## CAKRAM

## Jurnal Teknik Mesin:
ANALISA KERUSAKAN PIPA AIR PENGUMPAN BOILER
Sukandar 1 , Yana Heryana 2
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No.1, Tangerang Selatan, Indonesia
2 Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur, BPPT, Kawasan Puspiptek, Setu, Tangerang Selatan
E-mail : kendar.sukandar@gmail.com 1 , yana.heryana@bppt.go.id 2
Masuk : 10 September 2020         Direvisi :  21 September 2020
Disetujui : 28 September 2020
Abstrak :  Pipa  air  pengumpan  boiler  adalah  suatu  sistem  pengumpan  air  ke  boiler.  Untuk  pelindungan  dari serangan korosi pada pipa disuntikkan inhibitor. Kerusakan terjadi  pada pipadi ujung pipa injeksi  inhibitor setelah 7 tahun operasi. Lokasi pipa inhibitor adalah 800 mm setelah swing check valve . Untuk mencari akar penyebab dilakukan analisa  kerusakan.  Untuk  mendukung  analisa  kerusakan  dilakukan  pengujian  dan  pemeriksaan  komposisi  kimia, fraktografi,  metalografi,  kekerasan,  produk  korosi,  polarisasi,  simulasi  aliran  dan  rasio  Na  dan  PO 4 dalam  inhibitor. Hasil  pemeriksaan  komposisi  kimia  menunjukkan  bahwa  material  pipa  adalah  sesuai  standar.  Hasil  pemeriksaan fraktografi  menunjukkan  kerusakan  berupa  penipisan  lokal  berbentuk  cekungan  sepatu  kuda.  Hasil  pemeriksaan metalografi menunjukkan struktur mikro material pipa adalah ferit dan perlit normal. Hasil pemeriksaan produk korosi menunjukkan kandungan oksigen yang sangat tinggi. Hasil pengujian polarisansi dengan inhibitor adalah 19,991 mpy. Hasil  simulasi  aliran  menunjukkan  di  lokasi  pipa  injeksi  inhibitor  adalah  zona  aliran  diam.  Hasil  pemeriksaan kandungan  inhibitor  menunjukkan  bahwa  rasio  Na  dan  PO 4 dibawah  2,85:1.  Dari  hasil  pemeriksaan  dan  pengujian tersebut dapat dikerucutkan bahwa akar penyebab kerusakan pipa air pengumpan boiler adalah serangan korosi akibat konsentrasi oksigen.
Kata kunci: Pipa Air Pengumpan Boiler, Baja Karbon, Inhibitor, Aliran Diam, Caustic Gouging , Konsentrasi Oksigen.
Abstract: Boiler  feed  water  pipe  is  a  water  system  to  feed  water  to  boiler.  For  corrosion  protection,  it  is  injected inhibitor. Failure took place on the pipe at location of inhibitor pipe after 7 years in operation. Location of inhibitor pipe is 800 mm after swing check valve.  To find root cause of failure, it is conducted failure analysis. To support failure  analysis,  it  is  conducted  testing  and  examination  of  chemical  composition,  fractography,  metallography, hardness,  corrosion  product,  polarization,  fluid  flow  simulation,  and  ratio  of  Na  and  PO 4 in  inhibitor.  Result  of chemical  composition  revealed  that  material  of  pipe  is  in  accordance  with  standard.  Result  of  fractography examination revealed that failure was local thinning as a bowl of horse shoe. Result of metallography examination revealed that microstructure is ferrite and pearlite. Result of corrosion product examination revealed of oxygen high content.  Result  of  polarization  test  revealed  that  corrosion  rate  with  inhibitor  is  19.991  mpy.  Result  of  fluid  flow simulation  revealed  that  at  the  location  of  failure  is  area  of  stagnant  flow.  Result  of  Na  and  PO 4 ratio  is  below 2.85:1. Results of testing and examination can be cornered that the root cause of pipe failure is corrosion attack due to cell concentration.
Keywords: Boiler Feed Water Pipe, Carbon Steel, Inhibitor, Erosion and Corrosion, Stagnant Flow,  Cell Concentration
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Sukandar dan Yana Heryana, Analisa Kerusakan Pipa Air Pengumpan Boiler

## PENDAHULUAN
Boiler adalah bagian dari proses produksi etilen di suatu  industri kimia. Boiler mendapat umpan air dari jaringan sistem pengolahan air melalui pipa air pengumpan boiler (boiler feed water) . Walaupun air telah diolah dan diproses sehingga menjadi air murni atau demin water , saat akan diumpan ke boiler tetap ditambahkan inhibitor, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1. Tujuan dari penambahan inhibitor adalah untuk menambah kebasaan air pengumpan dan melapisi dinding dalam pipa sehingga mengurangi atau menghindari serangan korosi dari air pengumpan.
Gambar 1. Diagram jaringan sistem pengolahan air untuk umpan boiler. Sebelum diumpan ke boiler, air disuntik inhibitor melalui pipa inhibitor (panah merah).
Justru kerusakan terjadi pada ujung pipa injeksi inhibitor berupa penipisan lokal yang berbentuk cekungan dengan pola sepatu kuda ( horse shoe ) sehingga pipa mengalami kebocoran pada sambungan las antara pipa injeksi inhibitor dan pipa air di sisi  luar.  Lokasi  pipa  inhibitor  berada  800  mm  di  belakang swing  check  valve. Kerusakan  terjadi  setelah  7  tahun  operasi. Material, dimensi pipa air dan pipa inhibitor, posisi serta area kerusakan dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Kerusakan pipa air pengumpan boiler di ujung pipa injeksi inhibitor
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Sukandar dan Yana Heryana, Analisa Kerusakan Pipa Air Pengumpan Boiler
Pada Gambar 2 ditunjukkan Swing Check Valve dengan  besar bukaan nozzle tergantung laju aliran air. Dengan demikian sebagaimana ditunjukkan kerusakan pipa terjadi setelah air melewati Swing Check Valve .
Permukaan  pipa  di  lokasi  kerusakan  ditutupi  produk  korosi  oksida  besi  secara  merata.  Setelah  lapisan  produk  korosi dibersihkan tampak permukaan pipa terdiri dari zona-zona seperti ditunjukkan dalam Gambar 3.
Gambar 3. Permukaan pipa air pengumpan boiler yang rusak di ujung pipa inhibitor
Berdasarkan  data-data  kerusakan  yang  terjadi  pada  pipa  air  pengumpan  boiler  dilakukan  analisa  kerusakan  yang bertujuan untuk mendapatkan akar penyebab kerusakan sehingga kerusakan yang sama di masa depan dapat dihindari.

## METODOLOGI PENELITIAN
1. DIAGRAM ALIR PENELITIAN
Analisa kerusakan mengikuti diagram alir penelitian seperti ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4. Diagram Alir Penelitian
Aliran air Zona pitting Zona lapisan yang terlindungi (normal) Lubang kebocoran Ujung pipa injeksi inhibitor Zona permukaan halus KERUSAKAN (FAILURE) PENGUMPULAN DATA KERUSAKAN DAN PEMILIHAN SAMPEL FOTOGRAFI BAGIAN YANG RUSAK
(PENGUJIAN VISUAL)
RENCANA PENELITIAN :
- RENCANA PENGUJIAN
- PEMOTONGAN CONTOH / SAMPEL
PRODUK KOROSI FRAKTOGRAFI POLARISASI KEASAMAN (pH)
SIMULASI ALIRAN
ANALISA KERUSAKAN

## PENGUJIAN DAN PEMERIKSAAN
KEKERASAN METALOGRAFI KOMPOSISI KIMIA
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Sukandar dan Yana Heryana, Analisa Kerusakan Pipa Air Pengumpan Boiler

## 2. DATA TEKNIS
Pipa  air  pengumpan  boiler  yang  mengalami  kerusakan  di  ujung  pipa  injeksi  inhibitor  telah  dipotong  sebagai sampel untuk analis kerusakan. Data teknis dari pipa tersebut adalah sebagai berikut:
2.1 PIPA AIR
- Material : ASTM A106 Grade B Schedule 140 - Diameter Nominal : 12 inch (304,8 mm) - Diameter Luar : 12,75 inch (323,85 mm) - Tebal : 1,125 inch (28,575 mm) - Media : air laut yang telah diproses dan dipanaskan 2.2 PIPA INHIBITOR - Material : ASTM A106 Grade B Schedule 160 - Diameter Nominal : 0,75 inch (19,05 mm) - Diameter Luar : 1,05 inch (26,67 mm) - Tebal : 0,219 inch (5,56 mm) - Media : phosphate 2.3 CHECK VALVE - Tipe : Swing nozzle - Material : ASTM A105 2.4 AIR - Temperatur : 150 O C - Tekanan : 155 Kg/cm 2 - Flow rate : 350 m 3 /jam - pH
: 9
- Kandungan oksigen : 7 ppb
2.5 INHIBITOR - Tipe : Na 3 PO 4 (natrium phosphate) - Temperatur : 30 o C - Tekanan : 160 Kg/cm 2 - Flow rate : 0 – 11 liter / jam
- pH : 14

## 3. PENGUJIAN DAN PEMERIKSAAN
Pengujian dan pemeriksaan dalam analisa kerusakan ini adalah:
3.1 PEMERIKSAAN KOMPOSISI KIMIA
Pemeriksaan komposisi kimia dilakukan untuk  mengetahui unsur-unsur yang dikandung dalam material pipa dan mencocokkannya dengan spesifikasi standar ASTM A106 grade B. Alat yang digunakan adalah Spark Spectrometer Metorex.

## 3.2 PEMERIKSAAN FRAKTOGRAFI DAN METALOGRAFI
Pemeriksaan  fraktografi  dilakukan  untuk  mengamati  mode  kerusakan  di  permukaan  pipa  yang mengalami  kerusakan.  Pemeriksaan  metalografi  dilakukan  untuk  mengamati  struktur  mikro  dan  cacat- cacat mikro yang bisa membantu menunjukkan mekanisme awal kerusakan.
3.3 PENGUJIAN KEKERASAN
Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui nilai kekerasan pipa. Perubahan nilai kekerasan akibat operasi bisa diketahui dengan uji kekerasan ini. Nilai kekerasan hasil uji juga dibandingkan dengan nilai standar ASTM A106 grade B. Alat yang digunakan adalah Hardness Tester Frank Finotest.
3.4 PEMERIKSAAN PRODUK KOROSI
Pemeriksaan produk korosi dilakukan pada permukaan pipa yang terserang korosi untuk mengetahui visual
permukaan  pipa  secara  mikro,  dan  kandungan  unsur-unsur  pada  produk  korosi  tersebut.  Alat  yang digunakan adalah SEM-EDS (Scanning Electron Microscope – Energy Dispersion Spectrometer) JEOL.

## 3.5 PEMERIKSAAN POLARISASI
Pengujian  polarisasi  dilakukan  dengan Corrosion  Measurement  System  (CMS) untuk  mengetahui  laju korosi yang dialiri air pengumpan boiler dan inhibitor pada kondisi laminar.
3.6 PENGUJIAN SIMULASI ALIRAN
Simulasi  aliran  dilakukan  dengan Computational  Fluid  Dynamics  (CFD) Phoenics untuk  mendapatkan gambaran  pola  aliran  pada  pipa  air  pengumpan  boiler.  Model  dibuat  sesuai  dengan  dimensi  pipa,air pengumpan boiler, posisi check valve dan pipa injeksi inhibitor dan kondisi operasi aliran.
3.7 PEMERIKSAAN KEASAMAN (pH)
Pemeriksaan keasaman dilakukan dengan memeriksa rasio antara Na dan PO 4 berdasar teori Purcell and Whirl .  Menurut Purcell  and  Whirl reaksi  antara  inhibitor  dan  air  bisa  menimbulkan  konsentrasi  basa yang disebut caustic gouging (korosi caustic ) apabila rasio antara Na dan PO 4 melebihi 2,85 : 1.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## 1. HASIL PENGUJIAN DAN PEMERIKSAAN
1.1 KOMPOSISI KIMIA
Hasil pemeriksaan komposisi kimia pipa air disajikan dalam  Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pemeriksaan komposisi kimia piap air Fe C Si Mn P S Pipa air (% berat) 98,89 0,14 0,15 0,80 0,0042 0,021 ASTM A106B Sisa/unsur dasar 0,30 maks. 0,10 min. 0,29-1.06 0,048 max. 0,058 max
Hasil pemeriksaan komposisi kimia pada pipa air menunjukkan bahwa spesifikasi material pipa air sesuai dengan standar ASTM A106 grade B

## 1.2 FRAKTOGRAFI
Hasil pemeriksaan fraktografi atau visual pada permukaan pipa air menunjukkan cekungan pola sepatu kuda dengan dimensi 480 mm panjang dan 140 mm lebar pada sisi dalam pipa dan lubang kebocoran di sambungan las antara pipa injector inhibitor dan pipa air sisi luar seperti sudah ditunjukkan dalam Gambar 2. Dengan arah aliran dari sisi swing check  valve ,  cekungan  terdalam  terjadi  pada ujung  pipa  injector  inhibitor  dengan permukaan  halus  dan  kemudian diikuti oleh permukaan yang berlubang-lubang (Gambar 3).

## 1.3 KEKERASAN
Hasil pengujian kekerasan disajikan dalam Tabel 2.
Tabel 2. Hasil pengujian kekerasan
1 2 3 4 5 Rata-rata Kekerasan (HV) 148 135 135 135 135 138
ASTM A106 tidak mencantumkan persyaratan nilai kekerasan. Yang dicantumkan adalah persyaratan nilai tegangan tarik, yaitu minimum 415 N/mm 2 , yang dikonversi ke kekerasan adalah minimum 130 HV. Karena hasil pengujian kekerasan adalah 138 HV, material pipa sesuai atau masih sesuai dengan standar.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Sukandar dan Yana Heryana, Analisa Kerusakan Pipa Air Pengumpan Boiler

## 1.4 METALOGRAFI
Hasil pemeriksaan metalografi menunjukkan bahwa struktur mikro pipa di lokasi yang mengalami kerusakan adalah ferlitdan  ferit  normal,  tidak  tampak  perubahan  struktur  maupun  cacat  proses,  dan  tidak  ditemukan  cacat  operasi, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5.
Gambar 5. Struktur mikro pipa, perbesaran 200X

## 1.5 PRODUK KOROSI
Pemeriksaan  produksi  korosi  dilakukan  dengan  SEM-EDS.Hasil  pemeriksaan  SEM  menunjukkan  kerak-kerak produk korosi di permukaan pipa yang mengalami kerusakan seperti ditunjukkan dalam Gambar 6.
Gambar 6. Kerak-kerak produk korosi di permukaan pipa
Hasil pemeriksaan EDS menunjukkan kandungan unsur-unsur yang terdapar pada produk korosi dengan kandungan oksigen (O) yang tinggi, yaitu 38,28 % berat, seperti ditunjukkan dalam Gambar 7.
Gambar 7. Hasir pemeriksaan EDS menunjukkan kandungan unsur-unsur pada produk korosi

## 1.6 POLARISASI
Hasil pengujian polarisasi menunjukkan bahwa laju korosi pada pipa dengan air tanpa inhibitor adalah 28,383 mpy (0,721  mm/tahun),  sedangkan  laju  korosi  pada  pipa  dengan  air  dengan  inhibitor  adalah  19,991  mpy  (0,508 mm/tahun) seperti dapat dilihat pada Gambar 8 dan 9.
ISSN 2620-6706
Gambar 8. Hasil pengujian polarisasi dengan air tanpa inhibitor
Gambar 9. Hasil pengujian polarisasi dengan air dengan inhibitor
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Sukandar dan Yana Heryana, Analisa Kerusakan Pipa Air Pengumpan Boiler

## 1.7 SIMULASI ALIRAN
Hasil simulasi aliran menunjukkan bhwa di area yang mengalami kerusakan berada pada zona aliran diam seperti ditunjukkan dalam Gambar 10.
Gambar 10. Hasil simulasi aliran menunjukkan zona aliran diam di ujung pipa injector inhibitor

## 1.8 RASIO Na dan PO 4
Hasil pemeriksaan rasio antara Na dan PO 4 diperoleh dari produsen inhibitor. Berdasarkan informasi dari produsen inhibitor, rasio Na dan PO 4 dalam  inhibitor adalah dibawah 2,85 : 1.

## 2. PEMBAHASAN
Hasil  pemeriksaan  fraktografi  membuktikan  bahwa  kerusakan  pipa  air  terjadi  di  lokasi  pipa  inhibitor  dengan  bentuk cekungan sepatu kuda berdimensi 140 mm lebar dan 480 mm panjang dengan lobang kebocoran di lasan pipa inhibitor dan pipa sisi luar (lihat Gambar 3). Penyebab dari kerusakan ditentukan oleh hasil pengujian dan pemeriksaan dibawah ini.
Hasil pemeriksaan komposisi kimia (lihat Tabel 1) dan pengujian kekerasan (lihat Tabel 2) terhadap pipa air pengumpan menunjukkan  bahwa  material  pipa  sesuai  dengan  standar  ASTM  A106  grade  B. [1] Hasil  ini  memastikan  tidak  ada kesalahan dalam pemilihan material. Maka pemilihan material bukan lah penyebab kerusakan.
Hasil pemeriksaan metalografi (lihat Gambar 5) menunjukkan bahwa struktur mikro pipa adalah  ferit dan perlit dengan kondisi  normal  dan  tidak  ditemukan  cacat  dan/atau  perubahan  struktur. [2] Dengan  demikian  parameter  operasi  yang diterapkan pada pipa air sebagai penyebab kerusakan bisa disingkirkan.
Hasil pengujian polarisasi menunjukkan laju korosi pada pipa dengan air tanpa inhibitor (lihat Gambar 8) adalah 28,383 mpy  atau  0,721  mm/tahun,  yang  berarti  5,047  mm penipisan  akibat  korosi  dalam  7  tahun.    Hasil  pengujian  polarisasi dengan air dan inhibitor (lihat  Gambar 9) adalah 19,991 mpy atau 0,508 mm/tahun, yang berarti 3,556 mm penipisan akibat korosi dalam 7 tahun. Karena tebal pipa 7 mm maka serangan korosi oleh air, baik tanpa maupun dengan inhibitor, bisa disingkirkan sebagai penyebab kerusakan. [3]
Hasil simulasi aliran (lihat Gambar 10) menunjukkan bahwa di lokasi pipa inhibitor merupakan zona aliran diam, yang berarti kerusakan pipa sebagai erosi aliran turbulen bisa disingkirkan. [4]
Hasil pemeriksaan rasio Na dan PO 4 pada inhibitor menunjukkan bahwa rasio Na dan PO 4 dibawah 2,85:1. Ini berarti kerusakan pipa akibar konsentrasi basa bisa disingkirkan. [5,6]
Hasil pemeriksaan produk korosi (lihat Gambar 7) menunjukkan kandungan oksigen yang tinggi pada produk korosi. Ini berarti oksigen unsur dominan  dalam senyawa produk korosi. Dengan demikian ini menunjukkan konsentrasi oksigen sebagai penyebab kerusakan pipa. Ini didukung oleh pengamatan pada tangka inhibitor yang terbuka. Namun demikian, lokasi pipa inhibitor yang berada di zona aliran diam memberi kontribusi utama pada konsentrasi oksigen ini [7] .
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Sukandar dan Yana Heryana, Analisa Kerusakan Pipa Air Pengumpan Boiler

## KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dan pemeriksaan dapat disimpulkan bahwa penyebab kerusakan pipa air pengumpan boiler adalah kombinasi dari lokasi pipa inhibitor dan tangki inhibitor yang terbuka, yang menyebabkan terjadinya konsentrasi oksigen (cell concentration) di ujung pipa inhibitor. Untuk menghindari kerusakan yang sama disarankan pipa inhibitor ditempatkan pada jarak 1500 mm atau lebih dari swing check valve , dan tangki inhibitor ditutup.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  …………., 2004, Annual Book of ASTM Standards, Part 1 : Piping, Tubing, Fitting Steel, ASTM, USA.
[2]  Pridgeon,  J.W.,  et.  al,  2004,  Metallography  and  Microstructures,  ASM  Handbook  Volume  9,  ASM International, USA.
[3]  Prozhega, M.V., et. al, 2014, Experimental study of erosion-corrosion wear of materials, Journal of Friction and Wear 35, p. 155-160.
[4]  Souissi,  F.,  et.  al,  2019, The  flow  structure  in  the  narrow  gaps  of  compound  channels:  a  linear  stability analysis, International Journal of Computational Fluid Dynamics, Volume 34, Issue 1.
[5] Setaro,  D.M., 2006, Considerations  for  High  Pressure  Boiler  Chemical  Treatment  –  Equipment  and Chemistry, Ammonia Technical Manual, GE Water and Process Technology.
[6] Baghni, I.M., et. al., 2009,  Using of congruent phosphate as equilibrium phosphate boilers water treatment, WIT Transactions on The Built Environment, Vol. 110.
[7]  Jafar,  S.A.,  et.  al.,  2015, Reducing  of  Corrosion  Rate  in  Boiler  Tubes  Using  Oxygen  Scavengers, Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 16 No. 4, p. 21- 29.