98Naskah Diterima : 14.4.2011Revisi Terakhir : 25.5.2011

ANALISA KERUSAKAN SUDU TURBIN GAS MATERIALUDIMET 500 KAPASITAS 50 MW

Tarmizi

Balai Besar Logam dan Mesin Bandung

Abstrak

Penelitian Kerusakan pada Sudu Turbin Gas Kapasitas 50 MW yangdibuat dari material Udimet 500 atau Waspalloy telah dilakukan. Tujuan penelitianadalah mengetahui penyebab kerusakan agar kejadian serupa tidak terulangkembali. Untuk mengetahui penyebabnya beberapa metoda yang dilakukanadalah : (1) pemeriksaan visual (2) pemeriksaan mikro menggunakan danScanning Electron Micsroscope (3) pengujian komposisi kimia. Hasil penelitianmembuktikan bahwa penyebab kegagalan pada sudu turbin karena penurunankarakteristik material akibat terekspos pada temperatur tinggi diatas 632

oC

dalam waktu yang lama sehingga material sudu terjadi penuaan, hal ini bisadilihat dari adanya presipitasi senyawa yang sudah terbentuk disepanjang batasbutir.

Kata kunci : sudu turbin, presipitasi senyawa, korosi.

Abstract

A research of Failure Analysis of Blade Turbine, Capacity 50 MW hasbeen conducted. Material of blade is Udimet 500 or Waspalloy. Testing wasstarted with visual inspection, collecting of metallography speciment andScanning Electron Micsroscopy and then continued with material chemicalcomposition test of blade with of X-Ray fluorescent method and corrosion productfound on turbine blade with method of Energy Dispertion Spectrography. Theresult of the research conducted on turbine blade shows that the failure on turbineblade is caused by degradation of material characteristic which is exposed at hightemperature for a long duration so that the material of blade becomes aged, it canbe seen from the existence of compound precipitation which have been formedalongside boundary.

Keywords : Turbine Blade, Compound Precipitation, Corrosion.

1. PENDAHULUAN

Kebutuhan energi listrik saat ini sudahsangat penting seiring denganperkembangan industri yang semakin pesat.Kebutuhan energi listrik tiap tahunmengalami peningkatan yang sangat pesatsementara dilain pihak unit-unit pembangkityang ada hampir tidak mengalamipeningkatan yang signifikan bahkandibeberapa unit pembangkit ada yangmengalami krisis pasokan bahan bakar baikberupa gas, batubara maupun bahan bakarminyak. Bahkan sering terjadi pemadamanbergilir akibat kekurangan kapasitas listrikyang dibutuhkan oleh masyarakat sehinggamenghambat proses produksi di beberapaindustri dan fasilitas lalu lintas yangmengakibatkan kemacetan. Salah satu

penyebab kurangnya pasokan energi listriktersebut adanya kerusakan beberapa unitpembangkit di daerah sehingga pasokanlistrik jadi berkurang.

Penelitian yang dilakukan tujuannyaadalah untuk mengetahui penyebabterjadinya kegagalan atau kerusakan suduturbin sehingga kejadian serupa tidak terjadikembali. Kajian ini dilakukan denganmengacu pada data operasi, gambar-gambar turbin beserta sudu-sudunya sertainformasi yang didapat dilapangan.Berdasarkan informasi yang didapatdilapangan, tanda-tanda kegagalan dicirikanoleh adanya excessive vibration yangmenyebabkan turbin trip.

Kerusakan sudu dapat terjadi olehadanya sejumlah mekanisme dibawahkondisi operasi turbin pada kecepatan

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 98 - 104

99

putaran tinggi pada temperatur tinggi. Padaumumnya umumnya kerusakan sudu dapatdikelompokkan menjadi dua bagian yaitu a.Fatique, kelelahan termasuk pada high cyclefatique (HCF) atau low cucle fatique (LCF) b.Creep Rupture, mulur akibat dari temperaturoperasi yang melebihi temperaturrekristalisasi material sudu.

Untuk mengetahui penyebabnya,perlu dilakukan pemeriksaan dan pengujianapakah hal tersebut disebabkan oleh mis-allignment atau permasalahan toleransi atauspall off pada bantalan atau adanya kondisioperasi yang tidak sesuai dengan kondisioperasi yang dipersyaratkan oleh materialsudu turbin tersebut. Hasil pemeriksaan danpengujian akan mendukung analisis darikerusakan tersebut.

Prinsip Kerja Turbin

Turbin adalah pesawat penggerakdimana gerak putar yang terjadi diperolehdari hasil konversi energi dari energipotensial diubah menjadi energi kinetik padanozzle dan diteruskan menjadi energimekanik pada sudu yang memutar porossebagai penggerak generator untukmenghasilkan energi listrik. Bahan bakargas yang dialirkan melalui pipa-pipa gasyang disalurkan melalui nozzle keruangbakar dengan kecepatan dan tekanantertentu yang akan menggerakkan turbindisc yang dipasang pada rotor sepertiterlihat pada gambar 1, sehinggamenimbulkan energi mekanik pada porosyang akan menghasilkan gerak putar untukmenggerakkan generator dan menghasilkanenergi listrik. Temperatur operasi diruangbakar 500

oC yang dikontrol melalui

termokopel yang dipasang pada ruangbakar, untuk menjaga supaya sudu tidakmengalami temperatur operasi yang berlebihmaka dipakai sistim pendinginan sududengan metoda ”fogging” yang dipasangpada turbin gas tersebut.

Gambar 1 : Rotor dari turbin gas

2. METODA PENELITIAN

Dalam penelitian ini dilakukanserangkaian pemeriksaan dan pengujianseperti yang ditampilkan pada Gambar 2,yang dimulai dengan melakukanPengamatan visual pada sudu yangmengalami kerusakan kemudian dilanjutkandengan pengambilan sample sudu danproduk korosi. Kemudian dilakukanpengamatan metalografi dengan mikroskopoptik dan SEM pada material sudu yangmengalami kerusakan. Sampel sudu denganukuran 20x20 mm dilakukan pemeriksaankomposisi kimia dan serbuk produk korosimenggunakan EDXS.

Gambar 2 : Diagram Alir Penelitian

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil uji yang telah dilakukandidapatkan data-data sebagai berikut :

Pengamatan Visual

Dari hasil pemeriksaan visual yangtelah dilakukan dapat dilihat pada Gambar 3dan 4.

Analisa Kerusakan Sudu Turbin Gas Material Udimet 500 Kapasitas 50 MW ( )Tarmizi

Gambar 3 : Foto bagian sudu yangmengalami pengecilan

Gambar 4 : Pengecilan di daerah ujungmenandai adanya penomenaCreep

Hasil pemeriksan visual sepertiterlihat pada Gambar 3 dan 4 diatasmenunjukkan adanya kerusakan sudu yangmengalami pengecilan penampang akibatadanya fenomena creep yang terjadi padatemperatur tinggi (seperti yang ditunjukkanpada gambar 5 dari ASM Handbook Vol.11,2002), biasanya sedikit diatas temperaturrekristalisasi dari material sudu. Fenomenacreep tersebut disebabkan adanya thermalload cyclic. Komponen yang mengalamibeban creep ini lambat laun akanmengalami kegagalan jikalau regangan(strain) yang timbul selama proses creeptidak bisa menghilangkan tegangan (stress)yang ditimbulkannya. Hasil pemeriksaankomposisi kimia sudu turbin menggunakanEnergy Dispersive X-Ray Spectroscopyseperti pada Gambar 6, terlihat bahwakandungan unsur tertinggi adalah Ni,kemudian diikuti Cr, Co, Fe, Mo dan Ti makamaterial tersebut diperkirakan termasuk

material U500 atau Waspalloy sesuaidengan spesifikasi bahan sudu turbin gasyang dipersyaratkan.

Gambar 5 : Deformasi creep pada suduturbin (ASM HandbookVol.11,2002)

Gambar 6 : Hasil uji EDAX material sudu

Sedangkan kekuatan mekanik daribahan sudu ini sesuai referensi dari ASMHandbook (Propertiesand Selection: Irons,Steels, and High Performance Alloys, ASMHandbook, Volume I, 2005) sepertiditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Rupture strength materialwaspalloy/Udimet 500

Temperatur(oC)

Rupture strength,MPa (ksi)

650 760 (110)

760 325 (47)

870 125 (18)

980 tidak terdeteksi

100

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 98 - 104

Fenomena creep terjadi padatemperatur sedikit diatas temperaturrekristalisasi. Untuk material sudu Udimet500 atau Waspalloy, temperatur tersebutadalah 632

0C. Padahal pembacaan pada

termokopel yang terpasang adalah sekitar500

0C. Jadi perlu diperiksa apakah

termokopelnya sudah terkalibrasi ataubelum.Seandainya tidak ada masalah dengantermokopel, perlu dicek apakah“penyemprotan” proses fogging berdampakpada ketepatan penunjukkan temperaturoperasi sudu. Karena apabila efek foggingyang bertujuan “mendinginkan” sudu malahditerjemahkan oleh termokopel sebagaipenurunan temperatur operasi, makatermokopel akan “memerintahkan” systempembakaran untuk mensuplai fluida kerjayang berdampak pada peningkatantemperatur operasi. Apabila temperaturoperasi mencapai 632

oC atau lebih maka

sudu akan mengalami overheating.Rangkaian Gambar 7, 8 dan 9

menunjukkan adanya tanda-tanda suduterkorosi. Dari Gambar 7 korosi terjadi padadaerah srout atau pada poros turbin,Gambar 8 dan 9 tampak pada ujung suduberwarna putih ini menunjukkan adanyafenomena korosi pada bagian ujung sudutersebut. Dari analisis terhadap fluida kerja,sangat tidak mungkin menghasilkan oksidasiyang sangat excessive. Kemungkinan besaroksidasi ini timbul karena efek fogging.

Gambar 7 : Produk korosi yang terdapatpada srout.

Gambar 8 : Produk korosi pada sudu turbin

Gambar 9 : Produk korosi pada sudu turbin

Hasil analisa yang dilakukan terhadapproduk korosi sudu turbin menggunakanEnergy Dispersive X-Ray Spectroscopyyang diambil dari bagian seperti ditunjukkanpada Gambar 7, 8 dan 9 menunjukkanbahwa produk korosi seperti ditunjukkanpada Gambar 10 terlihat bahwa kandunganunsur tertinggi adalah Fe, kemudian diikutioleh O dan Si.

Gambar 10. Hasil uji EDXS produk korosi

101

Analisa Kerusakan Sudu Turbin Gas Material Udimet 500 Kapasitas 50 MW ( )Tarmizi

Gambar 11 : Struktur mikro produk korosi

Dari hasil analisis terhadap produkkorosinya seperti pada Gambar 11, tampakbahwa produk korosi berupa oksida besi. Inidapat diidentifikasikan bahwa excessivefogging berdampak pada timbulnya oksidasi.Hal ini bisa terjadi karena adanya kebocoranpada skid pump ataupun saluran sistemfogging yang mengakibatkan air terbawamasuk kedalam turbin. Fenomena seperti inimemang menjadi perhatian penting bagisistem fogging seperti yang banyakdikemukakan oleh para pembuat danpemakai sistem fogging ini. Fenomenakorosi ini terjadi karena adanya reaksielektrokimia antara logam dengan aqueousenvironment yang menyebabkan adanyareaksi seperti berikut ini:

Oksidasi Fe Fe2+

+ H2

Reduksi O2 + 4H++4e

-2H20

Reaksi keseluruhan:2Fe+ 02 + 4H

+2Fe

2++ 2H20

Adanya scale pada sudu turbin akanmengakibatkan terhambatnya perpindahanpanas sehingga mengakibatkan timbulnyaoverheating.

Pada Gambar 12 terlihat permukaanpatahan sudu menunjukkan fenomena patahgetas.

Gambar 12 : Permukaan patahanmenunjukkan fenomena patahgetas

Dari permukaan patahan suduseperti pada Gambar 12, terlihat bahwapatahannya getas (brittle) yang tidakmenunjukkan adanya deformasi plastis padapermukaan patahan. Selain itu sudu turbintersebut berwarna hitam seperti terbakaryang menandakan adanya prosespemanasan berlebih (overheating).Berdasarkan referensi dari ASM handbook(Failure Analysisis and Prevention, Volume11, 1986) dinyatakan bahwa kekuatanmekanik suatu bahan nickel-base andcobalt-base high temperature alloys menjadisangat terbatas pada temperatur 0.56 Tm(temperatur cair absolut). Pada temperatur0.56 Tm ini, sudu mengalami fenomenaelevated-temperatur behaviour yang ditandaioleh adanya creep.

Dari data operasi yang ada,pembacaan termokopel pada turbin adalahsekitar 500

0C. Sedangkan material sudu

adalah U 500 atau waspalloy yang memilikitemperatur cair (Tm) sebesar 2475

0F atau

13430C. Jadi elevated temperature

behaviour untuk bahan sudu turbin ini akandimulai pada temperatur 905 K atau 632

0C.

Hasil uji scanning electron microscopy padamaterial sudu seperti yang ditunjukkan padaGambar 13.

102

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 98 - 104

Gambar 13 : Struktur mikro sudu turbin

Berdasarkan Gambar 11 strukturmikro diatas, terlihat adanya fenomena graingrowth dan excessive precipitation yangmenyebabkan adanya void diantara batasbutir. Sesuai dengan referensi dari ASM(Failure Analysis and Prevention, ASMHandbook, Volume 11, 2002) disebutkanbahwa adanya creep pada tertiary phaseditandai adanya grain-boundary sliding yangmengakibatkan adanya void atau crack.Void pada batas butir dapat juga disebabkankarena adanya excessive precipitationdisepanjang batas butir. Fenomena sepertiitu terjadi jika material sudu pernahmengalami exposure pada temperatur yangtinggi.

4. KESIMPULAN

Dari hasil pengujian yang telahdilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagaiberikut :1. Pengujian produk korosi menunjukkan

adanya oksida besi ini dapatdiidentifikasikan bahwa excessivefogging berdampak pada timbulnyaoksidasi. Hal ini bisa terjadi karenaadanya kebocoran pada skid pumpataupun saluran sistem fogging yangmengakibatkan air terbawa masukkedalam turbin.

2. Kegagalan pada sudu turbin karenaadanya grain-boundary sliding yangmengakibatkan adanya void ataucrack akibat terekspos padatemperatur diatas temperaturrekristalisasi (di atas 632

oC) untuk

jangka waktu yang lama sehinggamaterial sudu menjadi aged, hal inibisa dilihat dari adanya presipitasisenyawa yang sudah terbentukdisepanjang batas butir.

5. SARAN

1. Perlu dilakukan pengontrolantermokopel yang ada pada ruangbakar sehingga kondisi temperaturdapat terbaca secara akurat.

2. Perlu dilakukan kalibrasi secaraberkala pada alat temperatur kontrolsehingga tidak terjadi lagi overheatpada kondisi operasi.

Ucapan terima kasih

Penulis mengucapkan terima kasih yangsebesar-besarnya kepada Bapak Prof.Dr.Ir.Rochim Suratman dan Bapak Ir.SonySulaksono, MBS yang banyak memberikansumbangan pikiran dalam penyusunanmateri ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. ASM Handbook, Properties andSelection: Irons, Steels and HighPerformances Alloys, Volume 1, 2005.

2. ASM Handbook, Failure Analysis andPrevention, Volume 11, 2002.

3. ASM Handbook, Corrosion, Volume13, 1987.

4. Failure Analysis of Gas TurbineBlades, Mehdi Tofighi Naeem, SeyedAli Jazayeri, Nesa Rezamahdi, K. N.Toosi University of Technology,Proceedings of The 2008 IAJC-IJMEInternational Conference, ISBN 978-1-60643-379-9.

5. Conor, P.C. “Compressor Blade HighCycle Fatigue Life-Case Study,” TheTechnical Cooperation Program(TTCP), P-TPI, 1998.

6. Jianfu, H., Wicks, B.J., and Antoniou,R.A., “An Investigation of FatigueFailures of Turbine Blades in a GasTurbine by Mechanical Analysis,”Engineering Failure Analysis, vol. 9,2002, pp. 201–211.

7. www.swri.org/4org/d18/mechflu/planteng/gasturb/failure.htm#Metallurgical_Examination.

8. www.swri.org/4org/d18/mechflu/planteng/gasturb/failure.htm#Mechanical/Thermal_Analyses.

103

Analisa Kerusakan Sudu Turbin Gas Material Udimet 500 Kapasitas 50 MW ( )Tarmizi

RIWAYAT PENULIS

Tarmizi, lahir di Sekayu pada tanggal

30 September 1970. Menamatkanpendidikan Sarjana di Jurusan TeknikMetalurgi Universitas Achmad Yani,Bandung, 1995. Menyelesaikan pendidikanS2 di Program Studi Magister TeknikMetalurgi Universitas Indonesia tahun 2000.

Sejak tahun 1996-2000 bekerja di SeksiPenyambungan dan Pembentukan LogamBBLM sebagai Engineer, 2000-2004 diSeksi Pengujian sebagai Teknisi, 2004-2008sebagai Kepala Laboratorium Penguji. Sejak2008 sampai sekarang sebagai Penelitipada Bidang Metalurgi di Seksi Permesinandan Pengelasan, Balai Besar Logam danMesin Bandung.

104

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 98 - 104