ANALISA KEGAGALAN

DUA MATERIAL BERBAHAN DASAR STAINLESS

STEEL PADA INDUSTRI PENYULINGAN MINYAK

BUMI

Oleh :

Khairul Umam (0405040392)

Diterjemahkan dari paper “Failure Analysis of Two Stainless Steel Based

Components Used in an Oil Refinery” oleh Cássio Barbosa, Jôneo Lopes do Nascimento, José Luiz Fernandes dan Ibrahim de Cerqueira Abud.

www.springerlink.com.

DEPARTEMEN METALURGI DAN MATERIAL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

2008

Abstrak

Industri minyak bumi telah berubah secara signifikan selama beberapa dekade. Misalnya

di Brazil, ekstraksi minyak laut dalam sedang berkembang sangat cepat. Akibatnya,

komponen dan bahan-bahan yang digunakan untuk aplikasi tersebut harus memiliki sifat

yang diperlukan untuk menyesuaikan kondisi dan memastikan kinerja yang memuaskan

dan layanan yang handal. Namun, komponen yang biasanya memenuhi standar

persyaratan tersebut bisa gagal pada beberapa kondisi seperti tekanan dan suhu yang

tinggi dan juga konsentrasi H2S dan CO2 yang tinggi. Di antara faktor yang dapat

menyebabkan kegagalan prematur adalah komponen logam dalam penggunaan bahan

kurang memadai, keberadaan cacat yang muncul selama produksi, kesalahan proses,

perakitan, atau pemeliharaan. Analisis kegagalan memungkinkan identifikasi penyebab

dan hal-hal yang mempengaruhinya sehingga dapat membantu pada peningkatan kinerja

operasi dan peralatan serupa. Pada pekerjaan ini, mikroskop optik dan scanning elektron

microscopy (SEM) digunakan untuk menganalisa mikrostruktur dan retak permukaan dari

dua batang pompa sentrifugal yang gagal selama digunakan di kilang minyak bumi

Brasil. Pada hasil ditunjukkan bahwa satu batang yang terbuat dari stainless steel jenis

duplex, gagal dengan kegagalan fatigue, dan batang lainnya, terbuat dari stainless steel

austenitic 316, mengalami kegagalan serupa, yang disebabkan kehadiran partikel inklusi

non-logam.

Kata kunci Analisa kegagalan – Stainless steel – retak - fatigue

Pendahuluan

Industri petrokimia merupakan salah satu segmen paling dinamis dari dunia ekonomi, dan

pertumbuhannya di beberapa tahun terakhir telah menyebabkan pengembangan material

baru untuk memenuhi persyaratan baru yang semakin rumit. Stainless steel telah

dikembangkan untuk berbagai aplikasi yang memerlukan ketahanan tinggi terhadap

lingkungan korosif. Duplex stainless steels (DSSs), yang pertama kali dikembangkan

pada tahun 1927 dan berkembang pada dekade berikutnya, telah disebut sebagai pilihan

yang memungkinkan untuk menggantikan stainless steel biasa. Sebuah standar ISO telah

menjelaskan persyaratan untuk aplikasi tersebut [1].

DSSs memiliki dua fasa mikrostruktur (austenite dan ferrite) dan memiliki beberapa

kelebihan, terutama kekuatan yang lebih tinggi, ketahanan yang lebih tinggi untuk korosi

intergranular, dan biaya yang lebih rendah bila dibandingkan dengan stainless steel

austenitic. Di sisi lain, DSSs memiliki beberapa kekurangan, seperti sulit diproses secara

thermomechanical dan ketahanan terhadap korosi pitting yang rendah [2]. Dalam rangka

untuk memenuhi persyaratan khusus untuk kekerasan, kekuatan, dan ketahanan korosi,

fasa seperti fasa σ , misalnya, harus diminimalisir [3-5]. Fasa lain yang dibentuk selama

proses thermomechanical pengolahan DSSs, adalah Cr2N. Fasa Cr2N juga merupakan

endapan utama yang ditemukan di zona yang terkena dampak panas (Heat Affected

Zone) dari sendi lasan. Kondisi yang membantu untuk pembentukan austenite, seperti

nitrogen yang tinggi dan laju pendinginan yang rendah mampu meminimalkan

pembentukan endapan Cr2N [6] dan meningkatkan faksi volume dari austenite. Fasa σ

adalah fasa yang terbentuk sebagai akibat dari dekomposisi ferrite dan juga peningkatan

fraksi volume dari austenite. Reaksi fasa σ ini dibantu dengan aging di suhu yang lebih

tinggi (650-900 ° C) dan waktu yang lebih lama (30 menit hingga 8 jam), dan kinetika

reaksi pembentukan fasa σ lebih lambat dibandingkan untuk endapan Cr2N [3, 5] .

Stainless steel Austenitic memiliki banyak sifat, selain ketahanannya yang tinggi

terhadap korosi pada banyak lingkungan: mereka mempertahankan keuletan dan

ketangguhan dalam berbagai kondisi terbuka, lebih kurang kepekaannya terhadap

embrittlement dibandingkan stainless steel ferritic, dan telah memiliki karakteristik

pembentukan yang baik. Namun demikian, sifat-sifat dan karakteristik yang baik ini

bergantung pada karakteristik kimia, dalam arti unsur kecil seperti sulfur dan fosfor

harus dijaga di tingkat di bawah batas yang ditetapkan dalam standar [7-9].

kegagalan fatigue adalah konsekuensi dari beban dinamis. Ketika crack mulai terjadi dan

berkembang, keretakan akan terjadi pada tingkatan stress yang lebih rendah daripada

yang diperlukan untuk menyebabkan retak di bawah beban statis. Faktor-faktor utama

yang mempengaruhi kegagalan fatigue adalah berbagai variasi tegangan, jumlah siklus,

korosi, suhu, tegangan sisa, pemusatan tegangan, dan kombinasi tegangan. Menurut

Fernandes dan Castro [10], fatigue adalah kegagalan mekanik lokal, progresif, dan

terakumulasi sebagai akibat dari nukleasi dan propagasi progresif dari crack yang

disebabkan oleh beban siklik. Menurut Suresh [11] Fenomena dari kegagalan fatigue

dapat dianalisa sebagai masalah deformasi plastis lokal dan dapat dijelaskan oleh

tampilan shear band (garis-garis geseran). Ketika ada perpindahan dislokasi, butir

tertentu membentuk garis-garis gelincir tetap yang akan nampak pada permukaan.

Perpatahan brittel dapat dikaitkan dengan beberapa faktor, termasuk keberadaan dari

inklusi non-logan yang berbahaya. Efek inklusi tersebut tergantung pada jumlah, bentuk,

ukuran, dan distribusi. Inklusi dapat bertindak sebagai pemusat tegangan dan sehingga

dapat berfungsi sebagai tempat terjadinya nukleasi crack [12].

analisis kegagalan menggunakan beberapa jenis teknik untuk menyelidiki penyebab

kegagalan pada peralatan atau struktur. Pada umumnya, penyebabnya adalah yang

berkaitan dengan penggunaan material yang kurang sesuai, keberadaan cacat, kesalahan

dalam desain, pemasangan yang tidak tepat, dan kesalahan dalam penggunaan.

Pengetahuan tentang penyebab dan koreksi dari kejanggalan memungkinkan peningkatan

kinerja pada peralatan serupa dan mencegah munculnya kegagalan yang serupa [13].

Seringkali, analisis kegagalan berupaya untuk menghubungkan topografi permukaan

yang retak ke kemungkinan jenis kegagalan tertentu dengan menggunakan Scanning

Electron Microsrcope (SEM) [14].

Dalam pekerjaan ini satu dari dua batang pompa sentrifugal yang digunakan dalam

industri petrokimia diuji dengan menggunakan teknik-teknik seperti SEM, pengamatan

mikrostruktur stainless steel duplex di sebuah mikroskop optik, dan uji kekerasan. Teknik

ini saling melengkapi satu sama lain dan dengan demikian, dalam cara yang efisien,

memungkinkan identifikasi dari penyebab kegagalan komponen.

Metodologi

Sebuah batang stainless steel duplex dan sebuah batang stainless steel austenitic yang

gagal, diteliti. Tidak ada banyak informasi tentang sejarah penggunaan komponen, tetapi

diketahui bahwa, dalam kasus pertama, ada masalah dalam frame dari pompa yang perlu

dilakukan pekerjaan perbaikan. Setelah pekerjaan ini, pompa mulai bekerja, tetapi setelah

kurang dari 3 bulan batang telah rusak. Dalam kasus kedua, batang yang telah terpasang

di pompa dan setelah sekitar 2 bulan ini rusak di bagian tepi di mana kacang rotor

terkunci dalam batang. Komposisi kimia dari stainless steel duplex, diperoleh melalui

analisa x-ray fluorescence, disajikan di Tabel 1, dan komposisi kimia dari stainless steel

austenitic ditampilkan pada Tabel 2.

Tabel 1 Komposisi Kimia Stainless Steek Duplex

C Si Mn P S Cr Ni N Mo V Cu W Co Fe

0,02 0,52 1,85 0,02 0.001 23 5.7 0.19 3.28 0,07 0,13 0,02 0,02 sisa

Tabel 2 Komposisi Kimia Stainless Steel Austenitic

C Si Mn P S Cr Ni Mo Co N Fe

0,034 0,46 1,85 0,032 0,026 16,4 9.,9 2,11 0,13 0,18 sisa

Tabel 3

C Si Mn P S Cr Ni Mo Co N Fe

0,008 1 2 0,045 0,03 16-18 10-14 2-3 … 0,10 sisa

Tabel 3 menunjukkan batas komposisi kimia untuk austenit 316 L yang sesuai dengan

standar ASTM A 276-92 [7] (maksimum atau jangkauan). Kandungan nitrogen adalah di

atas dan kandungan nikel adalah dibawah batas yang dicerna dari ASTM A 276-92 untuk

grade 316 L.

Batang pompa sentrifugal pertama (duplex) telah dikerjakan untuk diperoleh sampel

untuk analisis microstructural, analisis SEM, dan uji kekerasan. Sampel untuk analisis

microstructural telah disesuaikan dengan standar persiapan metalografi: grinding (100-

600 mesh), polishing dengan pasta intan (6-1 µm), dan etsa dengan 30 mL asam nitrat, 10

mL asam klorida, dan 60 mL air distilasi. Sampel untuk analisis fractographic diamati

dan difoto dengan peralatan yang beroperasi di 20 KV. Uji kekerasan Rockwell skala C

terdiri dari lima pengukuran di berbagai tempat sampel, dan nilai rata-rata dihitung dan

dianggap sebagai wakil dari kekerasan sample.

Batang Pompa sentrifugal kedua (austenitic) dipersiapkan dengan cara yang sama untuk

mikroskop optik dan pengamatan SEM (etsa dalam hal ini adalah 20 g asam picric dan

100 mL asam klorida), sedangkan uji kekerasan yang dilakukan adalah tes Rockwell

skala B karena kekerasan yang lebih rendah.

Hasil dan Diskusi

Batang Pompa Stainless Steel Duplex

Gambar 1 (a) menunjukkan bagian batang yang mengalamai keretakan. sementara Gb. 1

(b), diperoleh dari stereomicroscope, menyajikan penampakan macroscopic dari

permukaan yang retak. Gambar 2 menunjukkan mikrostruktur stainless steel duplex,

dengan fasa austenite digambarkan pada matriks ferrit yang sesuai dengan standar ISO

[1]. Tidak ditemukan fasa σ melalui mikroskop optik. Pada Gb. 2 (a) (arah transversal),

ukuran rata-rata dari butir austenit (pulau-pulau austenit terdistribusi pada matriks ferrit

yang continue) berkisar 50 µm, yang dapat dianggap suatu nilai yang dapat diterima

untuk stainless steel duplex. Bentuk yang agak memanjang dari pulau-pulau austenit juga

normal untuk stainless steel duplex. Gambar 3, diperoleh dari SEM, menyajikan aspek

mikroskopis dari permukaan patahan, di mana striasi (garis-garis fatigue) terlihat jelas.

Adanya Striasi ini menunjukkan kegagalan oleh kelelahan [15]. Gambar 4 menunjukkan

secara terperinci aspek yang sama di permukaan yang gagal. Tabel 4 menunjukkan hasil

uji kekerasan Rockwell C.

Gb. 1 (a) bagian pompa yang mengalami kegagalan (b) Permukaan retak : tampilan

mikroskopik. asal patahan terindikasi.

Gb 2 Mikrostrutktur Stainless steel Duplex. (a) arah transversal (b) arah longitudinal

Gb 3. Gambar SEM. Permukaan patah menampilkan striasi.

Gb 4 Gambar lebih detail dari bagian yang sama.

Rata-rata nilai kekerasannya (HRC 22,4) lebih rendah dari batas atas (HRC 25) yang

ditetapkan oleh standar ISO untuk komponen ini, dan dengan demikian bisa dianggap

dapat diterima [1].

Tabel 4 Hasil Uji Kekerasan Sampel Stainless Steel Duplex

TItik Kekerasan (HRC)

1 22

2 22

3 23

4 23

5 22

Rata-rata 22.4

Menurut Reick [2], stainless steel duplex, dengan komposisi kimia yang sangat mirip

dengan yang dianalisa dalam kajian ini, memiliki gaya tarik sekitar 640-750 MPa, yield

strength antara 400 dan 450 MPa, dan total elongasi sekitar 25%, dan nilai-nilai ini

kompatibel dengan aplikasi untuk material pada kasus ini.

Jika ada yang mempertimbangkan hasil yang ditemukan dalam kajian ini, dengan teknik

yang berbeda, itu membuktikan bahwa factor yang berhubungan dengan karakteristik

intrinsik dari material (komposisi kimia dan mikrostruktur) tidak dapat dihubungkan

dengan penyebab kegagalan, yang mungkin dapat dikaitkan dengan faktor eksternal .

Batang Pompa Stainless Steel Austenitic

Gambar 5 menunjukkan suatu bagian longitudinal batang pompa yang belum dietsa.

Banyak partikel inklusi non-logam (sulfide, oksida, dan silikat) yang bisa dilihat.

Mikrostruktur dari bahan yang sama dapat dilihat pada Gb. 6 (arah transversal) dan Gb. 7

(arah longitudinal) : butir-butir austenitic bagian yang seragam dan partikel inklusi secara

jelas terlihat pada dua arah butir. Pada Gb. 6 (arah transversal) ukuran rata-rata butir

berkisar 50 µm, yang dapat dianggap sebagai nilai normal, karena di sebagian stainless

steel austenitic yang digunakan untuk aplikasi ini memiliki ukuran butir bervariasi antara

30 dan 60 µm.

Gb. 5 Bagian Longitudinal : Inklusi non logam. Tanpa etsa

Gb 6 Bagian Transversal : inklusi partikel (titik hitam) berada pada pertemuan butir-butir

austenit.

Gb. 7 Bagian Longitudinal: Butir austenit dan partikel inklusi (hitam dan memanjang)

Penampakan makroskopik secara umum dari permukaan retak pada batang pompa

ditunjukkan oleh Gb. 8. Panah menunjukkan titik dimana crack dimulai, dan dari daerah

ini garis-garis radial berkembang.

Gb. 8. Penampakan umum permukaan patah. Titik awal crack terindikasi

Gambar SEM pada permukaan retak permukaan disajikan pada Gb. 9 dan 10, yang

mengungkapkan aspek karakteristik dari kelelahan, bahkan jika tidak jelas seperti seperti

pada kasus pertama, lubang-lubang ini disajikan secara rinci pada Gb. 10. Partikel ini

telah dianalisa oleh microprobe EDS (x-ray energy dispersion spectrum) yang hasilnya

disajikan pada Gb. 11. Dalam spektrum ini, Puncak sulfur (S) dapat dilihat, dibandingkan

dengan spektrum yang diperoleh dari matriks (Gb. 12), di mana puncak jenis tersebut

tidak ada. Analisis ini menunjukkan bahwa, meskipun kadar belerang (0,026%) yang

berada sedikit di bawah batas atas yang ditetapkan oleh standar (0,030% sesuai dengan

ASTM A 276-92), sulfida termasuk yang bahan yang perlu diamati. Sulfur dikenali

dapat menurunkan sifata mekanik dari stainless steel. Dalam beberapa aplikasi, ketika

keuletan dan ketangguhan sangat penting, diperlukan pegurangan kandungan sulfur di

bawah 0,020%, karena sulfida yang sejajar sepanjang arah rolling merupakan sumber

anisotropi mekanik dan mengurangi ketahanan terhadap korosi [8, 9]. Kandungan

Nitrogen yang tinggi dan kandungan nikel yang rendah tidak terlihat membahayakan

untuk digunakan dalam aplikasi ini.

Gb. 9 Permukaan patah. Panah: Lubang-lubang dengan partikel inklusi

Gb. 10 Gambar yang sama Gb. 9 dengan lebih detail.

Adalah jelas bahwa tingginya kandungan inklusi sulfida ikut serta menyebabkan

kegagalan dari stainless steel austenitic 316 yang dianalisis dalam pekerjaan ini.

Sebagaimana diketahui dari literatur [16-18] bahwa inklusi non-logam yang ada pada

tahap awal dari proses pembuatan baja, adalah sebagai akibat dari kehadiran kotoran di

bahan baku, yang tertahan dalam baja cair, atau sebagai hasil pencemaran dari berbagai

sumber. Sangat sulit, mungkin mustahil, untuk kemudian menghilangkan partikel ini

dengan perlakuan panas atau prosedur setelah fabrikasi, selain karena prosedur

pembuatan baja yang mahal, hal yang mungkin untuk dilakukan tindakan pencegahan

dengan melakukan pemeriksaan rutin yang seksama , yang terdiri pengamatan

metalografi dan pengurangan kandungan inklusi pada sample baja.

Gb. 11 Spektrum EDS : Partikel

Gb. 12 Spektrum EDS : matriks

Rata-rata nilai kekerasan (HRB 95,48: Tabel 5) kompatibel dengan sebuah austenitic 316

stainless steel AISI-SAE (sekitar HRB 95) [16].

Tabel 5 Hasil Uji Kekerasan Sampel Stainless Steel Austenitic

TItik Kekerasan (HRC)

1 94,6

2 96,4

3 95.2

4 95,8

5 95,4

Rata-rata 95,48

Menurut literatur [16], stainless steel austenitic 316 memiliki ultimate tensile strength

(UTS) sekitar 515 MPa, yield strentgh (YS) sekitar 205 MPa, dan elongasi total sekitar

40%, yang dapat dianggap memenuhi syarat untuk jenis aplikasi ini.

Kesimpulan

Stainless steel banyak digunakan dalam pembuatan komponen yang beroperasi di industri

petrokimia untuk beberapa alasan, terutama disebabkan oleh ketahanan yang luar biasa

terhadap korosi dibarengi dengan sifat mekanik yang baik. Namun demikian, beberapa

faktor dapat mengakibatkan kegagalan komponen, bahkan meskipun dibuat dari material

yang memenuhi syarat.

Pada saat kajian, dua kasus kegagalan komponen yang terbuat dari stainless steel

dianalisis.

Pada kasus pertama, kegagalan sebuah batang pompa sentrifugal yang dibuat dari

stainless steel duplex berdasarkan pengamatan menggunakan mikroskop optik, SEM, dan

uji kekerasan Rockwell skala C, menunjukkan hasil sebagai berikut:

• secara mikrostruktur, disusun oleh austenite dalam matriks ferrit, yang sesuai dengan

standar, dan tidak ada fasa σ yang diamati di mikroskop optik.

• kekerasan dari stainless steel duplex (HRC 22,4) juga telah memenuhi nilai-nilai yang

ditentukan ( lebih rendah daripada HRC 25).

• Tidak ada bukti terjadinya korosi, tidak pula jenis degradasi lain.

• Gambar SEM dengan jelas mengungkapkan keberadaan dari garis-garis fatigue pada

permukaan retak.

Hasil tersebut menunjukkan bahwa kegagalan fatigue mungkin disebabkan oleh faktor

eksternal yang tidak terkait dengan karakteristik bawaan dari material.

Dalam kasus kedua, kegagalan sebuah batang pompa sentrifugal stainless steel

austenitic, kehadiran inklusi sulfida memberikan kontribusi untuk kegagalan fatigue pada

komponen ini, meskipun memiliki mikrostruktur dan kekerasan yang memenuhi syarat. .

Cara yang paling nyata dalam pencegahan terjadinya kegagalan ini adalah dengan

meminimalkan inklusi pada sample stainless steel.

Referensi:

1. “Petroleum and natural gas industries—Materials for use in H2S-containing

environments in oil and gas production,” NACE MR 0175/ISO 15156-3, “Part 3:

Cracking-resistant CRAs (corrosion-resistant alloys) and other alloys,” NACE/ANSI/ISO

(2003)

2. Reick, W., Pohl, M., Padilha, A.F.: Desenvolvimento em aços inoxidáveis

feerítico-austeníticos com microestrutura duplex (Development in the stainless ferritic-

austenitic steels with duplex microstructure). Met. Mater. 48(409), 551–563 (Sept 1992)

(in Portuguese)

3. Lee, K.M., Cho, H.S., Choi, D.C.: Effect of isothermal treatment of SAF 2205

duplex stainless steel on migration of δ/γ interface boundary and growth of austenite. J.

Alloys Compd., 285, 156–161 (1999)

4. Chen, T.H., Yang, J.R.: Effects of solution treatment and continuous cooling on

σ-phase precipitation in a 2205 duplex stainless steel, Mater. Sci. Eng. A, 311, 28–41

(2001)

5. Chen T.H., Weng K.L., Yang J.R.: The effect of high-temperature exposure on

the microstructural stability, toughness property in a 2205 duplex stainless steel. Mater.

Sci. Eng. A, 338, 259–270 (2002)

6. Liou, H.-Y., Hsieh, R.-I., Tsai, W.-T.: Microstructure and stress corrosion

cracking in simulated heat-affected zones of duplex stainless steels. Corros. Sci., 44,

2841–2856 (2002)

7. “Standard Specification for Stainless and Heat-Resisting Steel Bars and Shapes,”

ASTM A 276–92, Annual Book of ASTM Standards

8. Colombier, L., Hochmann, J.: Aciers Inoxydables Aciers Refractaires. Dunod,

Paris, 620 pages (1965)

9. Peckner, D., Bernstein, I.M.: Handbook of Stainless Steels. McGraw-Hill Book

Company, New York, NY (1977)

10. Fernandes, J.L., Castro, J.T.P.: Fatigue Crack Propagation in API-5L-X60,

Technology and Equipments Conference—VI COTEQ, Aug, 10 pages (2002)

11. Suresh, S.: Fatigue of Materials. Cambridge University, 605 pages (1991)

12. Failure Analysis and Prevention, Vol. 11, ASM Handbook, ASM International,

Materials Park, OH, 1164 pages

13. Azevedo, C.R.F., Cescon, T.: Análise de Falha e Metalografia, Casos

Selecionados (1933–2003) (Failure Analysis and Metallography, Selected Cases (1933–

2003)), IPT (Technology Research Institute), São Paulo, Brazil, 1st ed., 416 pages (2004)

(in Portuguese)

14. Wouters, R., Froyen, L.: Scanning electron microscope fractography in failure

analysis of steels, Mater. Charact., 36, 357–364 (1996)

15. Properties and Selection: Stainless Steels, Tool Materials and Special-Purpose

Metals, Vol. 3, 9th ed., Metals Handbook, American Society for Metals, Metals Park, OH

(1980)

16. Cabalín, L.M., Mateo, M.P., Laserna, J.J.: Large area mapping of non-metallic

inclusions in stainless steel by an automated system based on laser ablation, Spectrochim.

Acta Part B, 59, 567–575 (2004)

17. Perkins, K.M., Bache, M.R.: The influence of inclusions on the fatigue

performance of a low pressure turbine blade steel, Int. J. Fatigue, 27, 610–616 (2005)

18. Maropoulos, S., Ridley, N.: Inclusions and fracture characteristics of HSLA steel

forgings, Mater. Sci. Eng. A, 384, 64–69 (2004)