simulasi thermal stress pada tube superheater …

i

SIMULASI THERMAL STRESS PADA TUBE SUPERHEATER PACKAGE BOILER

TESIS

Oleh

HAMDANI 097015011/MTM

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N 2 0 1 2

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

SIMULASI THERMAL STRESS PADA TUBE SUPERHEATER PACKAGE BOILER

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


Telah diuji pada Tanggal: 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


Judul Tesis : SIMULASI THERMAL STRESS PADA TUBE SUPERHEATER PACKAGE BOILER 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


ii

ABSTRAK

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.


ii

ABSTRACT

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

.


iii

RIWAYAT HIDUP

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 [email protected] 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.


mailto:[email protected]�

iv

Simposium/Seminar 2003 : Indonesian Microstructure Competition and Exhibition

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.


v

KATA PENGANTAR

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.


vi

Juga kepada bunda, ayah, isteri tersayang, anak-anakku, yang selalu setia dan

sabar, sehingga penulis dapat menyelesaikan studi dengan baik.

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


vii

DAFTAR ISI Halaman 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


viii

2.7.3. Tegangan aksial …………………………………… 28 2.8. Regangan Elastis pada Silinder …………………………… 29 2.9. Tegangan Equivalen (von-Mises) ………………………… 29 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


ix

3.5.2. Validasi hasil tegangan elastis …………………….. 64 3.5.3. Simulasi thermal stress …………………………… 65 3.5.3.1. Data material (engineering data) ………… 65 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


x

DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman

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


xi

DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman

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


xii

3.3. Pengelasan diaphragma dalam header ....................................... 45

3.4. Alat-alat bantu yang digunakan pada survey kegagalan .............. 45

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


xiii

4.1. Pergeseran diaphragma dalam header ........................................ 72

4.2. Sejarah kegagalan tube superheater ............................................ 73

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


xiv

DAFTAR LAMPIRAN Nomor Keterangan Halaman 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


xv

DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan

σ Tegangan tangensial ................................................................ H 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 ....................................... -

ε Regangan tangensial ................................................................ H -

ε Regangan radial ....................................................................... R -

ε Regangan aksial ....................................................................... Z -

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


xvi

σ Tegangan termal arah tangensial ............................................. Ht N/mm

σ

2

Tegangan termal arah radial .................................................... Rt N/mm

σ

2

Tegangan termal arah aksial .................................................... Zt N/mm

ε

2

Regangan termal arah tangensial ............................................. Ht -

ε Regangan termal arah radial .................................................... Rt -

ε Regangan termal arah aksial ................................................... Zt -

σ Thermal stress arah tangensial ................................................ Hts 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/mm

2


1

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.)


2

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


3

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 570o

C 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


4

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


5

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.


6

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.


7

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.


8

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.


9

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


10

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


11

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


12

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


13

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


14

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.


15

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)


16

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)


17

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


18

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)


19

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).


20

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].


21

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].


22

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]


23

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


24

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.


25

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.


26

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.


27

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 =Piri

2

ro2 − ri

2 �1 +ro

2

r2� … … … … … … … … …. (2.1)

) terjadi

akibat tekanan internal yang bekerja secara tengensial dan besarnya bervariasi

tergantung pada tebal dinding silinder.


28

pada permukaan dalam, r=r

pada permukaan luar, r=r

i

σH = Pi �ro

2+ri2

ro2 − ri

2� … … … … … … … … … … … (2.2)

dengan σ

o

σH = �2Piri

2

ro2 − ri

2� … … … … … … … … … … … (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 =Piri

2

ro2 − ri

2 �1 −ro

2

r2� … … … … … … … … … .. (2.4)

Sedangkan

o

σR = 0 … … … … … … … … … … … … …. (2.5)

pada permukaan dalam, r=r

i

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 =Piri

2

ro2 − ri

2 … … … … … … … … … … … (2.7)


29

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 =1E

[σH − v(σR + σZ)] … … … … … … … .. (2.8)

εR =1E

[σR − v(σH + σZ)] … … … … … … … … (2.9)

εZ =1E

[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 = �12

[(σH − σR)2 + (σR − σZ)2 + (σZ − σH)2] … … …. (2.11)


30

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 �ToT1�

ln �To

r� + To … … … … … … (2.13)


31

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 − ri

2 �1 +ro

2

r2 � ln�ro ri� �� (2.15)


32

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 − ri

2 �1 −ro

2

r2 � ln�ro ri� �� (2.16)

) 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 − ri

2 ln�ro ri� �� (2.17)

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 =1E

[σHt − v(σRt + σZt )] + α∆T … … … … … (2.18)

εRt =1E

[σRt − v(σHt + σZt )] + α∆T … … … … … (2.19)

εZt =1E

[σZt − v(σRt + σHt )] + α∆T … … … … … (2.20)


33

2.15. Thermal Stress pada Silinder

Thermal stress merupakan penggabungan antara beban elastis ditambah

dengan beban termal. Jika silinder menerima pembebanan kombinasi antara termal

dan mekanik maka terjadi thermal stress pada dindingnya [4, 18, 27, 30].

2.15.1. Thermal stress arah tangensial

Thermal stress akibat beban kombinasi arah tangensial (σHt

σHts =

Piri2

ro2 − ri

2 �1 +ro

2

r2� +Eα∆T

2(1 − v) ln�ro ri� ��1 − ln�ro r� � −

ri2

ro2 − ri

2 �1 +ro

2

r2 � ln�ro ri� �� …. (2.21)

) dapat ditulis

dengan persamaan:

2.15.2. Thermal stress arah radial

Thermal stress akibat beban kombinasi arah radial (σRts

σRts =

Piri2

ro2 − ri

2 �1 −ro

2

r2� +Eα∆T

2(1 − v) ln�ro ri� ��−ln�ro r� � −

ri2

ro2 − ri

2 �1 −ro

2

r2 � ln�ro ri� �� …. (2.22)

), dapat ditulis dengan

persamaan:

2.15.3. Thermal stress arah aksial

Thermal stress akibat beban kombinasi arah aksial (σZts

σZts =

Piri2

ro2 − ri

2 �1 +ro

2

r2� +Eα∆T

2(1 − v) ln�ro ri� ��1 − 2ln�ro r� � −

2ri2

ro2 − ri

2 ln�ro ri� �� … … … (2.23)

), dapat ditulis dengan

persamaan:


34

2.15.4. Thermal stress maksimum

σHts =Eα∆T

(1 − v) + �2Piri

2

ro2 − ri

2� … … … … … … … … … (2.24)

Bagian luar, r=ro

Bagian dalam, r=ri

σHts =Eα∆T

(1 − v) + Pi �ro

2+ri2

ro2 − ri

2� … … … … … … … …. (2.25)

2.16. Teori Kegagalan (Failure/Yield Criteria)

Jika suatu material yang ulet dibebani melewati batas elastis, ia akan memulur

akibat deformasi plastis. Material yang gagal akibat deformasi plastis yang kecil

dikatatan rapuh (brittle). Respon material yang tidak bergantung pada pembebanan

atau deformasi dinamakan rate-independent. Jika sebaliknya, maka dinamakan rete-

dependent. Kebanyakan material logam menunjukkan rete-independent pada

temperatur (1/4 atau 1/3 titik cairnya) dan laju regangan rendah [31, 32, 38].

2.16.1. Teori kegagalan von-Mises

Pada umumnya material menunjukkan fenomena tegangan multiaksial,

sehingga kriteria mulur digunakan untuk menghubungkan tegangan multiaksial

dengan tegangan uniaksial. Teori kegagalan von-Mises memprediksi bahwa

pemuluran akan terjadi jika tegangan equivalen melebihi tegangan mulur uniaksial,

dirumuskan dengan [31, 32, 38]:

�(𝜎𝜎1 − 𝜎𝜎2)2 + (𝜎𝜎2 − 𝜎𝜎3)2 + (𝜎𝜎3 − 𝜎𝜎1)2

2�

1 2⁄

≥ 𝜎𝜎𝑦𝑦 . … …. (2.26)


35

Plot dua demensi tegangan prinsipal, seperti tampak pada gambar 2.13 a

menunjukkan permukaan mulur berbentuk elip. Sedangkan plot tiga dimensi, gambar

2.13 b permukaan mulur adalah silinder. Silinder ditandai dengan sumbu σ1= σ2= σ3

.

Jika tegangan berada di dalam silinder, maka tidak terjadi pemuluran.

(a) dua dimensi (b) tiga dimensi

Gambar 2.13. Konsep tegangan equivalen (von-Mises)

2.16.2. Hardening rule

Suatu material akan mulai gagal jika tegangan equivalen melebihi kekuatan

mulurnya. Dengan kata lain tidak boleh ada tegangan yang melebihi diameter

lingkaran, seperti tampak pada gambar 2.14. Tetapi, hardening rule merespon

pemuluran ini dengan perubahan ukuran, bentuk, dan titik pusat komponen.

Hardening rule menentukan pemuluran jika beban ditambah atau dibalik [32, 39].

Gambar 2.14. Kriteria pemuluran (yielding)


36

Hardening rule dibagi menjadi dua tipe yaitu; isotropic hardening, dan

kinematic hardening. Pada isotropic hardening, seperti tampak pada gambar 2.15,

permukaan mulur setelah beban ditambah berekspansi seragam ke semua arah aliran

plastis (plastic flow). Isotropic hardening biasa digunakan untuk simulasi dengan

regangan yang besar atau pembebanan yang proporsional. Model ini tidak cocok

untuk pembebanan berulang (cyclic loading).

Gambar 2.15. Isotropic hardening

Sedangkan pada kinematik hardening, seperti tampak pada gambar 2.16,

ukuran permukaan mulur setelah beban ditambah tetap konstan dan bertranslasi ke

arah mulur. Kebanyakan material logam memiliki prilaku kinematic hardening untuk

regangan yang kecil dan pembebanan berulang [31, 32, 39].

Gambar 2.16. Kinematic hardening.


37

2.17. Simulasi Numerik

Berbagai fenomena dalam dunia science dan engineering dapat dideskripsikan

dengan formulasi persamaan diferensial menggunakan model kontinum mekanik.

Penyelesaian persamaan diferensial dengan kondisi yang bervariasi seperti kondisi

batas atau kondisi inisial dapat membantu memahami fenomena dan dapat

mengestimasi fenomena pada masa yang akan datang. Untuk persamaan diferensial,

umumnya sulit diperoleh solusi analitisnya, ini disebabkan oleh kompleksitas sifat

material, kondisi batas, dan juga bentuk struktur itu sendiri. Solusi yang mungkin

untuk permasalahan yang demikian adalah dengan menggunakan analisa numerik

menggunakan metode elemen hingga. Metode elemen hingga menerjemahkan

pemasalahan persamaan diferensial parsial menjadi persamaan aljabar linier dengan

mengadopsi metode numerik untuk mendapatkan solusi pendekatan [40].

2.17.1. Simulasi struktur

Analisa struktur merupakan aplikasi metode elemen hingga yang paling sering

digunakan. Struktur disini tidak dibatasi hanya pada bangunan dan jembatan,

melainkan meliputi aeronautical, naval, dan struktur mechanical. Analisa struktur

(static structural) memperhitungkan perpindahan, tegangan, regangan, dan gaya pada

struktur akibat pembebanan dengan mengabaikan efek inersia dan redaman. Analisa

struktur sangat berperan dalam ilmu solid mechanics. Analisa struktur statik dapat

berupa linier maupun nonlinier [32, 33].


38

2.17.2. Simulasi termal

Analisa termal memperhitungkan distribusi temperatur dan besaran termal

lainnya pada suatu komponen atau sistem. Simulasi termal memainkan peran yang

penting dalam aplikasi engineering, seperti pada heat exchanger, piping systems,

combustion engine, turbin, dan komponen elektronik. Pada kasus tertentu, analisis

termal dimasukkan untuk memperhitungkan thermal stress [32, 37].

2.17.3. Simulasi thermal stress

Simulasi thermal stress memungkinkan solusi dari analisa termal dimasukkan

ke analisa struktur. Fitur ini berguna untuk menentukan efek distribusi temperatur

terhadap respon struktur. User dapat memberikan beban termal secara terpisah atau

dihubungkan dengan beban mekanik dalam satu seri dengan mengimpor beban termal

Analisa termal dilakukan terlebih dahulu. Dari analisa ini didapat hasil seperti

distribusi temperatur sesuai dengan kondisi batas yang diberikan. Temperatur dari

solusi termal kemudian digunakan sebagai beban (load) dengan preprocessing dan

solusi untuk analisa struktur [32].

2.18. Ansys Workbench

Pada penelitian ini, thermal stress yang terjadi pada tube superheater

didefinisikan sebagai fenomena engineering yang melibatkan dua domain fisik yang

berbeda, yaitu termal-struktur. Untuk itu, analisa fenomena tersebut menggunakan

program Ansys Workbench.


39

Untuk memulai analisa menggunakan Ansys Workbench dapat dilakukan

dengan langkah-langkah seperti pada gambar 2.17.

Gambar 2.17. Cara memulai analisa dengan program Ansys Workbench

Kelebihan program ini adalah dapat mengoperasikan beberapa solver dalam

satu paket dengan interface yang berbeda namun data tetap terintegrasi dalam suatu

sistem, seperti tampak pada gambar 2.18.

Gambar 2.18. Interface program Ansys Workbench [41,42,43]


40

2.18.1. Workbench environment

Ansys Workbench menyediakan metode yang memungkinkan untuk

berinteraksi dengan Ansys family solver. Workbench environment memberikan

integrasi yang unik dengan sistem CAD. Ansys Workbench terdiri dari berbagai

aplikasi

– Mechanical; untuk melakukan analisa struktur dan termal menggunakan

solver Ansys. Meshing juga termasuk dalam aplikasi mechanical

[44, 45]:

– Fluid Flow (CFX); untuk melakukan analisa CFD menggunakan CFX

– Fluid Flow (FLUENT); untuk melakukan analisa CFD menggunakan

FLUENT

– Geometry (DesignModeler); untuk membuat geometri dan menyiapkan

model solid yang digunakan dalam aplikasi Mechanical.

– Engineering Data; untuk mendifinisikan sifat-sifat material

– Meshing Application; untuk menghasilkan mesh CFD dan Explicit

Dynamics

– Design Exploration; untuk analisa optimasi

– Finite Element Modeler (FE Modeler); untuk menterjemahkan mesh

NASTRAN dan ABAQUS agar dapat digunakan di Ansys Workbench.

– BladeGen (Blade Geometry); untuk membuat geometri sudu

– Explicit Dynamics; untuk simulasi explicit dynamics dan menampilkan

pemodelan nonlinear.


41

Workbench environment mendukung dua tipe aplikasi, seperti tampak pada

gambar 2.19 yaitu; (1) Native applications (workspaces); Aplikasi asli (native) terkini

adalah Project Schematic, Engineering Data, dan Design Exploration. Aplikasi asli

yang diluncurkan dan dijalankan di jendela Workbench. (2)

Data Integrated

Applications; aplikasi terkini mencakup Mechanical, Mechanical APDL, FLUENT,

CFX, AUTODYN dan aplikasi lainnya.

Gambar 2.19. Workbench environment

Native application

Data integrated application


42

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

3.1.1. Tempat

Penelitian ini merupakan studi kasus di industri petrokimia, yaitu kegagalan

komponen tube superheater package boiler di PT PIM Lhokseumawe. Tahapan dan

kegiatan penelitian ini dilakukan di dua tempat, seperti ditunjukkan pada tabel 3.1.

Tabel 3.1. Tempat dan aktifitas penelitian

No Kegiatan Tempat Keterangan

1 Survey pendahuluan dan Pengambilan data

PT PIM

Lhokseumawe Biro Inspeksi Statik

2

Survey lanjutan, focus pada penyebab, pengambilan sampel dan pengujian eksperimental

PT PIM

Lhokseumawe

Pengukuran, uji

kekerasan, dan uji komposisi kimia

3 Simulasi numerik IC-STAR USU

Software Ansys 12.0

4 Analisa hasil dan pembuatan laporan akhir

Medan

Software Ms. Office

3.1.2. Waktu

Waktu penelitian dilaksanakan selama lebih kurang 9 bulan terhitung mulai

bulan Juni 2011 s.d Maret 2012. Survey pendahuluan dilakukan di PT PIM

Lhokseumawe sejak tanggal 07 s.d. 11 April 2011, survey lanjutan dilakukan dari

tanggal 5 s.d. 9 Mei 2011.


43

3.2. Diagram Penelitian

Metodologi dan langkah-langkah penyelesaian penelitian adalah seperti

ditunjukkan pada gambar 3.1.

Gambar 3.1. Diagram penelitian

Problema Kegagalan Di Industri Petrokimia

1. Studi Literatur 2. Survey Lapangan/ Pengambilan Data

Analisa Kegagalan

Eksperimental

1. Pengamatan Visual

2. Pengukuran Dimensi

3. Pengujian Kekerasan

4. Pengujian Komposisi Kimia

Simulasi Numerik

1. Simulasi Tegangan

Elastis dan Validasi

2. Simulasi Thermal Stress

(transien termal + tekanan)

Evaluasi Hasil

Kesimpulan dan Saran


44

3.3. Pengamatan Visual

Pengamatan visual pada komponen utama penyumbang kegagalan untuk

mengungkapkan adanya tanda-tanda penyimpangan pada komponen, kualitas

pengerjaan, dan perlakuan terhadap komponen selama dioperasikan. Semua

penyimpangan dicatat, diukur, dan didokumentasikan untuk keperluan analisa

selanjutnya.

Superheater yang memiliki 102 tube ∅44,5 mm dipasang secara diagonal

pada header, seperti ditunjukkan pada gambar 3.2. Panjang 1650 mm dengan

membentuk baris dan kolom (nomor).

Gambar 3.2. Header dan gambar bentangannya.

Tube yang gagal Baris 1 No. 8

Baris

Nomor/kolom

1 2

Diaphragms bergeser dari posisi asalnya

?


45

Temperatur yang bervariasi menyebabkan superheater menerima beban

kombinasi antara termal dan mekanik pada saat pada dioperasikan, terlebih lagi jika

ada pengelasan pada komponen, seperti tampak pada gambar 3.3, dimana pada daerah

lasan terdapat efek tegangan sisa (residual stress) [5].

Gambar 3.3. Pengelasan diaphragms dalam header

Pada tahap pemeriksaan secara visual, alat-alat bantu seperti kamera digital,

pita ukur, busur derajat, dan jangka sorongdiperlukan untuk kelancaran pengambilan

data, seperti ditunjukkan pada gambar 3.4.

(c) Busur derajat (b) Pita ukur (a) Kamera digital

Gambar 3.4. Alat-alat bantu yang digunakan pada survey kegagalan

(d) Jangka sorong


46

Pada keadaan normal, package boiler beroperasi dengan kondisi sebagai

berikut:

Kapasitas : 120 ton/jam (Maximum Continuous Rate)

Temperatur uap : 400°C (Uap final)

Temperatur desain : 500°C (header dan tube superheater)

Tekanan operasi : 53 Kg/cm2

Sedangkan pada saat kegagalan, kondisi operasi menurun drastis. Ini

menunjukkan adanya kebocoran tube superheater, seperti ditunjukkan pada tabel 3.2.

( 5 MPa - header dan tube superheater)

Tabel 3.2. Kondisi operasi pada saat kegagalan (PT PIM)

Material, dimensi, dan jumlah komponen superheater seperti ditunjukkan

pada tabel 3.3.

Tabel 3.3. Material komponen superheater (PT PIM)

Nama Komponen Material Ukuran

(mm) Jumlah Keterangan

Tube SA 213 T11 ∅44,5 x 4 OD. 1,752” x 0,1575” 102 Tube

Header SA 335 P11 ∅273 x 21,44 NPS 10” Sch.120 2 Pipa

Diaphragms SA 182 F11 SA 182 F11 ∅230 x 10 2 Plat


47

Spesifikasi material superheater adalah berturut-turut untuk tube, header, dan

diaphragms adalah seperti tabel 3.4.

Tabel 3.4. Spesifikasi material supeheater pada temperatur kamar [48].

Material komponen superheater terbuat dari low alloy ferritic steel

(1¼ Cr-½ Mo), dan memiliki komposisi kimia seperti tabel 3.5.

Tabel 3.5. Komposisi kimia material superheater [48]

Kode Material

Komposisi Kimia %

C Mn P maks.

S maks Si Cr Mo

SA213T11 0,05~0,15 0,30~0,60 0,025 0,025 0,50~1,00 1,00~1,50 0,44~0,65 SA335P11 0,05~0,15 0,30~0,60 0,025 0,025 0,50~1,00 1,00~1,50 0,44~0,65 SA182F11 0,10~0,20 0,30~0,80 0,04 0,04 0,50~1,00 1,00~1,50 0,44~0,65

Temperatur maksimum tube superheater menurut beberapa standar adalah

seperti tabel 3.6.

Tabel 3.6 Temperatur maksimum SA 213 T11[5].

Material ASME °F/°C

Babcock & Wilcox °F/°C

ALSTOM °F/°C

Riley °F/°C

SA 213 T11 1200/649 1050/566 1025/552 1025/552


48

Diagram Time-Temperature-Transformation digunakan untuk menentukan

awal terjadinya transformasi hingga berakhir pada temperatur konstan (isothermal)

untuk perlakuan panas baja paduan austenite, seperti ditunjukkan pada gambar 3.5

Gambar 3.5. Diagram TTT SA 213 T11 [48]

Pada AC1: mulai terbe ntuknya austenit pada pemanasan 780°C (1430°F).

AC3: transformasi ferit ke austenit selesai pada pemanasan 890°C (1635°F).

AR1: transformasi austenit ke ferit atau ferit + sementit selesai pada pendinginan

696°C (1285°F). AR3: austenit mulai bertransformasi ke ferit pada pendinginan

843°C (1550°F). AR4: transformasi delta ferit ke austenit selama pendinginan.

B(s): austenit mulai bertransformasi ke bainit pada pendinginan 611°C (1130°F).

M(s): austenit mulai bertransformasi ke martensit pada pendinginan 433°C (810°F).

M(f): pembentukan martensit selesai selama pendinginan.


49

Diagram Continuous Cooling Transformation menentukan struktur mikro

yang terbentuk akibat siklus termal yang diterapkan. Pendinginan sangat cepat

menghasilkan struktur yang didominasi martensit. Pada komponen boiler,

pembentukan bainit mendominasi pada laju pendinginan cepat, dengan pembentukan

ferit mendominasi selama pendinginan

lambat, seperti ditunjukkan pada gambar 3.6.

Gambar 3.6. Diagram CCT SA 213 T11 [48]

Tabel 3.7 Pengaruh laju pendinginan dan kekerasan [48].

Pada kasus pendinginan lambat, hasil transformasi dapat berupa perlit dengan

jejak (trace) dari bainit. Pengaruh laju pendinginan terhadap struktur mikro dan

kekerasan ditunjukkan pada tabel 3.7.


50

3.4. Pengujian Eksperimental

Pengujian eksperimental yang dilakukan merupakan jenis Non-Destructive

Testing (NDT) meliputi pengukuran dimensi, pengujian kekerasan, dan pengujian

komposisi kimia.

3.4.1. Pengukuran dimensi

Pengukuran dimensi, seperti tampak pada gambar 3.7 untuk mengetahui

perubahan ukuran, baik diameter maupun tebal dinding. Pengukuran dimensi sesuai

dengan standar ASTM A 213 T11 Standard Spesification for Seamless Ferritic and

Austenitic Alloy-Steel Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes [48].

Langkah-langkah pengukuran dimensi menggunakan jangka sorong jangka

sorong dan busur derjat adalah sebagai berikut:

1. Masing-masing sisi tube dibagi menjadi 8 bagian dengan busur derajat

2. Tandai dengan huruf yang saling tegak lurus, yaitu AE, BF, CG, dan DH

3. Ukur diameter luar bagian yang ditandai menggunakan jangka sorong

Gambar 3.7. Pengukuran dimensi tube superheater


51

4. Catat dan tabulasi hasil pengukuran

5. Dengan cara yang sama, ukur diameter dalam

6. Ukur tebal pada tiap 8 titik yang telah ditandai, yaitu A, B, C, D, E, F, G

dan H

7. Catat dan tabulasi hasil pengukuran

8. Lakukan langkah yang sama pada sisi 2.

3.4.2. Pengujian kekerasan

Pengujian kekerasan pada delapan titik pengujian, seperti tampak pada

gambar 3.8 menggunakan TIME Leeb Portable Hardness Tester Type HLN-11A,

seperti tampak pada gambar 3.9, sesuai dengan standar ASTM A956 Standard Test

Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products [49].

Gambar 3.8. Titik pengujian kekerasan metode Leeb

Gambar 3.9. TIME Leeb Portable Hardness Tester Type HLN-11A [50]


52

Pengujian kekerasan dilakukan dengan menekan bagian atas batang impak,

seperti tampak pada gambar 3.10, sehingga massa test tip, yaitu tungsten karbide

jatuh akibat gaya pegas, lalu sensor elektronik mengukur kecepatan sebelum/sesudak

impak pada permukaan benda uji. Hasil pengujian dapat langsung dicetak dan

dikonversi menjadi nilai kekerasan Brinell, Vickers, atau Rockwell.

Gambar 3.10. Pengujian kekerasan tube superheater

Langkah-langkah pengujian kekerasan adalah sebagai berikut:

1. Bersihkan permukaan sampel tube yang akan diuji

2. Hubungkan batang impak ke instrumen dan hidupkan peralatan pada

POWER ON

3. Tempatkan batang impak pada titik pengujian yang telah ditandai

4. Pegang sampel tube dengan satu tangan agar tidak bergeser, sementara satu

tangan lagi menekan tombol bagian atas batang impak

5. Baca hasil pengukuran pada layar

6. Ulangi pengukuran hingga 3 kali pada tiap titik

7. Cetak hasil pengukuran dengan menekan tombol PRINT.


53

3.4.3. Pengujian komposisi kimia

Pengujian komposisi kimia (Positive Material Identification) pada sampel

tube superheater menggunakan X-MET5100 for PMI Type X-Ray Fluorescence

(XRF), seperti tampak pada gambar 3.11a, sesuai dengan standar ASTM E 1724 – 95

Standard Guide for Testing and Certification of Metal and Metal-Related Reference

Materials [51].

.

Gambar 3.11. X-MET5100 for PMI Type XRF [52]

X-MET5100 for PMI adalah instrumen yang digunakan untuk menentukan

komposisi kimia dengan menentukan unsur paduan pada logam sesuai dengan

komposisi yang dimilikinya. Hasil identifikasi dapat berupa nama unsur atau

persentase. Alat ini bekerja dengan mengekspos sampel uji ke tabung sinar-X

(Gambar 3.11b). Atom-atom dari sampel uji menyerap energi dari sinar- X, sehingga

menimbulkan ransangan awal pada atom-atom tersebut dan kemudian

memancarkannya. Setiap unsur yang terkandung pada sampel uji akan memancarkan

sinar-X dalam bentuk energi. Dengan mengukur intensitas dan karakteristik energi

yang dipancarkan oleh sinar-X, maka XRF analyzer memberikan analisa unsur pada

sampel uji.


54

Langkah-langkah pengujian komposisi kimia, seperti tampak pada gambar

3.12, adalah sebagai berikut:

1. Bersihkan permukaan tube yang akan diuji

2. Masukkan PDA (Portable Digital Assistant) pada slot analyzer

X-MET5100

3. Hidupkan X-MET (Gambar 3.12a) dan PDA (Gambar 3.12 b) dengan

menekan tombol POWER ON

4. Klik Start>X-MET untuk masuk ke menu

Gambar 3.12. Pengujian komposisi kimia (PT PIM)

5. Klik LOGON, masukkan pasword

6. Klik sembarang di layar hingga keluar menu utama

7. Cek kalibrasi sampel yang tersedia. Kemudian pilih Display

Spectra>XRF Line Display. Pilih salah satu unsur (Cr atau Mo) dan

bandingkan hasil dengan reference material (ASTM), jika sesuai

lanjutkan pengujian


55

8. Pilih Name Sample untuk menamakan sampel uji

9. Pilih Select Method>Low Alloys_LE>Select Method untuk metode

pengujian, seperti tampak pada gambar 3.13.

Gambar 3.13. Memilih metode pengujian

10. Pilih Output Setting> conteng pada Log File Name\SD Card >masukkan

nama file>Save, seperti tampak pada gambar 3.14.

11. Pilih Setting>Configuration>Timed Esay>Yes, untuk penekanan trigger

dan langsung lepas

Gambar 3.14. Memilih output setting


56

12. Pilih Measurement Time>isikan 6>ok, untuk lama pembacaan sinar – X

selama 6 detik

13. Tempelkan X-MET5100 pada sampel uji, hingga muncul warna kuning

pada background User Mode/Supervisor Mode yang menunjukkan posisi

pengujian sudah pas

14. Tekan trigger pada handle dan langsung lepaskan. Pastikan X-MET5100

bekerja dengan adanya lampu merah menyala pada X-RAY ON, seperti

tampak pada gambar 3.15.

Gambar 3.15. X-RAY ON

15. Data hasil pengujian yang tersimpan dalam SD Card ditransfer ke PC

untuk dicetak dan dianalisa.


57

Tabel 3.8. Identifikasi elemen dengan X-MET5100 Type XRF [52]

3.5. Simulasi Numerik

Analisa pertama adalah tegangan elastis. Pada analisa ini, hasil analisa

numerik dan perhitungan teoritis keduanya divalidasi. Selanjutnya adalah analisa

thermal stress, yaitu analisa dengan menggabungkan temperatur dan tekanan. Untuk

melihat pengaruh strain hardening pada daerah plastis, dipilih model isotropik.


58

3.5.1. Simulasi tegangan elastis

Sebagian tube superheater yang dipotong pada daerah gagal sepanjang 100

mm dikaji terhadap pembebanan mekanis akibat tekanan internal sebesar 5 MPa.

Model dipilih 1/8 silinder dan ditutup pada ujungnya. Radius dalam (ro), radius luar

(ri), tebal (t), modulus elastis (E), dan rasio Poison (v) berturut-turut adalah (18,25

mm), (22,5 mm), (4 mm), (2 x 105

Langkah-langkah simulasi tegangan memiliki urutan yaitu; (1) memilih

analysis systems pada toolbox; (2) klik ganda Static Structural; (3) menyelasaikan

simulasi tegangan sesuai dengan urutan program seperti tampak pada gambar 3.16.

MPa), dan (0,3).

Gambar 3.16. Langkah-langkah simulasi tegangan

1

2

3


59

3.5.1.1. Data material (engineering data)

Memasukkan data material adalah dengan klik ganda pada engineering data.

Setelah data dimasukkan, klik tanda centang pada kolom (Parameterized).

Data material SA 213 T11 ditunjukkan pada tabel 3.9.

Tabel 3.9. Data material SA 213 T11 [48, 53 ,54 ,55 ,56]

3.5.1.2. Giometri dan mesh

Geometri tube superheater digambar dengan langkah-langkah seperti

ditunjukkan pada gambar 3.17 sebagai berikut:

1. Klik kanan Geometry, pilih New Geometry

2. Pilih unit milimeter

Gambar 3.17. Tree Outline pada design moduler

3. Klik XY Plane pada Tree Outline Static Structural (ANSYS)


60

4. Klik ikon Look At Face/Plane/Sketch pada toolbar.

5. Klik untuk menggambar

6. Pilih kemudian tarik garis horizontal dan vertikal.

7. Pilih dan klik perpotongan garis (R7)

8. Pilih pada untuk memberi ukuran

Gambar 3.18. Model dan ukuran tube superheater

9. Pilih untuk tampilan dimensi (Gambar 3.18)

10. Klik toolbar jika sudah selesai suatu tahap

11. Pilih dan klik toolbar menampilkan 3 dimensi.

12. Klik toolbar kemudian pilih sumbu rotasi dengan mengklik pada

sumbu vertikal (sumbu Y)

13. Pilih Add Material pada Operation, dan Direction > Normal dan

Angle 90°, seperti tampak pada gambar 3.19.


61

Gambar 3.19. Geometri 3 demensi hasil revolve 90° arah normal

15. Klik File pada Toolbar Menu, pilih Save Project, isikan nama dengan

“Simulasi Tegangan”.

16. Klik ganda pada untuk

17. Klik pada Project Outline, dan (Gambar 3.20)

Gambar 3.20. Hasil meshing dengan ANSYS Mechanical


62

18. Penghalusan mesh. Klik kanan pada pilih insert

19. Klik Face kemudian klik pada bagian radius dalam dan

20. Masukkan 3 untuk ukuran (Gambar 3.21)

21. Klik toolbar untuk melihat hasil meshing.

22. Pilih insert, kemudian pilih untuk menghaluskan mesh pada

bagian bawah dengan cara yang sama pada langkah 18 s.d. 20.

23. Klik toolbar untuk melihat hasil meshing.

24. Klik ganda untuk pemberian kondisi batas, yaitu

dan

25. Klik kanan pada Outline>Insert .

Gambar 3.21. Hasil refinement mesh pada dua bidang


63

3.5.1.3. Kondisi batas dan beban (Setup)

Kondisi batas dan beban dibuat dengan cara-cara berikut:

1. Klik kanan , Insert . Pilih Face yang

normal terhadap arah X, kemudian isikan X Component = 0 mm.

Gambar 3.22. Kondisi batas perpindahan arah X=0

2. Langkah yang sama untuk bidang yang normal terhadap Z dan Y=0

3. Klik kanan insert . Pilih Face ,

kemudian klik bagian dalam. Isikan harga tekanan 5 MPa (Gambar 3.23).

Gambar 3.23. Kondisi batas tekanan internal 5 MPa


64

3.5.1.4. Solusi (solution)

Solusi untuk menentukan output tegangan dibuat dengan cara-cara berikut:

1. Klik ganda

2. Klik kanan pilih Insert > Stress > Normal

3. Pada pilih Orientation > X Axis

4. Ulangi langkah ke 2 untuk tegangan normal arah sumbu Y dan Z.

5. Klik kanan pilih Insert > Stress > Equivalent (von-Mises)

6. Klik kanan Solution >Insert > Deformation > Directional > Orientation >

Z Axis.

3.5.1.5. Hasil (result)

Untuk melihat hasil simulasi, klik ganda pada Results > Solve. Solvesss

3.5.2. Validasi hasil tegangan elastis

Validasi hasil tegangan elastis dibandingkan dengan tegangan desain izin

maksimum tube superheater, sesuai dengan desain umur, dan desain temperatur,

seperti pada tabel 3.10.

Tabel 3.10. Tegangan desain izin maksimum SA 213 T11 (MPa) [54].


65

3.5.3. Simulasi thermal stress

Tube bertekanan 5 MPa dan temperatur bervariasi pada dinding (390°C s/d.

400°C pada bagian dalam) dan drop (420°C s/d. 320°C pada bagian luar), mendekati

dengan kondisi operasional sebelum dan saat kegagalan.

Langkah-langkah simulasi thermal stress memiliki urutan yaitu; (1) memilih

sistem pada toolbox (Custom System), (2) klik ganda thermal stress, (3) klik kanan

pada Steady State > Replace With > Transient Thermal, (4) menyelasaikan simulasi

termal sesuai dengan urutan program seperti tampak pada gambar 3.24.

Gambar 3.24. Langkah-langkah simulasi thermal stress

3.5.3.1. Data material (engineering data)

Cara memasukkan data material adalah dengan klik ganda Engineering data.

dan pilih add new material. Data material SA 213 T11 (Tabel 3.11) untuk simulasi


66

thermal stress adalah temperature-dependent material properties. Sifat material

diperoleh dari literatur [53] dan [54], meliputi berat jenis, modulus, kekuatan,

koefisien ekspansi termal, konduktivitas termal, dan panas spesifik. Setelah data

dimasukkan, klik tanda centang pada kolom ( parameterized).

Tabel 3.11. Data material SA 213 T11 (temperature-dependent) [53, 54]

Model material elastis-plastis dipilih multilinier isotropic hardening. Pada

temperatur 400°C, SA 213 T11 memiliki sifat kekuatan seperti gambar 3.25.

Gambar 3.25. Kekuatan SA 213 T11 pada temperatur tinggi [53, 54].


67

Baja yang ulet (ductile) akan mulai mencapai batas elastis jika pemuluran

(yield) melewati 0,005 mm [57]. Besarnya tegangan mulur (σy

) SA 213 T11 pada

temperatur 400°C adalah 160 MPa (Gambar 3.23). Nilai regangan ini diperhitungkan

sebagai regangan plastis inisial untuk model pada simulasi ini [32, 39]. Kemudian

tegangan dinaikkan sehingga tampak seperti tabel 3.12. berikut:

Tabel 3.12. Sifat multilinear isotropic hardening

3.5.3.2. Giometri dan mesh

Tube sepanjang 100 mm, diameter dalam 36,5 mm, diameter luar 44,5 mm

digambar dengan langkah-langkah sebagai berikut:

1. Klik kanan Geometry pilih New Geometry untuk menggambar.

2. Pilih unit millimeter

3. Klik XY Plane pada Tree Outline Transient Thermal (ANSYS).

4. Klik ikon Look At Face/Plane/Sketch Look pada toolbar.

5. Klik untuk menggambar.


68

6. Pilih lalu tarik garis 45°C arah sumbu X (Gambar 3.26)

7. Pilih untuk menggambar dua lingkaran.

8. Pilih pada untuk memberi ukuran.

9. Klik toolbar jika sudah selesai suatu tahap.

Gambar 3.26. Giometri dan diameter tube

10. Pilih dan klik toolbar dalam 3 dimensi (Gambar 3.27)

11. Pilih Extrude Direction > Reversed, dan FD1, Depth 100 mm.

Gambar 3.27. Giometri dan mesh


69

3.5.3.3. Kondisi batas dan beban (termal)

Terdapat dua kondisi batas dan beban untuk jenis simulasi ini, yaitu termal

dan struktur. Untuk kondisi batas dan beban struktur diberikan setelah didapatkan

hasil simulasi termal.

Kondisi batas dan beban termal diselesaikan dengan langkah berikut:

1. Klik pada Initial Temperatur, isikan 400°C

2. Klik pada Analysis Setting, masukkan time stpes seperti pada

gambar 3.28. Akhir simulasi hingga 30 detik

3. Klik kanan Transient Thermal (A5) > Insert > Temperature >Tabular,

isikan data temperatur pada kulit luar dan kulit dalam seperti pada

gambar 3.29.

Gambar 3.28. Analysis setting


70

Gambar 3.29. Kondisi batas termal

3.5.3.4. Solusi (termal)

Untuk menentukan output temperatur dibuat dengan cara-cara berikut:

1. Klik kanan pilih Insert > Temperature.

2. Klik kanan Solution pilih Insert > Thermal > Total Heat Flux

3.5.3.5. Kondisi batas dan beban (struktur)

Untuk kondisi batas dan beban struktur dilakukan sebagai berikut:

1. Pada Static Structural, klik kanan Imported Load (Set Up 2)> Imported

Body Temperatur

2. Klik pada Analysis Setting, masukkan Time Steps seperti tampak pada

gambar 3.28. Akhir simulasi hingga 5 detik

3. Klik kanan Static Structural (B5) > Insert > Frictionless Support, pilih

empat sisi, lalu Apply, seperti tampak pada gambar 3.30.


71

4. Klik kanan Static Structural (B5) > Insert > Pressure, pilih bagian dalam

silinder, pada Magnitude, isikan 5 MPa.

Gambar 3.30. Kondisi batas struktur

3.5.3.6. Solusi (solution)

Untuk menentukan output temperatur dibuat dengan cara-cara berikut:

1. Klik kanan pilih Insert > Stress>Equivalent (von Mises)

2. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain >Equivalen (von Mises)

3. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain >Thermal

4. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain > Equivalen Plastic

4. Klik kanan Solution pilih Insert > Deformation > Total

3.5.3.7. Hasil (result)

Untuk melihat hasil simulasi, klik kanan Results > Solve.


72

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Pendahuluan

Pada bab ini membahas hasil analisa kegagalan pada tube superheater, baik

dengan pengamatan visual, pengujian eksperimental, maupun simulasi numerik.

4.2. Hasil Pengamatan Visual

Hasil pengukuran menunjukkan diaphragma dalam header telah bergeser 18°

pada kasus kegagalan terakhir, seperti tampak pada gambar 4.1. Pergeseran

diaphragms dapat menyebabkan aliran uap ke tube superheater menjadi berkurang,

sehingga temperatur pada dinding tube menjadi tinggi.

Gambar 4.1 Pergeseran diaphragma dalam header


73

Dua tube yang gagal sebelumnya, yaitu baris 5 No. 8 dan baris 3 No. 8 sudah

ditutup (diplug). Begitu juga tube yang gagal terakhir, yaitu baris 1 No. 8. Dengan

kata lain, tiga buah tube No. 8 yang sesumbu sudah ditutup, sehingga tidak

bermasalah lagi. Namun tube yang diberi tanda silang (X), yaitu tube baris 4 No. 8

pada gambar 4.1 diprediksi akan gagal jika posisi diaphragma tidak segera diperbaiki.

Dari gambar 4.1 tampak bahwa kegagalan tube superheater pertama kali

terjadi tahun 2006, sejak instalasi dipasang tahun 2003, yaitu sekitar 25920 jam

operasi. Kegagalan paling dominan terjadi pada tahun 2008.

Gambar 4.2 Sejarah kegagalan tube superheater

Diaphragma, seperti tampak pada gambar 4.2 merupakan pemisah antara

primary dan secondary header bergeser ke arah primary. Ini dimungkinkan karena

secondary header merupakan pengumpul uap final yang memiliki temperatur lebih

tinggi (400°C) dibanding primary header (395°C). Hasil pengamatan visual pada


74

bagian luar header dan diaphragma tidak menunjukkan adanya tanda-tanda

pengelasan sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar desain, yaitu gambar 3.3.

Sekarang, package boiler dioperasikan dengan kapasitas produksi uap yang dibatasi,

yaitu antara 75 s.d. 80 ton/jam (± 60% kapasitas MCR).

Tube yang gagal pada baris 1 No. 8, berasal dari ruang superheater bagian

belakang, seperti tampak pada gambar 4.3. Posisi 2300 mm arah vertikal dari lantai.

Sisi yang pecah berlawanan dengan arah aliran panas dapur.

Gambar 4.3 Lokasi tube yang gagal


75

Karakteristik tube umumnya kemerah-merahan, namun di daerah yang gagal

berwarna kekuning-kuningan. Tube yang gagal kemudian dipotong untuk sampel

analisa selanjutnya, seperti tampak pada gambar 4.4.

Gambar 4.4 Sampel tube yang gagal

Karakteristik tube superheater yang gagal adalah adanya penggemukan

“bulging” pada dinding tube dan terjadinya “fish mouth effect”. Panjang bengkak

mencapai ± 45 mm dan lebar 10 mm. Gejala demikian biasanya disebabkan oleh

aliran terhalang oleh benda asing, aliran yang tidak seimbang dan atau adanya kerak

pada bagian dalam tube.

10 mm


76

Penampakan pada kulit bagian dalamnya tidak terdapat kerak (scale), namun

kondisinya seperti terbakar dan gosong. Tube superheater dari bahan SA 213 T11

mampu bekerja dalam kondisi normal pada temperatur maksimum 570°C (Tabel 3.6).

Jika salah satu komponen pada header mengalami permasalahan, maka header yang

berfungsi mensuplai uap ke tube superheater tidak lagi beroperasi optimal, dan

pembebanan tidak lagi sesuai dengan perencanaan awal untuk kondisi operasi normal.

Terdapat retak-retak kecil di sekitar bengkak dan bengkak ke arah tangensial

(hoop), seperti ditunjukkan pada gambar 4.5. Dari bentuk pecahnya tampak bahwa

tube telah mengalami pemanasan yang berlebih (overheating).

Gambar 4.5 Arah bengkak akibat overheating

Hingga kegagalan terakhir, 6 % tube primery superheater sudah ditutup, yaitu

3 buah dari total 48 buah, sedangkan pada secondary superheater masih utuh

berjumlah 54 buah, sehingga volume aliran uap antara keduanya tidak lagi seimbang

(imbalance). Jika kondisi seperti ini dibiarkan, dapat berakibat pada kegagalan-

kegagalan berikutnya yang tidak diharapkan.


77

4.3 Hasil Pengujian Eksperimental

4.3.1. Hasil pengukuran dimensi

Hasil pengukuran dimensi dibandingkan dengan tabel penyimpangan

(toleransi) yang diizinkan. Ukuran tube superheater SA 213 T11 adalah OD Ø44,5

mm, ID Ø36,5 mm, t=4 mm. Nilai penyimpangan (toleransi) yang diizinkan menurut

standar ASTM A 213/A 213M - 06a, seperti ditunjukkan pada tabel 4.1.

Tabel 4.1. Toleransi ukuran SA 213 T11 [48, 55]

Tolerance in Outside Diameter mm

S - H OD of Tubes Tolerance

≤ 101.6 +0.4, -0.8 101.6 < ≤ 190.5 +0.4, -1.2

190.56 < ≤ 228.6 +0.4, -1.6

Tolerance in Wall Thickness mm

WT of ubes

S - H S - C E OD ≤

101.6 OD> 101.6

OD≤ 38.1

OD> 38.1

≤ 2.4 +40% -

+20% +22% +18%

-0

2.4≤ 13.8 +35% +35% -0 0

3.8.4≤ 4.6 +33% +33% -0 -0 0 -0 -0

2.4≤ 13.8 +28% +28% -0 -0

S-H Seamless Hot-Finished

Hasil pengukuran diameter luar rata-rata pada sisi 1, seperti pada tabel 4.2

adalah 45,775 mm (selisih 1,275 mm) dan 45,175 mm pada sisi 2 (selisih 0,675 mm).

Toleransi yang diizinkan untuk diameter luar adalah (+0,4; -0,8) mm (Tabel 4.1).


78

Tabel 4.2. Hasil pengukuran diameter

Hasil pengukuran tebal dinding rata-rata pada sisi 1 adalah 4,7125 mm (selisih

0,7125 mm) dan 4,5125 mm pada sisi 2 (selisih 0,5125). Toleransi tebal adalah (+33;

-0)%. Hasil pengukuran pada dinding tube yang gagal ditunjukkan pada tabel 4.3.

Tabel 4.3. Hasil pengukuran tebal dinding

4.3.2. Hasil pengujian kekerasan

Pada titik-titik pengujian (Gambar 4.6) menunjukkan terjadinya penurunan

harga kekerasan dibanding kekerasan standar SA 213 T11 (maksimum 163

HB/170V/85HRB). Akan tetapi justru terjadi peningkatan kekerasan yang signifikan

pada titik 4 dan 5.


79

Gambar 4.6. Titik pengujian kekerasan

Hasil pengujian kekerasan dengan metode Leeb pada sampel tube superheater

ditunjukkan pada tabel 4.4.

Tabel 4.4. Hasil pengujian kekerasan

Titik Uji

Load Cell HB Titik

Uji

Load Cell HB Titik

Uji Load Cell HB Titik

Uji Load Cell HB

(grf) (grf) (grf) (grf) 1 408 109 3 432 124 5 408 109 7 412 112 1 434 125 3 460 143 5 780 496 7 416 114 1 409 110 3 423 118 5 704 383 7 440 129 2 435 126 4 613 274 6 453 138 8 411 111 2 439 128 4 668 336 6 457 140 8 412 112 2 404 107 4 685 358 6 423 118 8 427 121

Plot distribusi kekerasan pada titik-titik pengujian (Gambar 4.7) menggunakan

program Excel menunjukkan kekerasan rata-rata (linear) adalah 170 HB.

Gambar 4.7. Distribusi kekerasan pada titik-titik pengujian


80

Hasil pengujian menunjukkan turunnya kekerasan akibat umur pemakaian

(aging) dan kondisi beban kombinasi antara termal dan mekanik, sedangkan naiknya

kekerasan pada titik pecah (titik 4 dan 5) disebabkan oleh komposisi unsur kimia

paduan dan efek perlakuan panas, yaitu terjadinya srain hardening akibat deformasi

plastis.

4.3.3. Hasil pengujian komposisi kimia

Hasil pengujian komposisi kimia, seperti tampak pada tabel 4.5 menunjukkan

bahwa tube superheater yang gagal masih memiliki komposisi unsur utama yang

disyaratkan, yaitu unsur Chrom dan Moly.

Tabel 4.5 Hasil pengujian komposisi kimia (PMI)

Komposisi unsur Chrom (Cr) standar untuk material SA 213 T11 adalah 1,0%

s/d. 1,5%, sedangkan rata-rata hasil pengujian adalah 1,12%. Unsur Moly (Mo)

standar sebesar 0,44% s/d. 0,65%, adapun hasil pengujian adalah 0,45%.


81

4.4. Hasil Analisa Numerik Tegangan Elastis

4.4.1. Tegangan tangensial dan tegangan radial

Tegangan tangensial (σH) dan tegangan radial (σR

) hasil analisa numerik

adalah seperti ditunjukkan pada gambar 4.8.

4.4.2. Tegangan aksial dan tegangan von-Mises

Besarnya tegangan aksial (σZ) dan tegangan von-Mises (σe

) hasil analisa

numerik adalah seperti ditunjukkan pada gambar 4.9.

Gambar 4.8. (a) Tegangan tangensial (σH), dan (b) Tegangan radial (σR)

(a)

Gambar 4.9. (a) Tegangan aksial (σZ), dan (b) Tegangan von-Mises (σe)

(b)

(b) (a)

(a) (b)


82

4.4.3. Regangan tangensial dan regangan radial

Besarnya regangan tangensial (εH) dan regangan radial (εR

) hasil analisa


4.4.4. Regangan von-Mises dan deformasi total

Besarnya regangan von-Mises (εe) dan Deformasi total (εtot

) hasil analisa


Gambar 4.10. (a) Regangan tangensial (εH), dan (b) Regangan radial (εR)

(b) (a)

Gambar 4.11. (a) Regangan von-Mises (εe), dan (b) Deformasi total (εtot)

(b) (a)


83

4.5. Validasi Hasil Tegangan Elastis

4.5.1. Tegangan tangensial

Tegangan tangensial yang dihitung menggunakan pers. (2.2) adalah:

σH = 5�22,252 + 18,252

22,252 − 18,252� = 25,559 MPa

4.5.2. Tegangan radial

Tegangan radial yang dihitung dengan pers. (2.6) adalah:

σR = −Pi = −5 MPa

4.5.3. Tegangan aksial

Tegangan aksial yang dihitung dengan pers. (2.7) adalah:

σZ =5 . 18,252

22,252 − 18,252 = 10,279 MPa

4.5.4. Regangan tangensial

Regangan tangensial yang dihitung dengan pers. (2.8) adalah:

εH =1

200000[25,559 − 0,3(−5 + 10,279)]

εH = 11, 98x10−5

4.5.5. Tegangan equivalen (von-Mises)

Tegangan equivalen (von-Mises) yang dihitung dengan pers. (2.11) adalah:

𝜎𝜎𝑒𝑒 = �12�(25,559 − (−5)2 + �−5 − (10,279)�

2+ (10,279 − 25,559)2�

𝜎𝜎𝑒𝑒 = 26,472 MPa.


84

Perbandingan antara tegangan elastis hasil analisa numerik dan teganga elastis

hasil analisa teoritis ditunjukkan pada tabel 4.6 berikut:

Tabel 4.6. Validasi hasil analisa tegangan elastis

Tipe Tegangan/Regangan Tegangan Teori

Tegangan Simulasi Error (%)

Tegangan tangensial (MPa) 25,559 25,542 6,65 x 10-4 Tegangan radial (MPa) -5 -4,987 2,61 x 10Tegangan aksial (MPa)

-3 10,279 10,277 1,95 x 10

Tegangan von-Mises (MPa)

-4 26,472 26,448 9,07 x 10

Regangan tangensial

-4 11,98 x 10 11,96 x 10-5 1,67 x 10-5 -3

Hasil analisa antara numerik dan teoritis mendekati sama (error sangat kecil).

Tegangan elastis masih dibawah tegangan desain izin maksimum SA 213 T11 untuk

desain umur 100 ribu jam dan temperatur desain 500°C, yaitu 100 MPa (Tabel 3.9).

Dengan demikian tube superheater dapat menahan beban elastis.

Gambar 4.12. Distribusi tegangan tangensial elastis pada dinding tube


85

4.6. Hasil Analisa Numerik Thermal Stress

4.6.1. Distribusi temperatur

Temperatur pada dinding luar 407°C, seperti tampak pada gambar 4.13.a dan

mulai drop pada waktu t=3 detik (Gambar 4.13.b), kemudian temperatur

menyesuaikan dengan temperatur lingkungan (ambient), dan mendekati konvergen

pada t=5,7 detik (Gambar 4.14.a).

Gambar 4.13. Distribusi temperatur (a) Waktu t=1 detik, dan (b) Waktu t=3 detik

(b) (a)

Gambar 4.14. Distribusi temperatur (a) Waktu t=5,7 detik, dan (b) Waktu t=30

(a) (b)


86

Hingga waktu (t) mencapai 30 detik, seperti tampak pada gambar 4.14.b,

temperatur bagian luar cenderung turun, sedangkan bagian dalam cenderung

meningkat. Naik-turunnya temperatur dapat mempengaruhi sifat termal dan sifat

mekanik komponen.

Grafik distribusi temperatur pada dinding luar dan dinding dalam hingga

waktu (t) mencapai 30 detik seperti ditunjukkan pada gambar 4.15.

4.6.2. Fluks panas

Gambar 4.15. Grafik distribusi temperatur

Gambar 4.16. Fluks panas total (a) Waktu t=1 detik, dan (b) Waktu t=3 detik

(a) (b)


87

Fluks panas total 0,2 W/mm2 pada bagian dalam tube pada waktu t=1 detik

(Gambar 4.16.a), dan drop hingga 0,1 W/mm2

Fluks panas total 0,02 W/mm

pada waktu t=3 detik (Gambar 4.16.b).

2 pada bagian dalam pada waktu t=5,7 detik

(Gambar 4.17.a), dan mencapai harga maksimum hingga 0,89 W/mm2

pada waktu

t=30 detik (Gambar 4.17.b). Fluks panas yang cenderung turun pada range waktu (t)

antara 1 s.d. 5,7 detik disebabkan beda temperatur antara bagian dalam dan luar tidak

terlalu besar, dan hampir mencapai konvergen pada waktu (t) 5,7 detik.

Distribusi fluks panas pada bagian dalam dan bagian luar hingga waktu (t)

mencapai 30 detik ditunjukkan pada gambar 4.18.

(a) (b)

Gambar 4.17. Fluks panas total (a) Waktu t=5,7 detik, dan (b) Waktu t=30 detik

Gambar 4.18. Distribusi fluks panas pada dinding tube


88

4.6.3. Thermal stress

Thermal stress meningkat tajam dengan naiknya waktu. Waktu simulasi 0,2

detik menghasilkan thermal stress sebesar 55,43 MPa, seperti tampak pada gambar

4.19a dan naik signifikan hingga mencapai batas elastis 160 MPa jika thermal stress

berlangsung selama 0,585 detik (Gambar 4.19.b).

Jika melewati batas elastis, maka komponen akan mengalami deformasi

plastis. Thermal stress mencapai maksimum 200,7 MPa pada dinding luar jika waktu

simulasi mencapai 0,833 detik (Gambar 4.20.a). Setelah mencapai harga maksimum,

thermal stress turun hingga 195,8 MPa pada waktu 1 detik (Gambar 4.20.b).

Gambar 4.19. Thermal stress (a) Waktu t=0,2 detik, dan (b) Waktu t=0,585 detik

(a) (b)

Gambar 4.20. Thermal stress (a) Waktu t=0,833 detik, dan (b) Waktu t=1 detik


89

4.6.4. Regangan elastis equivalen (von-Mises)

Regangan elastis equivalen tidak menyebabkan terjadinya deformasi plastis

dan perubahan bentuk. Regangan elastis equivalen (von-Mises) maksimum akibat

thermal stress adalah 0,000959, seperti ditunjukkan pada gambar 4.21.

Gambar 4.21. Regangan elastis equivalen

4.6.5. Regangan termal

Regangan termal maksimum pada dinding tube akibat thermal stress adalah

1,56 x 10-6

(Gambar 4.22). Regangan termal turun konstan ketika thermal stress

mencapai 190 MPa.

Gambar 4.22. Regangan termal


90

4.6.6. Regangan plastis equivalen (von-Mises)

Regangan plastis equivalen (von-Mises) maksimum pada tube superheater

akibat thermal stress adalah 0,00064 mm/mm, seperti tampak pada gambar 4.23.

Gambar 4.23. Regangan plastis equivalen

4.6.7. Deformasi total

Deformasi total pada tube superheater akibat thermal stress mencapai

0.02 mm, seperti ditunjukkan pada gambar 4.24.

Gambar 4.24. Regangan total


91

4.6.8. Hasil analisa kriteria kegagalan

Efek strain hardening akibat regangan yang terjadi pada deformasi plastis

meningkatkan laju aliran plastis (plastic flow). Deformasi yang sifatnya permanen

menyebabkan pembesaran diameter. Ini terbukti dengan hasil pengukuran diameter.

Gambar 4.25 menunjukkan thermal stress maksimum pada dinding tube superheater.

Gambar 4.25. Thermal stress maksimum pada dinding tube superheater

Distribusi thermal stress pada dinding dalam dan luar (Gambar 4.26)

menunjukkan bahwa thermal stress mencapai batas elastis 160 MPa pada waktu (t)

0,585 detik, dan mencapai maksimum 200,7 MPa pada 0,833 detik.

Gambar 4.26. Distribusi thermal stress pada dinding tube superheater


92

Hardening rule tidak mampu menghambat kegagalan tube superheater,

karena gradien termal (Gambar 4.15) dan fluks panas (Gambar 4.18) meningkat tajam

pada dinding tube. Thermal stress yang merupakan beban kombinasi antara

temperatur dan tekanan internal yang mencapai maksimum dalam waktu singkat

(Gambar 4.26) menimbulkan aliran plastis (plastic flow) yang mengalir ke arah luar

pada dinding tube hingga menyebabkan terjadinya overheating (Gambar 4.27). Jika

thermal stress dibiarkan sebentar saja maka komponen akan gagal.

Gambar 4.27. Isotropic hardening pada dinding tube superheater


93

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Setelah melakukan penelitian tentang kegagalan tube superheater package

boiler, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1. Diaphragma yang menghalangi aliran uap merupakan penyebab utama

kegagalan tube superheater. Tube yang gagal mengalami “bulging” dan

adanya “fish mouth effect”, gejala demikian menunjukkan tube telah

mengalami overheating akibat menerima beban thermal stress yang

berlebihan.

2. Tegangan elastis antara analisa numerik dan analitis menghasilkan

tegangan yang dapat dikatakan sama. Tegangan elastis maksimum hasil

analisa lebih kecil dari tegangan desain izin maksimum tube superheater.

Karenanya, tube aman akibat deformasi elastis.

3. Plastic flow akibat thermal stress menjalar cepat ke arah dinding dan

maksimum di bagian luar mengakibatkan tube superheater gagal dalam

jangka waktu singkat.

Kegagalan tube superheater disebabkan oleh kombinasi dua atau lebih

penyebab kegagagalan atau “attack mode”, yang saling bersinergi untuk

mempercepat kerusakan (accelerate degradation).


94

Analisa kegagalan dapat dilakukan secara visual untuk mengamati

karakteristik, lalu eksperimental dan analisa numerik untuk melihat respon,

serta, mengevaluasi hasil guna mendapatkan penyebab untuk melakukan

langkah perbaikan.

5.2. Saran

Adapun saran yang berhubungan dengan hasil penelitian ini adalah sebagai

berikut:

1. Walaupun tube yang gagal akan diganti/diperbaiki, sebaiknya perbaikan

lebih difokuskan pada penyebab utama, yaitu memperbaiki posisi plat

diaphragma dalam header. Jika posisi diaphragma tidak segera

dikembalikan ke posisi dasarnya, diprediksi akan ada kegagalan kembali

pada tube superheater package boiler, yaitu tube baris 4 No. 8, mengingat

posisi diaphragma yang sudah mengenai tube tersebut.

2. Pergantian/perbaikan tube dapat dilakukan pada saat shut-down rutin pada

tube-tube yang sudah kurang layak dan tidak menunggu tube pecah.

Support, spacer, castable yang rusak harus diganti/diperbaiki, karena

komponen ini ikut mempengaruhi kegagalan.

3. Simulasi dengan geometri yang lebih kompleks, yaitu melibatkan header

dan diaphragma merupakan aspek kajian lanjutan penelitian ini.


95

DAFTAR PUSTAKA

[1] PT PIM Harus Tetap Berada di Lhokseumawe, 2006. Http://www.pim.co.id. Diakses tanggal 29 April 2011.

[2] J. Dobrzanski [et al.], Mechanical Properties and Structure of The Cr-Mo-V

Low-Alloyed Steel After Long-Term Service In Creep Condition, archives of computational materials science and surface engineering, 2007: (23/1) 39-42

[3] Babcock & Wilcox Company, Boiler Tube Analisys, 2007.

Http://www.structint.com. Diakses tanggal 20 Desember 2010. [4] Babcock & Wilcox Company, Steam; Its Generation And Use, Edition: 41,

Chapter 8, Structural Analysis and Design, Barberton – Ohio, 2005. [5] EPRI, Inherently Reliable Boiler Component Design, Electric Power Research

Institute, Palo Alto, 2003 [6] Thermal Energy Equipment; Boilers & Thermic Fluid Heaters Energy

Efficiency Guide for Industry in Asia. 2000. Http://www.energyefficiencyasia.org. Diakses tanggal 20 April 2011.

[7] O. M. Al-Habahbeh [et al.], Integrated Approach for Life Prediction of

Thermo-Fluidic Systems, AMO – Journal of Advanced Modelling and Optimization, Vol. 11 No.4. 2009. ISSN: 1841-4311.

[8] I. Nonaka., Residual Life Evaluation and Repair Procedure for High

Temperature Boiling Piping, OMMI. 2003. Vol. 2, Issue 1. [9] Nakoneczny, G.J & Schultz, C.C., Life Assessment of High Temperature

Header, American Power Conference, Chicago, Illinois, USA, 1995. [10] Viswanathan, R & Stringer, J., Failure Mechanisms of High Temperature

Components in Power Plants, Journal of Engineering Materials and Technology, 2000: Transactions of the ASME.

[11] A. Kandil [et al.], Transient Thermal Stress Analysis of Thick-Wall Cylinders,

International Journal of Mechanical Scient. 1995. Vol. 37, No. 7, pp. 721-732, Elsevier Science Ltd.


http://www.pim.co.id/�

http://www.structint.com/�

http://www.energyefficiencyasia.org/�

96

[12] Behera, P., Analysis of Transient Heat Conduction In Different Geometries; Master Thesis, Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Roukela, 2009.

[13] Kumar, R., Transient Thermoelastic Analysis of Disk Brake Using Ansys

Software; Master Thesis. Mechanical Engineering Department, Thapar University, Patiala-147004, India. 2008.

[14] Latfi R., & Moawiah, S., Rehabilitation of High Pressure Steam Boiler – Super

Heater Tubes. AFA 18th

[15] Metallurgical Technologies Inc., P.A., Aanalysis of Superheater Tube From Boiler.

International Annual Technical Conference &Exhibition. 5-7 July 2005, Sheraton Hotel- Casablanca.

Http://www.thomasnet.com/white-papers/101610/analyses-of-superheater-tube-from-boiler.html#null. Diakses tanggal 28 Juni 2011.

[16] V. Radu [et al.], New Analytical Stress Formulae for Arbitrary Time Dependent

Thermal Loads In Pipes, JRC Technical Note EUR 22802 EN (2007). ISSN 1018-5593. European Commission Joint Research Centre Institute for Energy, Luxembourg.

[17] K. Abrinia [et al.], New Analysis for The FGM Thick Cylinders Under

Combined Pressure and Temperature Loading, American Journal of Applied Sciences 5 (7): 852-859, 2008 ISSN 1546-9239. ©2008 Science Publications

[18] Poworoznek, P.P., Elastic-Plastic Behavior of An Cylinder Subject To

Mechanical And Thermal Loads, Master Thesis. Mechanical Engineering, Renselear Polytechnic Institute, Hartford, 2008.

[19] A.B. Ayob [et al.], Pressure Limits of Thick-Walled Cylinders, Proceeding of

the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists, 2009. Vol. II. IMECHS, Hongkong.

[20] Ganapathy, V., Superheater: Design and Performance; Understand These

Factors To Improve Operation, New York, Hydrocarbon Processing, 2001. [21] T. Kevin, H. Brian., Pressure Part Replacement In-Kind, Upgrade, Redesign.

Riley Power Inc., Las Vegas, Nevada. 2005. [22] U.S. Department of Energy, Materials Selection Considerations for Thermal

Process Equipment, Industrial Technologies Program Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy. Washington. 2004.


http://www.thomasnet.com/white-papers/101610/analyses-of-superheater-tube-from-boiler.html#null�

http://www.thomasnet.com/white-papers/101610/analyses-of-superheater-tube-from-boiler.html#null�

97

[23] Power Generation. Maintenance An Efficiency Control of Thermal Power Plants, 2000. Http://www.asiapasificpartnership.org/PowerGenTF/Green Handbook Peer Review/_chapter3.pdf. Diakses tanggal 5 Februari 2011.

[24] TÜV SÜD PSB Pte. Ltd., Failure Analysis Seminar (Oil, Gas, Chemical &

Marine Industry). 2009. Http://www.tuv-sud-psb.sg/. Diakses tanggal 25 Mei 2011.

[25] ASM, Failure Analysis of Engineering Structures: Methodology and Case

Histories/ V. Ramachandran [et al.]; with contributions from T.A. Bhaskaran [et al.]. Materials Park, Ohio, 2005.

[26] Elsevier Ltd. DOI:10.1016/j.matdes.2003.09.020. 2003. Methodologies for

Failure Analysis: A critical Survey. Reduce Future Boiler Tube Failure. Paulo M.S.T. de Castro, A.A. Fernandes. Http://www.sciendirect.com. Diakses tanggal 16 Februari 2011.

[27] ASM Handbook Vol. 8. Mechanical Testing and Evaluation. ASM

International, Material Park, OH 44073-0002, 2000. [28] Bhaduri, Sachindranarayan, Mechanical Engineering Design. Chapter 39.

Pressure Cylinders. McGraw-Hill Companies, New York, USA. 2004. [29] Shigley, Joseph Edward. Mischke, R and Budynas, G., Machine Design

Tutorial 4-15: Pressure Vessel Design. McGraw-Hill Companies, 2006. [30] Timoshenko, S., and Goodier, J.N., Theory of Elasticity, 1rd Edition, McGraw-

Hill Companies, New York, USA, 1951.

[31] Ansys, Introduction to Mechanical Workbench Nonlinear, Chapter 5, Metal Plasticity, ANSYS, Inc., Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009.

[32] Ansys, Theory Reference for Mechanical APDL and Mechanical Application.

Release 12.0., ANSYS, Inc., Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009.

[33] Ansys, Structural Analysis Guide, Release 12.0., ANSYS, Inc., Southpointe

275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009. [34] J Moran, M., Introduction To Thermal Systems Engineering; Thermodynamics,

Fluid Mechanics and Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2003.


http://www.tuv-sud-psb.sg/�

98

[35] Wolverin, Wolverin Heat Transfer Data Book; Basic Mechanisms of Heat Transfer, 2000. Http://www.wlv.comproductsdatabookch1_1.pdf. Diakses tanggal 22 Mei 2011.

[36] Segall, A.E., Thermal Stress In Vessel, Piping, and Components. Pressure

Vessels and Piping Systems, The Pennsylvania State University, University Park, USA, 2002.

[37] Ansys, Thermal Analysis Guide. Release 12.0., ANSYS, Inc., Southpointe 275

Technology Drive Canonsburg, USA, 2009. [38] Ansys, Review of Yield/Failure Criteria, STI: 03/02, Ansys.Net Newsletter.

ANSYS, Inc., Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009. [39] Ansys, Plasticity Hardening Rules, STI:01/11, Sheldon’s ANSYS Tips and

Tricks, ANSYS, Inc., Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009.

[40] N. Nakasone [et al.], Engineering Analysis With Ansys Software, Elsevier

Butterworth-Heinemann, Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, 30 Corporate Drive, Burlington, 2006.

[41] Ansys, Getting Started in Ansys Workbench, Release 12.0., ANSYS, Inc.,

Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009. [42] Ansys, Ansys Mechanical (Formerly Simulation). Release 12.1., ANSYS, Inc.,

Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009. [43] Ansys, Coupled-Field Analysis Guide, Release 12.0., ANSYS, Inc.,

Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009. [44] Ansys, Ansys Worbench User’s Guide. Release 12.1., ANSYS, Inc.,

Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, USA, 2009. [45] Lawrence, K.L., Ansys Workbench Tutorial, Ansys Release 10. ISBN: 1-58503-

269-7, SDC Publication, Texas, USA, 2006. [46] ASME, ASME Section VIII; Rules for Construction of Pressure Vessesl,

American Society of Mechanical Engineers, Three Park Avenue, New York, 1998.

[47] ASME, ASME Section I; Rules For Construction of Power Boilers. American

Society of Mechanical Engineers, Three Park Avenue, New York, 1998


99

[48] ASTM A 213/A 213M - 06a, Standard Spesification for Seamless Ferritic and Austenitic Aloy-Steel Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes. ASTM International, 100 Barr Harbour Drive, PO Box C700, West Conshohocken, USA, 1995.

[49] ASTM A 956 – 00, Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel

Products. ASTM International, 100 Barr Harbour Drive, PO Box C700, West Conshohocken, USA, 1995.

[50] TIME Group Inc., TIME@

[55] JFE Steel Corp., Speciality Pipe and Tube for Boiler and Petrochemical Plant, 2000.

Testing Instrument, Beijing TIME High Technology Ltd., Beijing, 2005.

[51] ASTM E 1724 – 95, Standard Guide for Testing and Certification of Metal and

Metal-Related Reference Materials. ASTM International, 100 Barr Harbour Drive, PO Box C700, West Conshohocken, USA, 1995.

[52] Jyrki, T., Material Identification (PMI) as it Relates to Pressure Vessels,

Oxford Instruments, Oxford, 2008. [53] ASME. Section II Part D, American Society of Mechanical Engineers, Three

Park Avenue, New York, 2004. [54] EPRI, The Grade 11 and 12 Low Alloy Steel Handbook; 1¼Cr½Mo, 13

CrMo44,620/621, STPA 22/23., Electric Power Research Institute, Palo Alto, 2007

Http://www.jfe-steel.co.jp/en/. Diakses tanggal 10 April 2011. [56] MIGAS, Substitute Material (JIS, BS, DIN) for ASTM specification, MIGAS

Indonesia. 2001. Http://www.migas-indonesia.com. Diakses tanggal 04 April 2011.

[57] Callister, William D., Materials Science and Engineering; An introduction, 7th

Edition, John Wiley & Sons, 605 Third Avenue, New York, 2007.


http://www.jfe-steel.co.jp/en/�

http://www.migas-indonesia.com/�

100

Gambar 1. (a) Modulus elastisitas dan (b) Rasio Poison SA 213 T11 [53, 54].

Gambar 2. Reduksi luas material SA 213 T11 pada temperatur tinggi [53, 54].

Lampiran 1. Modulus elastisitas, rasio Poison, dan reduksi penampang SA 213 T11

(a) (b)


101

Gambar 3. (a) Konduktivitas termal dan (b) Ekspansi termal SA 213 T11 [53, 54].

Gambar 4. Difusivitas termal SA 213 T11 [53, 54].

(a) (b)

Lampiran 2. Sifat termal SA 213 T11


102

Lampiran 3. Surat Izin Survey Lapangan untuk Penelitian


103

Lampiran 4. Surat Izin Pengambilan Data di PT PIM Lhokseumawe


104

Lampiran 5. Berita Acara Serah Terima Sampel dari PT PIM Lhokseumawe


105

Lampiran 6. Izin Pengeluaran Sampel dari PT PIM Lhokseumawe


106

Lampiran 7. Foto-foto Kegiatan Survey di PT PIM Lhokseumawe

3. Melakukan pengujian kekerasan 4 Berdiskusi sambil menganalisa data

5. Dokumentasi sampel tube superheater 6. Serah terima sampel tube superheater

1. Berdiskusi dengan Ka.Biro Inspeksi & K3 2. Mengamati Macchi Package Boiler


simulasi thermal stress pada tube superheater …

Documents