Telaahan Staff Pln - Analisa Kegagalan an Pada High Pressure Main Stop Valve Unit 2

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN

PT. PLN (PERSERO) UNIT PEMBANGKITAN TANJUNG JATI

TELAAHAN STAF

NAMA

: MUHAMMAD ARIF SUSETYO, ST

No. Test

: BD / PE / 0264

PROJECT MANAGEMENT GROUP Proyeksi Jabatan :

Assisstant Engineer Operasi Pembangunan Proyek Mechanical engineering

Judul

: ANALISA KEGAGALAN PENGELASAN PADA HIGH PRESSURE MAIN STOP VALVE UNIT 2

TAHUN 2008 1


Daftar Isi LEMBAR PENGESAHAN ..................................................... ..................................................... Error! Bookmark not defined. KATA PENGANTAR .......................................................... ............................................................. ... Error! Bookmark not defined. Daftar Isi ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ............................................. ....................... 2 Daftar Gambar ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................ .................................. ............ 3 Daftar Tabel ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................ ...................................... ................3 BAB 1 PENDAHULUAN .................................. ....................................................... ..................... Error! Bookmark not defined. 1.1.

Latar Belakang .......................................................... .......................................................... Error! Bookmark not defined.

1.2.

Tujuan Penulisan ......................................... ............................................................... ............................................. .......................................... ...................1

1.3.

Batasan Masalah.............................................. .................................................................... ............................................ ...................................... ................1

BAB 2 PERMASALAHAN .......................................... ................................................................ ............................................ ...................................... ................ 2 2.1.

Kasus kegagalan sambungan Main Stop Valve Unit 2 ........................................ ............................................... ....... 2

BAB 3 PRA ANGGAPAN ............................................ .................................................................. ............................................ ...................................... ................ 3 3.1.

Pra-Anggapan penyebab kegagalan sambungan MSV unit 2 ................................. ..................................... .... 4

BAB 4 LANDASAN TEORI......................................... TEORI............................................................... ............................................ ...................................... ................ 5 4.1.

Creep ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................ .................................. ............ 5

4.2.

Difusi karbon pada sambungan material P22 dan P91............................................ ................................................ .... 8

BAB 5 PEMBAHASAN ................................. ....................................................... ............................................. .............................................. ............................ ..... 12 5.1.

Existing Design (Unit 1 & 2) ........................................................ .............................................................................. ............................ ...... 12

5.2.

Modified Design (Unit 3 & 4) ................................... ................................... Error! Bookmark not defined.

BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................... ............................................................................. ............................ ...... 19 6.1.

Kesimpulan .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................. ......................... .. 19

6.2.

Saran .......................................... ................................................................ ................................ .......... Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA ............................................. ................................................................... ............................................ ........................................... .....................20

2


Daftar Gambar Gambar 2.1 Contoh pengelasan ..................................... ........................................................... ............................................ ...................................... ................ 4 Gambar 4.1 Proses Fit Up .......................................... ........................................................ .............. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.2 Grafik Mesin Perlakuan Panas ............................. ............................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.3 Spesifikasi Pipa dan Welder ................................ ................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.4 Proses Pengelasan Pipa .............................. ........................................ .......... Error! Bookmark not defined. Gambar 4.5 Penampang Lintang Hasil Pengelasan Pengelasan ................. ................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.6 Proses Pemasangan Insulasi ................................. ................................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.7 Posisi Pemasangan Pemasangan Thermocouple....................... ....................... Error! Bookmark not defined. Gambar 4.8 Sketsa Grafik PWHT ........................................... ........................................... Error! Bookmark not defined.

Daftar Tabel Error! Bookmark Tabel 3-1 Welding Procedure Specification (WPS) untuk Pipa Feed water Error! not defined.

Tabel 3-2 Welding Procedure Specification (WPS) untuk Pipa Downcomer ..................Error! Bookmark not defined.

Tabel 4-1 PW-39 ASME SECTION 1 ..................................... ..................................... Error! Bookmark not defined. Tabel 4-2 ASME B 3.11 132 ................................................ ................................................... ... Error! Bookmark not defined.

3


LEMBAR PENGESAHAN

Nama

: Muhammad Arif Susetyo

No. Test

: BD/PE/0264

Proyeksi Jabatan

: Assistant Engineering Construction

Menyetujui:

Jepara, 19 Juli 2010

Mentor Coordinator Project Management Group

Agung Wahyudi

Peserta On the Job Training

Muhammad Arif Susetyo

Mengetahui: Manager SDM PT. PLN (Persero) KIT TJB

General Manager PT. PLN TJB

4


Surya Fitriadi

Basuki Siswanto

5


Kata Pengantar

6


Abstrak

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

PLTU Tanjug Jati B marupakan salah satu pembangkit listrik yang menyuplai listrik kepada sistem interkoneksi interkoneksi Jawa Bali yang yang dimiliki oleh PT PLN.

Pembangkit listrik ini

menggunakan menggunakan siklus uap dengan batu batu bara sebagai bahan bakarnya. bakarnya. Dari total 4 unit yang akan dioperasikan, 2 unit telah beroperasi sejak tahun 2005, dan menyuplai tenaga listrik netto maksimal 2x660 2x660 MW. Pembangkit listrik ini dibangun oleh oleh Sumitomo Corporation, Corporation, dimiliki oleh PT Central Java Power, dan dioperasikan oleh PT Tanjung Jati B Power Service.

Posisi PLN pada pembangkit ini adalah sebagai penyewa, yang akan menjadi

pemilik, setelah 21 tahun sejak pembangkit beroperasi secara Komersil.

Pembangkit listrik ini temasuk salah satu pembangkit berkualitas tinggi dan ramah lingkungan, karena menggunakan Flue Gas Desulfurization Unit sebagai pengurang polusi gas buang. Namun, terdapat beberapa masalah yang menggangu operasi pembangkit. Salah satu masalah yang terjadi adalah kegagalan sambungan antara Main Steam Pipe, dan Main Stop Valve (MSV) pada unit 2, pada 5 april 2008 yang menyebabkan shutdown demi

dilakukannya dilakukannya perbaikan. Terdapat 2 MSV pada pada tiap unit yang bekerja bekerja secara paralel, dan dan sambungan MSV yang mengalami kegagalan pada unit 2 adalah sisi kanan dengan kode sambungan MS 21.

Gambar dibawah menunjukkan skema Main Steam Pipe yang

bersangkutan, bersangkutan, dan MSV yang terpengaruh. t erpengaruh.

7


Sambungan MSV gagal

Gambar 1.1 Skema Main Steam Pipe dan Main Stop Valve

Telah dilakukan telaahan yang dilakukan oleh pihak departemen Metalurgin dan Material Institut Teknologi bandung dengan peneliti Slameto Wiryolukito dan Angga Fitrananta P yang menyimpulkan bahwa kegagalan terjadi karena fenomena Creep. Telaahan staff ini dibuat untuk mengetahui penyebab Creep yangseharusnya tidak terjadi. 1.2

Tujuan Penulisan

-Mengkaji kegagalan Creep pada Main Stop Valve unit 2 -Memastikan bahwa hal seperti ini tidak terjadi lagi di unit 3 dan 4 yang sedang dalam tahap konstruski. 1.3

Batasan Masalah

Terdapat banyak banyak sambungan sambungan las pada Pembangkit Pembangkit Listrik. Untuk itu, pengkajian pengkajian dibatasi pada sambungan las pada inlet Main Stop Valve Unit 2 (sambungan MS 21 dan MS 23), dan sambungan inlet MSV pada unit 3 dan 4 yang sedang dalam tahap konstruksi.

8


BAB 2 PERMASALAHAN 2.1 Kasus kegagalan sambungan Main Stop Valve Unit 2

Kasus yang diangkat pada telaahan staf ini adalah kegagalan pada Unit 2 PLTU Tanjung Jati B, pada tanggal tanggal 5 April 2008. Kegagalan berupa berupa keretakan pada sambungan sambungan Main Steam Pipe (Material 9Cr1-MoV) dan Main Stop Valve (Material 1.25Cr-1Mo) dengan kode

pengelasan pengelasan MS 21. Saluran ini dilewati dilewati oleh uap air superheated dengan Tekanan 166 Bar o

Gauge, Temperatur 538 C. Retak terjadi pada fusion line antara filler metal (Material 2.25Cr1Mo)

dan pipa pada 70% sambungan bagian bawah.

Analisis kegagalan yang

dilakukan oleh ITB (peneliti Slameto Wiryolukito dan Angga Fitrananta P) menyimpulkan bahwa kegagalan terjadi karena fenomena Creep.

Lokasi Crack

Lokasi Crack

Gambar 0.1 Lokasi kegagalan

9


BAB 3 PRA - ANGGAPAN 3.1 Pra Anggapan penyebab kegagalan sambungan MSV unit 2 Main Stop Valve

`

Filler Metal

1,25 Cr-1Mo (P11)

2,25 Cr-1Mo (P22) Lokasi Crack Main Steam Pipe 9 Cr-1Mo (P91)

Gambar 3.2 Material-material berbeda pada sambungan

Material yang digunakan pada sambungan adalah sebagai Berikut : Main Stop Valve

: SA 335 P 11

Filler Metal

: SA 335 P 22

Main Steam Pipe

: SA 335 P 91

Penjelasan Kode Material : SA 335

: Material Untuk High Temperature Service

P 11

: Menunjukkan fraksi Cr sebesar 1,25

P 22


P 91

: Menunjukkan fraksi Cr sebesar 9

Berdasarkan teori, terdapat fenomena metalurgi yang bisa mengurangi kekuatan sambungan, yaitu Carbon Diffusion dari material dengan kandungan Cr lebih rendah 10


kepada material material dengan kandungan kandungan Cr yang lebih tinggi. Fenomena ini terjadi karena penyambungan material yang mempunyai kadar Cr berbeda, dan temperatur operasi diatas 500 500 Celcius. Celcius. Fusion line antara antara Filler Metal dan Main Steam Pipe mengalami temperatur operasi 538 Celcius, dan merupakan fusi Material SA 335 P22 dengan fraksi Cr 2,25, dan dan Material SA 335 P 91 dengan Fraksi Fraksi Cr 9. Spesifikasi welding dan parameter operasi ini mendukung untuk terjadinya fenomena carbon diffusion. Hal ini akan menyebabkan tejadi Carbon Depletion pada Fusion Line, yang akan mengurangi yield strength sambungan. Praduga kegagalan sambungan mengarah kepada fenomena Carbon Diffusion yang menurunkan Yield Strength sambungan hingga terjadi Creep.

11


BAB 4 LANDASAN TEORI

Terdapat dua fenomena yang terjadi pada kegagalan penyambungan penyambungan pada Main Steam Valve unit 2, yaitu Creep, dan Carbon Diffusion. Diffusion.

4.1 Creep

Creep, atau mulur adalah fenomena perpanjangan material yang bisa berakhir dengan kegagalan material material atau tidak. Fenomena ini disebabkan disebabkan oleh pembebanan pembebanan statik pada temperatur tinggi.

Biasanya, creep adalah fenomena yang tidak diinginkan, dan

sering manjadi manjadi faktor penghambat penghambat umur operasi alat. Creep terjadi pada semua semua jenis material. Namun pada metal, creep hanya teradi pada temperatur temperatur diatas 0.4 kali Temperatur Leleh Leleh Absolut. Material Amorphous, Amorphous, seperti plastik dan karet sangat sangat sensitif terhadap Creep.

Perilaku Creep

Perilaku creep bisa dimodelkan dimodelkan melalui creep test, dimana spesimen spesimen diberikan beban, beban, dan dipanaskan sampai temperatur yang diinginkan. Deformasi dan perpanjangan lalu diukur, dan di-plot sebaai fungsi dari waktu.

Gambar 4.1 Tahap-tahap peregangan pada fenomena Creep

12


Diagram Strain vs Waktu yang dikarenakan pembebanan konstan dan temperatur yang dinaikkan

Mekanisme Creep berdasarkan creep test terjadi atas beberapa tahap: Tahap 0 : Perpanjangan Elastis (ε0) : Merupakan perpanjangan elastis yang terjadi

karena pembebanan awal.

Tahap 1, Primary/Transient Creep : Terjadi pada awal fenomena creep, dan

ditandai dengan menurunnya laju pertambahan creep seiring dengan berjalannya waktu. Hal ini menunjukan menunjukan bahwa material menahan lajunya lajunya creep karena karena terjadi strain hardening. hardening.

Strain hardening hardening adalah adalah pengerasan pengerasan material material karena deformasi

plastis yang dikarenakan bertambahnya bertambahnya dislokasi dislokasi pada material. material. Hal ini menaikkan kekerasan material, dan menyebabkan deformasi semakin sulit terjadi.

Tahap 2, Secondary/Steady State Creep : ditandai dengan laju creep yang konstan.

Seringkali, ini adalah proses creep dengan durasi paling lama dari fenomena creep. Fenomena ini bisa dijelaskan karena terjadi keseimbangan antara strain hardening, dan recovery. Recovery adalah pelepasan tegangan sisa yang diakibatkan oleh deformasi plastis. Hal ini bisa terjadi karena temperatur tinggi yang dialami material akan membantu membantu difusi atomik, sehingga terjadi pengurangan pengurangan jumlah dislokasi. Dalam secondary creep, terdapat keseimbangan antara kenaikan kekerasan material akibat Strain Hardening dengan melunaknya material akibat Recovery.

Tahap 3, Tertiary Creep & Rupture : Merupakan tahap akhir dalam fenomena

creep, dimana terjadi terjadi kenaikan kenaikan laju mulur, sampai terjadinya rupture. rupture.

Hal ini

dikarenakan perubahan mikrostruktur dan metalurgi, seperti grain boundary separation, crack, cavity, cavity, dan void. void.

Tahap ini biasanya berakhir dengan dengan rupture

material.

13


Gambar 4.2 Hasil SEM dari sampel sa mpel yang patah karena Creep

Gambar 4.3 Rekonstruksi posisi Pori yang terjadi karena Creep

Gambar dibawah menunjukkan SEM material sama yang baru mengalami Post Weld Heat Treatment (PWHT), dan daerah yang sama setelah mengalami creep dalam temperatur 600 C selama 14000 14000 Jam. Jumlah kepadatan kepadatan presipitat berkurang selama selama

14


terjadinya creep, creep, terjadi void, dan diameter rata-rata presipitat presipitat meningkat. Kedua hal ini mengakibatkan berkurangnya kekuatan material pada daerah HAZ.

Gambar 4.4 Contoh Material yang terkena Creep

a.

Setelah Post Weld Heat Treatment

o

b. Setelah 14000 jam @ 600 C

4.2 Carbon Diffusion pada fusion Line material P22 dan P91

Baja ferritic berperan penting dalam konstruksi konstruksi PLTU, dan digunakan digunakan dalam banyak aplikasi lainnya yang membutuhkan kekuatan, dan dioperasikan dalam temperatur tinggi.

Namun, sambungan sambungan las antara Baja Baja Ferritic dengan tipe berbeda berbeda bisa bisa

menyebabkan menyebabkan kegagalan, kegagalan, yang bisa mengganggu mengganggu Operasi Operasi PLTU.

Ketidakstabilan

Mikrostruktur dan redistribusi elemen pada dissimilar joint antara material 9Cr-1Mo (P91), dan 2.25Cr-1Mo(P22) yang dikarenakan perilaku PWHT, dan temperatur operasi bisa menyebabkan penurunan kekuatan material yang tidak diinginkan. Kondisi ini telah dipelajari dengan menggunakan menggunakan Mikroskop Optik, dan Elektron, dan fenomena

mikromekanik

yang bertanggungjawab bertanggungjawab

atas

penurunan kualitas

mikrostruktur bisa dijelaskan.

Percobaan dilakukan pada sambungan P91 dan P22, yang dipaparkan pada temperatur 1023 K dalam waktu yang yang berbeda-beda. Setelah perlakuan panas panas tersebut ditemukan bahwa terjadi Daerah keras keras getas dengan dengan karakter sebagai sebagai berikut : (1) Kekerasan Kekerasan yang tinggi dibanding daerah yang lain (>270VHN), dan (2) Kandungan karbon yang tinggi pada daerah daerah dengan alloy tinggi (P91). Selain itu, juga terdapat terdapat daerah lunak 15


dengan karakteristik sebagai berikut: (1)kekeranan rendah (<120 VHN), dan struktur feritik yang hampir hampir tidak mempunyai mempunyai karbida pada pada sisi alloy rendah rendah (P22). Kedua zona ini akan melebar, seiring dengan berlanjutnya perlakuan panas yang diterima. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi difusi Karbon dari material dengan Kandungan Cr kecil (P22), menuju material dengan kandungan Cr besar (P 91).

Gambar 4.5 Mikrografi dan profil kekerasan pada sambungan antara daerah keras P91 (A), dan daerah lunak P22 (B)

Difusi Unsur C menuju daerah Cr Banyak akan membentuk Karbida Chromium, yang menaikkan kekerasan daerah tersebut. tersebut.

Sedangkan, di daerah lunak lunak hampir tidak

terdapat karbida, dan hanya mengandung sedikit presipitat M2C dan M6C. Berdasarkan pengertian dari fenomena atomik yang terjadi pada sambungan material diatas, maka terdapat 3 metode yang bisa mencegah terjadinya pelemahan material, yaitu : 1. Penggunaan Penggunaan Interlayer yang berfungsi sebagai diffusion barrier bagi karbon 2. Menyambung baja ferritic dengan filler metal dengan konsentrasi Cr diantara. 3. Mengubah komposisi base metal untuk mengurangi aktivitas difusi. 16


Salah satu solusi yang dirasa efektif untuk mencegah terjadinya difusi karbon adalah dengan menggunakan Sambungan Transisi atau Filler metal berbahan dasar Nickel. Material berbahan dasar Nickel dirasa sesuai untuk aplikasi ini, karena sifat tolak menolak antara nickel nickel dan Karbon,

kompatibilitas penyambungan penyambungan dengan Baja

Farritic, dan mempunyai sifat-sifat thermal yang sesuai. Telah dilakukan penelitian, dimana dilakukan penyambungan antara material P91 dan P22 dengan penghubung berbahan Inconel 182.

Sambungan ini lalu dipaparkan

kepada perlakuan panas yang sama dengan sambungan pertama. Pengecekan dengan mikrografi optis menunjukkan bahwa tidak terjadi perubahan mikrostruktur pada sambungan dan dan daerah sekitarnya. sekitarnya. Diambil kesimpulan bahwa sambungan sambungan berbahan berbahan dasar Nickel efektif dalam mencegah terbentuknya daerah keras dan lunak pada baja ferritic.

Gambar 4.6 Mikrografi yang menunjukkan distribusi kekerasan sambungan P91 dan P22 yang telah diberikan Interlayer Nickel

Hasil mikrografi menujukkan tidak adanya daerah keras dan lunak pada transisi antara material P22 dan P91 dengan menggunakan sambungan material berbahan dasar Nikel 4.2.1 Penyebab terbentuk daerah Keras dan Lunak

Ketika material Cr-Mo dengan kadar berbeda disambung dan dipaparkan temperatur tinggi, maka Carbon akan berdifusi dari daerah dengan kadar Cr rendah menuju ke 17


daerah dengan dengan kadar kadar Cr tinggi. Persamaan berikut menjelaskan menjelaskan hubungan hubungan antara Cr

aktivitas karbon (a c), konsentrasi C r, CCr, dan parameter interaksi antara Cr dan C,ε C

Berdasarkan persamaan persamaan diatas, karena Chromium mengalami interaksi negatif dengan Carbon (εCCr=-72), kenaikan kandungan Cr akan mengakibatkan penurunan aktivitas Karbon. Perbedaan aktivitas aktivitas karbon antara antara metal dengan dengan Cr tinggi dan rendah ini adalah penyebab terjadinya difusi Karbon.

4.2.2 Pertimbangan Mekanis dari pembentukan fasa Austenite

Perbedaan aktivitas karbon antara material dengan kandungan Cr tinggi dan rendah menyebabkan menyebabkan difusi karbon pada sambungan. sambungan. Perpindahan Carbon Carbon menuju baja 9Cr1Mo meningkatkan kadar Carbon di daerah ini jauh diatar kemampuan pelarutan material P91.

Hal ini menyebabka menyebabkan n terbentuknya terbentuknya fasa karbida yang yang kaya akan

Cromium, yang membuat membuat daerah ini menjadi keras dan getas. getas. Karbida yang terdapat terdapat pada daerah P22 terlarut menuju P91, dan terbentuk fasa Bainite dan Ferrite pada daerah tersebut. Hal ini menyebabkan menyebabkan terbentuknya daerah daerah lunak berkekuatan rendah rendah pada daerah dengan kandungan Cr kecil. Seiting dengan terpaparnya material dengan temperatur tinggi (temperatur operasi), maka difusi karbon akan terus terjadi, dan daerah keras/lunak ini akan terus melebar sampai titik tertentu. Hal ini dikarenakan : (1) penurunan selisih aktivitas pada kedua sisi(2) berkurangnya kadar Cr pada P22, dan rencahnya kadar Karbon pada P22.

18


.

Gambar 4.7 Skema formasi daerah keras dan lunak pada sa mbungan

19


BAB 5 PEMBAHASAN 5.1 Existing Design (Unit 1 & 2) 5.1.1 Data Kekerasan

Gambar 5.1 Titik-titik pengambilan hardness test

Joint No.

Position

0°

Point

Hardness (HB)

A

191

B

189

C

194

D

188

E

184

A

195

B

190

C

189

MS-21 MSP & MSV (R)

90°

20


D

187

E

185

Tabel 5.1 Data hardness test sambungan

Kekerasan dari material sambungan yang mengalami kegagalan sesuai dengan standar ASTM A335 untuk material P91, yaitu tidak melebihi 250 HB / 265 HV / 25 HRC. Data menunjukkan kekerasan sesuai, yaitu pada kisaran 190 Brinnel Hardness scale. Namun, tes ini tidak dapat mendeteksi adanya soft xone dan hard zone, karena zona tersebut mempunyai lebar yang yang sangat sempit (300 (300 mikrometer). mikrometer).

Sedangkan, Sedangkan,

indentansi yang terbentuk untuk mengukur kekerasan jauh lebih besar dari angka tersebut.

21


5.1.2 Kondisi Creep

Dilakukan penelitian menganai Struktur mikro daerah sambungan, pada 4 sudut, yaitu o

o

o

o

0 , 90 , 180 , dan 270 seperti gambar dibawah.

Gambar 5.2 Lokasi pengambilan Boat Sampling

Dari penelitian struktur mikro yang dilakukan oleh ITB, terdapat bukti terjadi creep, yang ditandai dengan terdapatnya creep void seperti yang ditunjukkan pada gambar o

dibawah (Lokasi 270 ). Lokasi Lainnya terdapat pada lampiran :

22


Gambar 5.3 Gambar Makro dari Boat Sampling

Gambar 5.4 Bukti terjadinya Creep Damage pada Boat Sa mple

23


5.1.3 Buttering method

Pihak Kontraktor (Toshiba) melakukan penambahan filler metal pada sambungan las Buttering Layer ). ( Buttering ).

Modifikasi ini ditujukan ditujukan untuk menurunkan stress maksimal

sambungan dari 8.53 kg/mm2 menjadi 4.31 kg/mm2, sehingga didapat umur Creep naik dari 2,22 2,22 Tahun menjadi menjadi 50+ tahun. tahun. Hal ini dirasa cukup, cukup, mengingat mengingat asumsi pengoperasian pengoperasian PLTU adalah 30 tahun. Namun karena material dan temperatur operasi tidak berubah, maka fenomena carbon diffusion tetap terjadi, dan efek penurunan yield strength pada fusion line P22 dan P91 tetap terjadi.

Buttering Layer

Gambar 5.4 Skema Perbaikan yang dlakukan kepada unit 2

24


Gambar 5.5 Perbaikan yang dlakukan kepada sambungan MSV unit 2

25


Gambar 5.6 Evaluasi Nilai Creep Baru pada sambungan Buttering

5.2 Modified Design MSV (unit 3 dan 4).

Pihak Kontraktor telah melakukan perubahan desain pengelasan pada MSV untuk unit 3 dan 4. Perubahan itu adalah sebagai berikut : -Material MSV diubah dari 1,25Cr-1Mo, menjadi 9Cr-1Mo (A182 Gr. F91) -Material filler metal diubah dari 2,25 Cr-1Mo menjadi 9Cr-1Mo Root : GTAW ER 905 G (TGS-9Cb) Filler : E 9016 G (CM – (CM – 9 9 Cb) -Tidak ada perbedaan diameter luar dari interface joint pipa dan MSV. Perubahan telah dilakukan oleh pihak kontraktor, yaitu menyeragamkan komposisi material antara Pipa, Pipa, filler metal, dan MSV. Hal ini ditujukan untuk menyeraga menyeragamkan mkan kandungan Chromium, yang menghilangkan gradien aktivitas karbon antara ketiga 26


material, sehingga sehingga karbon karbon tidak terpicu untuk untuk melakukan melakukan perpindahan. perpindahan.

Dengan

dilakukan hal ini, maka struktur mikro sambungan akan lebih stabil, dan kekuatan sambungan akan seragam. seragam.

Hal ini akan akan menghilangkan menghilangkan efek carbon diffusion, diffusion,

sehingga mengurangi kemungkinan fenomena creep yang disebabkan penurunan tensile strength dari material. material.

Bisa diambil kesimpulan kesimpulan bahwa kemungkinan

kegagalan pada sambungan jenis ini lebih rendah dibanding dengan proses penyambungan yang dilakukan pada tahun 2005.

Gambar 5.6 Detail Sambungan MSV dan Pipa pada Unit 3

27


Gambar 5.7 Hasil Pengelasan Inlet MSV Unit 3 sisi kanan (Sebelum kampuh digerinda)

28


Gambar 5.8 Hasil Pengelasan Inlet MSV Unit 3 sisi kiri (Sebelum kampuh digerinda)

29


BAB 6 KESIMPULAN & SARAN 6.1 Kesimpulan

Existing Design (Unit 1 & 2) Berdasarkan data lapangan dan teori, bisa disimpulkan bahwa desain pengelasan yang tidak sesuai dengan material dan parameter operasi merupakan penyebab dari kegagalan sambungan sambungan MSV unit 2. Alur kegagalan sambungan adalah sebagai berikut: 1. Material P91 dan P 11 disambung menggunakan menggunakan Filler P22 o

2. Sambungan Sambungan terpapar Stress Str ess tinggi dan Temperatur Tinggi (>500 C) 3. Terjadi perbedaan aktivitas Karbon Antara material P11, P22, dan P91. Selisih pada P91 dan P22 cukup besar untuk terjadinya difusi Karbon yang signifikan. 4. Difusi Karbon menyebabkan Daerah Keras dan lunak, yang memperlemah sambungan. 5. Terjadi Creep dan terbentuk Creep voids di daerah lunak Sambungan. 6. Creep Voids cukup banyak untuk bergabung (Creep void linking), dan terjadi kegagalan pada sambungan. 6.2 Saran

Perlu dilakukan kajian mendalam mengenai sambungan sambungan MSV unit 1 dan 2, mengingat proses difusi difusi karbon tetap terjadi.

Kajian ini bias dilakukan dilakukan ketika Unit sedang

mengalami Shutdown rutin untuk keperluan Maintenance.

30


DAFTAR PUSTAKA

1. Callister Jr, William D. 2003. Materials Science and engineering an introduction. ISBN 9812-53-053-5 2. Classroom Training Handbook. Handbook.

International Welding Engineer Engineer and and International International

Welding Technologist. 3. Dr. M. Vijayalakshmi, Microchemical and Microstructural Variations across Dissimilar Joints, American Welding Society Research of the Year 2006. 4. www.Wikipedia.com

31


LAMPIRAN

32


I.

Latar Belakang dan Rumusan Masalah

Latar belakang dari telaahan staf ini adalah kasus kegagalan pada Unit 2 PLTU Tanjung Jati Jati B, pada pada tanggal tanggal 5 April 2008.

Kegagalan berupa keretakan keretakan pada pada

sambungan Main Steam Pipe (Material 9Cr1-MoV) dan Main Stop Valve (Material 1.25Cr-1Mo) dengan kode pengelasan pengelasan MS 21.

Saluran ini dilewati oleh uap air o

superheated dengan Tekanan 166 Bar Gauge, Temperatur 538 C. Retak terjadi

pada fusion line antara filler metal sambungan bagian bawah. bawah.

(Material 2.25Cr1Mo)

dan pipa pada 70%

Analisis kegagalan kegagalan yang dilakukan oleh ITB (peneliti

33


Slameto Wiryolukito dan Angga Fitrananta P) menyimpulkan bahwa kegagalan terjadi karena fenomena Creep.

Lokasi Crack

II.

Lokasi Crack

Cakupan dan Tujuan Analisa

Mengacu kepada analisa dari ITB yang menyatakan bahwa kegagalan disababkan oleh fenomena Creep, maka diduga permasalahan tedapat pada desain pengelasan. Tujuan dari telaahan telaahan staf adalah untuk mengkaji mengkaji ulang desain pengelasan pengelasan pada Main Stop Valve unit 3 dan 4 yang sedang pada pada tahap konstruksi untuk memastikan bahwa hal seperti seperti ini tidak terjadi lagi. Apabila diperlukan, diperlukan, maka maka failure analysis lanjutan juga dilakukan, mengingat bagian ini beroperasi pada Temperatur dan Tekanan tertinggi pada pembangkit. Semua ini dilakukan agar memastikan kegagalan pengelasan pengelasan pada unit 2 tidak terulang kembali.

34


III.

Praduga Penyebab kegagalan pipa

`Main Stop Valve 1,25 Cr-1Mo

Filler Metal 2,25 Cr-1Mo Lokasi Crack Main Steam Pipe 9 Cr-1Mo

35


Material yang digunakan pada sambungan adalah sebagai Berikut : Main Stop Valve

: SA 335 P 11

Filler Metal

: SA 335 P 22

Main Steam Pipe

: SA 335 P 91

Penjelasan Kode Material : SA 335

: Material Untuk High Temperature Service

P 11


P 22


P 91

: Menunjukkan fraksi Cr sebesar 9

Berdasarkan teori, terdapat fenomena metalurgi yang bisa mengurangi kekuatan sambungan, yaitu Carbon Diffusion dari material dengan kandungan Cr lebih rendah kepada material material dengan kandungan kandungan Cr yang lebih tinggi. Fenomena ini terjadi karena penyambungan material yang mempunyai kadar Cr berbeda, dan temperatur operasi diatas 500 500 Celcius. Celcius. Fusion line antara antara Filler Metal dan Main Steam Pipe mengalami temperatur operasi 538 Celcius, dan merupakan fusi Material SA 335 P22 dengan fraksi Cr 2,25, dan dan Material SA 335 P 91 dengan Fraksi Fraksi Cr 9. Spesifikasi welding welding dan parameter operasi ini mendukung untuk terjadinya fenomena carbon diffusion. Hal ini akan menyebabkan tejadi Carbon Depletion pada Fusion Line, yang akan mengurangi yield strength sambungan. Praduga kegagalan sambungan mengarah kepada fenomena Carbon Diffusion yang menurunkan Yield Strength sambungan hingga terjadi Creep.

IV.

Dasar Teori

36


Terdapat dua fenomena yang terjadi pada kegagalan penyambungan penyambungan pada Main Steam Valve unit 2, yaitu Creep, dan Carbon Diffusion. Diffusion.

6

Creep

Creep, atau mulur adalah fenomena perpanjangan material yang bisa berakhir dengan kegagalan material material atau tidak. Fenomena ini disebabkan disebabkan oleh pembebanan pembebanan statik pada temperatur tinggi.

Biasanya, creep adalah fenomena yang tidak diinginkan, dan

sering manjadi manjadi faktor penghambat umur operasi operasi alat. Creep terjadi pada semua semua jenis material. Namun pada metal, creep hanya teradi pada temperatur temperatur diatas 0.4 kali kali Temperatur Leleh Leleh Absolut. Material Amorphous, Amorphous, seperti plastik dan karet sangat sangat sensitif terhadap Creep.

Perilaku Creep

Perilaku creep bisa dimodelkan dimodelkan melalui creep test, dimana spesimen spesimen diberikan beban, dan dipanaskan sampai temperatur yang diinginkan. Deformasi dan perpanjangan lalu diukur, dan di-plot sebaai fungsi dari waktu.

Diagram Strain vs Waktu yang dikarenakan pembebanan konstan dan temperatur yang dinaikkan

Mekanisme Creep berdasarkan creep test terjadi atas beberapa tahap: 37


Tahap 0 : Perpanjangan Elastis (ε0) (ε 0) : Merupakan perpanjangan elastis yang terjadi

karena pembebanan awal.

Tahap 1, Primary/Transient Creep : Terjadi pada awal fenomena creep, dan

ditandai dengan menurunnya laju pertambahan creep seiring dengan berjalannya waktu. Hal ini menunjukan menunjukan bahwa material menahan lajunya creep karena terjadi strain hardening. hardening.

Strain hardening hardening adalah adalah pengerasan pengerasan material material karena deformasi

plastis yang dikarenakan bertambahnya bertambahnya dislokasi dislokasi pada material. material. Hal ini menaikkan kekerasan material, dan menyebabkan deformasi semakin sulit terjadi.

Tahap 2, Secondary/Steady State Creep : ditandai dengan laju creep yang konstan.

Seringkali, ini adalah proses creep dengan durasi paling lama dari fenomena creep. Fenomena ini bisa dijelaskan karena terjadi keseimbangan antara strain hardening, dan recovery. Recovery adalah pelepasan tegangan sisa yang diakibatkan oleh deformasi plastis. Hal ini bisa terjadi karena temperatur tinggi yang dialami material akan membantu membantu difusi atomik, sehingga terjadi pengurangan pengurangan jumlah dislokasi. Dalam secondary creep, terdapat keseimbangan antara kenaikan kekerasan material akibat Strain Hardening dengan melunaknya material akibat Recovery.

Tahap 3, Tertiary Creep & Rupture : Merupakan tahap akhir dalam fenomena

creep, dimana terjadi terjadi kenaikan kenaikan laju mulur, sampai sampai terjadinya rupture.

Hal ini

dikarenakan perubahan mikrostruktur dan metalurgi, seperti grain boundary separation, crack, cavity, cavity, dan void. void.

Tahap ini biasanya berakhir dengan dengan rupture

material.

38


Gambar SEM dari sampel yang patah karena Creep

Rekonstruksi posisi Pori yang terjadi karena Creep

Gambar dibawah menunjukkan SEM material sama yang baru mengalami Post Weld Heat Treatment (PWHT), dan daerah yang sama setelah mengalami creep dalam temperatur 600 C selama selama 14000 Jam. Jumlah kepadatan kepadatan presipitat berkurang berkurang selama

39


terjadinya creep, creep, terjadi void, dan diameter rata-rata presipitat presipitat meningkat. Kedua hal ini mengakibatkan berkurangnya kekuatan material pada daerah HAZ.

Setelah PWHT

7

Setelah 14000 jam @ 600 C

Carbon Diffusion pada fusion Line material P22 dan P91

Baja ferritic berperan penting dalam konstruksi PLTU, PLTU, dan digunakan digunakan dalam banyak banyak aplikasi lainnya yang membutuhkan kekuatan, dan dioperasikan dalam temperatur tinggi.

Namun, sambungan sambungan las antara Baja Baja Ferritic dengan tipe berbeda berbeda bisa bisa

menyebabkan kegagalan, yang bisa mengganggu Operasi PLTU.

Ketidakstabilan Ketidakst abilan

Mikrostruktur dan redistribusi elemen pada dissimilar joint antara material 9Cr-1Mo (P91), dan 2.25Cr-1Mo(P22) yang dikarenakan perilaku PWHT, dan temperatur operasi bisa menyebabkan penurunan kekuatan material yang tidak diinginkan. Kondisi ini telah t elah dipelajari dengan menggunakan menggunakan Mikroskop Optik, dan Elektron, dan fenomena

mikromekanik

yang bertanggungjawab atas

penurunan kualitas

mikrostruktur bisa dijelaskan.

Percobaan dilakukan pada sambungan P91 dan P22, yang dipaparkan pada temperatur 1023 K dalam waktu yang yang berbeda-beda. Setelah perlakuan panas panas tersebut ditemukan bahwa terjadi Daerah keras keras getas dengan dengan karakter sebagai sebagai berikut : (1) Kekerasan Kekerasan yang tinggi dibanding daerah yang lain (>270VHN), dan (2) Kandungan karbon yang tinggi pada daerah daerah dengan alloy tinggi (P91). Selain itu, juga terdapat terdapat daerah lunak 40


dengan karakteristik sebagai berikut: (1)kekeranan rendah (<120 VHN), dan struktur feritik yang hampir hampir tidak mempunyai mempunyai karbida pada pada sisi alloy rendah (P22). Kedua zona ini akan melebar, seiring dengan berlanjutnya perlakuan panas yang diterima. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi difusi Karbon dari material dengan Kandungan Cr kecil (P22), menuju material dengan kandungan Cr besar ( P 91).

Mikrografi dan profil kekerasan pada sambungan antara daerah keras P91 (A), dan daerah lunak P22 (B)

Difusi Unsur C menuju daerah Cr Banyak akan membentuk Karbida Chromium, yang menaikkan kekerasan daerah daerah tersebut. tersebut.

Sedangkan, di daerah lunak hampir hampir tidak

terdapat karbida, dan hanya mengandung sedikit presipitat M2C dan M6C. Berdasarkan pengertian dari fenomena atomik yang terjadi pada sambungan material diatas, maka terdapat 3 metode yang bisa mencegah terjadinya pelemahan material, yaitu : 4. Penggunaan Penggunaan Interlayer yang berfungsi sebagai diffusion barrier bagi karbon 5. Menyambung baja ferritic dengan filler metal dengan konsentrasi Cr diantara. 6. Mengubah komposisi base metal untuk mengurangi aktivitas difusi. 41


Salah satu solusi yang dirasa efektif untuk mencegah terjadinya difusi karbon adalah dengan menggunakan Sambungan Transisi atau Filler metal berbahan dasar Nickel. Material berbahan dasar Nickel dirasa sesuai untuk aplikasi ini, karena sifat tolak menolak antara nickel nickel dan Karbon,

kompatibilitas penyambunga penyambungan n dengan dengan Baja

Farritic, dan mempunyai sifat-sifat thermal yang sesuai. Telah dilakukan penelitian, dimana dilakukan penyambungan penyambungan antara material P91 dan P22 dengan dengan penghubung penghubung berbahan berbahan Inconel Inconel 182.

Sambungan ini lalu dipaparkan dipaparkan

kepada perlakuan panas yang sama dengan sambungan pertama. Pengecekan dengan mikrografi optis menunjukkan bahwa tidak terjadi perubahan mikrostruktur pada sambungan dan dan daerah sekitarnya. sekitarnya. Diambil kesimpulan bahwa sambungan sambungan berbahan berbahan dasar Nickel efektif dalam mencegah terbentuknya daerah keras dan lunak pada baja ferritic.

Hasil mikrografi menujukkan tidak adanya daerah keras dan lunak pada transisi antara material P22 dan P91 dengan menggunakan sambungan material berbahan dasar Nikel Penyebab terbentuk daerah Keras dan Lunak

Ketika material Cr-Mo dengan kadar berbeda disambung dan dipaparkan temperatur tinggi, maka Carbon akan berdifusi dari daerah dengan kadar Cr rendah menuju ke

42


daerah dengan dengan kadar kadar Cr tinggi. Persamaan berikut menjelaskan menjelaskan hubungan hubungan antara Cr

aktivitas karbon (a c), konsentrasi C r, CCr, dan parameter interaksi antara Cr dan C,ε C

Berdasarkan persamaan persamaan diatas, karena Chromium mengalami interaksi negatif dengan Carbon (εCCr=-72), kenaikan kandungan Cr akan mengakibatkan penurunan aktivitas Karbon. Perbedaan aktivitas aktivitas karbon antara antara metal dengan dengan Cr tinggi dan rendah ini adalah penyebab terjadinya difusi Karbon.

Pertimbangan Mekanis dari pembentukan fasa Austenite

Perbedaan aktivitas karbon antara material dengan kandungan Cr tinggi dan rendah menyebabkan menyebabkan difusi karbon pada sambungan. sambungan. Perpindahan Carbon Carbon menuju baja 9Cr1Mo meningkatkan kadar Carbon di daerah ini jauh diatar kemampuan pelarutan material P91.

Hal ini menyebabkan menyebabkan terbentuknya fasa karbida karbida yang kaya akan akan

Cromium, Cromium , yang yang membuat daerah ini menjadi keras dan getas. Karbida yang terdapat pada daerah P22 terlarut menuju P91, dan terbentuk fasa Bainite dan Ferrite pada daerah tersebut. Hal ini menyebabkan menyebabkan terbentuknya daerah lunak berkekuatan berkekuatan rendah pada daerah dengan kandungan Cr kecil. Seiting dengan terpaparnya material dengan temperatur tinggi (temperatur operasi), maka difusi karbon akan terus terjadi, dan daerah keras/lunak ini akan terus melebar sampai titik tertentu. Hal ini dikarenakan : (1) penurunan selisih aktivitas pada kedua sisi(2) berkurangnya kadar Cr pada P22, dan rencahnya kadar Karbon pada P22.

43


Skema yang menunjukkan formasi daerah keras dan lunak pada sambungan.

Analisis Data Kekerasan

44


Joint No.

Position

0°

Point

Hardness (HB)

A

191

B

189

C

194

D

188

E

184

A

195

B

190

C

189

D

187

E

185

MS-21 MSP & MSV (R)

90°

Kekerasan dari material sambungan yang mengalami kegagalan sesuai dengan standar ASTM A335 untuk material P91, yaitu tidak melebihi 250 HB / 265 HV / 25 HRC. Data menunjukkan kekerasan sesuai, yaitu pada kisaran 190 Brinnel Hardness scale. Namun, tes ini tidak dapat mendeteksi adanya soft xone dan hard zone, karena zona tersebut mempunyai mempunyai kelebaran kelebaran yang sangat sempit sempit (300 mikrometer). Sedangkan, Sedangkan, indentansi yang terbentuk untuk mengukur kekerasan jauh lebih besar dari angka tersebut.

45


Kondisi Creep

Dilakukan penelitian menganai Struktur mikro daerah sambungan, sambungan, pada 4 sudut, yaitu o

o

o

o

0 , 90 , 180 , dan 270 seperti gambar dibawah.

Dari penelitian struktur mikro yang dilakukan oleh ITB, terdapat bukti terjadi creep, yang ditandai dengan terdapatnya creep void seperti yang ditunjukkan pada gambar o

dibawah (lokasi 270 ) :

46


Bukti terjadinya Creep Damage yang ditandai oleh creep void.

47


Buttering method

Pihak Kontraktor (Toshiba) melakukan penambahan filler metal pada sambungan las Buttering Layer ). ( Buttering ).

Modifikasi ini ditujukan ditujukan untuk menurunkan stress maksimal

sambungan dari 8.53 kg/mm2 menjadi 4.31 kg/mm2, sehingga didapat umur Creep naik dari 2,22 2,22 Tahun menjadi menjadi 50+ tahun. tahun. Hal ini dirasa cukup, cukup, mengingat mengingat asumsi pengoperasian pengoperasian PLTU adalah 30 tahun. Namun karena material dan temperatur operasi tidak berubah, maka fenomena carbon diffusion tetap terjadi, dan efek penurunan yield strength pada fusion line P22 dan P91 tetap terjadi.

Buttering Layer

Gambar perbaikan yang dlakukan kepada unit 2 48


Creep Rupture Evaluation pada buttering method

8

Kesimpulan

Berdasarkan data lapangan dan teori, bisa disimpulkan bahwa desain pengelasan yang tidak sesuai dengan material dan parameter operasi merupakan penyebab dari kegagalan sambungan sambungan MSV unit 2. Alur kegagalan sambungan adalah sebagai berikut: 1. Filler metal sambungan dengan kadar Cr berbeda dan dan temperatur temperatur operasi tinggi memicu difusi karbon. 2. Difusi Karbon menyebabkan terjadinya daerah Lunak dan Keras. 3. Daerah tersebut mengurangi tensile strength pada daerah lunak. 4. Stress yang terjadi pada daerah lunak dengan tensile strength yang telah terkompromi menyebabkan terjadinya Creep void. 5. Creep void yang cukup banyak mengurangi kekuatan struktur, dan terjadi kegagalan. 49


9

Saran

Perlu dilakukan kajian mendalam mengenai sambungan MSV unit 1 dan 2, mengingat proses difusi karbon tetap terjadi.

10 Perubahan desain pada MSV unit 3 dan 4.

Pihak Kontraktor telah melakukan perubahan desain pengelasan pada MSV untuk unit 3 dan 4. Perubahan itu adalah sebagai berikut : -Material MSV diubah dari 1,25Cr-1Mo, menjadi 9Cr-1Mo (A182 Gr. F91) -Material filler metal diubah dari 2,25 Cr-1Mo menjadi 9Cr-1Mo Root : GTAW ER 905 G (TGS-9Cb) Filler : E 9016 G (CM – (CM – 9 9 Cb) -Tidak ada perbedaan diameter luar dari interface joint pipa dan MSV. Perubahan telah dilakukan oleh pihak kontraktor, yaitu menyeragamkan komposisi material antara Pipa, Pipa, filler metal, dan MSV. Hal ini ditujukan untuk menyeragamkan menyeragamkan kandungan Chromium, yang menghilangkan gradien aktivitas karbon antara ketiga material, sehingga sehingga karbon karbon tidak terpicu untuk untuk melakukan melakukan perpindahan. perpindahan.

Dengan

dilakukan hal ini, maka struktur mikro sambungan akan lebih stabil, dan kekuatan sambungan akan seragam. seragam.

Hal ini akan menghilangkan efek carbon carbon diffusion,

sehingga mengurangi kemungkinan fenomena creep yang disebabkan penurunan tensile strength dari material. material.

Bisa diambil kesimpulan kesimpulan bahwa kemungkinan

kegagalan pada sambungan jenis ini lebih rendah dibanding dengan proses penyambungan yang dilakukan pada tahun 2005.

50


Detail Sambungan MSV dan Pipa pada Unit 3

51


Proses Pengerjaan Sambungan Inlet MSV unit 3 Tahap 1 : Fit Up

Side B (joint no. 1004) : 30 Juni 2010

52


Side B (joint no. 1004) : 1 Juli 2010 (Detail (Detail Fit Up)

53


Side A (joint no. no. 1002) : 1 Juli 2010 (Root (Root Weld)

54


Sambungan MSV unit 3, bersama welder, Alip. (1 Juli 2010)

55

Telaahan Staff Pln - Analisa Kegagalan an Pada High Pressure Main Stop Valve Unit 2

Recommend Documents