). Tujuan pipa – pipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas (kalor) kepada air ketel.
Pada pipa air, fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energi panas ditransfer dari luar pipa (yaitu ruang dapur) ke air ketel.
b. Berdasarkan pemakaiannya, ketel uap diklasifikasikan sebagi : 1) Stasioner (Stationary boiler) atau ketel tetap.
2) Modal (Mobile boiler) ketel pipa atau portable boiler.
Yang termasuk stasioner adalah ketel – ketel yang didudukkan diatas fundasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain – lain yang sepertinya. Yang termasuk ketel mobil, adalah ketel yang dipasang pada fundasi yang berpindah – pindah (mobil), seperti boiler lokomotif, loko mobil dan ketel panjang serta lain yang sepertinya termasuk ketel kapal (marine boiler).
c. Berdasarkan letak dapur (Furnace positition), ketel uap diklasifikasikan sebagai berikut :
1) Ketel dengan pembakaran didalam (internally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian dalam ketel.
Kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini.
17
2) Ketel dengan pembakaran diluar (ourtenally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi dibagian luar ketel, kebanyakan ketel pipa air memakai sistem ini.
d. Menurut jumlah lorong (Boiler tube), ketel diklasifikasikan sebagai berikut:
1) Ketel dengan lorong tunggal (Single tube steam boiler).
2) Ketel dengan lorong ganda (Multi tubuler steam boiler).
Pada single tube steam boiler, hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau saluran air saja. Cornis boiler adalah single fire tube boiler dan simple vertical boiler adalah single water tube boiler. Multi fire tube boiler misalnya ketel scotch dan Multi water tube boiler misalnya ketel B &
W dan lain – lain.
e. Tergantung kepada poros tutup drum (shell), ketel diklasifikasikan sebagai:
1) Ketel tegak (Vertical steam boiler), seperti ketel cochran, ketel Clarkson dan lain – lain sepertinya.
2) Ketel mendatar (hoorizontal steam boiler), seperti ketel Cornish, Lancashire, Scotch dan lain – lain.
f. Menurut bentuk dan letak pipa, ketel uap diklasifikasikan sebagai berikut:
1) Ketel dengan pipa lurus, bengkok dan belekak – lekuk (straight, bent and sinous tubuler heating surface).
2) Ketel dengan pipa miring – datar dan miring – tegak (horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).
g. Menurut sistem peredaran air ketel (water circulation), ketel uap diklasifikasikan sebagai berikut :
1) Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler).
18
2) Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler).
Pada natural circulation boiler, peredaran air didalam ketel terjadi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedang yang berat turun, sehingga terjadilah aliran conveksi alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti ketel lancarshire, Babcock & Wilcox dan lain – lain.
Pada ketel dengan aliran paksa (Forced circulation steam boiler), aliran paksa diperoleh dari sebuah pompa centrifugal yang digerakkan dengan electric motor misalnya. Sistem aliran paksa dipakai pada ketel – ketel yang bertekanan tinggi seperti La – Mont boiler, Benson Boiler, Loeffer Boiler dan Velcan Boiler.
h. Tergantung kepada sumber panasnya (heat source) untuk pembuatan uap, ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1) Ketel uap dengan bahan bakar alami.
2) Ketel uap dengan bahan bakar buatan.
3) Ketel uap dengan dapur listrik.
4) Ketel uap dengan energi nuklir (Muin, 1998).
Pada umumnya ketel uap yang dipakai sebagai tenaga penggerak mempunyai ruang api dan ruang berbentuk silinder. Jenis – jenis dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Menurut penggunaanya
1) Stationary Boiler (ketel uap tetap)
Jenis ini banyak dijumpai di pabrik – pabrik dan digunakan menetap disuatu tempat. Contohnya : steam power plant dan penghasil uap untuk proses pemanasan / pemisahan di pabrik kelapa sawit dan pabrik gula.
2) Mobile boiler
Ketel uap yang diletakkan dalam body yang dapat berpindah – pindah.
Ketel seperti ini di jumpai di kapal – kapal lokomotif dan sebagainya yang sifatnyta bergerak.
19 b. Menurut tekanan kerjanya
1) Low Pressure tekanan 2 – 16 atm.
2) Medium pressure tekanan 17 – 30 atm.
3) High pressure tekanan 31 – 140 atm.
4) Super high pressure tekanan 141 – 225 atm.
5) Super critical pressure tekanan 226 atau keatas.
c. Menurut kandungan pipanya
Yang dimaksud dengan kandungan pipa adalah bahan apa yang mengisi ruangan didalam pipa. Berdasarkan ini ketel uap dibedakan atas :
1) Fire Tube Boiler ( ketel pipa api )
Ketel jenis ini mempunyai pipa – pipa yang didalamnya di alliri oleh api atau gaas panas. Sedangkan bahagian luarnya dikelilingi oleh air didalam drum ketel.
2) Water tube Boiler ( ketel pipa air )
Ketel jenis ini memiliki pipa – pipa yang bahagian dalamnya berisi air yang dipanaskan sedangkan luarnya dikelilingi oleh api atau gas panas.
3) Combi boiler ( kombinasi ketel pipa api dan ketel pipa air
Ketel jenis ini adalah kombinasi antara ketel pipa api dan pipa air, dimana bagian ruang dapur pipa – pipanya yang bagian dalamnya berisi air dan bagian badan ketel (Boiler proper) pipa – pipanya dialiri oleh api atau gas panas (Anonim, 2003).
20 2.4 Kontruksi Boiler Pipa Air
Kontruksi Boiler pipa air yang digunakan pada Pabrik Kelapa Sawit :
Gambar 2.4. Kontruksi boiler pipa air
2.5 Komponen Utama Boiler Pipa Air.
Boiler tersusun dari berbagai macam bagian bagian dengan fungsinya masing - masing, berikut penjelasannya:
a. Tungku Pengapian (Furnace)
Bagian ini merupakan tempat terjadinya pembakaran bahan bakar yang akan menjadi sumber panas, penerimaan panas oleh media air dilakukan melalui pipa yang telah dialiri air, pipa tersebut menempel dinding tungku pembakaran. Proses perpindahan panas pada furnace terjadi dengan tiga cara:
21
1) Radiasi : dimana akan terjadi pancaran panas dari api atau gas yang akan menempel pada dinding tube.
2) Konduksi : Panas mengalir melalui hantaran dari sisi pipa yang menerima panas kedalam sisi pipa yang memberi panas pada air.
3) Konveksi : panas yang terjadi dengan singgungan molekul molekul air sehingga panas akan menyebar kesetiap aliran air. Didalam furnace, ruang bakar terbagi atas dua bagian yaitu ruang pertama dan ruang kedua. Pada pertama akan tejadi pemanasan langsung dari sumber panas yang diterima langsung oleh tube sedangkan pada ruang kedua yang terdapat pada bagian atas, panas yang diterima berasal dari udara hasil pembakaran dari ruang pertama.
b. Steam Drum
Steam drum berfungsi sebagai tempat penampungan air panas serta tempat terbentuknya uap, menampung uap jenuh (saturated steam) beserta air dengan perbandingan antara 50% air dan 50% uap. menghindari agar air tidak terbawa oleh uap, maka dipasangi sekat sekat,
air yang memiliki suhu rendah turun ke bawah dan air yang bersuhu tinggi akan naik ke atas dan menguap.
c. Superheater
Merupakan tempat pengeringan steam, dikarenakan uap yang berasal dari steam drum masih dalam basah sehingga belum dapat digunakan. Proses pemanasan lanjutan menggunakan superheater dipanaskan dengan suhu 260°C sampai 350°C hingga uap benar - benar menjadi kering dan dapat digunakan untuk menggerakkan turbin maupun untuk keperluan industri lain.Uap Kering adalah uap yang sudah tidak mengandung butir – butir air.
Untuk mengetahui uap yang kering kita dapat hanya melihat temperatur uap saja, karena tekanan uap juga menentukan kering tidaknya produksi steam.
Aliran uap di superheater :
22
1) Superheater tingkat satu ( Sekunder ) adalah uap dari steam drum dipanaskan lanjut namun temperatur uap masih belum memenuhi persyaratan untuk memutar sudu – sudu turbin, karena masih berbentuk uap basah ( uap yang masih mengandung butiran – butiran air ), biasanya uap dari superheater sekunder ini digunakan untuk pengoperasian soot blower.
2) Superheater tingkat dua ( Primer) uap dari superheater sekunder dipanaskan kembali sehingga temperatur uap benar – benar kering ( tidak mengandung butiran – butiran air ) sehingga uap dari superheater primer inilah yang akan digunkan untuk memutarkan sudu – sudu turbin.
d. Air Heater
Komponen ini merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan udara yang digunakan menghembus/meniup bahan bakar agar dapat terbakar sempurna.
Udara yang akan dihembuskan melewati air heater memiliki suhu yang sama dengan suhu normal (suhu luar) yaitu 38°C namun setelah air heater suhunya akan meningkat menjadi 230°C sehingga dapat menghilangkan kandungan air dalam yang dapat menganggu proses pembakaran.
f. Dust Collector (pengumpul abu)
Bagian ini berfungsi untuk menangkap atau mengumpulkan abu yang berada pada aliran pembakaran dengan gas buang, keuntungan dalam penggunaan alat ini yaitu gas hasil pembakaran yang dibuang bebas debu yang dapat mencemari lingkungan dan mengurangi kemungkinan kerusakan pada alat akibat gesekan abu maupun pasir.
g. Pengatur pembuangan gas bekas (asap)
Asap dari ruang pembakaran dihisap oleh blower IDF (induced draft fan) melalui dust collector selanjutnya dibuang melalui cerobong asap. damper pengatur gas asap diatur terlebih dahulu sesuai kebutuhan IDF dinyalakan,
23
karena semakin besar damper dibuka maka akan semakin besar isapan yang akan terjadi dalam dapur.
h. Safety Valve (Katup pengaman)
Alat ini berfungsi untuk membuang uap apabila tekanan uap telah melebihi standar yang telah ditentukan. ini terdiri dari dua buah yaitu katup pengaman uap basah dan katup pengaman uap kering. safety valve diatur sesuai dengan aspek maksimum yang telah ditentukan, pada uap basah biasanya diatur pada 21 kg/cm2, sedangkan untuk katup pengaman uap kering diatur pada tekanan 20,5 kg/cm2.
i. Gelas Penduga (Sight Glass)
Gelas penduga dipasang pada drum bagian atas yang berfungsi untuk mengetahui ketinggian air di dalam agar memudahkan pengontrolan jumlah air dalam ketel selama proses operasi berlangsung. Gelas penduga harus dicuci secara berkala untuk menghindari terjadinya penyumbatan yang membuat level air tidak dibaca.
j. Pembuangan Air Ketel
Pada komponen ini berfungsi untuk membuang air dalam drum bagian atas, pembuangan air dilakukan terdapat zat – zat.
yang tidak dapat terlarut, contoh sederhananya ialah munculnya busa yang dapat menganggu
pengamatan terhadap gelas penduga. Untuk mengeluarkan air dari dalam drum, digunakan blowdown yang terpasang pada drum atas, katup ini bekerja bila jumlah busa sudah melewati batas yang ditentukan (Anonim, 2003)
24 2.6 Perawatan ( Maintenance )
Dalam istilah perawatan disebutkan bahwa disana tercakup dua pekerjaan yaitu istilah “perawatan” dan “perbaikan”. Perawatan dimaksudkan sebagai aktifitas untuk mencegah kerusakan, sedangkan istilah perbaikan dimaksudkan sebagai tindakan untuk memperbaiki kerusakan.
Secara umum, ditinjau dari saat pelaksanaan pekerjaan perawatan, dapat dibagi menjadi dua cara:
a. Perawatan yang direncanakan (Planned Maintenance).
b. Perawatan yang tidak direncanakan (Unplanned Maintenance).
2.6.1 Bentuk-bentuk Perawatan
a. Perawatan Preventif (Preventive Maintenance)
Adalah pekerjaan perawatan yang bertujuan untuk mencegah terjadinya kerusakan, atau cara perawatan yang direncanakan untuk pencegahan (preventif).
Ruang lingkup pekerjaan preventif termasuk: inspeksi, perbaikan kecil, pelumasan dan penyetelan, sehingga peralatan atau mesin-mesin selama beroperasi terhindar dari kerusakan.
b. Perawatan Korektif
Adalah pekerjaan perawatan yang dilakukan untuk memperbaiki dan meningkatkan kondisi fasilitas/peralatan sehingga mencapai standar yang dapat diterima.
Dalam perbaikan dapat dilakukan peningkatan-peningkatan sedemikian rupa, seperti melakukan perubahan atau modifikasi rancangan agar peralatan menjadi lebih baik.
25 c. Perawatan Berjalan
Dimana pekerjaan perawatan dilakukan ketika fasilitas atau peralatan dalam keadaan bekerja. Perawatan berjalan diterapkan pada peralatan-peralatan yang harus beroperasi terus dalam melayani proses produksi.
d. Perawatan Prediktif
Perawatan prediktif ini dilakukan untuk mengetahui terjadinya perubahan atau kelainan dalam kondisi fisik maupun fungsi dari sistem peralatan.
Biasanya perawatan prediktif dilakukan dengan bantuan panca indra atau alat- alat monitor yang canggih.
e. Perawatan setelah terjadi kerusakan (Breakdown Maintenance)
Pekerjaan perawatan dilakukan setelah terjadi kerusakan pada peralatan, dan untuk memperbaikinya harus disiapkan suku cadang, material, alat-alat dan tenaga kerjanya.
f. Perawatan Darurat (Emergency Maintenance)
Adalah pekerjaan perbaikan yang harus segera dilakukan karena terjadi kemacetan atau kerusakan yang tidak terduga.
Disamping jenis-jenis perawatan yang telah disebutkan diatas, terdapat juga beberapa jenis pekerjaan lain yang bisa dianggap merupakan jenis pekerjaan perawatan seperti:
a. Perawatan dengan cara penggantian (Replacement instead of maintenance) Perawatan dilakukan dengan cara mengganti peralatan tanpa dilakukan perawatan, karena harga peralatan pengganti lebih murah bila dibandingkan dengan biaya perawatannya. Atau alasan lainnya adalah apabila perkembangan teknologi sangat cepat, peralatan tidak dirancang untuk waktu yang lama, atau banyak komponen rusak tidak memungkinkan lagi diperbaiki.
26
b. Penggantian yang direncanakan (Planned Replacement)
Dengan telah ditentukan waktu mengganti peralatan dengan peralatan yang baru, berarti industri tidak memerlukan waktu lama untuk melakukan perawatan, kecuali untuk melakukan perawatan dasar yang ringan seperti pelumasan dan penyetelan. Ketika peralatan telah menurun kondisinya langsung diganti dengan yang baru. Cara penggantian ini mempunyai keuntungan antara lain, pabrik selalu memiliki peralatan yang baru dan siap pakai.
2.6.2 Strategi Perawatan
Pemilihan program perawatan akan mempengaruhi kelangsungan produktivitas produksi pabrik. Karena itu perlu dipertimbangkan secara cermat mengenai bentuk perawatan yang akan digunakan terutama berkaitan dengan kebutuhan produksi, waktu, biaya, keterandalan tenaga perawatan dan kondisi peralatan yang dikerjakan. Dalam menentukan strategi perawatan, banyak ditemui kesulitan-kesulitan diantaranya:
1) Tenaga kerja yang terampil 2) Ahli teknik yang berpengalaman 3) Instrumentasi yang cukup mendukung
4) Kerja sama yang baik diantara bagian perawatan
Faktor-faktor yang mempengaruhi pemilihan strategi perawatan:
1) Umur peralatan/mesin produksi 2) Tingkat kapasitas pemakaian mesin 3) Kesiapan suku cadang
4) Kemampuan bagian perawatan untuk bekerja cepat 5) Situasi pasar, kesiapan dana dan lain-lain (Anonim, 2009).
27 2.7 Teori Kegagalan Pipa Superheater
Pada penelitian sebelumnya pada pengujian komposisi kimia pernah dilakukan dengan “judul Analisis Kerusakan Pipa Superheater yang digunakan pada Boiler Pipa Air”. Dimana terjadi kerusakan pipa super heater JIS G3461 STB 340 mengalami pecah, dengan kesimpulan pipa superheater memiliki kandungan baja karbon yang rendah sehingga material pipa tersebut tidak tahan terhadap temperatur diatas 400o C secara terus menerus, mengingat unsur paduan yang tahan terhadap temperatur tinggi seperti Cr, Mo, V, Cu relatif sangat kecil (Hermansyah, 2005)
Mekanisme kegagalan pada boiler tube seringkali disebabkan karena kenaikan temperatur metal secara perlahan atau cepat. Kenaikan temperatur disebabkan adanya kerak pada bagian dalam tube. Lapisan oksidasi internal atau pembentukan deposit biasanya terjadi pada kasus berlebih yang cukup lama (long term overheating). Dengan pembentukan lapisan oksidasi internal, maka proses perpindahan panas akan tergangu dan menyebabkan terjadinya overheating pada metal tube. Dan memperpendek umur tube.
Pada superheater dan reheater tube kenaikan temperatur pada metal biasanya terjadi pada start up dimana aliran uap belum sepenuhnya terjadi sehingga temperatur metal bisa mencapai 595oC pada temperatur uap 540oC. Sedangkan desain metal tube pada kondisi operasi normal, kegagalan superheater biasanya terjadi karena peristiwa creep atau mekanisme streess rupture. Pembentukan oksidasi atau kerak pada sisi uap terjadi karena reaksi uap dan logam (steel) seperti berikut : 3 Fe + 4 H2O = Fe3 O4 + 4 H2. Terjadinya oksidasi terhadap waktu merupakan fungsi parabolik. Kondukvitas termal dari kerak lebih kecil daripada tube.
Akibatnya adalah kenaikan temperatur pada metal tube. Semakin tebal lapisan kerak, kenaikan temperatur pada tube akan semakin tinggi sehingga kosekuensi dari penuan (aging) pada superheater adalah adanya kenaikan temperatur pada tube yang disebabkan oleh tergangunya proses perpindahan panas karena adanya lapisan kerak. Kerak atau korosi
28
sepanjang pipa terjadi karena adanya kontak antara logam tube dengan gas atau fuel ash. efek dari wastage adalah berkurangnya tebal dinding tube.
Dengan berkurangnya tebal dinding tube, maka hoop strees semakin besar.
Makin lama pembentukan lapisan kerak makin tebal, sehingga temperatur tube bertambah diikuti dengan kenaikan tegangan sehingga memperpendek creep life dan menyebabkan kegagalan sebelum umur sesuai desain ( design life time ) dengaan mekanisme stess rupture (French,1982 ).
Korosi merupakan proses elektrokimia yang terjadi pada logam dan tidak dapat dihindari karena merupakan suatu proses alamiah, berbagai faktor yang menyebabkan korosi yaitu : sifat logam, yang meliputi perbedaan potensial, ketidakmurnian, unsur paduan, perlakuan panas yang dialami,dan tegangan, serta faktor yang meliputi udara, temperatur, mikroorganisme ( Harli, 2009).
2.8 Hal – hal umum mengenai Bahan
Bahan ialah wujud asal benda kerja. Menurut awalnya terdapat bahan alami yang langsung diolah (kayu,batu), bahan alami yang diubah wujud melalui proses fisika dan kimia ( contohnya, biji menjadi logam ), bahan buatan yang didapat tidak secara alami , melainkan dari bahan mentah melalui proses kimia yang rumit (contohnya, gelas, seluloid,perlon, plexiglass, bakelit). Bahan mentah untuk pembuatan bahan tidak dapat diperoleh dari alam jumlah tak terbatas, pemakaian yang kian meningkat, memaksa orang untuk berhemat dan sedapat mungkin memanfaatkan kembali bahan bekas ( terutama logam). Logam yang sejak awalnya sudah memiliki sifat – sifat penggunaan teknis tertentu dan dapat diperoleh dalam jumlah cukup ialah : besi, tembaga, seng, timah, timbel, nikel, aluminium, magnesium.
Kemudian tampil logam – logam lain bagi penggunaan khusus dan paduan, seperti : perak, emas, platina, iridium, wolfram, tantal, molybdenum, titanium, koblat, anti monium ( metaloid), krom, vanadium, berylium.
Sebenarnya logam mulia termasuk kedalam logam berat. Didalam buku ini,
29
yang disebut logam berat ialah Cu, Mn, Pb, Zn, Sn,Si (Schonment dan Gruber, 2003 ).
Dalam penggunaannya serta pemakaian, logam pada umumnya tidak merupakan senyawa logam, tetapi merupakan paduan. Logam dan paduannya merupakan bahan teknik yang penting, dipakai untuk kontruksi mesin, kendaraan, jembatan, bangunan, dan pesawat terbang. Sehubungan dengan pemakaiannya pada teknik mesin, sifat logam yang penting adalah sifat mekanis, fisik dan kimia sangat menentukan kualitasnya. Bahan teknik dapat dibagi menjadi dua, yaitu bahan logam dan non logam.
a. Bahan Logam.
Logam dapat dibagi menjadi dua golongan yaitu logam ferro atau logam besi dan logam nonferro yaitu logam bukan besi.
1) Logam Ferro ( Besi ).
Logam ferro adalah suatu logam paduan yang terdiri dari campuran unsur karbon dengan besi. Untuk menghasilkan suatu logam paduan yang mempunyai sifat yang berbeda dengan besi dan karbon maka dicampur dengan bermacam logam lainnya. Logam ferro terdiri dari komposisi kimia yang sederhana antara besi dan karbon. Masuknya unsur karbon didalam besi dengan berbagai cara, jenis logam ferro adalah sebagai berikut :
Besi Tuang.
Komposisinya yaitu campuran besi dan karbon. Kadar karbon sekitar 4 % sifatnya rapuh, tidak dapat ditempa, baik untuk dituang, liat dalam pemadatan, lemah dalam tegangan. Digunakan untuk membuat alas mesin, meja perata, badan ragum, bagian – bagian mesin bubut, blok slinder dan cicin tora
Besi Tempa.
Komposisi besi tempa terdiri dari 99 % besi murni, sifat dapat ditempa, liat, dan tidak dapat dituang. Besi tempa anatara lain dapat digunakan untuk membuat rantai jangkar, kait keran dan landasan kerja plat.
30
Baja Lunak.
Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,1% - 0,3 %, mempunyai sifat dapat ditempa dan liat. Digunakan untuk membuat mur, sekrup, pipa, dan keperluan umum dalam pembangunan.
Baja karbon sedang.
Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,4 % - 0,6 %. Sifat lebih kenyal dari yang keras. Digunakan untuk membuat benda kerja tempa berat, poros, dan rel baja.
Baja karbon tinggi.
Komposisi campuran besi dan karbon, kadar karbon 0,7 – 1,5 %. Sifat dapat ditempa, dapat disepuh keras dan dimudakan. Digunakan untuk membuat kikir, pahat, gergaji, tap, stempel, dan alat mesin bubut.
Baja karbon tinggi dengan campuran.
Komposisi baja karbon tinggi ditambah nikel atau kobalt, krom atau tungsten. Sifat rapuh, tahan suhu tinggi tanpa kehilangan kekerasan, dapat disepuh keras, dan dimudahkan. Digunakan untuk membuat mesin bubut dan alat – alat mesin.
2) Logam Nonferro
Logam non ferro yaitu logam yang tidak mengandung unsur besi (fe).
Logam non ferro antara lain sebagai berikut :
Tembaga (cu)
Warna kecoklat kemerah – merahan, sifatnya dapat ditempa, liat, baik untuk pengahantar panas, listrik dan kukuh. Tembaga digunakan untuk membuat suku cadang listrik, radio penerangan , dan alat – alat dekorasi.
Aluminium (Al).
Warna biru putih. Sifatnya dapat ditempa, liat, bobot ringan, penghantar panas dan listrik yang baik, mampu dituang. Aluminium digunakan untuk membuat peralatan masak, elektronik, industri mobil, dan industri pesawat terbang.
