Home Work 3 Analisa Kerusakan (Failure Analysis) Program Pascasarjana Teknik Metalurgi dan Material

Dedi Hermawan

(2012/1206311193)

1. Jelaskan tujuan pengujian metalografi pada FA suatu material serta jelaskan pula

tahapan dalam “preparasi & pengujian” metalografi!

Dalam melakukan FA, metalografi seringkali dilakukan dengan tujuan :

- memberikan informasi tentang kualitas/mutu material atau komponen yang

rusak. Dari metalografi dapat dilihat apakah terdapat berbagai cacat/defect

material seperti :

o kotoran (inclusion)

o segregasi mikrostruktur

o dekarburisasi

o HT yang salah

o Un-tempered martensite

o Korosi batas butir dan lainnya

- struktur daerah patahan atau komponen yang rusak. Hal ini untuk melihat

apakah struktur yang ada telah sesuai dengan spesifikasi awal atau yang

diinginkan.

Secara umum tahapan dalam “preparasi & pengujian” metalografi adalah sebagai

berikut:

1. Cutting, yaitu mengetahui prosedur proses pemotongan sampel dan

menetukan teknik pemotongan yang tepat dalam pengambilan sampel

metalografi sehingga didapat benda uji yang representatif.

2. Mounting, yaitu menempatkan sampel pada suatu media, untuk

memudahkan penanganan sampel yang berukuran kecil dan tidak beraturan

tanpa merusak sampel.

3. Grinding, yaitu meratakan dan menghaluskan permukaan sampel dengan

cara menggosokkan sampel pada kain abrasif atau ampelas.

4. Pemolesan (Polishing), yaitu mendapatkan permukaan sampel yang halus dan

mengkilat seperti kaca tanpa menggores, sehingga diperoleh permukaan

sampel yang halus bebas goresan dan mengkilap seperti cermin,

menghilangkan ketidakteraturan sampel hingga orde 0,01 µm.

5. Etsa, yaitu mengamati dan mengidentifikasi detil struktur logam dengan

bantuan mikroskop optik setelah terlebih dahulu dilakukan proses etsa pada

sampel, mengetahui perbedaan antara etsa kimia dengan elektro etsa serat

aplikasinya.

2. Jelaskan maksud dari pengujian komposisi kimia dan perlatana apa saja yang

digunakan untuk pengujian tersebut.

Analisa kimia dalam FA sanagt penting untuk dilakukan karena dapat memberikan

informasi tentang komposisi bahan dasar (base metal), unsur (inklusi ataupun fasa)

secara mikro serta dapat mengetahui hasil korosi (endapan/kerak) pada komponen

atau material yang mengalami kegagalan. Berbagai informasi yang diperoleh

tersebut sangat berguna untuk mnegetahui apakah misalnya komponen yang gagal

memiliki komposisi yang dipersyaratkan, apakah terdapat cacat dalam material

ataukah korosi yang terjadi akibat interaksi dengan lingkungan sehingga

menyebabkan kegagalan material.

Sesuai dengan tujuan yang diinginkan, peralatan yang digunakan dalam analisa

komposisi kimia terdiri dari tiga jenis yaitu :

- Analisa komposisi bahan dasar menggunakan Spektrometer

- Analisa komposiis senyawa secara mikro menggunakan Energy Dispersive

Spectrometry (EDS)

- Analisa hasil korosi (endapan/kerak) menggunakan alat X-ray DIffraction

3. Jika saudara dihadapkan pada suatu kerusakan komponen (tabung boiler) yang

pecah dalam arah longitudinal. Jelaskan jumlah sampel yang harus diambil untuk

pengujian metalografi. Mengapa Saudara ambil sampel sebanyak itu, Jelaskan?

Komponen tabung yang pecah dalam arah longitudinal dapat dilihat pada gambar

berikut :

Dalam kasus seperti diatas maka yang perlu dilakukan adalah diambil sampel pada

bagian yang failure dan kemudian dilakukan uji kekerasan dan metalografi. Untuk uji

kekerasan dan metalografi, pengujian dapat dilakukan pada lima titik seperti pada

gambar diatas.

Hal ini untuk mendapatkan pandangan atau informasi menyeluruh terkait kondisi

bagian yang failure.

4. Jelaskan cara terbaik dalam pengambilan kesimpulan dari data-data pengujian

yang diperoleh? Apakah “check-list of question” dapat membenatu untuk

pengambilan kesimpulan tersebut? Jelaskan “check-list” tersebut!

Secara umum, Pengambilan kesimpulan FA harus dilakukan dengan mengikuti

langkah-langkah sebagai berikut :

- Mengumpulkan berbagai informasi awal yang terkait

- Melakukan analisis dan pengujain yang mendukung dan terkait failure

- Membandingkan dan analisa terhadap semua data yang diperoleh yaitu data

awal dan failure, data analisis dan pengujian

- Diskusi yang dilakukan oleh berbagai pakar dari berbagai bidang keilmuan

terkait, karena biasanya suatu failure mencakup berbagai ilmu yang terkait

seperti misalnya fisika, kimia, metalurgi, proses manufaktur, desain analisis,

fracture mechanics dan lainnya

- Pengambilan kesimpulan dan rekomendasi hasil diskusi dengan tujuan failure

yang sama tidak akan terjadi lagi di kemudian hari.

“Check-list of question” dapat digunakn untuk membantu dalam pengambilan

kesimpulan. Hal ini dikarenakn dengan “Check-list of question” akan dapat

diketahuui perkiraan akar penyebab terjadinya suatu failure.

Check list ini adalah suatu daftar pertanyaan yang diajukan pada suatu permasalahan

yang terjadi, dimana yang ingin diketahui adalah akar penyebab utama

permasalahan tersebut.

5. Buatlah Fish-bond diagram (RCFA) untuk study case 1 (terlampir) dan lengkapi

form dari “studi case 1”.

Fish-bond diagram (RCFA) untuk study case 1 adalah sebagai berikut:

Gambar 2. Diagram Fish bone

PIPA BOILER

PECAH

KESALAHAN DESAIN

Material tidak sesuai

Pemodelan tidak tepat

Dimensi tidak tepat

KESALAHAN OPERASI

Parameter operasi tidak sesuai

Perawatan tidak benar

Pemaksaan operasi

KESALAHAN OPERATOR

Operator kurang terlatih

Operator lalai

KESALAHAN MANUFAKTUR

Kesalahan pemilihan proses

Kesalahan assesmbly

Cacat manufaktur

KERUSAKAN MATERIAL

Material yang sudah lama

Material tak sesuai spektek

Pengoperasian yang melewati batas

HT yang kurang sesuai

850

50

9 200

Martensit Bainit

Martensit

Bainite

Bainite

Tidak ada data mikrostruktur

Lebih besar dari 3000 oC/menit

1500 oC/menit

45

0

22,5

= 50 MPa

= 45 mm

= 5 mm

9

200

Not failure

Pendahuluan

Pipa air boiler yang digunakan untuk membangkitkan uap di instalasi kimia

mengalami suatu kebocoran. Pipa tersebut normalnya beroperasi pada tekanan 50

bar ( 5 MPa) dan suhu air 264 oC. Dimensi dari pipa baja tersebut adalah panjang 10

m, OD 100 mm dan ketebalan 5 mm serta memiliki komposisi Fe-0.18%C, 0.45%Mn

dan 0.20% Si.

Permasalahan bermula ketika beberapa pipa panas menjadi overheated dan

kemudian menggembung. Ketika pengoperasian instalasi dilanjutkan terjadi failure

sehingga isi dari boiler keluar kelingkungan.

Data-data, gambar skematik tabung boiler, diagram, serta hasil pengujian

ditampilkan pada bagian sebelumnya.

Hasil Analisis

Dari berbagai data yang ada, seperti data operasi, pengamatan visual pipa failure, uji

kekerasan, mikrostruktur, diagram CCT, data stress rupture dan lainnya dapat

ditabulasikan sebagai berikut :

- Data operasi mengiformasikan bahwa pengoperasian boiler masih dalam batas

yang diperbolehkan.

- Informasi awal menyebutkan bahwa beberapa pipa mengalami overheat dan

menggembung sebelum terjadi kegagalan. Meskipun demikian operasi fasilitas

tetap dilakukan sampai terjadi kegagalan pipa dan isi boiler terbuang ke

lingkungan.

- Hasil pengujian kekerasan menunjukan bahwa telah terjadi perubahan kekerasan

pada pipa boiler jika dibandingkan dengan hasil pengujian pipa cadangan. Bahkan

pada bagian yang failure nilai kekersan telah meningkat hampir 3kali nilai

kekersan awal. Hal ini memberikan informasi telah terjadi perubahan struktur

pada pipa tersebut.

- Pegujian mikrostruktur pada bagian A, B dan C memberikan hasil yang berbeda

dimana bagian A terdiri dari banyak martensit dan bainit sedangan pada bagian B

dan C memiliki mikrostruktur yang hampir mirip yaitu bainit dan ferit. Hal ini

sesuai dan menegaskan bahwa pengujian kekerasan telah sesuai dengan hasil uji

mikrostruktur dimana struktur martensit memiliki nila kekerasan yang jauh lebih

tinggi dibandingkan jenis struktur lainnya. Hanya saja yang menjadi pertanyaan

berikutnya adalah bahwa mikrostruktur martensit hanya dapat terjadi pada

kondisi pendinginan yang cepat dan suhu yang lebih tinggi dari suhu operasi yang

ada. Meskipun tidak diperoleh informasi mengenai miksrostruktur bagian pipa

cadangan, dapat dipastikan bahwa strukturnya adalah ferit yang sesuai dengan

tingkat uji kekerasan yang tidak begitu tinggi.

- Dari diagram fasa Fe-C dapat dilihat bahwa pada suhu pengoperasian instalasi

yang sebesar 264 oC masih jauh dibawah suhu A3 yaitu 850 oC untuk komposisi

tabung yang ada (0,18 %C). Hal ini memberikan informasi bahwa seharusnya

tidak terjadi perubahan fasa pipa boiler apabila pengoperasain dilakukan sesuai

suhu yang ditetapkan.

- Data tekanan operasi sebesar 50 MPa, melalui perhitungan akan menghasilkan

σhoop sebesar 45 MPa dan σaxial sebesar 22.5 MPa. Hal ini memberikan informasi

bahwa tekanan operasi masih dalam batas yang pengoperasian instalasi.

- Diagram stress-rupture menunjukan bahwa pada tekanan operasi sebesar 50

MPa akan memberikan waktu failure yaang berbeda-beda tergantung pada suhu

operasi instalasi. Pada suhu 900 oC dietahui pada diagram bahwa pipa akan

failure pada menit ke 9, pada suhu 850 oC pipa akan failure pada menit ke 200

dan pada suhu 800 oC pipa tidak akan mengalami failure karena suhu yang ada

masih berada di bawah suhu A3.

Dari berbagai data yang diperoleh di atas terdapat beberapa kontradiksi antara yang

satu dan lainnya dan dapat dilakukan analisis sebagai berikut :

- Pengoperasian masih dibawah suhu A3 dimana seharusnya tidak terjadi

perubahan struktur pipa boiler. Hal ini bertentangan dengan dengan hasil uji

kekerasan dan mikrostruktur yang memberikan informasi bahwa telah terjadi

perubahan struktur pada pipa yang failure yang ditegaskan melalui uji kekersan.

Hal ini memberikan indikasi bahwa mungkin telah terjadi peningkatan suhu

operasi pada bagian pipa yang failure sehingga mengakibatkan perubahan

struktur dan nilai kekerasan bagian pipa yang failure tersebut.

- Dari CCT diagram diketahui bahwa untuk terbentuk martensit diperlukan

penurunan suhu yang sangat tinggi dan untuk memiiiki kekerasan 400 HV bahkan

harus mengalami penurunan suhu sekitar 3000oC (titik A)dan penurunan suhu

sekitar 1500oC pada titik C. Hal ini dapat diperolh akibat penurunan suhu pada

saat ledakan atau kebocoran dimana pipa akan langsung terdinginkan oleh aliran

air pendinginnya.

- Selain itu diagram stress rupture memberikan informasi bahwa pipa akan failure

jika diberikan suhu operasi sebesar minimal 850 oC dengan waktu sebesar 200

menit. Failure ini tidak akan terjadi apabila suhu operasi berada pada 264oC. Hal

ini memberikan indikasi bahwa mungkin telah terjadi peningkatan suhu operasi

melebihi 850 oC pada bagian pipa yang failure sehingga mengakibatkan pipa

menjadi rupture.

- Informasi awal menyebutkan bahwa telah terjadi overheat dan penggembungan

pada bagian pipa yang failure sebelum terjadi kebocoran pipa. Hal ini

memberikan indikasi bahwa telah terjadi peningkatan suhu operasi pada daerah

pipa bolier sehingga mengakibatkan pipa menjadi overheat dan menggembung.

- Dari berbagai referensi, pengamatan visual terhadap bagian yang rupture

memberikan gambaran serupa dari suatu failure yang biasa terjadi pada baja

karbon rendah yaitu yang disebut dengan “Short-term Overheat Failure”. Hal ini

ditunjukan secara pengamatan visual dari adanya longitudinal rupture dengan

bukaan mirip ‘fish mouth” serta adanya penggembungan secara signifikan seperti

pada gambar berikut.

Gambar 3. Contoh Failure akibat “Short-term Overheat Failure”

- Secara umum “Short-term Overheat Failure” dapat disebabkan peningkatan suhu

yang diakibatkan oleh berkurangnya aliran pendingin, tertutupnya sebagian atau

selurunya pipa, start-up yang terlalu cepat, masukan panas yang sangat besar,

berkurangnya pemindahan panas dan lainnya. Hal-hal tersebut dapat

meningkatkan suhu secara lokal pada pipa yang akhirnya mengakibatkan

perubahan struktur dan penggembungan. Hal ini sesuai dan ditegaskan dari

informasi awal yang menyebutkan bahwa telah terjadi overheat dan

penggembungan pada beberapa pipa boiler.

Kesimpulan

Dari analisis diatas dapat diambil suatu kesimpulan bahwa pada bagian pipa yang

rupture telah terjadi peningkatan suhu secara signifikan (melebihi 850 oC) sehingga

mengakibatkan kondisi mikrostruktur berubah yang pada akhirnya akan mengubah

sifat-sifat dari pipa tersebut diantaranya seperti kekerasan, ductilitas dan lainnya.

Peningkatan suhu secara lokal pada pipa ini dapat diakibatkan oleh beberapa hal

seperti berkurangnya aliran pendingin, tertutupnya sebagian atau selurunya pipa,

start-up yang terlalu cepat, masukan panas yang sangat besar, berkurangnya

pemindahan panas dan lainnya. Hal ini perlu diverifikasi kembali melalui

pemeriksaan dan pengujian lanjutan agar kejadian serupa tidak terulang kembali.

Rekomendasi

Tindakan pencegahan awal dari kejadian “Short-term Overheat Failure” adalah

sebaiknya apabila terjadi penggembungan pipa, maka sebaiknya proses dihentikan

terlebih dahulu, dilakukan inspeksi terhadap pipa tersebut serta dilakukan analisis

apakah telah terjadi penutupan pipa ataukah yang lainnya sehingga menyebabkan

meningkatnya suhu pada pipa baja bagian tersebut.

Untuk kondisi perbaikan sekarang, harus dilakukan evaluasi menyeluruh terhadap

sistem boiler yang ada dengan melakukan berbagai pemeriksaan dan analisis,

dengan tujuan untuk mengetahui penyebab utama terjadinya peningkatan suhu

pada pipa tersebut.