39.alim mardi,d296-301 ultrasonic

Monitoring Kerusakan Fatik Material SS304 ........................(Alim Mardhi, Roziq Himawan)

296

MONITORING KERUSAKAN FATIK MATERIAL SS304 METODE TAK MERUSAK DENGANMENGGUNAKAN ULTRASONIK

Alim Mardhi dan Roziq Himawan

Pusat Teknologi Reaktor Dan Keselamatan Nuklir – BATANGedung 80 PUSPIPTEK Serpong, 15310

[email protected]; [email protected]

ABSTRAK

MONITORING KERUSAKAN FATIK MATERIAL SS304 METODE TAK MERUSAK DENGANMENGGUNAKAN ULTRASONIK. Material SS304 banyak digunakan di reaktor nuklir jenis PWR danBWR sebagai baut penyokong perisai panas, tabung surveillance specimen dan core barrel. Untuk itu perludilakukan perawatan pencegahan (preventive maintenance) untuk mengetahui lebih awal kondisi materialsehingga dapat dilakukan pencegahan kecelakaan. Dalam penelitian ini dilakukan monitoring proseskerusakan fatik dengan metode tak merusak menggunakan gelombang ultrasonik. Material SS304 diuji fatikmenggunakan mesin fatik rotating bending dan dilakukan monitoring setelah mencapai siklus tertentu untukmengamati kerusakan akibat proses fatik yang terjadi menggunakan gelombang ultrasonik. Dari hasilpengamatan, retak dapat diamati setelah siklus mencapai 77% dari jumlah siklus keseluruhan denganterbentuknya pola gelombang yang menandakan adanya cacat retak. Sebagai kesimpulan adalah metodeultrasonik dapat diterapkan dalam memonitoring proses kerusakan fatik yang pada akhirnya dapat menjagakehandalan dan keselamatan komponen dalam operasi reaktor nuklir.

Kata kunci: Monitoring kerusakan fatik, metode tak merusak, ultrasonik.

ABSTRACT

NON DESTRUCTIVE METHOD FOR MONITORING SS304 FATIGUE DAMAGE BY USINGULTRASONIC. SS304 material commonly use for components in nuclear reactor type PWR and BWR suchas the thermal shield bolts, surveillance specimen holder tubes and core barrel. For this reasons, preventivemaintenance should be done to know early condition of material to prevent from accident. In this researchwas done the monitoring of fatigue damage with non destructive method by using ultrasonic. Monitoring issubjected to rotating bending fatigue test of SS304 specimen by using ultrasonic method after several cyclesto observe the damage initiation. The result of the monitoring is the crack can be supervision after 77% ofthe total life reached and signed by getting trend of wave. The conclusion is the ultrasonic method can beapplied in monitoring process of fatigue damage that finally keeps reability and safety in operationcomponent.

Key word: Fatigue damage monitoring, non destructive test, ultrasonik

PENDAHULUAN

Retak sebagai cacat inisiasi yangmenyebabkan kerusakan fatik sangat pentinguntuk dapat dideteksi lebih awal dan dikontrolsehingga kerusakan yang terjadi dapatdiantisipasi. Salah satu cara adalah denganmetode uji tak merusak menggunakangelombang ultrasonik. Keunggulan metode iniadalah sangat sensitif untuk discontinuity dipermukaan dan di bawah permukaan, memilikikedalaman dari penetrasi untuk deteksi cacatatau pengukuran mengungguli metode uji takmerusak lainnya, sangat akurat dalammenentukan posisi cacat, estimasi ukuran danbentuk cacat[1].

Pada penelitian kali ini digunakan materialSS304 yang diuji fatik menggunakan mesin fatikrotating bending. Material SS304 banyakdigunakan pada komponen struktur bagian dalam

reaktor seperti pada core support barrelassembly, lower support structure, upperguidestructure[2]. Komponen ini berfungsi sebagaipendukung pada teras reaktor. Komponen inisering mengalami beban fatik akibat vibrasisehingga diperlukan monitoring untukmenghindari kerusakan yang terjadi secara tiba-tiba.

Pada penelitian ini monitoring dilakukanterhadap spesimen yang diuji fatik dan dalamjumlah siklus tertentu pengujian dihentikanuntuk dimonitor inisiasi retaknya menggunakanalat uji ultrasonik. Metode ultrasonik yangdipakai adalah metode water immersion dengansudut probe yang diatur sebesar 300 untukmenghasilkan pola rambatan gelombangpermukaan (Rayleigh wave).

Penelitian ini adalah sebagai studi awalmetode monitoring inisiasi retak pada proseskerusakan fatik metode tak merusak

Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir ISSN : 0854 - 2910Hal. 296-301

297

menggunakan ultrasonik yang bertujuan untukmendapatkan pola gelombang pantul akibat cacatretak serta dapat mengestimasi posisi dan besardimensi retak dan dapat mengestimasi umur fatikmaterial.

TEORI

Kerusakan Fatik

Mekanisme kerusakan fatik dibagi menjaditiga tahap yaitu inisiasi atau pembentukan retak(crack initiation), pertumbuhan dan perambatanretak (crack growth, crack propagation) dankerusakan fatik (fatigue damage). Tigaparameter yang menjadi penyebabnya adalahadanya pembebanan berulang, tegangan tarik danregangan plastis. Bila salah satu dari parameterini tidak ada maka retak sebagai inisiasikerusakan fatik tidak akan merambat menjadikerusakan fatik[3]. Proses kerusakan fatik dimulaidari pembebanan berulang pada material selamawaktu tertentu sehingga terbentuk reganganplastis pada daerah konsentrasi tegangan.Regangan plastis ini akan memicu terbentuknyainisiasi retak. Tegangan tarik kemudian akanmemicu inisiasi retak untuk tumbuh danmerambat sampai terjadinya kerusakan[4].

Selama pembebanan siklis pada materialsecara mikro terjadi deformasi plastis setempatyang disebabkan oleh besarnya konsentrasitegangan sehingga terbentuklah bidang slip. Slipsetempat ini akan menimbulkan cacat permukaanyang berupa ekstrusi dan intrusi. Semakin lamasiklus pembebanan akan menyebabkan terbentuklebih banyak lagi bidang-bidang slip khususnyadisekitar daerah ekstrusi dan intrusi sehinggamunculah inisiasi retak[3].

Gambar1. Proses Terbentuknya Inisiasi Retak

Uji Ultrasonik

Prinsip uji ultrasonik adalahmenggunakannya gelombang pendek ultrasonikdengan frekuensi berkisar antara 5 kHz sampaidengan 10 MHz yang dihasilkan oleh alatelektronik pulser, dikuatkan oleh tranduser dandipancarkan oleh probe. Gelombang yang

merambat akan dipantulkan kembali danditangkap oleh receiver untuk ditampilkan padalayar.

Pada kondisi normal hanya ada dua polagelombang yang ditampilkan, gelombangpantulan dari permukaan pertama dan gelombangpantulan dari batas geometri. Bila pantulanmengenai discontinuity seperti retak, sebagianenergi akan dipantulkan kembali dari permukaancacat menjadi pola sinyal baru yang terletakantara gelombang pertama dan gelombangterakhir pantulan dari batas geometri. Jarak (S)discontinuity material dapat di ketahui denganmenggunakan hubungan persamaan kecepatan(v) dan waktu (t) seperti ditampilkan padapersamaan 1[5].

Berdasarkan pola rambat gelombang, gelombangultrasonik dibagi menjadi beberapa tipe antaralain gelombang longitudinal, gelombangtransversal dan gelombang permukaan sepertiditunjukkan pada Gambar 2.

Gerakpartikel

Xcut

Arahrambatan Jenisgelombang

Longitudinal

TransversalYcut

Xcut Permukaan

Gambar. 2. Pola Rambat Gelombang Ultrasonik.

Metode Immersion

Ada dua metode inspeksi denganmenggunakan ultrasonik yaitu metode kontaklangsung dan metode rendam (immersion).Untuk metode immersion biasanyamenggunakan media berupa air. Pada metoda inibaik material maupun probe direndam dalamsuatu tangki couplant seperti ditunjukkan padaGambar 3. Pada pemeriksaan immersion, sudutyang diperlihatkan oleh indikator sudut padamanipulator adalah sudut datang. Perlu diketahuiaplikasi hukum Snell dan menghitung sudut biaspada benda uji untuk mendapatkan pola rambatgelombang yang diinginkan. Untuk aplikasiimmersion dibutuhkan pancaran suara yang lebih

t

sv

2 (1)


298

tajam, untuk itu harus digunakan focusedtransducer untuk memfokuskan energi suara kesuatu diskontinuiti yang kecil.

.

Gambar 3. Metoda Pengujian Immersion[3].

Gelombang Rayleigh

Gelombang Rayleigh adalah gelombangpermukaan dimana gelombang longitudinal dantransversal merambat bersamaan pada kecepatanyang sama. Kecepatan rambat gelombang iniberkisar 0,87 dan 0,95 dari kecepatan gelombangtransversal. Pada metode immersion adafenomena yang disebut bocoran energigelombang Rayleigh (leaky Rayleigh wave)terjadi pada perambatan gelombang Rayleighyang melalui interface solid-liquid. Energiakustik yang dipancarkan kedalam cairan dengansudut Rayleigh sebesar 300 (untuk mendapatkanpola rambat gelombang permukaan) akanmengeksitasi bocoran energi Rayleigh kepermukaan solid. Energi gelombang Rayleighakan di atenuasikan pada komponen berdasarkanperambatan pada bidang permukaan normal[6].

METODOLOGI

Uji Fatik

Dalam penelitian ini digunakan spesimendari material baja nir karat SS304. Bentuk dandimensi spesimen untuk pengujian fatikmengacu pada standar pengujian fatik ISO 1143dan ISO R375 dan disesuaikan denganspesifikasi mesin uji fatik yang digunakan. Padapengujian ini digunakan jenis spesimen Toroidalsebagaimana di tampilkan dalam Gambar 4.Jenis pembebanan untuk spesimen jenis iniadalah tipe cantilever yaitu dengan ujung yangdigantung beban sebesar P pada jarak 155 mmdari titik tumpu kemudian diputar sehinggamenjadi pembebanan bolak-balik yangmerupakan jenis pembebanan dalam fenomenafatik.

Gambar 4. Spesimen Jenis Toroidal yangDigunakan dalam Pengujian [7]

Dalam pengujian ini digunakan mesin ujifatik dengan tipe pembebanan rotating bendingbuatan ANSALDO Italia. Pengujian dilakukanpada lingkungan temperatur suhu ruang denganbeban 230 MPa serta kecepatan putaran motordiambil 3000 rpm dari pilihan kecepatan motor1000, 2000 dan 3000 rpm yang dimiliki mesin.Kecepatan ini diambil untuk mendapatkanpencapaian siklus yang di inginkan lebih cepatagar mudah diamati.

Pada saat pengujian fatik dilakukan akandihentikan pada jumlah siklus tertentu dankemudian spesimen akan dimonitor denganmenggunakan alat uji ultrasonik. Dari pengujianini diharapkan dapat dimonitornya prosespertumbuhan retak pada pengujian fatik.

Uji Ultrasonik

Peralatan pengujian ultrasonik yangdigunakan antara lain Ultrasonik Pulser-Receiver yaitu komponen untuk membangkitkangelombang ultrasonik secara elektronik.Kemudian probe atau tranducer jenisimmersion mempunyai frekuensi maksimum 10MHz yang dirancang untuk beroperasi padalingkungan cair dan dilengkapi dengan lensafokus berbentuk bola atau spherical sehinggadapat meningkatkan kepekaan dan resolusi aksialoleh konsentrasi energi suara ke daerah yanglebih kecil. Ada juga probe yang sejenis lainnyaberbentuk silinder namun tidak dipergunakanpada pengujian ini seperti ditampilkan padaGambar 5.

Gambar 5. Probe fokus[3].


299

Gelombang yang dipancarkan oleh probeakan ditampilkan pada layar osiloskop dalambentuk sinyal dengan domain waktu (mikrosecond) versus energi dalam bentuk tegangan(volt). Data dari osiloskop dapat direkam denganmenggunakan perangkat lunak Open Choiceyang telah terinstall di komputer untukselanjutnya dapat diolah dengan menggunakanprogram pengolah data yang tersedia pada sistemoperasi komputer tersebut.

Spesimen yang telah diuji fatik akan di scanuntuk dapat memonitor proses fatik denganditandai munculnya retak. Metode yangdigunakan adalah metode immersion denganposisi sudut probe 300 untuk mendapatkan polagelombang permukaan. Skema pengujianditampilkan pada Gambar 6 dimana spesimendimasukkan kedalam bak air dengan posisimasih terpasang pada mesin uji fatik, luasanpenyisiran dilakukan dari batas 2 ke batas 1seperti ditampilkan pada Gambar 7. luasandipusatkan pada daerah yang kemungkinanterbesar terbentuknya retak.

Gambar 6. Skema Pengujian Ultrasonik

Gambar 7. Daerah dan Batas Penyisiran

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil penyisiran dengan material barutanpa cacat diperoleh tampilan dilayar osiloskopseperti tertera pada Gambar 8. Data ini berisiinformasi proses perambatan gelombang dantingkat energi. Pola ini digunakan sebagaipembanding untuk mengetahui adanya pola barukarena adanya cacat. Dari gambar dapatdiperoleh informasi bahwa sumbu absis adalahwaktu tempuh gelombang dalam detik dansumbu ordinat adalah amplitudo gelombangdalam satuan volt.

Gambar 8. Pola Gelombang Untuk Material BaruTanpa Cacat

Untuk informasi proses perambatangelombang ditandai dengan tiga puncak X, Ydan Z. Puncak X adalah inisiasi pulsa yangkeluar dari probe dapat diartikan sebagai energiawal atau energi total. Jenis gelombang yangdipancarkan dari probe adalah gelombanglongitudinal. Puncak Y adalah pantulan balikpertama setelah gelombang longitudinalmengenai permukaan spesimen. Dengan cepatrambat gelombang longitudinal sebesar 5900 m/smaka waktu antara puncak pertama dan puncakkedua sebesar 33,3 mikro detik adalah setaradengan jarak 1 inci, jarak ini adalah sama denganjarak fokus lensa probe. Terakhir adalah puncakZ yaitu pantulan balik dari gelombangpermukaan yang mengenai pembatas nomor 2.Daerah antara puncak Y dan puncak Z adalahdaerah rambat gelombang permukaan. Jikadipermukaan terdapat discontinuity maka akantimbul puncak gelombang baru pada daerah ini.

Setelah diperoleh informasi pola gelombangawal, dilakukan pengujian fatik denganmenggunakan mesin uji fatik tipe rotatingbending. Sebagai data awal menentukan batasjumlah siklus yang dicapai untuk dihentikan dandilakukan pemantauan, dipergunakan etimasiumur fatik dengan menggunakan grafik S-Nhasil pengujian terdahulu[6]. Estimasi umur fatikuntuk beban sebesar 230 MPa adalah 95000siklus. Dari umur ini direncanakan untukpemantauan pengujian dibagi menjadi 10 tahap.Namun kenyataanya umur fatik sebenarnyaadalah sebesar 270230 siklus.

Perbedaan yang besar antara hasil estimasidengan hasil experimen karena hasil estimasidiperoleh dari hasil pendekatan menggunakanpersamaan matematik dan perhitungan inibiasanya digunakan untuk keperluanperhitungan desain komponen dengan faktorkeamanan yang besar. Sedangkan hasilexperimen adalah kondisi sebenarnya dimanahasil pengujian tidak dapat diprediksi danditentukan besarannya. Namun secara analisisumur fatik hasil pengujian lebih lama dari hasil


300

estimasi adalah karena adanya sifat mekanikmaterial pada daerah elastis yaitu resilien(resilience) yang di definisikan kemampuanmaterial untuk menyerap energi tanpamengakibatkan terjadinya deformasi plastis.

Material yang diberi pembebanan terusmenerus akumulasi energi yang diserap akanbertambah terus seiring dengan bertambahnyawaktu sampai material tersebut tidak mampu lagimenyerap energi sehingga mengalami deformasiatau patah. Namun pada kasus ini, pembebanantidak dilakukan secara terus menerus tetapidihentikan beberapa kali pada siklus tertentu. Inimenyebabkan akumulasi energi yang diserapakan kembali ke keadaan semula atau lebihrendah dari keadaan terakhir dikarenakan sifatelastis material. Sehingga waktu yang diperlukanuntuk menyebabkan material mengalamideformasi plastis menjadi lebih lama jikadibandingkan dengan material yang mengalamipembebanan terus menerus.

Cacat retak termonitor pada jumlah siklusmencapai 209000 siklus dengan ditandaimunculnya puncak gelombang baru diantarapuncak Y dan Z. Pada Gambar 9 ditampilkanpola gelombang untuk jumlah siklus 266000 atausesaat sebelum material mengalami kerusakanfatik. Terlihat antara puncak Y dan Z ada puncakbaru A yang merupakan pantulan daridiscontinuity yang terdapat dipermukaanmaterial.

Gambar 9. Gelombang pada 266000 Siklus

Puncak A berada pada posisi waktu 6,59mikro detik, posisi waktu batas awal penyisiranatau batas 2 adalah 8,27 mikro detik dandinyatakan dengan puncak Z diperoleh selisihwaktu sebesar 1,68 mikro detik. Dari selisihwaktu ini dan kecepatan gelombang permukaansebesar 2880 m/detik, menggunakan persamaanhubungan jarak, kecepatan dan waktu akandiperoleh jarak discontinuity terhadap batas 2adalah sebesar 2,41 cm yang merupakan posisitumbuhnya retak pada permukaan material.

Awal mula terdeteksinya pertumbuhan retakterjadi pada siklus 209000 dan akan semakinbertambah seiring dengan bertambahnya jumlahsiklus yang dicapai. Pertumbuhan retak ditandaidengan kenaikan amplitude dari setiap siklus.Gambar 10 menunjukkan data kenaikanamplitude seiring bertambahnya siklus. Walauada sedikit catatan pada pengambilan data untuksiklus 247000 amplitudonya menurun. Hal inibisa disebabkan karena berubahnya posisi fokuslensa atau penyisiran tidak tepat pada jalurdimana ada retak terjadi.

Dari kenaikan amplitude ini dapat diamatibahwa proses pertumbuhan retak pada prosesfatik adalah retak akan semakin tumbuh sampaikekuatan fatik material sudah tidak dapatmenahan pertumbuhan retak tersebut sehinggaterjadilah kerusakan fatik.

Gambar 10. Grafik Pertumbuhan Retak

Keunggulan metode ini adalah dapatmendeteksi keberadaan retak lebih awal. karenabentuk fisik retak itu sendiri sangat sulit diamatidengan mata telanjang atau berukuran mikrojuga inisiasi dan pertumbuhannya berlangsungsangat cepat yaitu terjadi setelah 77% dari umurfatik material tercapai atau tinggal 30% dari sisaumur untuk bertahan, maka metode untukmonitoring retak sangat mutlak diperlukan.

Seperti pada kasus diatas, retak telahterdeteksi lebih awal sebelum kerusakan terjadi,maka dapat dilakukan evaluasi estimasi sisaumur fatik komponen sehingga bila terjadikerusakan akan gagal aman. Atau dapat diambiltindakan pencegahan kerusakan denganmelakukan perbaikan dan penggantian materialyang terdeteksi adanya retak.

Dengan adanya monitoring pertumbuhanretak secara tak merusak dengan metodeultrasonik, pengawasan dan pencegahan terhadapkegagalan sistim instalasi akibat kerusakan fatikyang terjadi secara tiba-tiba dapat di minimalisirsehingga keselamatan pengoperasian komponenlebih terjamin.


301

KESIMPULAN

Sebagai studi awal metode monitoringinisiasi retak pada proses kerusakan fatik metodetak merusak menggunakan ultrasonik diperolehpola gelombang pantul akibat cacat retak yangditandai munculnya puncak gelombang barudiantara puncak gelombang pantulan pertamapermukaan dan gelombang pantulan dari ujungbatas penyisiran setelah tercapai 77% darijumlah siklus keseluruhan.

Selisih waktu rambat gelombang puncakgelombang pantulan discontinuity dan puncakbatas penyisiran dapat diperoleh estimasi jarakdan letak retak pada permukaan. Dan untukpenelitian ini posisi retak berada pada jarak 2,41cm dari batas penyisiran dan ini mendekatidengan batas sesungguhnya pada jarak specimenpatah yaitu sepanjang 2 cm dari batas penyisiran.

Dengan bertambahnya amplitudo puncakgelombang akibat pantulan discontinuity seiringbertambahnya jumlah siklus yang dicapai dapatmemberikan informasi bahwa retak pada prosesfatik akan tumbuh dan merambat sampai padabatas ketahanan fatik komponen terlampaui.

DAFTAR PUSTAKA

1. GILLARDONI ARTURO,NonDestructive Testing NDT,Tipolitografia A.C. Italy 1981.

2. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGYAGENCY, Status of Advanced LWR2004, IAEA Tecdoc 1391, 2004.

3. ASM INTERNATIONAL, ASM MetalHandbook, Vol 19 Fatigue andFracture,1996.

4. H.O.FUCHS, RALPH I STEPHEN, MetalFatigue in Engineering, John Willey &Sons, New York,1983.

5. www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/cc_ut_index.htm . 17 Agustus 2009,20.00 WIB.

6. DAVID N. CHEEKE, Fundamentals andApplications of Ultrasonik Waves,Physics Department Concordia UniversityMontreal, Qc, Canada, 2002.

7. Fatigue Bending Test Machines Operationand Maintenance Manual, Ansaldo ESL35820I0003, Italy, 1989.

8. ALIM MARDHI DAN ROZIQHIMAWAN, Estimasi Umur FatikMaterial SS304 Menggunakan Grafik S-N(unpublished)

TANYA JAWAB

Pertanyaan:Apakah eksperimen ini dapat diterapkan untukmaterial komposit?

(Desi-Mahasiswi S2 Teknik Metalurgi ITS)

Jawaban:Secara prinsip bisa saja dilaksanakan. Jikamaterial tersebut dapat dibuat menjadi benda ujiyang cocok sesuai standar mesin fatiknya.

39.alim mardi,d296-301 ultrasonic

Documents