TESIS
Oleh
HAMDANI 097015011/MTM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N
2 0 1 2
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
HAMDANI 097015011/MTM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N
2 0 1 2
PANITIA PENGUJI TESIS
KETUA : Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME ANGGOTA : 1. Dr. Eng. Ir. Indra, MT
2. Dr. -Ing. Ikhwansyah Isranuri 3. Ir. Tugiman, MT
4. Ir. Syahrul Abda, MSc
Nama Mahasiswa : HAMDANI Nomor Pokok : 097015011
Program Studi : MAGISTER TEKNIK MESIN
Menyetujui Komisi Pembimbing
Ketua Program Studi Dekan Fakultas Teknik USU
Tanggal Lulus: 06 Juni 2012
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME Ketua
Dr. Eng. Ir. Indra, MT Anggota
Dr. Eng. Ir. Indra, MT Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
Penelitian ini menginvestigasi perilaku thermal stress dan mekanisme kegagalan tube superheater dengan metode eksperimental dan analisa numerik. Kajian pertama menggunakan prosedur analisa kegagalan untuk menentukan akar penyebab, kemudian tube yang gagal dievaluasi dengan pengujian tak merusak. Untuk analisa numerik, kajian pertama adalah tegangan elastis akibat tekanan internal. Berikutnya efek gradien temperatur dan kombinasi temperatur dengan tekanan internal.
Kemudian beban tekanan pada titik mulur dinaikkan untuk menimbulkan perilaku plastis dengan pengerasan regangan material isotropic hardening. Akhirnya tube superheater dievaluasi dengan teori kegagalan von-Mises. Hasil pengamatan visual menunjukkan penyumbatan dalam header akibat diaphragma yang yang telah bergeser dari posisinya menyebabkan temperatur pada dinding tube menjadi naik.
Tube yang gagal ditandai dengan "bulging" atau kembung dan adanya efek mulut ikan atau "fish mouth". Gejala ini menunjukkan bahwa tube telah mengalami pemanasan berlebih dalam periode waktu yang lama. Hasil pengujian eksperimental pada tube yang gagal menunjukkan bahwa diameter dan ketebalan rata-rata tidak sesuai dengan standar, kekerasan rata-rata pada lokasi kegagalan meningkat dan komposisi elemen sisa masih sesuai dengan yang tertera dalam spesifikasi material.
Untuk tegangan elastis, model elemen hingga memberikan korelasi yang baik dengan solusi analitis, dan tube superheater masih dapat menahan tegangan elastis.
Kombinasi temperatur dan tekanan internal menunjukkan temperatur dan fluks panas maksimum terjadi di bagian dalam tube, sedangkan thermal stress meningkat tajam dan mencapai batas elastis. Pengaruh strain hardening pada permukaan mulur tidak mampu menghambat kegagalan akibat deformasi plastis.
Kata kunci: analisa kegagalan, diaphragma yang bergeser, overheating, tube super heater, thermal stress, deformasi plastis.
This project investigates the thermal stress behavior and the mechanisms of superheater tube failure with experimental method and numerical analysis. First of all the procedures for failure analysis were applied to determine the root cause of them. A visual assessment of boiler critical pressure parts was carried out, and then the failed tube is examined by nondestructive evaluation. For the numerical domain, initially the elastic solution for a superheater tube subjected to an internal pressure is discussed. Next the effects of a temperature gradient across the tube were examined both by itself and in combination with a pressure load. Then the yield pressure load is increased to induce plastic behavior in the tube for an isotropic hardening material.
Finally the tube was evaluated using von-Mises yield criteria. Results of the visual examination showed that the clogging inside the header caused by a failed diaphragm affects the imbalance steam flow and makes excessive heat input at the tube wall. The failed tube was characterized by “bulging” and “fish mouth” effects.
It is shown that the tube has experienced overheating for a long period of time. The experimental results indicate that the mean diameter and thickness of the failed tube are out of standard. The average hardness on the failure location increases and the remaining elements composition still range as in the appropriate material specification. For the elastic domain, the finite-element models provide excellent correlation with analytical solutions, and tube can still withstand elastic stress. In the combination of temperature and internal pressure, the maximum temperature and heat flux are on the inside of the tube, while the thermal stresses quickly increase and exceed the elastic limit. The effect of strain hardening on the yielding surface is not able to resist the failure due to plastic deformation.
Keywords: failure analysis, a failed diaphragm, overheating, superheater tube, thermal stress, plastic deformation.
Data Pribadi
N a m a : Hamdani
Tempat/tgl. lahir : Lb. Kt. Barat, 11 Juli 1974 Alamat Kantor : Departemen Teknik Mesin
Politeknik Negeri Lhokseumawe
Jl. Banda Aceh - Medan Km. 280,3 P.O. Box 90 Buketrata - Lhokseumawe
Alamat Rumah : Jl. Banda Aceh Medan, Gampong Tingkeum Manyang Kec. Kutablang Kab. BIREUEN – ACEH 24356
Telepon & E-mail : Mobile +62 085 260 462 751 Hamdani_Nurdin@yahoo.com
Pendidikan
1981 - 1986 : Madrasah Ibtidaiyah Negeri (MIN) - Makmur 1986 - 1989 : Madrasah Tsanawiyah Negeri (MTsN) - Gandapura 1990 - 1993 : Madrasah Aliyah Negeri (MAN) - Banda Aceh 1993 - 1996 : Politeknik Negeri Lhokseumawe
2001 - 2003 : Politeknik Negeri Bandung (Politeknik ITB), Program D4
2009 - 2012 : Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara (USU)
Kursus & Training
1996 : Training CAD CAM Programmer for Laser Cut &
Punching. Advanced Metal Form Industry (AMFI) SDN BHD, Penang – Malaysia
1998 : Training Autocad 2D & 3D. Netindo, Lhokseumawe.
2000 : Training Jurnalistik Islam. Politeknik Negeri Lhokseumawe.
2002 : Training Corrosion Prevention for Gas Supply Pipe. PT Arun NGL Co., Lhokseumawe.
2005 : Training Foundry Engineering. Politeknik Manufaktur (POLMAN) Bandung.
2003. Bandung. Material Engineering Study Program Institut Teknologi Bandung (ITB).
2003 : In House Training Total Quality Management.
Lhokseumawe. Politeknik Negeri Lhokseumawe.
: Managemen Laboratorium dan Bengkel (Workshop).
Lhokseumawe. Politeknik Negeri Lhokseumawe.
: In House Training AutoCad 2D & Catia Part Design.
Lhokseumawe. Politeknik Negeri Lhokseumawe.
2004 : Seminar Nasional; Reposisi & Reorientasi Jurusan Teknik Mesin. Lhokseumawe. Politeknik Negeri Lhokseumawe.
: Metodologi Pengajaran Menggunakan Audio Visual.
Lhokseumawe. Politeknik Negeri Lhokseumawe.
: Workshop Metodologi Pengajaran. Lhokseumawe.
Politeknik Negeri Lhokseumawe.
: In House Training Perawatan Mesin Perkakas.
Lhokseumawe. Politeknik Negeri Lhokseumawe.
: Standard Operational Procedure (SOP) Laboratorium dan Bengkel (Workshop) Teknik Mesin. Lhokseumawe.
Politeknik Negeri Lhokseumawe.
2006 : Seminar Nasional; Kurikulum dan Silabus Berbasis Kompetensi Sesuai dengan Pasar Kerja. Lhokseumawe.
Politeknik Negeri Lhokseumawe.
2009 : In House Training for Biomass Gasification and Seminar on Numerical & Experimental Mechanics. Medan. Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
2010 : The 5th
2010 : The 2nd IT Exhibition on IT Education & Products. Medan.
IC-STRAR USU
Regional Seminar on Materials, Energy, and Structure (MAESTRUCT 2010). Medan. Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
2010 : Seminar Nasional II Teknologi dan Rekayasa. Medan.
Fakultas Teknik Universitas Islam Sumatera Utara (UISU) 2011 : The 6th
2011 : Seminar Ilmiah dalam rangka Dies Natalis USU ke-59.
Medan. Universitas Sumatera Utara (USU).
Regional Seminar on Materials, Energy, and Structure (MAESTRUCT 2011). Medan. Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan nikmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan laporan akhir penelitian tesis yang berjudul “SIMULASI THERMAL STRESS PADA TUBE SUPERHEATER PACKAGE BOILER“.
Laporan akhir tesis ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa agar mendapatkan gelar Magister Teknik di Program Studi Magister Teknik Mesin FT-USU. Laporan akhir tesis ini merupakan suatu studi kasus kegagalan komponen di industri petrokimia, yaitu PT Pupuk Iskandar Muda (PIM) Lhokseumawe yang kemudian diintensifkan pengkajiannya oleh penulis dibawah arahan komisi pembimbing.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih dan penghargaan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME., selaku ketua komisi pembimbing dan Dr. Eng. Ir. Indra, MT., selaku anggota komisi pembimbing. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada seluruh Dosen dan Staf Administrasi Program Studi Magister Teknik Mesin FT-USU, yang telah banyak memberikan ilmu pengetahuan dan bantuan administratif selama penulis mengikuti pendidikan.
Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Bapak Drs Mashudianto, MM (Direktur Utama PT PIM Lhokseumawe), Ir. Masridar, dan Usman, AMd., yang telah banyak membantu penulis selama survey dan mengambil data di PT PIM Lhokseumawe.
Harapan penulis semoga dengan penelitian tesis ini dapat memberikan manfaat yang berarti terutama kepada penulis sendiri, dan penulis sangat berbesar hati jika tulisan ini dapat berguna bagi orang lain.
Akhirnya penulis akan menampung saran dan kritik yang membangun dari pihak-pihak yang terlibat dalam penyelesaian penelitian ini sehingga dapat membantu memperbaiki dan agar diperoleh hasil yang lebih baik.
Medan, Mei 2012 Penulis,
Hamdani 097015011
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
RIWAYAT HIDUP ... iii
KATA PENGANTAR ... iv
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR TABEL ... x
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR LAMPIRAN ... xiv
DAFTAR SIMBOL ... xv
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 5
1.3. Tujuan Penelitian ... 6
1.3.1. Tujuan umum ... 6
1.3.2. Tujuan khusus ... 7
1.4. Manfaat Penelitian ... 7
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 8
2.1. Pendahuluan ... 8
2.2. Review Literatur ... 9
2.3. Package Boiler ... 15
2.3.1. Skema package boiler ……….. 16
2.3.2. Superheater ……….. 18
2.3.3. Header dan tubing 20
2.4. Gejala dan Penyebab Kegagalan pada Komponen Boiler ... 23
2.5. Analisa Kegagalan ……….. 24
2.6. Metode Analisa Kegagalan ………. 25
2.7. Tegangan Elastis pada Silinder ………... 27
2.7.1. Tegangan tangensial ……… 27
2.7.2. Tegangan radial ………... 28
2.10. Regangan Equivalen (von-Mises) ……… 30
2.11. Distribusi Temperatur ……….. 30
2.12. Fluks Panas ……….. 31
2.13. Tegangan Termal pada Silinder ……….. 31
2.13.1. Tegangan termal arah tangensial ………. 31
2.13.2. Tegangan termal arah radial ……… 32
2.13.3. Tegangan termal arah aksial ……… 32
2.14. Regangan Termal pada Silinder ……….. 32
2.15. Thermal Stress pada Silinder ……….. 33
2.15.1. Thermal stress arah tangensial ……… 33
2.15.2. Thermal stress arah radial ………... 33
2.15.3. Thermal stress arah aksial ……….. 33
2.15.4. Thermal stress maksimum ……….. 34
2.16. Teori Kegagalan (Failure/Yield Criteria) ………... 34
2.16.1. Teori kegagalan von-Mises ………. 34
2.16.2. Hardening rule ……… 35
2.17. Simulasi Numerik ……… 37
2.17.1. Simulasi struktur ………. 37
2.17.2. Simulasi termal ……… 38
2.17.3. Simulasi thermal stress ……… 38
2.18. Ansys Workbench ……… 38
2.18.1. Workbench environment ... 40
BAB 3 METODE PENELITIAN ... 42
3.1. Tempat dan Waktu ………... 42
3.1.1. Tempat ……….. 42
3.1.2. Waktu ………... 42
3.2. Diagram Penelitian ……….... 43
3.3. Pengamatan Visual ………... 44
3.4. Pengujian Eksperimental ………... 50
3.4.1. Pengukuran dimensi ………. 50
3.4.2. Pengujian kekerasan ………. 51
3.4.3. Pengujian komposisi kimia ……….. 53
3.5. Simulasi Numerik ………. 57
3.5.1. Simulasi tegangan elastis ………. 58
3.5.1.1. Data material (engineering data) ………… 59
3.5.1.2. Geometrid dan mesh ……….. 59
3.5.1.3. Kondisi batas dan beban (setup) …………. 63
3.5.1.4. Solusi (solution) ……….. 64
3.5.1.5. Hasil (result) ………. 64
3.5.3.2. Geometrid dan mesh ……….. 67
3.5.3.3. Kondisi batas dan beban (termal) ………... 69
3.5.3.4. Solusi (termal) ……… 70
3.5.3.5. Kondisi batas dan beban (struktur) ……… 70
3.5.3.6. Solusi (solution) ………. 71
3.5.3.7. Hasil (result) ……….. 71
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 72
4.1. Pendahuluan ………. 72
4.2. Hasil Pengamatan Visual ………. 72
4.3. Hasil Pengujian Eksperimental ……… 77
4.3.1. Hasil pengukuran dimensi ……… 77
4.3.2. Hasil pengujian kekerasan ……… 78
4.3.3. Hasil pengujian komposisi kimia ………. 80
4.4. Hasil Analisa Numerik Tegangan Elastis ………. 81
4.4.1. Tegangan tangensial dan tegangan radial ………….. 81
4.4.2. Tegangan aksial dan tegangan von-Mises …………. 81
4.4.3. Regangan tangensial dan regangan radial ………… 82
4.4.4. Regangan von-Mises dan deformasi total …………. 82
4.5. Validasi Hasil Tegangan Elastis ……… 83
4.5.1. Tegangan tangensial ……….. 83
4.5.2. Tegangan radial ………. 83
4.5.3. Tegangan aksial ………. 83
4.5.4. Regangan tangensial ……….. 83
4.5.5. Tegangan equivalen (von-Mises) ………... 83
4.6. Hasil Analisa Numerik Thermal Stress ………. 85
4.6.1. Distribusi temperatur ………. 85
4.6.2. Fluks panas ……… 86
4.6.3. Thermal stress ………... 88
4.6.4. Regangan elastis equivalen (von Mises) …………... 89
4.6.5. Regangan termal ……… 89
4.6.6. Regangan plastis equivalen (von-Mises) ………….. 90
4.6.7. Deformasi total ………. 90
4.6.8. Hasil analisa kriteria kegagalan ………. 91
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 93
5.1. Kesimpulan ……….. 93
5.2. Saran ... 94
DAFTAR PUSTAKA ... 95
2.1 Material yang biasa digunakan untuk tube superheater ... 22
3.1 Tempat dan aktivitas penelitian ... 42
3.2 Kondisi operasi pada saat kegagalan ... 46
3.3 Material komponen superheater ... 46
3.4 Spesifikasi material superheater pada temperatur kamar ... 47
3.5 Komposisi kimia material superheater ... 47
3.6 Temperatur maksimum SA 213 T11 ... 47
3.7 Pengaruh laju pendinginan dan kekerasan ... 49
3.8 Identifikasi elemen dengan X-MET5100 Type XRF ... 57
3.9 Data material SA 213 T11 ... 59
3.10 Tegangan desain izin maksimum SA 213 T11 ... 64
3.11 Data material SA 213 T11 (temperature-dependent) ... 66
3.12 Sifat multilinear isotropic hardening ... 67
4.1 Toleransi ukuran SA 213 T11 ... 77
4.2 Hasil pengukuran diameter ... 78
4.3 Hasil pengukuran tebal dinding ... 78
4.4 Hasil pengujian kekerasan ... 79
4.5 Hasil pengujian komposisi kimia ... 80
4.6 Validasi hasil analisa tegangan elastis ... 84
1.1. PIM-2 Lhokseumawe ... 1
1.2. Macchi Package Boiler ... 2
1.3. Superheater header sebelum dan sesudah dibuka casing ... 3
1.4. Susunan tube di ruang superheater ... 3
1.5. Perbaikan yang dilakukan pada package boiler di PT PIM ... 4
2.1. Package boiler ... 15
2.2. Skema package boiler pada pembentukan uap ... 16
2.3. Siklus Rankine pada pembentukan uap ……….. 18
2.4. Penempatan superheater pada package boiler & flue gas …….. 18
2.5. Inverted loop superheater ………... 19
2.6. Ligament dan tube stub pada header ... 20
2.7. Variasi temperatur pada header ... 21
2.8. Bentuk pengelasan pada header ………. 22
2.9. Penyebab kegagalan komponen boiler ... 23
2.10. Tegangan normal pada silinder ... 27
2.11. Tegangan equivalen (von-Mises) ... 29
2.12. Distribusi temperatur pada silinder ... 30
2.13. Konsep tegangan equivalen (von-Mises) ... 35
2.14. Kriteria pemuluran (yielding) ... 35
2.15. Isotropic hardening ... 36
2.16. Kinematic hardening ... 36
2.17. Cara memulai analisa dengan program Ansys Workbench ... 39
2.18. Interface pada program Ansys Workbench ... 39
2.19. Workbench environment ... 41
3.1. Diagram penelitian ... 43
3.2. Header dan gambar bentangannya ... 44
3.5. Diagram TTT SA 213 T11 ... 48
3.6. Diagram CCT SA 213 T11 ... 49
3.7. Pengukuran dimensi tube superheater ... 50
3.8. Titik pengujian kekerasan metode Leeb ………. 51
3.9. TIME Leeb Portable Hardness Tester Type HLN-11A ……….. 51
3.10. Pengujian kekerasan tube superheater ……… 52
3.11. X-MET5100 for PMI Type XRF ... 53
3.12. Pengujian komposisi kimia ... 54
3.13. Memilih metode pengujian ... 55
3.14. Memilih output setting ... 55
3.15. X-RAY ON ... 56
3.16. Langkah-langkah simulasi tegangan ... 58
3.17. Tree outline pada design moduler ... 59
3.18. Model dan ukuran tube superheater ... 60
3.19. Geometri 3 dimensi hasil revolve 90° arah normal ... 61
3.20. Hasil meshing dengan Ansys Mechanical ... 61
3.21. Hasil refinement mesh pada dua bidang ... 62
3.22. Kondisi batas perpindahan arah X=0 ... 63
3.23. Kondisi batas tekanan internal 5 Mpa ... 63
3.24. Langkah-langkah simulasi thermal stress ... 65
3.25. Kekuatan SA 213 T11 pada temperatur tinggi ... 66
3.26. Geometri dan diameter tube ... 68
3.27. Geometri dan mesh ... 68
3.28. Analysis setting ... 69
.29. Kondisi batas termal ... 70
3.30. Kondisi batas struktur ... 71
4.3. Lokasi tube yang gagal ... 74
4.4. Sampel tube yang gagal ... 75
4.5. Arah bengkak akibat overheating ... 76
4.6. Titik pengujian kekerasan ... 79
4.7. Distribusi kekerasan pada titik-titik pengujian ... 79
4.8. (a) Tegangan tangensial (σH), dan (b) Tegangan radial (σR) ... 81
4.9. (a) Tegangan aksial (σZ), dan (b) Tegangan von-Mises (σe) ... 81
4.10. (a) Regangan tangensial (εH), dan (b) Regangan radial (εR) ... 82
4.11. (a) Regangan von-Mises (εe), dan (b) Deformasi total (εtot) ... 82
4.12. Distribusi tegangan tangensial elastis pada dinding tube ... 84
4.13. Distribusi temperatur (a) t=1 detik, dan (b) t=3 detik ... 85
4.14. Distribusi temperatur (a) t=5,7 detik, dan (b) t=30 detik ... 85
4.15. Grafik distribusi temperatur ... 86
4.16. Fluks panas total (a) Waktu t=1 dtk, dan (b) Waktu t=3 dtk ... 86
4.17. Fluks panas total (a) Waktu t=5,7 dtk, dan (b) Waktu t=30 dtk .. 87
4.18. Distribusi fluks panas pada dinding tube ... 87
4.19. Thermal stress (a) t=0,2 detik, dan (b) t=0,585 detik ... 88
4.20. Thermal stress (a) t=0,83 detik, dan (b) t=1 detik ... 88
4.21. Regangan elastis equivalen ... 89
4.22. Regangan termal ... 89
4.23. Regangan plastis equivalen ... 90
4.24. Deformasi total ... 90
4.25. Thermal stress maksimum pada dinding tube superheater ... 91
4.26. Distribusi thermal stress pada dinding tube superheater ... 91
4.27. Isotropic hardening pada dinding tube superheater ... 92
1. Modulus elastisitas, rasio Poison, dan reduksi penampang
SA 213 T11 ... 100
2. Sifat termal SA 213 T11 ... 101
3. Surat Izin Survey Lapangan untuk Penelitian ... 102
4. Surat Izin Pengambilan Data di PT PIM Lhokseumawe ... 103
5. Berita Acara Serah Terima Sampel dari PT PIM Lhokseumawe ... 104
6. Izin Pengeluaran Sampel dari PT PIM Lhokseumawe ... 105
7. Foto-foto Kegiatan Survey di PT PIM Lhokseumawe ... 106
σH Tegangan tangensial ... N/mm σ
2
Tegangan radial ...
R N/mm
σ
2
Tegangan aksial ...
Z N/mm
P
2
Tekanan ... N/mm Pi
2
Tekanan internal ... N/mm ri
2
Radius dalam ... mm ro Radius luar ... mm r Radius rata-rata ... Mm E Modulus elastisitas ... N/mm
v
2
Rasio Poison ... - v' Rasio Poison untuk regangan plastis ... - εH Regangan tangensial ... - εR Regangan radial ... - εZ Regangan aksial ... - σe Tegangan equivalen (von-Mises) ... N/mm
ε
2
Regangan equivalent (von-Mises) ...
e -
T Temperatur ... °C To Temperatur luar ... °C Ti Temperatur dalam ... °C
∆T Temperatur rata-rata ... °C T(r) Temperatur pada radius tertentu ... °C l Panjang silinder ... mm k Konduktivitas termal ... W/mm°C t Tebal silinder ... mm α Koefisien ekspansi termal ... 1/°C Q Fluks panas ... W/mm2
σZt Tegangan termal arah aksial ... N/mm ε
2
Regangan termal arah tangensial ...
Ht -
εRt Regangan termal arah radial ... - εZt Regangan termal arah aksial ... - σHts Thermal stress arah tangensial ... N/mm σ
2
Thermal stress arah radial ...
Rts N/mm
σ
2
Thermal stress arah aksial ...
Zts N/mm
Ø
2
Diameter silinder ... mm t Waktu simulasi ... detik ρ Berat jenis ... Kg/mm σ
3
Tegangan tarik ...
t N/mm
σ
2
Tegangan mulur ...
y N/mm2
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
PT Pupuk Iskandar Muda (PIM) berlokasi di Krueng Geukuh, Lhokseumawe, Provinsi Aceh, sekitar 274 km sebelah timur Kota Banda Aceh. PT Pupuk Iskandar Muda (Gambar 1.1) didirikan pada tanggal 24 Februari 1982 dan mulai beroperasi secara komersil pada tanggal 1 April 1985. Gas alam sebagai sumber energi dipasok melalui PT ARUN NGL dari ladang Lhoksukon, Aceh Utara, yang dikelola Exxon Mobil Indonesia. Untuk saat ini PT PIM mengoperasikan PIM-1 untuk produksi ammonia dan PIM-2 untuk produksi urea. Ini dilakukan karena terbatasnya suplai gas [1].
Gambar 1.1. PIM-2 Lhokseumawe (Toyo Engineering Corp.)
Macchi Package Boiler seperti tampak pada gambar 1.2 adalah sumber pembangkit uap di pabrik PIM-2 dan mulai dioperasikan pada tahun 2003, diproduksi pada tahun 2000 oleh Macchi S.p.A, Italia. Boiler ini merupakan tipe water tube dan pembakarannya menggunakan gas alam, sedangkan fluida yang mengalir di dalamnya berasal dari demineralizer yang disimpan di water drum. Sistem boiler mengalami kegagalan sehingga produksi urea terganggu. Kegagalan terjadi pada tube superheater, material tube SA 213 T 11 (1¼ Cr - ½Mo). Sejarah kegagalan menunjukkan kegagalan pertama terjadi pada tahun 2006, atau lebih kurang 25.000 jam operasi, sedangkan rancangan umur material ini adalah 100.000 jam [2].
Kemudian kegagalan pada tahun 2008 sebanyak 5 kali, dan kegagalan pada bulan Mei 2011.
Gambar 1.2. Macchi Package Boiler
Kasus kegagalan ini menarik, mengingat kegagalan selalu terjadi pada baris tube yang berbeda, namun pada nomor yang sama, seperti tampak pada gambar 1.3.
Gambar 1.3. Superheater header sebelum dan sesuda dibuka casing
Tube superheater seperti tampak pada gambar 1.4 bekerja pada temperatur tinggi yaitu sekitar 570oC dan tekanan 28 MPa hanya dapat dijamin keandalannya dengan melakukan analisa tegangan [3]. Suatu struktur yang menerima beban termal dan mekanik, maka analisa numerik merupakan solusi yang ekonomis untuk mendukung analisa kegagalan [4].
Gambar 1.4. Susunan tube di ruang superheater (PT PIM) (a). Sebelum dibuka casing (b). Sesudah dibuka casing
Data survey menunjukkan sejauh ini PT PIM belum melakukan suatu analisa kegagalan yang konprehensif terhadap kasus ini, namun usaha-usaha perbaikan yang dilakukan terhadap kegagalan ini adalah dengan memotong bagian tube yang gagal lalu menyambung dengan material yang sama dengan cara dilas. Cara lainnya yang dilakukan adalah dengan menutup (plug-insitu) bagian tube yang gagal, proses penutupan juga dilakukan dengan pengelasan, seperti tampak pada gambar 1.5. Dua metode yang dilakukan ini tidak sepenuhnya dapat menyelesaikan masalah, buktinya kegagalan pada tahun 2008 yang memiliki intensitas paling tinggi merupakan kegagalan pada tube yang sama yang telah diperbaiki sebelumnya.
Gambar 1.5. Perbaikan yang dilakukan pada package boiler di PT PIM
Oleh karena itu perlu dilakukan suatu investigasi terhadap penyebab kegagalan tube superheater package boiler terutama pada pada tiga komponen kritis
material (1 ¼ Cr- ½ Mo), Preheat : 150 0C
ProsesPengelasan: GTAW Elektroda : TGS - 1 CM
Penutupan (plug in-situ) Penyambungan
Penyambungan dengan material yang sama dengan cara dilas
penyumbang utama kegagalan, yaitu; (1) piping system (2) tubing dan (3) header [5].
Pada survey tahap kedua, setelah dilakukan diskusi bersama dengan pihak inspektor boiler di PT PIM, maka diputuskan untuk memotong tube yang gagal pada posisi dekat dengan header, karena komponen ini sering meyebabkan kegagalan pada tube superheater [5].
Analisa kegagalan merupakan masalah yang kompleks, meliputi aspek mekanik, termal, fisik, metalurgi, kimia, korosi, proses manufaktur, analisa tegangan, dan termasuk analisa numerik dengan program Finite Element Method (FEM). Oleh karena itu, kasus kegagalan ini dikaji oleh dua orang peneliti yaitu Hamdani dan Sariyusda. Penulis sendiri lebih fokus pada uji simulasi dengan program Ansys Workbench, sedangkan Sariyusda menekankan pada kajian struktur mikro hasil pengujian menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM).
1.2. Perumusan Masalah
Kegagalan tube superheater dianalisa menggunakan prosedur analisa kegagalan untuk menentukan akar penyebab, kemudian tube yang gagal dievaluasi dengan pengujian tak merusak.
Analisa pertama adalah tegangan elastis, tujuannya untuk mengetahui respon tube superheater akibat tekanan internal tanpa beban termal. Disini, hasil analisa numerik dan teoritis keduanya divalidasi. Tegangan elastis maksimum dibandingkan dengan tegangan desain izin maksimum tube superheater.
Untuk mendukung hasil yang diperoleh pada tahap ini selanjutnya dikaji dengan analisa numerik menggunakan program Ansys Workbench.
Selanjutnya adalah analisa thermal stress, yaitu dengan menggabungkan dua domain fisik yang berbeda (termal-struktur). Analisa termal dilakukan terlebih dahulu, pada analisa ini didapat hasil distribusi temperatur dan fluks panas.
Kemudian analisa struktur dengan mengikutkan hasil pada analisa termal.
Kegagalan akan terjadi pada tube superheater jika thermal stress melebihi batas elastis, sehingga komponen akan memulur akibat terjadinya deformasi plastis.
Teori kegagalan von-Mises menyatakan bahwa suatu material akan mulai gagal jika tegangan equivalen melebihi kekuatan mulurnya. Strain hardening merespon pemuluran ini dengan berekspansi seragam (isotropik) ke arah mulurnya. Jika plastic flow yang menyebabkan permukaan plastis setelah penambahan beban melebihi kekuatan mulurnya, maka komponen dinyatakan gagal akibat thermal stress.
Hasil kajian, baik pengamatan visual, pengujian eksperimental, dan analisa numerik menggunakan program Ansys Workbench didiskusikan untuk mengevaluasi kegagalan tube superheater package boiler yang kemudian dinyatakan dengan kesimpulan dan saran.
1.3. Tujuan Penelitian
1.3.1. Tujuan umum
Tujuan umum penelitian ini adalah dapat mensimulasikan thermal stress pada tube superheater package boiler untuk menganalisa kegagalan baik secara eksperimental dan simulasi numerik menggunakan program Ansys Workbench.
1.3.2. Tujuan khusus
Adapun tujuan khusus penelitian ini adalah untuk:
1. Menemukan penyebab utama dan menganalisa mekanisme kegagalan tube superheater.
2. Menganalisa tegangan elastis pada tube superheater, baik dengan simulasi numerik maupun secara teoritis.
3. Menganalisa kegagalan akibat thermal stress pada tube superheater package boiler.
1.4. Manfaat Penelitian
Setelah melakukan penelitian yang berhubungan dengan kegagalan komponen di industri, baik dengan pengamatan visual, pengujian eksperimental, maupun simulasi numerik, diharapkan dapat memberikan masukan untuk pengembangan metode analisa kegagalan. Hal ini diperlukan dalam kajian kekuatan atau kegagalan komponen yang menerima beban kombinasi antara termal dan mekanik.
Adapun hasil penelitian ini diharapkan bermanfaat bagi:
1. Pembuat kebijakan, penyalur, inspektor, maupun bagi operator boiler secara umum dan kepada manajemen PT PIM Lhokseumawe pada khususnya.
2. Para praktisi dan ahli teknik material dan struktur serta mahasiswa lainnya yang ingin mengembangkan hasil penelitian ini serta dapat dijadikan sebagai pembanding dalam pembahasan pada topik yang sama.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pendahuluan
Boiler merupakan peralatan yang digunakan untuk mengkonversi air menjadi uap (steam) untuk berbagai keperluan. Air pada tekanan atmosfir dipanaskan menjadi uap maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan kekuatan yang hampir sama dengan bahan peledak seperti gunpowder. Oleh karena itu boiler merupakan peralatan yang harus diperlakukan dengan seksama [6].
Komponen boiler yang beroperasi pada temperatur tinggi akan gagal jika kondisi operasi berfluktuasi, desain yang kurang baik, kesalahan fabrikasi, dan pemilihan material yang kurang tepat. Pada temperatur tinggi, suatu komponen akan dihadapkan pada dua masalah utama yang cenderung memperlemah komponen itu sendiri. Pertama, kekuatan yang cenderung menurun seiring dengan naiknya temperatur. Kedua, terjadinya thermal stress akibat ekspansi yang dihalangi, baik oleh bentuk geometri, kerena dikonstrain, atau karena adanya gradien temperatur [5].
Analisa kegagalan merupakan suatu investigasi yang konprehensif untuk menemukan mekanisme kejadian kegagalan dan penyebabnya. Uji simulasi membuka jalan lebih lanjut penyelidikan penyebab kegagalan, terutama pada struktur dengan geometri dan atau pembebanan yang kompleks. Hal penting adalah kesesuaian dan koneksi sistematis dari semua data, baik yang diperoleh di lapangan maupun data hasil pengujian dan simulasi.
2.2. Review Literatur
Pada penelitian ini, program Ansys Workbench digunakan untuk menganalisa thermal stress pada tube superheater dengan mengkombinasikan antara beban termal dan mekanik. Oleh karena itu, untuk mempelajari kegagalan komponen boiler, dan khususnya thermal stress pada tube superheater, beberapa literatur yang berkenaan telah dipelajari, antara lain adalah:
J. Dobrzanski et al. [2], mempelajari sifat mekanik komponen boiler (low- alloy steel) yang telah lama beroperasi dengan menguji komponen melebihi 100 ribu jam dan mengamati struktur mikro dengan Scanning Electron Microscope (SEM).
X-Ray Diffraction Phase Analysis digunakan untuk mengamati proses presipitasi.
Hasil menunjukkan adanya korelasi antara presipitasi karbida pada struktur mikro dengan umur pemakaian komponen. Juga struktur mikro dan fasa logam mengalami degradasi selama pemakaian sehingga dapat menurunkan sifat mekanik komponen.
O. M. Al-Habahbeh et al. [7], mempelajari thermal stress dan mengestimasi umur pada silinder akibat beban kombinasi termal dan mekanik. Pada penelitian ini, model dikembangkan dengan Ansys Workbench dengan melibatkan simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD) dalam menentukan koefisien perpindahan panas. Model dimesh dengan CFX-Mesh, kondisi batas dengan CFX-Pre, termal pada kondisi steady dan transient diselesaikan dengan CFX-Solver, dan hasil diperoleh dengan CFX-Post. Hasil simulasi menunjukkan fluks panas baik internal atau eksternal dapat menimbulkan gradien temperatur pada silinder. Turbulensi aliran dapat mempengaruhi besarnya thermal stress, kemudian thermal stress yang
didasarkan pada aliran transient lebih dominan dibandingkan dengan aliran steady.
Terakhir, thermal stress yang diterima oleh komponen dapat memperpendek masa pakai komponen tersebut.
I. Nonaka [8], mempelajari kerusakan-kerusakan yang sering terjadi pada header dan cara untuk menginspeksinya. Penelitian ini didasarkan pada kenyataan bahwa komponen boiler di Jepang pada umumnya dapat beroperasi melebihi umur desain, walaupun tanpa mengabaikan faktor efesiensi dan keselamatan. Sistem inspeksi yang didukung oleh peralatan canggih, seperti penggunaan sensor dan kamera pemantau sehingga dapat memonitor kerusakan sejak dini. Dari penelitian ini didapat bahwa kerusakan yang paling potensial pada header adalah kerusakan pada daerah lasan.
Nakoneczny, G.J & Schultz, C.C. [9], mempelajari header yang beroperasi pada temperatur melebihi 900°F (482°C) dan material SA-335 P 11 (1¼Cr-½Mo).
Metode analisa yang digunakan adalah survey, eksperimental, dan dengan simulasi numerik. Dari beberapa kasus kerusakan pada header yang diteliti menunjukkan bahwa kerusakan yang paling dominan adalah kerusakan lasan. Hasil menunjukkan bahwa dengan penelitian, pengujian material, simulasi numerik, dan inpeksi rutin dapat meminimalisir kegagalan komponen dimasa yang akan datang.
Viswanathan, R & Stringer, J. [10], mempelajari kerusakan komponen boiler, khususnya header yang didominasi oleh kerusakan lasan. Pada penelitian ini kerusakan pada daerah lasan dibagi menjadi empat tipe, masing-masing tipe menjelaskan fenomena kerusakan dalam kaitannya dengan struktur mikro lasan pada
daerah Heat Affected Zone (HAZ). Hasil penelitian menunjukkan bahwa Non Destructive Evalution (NDE) dan inpeksi berkelanjutan dapat meminimalisir kegagagalan komponen boiler.
A. Kandil et al. [11], mempelajari thermal stress pada silinder berdinding tebal (thick-wall cylinder) akibat laju aliran panas transient dan tekanan internal.
Kondisi batas yang dipakai adalah distribusi temperatur time-dependent, regangan longitudinal dianggap nol, dan temperatur luar adalah temperatur ambien. Dengan mengaplikasikan hal tersebut di atas, dapat diamati thermal stress dan tegangan efektif (von-Mises). Hasil menunjukkan tegangan efektif selalu terjadi pada bagian dalam silinder yang terjadi pada beban start-up. Variasi waktu hingga mencapai kondisi steady dipengaruhi oleh diameter silinder dan waktu pemanasan.
Behera, P. [12], mempelajari perpindahan panas konduksi transient pada silinder dan slab dengan mengadopsi sistem lumped (distribusi temperatur merupakan fungsi waktu), modifikasi Biot Number dan menggunakan metode pendekatan polynomial untuk mengamati distribusi temperatur pada slab dan silinder. Hasil analisa menunjukkan kecocokan jika dibandingkan dengan dengan kajian teoritis dan numerik sebelumnya. Biot Number memainkan peranan yang penting dalam mendapatkan distribusi temperatur transient pada slab dan silinder
Kumar, R. [13], menganalisa termo-elastisitas transient pada rem dengan menggunakan program ANSYS. Model rem yang dianalisa dengan menggabungkan analisa termal dan mekanikal. Kondisi batas dan kondisi inisial yang menunjukkan karakteristik kontak dan perpindahan panas pada aplikasi pengereman. Pengaruh sifat
material, terutama koefisien perpindahan panas dan modulus elastisitas, dan juga ketidakstabilan pada saat pengereman termasuk hal yang dianalisa. Hasil simulasi menunjukkan distribusi tegangan tangensial lebih besar dibanding dengan tegangan tekan, sehingga tegangan ini dapat dijadikan acuan dalam analisa kerusakan rem.
Juga efek gesekan material dapat mempengaruhi koefisien perpindahan panas dan modulus elastisitas material itu sendiri.
Latfi R., & Moawiah S. [14], melakukan studi kasus pada kegagalan tube superheater SA-213 T2 (tebal 5,6 mm) akibat deformasi lasan pelat diaphragms dalam header. Tahap pertama perbaikan dilakukan dengan mengganti tube yang gagal dengan tube lain yang dianggap sama yaitu SA-213 T22 (tebal 4,8 mm).
Setelah dilakukan perbaikan dan boiler diuji coba, maka tube yang telah diganti kembali gagal. Kemudian diputuskan untuk memotong dua kolom tube yang gagal, dan dijumpai posisi diaphragms telah bergeser. Perbaikan pada diaphragms dilakukan dengan memotong header pada dua sisi hingga memudahkan tangan masuk, kemudian posisi diaphragms ditempatkan pada posisi semula dan dilas.
Penutupan lubang dilakukan dengan pengelasan dan dicek dengan dye penetrant test.
Untuk perbaikan yang terakhir ini, dua kolom tube yang sudah dipotong juga ditutup dengan plug-insitu. Hasil uji coba setelah perbaikan terakhir menunjukkan kondisi superheater yang aman dengan performansi yang dapat diterima.
Metallurgical Technologies, Inc., P.A. [15], menguji tube superheater SA-213 T11 yang gagal dan sudah digunakan selama 6 hingga 8 tahun. Bentuk kegagalan adalah short-term overheating. Pengujian dilakukan dengan Energy Dispersive x-ray
Spectroscopy (EDS). Hasil pengujian didapati bahwa struktur mikro dan lapisan scale menunjukkan tube beroperasi diatas temperatur desain. Juga tube telah mengalami beberapa kali overheating dan setidaknya dari beberapa kali kejadian tersebut tube pernah menerima temperatur melebihi 1350°F (732°C). Hal ini ditandai dengan adanya dua tipe karbida pada bagian internal. Satu tipe karbida berbentuk aglomerat sepanjang batas butir, dan tipe lainnya bergerombol pada pada struktur mikro halus.
Adanya dua tipe karbida ini menunjukkan bahwa tube telah beroperasi atau pernah menerima beban temperatur yang melebihi batas kritis bawah temperatur transformasinya.
V. Radu et al. [16], mempelajari termo-elastisitas pada silinder dengan kondisi batas temperatur time-dependent. Adapun langkah-langkah analisa adalah;
pertama, menggunakan transformasi finite Hankel untuk distribusi temperatur pada dinding silinder. Kedua, menyelesaikan solusi analitis untuk distribusi temperatur transient pada dinding silinder. Ketiga, komponen tegangan termal dan perpindahan diperoleh pada silinder dengan menggunakan kasus satu dimensi. Terakhir, hasil simulasi dibandingkan dengan jurnal-jurnal terdahulu yang menganalisa permasalahan yang sama. Verifikasi hasil dilakukan dengan program ABAQUS.
K. Abrinia et al. [17], mempelajari pembebanan kombinasi antara termal dan mekanikal pada Functionally Graded Materials (FGM), kemudian dihitung solusi analitis menggunakan metode elemen hingga, dengan kondisi batas modulus elastisitas dan koefisien ekspansi termal bervariasi pada dinding silinder, sedangkan rasio Poison konstan. Efek pembebanan kombinasi dianalisa mengacu pada parameter
non dimensi β. Hasil simulasi tegangan versus radius pada beberapa harga β menunjukkan harga β yang ideal dapat diperoleh dengan kondisi batas tertentu.
Poworoznek, P.P. [18], mempelajari fenomena termo-mekanikal pada silinder yang menerima beban kombinasi dengan menggunakan program ABAQUS. Simulasi menggunakan konsep 2D pada segmen silinder ukuran 3 inci (76.2 mm), dan material yang diuji adalah ASTM-A36. Analisa pertama pada solusi elastis, dengan membandingkan hasil antara formulasi silinder berdinding tipis dengan silinder berdinding tebal. Kemudian dikombinasikan dengan beban termal. Hasil menunjukkan korelasi yang baik antara analitis dan simulasi. Pada deformasi plastis diasumsikan tidak terjadinya strain hardening, sehingga model material elastis-plastis dipilih elastic-perfecly plastic.
A. B.Ayob et al. [19], mempelajari desain yang optimal pada thick-wall cylinder yang menerima tekanan internal, yaitu dengan mengamati pengaruh tegangan sisa pada dinding silinder setelah beban ditiadakan. Terdapat tiga skenario yang menjadi variabel penelitian ini. Pertama, autofrettege process. Pada proses ini tekanan internal yang besar diberikan pada bagian dalam silinder. Setelah beban dihilangkan, tegangan sisa pada dinding silinder diamati. Kedua, optimum autofrettege, yaitu dengan tekanan dan radius autofrettege, dan ketiga, full autofrettege, yaitu radius autofrettege sama dengan radius silinder. Hasil menunjukkan pada pembebanan maksimum tidak ada kecocokan dengan proses dijadikan variabel. Full autofrettege sesuai jika mulur pada bagian dalam silinder dibatasi. Optimum autofrettege sesuai jika tegangan equivalen minimum dicapai.
2.3. Package Boiler
Boiler merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mengkonversi air menjadi uap untuk berbagai keperluan. Sedangkan package boiler, seperti tampak pada gambar 2.1 merupakan tipe boiler yang sudah tersedia sebagai paket lengkap.
Pada saat dikirim ke pabrik hanya memerlukan pipa uap, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi [6].
Kelebihan package boiler antara lain adalah:
1. Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.
2. Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki tingkat efesiensi termisnya yang lebih baik.
Gambar 2.1. Package boiler (Babcock & Wilcox)
2.3.1. Skema package boiler
Gambar 2.2 menjelaskan skema package boiler dalam mengkonversi air menjadi uap yang siap digunakan. Adapun langkah-langkahnya adalah sebagai berikut:
1. Boiler feed water memompa fluida cair (temperatur 110°C dan tekanan 6,5 MPa) ke economizer. Disini terjadi pemanasan akibat flue gas sisa pembakaran hingga temperatur 182°C.
2. Kemudian fluida (temperatur 182°C, tekanan 5,2 MPa) masuk ke steam drum, diteruskan ke seluruh tube evaporator untuk diubah fasanya menjadi uap jenuh dan kembali lagi ke steam drum hingga temperatur 268°C.
Gambar 2.2. Skema package boiler pada pembentukan uap (Data survey di PT PIM)
3. Uap jenuh dari steam drum (temperatur 268°C, tekanan 5 MPa) masuk ke primary upper header. Disini uap panas lanjut bersirkulasi dari primary upper header ke primary lower header melalui tube superheater, dan dipanaskan hinga temperatur 390°C.
4. Dari primary lower header, uap panas lanjut (temperatur 390°C, tekanan 5 MPa) diteruskan ke desuperheater, yang berfungsi menjaga temperatur keluaran tetap dalam batas kontrol (395°C - 400°C).
5. Desuperheater menyemprotkan uap panas lanjut (temperatur 395°C, tekanan 5 MPa) ke secondary upper header (final). Disini uap panas lanjut bersirkulasi dari secondary upper header ke secondary lower header melalui tube superheater, dan dipanaskan hinga temperatur 400°C.
6. Secondary lower header merupakan pengumpul uap final (main steam) yang siap digunakan untuk menggerakkan turbin dan keperluan proses (temperatur 400°C dan tekanan 5 MPa).
Jika langkah-langkah pembentukan uap tesebut di atas kita analisa dengan siklus Rankine, seperti tampak pada gambar 2.3, maka langkah nomor 1 s.d. 2 proses pembentukan uap berada pada titik 1-2 pada siklus Rankine, kemudian langkah nomor 2 s.d. 3 berada pada titik 2-3, dan langkah nomor 3 s.d. 6 pada titik 3-3’.
Karena siklus Rankine merupakan siklus tertutup, maka pada titik 3’-4; uap panas lanjut menuju turbin, hal ini menyebabkan turunnya temperatur dan tekanan
uap. Pada titik 4-1; uap sisa memasuki kondenser, kemudian diembunkan pada tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.
Gambar 2.3. Siklus Rankine pada pembentukan uap (Google Image)
2.3.2. Superheater
Superheater merupakan komponen boiler yang berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh hingga temperatur tertentu menjadi uap final, seperti ditunjukkan pada gambar 2.4.
Gambar 2.4. Penempatan superheater pada package boiler & flue gas (Data survey di PT PIM)
Sumber panas (flue gas) dari furnace mengenai water tube, kemudian lintasan flue gas membelok hingga 180° mengenai seluruh tube dalam boiler.
Superheater dibagi menjadi dua tingkat, primary dan secondary. Primary superheater berfungsi mengalirkan uap ke desuperheater, kemudian uap yang telah dikabutkan disemprot kembali ke secondary superheater. Banyaknya air yang akan disemprotkan dikontrol oleh valve sesuai dengan temperatur kontrol. Pada package boiler, superheater terdiri dari tube, header, piping, support dan spacer. Superheater terdiri dari tiga model yaitu, horizontal, vertikal dan inverted loop. Model yang sering digunakan adalah model inverted loop, seperti tampak pada gambar 2.5. Hal ini didasarkan pada lintasan tube yang dapat menghasilkan efisiensi perpindahan panas yang baik dan juga tidak membutuhkan ruangan yang luas [20].
Gambar 2.5. Inverted loop superheater (Babcock & Wilcox).
2.3.3. Header dan tubing
Header, seperti tampak pada gambar 2.6 adalah pipa tempat pengelasan tube membentuk baris dan kolom baik secara aksial dan melingkar. Header merupakan komponen utama superheater yang digunakan untuk mengoleksi dan mendustribusikan steam ke tubing dan piping. Header biasanya didesain menurut ASME Boiler and Pressure Code, Section VIII [5].
Beberapa pertimbangan khusus pada desain header adalah sebagai berikut:
1. Semua header harus terbuat dari pipa seamless.
2. Semua tee pada header harus menggunakan desain forging.
3. Ligament spacing pada arah circumferential minimum 12,7 mm diukur pada diameter dalam header.
4. Hindari penetrasi tube stub joint pada pengelasan circumferential pada daerah transisi antara header dan tee.
5. Semua pengelasan plat header harus diinspeksi dengan ultrasonic testing.
Gambar 2.6. Ligament dan tube stub pada header [13].
Kerusakan yang paling sering terjadi pada header adalah pada header temperatur tinggi (secondary superheater header), yang merupakan pengumpul uap final. Temperatur yang bervariasi pada header, seperti tampak pada gambar 2.7, akan berakibat kegagalan jika terdapat kelemahan desain dan fabrikasi, faktor operasional, dan pemilihan material yang tidak sesuai. Adapun bentuk kerusakannya yang paling sering terjadi adalah creep/overheating, thermal fatigue, dan thermal stress [10].
Gbr 2.7. Variasi temperatur pada header
Semua komponen yang melekat pada header, baik support, tubing, steam separator (diaphragm), dan komponen lain yang melekat padanya difabrikasi dengan cara dilas, sepert tampak pada gambar 2.8. Oleh karena itu kerusakan pengelasan merupakan penyebab yang dominan pada kerusakan header atau bagiannya [11].
Gambar 2.8. Bentuk pengelasan pada header
Suatu komponen yang beroperasi pada temperatur tinggi akan dihadapkan pada dua masalah utama yang cenderung memperlemah komponen itu sendiri.
Pertama, kekuatan yang cenderung menurun seiring dengan naiknya temperatur.
Kedua, terjadinya thermal stress akibat ekspansi yang dihalangi, baik oleh bentuk geometri, kerena dikonstrain, atau karena adanya gradien temperatur [5].
Pemilihan material yang tepat merupakan salah satu syarat utama untuk konstruksi komponen boiler. Komposisi unsur chrome, moly, dan nickel akan meningkatkan ketahanan terhadap temperatur tinggi, tidak korosif. Material yang sering digunakan untuk tube boiler seperti ditunjukkan pada tabel 2.1.
Tabel 2.1. Material yang biasa digunakan untuk tube boiler [21, 22]
2.4. Gejala dan Penyebab Kegagalan pada Komponen Boiler
Kegagalan pada komponen boiler merupakan salah satu penyebab menurunnya produktivitas dalam industri proses. Penyebab kegagalan yang sering terjadi pada komponen boiler adalah mengalami kegagalan akibat 5 hal berikut, yaitu:
(1) overheating/creep (2) fatik (3) korosi (4) erosi dan (5) kurangnya kontrol kualitas, seperti tampak pada gambar 2.9.
Gambar 2.9. Penyebab kegagalan komponen boiler[23]
Kerusakan material
Overheating
Korosi
Keausan
Fatik
Korosi fatik
• Penurunan kwalitas material akibat pema- Kaian yang sudah lama
• Perubahan kwalitas material
• Material cacat
Deformasi dan bengkak
Pecah akibat tegangan statik
• Aliran terhalang oleh benda asing
• Aliran yang tidak seimbang
• Adanya terak pada permukaan dalam pipa
• Korosi temperatur tinggi
• Korosi temperatur rendah
• Korosi kimia
Peningkatan tegangan akibat penipisan dinding
• Erosi akibat debu
• Aus akibat aliran partikel dalam fluida
• Fatik termal
• Fatik mekanik
• Fatik pada permukaan dalam pipa akibat aliran fluida
Adanya
pertumbuhan retak
Adanya
pertumbuhan retak
Pecah akibat fatik
Pecah akibat Korosi fatik
Bocor
2.5. Analisa Kegagalan
Pada malam 14 April 1912, kapal penumpang, RMS Titanic, menabrak gunung es terapung dan tenggelam 2 jam 40 menit kemudian. Kecelakaan yang mengakibatkan kematian 1,517 orang, menjadikannya salah satu bencana yang paling mematikan dalam sejarah. Analisa dan penyelidikan yang intensif terhadap kegagalan tersebut mendorong pengembangan suatu konsep baru yaitu “ductile to brittle transition” tentang baja. Pada era teknologi sekarang, konsep ini merupakan pengetahuan dasar bagi mahasiswa dibidang ilmu material dan rekayasa. Analisa kegagalan merupakan suatu investigasi yang konprehensif untuk menemukan mekanisme kejadian kegagalan dan akar penyebabnya [24].
Kegagalan suatu komponen dan struktur sering kita jumpai dalam industri, biasanya tanpa peringatan. Beberapa kegagalan mungkin dianggap sepele, sedangkan yang lainnya memiliki konsekuensi serius. Kegagalan
1. Kematian
dapat menyebabkan:
2. Cederanya karyawan 3. Kerusakan properti 4. Shutdown pabrik 5. Rugi produksi
6. Timbulnya masalah ekologi seperti bocornya bahan berbahaya
7. Kerugian jangka panjang akibat hilangnya legitimasi dan kredibilitas perusahaan dan keandalan produknya.
Semua kejadian kegagalan suatu komponen dan struktur ditunjukkan dengan gejala-gejala awal, misalnya performansi yang menurun, tidak nyaman saat digunakan, tidak mau start, dan lain-lain. Analisa kegagalan merupakan masalah yang kompleks, meliputi aspek mekanik, termal, fisik, metalurgi, kimia, korosi, proses manufaktur, analisa tegangan termasuk simulasi numerik dengan software finite element method [FEM] [25].
2.6. Metode Analisa Kegagalan
Jika suatu analisa kegagalan akan dilakukan, pada awalnya, sangat penting untuk mengumpulkan informasi latar belakang yang relevan. Ini akan memudahkan dalam pengembangan sejarah kasus yang lengkap tentang kegagalan [26].
Deskripsi komponen yang gagal sangat penting dibuat sebelum memilih potongan untuk pemeriksaan laboratorium lebih lanjut. Hal dimaksud meliputi fotografi, dokumentasi dan sket lokasi kegagalan seperti apa adanya. Pemeriksaan secara visual permukaan retak segera mengungkapkan adanya tanda-tanda korosi pada produk; perubahan warna permukaan, abrasi, dan bekas tergosok, logam irisan dan bentuk mencuat keluar, beban yang berlebih dan sebagainya. Pemeriksaan ini juga menunjukkan kualitas pengerjaan dalam pembuatan komponen dan segala pelanggaran komponen yang mungkin terjadi selama dioperasikan. Spesimen harus dikumpulkan dengan hati-hati, dan lokasinya dalam struktur harus dicatat. Setiap sampel lainnya yang dapat memberikan bukti sekunder atau tambahan juga harus dikumpulkan.
Sebagian besar kegagalan adalah hasil akhir dari retakan yang berasal dari kelemahan komponen yang sudah ada atau yang terbentuk selama operasi. Oleh karena itu, pengujian laboratorium dapat menyediakan informasi mengenai setiap penyimpangan dari spesifikasi standar, komposisi yang tidak homogen, pembebanan yang berlebih, produk korosi, inklusi, segregasi. Hal ini juga membantu dalam mengidentifikasi sifat komponen
Jika suatu komponen menerima pembebanan eksternal, respon material tersebut akan bergantung pada beberapa faktor, yaitu; tipe pembebanan, temperatur, cacat, pengaruh unsur kimia, dan ukuran komponen [27]. Simulasi numerik
dan gangguan eksternal.
dapat membantu untuk menguji komponen sesuai kondisi operasi. Uji simulasi membuka jalan lebih lanjut penyelidikan penyebab kegagalan, terutama pada struktur dengan geometri dan atau pembebanan yang kompleks. Hal penting dalam analisa kegagalan adalah konsolidasi dan koneksi sistematis dari semua data, baik yang diperoleh di lapangan maupun data hasil pengujian dan simulasi. Hasil dibandingkan dengan spesifikasi dan penyimpangan, jika ada, dan harus dipertimbangkan dengan cermat sebagai faktor kontribusi. Inisialisasi kegagalan, sifat dan arah beban yang bekerja pada komponen. Peran faktor lain seperti suhu, fabrikasi, perbaikan dan kelainan operasi. Pada akhirnya, urutan hasil analisa kegagalan akan dapat menemukan penyebab utama kegagalan tersebut. Dalam kasus seperti ini, harus dinyatakan kesimpulan secara jelas didasarkan pada fakta dan ditentukan pada dugaan dan kenyataan.
2.7. Tegangan Elastis pada Silinder
Jika suatu silinder, seperti tampak pada gambar 2.10 menerima tekanan internal, maka ada tiga tegangan normal yang akan timbul yaitu: tegangan tangensial (σH), dan tegangan radial (σR), dan tegangan aksial (σZ) [28, 29, 30].
Gambar 2.10. Tegangan normal pada silinder
2.7.1. Tegangan tangensial (σH
Tegangan tangensial atau tegangan keliling (hoop stress), yaitu tegangan yang searah dengan garis singgung penampang silinder. Tegangan tangensial (σ
)
H
Pada radius tertentu:
σH = Piri2
ro2− ri2�1 +ro2
r2� … … … …. (2.1) ) terjadi akibat tekanan internal yang bekerja secara tengensial dan besarnya bervariasi tergantung pada tebal dinding silinder.
pada permukaan dalam, r=r
pada permukaan luar, r=r
i
σH = Pi�ro2+ri2
ro2− ri2� … … … (2.2)
dengan σ
o
σH = � 2Piri2
ro2− ri2� … … … (2.3)
H, Pi, ri, ro, dan r berturut-turut adalah hoop stress, tekanan internal, radius dalam, radius luar, dan radius pada lokasi tertentu.
2.7.2. Tegangan radial (σR
Tegangan radial (radial stress), yaitu tegangan yang searah dengan jari-jari penampang silinder, seperti pada gambar 2.10. Besarnya tegangan radial (σ
)
R
Pada permukaan luar, r=r
) adalah:
σR = Piri2
ro2− ri2�1 −ro2
r2� … … … .. (2.4)
Sedangkan
o
σR = 0 … … … …. (2.5) pada permukaan dalam, r=ri
σR = −Pi … . … … … . .. (2.6)
2.7.3. Tegangan aksial (σZ
Tegangan aksial (axial stress), yaitu tegangan yang searah dengan panjang silinder, seperti pada gambar 2.10. Besarnya tegangan aksial (σ
)
Z) adalah:
σZ = Piri2
ro2 − ri2 … … … (2.7)
2.8. Regangan Elastis pada Silinder
Regangan dihitung berdasarkan bentuk geometri dan Hukum Hooke, dengan asumsi material linier isotropik. Jika modulus elastisitas E, dan rasio Poison v, maka besarnya regangan tangensial (εH), radial(εR), dan aksial(εZ), akibat tegangan elastis berturut-turut adalah [28, 29, 30]:
εH =1
E[σH − v(σR+ σZ)] … … … .. (2.8) εR =1
E[σR− v(σH+ σZ)] … … … (2.9) εZ = 1
E[σZ− v(σR + σH)] … … … (2.10)
2.9. Tegangan Equivalen (von-Mises)
Tegangan equivalen atau von-Mises (σe), seperti tampak pada gambar 2.11 adalah tegangan prinsipal yang bekerja pada suatu bidang tanpa tegangan geser [31].
Gambar 2.11. Tegangan equivalen (von-Mises)
Jika tegangan tangensial, radial, dan aksial berturut-turut adalah (σH), (σR), dan (σZ), maka tegangan equivalen (σe) dapat ditulis:
σe = �1
2[(σH− σR)2+ (σR − σZ)2+ (σZ− σH)2] … … …. (2.11)
2.10. Regangan Equivalen (von-Mises)
Jika regangan tangensial, radial, dan aksial berturut-turut adalah (εH), (εR), dan (εZ), maka besarnya regangan equivalen (εe) dapat ditulis:
εe = 1
1 + v′([(εH− εR)2+ (εR− εZ)2+ (εZ − εH)2])12 … … (2.12) Dengan v’ adalah rasio Poison, yang dihitung berdasarkan temperatur pada komponen, dan 0,5 untuk regangan plastis (plastic strain) [32, 33].
2.11. Distribusi Temperatur
Silinder, seperti tampak pada gambar 2.12 dalam aplikasinya menerima pemanasan dari luar dan dalam sehingga memiliki gradien temperatur pada dindingnya sebagai akibat perpindahan panas [34, 35, 36].
Gambar 2.12. Distribusi temperatur pada silinder
Jika temperatur dalam, temperatur luar, temperatur rata-rata, radius dalam, radius luar, dan radius rata-rata, berturut-turut adalah Ti, To, ∆T, ri, ro, dan r, maka distribusi temperatur pada dinding dapat ditulis dengan persamaan berikut:
T(r) = ∆T
ln �TTo1�ln �To
r � + To … … … (2.13)
2.12. Fluks Panas
Silinder, seperti tampak pada gambar 2.12 dengan k adalah konduktivitas termal dalam satuan (W/mm°C), L adalah panjang silinder, maka fluks akibat gradien temperatur dapat ditulis dengan persamaan Fourier sebagai berikut [35, 36, 37]:
Q = 2πL k (Ti− To)
ln�ro� �ri … … … (2.14)
2.13. Tegangan Termal pada Silinder
Jika tube superheater yang identik dengan silinder seperti gambar 2.12 menerima beban termal, maka akan timbul regangan akibat temperatur. Silinder dengan temperatur dalam dan luar masing-masing Ti dan To, beda temperatur ΔT=Ti–To, modulus elastisitas E, rasio Poison v, dan koefisien ekspansi termal α dalam satuan (1/°C), maka tegangan termal arah tangensial (σHt), radial (σRt), dan aksial (σZt) akibat beban termal dapat dihitung berturut-turut dengan pers. (2.15), (2.16), dan (2.17) pada penjelasan berikut [4, 27, 30]:
2.13.1. Tegangan termal arah tangensial
Tegangan tangensial akibat beban termal (σHt) dapat ditulis dengan persamaan:
σHt = Eα∆T
2(1 − v) ln�ro� �ri �1 − ln�ro� � −r ri2
ro2− ri2�1 +ro2
r2� ln�ro� �� (2.15) ri
2.13.2. Tegangan termal arah radial
Besarnya tegangan radial akibat beban termal (σHt
σRt = Eα∆T
2(1 − v) ln�ro� �ri �−ln�ro� � −r ri2
ro2− ri2�1 −ro2
r2 � ln�ro� �� (2.16) ri ) dapat ditulis dengan persamaan:
2.13.3. Tegangan termal arah aksial
Besarnya tegangan radial akibat beban termal (σHt) dapat ditulis dengan persamaan:
σZt = Eα∆T
2(1 − v) ln�ro� �ri �1 − 2 ln�ro� � −r 2ri2
ro2− ri2ln�ro� �� (2.17) ri
2.14. Regangan Termal pada Silinder
Regangan termal arah tangensial (εHt), arah radial (εRt), dan aksial (εZt) akibat beban termal berturut-turut dapat ditulis dengan pers. (2.18), (2.19), dan (2.20) berikut [4, 27, 30]:
εHt = 1
E[σHt − v(σRt + σZt)] + α∆T … … … (2.18) εRt = 1
E[σRt − v(σHt + σZt)] + α∆T … … … (2.19) εZt = 1
E[σZt − v(σRt + σHt)] + α∆T … … … (2.20)
![Gambar 2.9. Penyebab kegagalan komponen boiler[23]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3079516.3729855/43.918.186.782.430.981/gambar-penyebab-kegagalan-komponen-boiler.webp)
