Analisa Kegagalan Dua Material Berbahan Dasar Stainless Steel Pada Industri Penyulingan Minyak Bumi

  • Published on
    27-Jul-2015

  • View
    2.102

  • Download
    11

Embed Size (px)

Transcript

<p>ANALISA KEGAGALAN DUA MATERIAL BERBAHAN DASAR STAINLESS STEEL PADA INDUSTRI PENYULINGAN MINYAK BUMI</p> <p>Oleh : Khairul Umam (0405040392)</p> <p>Diterjemahkan dari paper Failure Analysis of Two Stainless Steel BasedComponents Used in an Oil Refinery oleh Cssio Barbosa, Jneo Lopes do Nascimento, Jos Luiz Fernandes dan Ibrahim de Cerqueira Abud. www.springerlink.com.</p> <p>DEPARTEMEN METALURGI DAN MATERIAL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA 2008</p> <p>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 handal. Namun, komponen yang biasanya memenuhi standar</p> <p>persyaratan tersebut bisa gagal pada beberapa kondisi seperti tekanan dan suhu yang tinggi dan juga konsentrasi H2S dan CO2 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.</p> <p>Kata kunci Analisa kegagalan Stainless steel retak - fatigue</p> <p>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 , misalnya, harus diminimalisir [3-5]. Fasa lain yang dibentuk selama proses thermomechanical pengolahan DSSs, adalah Cr2N. 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 Cr2N [6] dan meningkatkan faksi volume dari austenite. Fasa adalah fasa yang terbentuk sebagai akibat dari dekomposisi ferrite dan juga peningkatan fraksi volume dari austenite. Reaksi fasa 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 lebih lambat dibandingkan untuk endapan Cr2N [3, 5] . Stainless steel Austenitic memiliki banyak sifat, selain ketahanannya yang tinggi terhadap korosi pada banyak lingkungan: mereka mempertahankan keuletan dan</p> <p>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</p> <p>bergantung pada karakteristik 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].</p> <p>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 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 S Cr Ni 5.7 N Mo V Cu W Co Fe</p> <p>0,02 0,52 1,85 0,02 0.001 23</p> <p>0.19 3.28 0,07 0,13 0,02 0,02 sisa</p> <p>Tabel 2 Komposisi Kimia Stainless Steel Austenitic C Si Mn 1,85 P 0,032 S 0,026 Cr 16,4 Ni 9.,9 Mo 2,11 Co 0,13 N 0,18 Fe sisa</p> <p>0,034 0,46</p> <p>Tabel 3 C Si Mn 2 P 0,045 S 0,03 Cr 16-18 Ni 10-14 Mo Co 2-3 N 0,10 Fe sisa</p> <p>0,008 1</p> <p>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 m), dan etsa dengan 30 mL asam nitrat, 10 mL asam klorida, dan 60 mL air 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.</p> <p>Batang 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 melalui mikroskop optik. Pada Gb. 2 (a) (arah transversal), ukuran rata-rata dari butir austenit (pulau-pulau austenit terdistribusi pada matriks ferrit yang continue) berkisar 50 m, 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</p> <p>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.</p> <p>Gb. 1 (a) bagian pompa yang mengalami kegagalan (b) Permukaan retak : tampilan mikroskopik. asal patahan terindikasi.</p> <p>Gb 2 Mikrostrutktur Stainless steel Duplex. (a) arah transversal (b) arah longitudinal</p> <p>Gb 3. Gambar SEM. Permukaan patah menampilkan striasi.</p> <p>Gb 4 Gambar lebih detail dari bagian yang sama.</p> <p>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].</p> <p>Tabel 4 Hasil Uji Kekerasan Sampel Stainless Steel Duplex TItik 1 2 3 4 5 Rata-rata Kekerasan (HRC) 22 22 23 23 22 22.4</p> <p>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 m, 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 m.</p> <p>Gb. 5 Bagian Longitudinal : Inklusi non logam. Tanpa etsa</p> <p>Gb 6 Bagian Transversal : inklusi partikel (titik hitam) berada pada pertemuan butir-butir austenit.</p> <p>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.</p> <p>Gb. 8. Penampakan umum permukaan patah. Titik awal crack terindikasi Gambar SEM pada permukaan retak permukaan disajikan pada Gb. 9 dan 10, 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</p> <p>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 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.</p> <p>Gb. 9 Permukaan patah. Panah: Lubang-lubang dengan partikel inklusi</p> <p>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.</p> <p>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</p> <p>pembuatan baja yang mahal, hal yang mungkin untuk dilakukan tindakan pencegahan dengan melakukan pemeriksaan rutin yang seksama , yang terdiri pengamatan</p> <p>metalografi dan pengurangan kandungan inklusi pada sample baja.</p> <p>Gb. 11 Spektrum EDS : Partikel</p> <p>Gb. 12 Spektrum EDS : matriks Rata-rata nilai kekerasan (HRB 95,48: Tabel 5) kompatibel dengan sebuah austenitic 316...</p>