Meterial Teknik
bundar), lihat gambar 4.4. ini adalah perbandingan tetap yang paling banyak dipakai, tetapi ada juga yang lain-lainnya. Batang yang memenuhi syarat perbandingan tetap, kita sebut batang-batang uji tarik proporsional.
Gambar 4.40
Bentuk Batang Uji Tarik
Keterangan: Bila batang uji tarik itu tidak bundar, harus juga dibuat suatu angka regangan yang dapat dibandingkan. Diemikian bila pebandingan panjang dengan penampang dibuat konstan (tetap). Untuk batang bujur sangkar dan/ atau persegi panjang maka untuk batang dp10:l o = 11,3 Dan untuk batang dp 5:l o = 5,65
Ao
Ao
Dimana Ao merupakan penampang asal.
4.1.6 Creep
Material teknik adalah semua jenis material yang perlu diproses utuk mengubah bentuk dan potensinya menjadi suatu produk yang dapat digunakan dalam teknik keperluan kehidupan orang dan masyarakat
(1)
. Salah satu jenis produk
material teknik digunakan sebagai pipa ketel uap merupakan suatu alat yang dapat menghasilkan tenaga listrik dengan mengubaha energi panas dalam bentuk gas atau uap menjadi energi listrik. Komponen utama yang digunakan merupakan satu kesatuan yang terdiri dari unit ketel uap, turbin dan generator listrik
Bab 4 – Sifat Material
(rotor dan
90
Meterial Teknik
stator). Ketel uap digunakan untk menghasilkan uap yang akan dipakai untuk memutar turbin, dan putaran ini diteruskan ke generator melalui rotor, sehingga menghasilkan tenaga listrik (2). Jadi nampak bahwa ketel uap merupakan salah satu alat yang sangat vital untuk menghasilkan tenaga listrik. Hingga saat ini pembangkit listrik tenaga uap yang ada di Indonesia
rata-rata beroperasi di atas 10 tahun
lamanya, sehingga membutuhkan evaluasi sisa umur. Pada unit ketel uap terdapat beberapa komponen yang tersusun menjadi satu kesatuan dalam bentuk pipa, mulai steam drum, ruang bakar (furnace/burner), superheater dan economezer. Pipa yang ada pada ketel uap merupakan komponen yang sangat vital, karena piapa tersebut digunakan sebagai wadah untuk mengalirkan uap atau cairan keseluruh sistem yang ada dengan suhu operasi berkisaar antara 250 o C hingga , hal ini sangat tergantung pada jenis material teknik yang digunakan. Pipa ketel uap yang digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap umumnya dirancang sedemikian rupa sehingga umurnya diharapkan mencapai 300.000 jam operasi atau sekitar 34 tahun (3,4,7)
.Semua pipa ketel uap dioperasikan pada suhu tinggi dan tentunya harus dalam
kondisi yang aman. Untuk menciptakan suatu keamanan dalam pengoperasian pembangkit listrik, harus dilakukan inspeksi seoptimal mungkin dan berdasarkan pedoman atau batasan-batasan pengoperasian yang telah dibuat atau didisain oleh produsen pembangkit tenaga listrik tersebut. Pipa ketel uap ini bila terinspeksi dengan baik, maka kerusakan yang terjadi dapat diketahui sedini mungkin, dan dengan mudah pipa tersebut dapat diganti sesuai ukuran dan spesifikasi teknisnya. Pipa ketel uap yang beroperasi pada suhu tinggi dalam jangka waktu yang lama dan akibat adanya faktor lingkungan korosif serta tekanan atau teganagn statis maupun dinamis, dapat menyebabkan kerusakan. Jenis-jenis kerusakan tersebut adalah kerusakan akibat creep, thermal fatigue, penipisan ketebalan akibat korosi, korosi retak tegang, korosi erosi, korosi kapitasi, oksidasi , decarburisasi, karburisasi, spherodisasi, dan lain-lain(5).
Pengkajian Sisa Umur dengan Uji Merusak
Pipa pada ketel uap beroperasi pada suhu tinggi dalam kurun waktu yang cukup lama dan sering meledak dan rusak tanpa diketahui dahulu penyebabnya. Ila telah terjasi ledakan atau kerusakan pada salah satu pipa, maka teknik pengkajian sisa umur dengan
Bab 4 – Sifat Material
91
Meterial Teknik
cara merusak dapat dilakuan. Kerusakan akibat suhutinggi dalam kurunwaktu yang cukup lama, tanpa adanya kesalahan pengoperasian, biasanya terjadi akibat pengaruh creep atau mulur (5). Pipa terdeformassi secara kontinu dan perlahan-lahan dalam kurun waktu yang lama, apanila dibebani secara tetap. Laju regangan creep tergantung pada waktu dan suhu serta pembebanan yang konstan. Prosesn kerusakan akibat creepjuga dapat terjadi pada suhu rendah, akan tetapi yang sangat menyolok terjadi pada suhu tinggi atau mendekati suhu cair suatu material. Proses kerusakan creep pada material biasanya terjadi pada suhu tinggi yang berada pada 0.4 sampai 0.5 kali titik cair dalam derajat kerlvin atau biasanya dinyatakan 0.4
÷
0.5 TM dan terjadi akibat adanya peregangan butiran atau struktur pada
suhu tinggi dalam waktu yang lama pada kondisi pembebanan konstan. Ketika menyeleksi material untuk penggunaan pada temperatur tinggi, banyak faktor yang harus dipertimbangkan. Diantaranya adalah biaya, seperti komponen manufaktur, density dari material ketika pengurangan berat diperlukan untuk aplikasi aerospace , ketahanan terhadap lingkungan dibawah kondisi normal dan kemampuan untuk menahan distorsi atau kerusakan selama pemakaian. Kekuatan material pada suhu tinggi akan menurun karena mobilitas atom bertambah dengan cepat apabila suhu naik, maka dapat dipahami bahwa proses yang dikontrol oleh difusi mempunyai pengaruh yang sangat berarti pada sifat mekanik suhu tinggi. Suhu tinggi juga mengakibatkan mobilitas dislokasi yang lebih besar, melalui mekanisme panjat (climb). Konsentrasi kekosongan atom dalam keadaan seimbang juga bertambah besar jika suhu naik, selain itu dengan naiknya suhu akan memungkinkan terjadinya deformasi pada batas butir. Suatu karakteristik penting dari kekuatan material pada suhu tinggi adalah keharusan untuk menyatakan kekuatan tersebut terhadap skala waktu tertentu. Untuk keperluan praktis, dianggap bahwa sifat-sifat tarik sebagian besar logam teknik pada suhu kamar tidak tergantung pada waktu. Akan tetapi pada suhu tinggi, kekuatan bahan sangat tergantung pada laju perubahan regangan dan waktu keberadaan pada suhu tinggi tersebut. Sejumlah logam pada keadaan demikian mempunyai perilaku seperti bahan-bahan viskoelastis . Logam yang diberi beban tarik tetap pada suhu tinggi akan mulur (creep) dan mengalami pertambahan yang tergantung pada waktu. Untuk membuktikan kurva mulur rekayasa suatu logam, maka benda tarik dikenakan beban tetap sedangkan suhu benda uji , regangan ( perpanjangan) yang
Bab 4 – Sifat Material
92
Meterial Teknik
terjadi ditentukan sebagai fungsi waktu. Walaupun prinsip pengukuran ketahanan mulur sangat sederhana, tetapi pada kenyataanya pengukuran tersebut memerlukan peralatan laboratorim yang banyak. Kurva pada gambar 1.2 merupakan bentuk kurva mulur ideal. Kemiringan pada kurva (d ε /dt ) tersebut dinyatakan sebagai laju mulur. Mula-mula benda uji mengalami perpanjangan yang sangat cepat ( ε0), kemudian laju mulur akan turun terhadap waktu hingga mencapai keadaan makin seimbang, dimana laju mulurnya mengalami perubaan yang kecil terhadap waktu. Pada tahap akhir, laju mulur bertambah besar secara cepat hingga terjadi patah. Oleh karena itu, merupakan hal yang wajar bahwa pembahasan kurva mulur ditinjau berdasarkan ketiga tahapan tersebut, yang sangat tergantung pada suhu dan tegangan yang digunakan. Terlihat pada gambar kurva, creep dapat dibagi menjadi tiga tahap. Tahap pertama disebut sebagai primary creep, yaitu tahap dimana benda uji mengalami peningkatan regangan plastis dengan menurunnya laju regangan terhadap waktu. Hal ini terjadi karena adanya pembebanan awal. Laju creep akan berkurang pada akhir tahap ini karena terjadi penyusunan ulang cacat kristal dan merupakan awal dari tahap kedua. Tahap kedua creep atau secondary creep pada dasarnya adalah kondisi kesetimbangan antara mekanisme work hardening dan recovery . Benda uji tetap berada dibawah pembebanan dan tetap bertambah panjang, namun tidak secepat tahap pertama. Tahap ini bergantung pada temperatur dan tingkat pembebanan pada benda uji. Semakin besar beban dan semakin tinggi temperatur, pertambahan panjang dari benda uji akan semakin besar. Tahap akhir dari creep atau tertiary creep adalah pertambahan panjang benda uji secara cepat menuju perpatahan. Tahap ini merupakan hasil dari perubahan metalurgis dalam logam seperti pengkasaran partikel endapan, rekristalisasi atau perubahan difusi yang memungkinkan peningkatan deformasi secara cepat. Dalam tertiary creep terjadi pengurangsn luas penampang akibat adanya necking yang mengakibatkan bertambahnya tegangan dalam beban yang konstan, sehingga menambah peningkatan deformasi. Pada kondisi creep, patah akan terjadi bila creep strain telah mengakibatkan regangan mencapai
ε1
(strain pada saat putus). Karena creep rate akan meningkat
dengan naiknya tegangan dan/atau temperatur, maka umur hidup atau masa kerja
Bab 4 – Sifat Material
9
Meterial Teknik
sampai patah akan menurun bila tegangan dan/atau temperatur dinaikan, seperti terlihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.41 Kurva creep, perubahan regangan terhadap waktu
Metode Evaluasi Sisa Umur
Obyek penelitian adalah salah satu pipa secondary superheate yang terdapat pada unit pembangkit listrik tenaga uap yang telah beroperasi lama, berumur kurang leih 15 tahun. Berdasarkan data yang ada pada unit pembangkit listrik tenaga uap tersebut desain operasinya adalah sebagai berikut ; bahan pipa SA 213 T22, suhu disain 595 o C , tekanan 5 kg/cm 2, diameter luar pipa 57,15 mm, tebal pipa 8,052 mm, jumlah start/stop ketel uap 22 dan pipa dialiri oleh uap kering. Metode penelitian yang dilakuakan untuk mengevaluasi sisa umur adalah dengan teknik uji merusak, hal ini dengan memotong pipa sepanjang 100 cm sebagai sample uji dan berjarak minimal 100 cmdari lokasi tempar terjadinya kebocoran, kemudian dibuat benda uji yang sesuai dengan standart mesin uji creep (gambar 2) dengan jumlah minimal 10 pcs dan pengambilan data yang dibutuhkan adalah suhu, dan beban pengujian. Sebelum pembebanan dilakukan, benda uji harus dipanaskan hingga mencapai suhu konstan selama 24 jam (sesuai standart ASTM E139-70), kurva yang dihasilkan dari pengujian ini adalah kura regangan ( ε ) vs waktu pengujian(t).
Bab 4 – Sifat Material
94
Meterial Teknik
Gambar 4.42 Alat Uji Creep
Dari hasil pengujian creep, selanjutnya digunakan untuk menghitung sisa umur pipa yang masih terpasang pada pada ketel uap, karena sebenarnya pipa yang diuji pada awalnya bersamaan dipasang dengan pipa yang belum dipotong atau meledak, hanya saja karena faktor pemanasan yang tidak merata atau proses pengoperasian ketel uap yang kurang sempurnadan seringnya terjadi start-stop mengakibatkan salah satu atau beberapa dari pipa meledak/bocor sebelum mencapai umur disain dari pipa tersebut. Untuk memprediksi sisa umur pipa, salah satu cara yang terbaik atau yang sering digunakan adalah dengan menggunakan persamaan “Larson-Miller Parametr (LMP)”. Dari persamaan ini dapat dengan mudah menghitung sisa umur pakai pipa, melalui kurva mster LMP vs log
(tegangan). Khusus untuk baja feritik, bentuk
persamaannya adalah:
LMP = (T o C + 273)(20 + log t )10 −3 τ
Persamaan Larson-Miller parameter dikembangkan berdasarkan penjabaran lebih lanjut dari persamaan laju tipe Arthenius (4,5), yang menyatkan bahwa creep merupakan proses aktivasi tunggal yang terjadi pada suhu antara 0.4
ε S
Bab 4 – Sifat Material
= Ae
−
÷ 0.5
TM, yaitu :
Q
RT
9
