ANALISA KEGAGALAN DUA MATERIAL BERBAHAN DASAR STAINLESS STEEL
PADA INDUSTRI PENYULINGAN MINYAK BUMI
Oleh : Khairul Umam (0405040392)
Diterjemahkan dari paper “Failure Analysis of Two Stainless Steel Based Components Used in an Oil Refinery” oleh Cássio Barbosa, Jôneo Lopes do Nascimento, José Luiz Fernandes dan Ibrahim de Cerqueira Abud. www.springerlink.com.
DEPARTEMEN METALURGI DAN MATERIAL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA 2008
Abstrak
Industri minyak bumi telah berubah secara signifikan selama beberapa dekade. Misalnya di Brazil, ekstraksi minyak laut dalam sedang berkembang sangat cepat. Akibatnya, komponen dan bahan-bahan yang digunakan untuk aplikasi tersebut harus memiliki sifat yang diperlukan untuk menyesuaikan kondisi dan memastikan kinerja yang memuaskan dan
layanan yang yang handal. Namun, komponen yang biasanya memenuhi memenuhi standar
persyaratan tersebut bisa gagal pada beberapa kondisi seperti tekanan dan suhu yang tinggi dan juga konsentrasi H 2S dan CO 2 yang tinggi. Di antara faktor yang dapat menyebabkan kegagalan prematur adalah komponen logam dalam penggunaan bahan kurang memadai, keberadaan cacat yang muncul selama produksi, kesalahan proses, perakitan, atau pemeliharaan. Analisis kegagalan memungkinkan identifikasi penyebab dan hal-hal yang mempengaruhinya sehingga dapat membantu pada peningkatan kinerja operasi dan peralatan serupa. Pada pekerjaan ini, mikroskop optik dan scanning elektron microscopy (SEM) digunakan untuk menganalisa mikrostruktur dan retak permukaan dari
dua batang pompa sentrifugal yang gagal selama digunakan di kilang minyak bumi Brasil. Pada hasil ditunjukkan bahwa satu batang yang terbuat dari stainless steel jenis duplex, gagal dengan kegagalan fatigue, dan batang lainnya, terbuat dari stainless steel austenitic 316, mengalami kegagalan serupa, yang disebabkan kehadiran partikel inklusi non-logam.
Kata kunci Analisa kegagalan – Stainless steel – retak - fatigue
Pendahuluan
Industri petrokimia merupakan salah satu segmen paling dinamis dari dunia ekonomi, dan pertumbuhannya di beberapa tahun terakhir telah menyebabkan pengembangan material baru untuk memenuhi persyaratan baru yang semakin rumit. Stainless steel telah dikembangkan untuk berbagai aplikasi yang memerlukan ketahanan tinggi terhadap lingkungan korosif. Duplex stainless steels (DSSs), yang pertama kali dikembangkan pada tahun 1927 dan berkembang pada dekade berikutnya, telah disebut sebagai pilihan yang memungkinkan untuk menggantikan stainless steel biasa. Sebuah standar ISO telah menjelaskan persyaratan untuk aplikasi tersebut [1]. DSSs memiliki dua fasa mikrostruktur (austenite dan ferrite) dan memiliki beberapa kelebihan, terutama kekuatan yang lebih tinggi, ketahanan yang lebih tinggi untuk korosi intergranular, dan biaya yang lebih rendah bila dibandingkan dengan stainless steel austenitic. Di sisi lain, DSSs memiliki beberapa kekurangan, seperti sulit diproses secara thermomechanical dan ketahanan terhadap korosi pitting yang rendah [2]. Dalam rangka
untuk memenuhi persyaratan khusus untuk kekerasan, kekuatan, dan ketahanan korosi, fasa seperti fasa σ , misalnya, harus diminimalisir [3-5]. Fasa lain yang dibentuk selama proses thermomechanical pengolahan DSSs, adalah Cr 2N. Fasa Cr2N juga merupakan endapan utama yang ditemukan di zona yang terkena dampak panas (Heat Affected Zone) dari sendi lasan. Kondisi yang membantu untuk pembentukan austenite, seperti nitrogen yang tinggi dan laju pendinginan yang rendah mampu meminimalkan pembentukan endapan Cr 2N [6] dan meningkatkan faksi volume dari austenite. Fasa
σ
adalah fasa yang terbentuk sebagai akibat dari dekomposisi ferrite dan juga peningkatan fraksi volume dari austenite. Reaksi fasa σ ini dibantu dengan aging di suhu yang lebih tinggi (650-900 ° C) dan waktu yang lebih lama (30 menit hingga 8 jam), dan kinetika reaksi pembentukan fasa σ lebih lambat dibandingkan untuk endapan Cr 2N [3, 5] . Stainless steel Austenitic memiliki banyak sifat, selain ketahanannya yang tinggi terhadap korosi pada banyak lingkungan:
mereka mempertahankan keuletan keuletan dan
ketangguhan dalam berbagai kondisi terbuka, lebih kurang kepekaannya terhadap embrittlement dibandingkan stainless steel ferritic, dan telah memiliki karakteristik
pembentukan yang baik. Namun demikian, sifat-sifat dan karakteristik yang baik ini
bergantung pada karakteristik karakteristi k kimia, dalam arti unsur kecil seperti sulfur dan fosfor harus dijaga di tingkat di bawah batas yang ditetapkan dalam standar [7-9]. kegagalan fatigue adalah konsekuensi dari beban dinamis. Ketika crack mulai terjadi dan berkembang, keretakan akan terjadi pada tingkatan stress yang lebih rendah daripada yang diperlukan untuk menyebabkan retak di bawah beban statis. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi kegagalan fatigue adalah berbagai variasi tegangan, jumlah siklus, korosi, suhu, tegangan sisa, pemusatan tegangan, dan kombinasi tegangan. Menurut Fernandes dan Castro [10], fatigue adalah kegagalan mekanik lokal, progresif, dan terakumulasi
sebagai akibat dari nukleasi dan
propagasi progresif dari crack yang
disebabkan oleh beban siklik. Menurut Suresh [11] Fenomena dari kegagalan fatigue dapat dianalisa sebagai masalah deformasi plastis lokal dan dapat dijelaskan oleh tampilan shear band (garis-garis geseran). Ketika
ada perpindahan
dislokasi, butir
tertentu membentuk garis-garis gelincir tetap yang akan nampak pada permukaan. Perpatahan brittel dapat dikaitkan dengan beberapa faktor, termasuk keberadaan dari inklusi non-logan yang berbahaya. Efek inklusi tersebut tergantung pada jumlah, bentuk, ukuran, dan distribusi. Inklusi dapat bertindak sebagai pemusat tegangan dan sehingga dapat berfungsi sebagai tempat terjadinya nukleasi crack [12]. analisis kegagalan menggunakan beberapa jenis teknik untuk menyelidiki penyebab kegagalan pada peralatan atau struktur. Pada umumnya, penyebabnya adalah yang berkaitan dengan penggunaan material yang kurang sesuai, keberadaan cacat, kesalahan dalam desain, pemasangan yang tidak tepat, dan kesalahan dalam penggunaan. Pengetahuan tentang penyebab dan koreksi dari kejanggalan memungkinkan peningkatan kinerja pada peralatan serupa dan mencegah munculnya kegagalan yang serupa [13]. Seringkali, analisis kegagalan berupaya untuk menghubungkan
topografi permukaan
yang retak ke kemungkinan jenis kegagalan tertentu dengan menggunakan Scanning Electron Microsrcope (SEM) [14].
Dalam pekerjaan ini satu dari dua batang pompa sentrifugal
yang digunakan dalam
industri petrokimia diuji dengan menggunakan teknik-teknik seperti SEM, pengamatan mikrostruktur stainless steel duplex di sebuah mikroskop optik, dan uji kekerasan. Teknik ini saling melengkapi satu sama lain dan dengan demikian, dalam cara yang efisien, memungkinkan identifikasi dari penyebab kegagalan komponen. Metodologi
Sebuah batang stainless steel duplex dan sebuah batang stainless steel austenitic yang yang gagal, diteliti. Tidak ada banyak informasi tentang sejarah penggunaan komponen, tetapi diketahui bahwa, dalam kasus pertama, ada masalah dalam frame dari pompa yang perlu dilakukan pekerjaan perbaikan. Setelah pekerjaan ini, pompa mulai bekerja, tetapi setelah kurang dari 3 bulan batang telah rusak. Dalam kasus kedua, batang yang telah terpasang di pompa dan setelah sekitar 2 bulan ini rusak di bagian tepi di mana kacang rotor terkunci dalam batang. Komposisi kimia dari stainless steel duplex, diperoleh melalui analisa x-ray fluorescence, disajikan di Tabel 1, dan komposisi kimia dari stainless steel austenitic ditampilkan pada Tabel 2. Tabel 1 Komposisi Kimia Stainless Steek Duplex C
Si
Mn
P
0,02
0,52
1,85 0,02
S
Cr
Ni
N
Mo
V
Cu
0.001
23
5.7
0.19
3.28
0,07 0,13
W
Co
Fe
0,02
0,02 sisa
Tabel 2 Komposisi Kimia Stainless Steel Austenitic C
Si
0,034 0,46
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Co
N
Fe
1,85
0,032
0,026
16,4
9.,9
2,11
0,13
0,18
sisa
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo Co
N
Fe
2
0,045
0,03
16-18
10-14
2-3
0,10
sisa
Tabel 3 C
Si
0,008 1
…
Tabel 3 menunjukkan batas komposisi kimia untuk austenit 316 L yang sesuai dengan standar ASTM A 276-92 [7] (maksimum atau jangkauan). Kandungan nitrogen adalah di atas dan kandungan nikel adalah dibawah batas yang dicerna dari ASTM A 276-92 untuk grade 316 L. Batang pompa sentrifugal pertama (duplex) telah dikerjakan untuk diperoleh sampel untuk analisis microstructural, analisis SEM, dan uji kekerasan. Sampel untuk analisis microstructural telah disesuaikan dengan standar persiapan metalografi: grinding (100600 mesh), polishing dengan pasta intan (6-1 µm), dan etsa dengan 30 mL asam nitrat, 10 mL asam klorida, dan 60 mL air distilasi. distilasi . Sampel untuk analisis fractographic diamati dan difoto dengan peralatan yang beroperasi di 20 KV. Uji kekerasan Rockwell skala C terdiri dari lima pengukuran di berbagai tempat sampel, dan nilai rata-rata dihitung dan dianggap sebagai wakil dari kekerasan sample.
Batang Pompa Pompa sentrifugal kedua (austenitic) dipersiapkan dengan cara yang sama untuk mikroskop optik dan pengamatan SEM (etsa dalam hal ini adalah 20 g asam picric dan 100 mL asam klorida), sedangkan uji kekerasan yang dilakukan adalah tes Rockwell skala B karena kekerasan yang lebih rendah. Hasil dan Diskusi Batang Pompa Stainless Steel Duplex
Gambar 1 (a) menunjukkan bagian batang yang mengalamai keretakan. sementara Gb. 1 (b), diperoleh dari stereomicroscope, menyajikan penampakan macroscopic dari permukaan yang retak. Gambar 2 menunjukkan mikrostruktur stainless steel duplex, dengan fasa austenite digambarkan pada matriks ferrit yang sesuai dengan standar ISO [1]. Tidak ditemukan fasa σ melalui mikroskop optik. Pada Gb. 2 (a) (arah transversal), ukuran rata-rata dari butir austenit (pulau-pulau austenit terdistribusi terdistrib usi pada matriks ferrit yang continue) berkisar 50 µm, yang dapat dianggap suatu nilai yang dapat diterima untuk stainless steel duplex. Bentuk yang agak memanjang dari pulau-pulau austenit juga normal untuk stainless steel duplex. Gambar 3, diperoleh dari SEM, menyajikan aspek
mikroskopis dari permukaan patahan, di mana striasi (garis-garis fatigue) terlihat jelas. Adanya Striasi ini menunjukkan kegagalan oleh kelelahan [15]. Gambar 4 menunjukkan secara terperinci aspek yang sama di permukaan yang gagal. Tabel 4 menunjukkan hasil uji kekerasan Rockwell C.
Gb. 1 (a) bagian pompa yang mengalami kegagalan (b) Permukaan retak : tampilan mikroskopik. asal patahan terindikasi.
Gb 2 Mikrostrutktur Stainless steel Duplex. (a) arah transversal (b) arah longitudinal
Gb 3. Gambar SEM. Permukaan patah menampilkan striasi.
Gb 4 Gambar lebih detail dari bagian yang sama.
Rata-rata nilai kekerasannya (HRC 22,4) lebih rendah dari batas atas (HRC 25) yang ditetapkan oleh standar ISO untuk komponen ini, dan dengan demikian bisa dianggap dapat diterima [1].
Tabel 4 Hasil Uji Kekerasan Sampel Stainless Steel Duplex TItik
Kekerasan (HRC)
1
22
2
22
3
23
4
23
5
22
Rata-rata
22.4
Menurut Reick [2], stainless steel duplex, dengan komposisi kimia yang sangat mirip dengan yang dianalisa dalam kajian ini, memiliki gaya tarik sekitar 640-750 MPa, yield strength antara 400 dan 450 MPa, dan total elongasi sekitar 25%, dan nilai-nilai ini kompatibel dengan aplikasi untuk material pada kasus ini. Jika ada yang mempertimbangkan hasil yang ditemukan dalam kajian ini, dengan teknik yang berbeda, itu membuktikan bahwa factor yang berhubungan dengan karakteristik intrinsik dari material (komposisi kimia dan mikrostruktur) tidak dapat dihubungkan dengan penyebab kegagalan, yang mungkin dapat dikaitkan dengan faktor eksternal . Batang Pompa Stainless Steel Austenitic
Gambar 5 menunjukkan suatu bagian longitudinal batang pompa yang belum dietsa. Banyak partikel inklusi non-logam (sulfide, oksida, dan silikat) yang bisa dilihat. Mikrostruktur dari bahan yang sama dapat dilihat pada Gb. 6 (arah transversal) dan Gb. 7 (arah longitudinal) : butir-butir austenitic bagian yang seragam dan partikel inklusi secara jelas terlihat pada dua arah butir. Pada Gb. 6 (arah transversal) ukuran rata-rata butir berkisar 50 µm, yang dapat dianggap sebagai nilai normal, karena di sebagian stainless steel austenitic yang digunakan untuk aplikasi ini memiliki ukuran butir bervariasi antara 30 dan 60 µm.
Gb. 5 Bagian Longitudinal : Inklusi non logam. Tanpa etsa
Gb 6 Bagian Transversal : inklusi partikel (titik hitam) berada pada pertemuan butir-butir austenit.
Gb. 7 Bagian Longitudinal: Butir austenit dan partikel inklusi (hitam dan memanjang) Penampakan makroskopik secara umum dari permukaan retak pada batang pompa ditunjukkan oleh Gb. 8. Panah menunjukkan titik dimana crack dimulai, dan dari daerah ini garis-garis radial berkembang.
Gb. 8. Penampakan umum permukaan patah. Titik awal crack terindikasi Gambar SEM pada permukaan
retak permukaan disajikan pada Gb. 9 dan 10, yang yang
mengungkapkan aspek karakteristik dari kelelahan, bahkan jika tidak jelas seperti seperti pada kasus pertama, lubang-lubang ini disajikan secara rinci pada Gb. 10. Partikel ini telah dianalisa oleh microprobe EDS (x-ray energy dispersion spectrum) yang hasilnya disajikan pada Gb. 11. Dalam spektrum ini, Puncak sulfur (S) dapat dilihat, dibandingkan
dengan spektrum yang diperoleh dari matriks (Gb. 12), di mana puncak jenis tersebut tidak ada. Analisis ini menunjukkan bahwa, meskipun kadar belerang (0,026%) yang berada sedikit di bawah batas atas yang ditetapkan oleh standar (0,030% sesuai dengan ASTM A 276-92), sulfida termasuk yang yang bahan yang perlu diamati. Sulfur dikenali dapat menurunkan sifata mekanik dari stainless steel. Dalam beberapa aplikasi, ketika keuletan dan ketangguhan sangat penting, diperlukan pegurangan kandungan sulfur di bawah 0,020%, karena sulfida yang sejajar sepanjang arah rolling merupakan sumber anisotropi mekanik dan mengurangi ketahanan terhadap korosi [8, 9]. Kandungan Nitrogen yang tinggi dan kandungan nikel yang rendah tidak terlihat membahayakan untuk digunakan dalam aplikasi ini.
Gb. 9 Permukaan patah. Panah: Lubang-lubang dengan partikel inklusi
Gb. 10 Gambar yang sama Gb. 9 dengan lebih detail. Adalah jelas bahwa tingginya kandungan inklusi sulfida ikut serta menyebabkan kegagalan dari stainless steel
austenitic 316 yang dianalisis dalam pekerjaan ini.
Sebagaimana diketahui dari literatur [16-18] bahwa inklusi non-logam yang ada pada tahap awal dari proses pembuatan baja, adalah sebagai akibat dari kehadiran kotoran di bahan baku, yang tertahan dalam baja cair, atau sebagai hasil pencemaran dari berbagai sumber. Sangat sulit, mungkin mustahil, untuk kemudian menghilangkan partikel ini dengan perlakuan panas atau prosedur setelah
fabrikasi, selain karena prosedur
pembuatan baja yang mahal, hal yang yang mungkin untuk dilakukan tindakan pencegahan dengan melakukan
pemeriksaan rutin yang seksama , yang terdiri pengamatan
metalografi dan pengurangan kandungan inklusi pada sample baja.
Gb. 11 Spektrum EDS : Partikel
Gb. 12 Spektrum EDS : matriks Rata-rata nilai kekerasan (HRB 95,48: Tabel 5) kompatibel dengan sebuah austenitic 316 stainless steel AISI-SAE (sekitar HRB 95) [16]. Tabel 5 Hasil Uji Kekerasan Sampel Stainless Steel Austenitic TItik
Kekerasan (HRC)
1
94,6
2
96,4
3
95.2
4
95,8
5
95,4
Rata-rata
95,48
Menurut literatur [16], stainless steel austenitic 316 memiliki ultimate tensile strength (UTS) sekitar 515 MPa, yield strentgh (YS) sekitar 205 MPa, dan elongasi total sekitar 40%, yang dapat dianggap memenuhi syarat untuk jenis aplikasi ini.
Kesimpulan
Stainless steel banyak digunakan dalam pembuatan komponen yang beroperasi di industri petrokimia untuk beberapa alasan, terutama disebabkan oleh ketahanan yang luar biasa terhadap korosi dibarengi dengan sifat mekanik yang baik. Namun demikian, beberapa faktor dapat mengakibatkan kegagalan komponen, bahkan meskipun dibuat dari material yang memenuhi syarat. Pada saat kajian, dua kasus kegagalan komponen yang terbuat dari stainless steel dianalisis. Pada kasus pertama, kegagalan sebuah batang pompa sentrifugal yang dibuat dari stainless steel duplex berdasarkan pengamatan menggunakan mikroskop optik, SEM, dan uji kekerasan Rockwell skala C, menunjukkan hasil sebagai berikut: • secara mikrostruktur, disusun oleh austenite dalam matriks ferrit, yang sesuai dengan standar, dan tidak ada fasa σ yang diamati di mikroskop optik. • kekerasan dari stainless steel duplex (HRC 22,4) juga telah memenuhi nilai-nilai yang ditentukan ( lebih rendah daripada HRC 25). • Tidak ada bukti terjadinya korosi, tidak pula jenis degradasi lain. • Gambar SEM dengan jelas mengungkapkan keberadaan dari garis-garis garis-garis fatigue pada permukaan retak.
Hasil tersebut menunjukkan bahwa kegagalan fatigue mungkin disebabkan oleh faktor eksternal yang tidak terkait dengan karakteristik bawaan dari material.
Dalam kasus kedua, kegagalan sebuah batang pompa sentrifugal stainless steel austenitic, kehadiran inklusi sulfida memberikan kontribusi untuk kegagalan fatigue pada komponen ini, meskipun memiliki mikrostruktur dan kekerasan yang memenuhi syarat. . Cara yang paling nyata dalam pencegahan terjadinya kegagalan ini adalah dengan meminimalkan inklusi pada sample stainless steel.
Referensi:
1.
“Petroleum and natural gas industries—Materials industries—M aterials for use in H2S-containing H2S-containin g
environments in oil and gas production,” NACE MR 0175/ISO 15156-3, “Part 3: Cracking-resistant CRAs (corrosion-resistant alloys) and other alloys,” NACE/ANSI/ISO (2003) 2.
Reick, W., Pohl, M., Padilha, A.F.: Desenvolvimento Desenvolviment o em aços inoxidáveis
feerítico-austeníticos com microestrutura duplex (Development in the stainless ferriticaustenitic steels with duplex microstructure). Met. Mater. 48(409), 551–563 (Sept 1992) (in Portuguese) 3.
Lee, K.M., Cho, H.S., Choi, D.C.: Effect of isothermal isothermal treatment of SAF 2205
duplex stainless steel on migration of δ / γ interface boundary and growth of austenite. J. Alloys Compd., 285, 156–161 (1999) 4.
Chen, T.H., Yang, J.R.: Effects of solution treatment and continuous cooling on
σ-phase precipitation in a 2205 duplex stainless steel, Mater. Sci. Eng. A, 311, 28–41 (2001) 5.
Chen T.H., Weng K.L., Yang J.R.: The effect of high-temperature exposure on
the microstructural stability, toughness property in a 2205 duplex stainless steel. Mater. Sci. Eng. A, 338, 259–270 (2002)
6.
Liou, H.-Y., Hsieh, R.-I., Tsai, W.-T.: Microstructure and stress corrosion
cracking in simulated heat-affected zones of duplex stainless steels. Corros. Sci., 44, 2841–2856 (2002) 7.
“Standard Specification for Stainless and Heat-Resisting Heat-Resisti ng Steel Bars and Shapes,”
ASTM A 276–92, Annual Book of ASTM Standards 8.
Colombier, L., Hochmann, J.: Aciers Inoxydables Aciers Refractaires. Dunod,
Paris, 620 pages (1965) 9.
Peckner, Peckner, D., Bernstein, I.M.: Handbook of Stainless Steels. McGraw-Hill Book
Company, New York, NY (1977)
10.
Fernandes, J.L., Castro, J.T.P.: Fatigue Crack Propagation in API-5L-X60,
Technology and Equipments Conference—VI COTEQ, Aug, 10 pages (2002) 11.
Suresh, S.: Fatigue of Materials. Cambridge University, Universit y, 605 pages (1991)
12.
Failure Analysis and Prevention, Vol. 11, ASM Handbook, ASM International,
Materials Park, OH, 1164 pages 13.
Azevedo, C.R.F., Cescon, T.: Análise de Falha e Metalografia, Casos
Selecionados (1933–2003) (Failure Analysis and Metallography, Selected Cases (1933– 2003)), IPT (Technology Research Institute), São Paulo, Brazil, 1st ed., 416 pages (2004) (in Portuguese) 14.
Wouters, R., Froyen, L.: Scanning electron microscope fractography in failure
analysis of steels, Mater. Charact., 36, 357–364 (1996) 15.
Properties and Selection: Stainless Steels, Tool Materials and Special-Purpose
Metals, Vol. 3, 9th ed., Metals Handbook, American American Society for Metals, Metals Park, OH (1980) 16.
Cabalín, L.M., Mateo, M.P., Laserna, J.J.: Large area mapping of non-metallic
inclusions in stainless steel by an automated system based on laser ablation, Spectrochim. Acta Part B, 59, 567–575 (2004) 17.
Perkins, K.M., Bache, M.R.: The influence of inclusions on the fatigue
performance of a low pressure turbine blade steel, Int. J. Fatigue, 27, 610–616 (2005) 18.
Maropoulos, S., Ridley, N.: Inclusions and fracture characteristics characteristi cs of HSLA steel
forgings, Mater. Sci. Eng. A, 384, 64–69 (2004)
