## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:

## ANALISA KERUSAKAN STUD BOLT TURBIN UAP 300 MW DAN UPAYA PENCEGAHANYA

## Heru Santosa
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No.1, Tangerang Selatan, Indonesia
E-mail : dosen00686@unpam.ac.id
Masuk : 27 Februari 2020 Direvisi :  18 Maret 2020           Disetujui : 25 Maret 2020
Abstrak : Fungsi Stud Bolt adalah untuk mengikat casing atas dan casing bawah pada turbin uap 330 MW, bekerja pada temperatur ± 538° operasi terus menerus 24 jam dan sudah beroperasi selama ± 25 tahun. Kerusakan yang terjadi mengalami patah dan retak padaleher ulir stud Bolt. Jika kerusakan diabaikan, maka uap dalam turbin tidak akan berjalan semestinya. Analisa pengkajian penyebab utama terjadinya kerusakan melalui beberapa pengujian fraktografi, metalografi, uji kekerasan,uji SEM, komposisi kimia dan pengamatan perubahan sifat mekanis logam material Stud Bolt akibat pengaruh panas tekanan dan getaran. Hasil dari pengujian SEM denganmenggunakandetektor BSE  terlihatpatahanyang terjadimerupakanpatahan  brittle.  Hasil pengujian komposisi  kimiadan PMI kandungan Ni sebesar 34.5 - 35.5 %,dengan Cr sebesar 14.8 - 16.6 %.Hasil pengujian kekerasanmasihsesuaidengannilaistandarjikadibandingkandenganstandarmaterial SA-453 M  Gr. 665 class A sebesar 328 -  410 HV (maks).  Penyebab  utama  kerusakan  digunakan  untuk  pengembangan kwalitas Stud Bolt serta optimasi usaha memperpanjang umur operasional ( life time ) meliputi perbaikan desain, material, manufaktur , cara pemasangan serta penerapan system manajemen pemeliharan yang tepat.
Kata kunci: Turbin,Stud Bolt, turbin uap, metalografi, kekerasan
Abstract: Stud Bolt is to tie the top casing and the bottom casing to a 330 MW steam turbine, working at ± 538 ° operating temperature continuously 24 hours and has been operating for ± 25 years. The damage was broken and cracked at Bolt's threaded neck. If damage is ignored, the steam in the turbine will not run properly. Analysis of the assessment of the main causes of damage through a number of fractographic, metallographic, hardness tests, SEM tests, chemical composition and observations of changes in mechanical properties of Stud Bolt metal material due to the influence of heat pressure and vibration. The results of SEM testing using a BSE detector show that the fracture that occurred is a brittle fault. The results of testing the chemical composition and PMI of Ni content of 34.5 - 35.5%, with Cr of 14.8 - 16.6%. Hardness test results are still in accordance with the standard value when compared with the material standard SA-453 M Gr. 665 class A is 328 - 410 HV (max). Conclusion The main causes of damage are used for the development of Stud Bolt quality as well as business optimization to extend operational life (life time) including the improvement of design, materials, manufacturing, installation methods and application of appropriate maintenance management systems.
Keywords: Turbin Stud Bolt,steam turbin, metalografi, hardness.

## PENDAHULUAN
Pada salah satu industri pembangkit tenaga listrik, yang menggunakan turbin uap sebagai media untuk menggerakan generator (PLTU), telah beroperasi selama ± 25 tahun. Pada salah satu  komponennya  yaitu stud bolt yang jumlahnya cukup banyak berfungsi  sebagai  baut  pengikat casing atas dan casing bawah turbinuap mengalami kerusakan ketika casing turbin dibuka ada yang patah.
Umumnya PLTU menggunakan turbin uap tipe multistage, yakni turbin uap yang terdiri atas lebih dari 1 stage turbin ( Turbin High Pressure, Intermediate Pressure, dan Low Pressure ) [1,2,3]. Uap air superheater
yang dihasilkan oleh boiler masuk ke turbin High Pressure (HP), dan keluar pada sisi exhaust menuju ke boiler lagi untuk proses reheater. Uap air yang dipanaskan kembali ini dimasukkan kembali ke turbin uap sisi Intermediate Pressure (IP), dan uap yang keluar dari turbin IP akan langsung masuk ke Turbin Low Pressure (LP). Selanjutnya uap air yang keluar dari turbin LP masuk ke dalam kondenser untuk mengalami proses kondensasi.
Oleh  pihak  suplier yang didukung  oleh  salah  satu  perusahaan  Jepang  harus  diganti, karena  umur pakainya sudah habis. Kendalanya  yaitu untuk pemesanan stud bolt  di janjikan waktu 3 sampai 6 bulan, oleh karena itu pihak industri membuat keputusan harus segera di buat dengan menggunakan bahan baut spindel bol,. dan salah satu stud bolt pada posisi Intermediate Pressur (IP) sudah terjadi patah ketika Stud bolt dibuka, penyebap  terjadinya  patah  kemungkinan  umur  pakainya  sudah  lewat  dan  kemungkinan  temperature  dan pressure (IP) yang lebih  rendah  dari high pressure (HP), lebih  cenderung  terjadi  kondensasi  uap yang mengandung  garam NaCl  sehingga  memicu  terjadinya  korosi, yaitu  kemungkinan  korosi  antar  Kristal (intergranular corrosion), korosi fatigue dan korosi  retak  tegang (stress corrosion cracking) .  Oleh sebab itu untuk mengetahui terjadinya kerusakan atau patah kemudiandilakukan identifikasi dengan melakukan pemeriksaan dan pengujian, meliputi :  pemeriksaan metalografi (microstructure), uji SEM ,uji komposisi kimia, uji fractografi dan uji kekerasan. Mengingat  pentingnya  peranan Stud Bolt tersebut  sebagai  pengikat  antara casing atas  dan casing bawah turbin (lihat  Gamabr.1) dan  untuk  menghindari terjadinya  kerusakan  maka diperlukan estimasi  umur pakainya agar dapat  dilakukan  optimasi  dan  efisiensi  terhadap  operasi  peralatan  tersebut,  disamping integritas dan reliabilitasnya dapat tetap dipertahankan [5,6].
Gambar 1. Posisi stud bolt pada turbin uap [4,5]

## METODOLOGI
Untuk mengganti Stud Bolt perlu diketahui jenis material dan sifat material untuk dilakukan pengujian antara lain uji :metalurgrafi, mikro frctografi,kekerasan, analisa SEM (DX).

## 1. Data teknis stud bolt
O b j e k: Stud Bolt Turbine IP Inner Casing Material          :  Ni Cr Diameter        : 65 mm Panjang          : 602,5 mm Jam Operasi   : 219000  jam  ( ± 25 Tahun)
Gambar 2. Bolt Turbine  No. mengalami crack  seperti ditunjukkan pada lingkaran kuning.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Heru Santosa, Analisa Kerusakan Stud Bolt Turbin Uap 300 MW dan Upaya Pencegahannya

## Keterangan:
1-4  :Lokasi Pengambilan SpesimenUji Metalografi, Kekerasan, dan SEM-EDX. 5      : Lokasi Pengambilan Spesimen Uji Komposisi Kimia.
1      : LokasiDilakukannyaUji Penetrant
2. Uji Visual dan Penetrant Test Pada Bolt Turbin IP Inner Casing
Pengujian Visual dengan berbagai Perbesaran 30x,40x,dan 60 x dilakukan pada 4 titik/lokasi pengamatan meliputi:
a. Spot keliling lokasi terjadinya crack (seperti ditunjukkan Pada Gambar 2 posisi 1,2,3 dan 4 )
b. Lokasi tengah bolt turbin sebagai referensi (seperti ditunjukkan Pada Gambar 2 di posisi 5)

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## III. 1. Observasi foto struktur mikro
Pada gambar 3 ditunjukkan bahwa sampel 1 adalah kondisi patah awal dan sampel 2 adalah kondisi patah akhir. Pada Gambar 4 diperlihatkan posisi pengambilan sampel untuk uji struktur mikro.
Gambar 3. Posisi Pengambilan sampel untuk pemeriksaan struktur mikro
Gambar 4. Posisi Pengambilan sampel untuk pemeriksaan struktur mikro Photo makro Patahan baut turbine material NiCr, luas patah awal ± melebihi ½ diameter dan dilanjut patah kedua dan  patah  akhir  menyisakan  permukaan yang tinggi  dan  banyak  terjadi  retakan di bagian  dalam  maupun di permukaan patahan. Patah awal mulai dari permukaan luar bolt tersebut, menjalar secara cepat ke dalam. Hal ini disebut patah getas over load.
Gambar 5. Patah akhir membentuk sudut 45º
Pada Gambar 5 memperlihatkan patahan patah kedua dan patah akhir . Pada sampel 2 yaitu patah akhir membentuk 45º
Pengamatan dengan mikroskopoptik dengan perbesaran 6 x dan 25 x diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 6. perbesaran gambar 6X dan 25X
Perbesaran  Gambar 6 awal  patah  berupa  patah  getas ( brittel ), terlihat  adanya  jejak SCC ( Stress  Corrosion Crack ) yang bercabang- cabang.

## III.2. Mikrofraktography
Pada Gambar 7 terlihat bahwa  retak  awal  bermula  dari  permukaanluar stud bolt pada area dasar  ulir . Terdapat produk korosi yang mengandung elemen Cl, yang diduga berawal dari lingkaran marine (pinggir laut ) .adanya stress yang tinggidan element Cl pada material austenitic memicu tumbulnya Stress Corrosion Cracking ( SCC ) [11,12]
Gambar. 7  Struktur mikro sampel 1 (daerah awal patah) lokasi 1 di kaki ulir berupa austenitic dan mengalami retak batas butir ( SCCIntergranular).  Etsa: aqua regia
Hasil analisa Makrofraktography diperoleh bahwa :
- Tidak ada ciri –ciri patah fatigue.
- Berupa patah getas (brittel), dengan awal patah didasar ulir yang merupakan lokasi stres raiser.
- Ciri-ciri patah getas yaitu  tidak ada necking.
- Ciri-ciri patah static adalah over loud yaitu berupa chevron pattern yang mengarah pada titik awal patah.
III.3.  AnalisaScanning Electron Microscopy  (SEM)  danEnergy Dispersive Ray Analysis (EDX) Stud Bolt IP Inner casing turbin
Pengujian SEM-EDX dilakukan pada spesimen uji yang berada pada area patahan (Fracture). Hasil dari pengujian ditunjukkan pada Gambar 8 dibawah ini.
Gambar 8. Tampilan Permukaan Patahan (Fraktur) pada spesimen no. 1 sisi dalam terlihat dengan detektor BSE untuk melihat komposisi material
Gambar 9. Hasil difraktogram SEM-EDX sampel 3 pada permukaan sisi luar.
Tabel 1. Hasil komposisi kimia
Elemen % wt. % wt sigma C 64,59 12,04 O 20,84 12,13 Al 1,64 0,93 Si 2,56 1,03 Cl 4,70 1,70 Ti 0,11 0,76 Fe 5,56 3,00 Total 100,0
Berdasarkan hasil uji SEM-EDX seperti diperlihatkan pada Gambar 9 dan tabel 1 diperoleh bahwa : 1. Spesimen 1 pada gambar 11 dengan menggunakan detektor BSE  terlihat patahan yang terjadi merupakan patahan brittle.
2. Spesimen  2 dengan detektor BSE terlihat struktur Ni based alloy dan bukan merupakan ferrite-pearlite akan tetapi merupakan Austenitic.
3. Spesimen 3 menunjukkan timbulnya microcrack akibat   terjadinya serangan SCC yaitu kombinasi ion Chorida dan working stress.
4. Spesimen 4 yang merupakan referensi memperlihatkan material dalam kondisi  baik dimana dengan pengujian EDX hanya terdapat unsur-unsur dari material tersebut.

## III.4. Pengujian Kekerasan Pada Bolt Turbin IP Inner Casing
Uji kekerasan Bolt Turbin IP inner Casing menggunakan alat ujiVickers dilakukan pada spesimen 1 awal patah, spesimen 2 akir patah dan spesimen . Data alat uji kekerasan Vickers:
Nama alat           :  Frank Finotest
Metode Uji        :  Hardness Vickers (HV) Beban ( P )          :  10 Kgf Sudut Identor      :   136° Waktu Uji           :    15 detik Temperatur Uji   :   28°C Standar Uji          :  SNI 19-0409-1989
Pada Tabel 2 diperlihatkan hasil pengujian kekerasan vickers Bolt turbin IP inner casing pada spesimen 1 dan 2.
Tabel 2. Hasil uji kekerasan Bolt turbin IP inner Casing spesimen 1
Hasil dari pengujian kekerasan, bahwa pada spesimen 1 dan 2  dimana nilai kekerasan masih sesuai dengan nilai standar jika dibandingkan dengan standar material SA-453 M  Gr. 665 class A sebesar 328 - 410 HV (maks). Namun nilai kekerasannya masih mendekati spesifikasinya. Posisi pengambilan sampel untuk uji kekerasan vickers  di tunjukkan pada Gambar 10 sebagai berikut.
Gambar 10. (a) Sampel 1 lokasi patah awal, (b) lokasi patah akhir

## III. 5.PengujianKomposisi Kimia Stud Bolt
Hasil analisa komposisi kimia dari material Bolt Turbine IP Inner Casing  diperlihatkan pada Tabel 3  di bawah ini.
Kode Nilai Kekerasan ( HV ) Spesimen 1 ( awalpatah ) Spesimen 2 ( akhirpatah ) Standar ASME SA-453 M Class 1 Bolt Turbin IP Inner Casing 297 367 328 – 410 HV ( Maksimum ) 322 367 333 302 312 317 306 306 327 298 Rata-rata 316,6 326,1
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Heru Santosa, Analisa Kerusakan Stud Bolt Turbin Uap 300 MW dan Upaya Pencegahannya
Tabel 3. Hasil analisa komposisi kimia pada material Bolt Turbine IP Inner Casing
Pengujian  komposisi  kimia  pada material Bolt Turbine IP Inner Casing, dilakukan  menggunakan Spark Optical Emission Spectroscopy dengan Standard ASME SA-453 M dan ASTM A 193. Pengujian ini untuk mengetahui unsure kimia penyusun dari material Bolt turbine. Hasil nya sebagai berikut: turbin Inner Casing berdasarkan data hasil Tabel 1, material Stud Bolt Turbin tersebut adalah Ni based Alloy. Dengan hasil Pengujian komposisi kimia dan PMI kandungan Ni sebesar 34.5 - 35.5 %.,dengan Cr sebesar 14.8 - 16.6 %.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  analisa  dan  pembahasan  pada BAB IV dapat  diambil  beberapa  kesimpulan  sebagai berikut:
a. Secara visual pada area kerusakan seperti ditunjukkan pada Gambar stud bolt 1.3, teramati dinding Stud Bolt mengalami patah getas yang diindikasikan karena overload pada saat pengencangan Stud bolt .
b. Dari hasil pengamatan pengujian, struktur mikro stud bolt menunjukkan bahwa stud bolt sudah mengalami cracking  sebelum terjadinya patah yang disebabkan adanya serangan SCC yang diduga Corodant tersebut adalah ion Cl -
c. Dari hasil  pengamatan  mikro  antara  specimen  uji  pada  lokasi  pecah  (spesimen1,2  dan 3)  serta specimen  ujung  tube (spesiment 4)  sebagai  referensi. Terjadinya  Serangan Stress corrosion cracking (SCC) menyebabkan stud bolt tersebut berkurang kekuatannya secara signifikan,   sehingga saat  dilakukan  pengencangan  dengan  beban torsi yang sama  terjadi  patah  getas.  Pada  saat maintenance semua  baut  harus  diperiksa  dengan   penetrant   test (PT   Fluorescent),   untuk mendeteksi dini kemungkinan adanya SCC.
d. Hasil uji kekerasan pada spesimen 1dan 2  dimana nilai kekerasan masih sesuai dengan nilai standar jika dibandingkan dengan standar material SA-453 M  Gr. 665 class A sebesar 328 - 410 HV (maks). Namun nilai kekerasannya masih mendekati spesifikasinya.
No. Unsur Komposisi Kimia PMI Positive material identivication Standar A- 193 Grade 1D Standar SA- 453M Grade 655 1 C 0.028 0.0262 0.08max 0.08max 2 Si 0.258 0.248 0.030max 0.10-0.80 3 S <0.0001 <0.0001 0.045max 0.030max 4 P 0.432 <0.0001 2.00max 0,040max 6 Mn 0.432 0.431 10.0-14.0 1.25-2.00 7 Ni 34.5 35.5 16.0-18.0 24.0-28.0 8 Cr 16.6 14.8 1.25-2.2 9 Mo 0.0763 2.67 0.25 10 V 0.254 0.132 11 Cu 0.0763 0.0746 0.25max 12 W 0.0254 0.281 13 Ti 0.26 2.25 2.70-3.30 14 Sn 0.0001 <0.0058 15 Al 0.187 0.177 0.25max 16 Pb <0.001 <0.0001 17 Nb 0.0691 0.08 18 Zr 0.0045 0.0409 19 Zn <0.0001 <0.0001 20 Fe 25 25.6 21 Co 17.4 18.1
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2020 Heru Santosa, Analisa Kerusakan Stud Bolt Turbin Uap 300 MW dan Upaya Pencegahannya

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Daryanto, IlmuMetalurgy. Satunusa, Bandung, Oktober 2010
[2]. Anrinal, Metalurgifisik , Andi, Padang, Februari 2013
[3]. Kenji chi jiiwa, Tata Surdia , Teknikpengecoranlogam, Balaipustaka, Bandung, November 1986
[4]. D,N. Adnyana, Struktur dan Sifat Mekanis Material Logam , Diktat Mata Kuliah Program Pasca Sarjana (S2) ISTN Jakarta, 2003.
[5]. Christopher J, Mc Cauley, Machinery's Handbook , 29th Edition, 2012
[6]. Japanes Standards Association, Ferrous Material & Metalurgy , JIS Hanbook, Japan 2007
[7]. J.P. Holman, “PerpindahanKalor” Erlangga, 1993
[8]. KARL-ERIC, T., Steel and Its HeatTreatment , 2nd ed , Buffer Warth& Co Boston, London 1994.
[9]. Stephen I Karsay, Ductile Iron II , Quebec Iron and Titanium Corporation, Canada 1997
[10].Andrew KS Jardine, Albert H.C Tsang, Maintenance, Replacement and Reliability , CRC Press, 2006.
[11].Jhon Moubray, Reliability Centered Maintenance , 2nd, Industrial Press Inc,1997
[12].D. Deutschman,E.Wilson, J. Micles, MachiedesignTheory and Practice, Macmillon Publishing CO,Inc,
New York.