Analisa Kegagalan Material Baja Karbon ASTM A179 dan SS 316L pada

Tube Heat Exchanger 09-E-105 PT Petrokimia Gresik

Oleh: Moh. Rizal Ibrahim (2707100062)

Pembimbing:

Ir. Muchtar Karokaro, Msc

Diah Susanti, PhD

LATAR BELAKANG

Pemindah panas

A. F. Millis 1999

tube merupakan bagian yang mudah rusak

Temperatur ekstrim

CS A 179

SS 316 LHE 09-E-105

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

RUMUSAN MASALAH

Mekanisme kegagalan

???

Faktor – faktor???

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

TUJUAN

Mengetahui Mekanisme kegagalan

Faktor – faktor

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

BATASAN MASALAH

•Lingkungan kerja sesuai dengan desain

•Material komponen tube HE 09-E-105 bersifathomogen

• Korosi yang terjadi pada SS 316L sangat kecil sehingga dapat diabaikan

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

MANFAAT

BAGI MAHASISWA:

memahami dan mengaplikasikan

ilmu di kuliah

BAGI PERUSAHAAN:

acuan dalam pembuatan HE

selanjutnya

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

HEAT EXCHANGER

1. Tube

2. Tubesheet

3. Shell

4. Tube side channel

5. Channel cover

6. Pass divider

7. Baffle

alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari satu fluida ke fluida yang lain (A. F. Milis, 1999)

Salah satu contoh HE yangsering digunakan di dunia industri adalah jenis Shell and tube (Wolverine Tube Inc, 2001)

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

URAIAN PROSES DI PABRIK PHONSKA .

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

CONTOH KEGAGALAN PADA HE

Crack yang terjadi akibat vibrasi

Kegagalan akibat expansionpada bagian head

water hammer pada tube

U turn tube gagal akibat thermal fatique

Erosi pada U tube

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

BAJA KARBON A 179

• Baja karbon adalah logam paduan antara besi sebagaiunsur utama (solvent) dengan solute berupa karbon, dengan sedikit impurities unsur lain.

• KOMPOSISI

• SIFAT MEKANIK

Unsur Kandungan (%)

Karbon 0,06-0,18

Mangan 0,27-0,63

Pospor 0,035

Belerang max 0,035

Tensile strength, min, ksi [MPa]

Yield strength, min,ksi [MPa]

Elongation in 2 in. or 50 mm, min, %

HardnessHRB

47 [325] 26 [180] 35 72

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

SS 316 L

• Stainless Steel 316 L adalah jenis stainless steeldengan tambahan Molibdenum, krom, dan nikel

• KOMPOSISI

• SIFAK MEKANIK

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Bentuk kegagalan (Wulpy, 1999):

• Deformasi : perubahan bentuk geometri dari bentuk awal desain

• Korosi : degradasi material karena proses alami bereaksi dengan lingkungan

• Aus / wear : perubahan pada permukaan akibat adanya kontak dengan bahan lain sehingga mengalami degradasi

• Patah / fracture : kegagalan berupa terpisahnya material karena efek patah

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Prosedur analisa kegagalan(ASM International Vol. 11, 2002)

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Analisa Korosi (Wulpy, 1999)

• Pengamatan on-site

• Pengamatan di laboratorium meliputi jenis korosi, bentuk korosi.

Mikrostruktur jenis dan bentuk

Uji komposisi produk korosi unsur yang penyebab korosi.

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Analisa Deformasi (Wulpy, 1999)

Penyebab Deformasi

• Overload

• penurunan kualitas material

• proses manufaktur

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

METODOLOGI

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

NH3

LIQUID-330C

NH3

GAS50C

UDARA GAS 320C

UDARA GAS 23,20C

ALIRAN DALAM HEAT EXCHANGER / AIR CILLER 09-E-105.

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

TUBE CS A 179

TUBE SS 316LSidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

ANALISA CS A 179

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

A B

C D

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

KOROSI SUMURAN PIPA

DEGRADASI ALUMINIUM

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

ANALISA

KOMPOSISI PIPA( OES )

BENTUK KOROSI( Mikroskop Optik, SEM )

KOMPOSISI KOROSI( SEM – EDX` )

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Uji Komposisi Kimia

UnsurASTM A 179 (%)

Hasil OES Keterangan

Karbon 0,06-0,18 0,152 SesuaiMangan 0,27-0,63 0,463 Sesuai

Pospor 0,035 0,049 Tidak sesuai

Belerang max 0,035 0,053 Tidak sesuai

Besi Balance 98,7 Sesuai

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

SEM - EDX

KOROSI 1

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Retak pada produk korosi 1

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

SEM - EDX

KOROSI 2

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Mikroskop Optik

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Bentuk korosi perbesaran 200 x

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Bentuk korosi perbesaran 500 x

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

UJI KOMPOSISI KOROSI

PRODUK KOROSI 1 PRODUK KOROSI 2

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

ANALISA SS 316 L

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

SS 316 L

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

ANALISA

KOMPOSISI PIPA( mill certificate )

SIFAT MEKANIK( mill certificate )

ANALISA PEMBEBANAN( Tresca – Von Misses )

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

KandunganHASIL

UJIASTM

A269/A213Keterangan

C 0,02 max 0,035 SesuaiSi 0,03 max 1 SesuaiMn 1,51 max 2 SesuaiP 0,26 max 0,45 SesuaiS 0,03 max 0,3 SesuaiNi 10,14 10 – 14 SesuaiCr 16,50 16 – 18 SesuaiMo 2,03 2 – 3 Sesuai

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Sifat MekanikHASIL

UJIASTM

A269/A213Keterangan

Yields Strength (MPa) 275 min 170 Sesuai

Max Strength (MPa) 580 min 485 Sesuai

Elongation (%) 64,5 min 35 Sesuai

Hardness (HRB) 70 -

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

ANALISA PEMBEBANAN

• Defleksi yang bekerja

• Kriteria kegagalan Tresca dan Von Misses

Beban mekanik

Beban termal

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

Defleksi yang bekerja

• Defleksi izin

3 mm

• Defleksi yang bekerja

11 mm

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

PEMBEBANAN

• Pembebanan pipa tipis

t/D < 0,2

• Tegangan utama

σ1 = 26,64 N/mm2\

σ2 = 4,64 N/mm2

σ3 = 0

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

• Pembebanan pipa tebal

teerdapat beda temperatur pada pipa

• Tegangan utama

σ1 = 2,2 MPa

σ2 = -23,4 Mpa

σ3 = 0 MPa

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

• Tegangan termal

147 Mpa

• Tegangan utama total

σ1 (MPa) σ2 (MPa) σ3 (MPa)

Pipa tipis 26,6 145,6 0

Pipa tebal 2,2 154,2 0

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

KRITERIA TRESCA

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

KRITERIA VON MISSES

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

KESIMPULAN

• Faktor yang menyebabkan kegagalan pada tube

A.) CS A 179 kegagalan berupa kebocoran disebabkan oleh korosi sumuran

B.) SS 316L kegagalan berupa deformasi plastis disebabkan karena overloading

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

• Mekanisme kegagalan

Untuk tube CS A 179

korosi pada fin aluminium kontak metalik BERKURANG oksida aluminium (lebih katodik) korosi sumuran pada bagian yang tidak tertutup oleh oksida aluminium bocor

Untuk tube SS 316L

defleksi + tegangan akibat tekanan dan beda temperatur overloading deformasi plastis.

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

SARAN

• Untuk tube HE SS 316L apabila masih digunakan dapat ditambahkan support pada bagian tengah (L=1,5) untuk mengurangi kerusakan yang parah.

• Perlunya analisa lebih mendalam pada tube SS 316L untuk mengetahui aspek metalurgi dan aspek lain sehingga diketahui penyebab selain aspek overloading.

• Perlunya kelengkapan data equipment meliputi manufaktur dan fabrikasi

• Untuk tube selanjutnya dapat digunakan tube SS 316L dengan fin alumimium.

Sidang Tugas Akhir – ITS Surabaya

DAFTAR PUSTAKA

• Anonim, Departemen Research and Technology WolverineTube Inc. 2001.

• Becker , William T., Roch J. Shipley. ASM Handbook Volume 11 Failure Analysis and Prevention. 2002. USA

• Blonch, Heinz P., Fred K. Geitner. Machinery Failure Analysis and Troubleshootin, third edition. 1999. Gulf Publishing Company. Houston.

• Boresi, Arthur P. Richard J. Schmidt. Advanced Mechanics of Materials Sixth Edition. 2003. John Willey & Sons, Inc. USA

• oldstein, R.J., dkk. Heat transfer—A review of 2004 literature.

• G Henderieck KX. Application at Low Temperature Iron and Steel. 2007. Gie Tech

• Incropera, Frank P., David P. De Witt. Fundamentals of Heat and Mass Transfer Fourth Edition. 1996. John Willey & Sons, Inc. USA

• Kern, Donald Q. Process Heat Transfer 24th printing. 1988. Singapore. Singapore national Printers Ltd.

• Khan, A. Nusair. A. Usman,. Failure analysis of heat exchanger tubes. 2007

• Millis, A. F. Basic Heat and Mass Transfer, second edition. 1999. Prentice Hall, Inc. New Jersey.

• Nash, William A. Schaum Outline of Theory and Problems Strengtg of Materials Second Edition. 1972. Mc-Graw Hill Inc.USA

• Purdy, S.M. Macroetching, Metallography and Microstructures, Vol 9, ASM Handbook. ASM International. 2004.

• Schweitzer, Philip A., P.E. Corrosion-Resistant Piping Systems. 1994. Marcel Dekker, Inc. New York.

• Schierle, G.G. Structure in Architecture. University of Southern California custom publishing. 2003. Los Angeles