Prosiding Pertemuan I1miah Ibnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong. 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

PENGARUH INKLUSI NON-METAL TERHADAPKETAHANAN HYDROGEN INDUCED CRACKING

PADA PLAT PIPA SOUR GAS API5LX-52

ZaenalMuntohaPT. Krakatau Steel, Indonesia

11. Raya Cilegon, Banten

ABSTRAK

PENGARUH INKLUSI NON-METAL TERHADAP KETAHANAN HYDROGEN INDUCED CR4CKINGPADAPLAT PIPA SOUR GAS API5LX-52. Telah dilakukan investigasi pengaruh inklusi non-metal terhadap ketahanan hydrogeninduced cracking, mc pacta plat bahan pipa aplikasi sour gas API5LX-52. Ketahanan mc ditentukan dari crack length ratio,

CLR, yang dapat menggambarkan ukuran inklusi pacta plat. Panjang clan lebar retak yang terjadi diobservasi dengan mikroskopoptik terhadap permukaan transversal, jenis clan komposisi inklusi dianalisis dengan EDS. Hasil evaluasi uji mc yang dilakukanterhadap 35 buah sampel menunjukkan bahwa pacta daerah retak terdapat inklusi clan berperan sebagai pemicu perambatan retak.Jenis inklusi oksida ditemukan pacta hampir semua sampel uji sebagai inklusi yang dominan. Terdapat korelasi empirik antaraCLR (Y) clan lebar retak (X) mengikuti hubungan eksponensial Y = 1,175 e 0.0024 X. Namun, pertambahan panjang retak ditemukan

tidak etektip pacta sam pel yang memiliki lebar retak dari 5 mikron sampai dengan 100 mikron. Disamping itu, ditemukan juga nilaiCLR pacta daerah tengah plat dapat mencapai 80 % dibanding 40 0/0 pacta dacrah sepanjang tebal. Daerah yang paling rentanterhadap l-llC acta pacta daerah tengah plat.

Kata kunci : mc, perambatan retak, inklusi, viva sour gas.

ABSTRACT

THE EFFECTS OF NONMETALLIC INCLUSIONS OVER HYDROGEN INDUCED CRACKING RESI~ANCEON PLATE FOR SOUR GAS PIPE APPLICATION, API5LX-52. Investigation on the effect of nonmetallic inclusions inAPI5LX-52 sour gas pipe sheets has been done. rnc resistance was determined by crack length ratio, CLR that representingdimensions of inclusions in sheet materials. The length and width of cracks were observed by means of optical and electronmicroscopes on the transversal surface of samples along with type and composition of inclusion were evaluated by EDS.Inclusions of oxide type were tound almost in all crack areas of the 35 rnc test samples that responsible in promoting crackpropagations. It was also found an empirical correlation betwcen CLR (Y) and crack width (X) to tollow an exponentialrelationship of Y = I. I 75 eO 0024 x but the increasing of crack length was ineffective tor samples with crack width in the range 5 -

100 microns. Furthermore, It was observed that values of CLR can be as high as 80 % at the center line compared with of only40 % in the thickness length. It is concluded that the most sensitive area tor I-llC locating at middle area of sheet plate.

Key w(lrds : HIC, crack propagation, inclusion, sour gas pipe

PENDAHULUAN

Plat baja untuk aplikasi .sour ga.s dalam bentukpipa penyalur disamping harns memenuhi kualitas sifatmekanik tertentu, juga hams mempunyai ketahananterhadap Hydrogen Induced Cracking (HIC) [1]. HICmempakan suatu bentuk kemsakan internal yangdisebabkan oleh menjalamya retak secara paralel denganpermukaan baja tanpa diberi tegangan luar (externalstre,ss). Retak ini cenderung terhubung antara retak satudengan yang lainnya karena tekanan hidrogen yangtimbul menghasilkan tegangan pada permukaansekitarnya daD cenderung menghasilkan retakmembentuk aDak tangga (stepwise), tergantung padadistribusi deformasi plastis dan tegangan geser [2].

Didalam material baja pipa sour gas, atomhidrogen bisa berdifusi dengan cepat pada suhu

operasional ke tempat dengan tegangan internal yanglebih tinggi seperti batas butir, inklusi daD daerahtegangan triaxial [3]. Mekanisme HIC diawali denganatom hidrogen yang masuk ke dalam baja yang kemudianterakumulasi pada tempat awal HIC membentuk embrioberupa molekul hidrogen yang pada saatnya dapatmenyebabkan tekanan internal yang cukup tinggi untuk

mengawali retak[4].Penjalaran retak bahwa arab penjalaran

cenderungparalel terhadap arab pengerolan[5]. Atom-atom hidrogen yang dimaksud dapat berasal dari reaksikorosi Fe dengan ~s daD adanya perangkap atomhidrogen seperti inklusi/matriks interface, void,impuritie.\', dislokasi, laminasi, atau retak mikro. Tempatterkumpulnya atom hidrogen adalah void, nonmetallic

152

PengaruJ, Inklusi Non-Metal Terhadap Ketahanan Hydrogen Induced Cracking Pada Plat Pipa Sour Gu API5LX-52(Zaenal Muntoha)

parameter HIC yang dinyatakan dalam persen (%):Crack Length Ratio (CLR), Crack Thicknes.s- Ratio(CTR) daD Crack Sensibility Ratio (CSR).

inclu...ion, slag particle, inklu...i MnS atau daerahsegregasi yang terkandung dalam material [ 6].

Pada makalah ini dibahas pengaroh inklusinonmetal terhadap ketahanan HIC pada plat bahan pipaaplikasi sour gas, terotama lebar retak yang teljadi yangdinyatakan sebagai Crack Length Ratio (CLR) daDkaitannya dengan ketahanan HIC. Selain pengarohukuran inklusi daD jenis inklusi juga pengaruhpenyebaran inklusi daD reduksi plat terhadap ketahananHydrogen Induced Cracking juga dibahas.

r w ~

I:::- ~ ~l' -=- , - ; ---,. ! ~ _b r

1 1- ==--' II 1 I I

i

~ ---' ./"-- -1b

1.& --I'METODE PENELITIAN

Sarnpel diarnbil dari 35 (tiga puluh lima) produkgulungan lembar baja (coil) dengan grade yang sarnadaD diberi tanda sesuai dengan nomor gulungan lembarbasil produksi PT. Krakatau Steel. Pengamatan iQklusidilakukan pada pennukaan longitudinal tiap-tiap sarnpel

dengan menggunakan mikroskop optik. Untukpengamatan inklusi dengan ukuran yang sangat halusdilakukan dibawah Scanning Electron Microscope, SEMyang dilengkapi EDS sehingga memungkinkan analisismikro komposisi unsur-unsur yang terkandung dalaminklusi. Tata cara pengujian mc mengacu kepada NACETM0284-96 dengan menggunakan larutan A ( 5% beratNaCI + 0,5% berat ~ COOH + 94,5% berat air destilasi).

Plat uji dengan ukuran 20 cm x 100 cm diamplasterlebih dahulu daD dimasukan ke dalam bejana yangberisi larutan A, kemudian bejana tersebut ditutup rapat.Setelah itu sistem dialiri gas H2S selama 96 jam(Gambar 1). Setelah tahapan ini, kemudian plat sarnpeldipotong menjadi empat bagian untuk tujuanpengarnatan dan pengujian. Panjang retak (a) dan Lebarretak (b) pada sampel diukur menggunakan skala yangterdapat pada lensa okuler. Untuk retak yang membentukstepwise, panjang dan lebar retak yang diukur sepertidiperlihatkan pada Gambar 2. Kemudian dati panjangdaD lebar retak yang diukur dapat dihitung besarnya

'.1

Dimana :CLR : Crack Length Ratio,%CTR : Crack Thickness Ratio,%CSR : Crack Sen.ribi[ity Ratio.%b : Lebar retak stepwi.rea : Panjang retak .rtepwi.~eW : Panjang plat sampelT : Lebar plat sampel (tebal plat)

Gambar 2. Skematik retak stepwi.~e dan perhitunganparameter retak HIC

BASIL DAN PEMBAHASAN

keudara

Dari basil uji HIC terhadap 35 buah sampel uji,ditemukan retak HIC pada 19 sampel. Lebar retakbervariasi antara 5 mikrometer sampai dengan beberapaTalus mikrometer. Diamati babwa bentuk retak bemparetak tunggal maupun retak berkelompok yangmembentuk anak tangga.

Pada Gambar 3, diperlihatkan fotomikro retaktunggal (A) maupun retak berkelompok yang diamatibaik ke arab tengah plat (B) maupun ke arab tebal plat(C). Disamping itu, pada daerah retak (0) ditemukanadanya inklusi. Sedangkan analisis spot dengan EDSdiperoleh komposisi mikro daTi inklusi dengankandungan yang bervariasi seperti ditunjukan padaTabel I. Meskipun analisis dengan XRF tidak dapatmemastikan senyawa inklusi , namun kuat dugaan bahwajenis illklusi yang terdeteksi umumnya bempa karbidadaD oksida.

lnklusi-inklusi ini dapat dipandang sebagai cacatvolume dalam material. Pada kondisi material dibawahpengamh tegangan/stres.\" selama proses produksi plat,inklusi dalam material berperan sebagai pemicupembentukan mikro void [7] maupun kemungkinanperambatan retak melalui pelepasan sebagian energiregangan/ strain. Tentu saja untuk menghindari agar halini tidak terjadi maka ukuran inklusi hams sekecilmungkin dibawah ukuran kritisnya sehingga selamadalam kondisi regangan karena proses produksi, ukuraninklusi meskipun akan membesar, osmun diharapkantidak mele,vati ukuran kritis.

5% NaCI4,5 mUcm12500 .3400 ppm10 mUmin./13 -3,8

CH,COOH25 :t 2 .C96 Jam

LarutanVolume SpesitikHzS konsentrasiHzS flow rate

pHpH control

TemperaturWaktu uji

Gambar 1. Diagram alir penelitian

153

Prosiding Pertemuan Ibniah Ibnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

Gambar 3. Foto mikro memperlihatkan A) retak tunggal, B) retak kelompok centerline, C) retak kelompok kearahtebal dan D) ret!ik pada arah longitudinal serta inklusi

Berdasarkan foto mikro daTi sampel yang telahmenjalani uji HIC sesuai dengan prosedurpengujiannya,telah dilakukan pengukuran parameter-parameter HI Cantara lain CLR, CTR daD CSR (lihat Gambar 2). Padaumumnya ketiga parameter HIC ini memilikikecenderungan yang sarna daD ditemukan adanyakorelasi empirik antaraparameter HIC dengan lebarretak, b. Korelasi ini ditunjukkan pada Gambar 4 dimananilai evaluasi CLR daTi berbagai sampel uji diplotterhadap lebar retak, x dalam skala logaritma. Plot antaranilai CLR, Y terlihat memiliki hubungan eksponensialterhadap lebar retak dinyatakan oleh hubungan

Y= l,l74exp(O,OO24b).

Berdasarkan korelasi pada Gambar 4 dapat dilihatbahwa terjadi pertambahan panjang retak yangditentukan oleh lebar retak. Namun, pertambahanpanjang retak belum efektip pada sam pel uji dengan lebarretak antara 5 j.l.m sampai dengan 100 J.I.lll. Berdasarkanmodel pembentukan mikro void selama prosespengerolan panas yang diusulkan Pickering F.B [7]bahwa mikro void barn terbentuk bila ukuran inklusidiatas 2 -3 j.l.m yang mernpakan embrio terjadinyaperambatan retak.

Pada pengamatan ini ditenlukan bahwa lebar retakminimum adaIah 5 J.I.ffi (lihat Gambar 4). Oleh karena itudiduga bahwa lebar retak 5 J.I.ffi pacta plat sampel berasal

154

Pengaruh Inklusi Non-Metal Terhadap Ketahanan Hydrogen Induced Cracking Pada Plai Pipa Sour Gas AP15LX-52(Zaenal Muntoha)

dari inklusi dengan ukuran 2 -3 ~m, meskipun inklusidengan ukuran ini tidak terdeteksi dalam penelitian ini.Reduksi plat selama proses pengerolan panas telahmenyebabkan terjadinya mikro void yang sangattergantung pada ukuran inklusi. Semakin besar reduksiplat, semakin tinggi tegangan yang diberikan dansemakin kecil batas ukuran kritis untuk terjadinyaperambatan retak. Selain itu semakin besar reduksimenyebabkan semakin besar tegangan sisa yang dialami

plat yang pada gilirannya mempermudah terjadinyaperambatan retak IllC pada ujung mikro void karenaterjadinya pemusatan tegangan yang semakin besar.

Data pada Gambar 4 hampir seluruhnya berasaldaTi sampel uji dengan tebal 6,35 mm. Plat denganketebalan ini tentunya telah mendapat tegangan yanglebih besar dibandingkan dengan plat dengan ketebalan7,92 mm. Sehingga plat dengan reduksi yang lebih besarmengalami retak III C lebih besar. Hal ini dapat dl'buktikandengan data bahwa untuk plat dengan reduksi 96,825%(tebal plat = 6,35 mm) , daTi 21 permukaan transversal

yang diamati, 10 permukaan diantaranya mengalamiretak -retak dengan CLR yang bervariasi besarnya sampaidengan 80%, sedangkan untuk plat dengan reduksi96,04% (tebal plat 7,92 mm), dari 21 pennukaan tranS1'er-sa/ yang diamati hanya I permukaan yang mengalamiretak dengan CLR yang besarnya dibawah 10%.

'" "" '"'"Lebar Retak .b. mikron

Gambar 5. Ketahanan HIC dengan distribusi retakmenyebar kearah sumbu tengah plat baja grade API5L-X52, tebal plat 6,35 rom

t 10 'OG 1000

I.., Rolak .b, mlkroll

G.:;mba!' 6. Ketahanan HIC dengan distribusi retakm;:nyebar kearah teba! plat baja grade API5L-X52,tebaJ plat 6,35 rom

1*0

pennukaan longitudinal sampel (searah pengerolan)tidak ditemukan adanya inklusi MnS. lnklusi yangditemukan adalah inklusi oksida pada 14 buah sampeldengan panjang inklusi antara 0, 18 mm sampai dengan5,4 DUn, inklusi slag pada 2 buah sampel dengan panjanginklusi 0,26mm dan 2,4 mm, daninklusi (fi, Nb)x CypadaI buah sampel dengan panjang 0,22 mm dan besarbutir-an 2 -50 ~2. Biladikaitkan nilai CLRhasil uji HICpada sampel uji dengan san1pel hasil pemeriksaan inklusin1aka diperoleh hubungan antara CLR dan ukuran inklusiseperti yang disajikan pada Gambar 7. Oleh karena itudapat dipastikan inklusi oksida merupakan inklusi yangcukup berpotensi untuk menyebabkan terjadinya mc

yang signifikan pada plat baja.

y = 1.1748e""z"50 I4540 i35-~

.30i>-.251

~ 20 {u 15'

1~E1 10 100

Lebar Retak = b(xl, nVkron

Gambar 4. Korelasi antara CLR dengan lebar retakpada plat baja setelah dilakukan uji HIC, tebal plat 6,35

1000 10000

0 0.5 1 1,5 2 25 3 3,5 4 4.5 5 5.5 6

Panjang hlklusl, mm

.Oksida .Slag 6 TiNb

Gambar 7. Korelasi nilai CLR basi! uji HIC denganukurall inklusi

KESIMPULAN

Berdasarkan investigasi pengaruh inklusi nonmetal terhadap ketahanan HIC plat pipa sour gas

Pengaruh penyebaran inklusi terhadap HIC d.1patdilihat dengan membandingkan niIai CLR terhadap lebarretak yang disajikan pada Gambar 5 daD Gambar 6.Diperoleh bahwa retak yang terdistribusi ke arab garistengah plat temyata lebih rentan terhadap mc daTi padaretak yang terdistribusi kearah tebal, sebagaimana terlihatpada Gambar 5 nilai CLR dapat mencapai 80% sedangkanpada Gambar 6 hanya mencapai 40%. Hal ini dikarenakandaerah tengah plat merupakan daerah yang menderitategangan sisa paling tinggi daTi daerah lainnya didalamsuatu plat. Pada daerah garis tengah sampel terjadi

segregasi yang dapat mempermudah terjadinyaperambatan retak.

Berbeda dengan jenis inklusi MnS yang banyakditemukan pada baja, temyata pemeriksaan inklusi pada

155

Prosiding Pertemuan lbniah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN1411-2213

API5LX-52 seperti telah dibicarakan diatas dapat ditarikbeberapa kesimpulan bahwa ketahanan HIC yangdinyatakan dengan CLR memiliki korelasi eksponensialterhadap lebar retak. Pertambahan panjang retak tidakefektip padajangkau lebar retak 5 -100 J.lm. Pengaruhpenyebaran inklusi baik ke arab sumbu pusat maupunke arab teba1 plat menunmkan ketahanan HI C dan daerahpaling rentan terhadap HIC berada pada pusat plat.Inklusi oksida merupakan inklusi yang paling utamapemicu terjadinya HIC.

UCAPAN TERIMA KASm

Penulis berhutang budi kepada Program StudiIlmu Material, Program PascasarjanaFMIFA-UI tempatdimana penulis mengecap pendidikan tinggi daDmemberikan inspirasi untuk melaksanakan tx:nelitian ini.Penulis juga mengucapkan terima kasih kepadarekan-rekan Dinas Pengujian daD Simulasi Proses PTKrakatau Steel atas fasilitas daD sarana yang diberikanseialna tx:nelitian ini dilakukan.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. M. S. CAYARD, Serviceability of Coiled Tubing forOil and Gas Application-III,URL: http://\\'\\w.corrosionsource.coln/llotopicslO729 I 998.htnl.diakses 20 September (2000).

[2]. K. N. AKTRIRS. P. H. POrvlPRERY, 2-nd Int Cong.,Hydrogen in Metal Paper No.3 81 Coral Gables FL:into Assoc. for Hydrogen Energy, (1977)

[3]. Y. NAKAI, H. KURAHASHI, N. TOTSUKA, andY. WESUNG, Corrosion 82, Paper (132), NACEInternational (1982)

[4]. H. KIMISHIMA, Development of ManufacturingTechonogy of Large Diameter Weld Pipe, 112 and113d1 Nishigama Memorial Lecture, ISIJ. PP. (1986)

[5]. D. WARREW, Meta//urgy Physic, 26 (38), (1987)[6]. F. A. GOLIGHTLY, Mechanism of Damage,

Monitoring and Inspection, Sour Service Problemand Solutions, The First Symposium of TheEngineering Associates Group, United Kingdom

(1991)[7]. F. B. PICKERING, J. I. S. I., (1958) 148-189.

156