ANALISA KEGAGALAN TUBE SUPERHEATER
PACKAGE BOILER AKIBAT OVERHEATING
T E S I S
OLEH
SARIYUSDA
097015009/MTM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
ANALISA KEGAGALAN TUBE SUPERHEATER
PACKAGE BOILER AKIBAT OVERHEATING
T E S I S
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
Pada Program Studi Magister Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
SARIYUSDA
097015009/MTM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
Judul Tesis : ANALISA KEGAGALAN TUBE SUPERHEATER PACKAGE BOILER AKIBAT OVERHEATING Nama Mahasiswa : SARIYUSDA
Nomor Pokok : 097015009/MTM
Program Studi : MAGISTER TEKNIK MESIN
Menyetujui, Komisi Pembimbing
Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME
Ketua Anggota Dr.Eng.Ir. Indra, MT
Ketua Program Studi Dekan Fakultas Teknik
Dr.Eng.Ir. Indra, MT Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME
Telah diuji pada
Tanggal: 6 Juni 2012
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
ABSTRAK
Tube superheater package boiler mengalami kegagalan akibat terjadi pemanasan berlebih dalam jangka waktu yang lama. Posisi tube superheater yang pecah berada pada baris 1 nomor 8 dengan ketinggian 2300 mm dari lantai ruang bakar. Tujuan penelitian dilakukan untuk menentukan akar penyebab utama kegagalan. Metode penelitian dilakukan dengan menggunakan pengujian tidak merusak, termasuk pemeriksaan secara visual, analisa tegangan, pengujian kekerasan, pengujian komposisi kimia dan mikrostruktur dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM). Pemeriksan secara visual pada lokasi gagal memperlihatkan bahwa diaphragm yang menghalangi aliran uap. Penghalangan aliran uap menyebabkan overheating pada dinding tube. Tube yang pecah mempunyai panjang 45 mm ke arah sumbu pipa, ditandai dengan mengembung dan efek mulut ikan. Lebar dan diameter rata-rata dari mulut ikan adalah 10,025 mm dan 46,75 mm. Hasil analisa tegangan menunjukkan kegagalan tube terjadi sebesar 178,15 Mpa; nilai ini lebih besar dari tegangan maksimum yang diizinkan dari material tube sebesar 155 MPa. Hal ini juga menunjukkan kekerasan permukaan material meningkat pada daerah overheating; sementara, kekuatan material tube di daerah yang panas menurun sangat signifikan. Komposisi kimia material masih berada dalam standar SA 213 T11, yang merupakan baja karbon rendah. Hasil pengujian mikrostruktur pada permukaan dinding tube menunjukkan morpologi pecah adalah perpatahan getas, pergeseran dan dislokasi pada batas butir terjadi secara intragranular.
ABSTRACT
The superheater tube of package boiler has failed due to long term overheating. The tube is located at the first rows (pipe number 8), 2300 mm high from the base of the combustion chamber. The main objective of this research is to determine the root cause of the failures. The methods of research were carried out using non-destructive evaluation, including visual examination, stress analysis, hardness testing, chemical composition identification. and microstructure evaluation by using Scanning Electron Microscopy (SEM). Visual inspections at the location of failure showed that the failed diaphragm restricts the steam flow. The restriction of the flow may promote overheating at the tube wall. The fracture length of the failed tubes reached up to 45 mm in length in the direction of the pipe axis forming bulging and fish mouth effects. The average width and diameter on of the fish mouth mode are of 10.025 mm and 46.75 mm. Results of the stress analysis showed that the failure of the tube is predicted to occur at 178.15 MPa; this value is higher than that of the maximum allowable stress of the tube material (155 MPa). It is also shown that the hardness of material surfaces increased tremendously at the over heated area; however, the strength of the tube material at the over heated location decreased significantly. The chemical elements of material are still allowed within the standard of the SA 213 Grade T 11 low carbons steel. The microstructure evaluation at the fractured surface of the tube showed that cracking morphologies were in brittle fracture mode, the sliding and dislocation of the grain boundary occurred intergranularly.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan Rahmat dan KaruniaNya yang telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis yang berjudul “Analisa Kegagalan Tube Superheater Package Boiler Akibat Overheating “.
Tesis penelitian ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh setiap mahasiswa Magister Teknik di Program Studi Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis hingga selesainya tesis ini, yang terutama penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME, selaku Ketua Komisi Pembimbing dan Dekan Fakultas Teknik USU, yang ditengah kesibukannya, tetap selalu bersedia untuk menyempatkan waktu, baik siang maupun malam untuk memberi bimbingan; Dr.Eng.Ir. Indra, MT selaku Anggota Komisi Pembimbing dan Ketua Program Studi Magister Teknik Mesin USU dan, 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.
Penulis juga secara khusus ingin mengucapkan terima kasih kepada Usman, AMd selaku Inspektor Utility atas bantuannya yang tulus ikhlas, yang memberikan data-data, sampel, buku maupun tempat bertanya dan berdiskusi dan Ir. Azhari, Farid, Apt., Ir. Rasta Purba yang telah membantu penulis selama survey dan pengambilan
data di PT. Pupuk Iskandar Muda Lhokseumawe serta Hamdani, Zainal Arif, Syurkarni Ali, Zulfikar, ST, MT., Mahyunis, Nasruddin sebagai teman berdebat, memberi pandangan dan berdiskusi.
Akhirnya penulis merasa bersyukur memiliki Kedua Orang Tua yang selalu memberikan dorongan semangat dan doa selama masa studi, Kakak, Abang dan adik-adik, serta Istriku tercinta Ita Hartati, AMk., putra dan putriku tersayang M. Fathul Albar, Khalda Hasna Rania, M. Alif Fakhri yang telah begitu lama memberikan pengorbanan dan pengertian atas kurangnya perhatian selama masa studi dan penulisan tesis, demi kelancaran studi di Program Studi Magister Teknik Mesin USU.
Kiranya penulis mohon saran dan kritik yang membangun demi kesempurnaan tesis ini agar menjadi lebih baik.
Medan, Mei 2012 Penulis,
Sariyusda 097015009
RIWAYAT HIDUP A. IDENTITAS PRIBADI
1. Nama Lengkap : Sariyusda
2. Tempat/Tanggal Lahir : Takengon, 18 Januari 1966 3. Jenis Kelamin : Laki-laki
4. Unit Kerja : Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe
5. Alamat Kantor : Jl. B. Aceh Medan Km. 280 Buketrata Lhokseumawe
6. Alamat Rumah : Komplek Perumahan Mutiara Indah I No. 10 F Alue Awe Lhokseumawe
7. HP : 0813 6161 3476
8. Email : [email protected]
B. PENDIDIKAN
No. Nama Institusi Tempat Spesialisasi STTB/Gelar/Thn 1. 2. 3. 4. SD N 15 SMP N 2 SMA N 3 FT UNSYIAH Banda Aceh Banda Aceh Banda Aceh Banda Aceh - - I P A TEK. MESIN IJAZAH 1979 STTB 1982 STTB 1985 IR.,1992 C. PENGALAMAN PENELITIAN
1. Perlakuan Panas Yang Tepat Pada Mata Bajak Traktor Dorong Produksi Pandai Besi, Unit P2M Politeknik Negeri Lhokseumawe, 1996.
2. Nilai Kalor Pada Kulit Tanduk Kopi Sebagai Pengganti Arang Bahan Bakar, Unit P2M Politeknik Negeri Lhokseumawe, 1998.
3. Perancangan Cantilever Rotating Bending Machine sebagai Kebutuhan Uji Lelah, Unit P2M Politeknik Negeri Lhokseumawe , 2006.
4. Pemamfaatan Sekam Kopi Sebagai Katalis Pada Pembuatan Etil Ester (Biodiesel) Dari Minyak Kelapa, Unit P2M Politeknik Negeri Lhokseumawe, 2008.
D. PENGALAMAM KERJA
No Nama Institusi Tempat Periode 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Dosen Politeknik Negeri Lhokseumawe Kasi Uji Bahan & Metrologi PNL Ka. Prodi Teknik Mesin PNL
Koordinator Program DUE-Like TM-PNL Q/A TPSDP PNL
Ka. UPT Perawatan dan Perbaikan PNL
Lhokseumawe Lhokseumawe Lhokseumawe Lhokseumawe Lhokseumawe Lhokseumawe 1993 – Kini 1998 – 1999 2003 – 2005 2004 – 2005 2004 – 2005 2005 – 2007 E. PUBLIKASI
1. Ilyas Yusuf, Sariyusda Dkk, “ Perlakuan Panas Yang Tepat Pada Mata Bajak Traktor Dorong Produksi Pandai Besi”, Jurnal Teknologi (PNL), (2003). 2. Sariyusda Dkk, “Nilai Kalor Pada Kulit Tanduk Kopi Sebagai Pengganti
Arang Bahan Bakar”, Jurnal Polimesin (TM-PNL), Vol. 1, No. 1 (2003). 3. Irwin Syahri Cebro, Sariyusda, “Perubahan posisi mata pahat bubut terhadap
kedalama pemakanan”, Jurnal Polimesin (TM-PNL), Vol. 5, No. 1 (2005). 4. Sariyusda, Indra Mawardi Dkk, “Perancangan Cantilever Rotating Bending
Machine sebagai Kebutuhan Uji Lelah”, Jurnal Teknologi Vol. 6 No.1. 1 April 2006.
5. Sariyusda, “Kegagalan Pin Pasak pada kereta api NT-60 KA Turangga K1-67809”, Jurnal Polimesin (TM-PNL), Vol. 6 No. 6, 1 Feb 2007.
6. Sariyusda, “Pemamfaatan Sekam Kopi Sebagai Katalis Pada Pembuatan Etil Ester (Biodiesel) Dari Minyak Kelapa”, Jurnal Polimesin Vol. 8 No. 8, 2 Feb 2008.
F. PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT
1. Pembuatan alat penjatuh benih pada desa Lamnga Syamtalira Bayu Lhokseumawe.
2. Pelatihan pembuatan spesifikasi prosedur las code ASME IX bagi teknisi dan alumni Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe.
G. SIMPOSIUM/SEMINAR
1. Seminar Nasional II Teknologi dan Rekayasa. Medan. Fakultas Teknik Universitas Islam Sumatera Utara (UISU) 2011.
2. The 6th
3. Seminar Ilmiah dalam rangka Dies Natalis USU ke-59 (SI-ke-59 USU) Medan 2011.
Regional Seminar on Materials, Energy, and Structure (MAESTRUCT 2011). Medan. Program Doktor & Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 2011.
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
RIWAYAT HIDUP ... v
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR NOTASI ... xv BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Perumusan Masalah ... 3 1.3. Tujuan Penelitian ... 4 1.3.1. Tujuan umum ... 4 1.3.2. Tujuan khusus ... 4 1.4. Manfaat Penelitian ... 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. Pendahuluan ... 6
2.1.1. Sirkulasi fluida pada package boiler ……… 7
2.1.2. Siklus Rankine (siklus pembentukan uap) ……… 7
2.2. Ketel Paket (Package Boiler) ... ... 9
2.3. Analisa Kegagalan ………... 10
2.3.1. Faktor-faktor penyebab suatu kegagalan …... 11
2.3.2. Prosedur analisa kegagalan untuk komponen ketel . 14 2.4. Tube Pecah karena Overheating ...…... 15
2.4.1. Thick lip rupture ……… 19
2.4.2. Thin lip rupture …………..………... 21
2.5. Analisa Tegangan pada Tube Superheater ……… 22
2.5.1. Tegangan tangensial (hoop stress) ……….. 23
2.6. Diagram Transformasi Waktu Suhu ( Time Temperature
Transformation Diagram) ………... 27
2.7. Diagram Laju Pendinginan ………. 29
BAB 3 METODA PENELITIAN ………...……... 31
3.1. Tempat dan Waktu ………... 31
3.1.1. Tempat ………... 31
3.1.2. Waktu ………... 31
3.2. Diagram Prosedur Penelitian ……….………... 32
3.3. Metode Analisa Kegagalan …...….………... 33
3.3.1. Metoda untuk mendapatkan sumber utama kegagalan yang terjadi pada tube superheater … 33 3.3.1.1 Lokasi komponen yang gagal ……… 39
3.3.1.2 Pemeriksaan pendahuluan ……….………. 39
3.3.1.3 Koleksi spesimen …. ……… ………. 40
3.3.1.4 Sejarah kerusakan (catatan pemeliharaan) ……… 41
3.3.1.5 Tanggal dan waktu kegagalan ………... 44
3.3.1.6 Tingkat kerusakan struktur sekitarnya ………... 44
3.3.1.7 Kondisi operasi dan kelainan layanan ………... 46
3.3.2. Metoda untuk menganalisa kejadian pecah (rupture) pada tube superheater ………... 47
3.3.3. Metode analisa overheating tube superheater … 48 3.3.3.1 Pengujian kekerasan ... ……….. 48
3.3.3.2 Pengujian komposisi kimia ………. 51
3.3.3.3 Pengujian mikrostruktrur (SEM) …..…………... 58
3.3.3.3.1 Prinsip dasar pengujian SEM ………. 58
3.3.3.3.2 Pengamatan mikrostruktur ……….. 59
3.3.3.3.3 Persiapan spesimen uji SEM ………... 59
3.3.3.3.4 Prosedur uji SEM ……… 59
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 64
4.1. Pendahuluan ………... 64
4.2. Sumber utama kegagalan tube superheater ... 64
4.2.1. Analisa penyebab tube pecah ………... 64
4.2.2. Analisa secara keseluruhan …..………... 71
4.3. Analisa kejadian pecah (rupture) pada tube superheater ... 72
4.3.1. Analisa overheating tube superheater (perpindahan panas)……… 72
4.3.2. Analisa tegangan ……….. 76
4.4. Analisa overheating pada tube superheater……… 79
4.4.1. Pengamatan visual………. 79
4.4.2. Pengujian kekerasan ………... 81
4.4.4. Pengujian mikrostruktur (SEM) ……… 84 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN/TINDAKAN PERBAIKAN …… 90 5.1. Kesimpulan ……… 90 5.2. Saran-saran/tindakan perbaikan ………. 91 DAFTAR PUSTAKA ... 92
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
2.1. Sebab-sebab kegagalan .... ... 15
2.2. Perubahan laju pendinginan pada mirostruktur dan kekerasan …… 30
3.1. Lokasi dan aktifitas penelitian ... 31
3.2. Komposisi kimia material boiler …….………... 41
3.3. Kondisi ketel uap pada keadaan sebelum terjadi pecah ………….. 45
3.4. Kondisi ketel uap pada saat terjadi pecah ……… 45
3.5. Keadaan operasi ketel uap ……… 46
3.6. Sifat mekanik material SA-213 Grade T11 ……….. 48
3.7. Menentukan berapa lama proses pembacaan x-ray ……….. 56
4.1. Panjang retak dan pembesaran diameter ……….. 80
4.2. Diameter tube ………... 82
4.3. Tebal tube superheater ………. 82
4.4. Hasil pengujian kekerasan ………... 83
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. Skema diagram ketel ……….. 6
2.2. Siklus Rankine……….. ………... 8
2.3. Diagram T-h dan T-s………... 8
2.4. Packaged boi ler ……….…………...……….. 10
2.5. Diagram faktor-faktor penyebab kerusakan suatu komponen …….. 13
2.6. Temperatur untuk tube yang bersih dan tube mempunyai internal scale ……….. 17
2.7. Pecah thick lip Struktur mikro permukaan pecah akibat overheating . 19 2.8. Kegagalan short term overheating ………. 21
2.9. Tegangan yang terjadi pada tube ……….. 23
2.10. Perubahan σ - ԑ terhadap temperatur untuk baja lunak ... 27
2.11. Tipe diagram TTT untuk baja paduan rendah grade 11 ……… 28
2.12. Diagram type CCT untuk baja paduan rendah grade 11 ……… 29
3.1. Diagram prosedur penelitian …... 32
3.2. Lokasi Macchi Package Boiler dalam peta dan google earth ... 34
3.3. Macchi package boiler di PT PIM Lhokseumawe …………... 34
3.4. Ketel Pipa air tipe D ………. ………. 35
3.5. Posisi tube yang pecah ……..……… 38
3.6. Lokasi tube pecah pada ruang bakar dan superheater ………. 39
3.7. Pemeriksaan secara visual pada ruang bakar ……….. 40
3.8. Koleksi specimen ……….. 40
3.9. Tube superheater pecah dan tube yang repair pecah ... 42
3.10. Tube superheater pecah dan tube yang repair pecah ... 42
3.11. Kondisi support yang sudah miring dan Spacer yang sudah lepas .. 42
3.13. Kondisi header atas dan bawah …... 43
3.14. Posisi header atas dan bawah. dan kondisi jalur tube dalam boiler .. 43
3.15. Kerusakan yang terjadi pada superheater ………. 44
3.16. Alat uji kekersan TIME ………. 49
3.17. Alat uji metode Rebound/LEEB (ASTM A956) ……… 50
3.18. Specimen yang diuji kekerasan ……….. 51
3.19. Daerah pengujian ……….. 51
3.20. Sampel tube superheater PB-2 ………. 52
3.21. Alat pengujian komposisi kimia ……… 52
3.22. Posisi daerah yang diuji ……… 53
3.23. Kapasitas baterai ………. 53
3.24. Cara masuk ke program X-MET ………. 54
3.25. Cara memasukkan password ……….. 54
3.26. Cara memberi nama material ……… 55
3.27. Pemilihan metode material ……….. 56
3.28. Penyimpanan hasil pemeriksaan ……….. 56
3.29. Menentukan cara pengukuran ……….. 57
3.30. Pemeriksaan komposisi kimia ……….. 57
3.31. Skematik alat uji SEM ………. 60
3.32. Daerah pengujian SEM material SA 213 Gr. T11 ……… 63
3.33. Pemotongan material ukuran 10x10 mm untuk uji SEM …………. 63
4.1. Karakteristik Tube Primery Superheater yang pecah ………. 66
4.2. Tube Primary Superheater yang pecah ……… 67
4.3. Tube yang pecah (rupture) yang berlokasi di ruang bakar ………… 67
4.4. Tube Primery SH Row 1 kolom 8 bagian Upper Header setelah dipotong ………. 68
4.5. Kemiringan Diaphragm pada Upper Header menghalangi Tube …… 69
4.6. Upper Header dan diaphragm yang sebenarnya ……… 70
4.8. Distribusi temperature pada tube ……… 73
4.9. Tube yang terhalang diaphragm dan tidak terhalang ………. 74
4.10. Variasi tegangan luluh, tegangan tarik pada temperatur tertentu … 79 4.11. Tube yang mengalami pecah dan mengembung (bulging) ………. 80
4.12. Tube Superheater yang pecah dan sampel tube yang akan dianalisa . 80 4.13. Pengamatan sampel ………. 81
4.14. Dimensi tube superheater ……….. 81
4.15. Hasil uji SEM specimen daerah 1 1000x dan 5000x ……….. 85
4.16. Hasil uji SEM daerah 2 yang pecah 1000x dan 5000x ……... 86
4.17. Hasil uji SEM specimen tube 3 yang pecah 1000x dan 5000x ……… 87
DAFTAR NOTASI
Simbol Besaran Satuan
Q Fluk panas Btu/hr
Ao Luas permukaan mm
Uo
2
Koefisien overall heat transfer Btu/h.ft2.o ∆T
F Perbedaan temperature fluida dari luar dan di dalam tube o ro
F
Jari-jari luar tube ft
ri Jari-jari dalam tube ft
rs Jari-jari kerak ft
km Konduktifitas panas tube Btu.in/h.ft
ks
2
konduktifitas panas kerak Btu.in/h.ft σ
2
Tegangan melingkar
H MPa
Pi Tekanan dalam tube MPa
σL Tegangan Longitudinal MPa
σR Tegangan Radial MPa
σvm Tegangan Von Misses MPa
σy Tegangan luluh MPa
σ1 Tegangan Radial MPa
σ2 Tegangan Radial MPa
σ3 Tegangan Radial MPa
α Termal ekspansi mm/mm/oC
v Poisson ratio
E Modulus Elastis MPa
T1 Temperature luar tube oC
T2 Temperatur dalam tube o
A C suhu austenite C1 o A C Suhu transformasi dari austenit ke ferit
A Suhu transformasi dari austenit ke ferit atau ferit ditambah sementit
R1 o
A
C
Suhu austenit mengubah ferit selama pendinginan
R3 o
A
C Suhu delta ferrite mengubah austenit selama pendinginan.
R4 o
B
C Suhu transformasi austenit untuk bainit saat pendinginan
s o
M
C Suhu transformasi dari austenit ke martensit dimulai pada
saat pendinginan
s o
M
C
Suhu pembentukan martensit selesai selama pendinginan
