Pros;d;nf! oertemuan 1lm;ah Sa;ns Mater; 1997 1SSN 1410 -2897

APLIKASI BASIL PENGUJIAN ACCELERATED CREEP UNTUK T ABUNGREFORMER YANG BEROPERASI PADA TEMPERATUR TINGGI1

IIham Hatta2

ABSTRAKAPLIKASI HASIL PENGUJIAN ACCELERATED CREEP UNTUK TABUNG REFORMER_YANG BEROPERASI

PADA TEMPERATUR TINGGI. Makalah ini menguraikan hasil penelitian dan pengujian untuk memprediksi sisa umur pakai tabungreformer hydrogen plant, setelah dioperasikan selama II tahun, dengan melakukan pengujian accelerated creep. Sampel untuk pengujiandiambil pada bagian yang paling kritis yaitu sepertiga dari panjang tabung bagian alas (daerah burner flame). Disimpulkan bahwa sisaumur pakai tabung reformer relatif rendah, setelah dioperasikan selama II tahun, dan beresiko tinggi hila dioperasikan pads tempetaturdan tekanan tinggi.

ABSTRACTAPPLICATION OF mE TEST RESULT ACCELERATED CREEP FOR TUBE REFORMER nIA T OPERA TED AT

HIGH TEMPERATURE. This paper described a research and test results on how to remaining life assessment of tube reformerhydrogen plant, after having been operated for approximately 11 years, using accelerated creep test. Samples used for the test aredrowning at most critical, that is at one third of tube length from the top (burner flame region). It is found that the remining operated lifetime is relatively short after being operated for 11 years, and has a high risk when the tube is used at high temperature and pressure.

KEY WORDCreep, Larson-Miller, Tube, Reformer.

PENDAHULUANTEORIPENUNJANG

Pada umumnya, apabila material dioperasikan padatemperatur tinggi, yaitu lebih daTi sepertiga daTi titiklebur material terse but (dalam derajat Kelvin), daDsecara bersamaan mendapat gaya tarik, geser, puntiratau gabungan daTi gaya-gaya tersebut, secara fungsiwaktu akan mengalami deformasi meskipun gayayang bekerja besamya dibawah titik luluh (yieldpoint) material tersebut.

Deformasi seperti ini dikenal dengan istilahcreep. yaitu pemuluran bahan yang terjadi padabeban konstan, daD defomasinya tergantung padawaktu 3,8, atau secara bentuk persamaan dapat ditulisdengan :

e = f( t, cr, T)

Sedangkan hubungan antara diameter,ketebalan dan tekanan yang bekerja pada tabung,berdasarkan "Recommended Practice for Calculationof Heater Tube Thickness in Petroleum Refineries"API Recommended Practice 530 I untuk Rupture

Design adalah sebagai berikut :

Pr. DoB = [Cm]

2<1 r+ Prdimana :E = Regangan [%] t = Waktu [jam](J = Tegangan [ N/mm1 T = Temperatur [ °C]Br = Tebal tabung [Cm] Do == Diameter luar [Cm]P r = Tekanan Disain tabung [kgiCm1(Jr '" Rupture Design tabung [kg/Cm1

Tabung reformer yang digunakan untuk

kepentingan hydrogen plant, banyak digunakan padaindustri gas clan perminyakan. Tabung reformer initelah digunakan sejak tahun 1984 clan diopersaikansecara terns menerus sampai september 1995 denganinterval T/A (Turn Around! Overhaul) tiap duatahun. Jadi secara hitungan kasal, tabung ini telahdioperasikart sekitar 65.000 jam. Selama periodeoperasi telah mengalami beberapa kali start-stop dan

emergency stop.Untuk alasan keselamatan clan keamanan,

rerltt dilakukan pemeriksaan daD penelitian untukdapat memprediksi atau menentukan sisa umur pakaidaTi tabung ini, yang selanjutnya dapat dilakukanpenggantian sebelum hal yang tidak diinginkanterjadi. Untuk keperluan ini, ada beberapa pengujianyang dapat dilakukan seperti pengujian metalografiuntuk mengetahui bentuk struktur mikro cacat akibatcreep, pengujiart tarik statis pada temperatur tinggiuntuk mengetahui kekuatan daTi tabung, pengujiankekerasan dart pengujian accelerated creep. Padamakalah ini pembahasan difokuskan pada pengujianaccelerated creep untuk mengevaluasi sisa umurpakai daTi tabung reformer hydrogen plant.

Untuk keperluan penelitian, obyekpemeriksaan clan pengujian diambil secara acak daritabung tersebut, yaitu lajur D nomor 6 (lihat sketsapada gambar 1a.). Sampel untuk pengujian diambilpada bagian yang paling kritis yaitu sepertigapartjang tabung bagian atas (daerah burner flame),dan pengujian dilakukan dengan menggunakanmesin uji creep merk SATEC (G~mbar 1b).

1 DipresentaSikan pada Pertemuan Ilmiah gains Materi 19972 UPT -LUK BPP Teknologi

96

Pros;d;nf! oertemuan IIm;ah Sa;ns Mater; /997 /SSN /4/0 -2897

c=b~

~

~ Lok8cSi PengambilanI Benda Uji

.. -

18

~~'"Gambar I a c. Gambar I b

Gambar 1 a) Sketsa bentuk tabung reformer daD lokasi pengambilan benda ujib) Mesin uji creep yang digunakan untuk pengujian

Struktur mikro tabung reformer terdiri darimatriks struktur autenitis yang stabil daDmengandung karbida yang relatif kasar menyerupaipulau-pulau yang tersebar dan hampir membentuk

jaringan. Setelah mengalami proses penuaan padatemperatur operasional, struktur paduan memperlihatkan adanya presipitasi karbida berbentuk butiranyang terdistribusi merata di dalam butiran austenitdan akan memberikan kontribusi terhadap creepstrength paduano Presipitasi karbida tersebut akan

beraglomerasi (menggumpal) jika temperatur operasicukup tinggi, yaitu antara 982 °C- 1200 °c, sehingga

dapat mengakibatkan berkurangnya creep strength6.'.Untuk kekuatan mekanis logam pada

temperatur tinggi selalu dikaitkan dengan skalawaktu, dimana ketergantungan nilai-nilai kekuatanmekanis terhadap waktu sangatlah penting.

Dari pengalaman beberapa industrimemperlihat- kan bahwa awal gejala creep terjadibagian tengah antara dinding dalam dan bagiantengah dinding tabung. Hal ini disebabkantemperatur dan hoop stress dari tekanan dalam lebih

besar dibandingkandengan di bagian dinding luar tabung. Disampingitu, thermal stress yang disebabkan oleh temperaturgradient adalah maksimum pada dinding dalam.

Dengan demikian, menurut perhitunganmenunjuk kan bahwa total stress maksimum (yaituhoop stress ditambah thermal stress) adalahmaksimum diantara dinding bagian dalam clandinding bagian tengah, sehingga awal gejala creepakan terjadi di tempat tersebut 1.

Pada gambar 2 memperlihatkan creep yang

terjadi pada materiallogam, derajat kemiringan padagambar ini adalah dEfdt menunjukkan creep rateyang merupakan fungsi dari waktu.

Pada umumnya, terjadinya proses creepterdiri dari tiga tahap4. Pada tahap pertama, creeprate akan berkurang dengan bertambahnya waktusampai suatu saat akan mencapai minimum clankonstan pada tahap kedua. tahap ini adalah tahapyang paling penting dalam proses creep terutamadalam aplikasi rancang bangun (engineering). Padatahap kedua ini menunjukkan peregangan minimumclan konstan dalam waktu yang lebih lama dari padatahap lainnya. Hal ini dapat terjadi karena adanyakeseimbangan antara proses pengerasan regangandengan proses recovery, kemudian tahap ketigaterjadi karena adanya pengecilan penampang efektifkarena terbentuknya retakan atau creep void.

Pad a proses deformasi creep terjadi slip,pembentukan sub-butir, pergeseran batas butir serta

terbentuknya rongga.

97

Pro$;dinI! oertemuan I/m;ah Sa;ns Mater; 1997 1SSN 1410 -£897

W.ktu tGarnbar 2. : Kurva regangan creep ideal, mempunyai tiga tahapan dengan minimum creep rate di tengah

Oari penelitian Nemy dan Rhines5 juga diketahuibahwa rongga terjadi bersamaan dengan kerusakan

creep.

parameter akan mengkombinasikan tiga parameteryaitu waktu, tegangan dan temperatur menjadi satukurva yang dikenal dengan nama kurva master.

Metode ekstrapolasi ada beberapa jenisdiantaranya Orr-Sherby-Dorn, Larson-Miller danManson-Haferd parameter. Pada makalah ini hanyadigunakan satu metode yang dianggap paling umumyaitu Larson-Miller parameter (PLM), dimana untukmenghitung sisa umur pakai digunakan rumus :

Ada dua macam retakan creep, yaitu retakanbaji (wedge shape crack) dan rongga berbentukmelingkar (round shape cavities). Retakan berbentukbaji terbentuk pada temperatur rendah dengantegangan tinggi, sedangkan rongga berbentukmelingkar terjadi pada temperatur tinggi daDtegangan rendah.

Untuk Baja Austenit :PLM = (T+273 °K)( 15 + Log tJ.I0-3

EkstrapolasiEkstrapolasi tidak dapat dihindari pada

pengujian creep mengingat rancangan peralatantemperatur tinggi biasanya didasarkan pada waktupakai 100.000 jam. Pada dasamya, metode

Untuk Baja Feritik :PLM = (T+273 °K)( 20+ Log 1,).10-3

Bentuk benda uji creep clan ukuran-ukurannyaGambar 3

98

Prosidin ertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 1SSN 1410 -2897

PENGUJIANPada pengujian ini di uji 7 benda uji untuk

arab memanjang dan 6 benda uji untuk arabmelingkar, dengan bentuk benda uji seperti yangditunjukkan pada gambar 3. Adapun basil pengujianaccelerated creep tersebut dapat dilihat pada tabel 1dan2.

Pengujian accelerated creep dilakukanterhadap tabung reformer jenis 702~HI lajur D,nomor 6 pada posisi I (gambar la.) denganspesifikasi sebagai berikut :

-Jenis Material-Diameter Luar (0.0)-Diameter Dalam (1.0)-Tebal tabung-Tekanan disain-Temperatur operasi : berk-Lama operasi : :t II

Nilai Persamaan Larson-Miller (PLM), dapatdihitung dengan menggunakan rumus :

PLM = (T+273 °K)( 15 + Log t.).10-3

Misalnya untuk temperatur, T = 870 °C daD umurt.. = 2,6 Jam, maka diperoleh

PLM = (870 + 273)(15 + Log. 2,6). 10-3

= 17,62

Demikian seterusnya, dan sebagai basillengkap perhitungan nilai PLM ini bisa dilihat padakolom keen am Tabel I. dan Tabel 2.

Dengan menggunakan persamaan Rupturedesign, maka diketabui cr. = 80,9 kg/cm2.Pengambilan benda uji dilakukan dalam dua arabpemotongan, yaitu :

a. Arab Longitudinal atau memanjang (kode L), daDb. Arab Circumferential atau melingkar (kode C).

Tabel Hasil pengujian creep untuk potongan rnernanjang

Tabel 2. Hasil pengujian creep untuk potongan melingkar

99

: A 608-HK 40 modified: 137,4 mm: 101,6 mm: 17,1 mm: 23,0 kgicm2isar antara 870 sid 940°Ctahun ( sejak tahun 1984)

Pros;d;nfl oertemuan Ilm;ahSains Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

REFORMER TUBE TYPE 702-H1

100 rTTTTTTn

Iillm" lilllll; IlliI'lll 1IIIilliI

iliiul:i:.Ii'UIUlll1IUIUI Il'UIU

'~..l1'ulII~~~ WJI1111111,""llr,llf'rrr'lll ~\Ilii,ii'1

! '~W!I.lllillilllllliilii IHI1 ""~""H' ft""" 111'11' I 11I1 I III r 'I 111II IIIII! II ,

:l1t1lt IHIHlt i H-lttlH

IIIII I II II II I I r II IIIIIII 1111] i 1

.J111111 I1III1I1I1 11111111' 1II1

il1\hli ,"~l"I/, ml1"'1 III Iii

IIII!\I! '\~tllil ~'!I1."1 111111

111"'11 IIIftl!'I!I"'IIIIIIII!III!

11I1I1I 11111'11111'11111"'11111"=lli1lli

ti"~"'MI I ~~..H

TmTTm I I I I I I I

,ilIIIITI ,.IIIII1ITIT,iTliI, "Tlili;

jl1l[IITI~ 'iiJIill' ffiiJIil! 'ITliJli 1'.11111'1"1 II11MI1 trl trl 11 I trll1"

:lUlU 111 IUIJj!J t!lUIJjj W!J.ljJ

11"lml "tr"'11 11111111 ,..,\1urUtJ.1

IU1U'LUIUiu, lilUIU

'111'1I!1 I11111111 111111111 111111111

IIIIIIIIIIII!IIIII

11 20 21

I

Ij

II

I'

III

II

I

I

I

I,:

'I

22 23 24 25 28

~

IGn;~CIGCICIGCIQ)

I-

10-7,9co

0-I

~

217 18 27 28

...> PLM -T 15 + log tr) 0.001

Gambar 4. : Hasil Uji Creep Material tipe HK-40 Tabung Reformer

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari basil pengujian creep diatas dapatdilakukan ekstrapolasi, yang selanjutnya dapatdihirung sisa umur pacta kondisi pemakaiannya.Kemudian data basil perhirungan di plot ke bentukkurva master Persamaan Larson-Miller yangdisajikan pacta gambar 4, kurva ini merupakan basilpengujian accelerated creep terhadap benda uji jenisHK-40.

atau rupture design tabung reformer adalah 7,9 Mpa.Selanjut nilai ini di plot kedalam grafik (gambar 4),unfuk menenfukan nilai PLM daTi material yangdiuji atau diteliti daD yang masih barn. Pada grafiknampak bahwa nilai PLM = 22,0 unfuk materialyang telah beroperasi daD PLM = 24,94 unfuk nilai

material yang masih barn.Akhimya sisa umur dapat ditenfukan dengan

memasukkan nilai PLM yang diketahui dari graflkdaD temperatur operasi, ke Persamaan Larson-Miller.Temperatur operasi sangat berpengaruh terhadap sisaumur,6. Semakin tinggi temperafur daTi batastemperatur disain, maka sisa umur operasi pipatabung semakin kurang. Oleh karena ifu untukmemperpanjang umur operasi tabung reformer

sebaiknya dioperasikan pada temperafur jauhdibawah temperatur disain dengan pertimbangan,bahwa temperatur tersebut layak digunakan untuk

proses pengolahan hydrogen plant.

Pada gambar 4, juga di tampilkan bentukkurva Larson -Miller jenis material HK-40 yangbarn, untuk membandingkan bentuk kurva materialbarn dengan material yang telah beroperasi.

Untuk menentukan sisa umur dari tabungreformer yang di teliti, terlebih dahulu dihitung

tegangan yang bekerja pada tabung tersebut, denganmenggunakan rnmus persamaan hubungan antaratebal clan tekanan disain tabung (API-S30). Dariperhitungan ini diketahui bahwa tegangan nominal

dibawah dari pada tekanan datl temperatur disaul.Dan disarankan sebaiknya tabung reformer yangsedang beroperasi atau yang seumur dengan tabungyang diteliti diganti secepatnya, mengingatkondisinya sudah sangat memprihatinkan.

KESIMPULAN

Berdasarkan basil pengujian clan penelitianterhadap tabung reformer, dapat diambil kesimpulanbMwa tabung reformer yang masih sedangdioperasikan, berada dalam keadaan yang relatif

beresiko tinggi hila dioperasikan pada temperaturclan tekanan yang mendekati atau melebihi tekananclan temperatur disain. Oleh karena itu, untukmenjamin keselamatan clan menghindari kecelakaan,maka temperatur clan tekanan operasi harus berada

100

UCAP

AN TERIMA KASIH

Dengan kerendahan hati penulismengucapkan terima kasih yang sebesar-besamyakepada

Bapak Hadi Sunandrio, Bapak GunawanSakri, Bapak Amir Partowiyatmo, Ibu Evvy Kartini,

Prosidin ertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 lSSN 1410 -2897

dan Bapak Supriadi, yang telah memberikankesempatan kepada kami untuk menulis makalahini. Disamping itu, rasa terima kasih yang sebesar-besamya juga kami ucapkan pada pihak PertaminaUP II Dumai yang telah membantu dalampengambilan sampel sebagai bahan penelitian.

DAFfARPUSTAKA

[4] GAROFALO, FRANK, "Fundamental of creepand creep rupture in metal", macmillan NewYork, (1965).

[5]. HONEYCOMB, RWK., "The Plasticdeformation of metals", Edward Arnoldpublisher ltd. London, (1977).

[6] Japan Mech.Eng. Assc." Technique forremaining life assessment', Gihodo Publisher,Tokyo, (1993)

[7]. KS-25-35 Nb Alloy for steam reforming andcracking furnace tubes, Kobe Steel, ltd.Wakinohama, Chu-o ku, Kobe, Japan.

18] REED-HILL, ROBERT E.,"Physicalmetallurgy principles", 2nd edition, VanNostrand co., New York, (1973).

[I] API Recommended Practice 530,"Recomemended practice for calculation ofheater tube thickness in petroleum refmeries.Washington, D.C., (1978).

[2] CASTRANI, C. D., ANGELO D.,MICHELIZZI C., "Methods for remaining lifeprediction of steam pipes and boiler tubes",Italy.

[3] DIETER, GEORGE E., "MechanicalMetallurgy", 2nd edition, Mc Graw HillKogakusha, ltd. Tokyo, (1976).

1m