## ANALISA KEGAGALAN BLADE BARIS TERAKHIR PADA ROTOR TURBINE UAP TIPE CONDENSING

## Adhi Komara dan Yuriadi Kusuma
Program Stuid Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Mercubuana Jakarta Email: adhikomara@yahoo.com
Abstrak -- Blades dari turbin uap merupakan komponen penting dalam pembangkit listrik. Analisa kegagalan  blade  turbin  bertujuan  untuk  meningkatkan  kehandalan  sistem  turbin  secara  umum. Kegagalan  blade  baris  terakhir  tekanan  rendah  yang  terjadi  pada  turbine  uap  type  condensing diawali  dengan  naiknya vibrasi  secara  mendadak  pada  area  belakang  dari  5μm  menjadi  51μm. Analisa  dan  pengujian  yang  dilakukan  adalah  analisa  steam  purity,  pengujian  mechanical  stress dan  pengujian  metallurgy  (analisa  material,  fractography  dan  microstructure).  Dari  hasil  analisa steam  purity  didapat  bahwa  kandungan  silica/  SiO 2 yang  diambil  dari  beberapa  titik  pengambilan sample ditemukan melebihi dari batas maximum yang diperbolehkan sesuai dengan standard VGB (Vereinigung  der  Großkesselbesitzer)/  Asosiasi  pengguna  boiler  ukuran  besar  di  German;  yaitu  < 0.02  mg/l.  Penuaan  material  ditemukan  dari  hasil  pengujian  yang  dilakukan  melalui  analisa metallurgy microstructure.
Kata  Kunci :  Turbine  Blade, Damping  Wire, Analisa  kegagalan, Steam  Purity,  Mechanical  Stress, Pengujian Metellurgy

## 1. PENDAHULUAN
Blades  dari  turbin  uap  merupakan komponen  penting  dalam  pembangkit  listrik. Analisa kegagalan blade turbin bertujuan untuk meningkatkan kehandalan  sistem  turbin  secara umum. Beberapa hasil penelitian telah menunjukkan bahwa blade tekanan rendah dari turbin  uap  umumnya  ditemukan  lebih  rentan terhadap kegagalan dari blade tekanan menengah  dan  tekanan  tinggi.  Mekanisme kegagalan  yang  paling  umum  yang  terjadi dalam  blade  tekanan  rendah  dewasa  ini biasanya  yang  berhubungan  dengan  getaran baik  simpatik  atau  dipaksa,  yang  disebabkan oleh  kondisi  operasi,  dan  yang  terjadi  sebagai hasil  dari  ion  korosif  yang  terbawa  dan terakumulasi dalam fluida kerja dan diawali oleh pembentukan endapan atau deposit pada blade serta komponen peredam atau damping wire.
Salah  satu  turbin  uap  yang  telah  effectif beroperasi  selama  tujuh  tahun  yang  telah mencapai operating hours 40.792 EOH dilakukan  shutdown  secara  emergency  oleh team operasi menyusul timbulnya/ terdengarnya  suara  tidak  normal  dari  dalam turbine  casing  pada  saat  kondisi  normal operasi,  level  vibrasi  pada  ruang  pengontrolan didapati  kenaikan  yang  significant  disisi  low pressure dari 5µm menjadi 51µm.
Dari  hasil  pembongkaran  guna  dapat dilakukannya  inspeksi,  pada  bagian  dalam turbine  casing  ditemukan  blade  turbine  baris terakhir  dan  damping  wire/kawat  peredam
mengalami kegagalan dan kerusakan. Ditemukan juga hampir keseluruhan pada blade baris  terakhir  terdapat  fenomena  korosi  dan ditutupi  oleh  lapisan  deposit  dari  kontaminasi uap.  Dari  hasil  temuan  tsb,  beberapa  analisa guna  mengetahui  penyebab  kegagalan  perlu dilakukan.

## 2. DATA DAN ANALISA
Telah  dilakukan  beberapa  pengujian untuk mengetahui performansi system. Penjelasan  untuk  masing-masing  pengujian dibahas berikut ini.

## 2.1.   Pengujian Steam Purity
Metode  pengujian  steam  purity  yang menjadi  referensi  pengambilan  data  adalah dengan Metode Specific Conductance. Pengambilan  steam  sampling  mengacu  pada standard  ASTM  D  1066 –  97  (2001)  pada beberapa  titik  lokasi.  Perwakilan  sampel  uap sangat  penting  untuk  menentukan  jumlah kandungan, termasuk kelembaban, di dalamnya.  Sebuah  ukuran  yang  akurat  dari kemurnian  steam  memberikan  informasi,  yang dapat  digunakan  untuk  menentukan  apakah kemurnian  steam  berada  dalam  batas  yang diperbolehkan sehingga dapat mencegah kerusakan  atau  kecacatan  bagian  internal turbin.
Dari pengambilan beberapa sampel yang kemudian  dilakukan  pengujian  di  laboraturium bahwa secara secara keseluruhan dari
beberapa titik pengambilan sample condensate ditemukan  bahwa  kandungan  Silica  (SiO2) melebihi dari standard yang diperbolehkan oleh VGB  (Vereinigung  der  Großkesselbesitzer/ Asosiasi  Pengguna  boiler  ukuran  besar  di German).
Gambar 1. Kandungan Silika
Standard  VGB  untuk  kandungan  Silica  dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Standard VGB untuk kandungan Silica Testing for Unit Guide Value Condustivity at 25 0 C for CO 2 -free Continu es* Operati on Start- Up** Operatio n Water µS/c m < 0.2 < 0.5 Silica (SiO2) mg/l < 0.02 < 0.05 Total-Iron (Fe) mg/l < 0.02 < 0.05 Copper (Cu) mg/l < 0.003 < 0.01 Sodium  an Potassium mg/l < 0.01 < 0.02
2.2.   Pengujian Mechanical Stress
Analisa mechanical  stress dilakukan untuk  mengetahui  level  tegangan  pada  blade dan  damping  wire  yang  dikarenakan  beban/ gaya  sentrifugal.  Analisa  dilakukan  dengan menggunakan fasilitas software Ansys. Dimana software  ini  memiliki  kelebihan  kelebihan diantaranya sebagai berikut :
a.  Dua  arah,  link  parametrik  dengan  semua sistem  CAD  ( Computer  Aided  Design ) utama seperti autoCAD, Catia dan lainnya. b.  Sistem  analisis  lengkap  yang  memandu pengguna start-to-finish melalui analisis.
c.  Komponen  yang  fleksibel  memungkinkan alat  untuk  dikerahkan  ke  setelan  terbaik untuk keperluan engineering.
Hasil  analisa  simulasi  mechanical  stress terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Simulasi Mechanical Stress
Tabel 2. Mechanical Stress No. Des krip si Rpm (by softwar e simulati on) Yield point/ strength (N/mm2 or Mpa) Safet y Facto r (FS) Ansys Analisis Blad e mate rial X20C rMo1 3 Dam ping Wire mate rial TiAl6 V4 1 Blad e 6,797 929 540 - 0 2 Da mpi ng wire 6,797 700 - 880 1.25
Analisa  yang  didapat  dari  pengujian mechanical  stress  pada  blade  dan  damping wire adalah sebagai berikut:
a.  Tegangan  maximum  /  yield  strength  blade yaitu  72%  melebihi  standard  blade  material X20CrMo13 pabrikan.
b.  Tegangan maximum / yield strength damping  wire  yaitu  20%  dibawah  standard material  TiAl6V4,  sehingga  memiliki  faktor keamanan sebesar 1.25%.
2.3.  Pengujian Metallurgy – Material

## Analysis
Analisa  kimia  pada  kedua  blade  yang patah  dilakukan  dengan  menggunakan  fasilitas Optical  Emission  Spectrometry.  Hasil  analisa kimia  serta  perbandingan  dengan  standard material  sesuai  dengan  disain  pabrikan  dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Metallurgy – Material Analysis. No. Deskr ipsi Komposisi
C Si S P Mn Ni 1 Blade Speci men A 0.20 1 0.3 0.0 02 0.0 2
0.6 65 0.8 32 2 Blade Speci men B 0.20 9 0.3 02 0.0 03 0.0 22 0.6 66 0.8 38 No. Deskr ipsi Cr Mo V Cu W 1 Blade Speci men A 11.3 04 0.9 84 0.3 09 0.1 04 0.0 78 2 Blade Speci men B 11.3 32 1.0 02 0.3 13 0.1 03 0.0 78 Standard Material Specification sesuai Pabrikan DIN. 1.4120 No. Deskr ipsi Komposisi
C Si S P Mn
Ni 1 X20C rMo1 3 0.17 - 0.22 ≤ 1.0 0 ≤ 0.0 15 ≤ 0.0 40 ≤ 1.0 0 ≤ 1.0 0 No. Deskr ipsi Cr Mo V Cu W 1 X20C
rMo1 3 12.0 - 14.0 0.9 0- 1.3 0 - - -
Komposisi  kimia  damping  wire  dilakukan pengujiannya  dengan  menggunakan  fasilitas Energy  Dispersive  Spectrometry  yang  melekat pada  Scanning  Electron  Microscope.  Analisa kimia  dengan  menggunakan  Optical  Emission Spectrometry  tidak  memungkinkan  karena diameter  damping  wire  lebih  kecil  dari  20mm. Hasil  dan  perbandingan  analisa kimia terhadap standard  material  dari  pabrikan  ditampilkan pada Tabel 4.
Tabel 4. Analisa Kimia Standar Material

## Material Specimen
No. Deskripsi
Komposisi Al Ti V Fe 1 Damping
Wire Specimen 5.42 90.03 4.55 -
C N O H - - - - Standard Material Specification sesuai Pabrikan DIN 3.7165 No. Deskripsi
Komposisi Al Ti V Fe 2 TiAl6V4F89 5.50
- 6.75 Rest 3.50 - 4.50 ≤ 0.30
C N O H
≤ 0.08
≤ 0.05 ≤ 0.20
≤ 0.015
Keduanya,  baik  blade  ataupun  damping wire  mengalami  perubahan ringan  pada komposisi  material  setelah  dioperasikan  dalam kurun  waktu  lebih  dari  7  tahun,  akan  tetapi penyimpangan/  perubahan  tersebut  masih dalam  batas  kewajaran  terhadap  komposisi material asli dari pabrikan.

## 2.4.   Pengujian  Metallurgy –  Fractography Analysis
Pengujian  dilakukan  dengan  standard procedure  persiapan  dan  pengujian  sesuai dengan  standard  ASTM  E3 –  11.  Dari pengujian  fractography  terdapat  tiga  area  atau titik  permukaan  fractures  /  retakan  yang menjadi  perhatian  untuk  dilakukan  analisa  dan pengujian sebagai berikut:
a.  Lubang damping  wire ;  menjadi  permulaan primary crack
b.  Trailing  edge ; menjadi  wilayah secondary crack
c.  Leading edge; menjadi wilayah final fracture

## a. Blade
Gambar 3. Macrograph pada titik awal retakan/ patahan blade
Gambar 4. Macrograph pada permulaan primary crack
Gambar 5. Fractograph pada blade sekitar secondary crack - Trailing edge , SEM macrograph

## Gambar 6. Fractograph pada blade sekitar
Final fracture - Leading edge ,Stereo macrograph.

## b. Damping/ Lacing Wire
Gambar 7. Fractograph pada damping wire yang mengalami kegagalan. Deformasi plastic serta permukaan yang mengalami pengecilan diameter
Berdasarkan  pengambilan  data  pada pengujian  dengan  metode  fractography  yang diperlihatkan  pada  Gambar  3  sampai  dengan Gambar  7,  berikut  beberapa  analisa  yang diperoleh:
a.  Crack  pertama  kali  pada  blade  terjadi  pada area  lubang  damping/  lacing  wire  yang ditandai  dengan  tanda  titik  gelap.  Wilayah titik  gelap  yang  terdapat  pada  pemukaan patahan mengindikasikan bahwa crack telah berhadapan langsung dengan kondisi sekita dalam  jangka  waktu  cukup  lama  atau dihasilkan dalam proses quenching/ pendinginan.
b.  Crack  kedua  pada  blade  terjadi  pada wilayah  trailing  edge  dengan  ditandai  oleh jejak  pergoresan  fatigue  yang  diamati  pada permukaan retakan.
c.  Crack  ketiga  atau  final  pada  blade  retakan terjadi  pada  area  leading  edge.  Wilayah  ini mengalami  gagal  karena  kegagalan  fatigue. Retakan bermula terjadi pada kedua sisi dan berakhir  dengan  patahan static yang dikarenakan potongan melintang tidak dapat lagi menampung beban.
d.  Fracture pada damping/ lacing wire bermula terjadinya deformasi  yang  cukup parah  oleh gerakan pengikisan permukaan  antara lubang blade dengan damping wire. Gerakan  pengikisan  permukaan  hanya mungkin  terjadi  jika  terdapat  gerakan relative  antara  blade  dan  damping  wire. Gerakan  relative  terjadi  jika  ukuran  lubang membesar  sehingga  menjadikan  ikatan longgar pada damping wire ke blade.

## 2.5.   Pengujian Metallurgy – Microstructure Analysis
Pengujian  microstructure  yang  dilakukan di  laboraturium  dengan  alat  optical  microscope dengan  hasil  pembesarannya  diperlihatkan pada Gambar 8 hingga Gambar 11.
Gambar 8. Optical Micrograph pembesaran 160 kali pada sisi permulaan primary crack
Gambar 9. Optical Micrograph pembesaran 320 kali pada sisi permulaan primary crack
Gambar 10. Optical Micrograph pembesaran 80 kali pada sisi permulaan secondary crack
Gambar 11. Optical Micrograph pembesaran 160 kali pada sisi permulaan secondary crack
Permukaan  patahan  pada  permulaan primary  crack  yang  mengandung  titik  gelap dipotong dan potongan penampangnya dilakukan pengujian dengan optical microscope.
Dari pengujian dengan metode microstructure  ini,  berikut  beberapa  analisa yang didapat :
a.  Sifat  yang  paling  membedakan  adalah adanya koloni cabide, pengelompokan carbide, ukuran besar carbide, dan microcracks  yang  tersebar  luas  melalui carbide.
b.  Sebaliknya,  distribusi  carbide  dan  ukuran specimen  dekat  pada  lokasi  permulaan crack  kedua  adalah  seragam,  dan  tidak terdapatnya microcracks.
c.  Pembentukan koloni carbide, pengelompokan carbide, dan ukuran partikel carbide  besar  menjadi  pemicu  premature crack pada permulaan primery crack.
d.  Dalam  phase  brittle/  rapuh,  carbide  akan sangat mudah retak dibawah beban mekanis.
e.  Jalur  perambatan  retakan  akan  cenderung mengikuti phase carbide.
f.  Permulaan  crack  juga  dpat  terjadi  sebagai akibat  dari  thermal  expansion.  Karena terdapatnya perbedaan yang cukup signifikan pada kooefisien thermal.

## 5. KESIMPULAN
Setelah  melakukan  beberapa  pengujian, maka  dapat  diambil  kesimpulan  dari  hasil analisa di atas sebagai berikut:
1.  Penyebab  utama  kegagalan  blade  baris terakhir  disebabkan  oleh  kegagalan  pada damping  wire  yang  mengakibatkan  vibrasi yang berlebihan pada blade.
2.  Damping  wire  gagal  karena  penuaan material  dan  efek  korosi  yang  disebabkan oleh deposit/ endapan
3.  Kualitas  uap  tidak  sesuai  dengan  petunjuk dari pabrikan dan VGB terutama kandungan Silica  (SiO2)  dan  demikian  menyebabkan deposit masif  dan efek korosi. 4.  Dari hasil pengujian fractography disimpulkan bahwa keretakan blade pertama  kali  terjadi  pada  sisi  lubang damping wire akibat vibration yang berlebihan  selama  dan  setelah  damping wire mengalami kegagalan.
5.  Pengujian microstructure menyimpulkan bahwa
terjadi pembentukan dan pengumpulan  carbide  pada  area  primary crack  akibat  material  aging  sehingga menimbulkan  sifat  brittle  dan  mudah  retak dibawah beban mekanik.
Berdasarkan  hasil  analisa  serta  pengujin yang  dilakukan,  berikut  beberapa  saran  yang memerlukan  perhatian  sehingga  kegagalan yang sama dapat dicegah :
1. Meningkatkan  dan  pemantauan  kualitas uap ;  Langkah-langkah  harus  diambil  untuk memastikan  kualitas  uap  konstan  sesuai standard pabrikan & VGB.
2. Kegiatan  perawatan  terus  menerus  pada turbine  unit  sesuai  dengan  rekomendasi pabrikan.
3.  Memperbesar  ukuran damping  wire yang memadai ; Ukuran  damping  wire  harus disesuaikan  dengan  kondisi  operasi  yang sebenarnya.  Oleh  karena  itu  diameter  wire harus  ditingkatkan.  Diamter  yang  akan dimodifikasi  harus  dipertimbangkan  yang mana  juga  mempengaruhi  gaya  sentrifugal dan vibration mode
4.  Memperkuat blade pada  bagian damping wire karena  meningkatnya  ukuran  damping wire.
5.  Modifikasi  diameter  pengikat damping  wire sesuai vibration mode baru.

## DAFTAR PUSTAKA
Bagnoli D L. et al.1987. Fractography Handbook Volume  12 .    United  States  of America.: ASM International. Hanipa  Hepi.  2007. Failure  Analysis  Last  Stage Blade.  Purwakarta .:  PT  Sulzer  Hickam Indonesia.
Heinz  P,  Bloch,.,  dan  Singh  Murari  P.  2009.
Steam  Turbine  Design,  Application  and  Re- Rating. Mexico.:McGraw-Hill Hübner.  1993. Mineral  and  Silica  Deposit  in Steam  Turbine ,  Nürnberg.:  ABB  Turbinen Nürnberg GmbH Husaini  Ardy.  2007. Failure  Analysis  ABB Steam  Turbine  Rotor  Blade .  Bandung.:
PT.LAPI ITB Siemens.  1999. Maintenance  Manual  for Turbine 19332 Type ATP2-V50A .: Nürnberg.: ABB Turbinen Nürnberg GmbH.
Siemens.1999. Steam  Quality .  Nürnberg.:  ABB Turbinen Nürnberg GmbH Singh  Murari  P.,  dan  Lucas  George  M.  2011 . Blade Design & Analysis for Steam Turbine. United States of America.: McGraw-Hill.
Wegst C W. 2001. Stahlschlüssel/ Key to Steel.
Marbach.:  Verlag  Stahlschlüssel  Wegst GmbH.
Wei-Ze  Wang.  2006. Failure  analysis  of  the final  stage  blade  in  steam  turbine. PR China.: ScienceDirect