## ANALISA KEGAGALAN MATERIAL SA-210C PADA APLIKASI BOILER STEAM PIPE
Andi Rinaldi Hasan
Pasca Sarjana Teknik Mesin Universitas Trisakti Email : andi.rinaldi@indonesiapower.co.id

## Abstract
The purpose of this study was to determine the cause of pipe failure in super saturated area boilers. The  research  method  begins  with  the  collection  of  chronological  data  on  material  failure,  operating data collection and material sampling. After material sampling is carried out, photos of failed material are  subsequently  carried  out, thickness measurements,  hardness  testing,  metallographic  testing  and internal  pipe  pressure  calculations.  The  results  showed  that  the  outside  of  the  pipe  had  erosion corrosion due to a reduction in thickness of the pipe, especially location 1. Thickening was caused by high pressure auxiliary steam bursts from the sootblower equipment which lasted for a long time at the pipe surface, resulting in Fe + O FeO reaction. FeO formed at the  beginning will be released due to high-pressure auxiliary steam bursts and at the same time the auxiliary steam burst reacts chemically again  to  form  FeO.  Because  of  the  repeated  processes,  the  pipe  thickness  slowly  decreases.  As  a result of the depletion, the pipe reaches a critical value so it is unable to withstand the pressure from the  pipe  and  eventually  fails.  The  failure  factor, supported  by  some  data  on  boiler  water  quality  and continuous  operating  pressure  from  sootblower  that  affect  erosion  corrosion.  Changes  in microstructure  also  affect the  decrease  in  hardness  in  the  material which  can  be  seen  from the size and shape of the grain.
Keywords: steam  boilers,  failure,  erosion  corrosion,  material  testing,  permissible  pipe  internal pressure calculation

## Abstrak
Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  penyebab  kegagalan  pipa  pada  ketel  uap  daerah super jenuh (superheat). Metode penelitian diawali dengan pengumpulan data kronologi kegagalan material,  pengumpulan  data  operasi  dan  pengambilan  sampel  material.  Setelah  pengambilan sampel  material  dilakukan,  untuk  selanjutnya  dilakukan  foto  fisik  material  gagal,  pengukuran ketebalan, pengujian kekerasan, pengujian metalografi dan perhitungan tekanan internal pipa. Hasil penelitian menunjukkan, bagian luar pipa telah mengalami korosi erosi karena adanya pengurangan ketebalan  pada  pipa,  terutama  lokasi  1.  Pengurangan  ketebalan  disebabkan  semburan  uap  bantu bertekanan tinggi dari peralatan sootblower yang berlangsung lama pada permukaan pipa dilokasi 1, sehingga  menghasilkan  reaksi  Fe  +  O  FeO.  FeO  yang  terbentuk  diawal  akan  terlepas  akibat semburan  uap  bantu  bertekanan  tinggi  dan  pada  saat  yang  sama  semburan  uap  bantu  bereaksi kimia  kembali  membentuk  FeO.  Karena  proses  yang  berulang-ulang,  maka  secara  perlahan ketebalan  pipa  berkurang.  Akibat  penipisan  tersebut,  pipa  mencapai  nilai  kritis  sehingga  tidak mampu  menahan  tekanan  dari  dalam  pipa  dan  akhirnya  mengalami  kegagalan/  pecah.  Faktor kegagalan  tersebut,  didukung  dengan  beberapa  data  kualitas  air  ketel  uap  dan  tekanan  operasi terus  menerus  dari  sootblower  yang  mempengaruhi  terjadinya  korosi  erosi.  Perubahan  struktur mikro juga berpengaruh terhadap penurunan kekerasan pada material yang dapat dilihat dari ukuran dan bentuk butir.
Kata  kunci :  ketel  uap,  kegagalan,  korosi  erosi,  pengujian  material,  perhitungan  tekanan internal pipa yang diizinkan

## Pendahuluan
Saat  ini  Indonesia  mengalami  permasalahn  energi  yang  cukup  serius,  antara  lain kurangnya  pasokan  listrik.  Hal  ini  menyebabkan  seringnya  pemadaman  bergilir  yang terjadi, terutama diluar pulau Jawa. Terus meningkatnya kebutuhan listrik Indonesia terjadi sejalan  dengan  peningkatan  pertumbuhan  ekonomi  nasional,  dengan  perkiraan pertumbuhan  mencapai  7,3%  pertahun  selama  10  tahun,  terhitung  dari  2009-2019 [Muchlis, 2004] .
Sementara itu  potensi batubara  Indonesia sebagai bahan bakar pembangkit sekitar 105  milyar  ton,  namun  60%  (54,6  milyar  ton)  adalah  batubara  muda  yang  memiliki  nilai kalor  rendah dengan  nilai  kalori ≤  4000  kkal/kg. Pemanfaatan  langsung  batubara  jenis  ini
Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics ISSN: 2527-6212, Vol. 3 No. 1 © 2018 Pres Univ Press Publication, Indonesia
sebagai  bahan  bakar  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Uap  (PLTU)  akan  sangat  mahal  karena membutuhkan  ukuran  ketel  uap  ( boiler )  yang  lebih  besar  sebagai  pembangkit  listrik. Disamping  itu  juga  akan  dihasilkan  emisi  CO2  yang  jauh  lebih  besar  per  kilowatt  energi output dibandingkan dengan batubara kalori menengah atau dengan batubara kalori tinggi.
Sejalan  dengan  komitmen  pemerintah  untuk  meningkatkan  taraf  kehidupan  rakyat melalui  suplai  energi  listrik  yang  andal,  murah  dan  menyeluruh,  maka  pada  tahun  2006 telah dikeluarkan Peraturan Presiden No. 71 yang menugaskan Perusahaan Listrik Negara (PLN) untuk membangun pembangkit listrik dengan Jalur Program Percepatan 10,000 MW tahap-1 dan 10,000 MW tahap-2. Pada pembangunan tahap-1, secara keseluruhan terdiri dari  PLTU  berbahan  bakar  batubara,  sedangkan  tahap-2  didominasi  pembangunan pembangkit  listrik  energi  terbaharukan,  yakni  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Panas  bumi (PLTP), Pembangkit Listrik Tenaga Gas-Uap (PLTGU) dan Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA).
PLTU  Lontar,  merupakan  salah  satu  proyek  pembangunan  PLTU  tahap-1  dengan desain  dan  manufaktur  ketel  uap  berasal  dari  Cina.  Permasalahan  yang  sering  dijumpai pada  ketel  uap  ditemukannya  kebocoran  pipa  pada  ketel  uap  tersebut.  Penelitian  ini dilakukan untuk analisa kegagalan yang terjadi disalah satu unit PLTU Lontar tersebut.

## Bahan Dan Metoda

## 2.1. Diskripsi Objek Studi Ketel Uap Dengan Kapasitas 300 MW.
Gambar 1 memperlihatkan bagian-bagian ketel uap dengan kapasitas 300 MW sesuai desain.
Gambar 1. Bagian-bagian ketel uap dengan kapasitas 300 MW (Design Case)
Siklus yang terjadi pada PLTU ini adalah sebagai berikut.
Uap  hasil  produksi  boiler  dengan  temperatur  dan  tekanan  tertentu  digunakan  untuk memutar  turbin  uap  sehingga  menghasilkan  daya  mekanik  dan  selanjutnya  dikopel langsung dengan generator listrik. Terdapat 3 tingkat turbin uap yaitu turbin tekanan tinggi (HPT), turbin tekanan menengah (IPT) dan turbin tekanan rendah (LPT). Uap  panas dari boiler  pertama  kali  digunakan  untuk  memutar  HPT.  Setelah  keluar  dari  HPT  uap  panas dipanaskan  lagi  di  reheater  dan  kemudian  dialirkan  ke  IPT.  Setelah  dari  IPT,  uap  panas langsung menuju LPT.
Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics ISSN: 2527-6212, Vol. 3 No. 1 © 2018 Pres Univ Press Publication, Indonesia
Pembangkit ini mempunyai konfigurasi Feeed Water Heater (FWH) 3 – 1 – 4 yaitu 3 FWH pada  tekanan  tinggi,  1  deaerator  dan  4  FWH  pada  tekanan  rendah.  Dari  LPT,  uap dikondensasikan  di  dalam  kondensor  memakai  air  pendingin  yang  berasal  dari  air  laut. Setelah uap terkondensasi menjadi air kondensat, air kondensat dialirkan menuju LP heater oleh  p  o  m  p  a  k  o  n  d  e  n  s  a  t  untuk  dipanaskan,  kemudian  masuk  ke deaerator .  Dari deaerator air  tersebut  dipanaskan  kembali  di  HP  heater  melalui  BFP  (Boiler  Feed Pump). Setelah  dari  HP  heater,  air  tersebut  masuk  ke economizer lalu  ke water  drum .  Demikian siklus  terjadi  secara  terus-menerus  dan berulang-ulang,  sehingga  siklus  ini  dinamakan siklus tertutup.

## 2.2. Kategori Kegagalan Pada Pipa Ketel Uap

## 2.2.1. Tekanan pecah
Tekanan  pecah  umumnya  dikarenakan overheating yang  dapat  diartikan  sebagai kegagalan yang disebabkan pengoperasian ketel uap pada temperatur diatas desain selama waktu tertentu. Overheating dihasilkan oleh kondisi yang abnormal seperti; hilangnya aliran pendingin atau temperatur ruang bakar ketel uap yang terlalu tinggi.

## 2.2.2. Temperatur mulur tinggi
Kerusakan akibat mulur, umumnya diawali retak aksial. Retak muncul pada arah aksial atau longitudinal tegak lurus dengan principle hoop stress .

## 2.2.3. Korosi
Permasalahan yang sering dijumpai pada pipa ketel uap pada area superheater adalah korosi ( water/fire side ) dan erosi [3].

## 2.2.4. Korosi terlokalisasi
Korosi  terlokalisasi  merupakan  bentuk  korosi  yang  membentuk  lubang-lubang  kecil pada  logam.  Penyebab  utama  korosi  ini  adalah  kurangnya  oksigen  disuatu  daerah  yang kecil,  dimana  daerah  ini  menjadi  semakin  anodik,sedangkan  daerah  dengan  kelebihan oksigen, menjadi semakin katodik sehingga menimbulkan korosi galvanik yang terlokalisasi.

## 2.2.5. Degradasi mikrostruktur
Merupakan  mekanisme  kerusakan  yang  dapat  mengakibatkan  kegagalan  dengan beberapa  proses,  seperti  mulur  ( creep )  dan  lelah  ( fatigue ),  sehingga  menyebabkan pengurangan kekuatan dari material.

## 2.2.6. Hydrogen damage
Hydrogen  damage terjadi  akibat  berdifusinya  atom  hidrogen  kedalam  logam  yang kemudian bereaksi dengan karbon dalam Fe3C untuk membentuk metana, sehingga metana tersebut  akan  mengeleminasi  pearlit  yang  ada.  Karakteristik  kegagalan  yaitu  terjadinya dekarburisasi dan retakan merambat dari Internal Diameter (ID) ke Outer Diameter (OD).

## 2.3. Metodologi
1.  Pengumpulan data kronologi kegagalan material dan operasi berdasarkan data-data log sheet yakni data kualitas air ketel uap dan data operasi ketel; uap meliputi tekanan uap utama  (main  steam  pressure),  tekanan  ruang  bakar  (furnance  pressure)  dan  tekanan uap bantu saat pengoperasian soot blower.
2.  Pengambilan sampel material untuk dilakukan foto fisik material gagal dan pengujian material.
3.  Pengujian  material  dilakukan  pada  sampel  material  gagal  dan  sampel  material standar untuk dapat  ditemukan perbedaan antara  kedua  sampel  material tersebut. Adapun pengujian material sampel ini, yaitu:
a.  Pengukuran diameter dan ketebalan dengan menggunakan micrometer b.  Pengujian komposisi kimia material
c.  Pengujian metalografi material
d.  Pengujian keekrasan material
e.  Perhitungan tekanan internal yang diizinkan akibat perubahan ketebalan
4.  Perhitungan  tekanan  internal  dilakukan  untuk  mengetahui  tekanan  maksimum  yang diizinkan  terhadap  ketebalan  suatu  pipa  berdasarkan  persamaan  berikut  [ASME
Boiler & Pressure Vessel Code, Section VIII, Division I, 2007] .
dimana:
tm   = tebal dinding pipa (in)
P   = tekanan internal relatif (psig) D = diameter luar pipa(in) Eq =faktor kualitas
S   = tegangan yang diijinkan (hot stress), Y = koefisien sifat material c= mechanical + corrosion+ erosion allowances 0.02 in
Adapun penentuan nilai faktor kualitas (Eq), tegangan yang diizinkan (S) dan koefisien sifat  material  (Y)  ditentukan  berdasarkan  tabel  standar  untuk  perhitungan  tekanan internal.
5.  Analisa data
Tabel 1. Data operasi ketel uap
Tabel 2. Data pemakaian air pengisi saat terjadi kegagalan
Ta n Lo a d MSP MST
FWF (t/h ) gga l No rma l Le a k De vi a s i 16 250,81 14,83 533,59 737,83 760,52 22,69 17 250,31 14,33 537,59 737,83 763,97 26,14 18 250,26 14,58 533,55 736,34 765,62 29,28 19 250,28 14,83 532,55 737,45 762,93 25,48 20 252,74 14,58 535,53 740,50 768,98 28,48 21 253,16 15,33 534,53 743,12 771,48 28,36 22 250,37 14,75 533,53 739,51 767,87 28,36 23 250,95 14,8 534,55 741,15 784,17 43,02
24
STOP UNI T

## Tabel 3. Data sistem air penambahan saat terjadi kegagalan
Ta n gga l Lo a d MSP MST Ma ke -Up No rma l Le a k De vi a s i 16 Jan. 250,81 14,83 533,59 18,98 32,62 13,64 17 Jan. 250,31 14,33 537,59 19,12 35,53 16,41 18 Jan. 250,26 14,58 533,55 20,08 35,53 15,45 19 Jan. 250,28 14,83 532,55 21,99 42,02 20,03 20 Jan. 252,74 14,58 535,53 20,98 43,23 22,25 21 Jan. 253,16 15,33 534,53 23,87 45,66 21,79 22 Jan. 250,37 14,75 533,53 21,56 42,67 21,11 23 Jan. 250,95 14,8 534,55 20,71 53,68 32,97 24 Jan.
STOP UNI T

## Tabel 4. Data pemakaian batubara saat terjadi kegagalan
Ta n gga l Lo a d MSP MST Co a l No rma l Le a k De vi a s i 16 Jan.  250,81  14,83 533,59 153,48 157,74 4,26 17 Jan.  250,31  14,33 537,59 156,48 165,88 9,40 18 Jan.  250,26  14,58 533,55 155,71 185,84 30,13 19 Jan.  250,28  14,83 532,55 160,74 166,16 5,42 20 Jan.  252,74  14,58 535,53 163,88 169,2 5,32 21 Jan.  253,16  15,33 534,53 165,48 179,2 13,72 22 Jan.  250,37  14,75 533,53 155,76 169,32 13,56 23 Jan.  250,95 14,8 534,55 165,72 173,27 7,55 24 Jan. STOP UNI T
Berdasarkan  tabel  2-4  terlihat  data-data  sebelum  terjadinya  kegagalan  material  pada pipa ketel uap yang menunjukkan bahwa dengan beban listrik (MW) yang sama dihasilkan pembangkit  dimulai  tanggal  16  Januari,  terlihat  total  pemakaian  air  pengisi,  sistem  air penambah dan pemakaian batubara yang lebih tinggi diatas normal. Hal ini ditunjukkan dari nilai  deviasi  yang  ada  beberapa  hari  sebelum  diputuskan  unit  berhenti  beroperasi  (stop unit), dilanjutkan dengan inspeksi pada beberapa area ketel uap dan pemotongan material gagal untuk dibandingkan dengan material standar SA-210C.

## Hasil Dan Pembahasan

## 3.1. Pengukuran diameter dan ketebalan
Pengukuran ketebalan pada sampel dilakukan searah jarum jam ( clockwise ) dengan titik awal dimulai dari lokasi 1-8 dengan menggunakan micrometer sebagai alat ukur.
Gambar 1. Titik pengukuran ketebalan dan penentuan lokasi
Hasil  pengukuran  menunjukkan,  pada  lokasi  1  yang  merupakan  sampel  terjadinya kegagalan  material,  mengalami  pengurangan  ketebalan  yang  paling  tinggi,  2,69  mm diikuti pada  lokasi  2  dan  lokasi  8  dengan  nilai  pengurangan  ketebalan  2,45  mm  dan  2,24  mm. Adapun lokasi yang paling kecil mengalami pengurangan ketebalan terdapat pada lokasi 4 dan lokasi 6, dengan nilai pengurangan ketebalan 0,1 mm.
Gambar 2. Perubahan nilai ketebalan terhadap ketebalan standar
Perubahan ketebalan ini dianalisa  akibat korosi erosi dari semburan uap bantu dalam pengoperasian  sootblower  dimana  lokasi  1  merupakan  lokasi  pipa  menerima  secara langsung semburan uap bantu (auxiliary steam) dari sootblower.
Tabel 5. Laju korosi pada lokasi pengamatan

## 3.2. Pengujian komposisi kimia material
Tabel 6. Pengujian komposisi kimia sampel material gagal
Berdasarkan tabel 6 ditunjukkan bahwa sampel material gagal memiliki nilai karbon (C) dan mangan  (Mn)  dibawah  nilai  standar  desain  SA-210C  dengan  selisih  nilai  0,169%  untuk karbon dan 0,339% untuk mangan.

## 3.3. Pengujian  kekerasan  sampel  material gagal
Gambar 3. Pengukuran kekerasan sampel lokasi 1 dan sampel lokasi 6
Berdasarkan  gambar  3  ditunjukkan  nilai  kekerasan  sampel  pada  lokasi  1  lebih  kecil dibandingkan  nilai  kekerasan  pada  lokasi  6,  dengan  selisih  nilai  rata-rata  10.6  HV. Perbedaan  nilai  kekerasan  ini  sangat  dipengaruhi  oleh  persentase  unsur  karbon  (C) dimana sampel pada lokasi 1 memiliki unsur karbon yang lebih kecil dibandingkan sampel pada lokasi 6.

## 3.4. Pengujian struktur mikro material
Hasil pengamatan gambar 4 untuk struktur mikro material standar (lokasi 6), yaitu: a.  Struktur mikro ferrit b.  Jumlah perlit (sementit dan ferrit) banyak c.  Sedikit mikro crack d.  Pengamatan ukuran butir perlit banyak dan halus
Gambar 4. Pengamatan struktur mikro dilokasi 6
Hasil pengamatan gambar 5 untuk struktur mikro material yang gagal (lokasi 1), yaitu: a.  Struktur mikro ferrit b.  Pengamatan ukuran butir sementit besar dan banyak c.  Pengamatan mikro crack banyak
d.  Pengamatan  ukuran  butir  perlit  sedikit  dan tidak halus

## Gambar 5. Pengamatan struktur mikro dilokasi 1

## 3.5. Perhitungan tekanan internal maksimum pada pipa
Penipisan  akibat  degradasi  suatu  material,  mengakibatkan  perubahan  batasan operasi  material  tersebut  menerima  gaya  atau  tekanan  maksimum,  baik  dari  dalam maupun  luar.  Terjadinya  korosi  erosi  pada  masing-masing  lokasi  pipa,  mengakibatkan
terjadinya  perubahan  penipisan  untuk  itu  dilakukan  perhitungan  tekanan  internal maksimum [2] yang diizinkan.
Gambar 6. Perhitungan tekanan internal maksimum akibat perubahan ketebalan
Berdasarkan  perhitungan  dapat  dilihat  bahwa  tekanan  internal  maksimum  untuk ketebalan  pipa  standar  yaitu  3524.77  psi  atau  24.30  MPa.  Perubahan  ketebalan  pada lokasi  1  dengan  kondisi  pengukuran  ketebalan  0.130083  inci  hanya  diizinkan  mendapat tekanan internal maksimum sekitar 1938.57 psi atau 13.36 MPa. Kegagalan material SA- 210C  ini  dianalisa  akibat  tekanan  internal  maksimum  fluida  yang  melewati  pipa  pada lokasi  1  melebihi  perhitungan  yang  diizinkan,  dengan  penyebab  perubahan  ketebalan masing-masing lokasi akibat korosi erosi.

## Kesimpulan
Kegagalan material SA-210C sebagai pipa superheater karena korosi erosi. Penipisan ketebalan  pipa  dari  6  mm  menjadi  2.69  mm  (pada  lokasi  1)  menyebabkan  pipa  tidak mampu  lagi  menerima  tekanan  uap  utama  ( main  steam  pressure ),  sehingga  pipa mengalami  kegagalan  ( failure ).  Korosi  erosi  yang  terjadi  dikarenakan  kandungan  oksigen (O) dari uap semburan sootblower bereaksi dengan unsur besi (Fe) pada permukaan pipa, sehingga terbentuknya senyawa FeO. Terbentuknya senyawa FeO pada pipa ini perlahan- lahan  akan  terlepas  akibat  semburan  uap  dari sootblower yang  terus-  menerus. Terbentuknya  FeO  dan  terlepasnya  FeO  berulang-ulang  pada  permukaan  pipa  membuat pipa mengalami penipisan yang dikenal sebagai korosi erosi.

## Daftar Pustaka
Muchlis, Moch. (2004), Proyeksi kebutuhan listrik PLN tahun 2003 s.d. 2020 .
ASME (2007), Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII, Division I.
Electric  Power  Research  Institue  (EPRI)  (1996), Water  chemistry  fossil  fuel  power  plant corrosion .
Chubu  Electric  Power  (2011), Thermal  efficiency  improvement  of  existing  thermal  power plants in foreign countries .
Purbolaksono, J. (2009), Literative technique and finite element simulation for supplemental condition monitoring of water tube boiler .
Anne,  Z.,  (2009), Dasar-dasar  analisa  kegagalan ,  Departemen  Metalurgi  dan  Material, Fakutas Teknik Universitas Indonesia.
French, N. (1992), Metallurgical failure in fossil fired boiler , New York: Jhon Wiley & Sons,
Inc.Viswanathan, R. (1993), Damage mechanisme and life assesment of high temperature components , ASM Iinternational.
Zuliardie,  R.  (2004), Hubungan  besar  butir  dengan  kekuatan  dan  kekerasan  pada logam aluminium, Jurnal R & B Vol. 4 No.1.
Andi,  R.  (2013), Korosi  pada  pembangkit  thermal ,  Departemen  Metalurgi  dan  Material, Fakutas Teknik Universitas Indonesia.
Agus,  Suhartono  (2004), Pengaruh  ukuran  butir  terhadap  kuat  fatik  baja ,  Prosinding semiloka teknologi simulasi dan komputasi serta aplikasi.