Prosiding Pertcmuan Ilmiah Sains Materi 1996

APLIKASI PERSAMAf'+N "LARSON-MILLER" UNTUK MEMPREDIKSIUMUR ATAU SISA UMUR KOMPONEN YANG BEROPERASI PADA

TEMPERATUR TINGGI1

ILHAM HATTAz

ABSTRAKAPLlKASI PERSAMAAN "LARSON-MILLER" UNTUK MEMPREDIKSI UMUR ATAU SISA UMUR

KOMPONEN YANG BEROPERASI PADA TEMPERATUR TINGGI". Persamaan " Lanon-Miller " (PLM) yang

ditemukan oleh F.R. Larson dan James Miller pada tahun 1951, merupakan rumus empiris yang banyak diaplikasikan untukmemprediksi umur dan sisa umur pada komponen boiler atau komponen yang beroperasi pada temperatur tinggi. Persamaan inihanya tergantung pada waklu (I) dan temperatur (T), yang biasa ditulis dengan rumus PLM = T ( C + log t ) 0,001. Persamaan inidapat diaplikasi apabila proses pengujian terhadap komponen atau material dilakukan dengan uji creep atau mulur dalam kondisibeban dan temperalur konstan. Pada makalah ini, disajikan suatu hasil penelitian terhadap salah satu pip, boiler yang telahmeledak setelah beroperasi selama 71.832 jam, dengan uji creep. Dari hasil pengujian daD penelilian ini, dapat ditentukan sisaumur pipa boiler yang bersamaan dipasang dengan pipa yang meledak tersebut, yailu dengan menggunakan persamaan Larson-Miller, sehingga dapat dianlisipasi sedini mungkin pengganlian pipa boiler agar tidak terjadi kecelakaan yang berakibat fatal.

ABSTRACTAPLICATION OF THE lARSON -MILLER EQUATION TO PREDICT THE AGE AND THE REMAINING LIFE

OF COMPONENT FOR lliGH TEMPERATURE OPERATION. The Larson-Miller Equation (PLM) which was discoveredby F.R. Larson and James Miller in 1951, is an empirical formula that can be applied to predict the age and the remaining life of aboiler component or any component operated at high temperature. This equation only depends on time (t) and temperature (T),which is commonly written as PLM = 0.001 T (C + Log t), which can be applied if the process of component or material testing isdone by Creep/Rupture Test with a constant amount of load and temperature. This paper presents the outcome of research doneby means of Creep Test on a boiler pipe that was exploded after 71,832 hours operation. From such finding, the remaining life ofboiler pipes which were installed at the same time with the exploded one can be determined by the Larson-Miller Equation, inorder to anticipall: the earliest possiblc n:placement of a boiler pipe and thus prevent fatal accident that might occur due to

explosion.

adalah dengan menggunakan persamaan"Larson-Miller" parameter.

Penggunaan persarnaan "Larson-Miller"Parameter, sangat tergantung daTi basilpengujian creep atau mulur. Creep merupakansuatu gejala yang terjadi pada material berupaperubahan dimensi akibat adanya tegangan dantemperatur tinggi dalam waktu yang lama. Padatemperatur tinggi kekuatan suatu material akanmenurun secara perlahan-lahan denganpertambahnya waktu operasi. Jadi pengujiancreep digunakan untuk mengetahui ketahanansuatu material yang dinyatakan dalam waktusebagai fungsi daTi temperatur.

TUJUAN PENELITIANPada penelitian ini tujuan yang dicapai

adalah :a. Menentukan sisa umur pipa boiler yang

beroperasi pada temperatur tinggi.b. Memprediksi bahaya kerusakan yang

akan terjadi pada pipa boiler.c. Mengoptimalkan penggunaan peralatan

yang beroperasi.

PENDAHULUANPenggunaan material baja untuk keperluan

industri pengolahan minyak dan gas, industrikirnia clan pembangkit lislrik, umumnya

dioperasikan pada temperatur tinggi, yaituberkisar antara 500°C hingga 1200oC. Materialini biasanya digunakan sebagai pipa boilerdengan jenis baja yang dipakai adalah bajaferritik atau baja austenitik.

Pada saat pemasangan komponen-komponen pabrik atau industri pengola-hanminyak clan gas, pipa boiler yang terpasangcukup banyak clan waktunya hampir bersamaanantara yang satu dengan yang lainnya,sedangkan umur pipa yang bcropyrasi pactatemperatur linggi, biasanya tclah direncanakandalam kurun waktu 100.000 jam clan tentunyaharus diopcrasikan dalam kondisi yang aman,akan tetapi pada kenyataannya belum saatnyadiganti pip a tcrsebut telah mcledak, sehinggamengakibatkan kerugian clan kecelaka- an yangcukup besar.

Oleh karcna itu pada era sckarang iniperhatian industriawan yang bergcrak dalambidang minyak dan gas, alau petrokimia,keamanan dW1 kelayakan opcrasi dari suatuperalatan atau komponcn, bcrkcmbang kearahtinjauan terhadap umur opcrasi.

Untuk mcngoptimalkan umur operasi daripipa boiler alau komponcn lail1nya, haruslahjelas didalam teknik mcmprc-diksi terhadapumur sisa, salah satu cara yang scring digunakan

PEMECAHANMASALAHKomponen-komponen pabrik atau industri

pengolahan minyak dan gas yang beroperasipada temperatur tinggidalam kurun waktu yang cukup lama, seringmeledak atau rusak tanpa diketahui terlebihdahulu penyebabnya. Hal ini seharusnya tidak

1. Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah Sains Materi 19962. StafPencliti Bidang Materia! UPT-LUK BPP Teknologi

120

Pada akhirnya laju creep bertambah besar

hingga terjadi patah.Persamaan Larson-Miller parameter

dikembangkan berdasarkan persamaan laju tipeArhenius, yang menyatakan bahwa creepmerupakan proses aktivasi tunggal yang terjadipada temperatur diatas atau disekitar 0,4 T m ,yaitu :

Es = A e-Q/RT

dimana Eo adalah laju creep, A adalahkonstanta, Q adalah energi aktivasi dalamdeformasi R adalah konstanta gas dantemperatur dalam derajat kelvin. Denganasumsi bahwa waktu yang menyebabkanregangan creep tidak berubah atau waktu patahcreep berbanding terbalik dengan laju creep,perubahan waktu t pada persamaan tersebutberubah menjadi :

perlu terjadi, apabila ditangani lebih awaldengan pemcriksaan rutin atau dengan menge-tahui terlebih dahulu sisa umur pakai darikomponen tcrsebut.

Pacta umumnya komponen yang

dioperasikan pacta temperatur tinggikerusakannya diakibatkan olch proses creep ataumulur. Untuk mendeteksi atau menemukansedini mungkin cacat-cacat yang terjadi pactaproses mulur pacta suatu komponen, selayaknyadilakukan inspeksi rutin. akan tetapi dengan carainipun masih agak susah untuk mengetahuikapan komporten tersebut harus diganti, agartidak terjadi l~akan atau kcrusakan yang tidakdiinginkan. -

Untuk itu, maka salah satu cara yang terbaikatau yang scring digunakan untuk memprediksiumur pipa boiler adalah dcngan menggunakanpersamaan "Larson-Miller" parameter. Daripersamaan ini dapat dengan mudah diprediksisisa umur atau umur pakai suatu komponen

khususnya yang beroperasi pacta temperaturtinggi, dengan plot data dm"i hasil uji creep.

t = A e-Q/RTBila persamaan ini dilogaritmakan, maka akandidapat suatu persamaan sebagai berikut :

Persamaan Larson-Miller ParameterBagian-bagian konstruksi atau komponen

dapat terdeformasi secara kontinu dan perlahan-lahan dalan1 kurun waktu yang lama, apabiladibebani sccara tctap. Deformasi yangtergantung pada waktu dan temperaturdinamakan creep. Creep juga dapat terjadi padatemperatur rcndah, akan tctapi yang sangatmenyolok tcljadi pada tcmpcratur tinggi atauyang mendckati temperatur cairo Pada tern -

peratur yang lebih tinggi dari 0,4 kali titik cairdalam derajat kelvin atau biasanya dinyatakandengan 0,4Tm, perubahan rcgangan creepterhadap waktu dapat dilihat pada gambar 1.

T (Log t + C) = PLM

Menurut Larson-Miller Konstanta C sarnadengan Logaritma A, dan berdasarkanpercobaan nilai berkisar antara 15 sarnpaidengan 30, tergantung pada jenis material yangdigunakan atau yang dipakai. Dan berdasarkanstandar "API Recommended Practice 530"ditetapkan bahwa untuk baja feritik nilai C = 20dan untuk baja Austenit nilai C = 15,

sehingga Persamaan Larson- Miller menetapkansebagai berikut :

Untuk penggunaan derajat Fahrenheit,PLM = (T + 460)(log t + C)10.3

-Untuk penggunaan derajat Celcius,PLM = (T + 273)(log t + C)10.3

-Untuk penggunaan Baja Feritik,PLM = (T + 460)(log t + 20)10.3

-Untuk penggunaan Baja Austenit,PLM = (T + 460)(log t + 15)10.3

-Adapun Jenis Baja Feritik yang adalah* Baja Karbon A-161, A-192, A-S3B* BajaKarbon-l/2 Mo atau* Baja 1¥4 Cr-l/2 Mo atau TII* Baja 2¥4 Cr- 1 Mo atau T22* Baja 3Cr- 1 Mo atau T2I* Baja sCr-l/2 Mo atau T5

w- tGambar 1. Kurva Creep, pcrubahan reganganterhadap waktu dalam 3 tahapan creep.

Pada gamhar terlihat bahwa jika bebantertentu dibcrikan, maka dcngan segera terjadi

regangan sesaat (Eo). Jika bcban dibiarkan terusmenerus, m.lka laju creep akan turn terhadapwaktu hingga mencapai kcadaan hampirseimbang, dimana laju crecpnya mengalamiperubahan w.lktu yang kccil tcrhadap waktu.

121

Tabel 2. Hasil Uji Creep Untuk PotonganMelintang

PLM = 22,05. Sedangkan untuk faktor keama-nan1,6 kali tegangan nominal, dari kurva ini jugadidapatkan besarnya nilai PLM = 21,42. Faktorkeamanan yang lebih besar memberikan jaminanyang lebih aman, sehingga sebaik dalam industripengolahan minyak daD Gas, serta industri kimiadan pembangkit listrik, menggunakan faktorkeamanan yang lebih besar agar dapat dicegahsedini mungkin terjadinya kerusakan yang fatal.Dari kedua nilai PLM tersebut diatas, dibuatsuatu kurva barn yaitu gambar 6, untukmenghitung sisa umur pipa atau tube.

Dari data yang tertera pada tabel 1 daD 2,kemudian dibuat suatu kurva atau grafikPersamaan Larson-Miller Para- meter (PLM)yang terlihat pada gambar 4 dan 5, pada gambarini juga diplot kurva material tube yang belumpernah dipakai atau dengan kala lain masihbaru, sesuai dengan kurva PLM material standarjenis HK-40. Hal ini penting, sebab dari kurvaini dapat dihitung daD dibandingkan umur daDsisa umur daTi tube atau pipa yang digunakanuntuk reformer hydrogen plant.

.~.kanan 010 1 .20.' OaJa2

Garnbar 6. Kurva Sisa Umur Vs Temperatur Operasi. HasilPerhitungan Persarnaan Larson-Miller Parame-ter (PLM) untuk faktor kearnanan 10..." dan10"JIn

Kurva ini dibuat berdasarkan aplikasiPersamaan Larson-Miller, Yaitu

PLM = (T + 273)(log t + 15)10.3Pada kurva ini terlihat sisa umur clan temperaturoperasi dari pipa reformer tersebut. Untukmemudahkan pengama- tan clan perhitungan,maka temperatur operasi clan sisa umurditabulasikan seperti yang terlihat pada tabel 3.

Dari tabel ini tertera, bahwa umur operasipip a atau tube reformer sangat tergantung padatemperatur operasi, oleh karena itu mengingatwaktu yang dibutuhkan untuk pengganti pipatersebut sebaiknya tabel 3 dapat diguna-kansebagai pedoman atau acuan untuk membuatjadwal kapan pipa tersebut harus diganti,sampai kapan harus beroperasi clan sampaikapan paling lambat pengiriman pipa tersebut.

Apabila ditentukan bahwa tempera- turoperasi pipa reformer adalah 908°C makakemungkinan lamanya beroperasi atau sisaumurnya pipa tersebut hanya 4.684 jam atau 6,5bulan untuk pengambilan faktor keamanan 1(satu), sedangkan untuk faktor keamanan1,6,maka sisa umurnya hanyal.371 jam atau 1,9bulan.

Dengan menggunakan rumus perhitungansederhana. hubungan antara tekanan operasi daDtegangan pada pipa, dapat diketahui bahwategangan nominal yang beroperasi pada pip aatau tube adalah 7.985 Mpa.

Untuk faktor keamanan l(satu) kali nilaitegangan nominal yang biasanya dipersyaratkanoleh standar API, maka dari kurva yang terterapada gambar 5 dapat diketahui besarnya nilai

122

* Baja 5Cr-lh Mo-Si atau T5* Baja 7Cr-lh Mo atau T7

* Baja 9Cr- IMo atau T9

-Jenis Baja Austenit adaIah :* Baja 18Cr-8Ni atau 304 & 304H* Baja 16Cr-12Ni-2Mo atau 316 & 316H* Baja 18Cr-l0Ni- Ti atau 321 & 321H* Baja 18Cr-l0Ni-Cb atau 347 & 347H* Ni-Fe-Cr atau Paduan 800H* 25Cr-20Ni atau HK-40

utuh tanpa cacat yang berarti. Kemudiandiadakan uji creep terhadap semua benda ujiyang telah dibuat, seperti yang telihat padagambar 3. Pada penelitian ini benda uji yangdibuat sebanyak 10 buah untuk potonganmemanjang daD 6 buah untuk potonganmelintang (circumferential).

, "... J'8III""'" ~ """ft~_ml-lll.

Gambar 3. Foto mesin uji creep yangdigunakan untuk penelitian.

METODOOGIPENELITIANPenelitian ini dilakukan terhadap tube

reformer hydrogen plant yang telab beroperasisejak 1984 clan pada bulan januari 1995meledak setelah beropera- si selama 71.832 jam.

Adapun tube reformer yang diteliti adalabsebagai berikut :-Diameter luar (O.D) : 137,40 rom-Diameter dalan (I.D) : 101,60 rom-Ketebalan pipa : 17,10 mm-Tekanan operasi : 20,5 kg/cm2-Temperatur Disain : 974°C-Temperatur operasi : 870°C + 974°C-Lama Operasi : :t 11 Tabun

Jenis material yang digunakan untuk tubeini adalab jenis baja austenit 25Cr-20Ni atauHK-40, tube atau pipa ini kemudian akan ditelitisisa umur yang masih terpasang bersamaandengan pipa yang meledak tersebut. Langkab-langkab yang diambil dalam penelitian diawalidengan pengumpulan data lapangan, kemudianbagian-bagian pipa yang telab meledak dibawake Laboratorium untuk diteliti, pada penelitianini pipa tersebut dibuat benda uji seperti padagambar 2. Arab pemotongan benda uji diambildalam dua arab yaitu arab memanjang clan arabcircumferential (melintang).

Data basil pengujian diplot daIarn suatukurva persarnaan Larson-Miller. Dari kurvatersebut didapat suatu basil perhitungan untukmendeteksi sisa umur dari komponen yang lainyang sejenis daD bersarnaan dipasang denganpipa yang telah meledak.

HASIL DAN PEMBAHASANSetelah diadakan pengujian creep, maka

didapatkan suatu basil seperti yang tercantumdalam label 1 clan 2 dibawah ini. Pada labeltersebut terlihat bahwa pengujian dilakukanpada temperatur 870°C hingga tempe~aturll00°C, hal ini dilakukan sebab tem- peraturoperasi pada tube berada pada julat temperaturterse but.

Benda uji diambil daTi bagian pipa yang tidakrusak atau meledak yang mempu- nyai jarakkurang lebih 50 Cm daTi daerah yang pecah ataurusak, hal ini perlu diperhatikan sebab pactadaerah tersebut pipa yang akan digunakan untukpenelitian harus benar-benar mewakili pipa yanglain, artinya kondisi pipa yang diteliti masih

123

Tabel 3. Prediksi Sisa Urnur Pipa atau Tube ReformerHydrogen Plant Terhadap Ternperatur OperasidaD Faktor Kearnanan

Untuk mencapai basil yang optimal tanpaterjadi kecelakaan atau ledakan yang fatal, makasebaiknya temperatur operasi pipa atau tubedibuat lebih rendah dari temperatur operasi rata-rata, hal ini mengingat bahwa penggan-tianpipa-pipa yang masih terpasang memerlukandana yang cutup besar dan pengadaannyapunmemerlukan waktu yang lama, sehinggadibutuhkan penjadualan yang ketat dan akurat.

UCAPAN TERIMA KASIHDengan kerendahan hati penulis

mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Hadi Sunandrio, BapakGunawan Sakri, Bapak Amir Partowiyatmo,Bapak Syahfandi, daD Bapak Supriyadi, yangtelah memberikan kesempatan kepada karniuntuk menulis makalah ini. Disamping itu, rasaterima kasih yang sebesar-besarnya juga karniucapkan pada pihak Pertarnina UP II Dumaiyang telah membantu dalam pengambilansampel sebagai bahan penelitian.

DAFTAR PUS TAKA "1. B.J. CANE AND JOHN W., Remanent

Life Assesment Seminar, ERATechonology Leatherhead-UK 22!23September 1992 .

2. BEAR, J. M., V. A. ANIS AND M.PSHIPLEY LIFE Assesment andMonitoring of Furnace Heaters, Paper forPresentation at First InternationalConference on Plant Realibility forPetroleum Refineries Chemical andNatural Gas Plants, Hyatt Regence Hotel,Houston, Texas November 10-12, 1992.

3. DIETER, GEORGE E., MechanicalMetallurgy, 2nd Edition, Mc Graw Hill,Kogakusha, Ltd. Tokyo 1976.

4. GAROFALO, FRANK., Fundamental ofCreep and Creep Rupture in metals,Macmilan, New York. 1965.

5. HARY ADI,MUKSON.,Penerapan MetodaRLA terhadap komponen kritis dariRefinery! Petrochemical Plant. BimbinganKeahlian Teknik Inspeksi Lanjutan, 1990.

6. J. M , BEAR., AND A. AKERMAD.,Probabilistic Remanent Life Assesment ofPlatformer Fired Heater Tubes, FinalReport, September 1991.

7 YOSHIAKI,IMOTO.,SUSUMU TERADAAND KONHEI MAKI., A MethodPredicting Creep Damage of ReformerTubes With Through Wall ThermalGradient, Paper Presentation at AICHEMeeting, Montreal, Quebec. Canada,October 4-9, 1981

DISKUSINasanuddin Salam:Apakah konstanta C dalam rumus PLM = T (C+ log t) 0,001 mengandung variabel tekanan danjenis fluida yang mengalir ?Dham Hatta :Faktor C sangat tergantung dari jenis material :-Untuk material Ferritic Steel nilai C = 20-Untuk material Austenitic Steel ni1ai C = 15Faktor tekanan diperhitungkan pacta rumus

KESIMPULANDari basil penelitian daD pengujian yang

dilakukan terhadap pipa atau tube; reformer

hydrogen plant dengan rnengaplikasikanpersarnaan Larson-Miller, rnaka dapatdisirnpulkan bahwa :1. Persarnaan Larson -Miller sangat

sederhana untuk digunakan rnemprediksisisa umur ataupun umur suatu pipa ketelatau boiler yang beroperasi pada

temperatur tinggi.2. Hasil prediksi yang didapatkan dari

persarnaan Larson-Miller dapat digunakanuntuk menilai kondisi peralatan yangmemberikan keuntungan baik daTi segiekononris rnaupun kearnanan, sertarnernbantu rneningkat-kan kehandalan

peralatan.3. Sisa urnur operasi pipa atau tube reformer

sangat tergantung pada ternperatur operasi.P (D -2 t)

2t(5=124