## PREDIKSI TEMPERATUR OPERASIONAL TUBE HEATER PADA UNIT PENGOLAHAN MINYAK MENTAH AGAR MENCAPAI UMUR OPERASI 100.000 JAM
Hadi Sunandrio 1) , Rinaldi 2)
1 Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur (B2TKS) - BPP Teknologi Kawasan PUSPIPTEK - Setu - Tangerang Selatan 15314 - Banten
2 Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Pekanbaru
E-mail : hadisunandrio@yahoo.com rinaldiyds@gmail.com

## Abstrak
Keberadaan Tube  Reformer yang  digunakan  pada  unit  pengolahan  minyak  atau  industri  petrokimia  yang  ada  di Indonesia sudah  mendekati batas umur disain, bahkan sudah ada  yang diganti. Salah satu Tube Reformer yang telah dioperasikan selama  ±  25  tahun akan  diprediksi  umur  sisanya.  Karena  pada  saat  dilakukan  pemeriksaan  in-situ metalografi  didapat  struktur  mikro  yang  telah  mengalami  kerusakan  berupa creep  void stadium  2 (menurut  standard TRD  508-ERA Technology ) dan  dianjurkan  untuk  dilakukan  Pengujian  Mulur ( Stress  Rupture  Test/Creep  Test ) di laboratorium, untuk memprediksi sisa umur pakai dari Tube Reformer tersebut. Pada tulisan ini akan disajikan suatu hasil  pengujian creep dari Tube  Reformer ,  yang  kemudian  diekstrapolasi  sehingga  menghasilkan  grafik  LMP  vs Tegangan,  yang  merupakan  kombinasi  tiga  parameter  yaitu  waktu  ( time  to  rupture ),  logaritma  tegangan  dan  suhu operasi  menjadi satu  kurva  yang disebut Kurva Master Larson-Miller Parameter (LMP Master  Curve ). Selanjutnya parameter  ini  dapat  digunakan  untuk  menghitung  sisa  umur  material  yang  dioperasikan  pada  suhu  tinggi  digunakan persamaan Larson-Miller Parameter (LMP)
Kata Kunci : Reformer Tube , Pengujian Creep , Larson-Miller Parameter, Umur Sisa

## Abstract
Tube  reformer  which  is  used  on  oil  and  petrochemical  industry  In  Indonesia  already  used  until  its  time  limit. Moreover  some  are  already  replaced  by  the  new  one.  One  of  Tube  reformer  has  been  used  for  25  years.  It  will  be predicted  the  remaining  life.  The  result  of  in  situ  metallography  shows  stadium  2  void  (based  on  TDR  508 – ERA Technology).  In  order  to  know  the  remaining  life  of  the  material  then  creep  test  on  tube  reformer  was recommended.On  this  paper,  the  tube  reformer  creep  test  result  was  exptrapolated  to  get  LMP  graph versus  stress which is combination of three parameters time(time to rupture), stress logaritmic and Operation temperature in one curve  called  master  Larson-Miller  Parameter  (LMP  Master  Curve).Then  this  parameter  is  used  to  calculate  the reamining life of tube reformer on high temperature, It was used Larson - Miller Parameter equation.
Keywords : Reformer Tubes, Creep Test, Larson-Miller Parameter,Remaining Life

## 1. Pendahuluan
Dalam mendisain suatu tube yang beroperasi pada suhu  tinggi  umumnya  umur  operasinya  adalah 100.000  jam    (11,57  tahun)  dan  tentunya  harus
dioperasikan  dalam  kondisi  aman.  Akan  tetapi pada  kenyataannya  banyak  t ube yang  mengalami pecah  sebelum  umur  operasinya  tercapai,  se- hingga  mengakibatkan  kerugian  dan  kecelakaan yang cukup besar.
Oleh    karena    itu    untuk    mengantisipasi  hal tersebut,    maka  perhatian    industriawan  yang bergerak  dalam  bidang  perminyakan      atau petrokimia keamanan  dan  kelayakan  operasi terhadap suatu peralatan atau komponen, berkembang    kearah    tinjauan  terhadap  umur operasi agar mencapai 100.000 jam.
Untuk  mengoptimalkan    umur    operasi  agar mencapai      100.000  jam    pada      salah      satu komponen Hydrocrbon      Plant di        Unit Pengolahan    Minyak Mentah yaitu Tube Heater , tentunya  harus  mengikuti  tata  cara  pengoperasian peralatan  tersebut  yang  telah    dicantumkan    pada Standard      Ope    rational    Procedure    (SOP). Tata  cara  ini  harus  dilaksanakan  sebaik-baiknya, dan  tentunya  dengan  dukungan  alat  kontrol  suhu, tekanan dan gaya yang benar dan akurat.
Kemudian untuk  mengkaji  dan  mengetahui  umur operasi dari Tube Heater dibutuhkan suatu teknik yang  sudah  standar  dan  diakui,  agar  hasil pengkajiannya lebih akurat dan terpercaya.
Kerusakan akibat suhu tinggi dalam kurun waktu yang  cukup  lama,  tanpa  adanya  kesalahan pengoperasian  ( SOP ),  biasanya  terjadi  akibat pengaruh creep atau mulur.
Tube  Heater akan  terdeformasi  secara  kontinu dan  perlahan-lahan  dalam  kurun  waktu  yang lama,  apabila  dibebani  secara  tetap.  Laju regangan creep tergantung  pada  waktu  dan  suhu serta pembebanan yang konstan.
Proses  kerusakan  akibat creep juga  dapat  terjadi pada  suhu  rendah,  akan  tetapi  yang  sangat menyolok  terjadi  pada  suhu  tinggi  atau  yang mendekati  suhu  cair  suatu  bahan.  Proses kerusakan creep pada bahan biasanya terjadi pada suhu  yang  berada  pada  0,4  ÷  0,5  kali  titik  cair dalam  derajat  kelvin  atau  biasanya  dinyatakan dengan  0,4  ÷  0,5  Tm  dan  terjadi  akibat  adanya peregangan butiran atau struktur pada suhu tinggi dalam waktu yang lama pada kondisi pembebanan konstan.
Untuk  bahan tube  heater laju  regangan  mulur yang  dipersyaratkan  sebesar  1%  untuk  setiap 100.000 jam operasi.

## 2. Metode Penelitan
Tube Heater yang  akan  diprediksi temperature operasinya    agar    mencapai    100.000    jam menggunakan  bahan  /  material  ASTM  A  335 Grade  P5,    dengan    data    pendukung  sebagai berikut :
O b j e k : Tube Heater Service : Hydrocarbon OD Tube : 152.4 mm Tebal Tube : 6 mm Tube Skin Temp. ( design ) : 440 °C Temp.Operasi Maks. ( actual ) : 525 °C Design Pressure : 21 kg/cm 2
Metode      penelitian      untuk    pengkajian    umur operasi tube heater meliputi:
1.  Mengidentifikasi  material tube  heater apakah telah  sesuai  dengan  material  ASTM  A  335 Grade  P5 “Seamless  Ferritic  Alloy  Steel  Pipe for  High  Temperature  Service” ,  dengan  cara melakukan :pemeriksaan  metalografi  (struktur mikro), komposisi kimia, uji kekerasan dan uji tarik.
a. Pemeriksaan  Metalografi  (struktur  mikro) m e n g g u n a k a n m i k r o s k o p o p t i k “Metalloplan”  (mengacu  pada  ASTM  E 407).
b. Pemeriksaan  Komposisi  Kimia  mengguna- kan alat “OES Metorex Arc-Met 930” (mengacu pada ASTM A 751).
c. Pengujian Kekerasan  menggunakan  alat “Frank  Welltest” (mengacu  pada  SNI  19- 0406).
d. Pengujian Tarik menggunakan mesin “UPM 1000” (mengacu  pada  SNI  07-0408) : Untuk  mendapatkan  nilai  kuat  tarik  pada temperatur  ruang  dan  temperatur  525  °C yang  datanya  akan  digunakan  pada  saat pengujian creep.
2.  Pengujian Mulur (Stress  Rupture  Test  /  Creep Test) menggunakan  mesin  Creep  :  Untuk mendapatkan  nilai  kombinasi  tiga  parameter yaitu  waktu (time  to  rupture) ,  logaritma tegangan  dan  suhu  operasi  menjadi  satu  kurva yang  disebut  Kurva  Master Larson - Miller
Parameter ( LMP Master Curve ). Dari parameter  tersebut  nantinya  akan  dapat digunakan  untuk  memprediksi  temperatur operasional Tube  Heater agar  mencapai  umur operasi 100.000 jam.
Gambar 1. Sampel Tube Heater yang digunakan untuk pemeriksaan struktur mikro, analisa komposisi kimia, uji kekerasan, uji tarik dan pengujian creep.
Proses pengkajian umur operasi dengan teknik uji merusak,    dilakukan      dengan  memotong tube , kemudian        dibuat        benda    uji  sesuai  dengan standar mesin uji creep (lihat Gambar 2).
Gambar 2. Dimensi benda uji berdasarkan standar mesin uji creep .
Benda  uji  yang  telah  selesai  dibuat,  kemudian diuji  dengan  menggunakan  mesin  uji creep (gambar  3),  dengan  jumlah  benda  uji  minimal  5 sampel.
Gambar 3. Bentuk mesin uji creep yang ada di B2TKS – BPPT
Pada saat pengujian, data yang dibutuhkan adalah suhu, dan beban pengujian. Sebelum pembebanan dilakukan,    benda  uji  harus  dipanaskan  hingga
mencapai  suhu  konstan  selama  24  jam  (sesuai standar ASTM E139-70).
Untuk  memprediksi  umur  operasi tube  heater , salah  satu  cara  yang  terbaik  atau  yang  sering digunakan adalah dengan menggunakan
persamaan “ Larson-Miller ” Parameter (LMP) . Dari persamaan ini dapat dengan mudah dihitung umur  operasi tube  heater ,  melalui kurva  master LMP vs log.s (tegangan).
LMP = (T 0 C + 273)(C + log t r )10 -3 (1)
Persamaan  Larson-Miller  Parameter  dikembang- kan  berdasarkan  penjabaran  lebih  lanjut  dari persamaan  laju  tipe Arhenius ,  yang  menyatakan bahwa creep merupakan  proses  aktivasi  tunggal yang terjadi pada suhu antara 0,4 ÷ 0,5 T m .
Menurut Larson-Miller Konstanta C
merupakan  hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa nilai  C  berkisar  antara  15  sampai  dengan  30, tergantung pada jenis bahan yang digunakan atau yang  dipakai,  dan  berdasarkan  standar  “ API Recommended  Practice 530”,  ditetapkan  bahwa untuk baja Carbon Steel nilai C = 20.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Adapun pemeriksaan dan pengujian yang dilakukan  terhadap Tube  Heater meliputi  : pemeriksaan metalografi (struktur mikro), pemeriksaan  komposisi  kimia,  uji  kekerasan,  uji tarik  dan  uji creep. Data  dari  hasil  pemeriksaan dan  pengujian  tersebut  nantinya  akan  dapat digunakan  untuk  mengidentifikasi  material tube heater ,  apakah  telah  sesuai  dengan  material ASTM A 335 Grade P5.
Sedangkan  data  dari  hasil  uji creep dapat digunakan untuk memprediksi umur operasi Tube Heater agar mencapai 100.000 jam.

## 3.1 Hasil Pemeriksaan Metalografi
Hasil  pemeriksaan  metalografi  baik  itu  pada bagian  luar,  tengah  maupun  dalam Tube Heater pada  potongan  melintang  adalah  berupa ferit dan perlit.

## Gambar 4. Struktur mikro potongan melintang
Tube Heater dibagian luar berupa ferit (putih) dan perlit (hitam). Perbesaran :200X. Etsa :Nital 2%.
Gambar 5. Struktur mikro potongan melintang Tube Heater dibagian tengah berupa ferit (putih) dan perlit (hitam). Perbesaran :200X. Etsa :Nital 2%.
Gambar 6. Struktur mikro potongan melintang Tube Heater dibagian dalam berupa ferit (putih) dan perlit (hitam). Perbesaran : 200X. Etsa :Nital 2%.

## 3.2 Hasil Analisa Komposisi Kimia
Hasil analisa komposisi kimia pada material Tube Heater dapat dilihat pada tabel 1 di bawah ini :
Tabel 1. Hasil Analisa Komposisi Kimia
Element Chemical Composition (wt %) Tube ASTM A 335 - P5 C 0.06 0.15 (max.) Si 0.26 0.50 (max.) Mn 0.42 0.30 - 0.60 Cr 4.28 4.00 - 6.00 Mo 0.48 0.45 - 0.65 S 0.005 0.025 (max.) P 0.015 0.025 (max.)
Sumber Data :
Hasil  pengujian  dengan  menggunakan  alat  OES  Me- torex Arc-Met SP 930

## 3.3  Hasil Pengujian Kekerasan
Hasil    uji  kekerasan  pada  material Tube  Heater dapat dilihat pada tabel 2 di bawah ini :
Tabel 2. Hasil Uji Kekerasan No. Nilai Kekerasan (HV) Tube ASTM A 335 Grd P5 1 129 130 HV (karena pada standard tidak dicantumkan, maka nilai kekerasan didapat dari hasil konversi nilai uji tarik) 2 126 3 127 4 128 5 127
Sumber Data : Hasil pengujian dengan menggunakan alat Frank

## 3.4 Pengujian Tarik
Hasil uji tarik terhadap material Tube Heater dapat dilihat pada tabel 3 di bawah ini :
Dari  hasil  pemeriksaan  metalografi  (struktur mikro)      terhadap      potongan      melintang    pada diameter  luar,  bagian  tengah  dan  diameter  dalam Tube Heater adalah berupa ferit dan perlit.
Hasil pemeriksaan komposisi kimia, uji kekerasan dan uji tarik terhadap material Tube Heater , sesuai dengan standard ASTM A 335 Grade P5. Berdasarkan hasil pengujian creep yang disajikan pada  tabel,  kemudian  diekstrapolasi  sehingga menghasilkan  grafik  LMP  vs  Tegangan,  seperti ditunjukkan  pada  gambar  7,  yang  merupakan kombinasi  tiga  parameter  yaitu  waktu  ( time  to rupture ),  logaritma  tegangan  dan  suhu  operasi menjadi  satu  kurva  yang  disebut  Kurva Master Larson-Miller Parameter ( LMP Master Curve ).
Larson-Miller Parameter , merupakan suatu persamaan    yang    menghubungkan    antara    suhu operasi ( T ) dengan umur ( time to rupture = t r ) dan secara  empiris  dikemukakan  oleh Larson-Miller . Parameter  ini  dapat  digunakan  untuk  menghitung umur    operasi  material  yang  dioperasikan  pada suhu  tinggi  dengan  cara  mengekstrapolasikan data    hasil      pengujian accelerated  creep dan memotongkan  data  hasil  perhitungan  tegangan nominal dalam master curve LMP.
Proses  ekstrapolasi  pada  kurva  tersebut  harus tetap dilakukan bila ingin menghitung kemungkinan  umur  operasi  suatu tube yang dioperasikan  pada  suhu      tinggi,      mengingat bahwa    umur    operasi  suatu tube adalah  100.000 jam  pada  tegangan atau tekanan disain yang telah ditentukan,  dan  pada  saat  pengujian  dilakukan percepatan  kerusakan creep ( accelerated  creep test ),  yaitu  dengan  pembebanan  atau  pemberian tegangan  yang  jauh  lebih  besar  dari  tegangan disain  dan  diusahakan  waktu  pengujiannya sependek mungkin, tapi tetap representatif.
Hasil  ekstrapolasi  ini  kemudian  dipotongkan dengan  nilai  tegangan  nominal  yang  dihitung berdasarkan  rumus  tercantum  pada  standar  API 530 adalah sebagai berikut :
Diketahui  :
Pressure
: 21 kg/cm 2  2.059 MPa Temperature : 440 °C Outside Diameter (OD) : 152.4 mm Inside Diameter (ID) : 140.4 mm Thickness (t) : 6 mm
Tabel 3. Hasil Uji Tarik Kondisi Pengujian Hasil Pengujia n (MPa) Standard ASTM A 335 - P5 Temperatur Ruang Yield Strength (y) 242 205 (min.) Tensile Stress (u) 464 415 (min.) Temperatur 525 °C Tensile Stress (u) 356
Sumber Data : Hasil pengujian dengan menggunakan alat UPM 1000

## 3.5 Pengujian Creep
Hasil pengujian creep terhadap material Tube Heater dapat dilihat pada tabel 4 di bawah ini :
Tabel 4. Hasil Uji Creep dan Perhitungan LMP
No Do (mm ) Temp. ( o C ) Tegangan ( MPa ) LMP 1 2.88 450 421.78 15.32 2 3.10 500 323.70 16.26 3 3.13 550 280.79 16.75 4 3.14 600 192.64 17.42 5 3.17 650 132.28 18.18 Gambar 7. Grafik LMP vs Tegangan Hasil Pengujian Creep Tube Heater
Perhitungan stress yang terjadi adalah :
Kemudian        untuk      menjamin      keakuratan perhitungan  kemungkinan  umur  operasi,  maka tegangan  nominal  hasil  perhitungan  (25.12  MPa) dikalikan  dengan  factor  keamanan  ( safety  factor ) sebesar 1,6 dan hasilnya adalah 40.19 MPa. Faktor  ini  merupakan  akumulasi  terjadinya  fraksi umur  ( life  fraction )  akibat  pengaruh  korosi, oksidasi,  dan  karburisasi  yang  akan  dialami  oleh tube tersebut pada saat beroperasi.
Akan tetapi faktor ini tidak mempunyai kontribusi dengan  kesalahan  operasional,  misalnya  terjadi pendinginan  yang  sangat  cepat  pada  saat  di  stop,
adanya hot  spot pada  titik  tertentu  dalam furnace akibat  kontrol  yang  kurang  memadai,  dan  laju pemanasan  yang  sangat  cepat  pada  saat  di start- up .
Hasil  perpotongan  antara  garis  tegangan  dan grafik  hasil  pengujian  kemudian  ditarik  garis  ke arah  sumbu  X  (lihat  gambar  7  dan  gambar  8, Grafik  PLM  vs  Tegangan),  maka  diketahui  nilai PLM adalah : 20,32
MPa x t t D P o 12 , 25 6 2 ) 6 4 . 152 ( 059 . 2 2 (      
Tabel 5. Perhitungan Estimasi Umur OperasiTube(untuk tegangan aktual operasi)
No Temp. Tegangan PLM Prediksi Umur ( Jam ) ( Bulan ) ( Tahun ) 1 450 25,12 20,32 127.384.787,10 176.923,32 14.743,61 2 475 25,12 20,32 14.647,901,17 20.344.31 1.695,36 3 500 25,12 20,32 1.937.281,62 2.690,67 224,22 4 520 25,12 20,32 420.931,91 584,63 48,72 5 530 25,12 20,32 201.885,84 280,40 23,37 6 550 25,12 20,32 48.995,70 68,05 5,67 7 575 25,12 20,32 9.167,78 12,73 1,06 8 600 25,12 20,32 1.888,25 2,62 0,22 9 625 25,12 20,32 424,68 0,59 0,05 10 650 25,12 20,32 103,55 0,14 0,01
No Temp. Tegangan x PLM Prediksi Umur ( Jam ) ( Bulan ) ( Tahun ) 1 450 40,19 19,825 26.331.176,41 36.571,08 3.047,59 2 475 40,19 19,825 3.191.616,45 4.432,80 369,40 3 500 40,19 19,825 443.435,57 615,88 51,32 4 520 40,19 19,825 100.000,00 138,89 11,57 5 530 40,19 19,825 48.827,84 67,82 5,65 6 550 40,19 19,825 12.265,91 17,04 0.40 7 575 40,19 19,825 2.390,77 3,32 0,28 8 600 40,19 19,825 511,74 0,71 0,06 9 625 40,19 19,825 119,35 0,17 0.01 10 650 40,19 19,825 30,12 0.04 0,00
Tabel 6. Perhitungan Estimasi Umur Operasi Tube (untuk tegangan dengan faktor keamanan 1,6)

## 4 . Kesimpulan
1. Dari hasil pemeriksaan metallography (struktur mikro),  pengujian  komposisi  kimia,  pengujian kekerasan dan pengujian tarik statis menunjukkan  bahwa  material Tube  Heater memenuhi      spesifikasi      standard  material ASTM A 335 Grade P5.
2.  Dari  hasil  pengujian creep pada  material Tube Heater didapat  kurva master  Larson-Miller Parameter (LMP)  v.s  Tegangan.  Dari  hasil proses  ekstrapolasi  terhadap  grafik  LMP  v.s Tegangan,  maka  didapat  tabel  6  dan  tabel  7 yang  merupakan  perkiraan  umur  operasi  dari Tube Heater.
3.  Dari  hasil  perhitungan  maka  dapat  diprediksi bahwa  umur  operasi  dari Tube  Heater akan mencapai 100.000   jam   dengan   faktor kea- manan (safety factor) sebesar 1,6 dan tekanan
operasi  sebesar  21  kg/cm 2 ,  bila  dioperasikan pada temperatur 520°C (lihat Gambar 8).

## Daftar Acuan
[1]  Annual  Book  of  ASTM  Standards  Volume 01.01  A  335,  2006, “Standard  Specification for  Seamless  Ferritic  Alloy  Steel  Pipe  for High Temperature Service” , American
Society for Testing and Materials, 1916 Race St, Philadelphia.
[2]  Annual  Book  of  ASTMStandards  Volume 03.01  E  139,  2006, “Standard  Test  Methods of  Conducting  Creep,  Creep-Rupture  and Stress- Rupture  Test  of  Metallic  Materials” , American  Society  for  Testing  and  Materials,
1916 Race St, Philadelphia.
[3] API Recommended Practice 530,
2004, ”Recomended  Practice  for  Calculation of Heater Tube Thickness in Petroleum Refin- eries” , Washington, D.C.
[4] B.J Cane and John W.,1992, “Remaining Life Assesment  Seminar” ,  ERA  Technology Leatherhead-UK.
[5] George  E.  Dieter,  1988,"Mechanical  Metal- lurgy" , Mc. Graw-Hill Book Company, New York.
[6] Garofalo,  Frank,  1995 , “Fundamental  of Creep  and  Creep  Rupter  in  Metal” ,  Mac millan, New York
Berikut  Grafik Prediksi Umur Operasi Tube Heater Ø 6” Sch. 40
Gambar 8. Grafik Perkiraan Umur Pakai Tube 212 -H- 2/3 OD 6”
[7] Haryadi,  Mukson,  1990, “Penerapan   Metoda
RLA Terhadap Komponen Kritis dari Refinery / Petrochemical  Plant” ,  Bimbingan  Keahlian Teknik Inspeksi Lanjutan,.
[8] Japan  Mech.  Eng,  Assc.  1993, "Tecnique  for Remaining    Life    Assessment" ,        Gihodo Publisher, Tokyo
[9] J.M Bear, and A Akermad, 1998, “Probabilistic Remanent  Life  Assesment  of    Platformer  Fired
Heater Tubes” , Final Report.
[10]  R.  Viswanathan,  1993, “Damage  Mechanisms and  Life  Assessment  of  High-Temperature Components” , ASM International, Matals Park, Ohio.

## Riwayat Penulis
Hadi  Sunandrio ,  lahir  di  Jakarta,  06-11-1960. Menamatkan  pendidikan  S1  Jurusan  Teknik  Mesin di  Universitas  Indonesia.  Menamatkan  S2  Jurusan Teknik Mesin Bidang Manufaktur di ISTN. Bekerja sebagai  Peneliti  bidang  Material  di  B2TKS  BPP Teknologi    dari    Tahun    1988    sampai  sekarang. mendalami  keahlian  di  bidang  Metalurgi,  Analisis Kerusakan  ( Failure  Analysis )  dan  Penentuan  Sisa Umur ( Remaining Life Assessment ) komponen.
Rinaldi ,    lahir  di  Kampung  Dalam,  25-08-1972, Pendidikan  S1  di  Universitas  Negeri  Padang  (UNP) Jurusan    Teknik        Mesin    Tamat    Tahun    1996. Pendidikan  S2  di  ISTN,  Jurusan  Teknik  Mesin Bidang Engineering  Product  And  Manufacture, tamat tahun 2003. Bekerja sebagai Dosen Tetap Pada Sekolah Tinggi Teknologi Pekanbaru, Program Studi S1 Teknik Mesin.