telaahan staff pln - analisa kegagalan an pada high pressure main stop valve unit 2

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN

PT. PLN (PERSERO) UNIT PEMBANGKITAN TANJUNG JATI

TELAAHAN STAF

NAMA No. Test

: MUHAMMAD ARIF SUSETYO, ST : BD / PE / 0264

PROJECT MANAGEMENT GROUP Proyeksi Jabatan : Assisstant Engineer Operasi Pembangunan Proyek Mechanical engineering

Judul

: ANALISA KEGAGALAN PENGELASAN PADA HIGH PRESSURE MAIN STOP VALVE UNIT 2

TAHUN 2008 1


Daftar IsiLEMBAR PENGESAHAN ..................................................... Error! Bookmark not defined. KATA PENGANTAR ............................................................. Error! Bookmark not defined. Daftar Isi .................................................................................................................................... 2 Daftar Gambar ........................................................................................................................... 3 Daftar Tabel ............................................................................................................................... 3 BAB 1 PENDAHULUAN ....................................................... Error! Bookmark not defined. 1.1. 1.2. 1.3. Latar Belakang .......................................................... Error! Bookmark not defined. Tujuan Penulisan ......................................................................................................... 1 Batasan Masalah .......................................................................................................... 1

BAB 2 PERMASALAHAN ...................................................................................................... 2 2.1. Kasus kegagalan sambungan Main Stop Valve Unit 2 ............................................... 2

BAB 3 PRA ANGGAPAN ........................................................................................................ 3 3.1. Pra-Anggapan penyebab kegagalan sambungan MSV unit 2 ..................................... 4

BAB 4 LANDASAN TEORI..................................................................................................... 5 4.1. 4.2. Creep ........................................................................................................................... 5 Difusi karbon pada sambungan material P22 dan P91 ................................................ 8

BAB 5 PEMBAHASAN .......................................................................................................... 12 5.1. 5.2. Existing Design (Unit 1 & 2) .................................................................................... 12 Modified Design (Unit 3 & 4) ................................... Error! Bookmark not defined.

BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................... 19 6.1. 6.2. Kesimpulan ............................................................................................................... 19 Saran .......................................................................... Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. 20

2


Daftar GambarGambar 2.1 Contoh pengelasan ................................................................................................. 4 Gambar 4.1 Proses Fit Up ........................................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.2 Grafik Mesin Perlakuan Panas ............................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.3 Spesifikasi Pipa dan Welder ................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.4 Proses Pengelasan Pipa ........................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.5 Penampang Lintang Hasil Pengelasan ................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.6 Proses Pemasangan Insulasi ................................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.7 Posisi Pemasangan Thermocouple ....................... Error! Bookmark not defined. Gambar 4.8 Sketsa Grafik PWHT ........................................... Error! Bookmark not defined.

Daftar TabelTabel 3-1 Welding Procedure Specification (WPS) untuk Pipa Feed waterError! Bookmark not defined. Tabel 3-2 Welding Procedure Specification (WPS) untuk Pipa Downcomer ..................Error! Bookmark not defined. Tabel 4-1 PW-39 ASME SECTION 1 ..................................... Error! Bookmark not defined. Tabel 4-2 ASME B 3.11 132 ................................................... Error! Bookmark not defined.

3


LEMBAR PENGESAHAN

Nama No. Test Proyeksi Jabatan

: Muhammad Arif Susetyo : BD/PE/0264 : Assistant Engineering Construction

Menyetujui: Mentor Coordinator Project Management Group

Jepara, 19 Juli 2010

Peserta On the Job Training

Agung Wahyudi

Muhammad Arif Susetyo

Mengetahui: Manager SDM PT. PLN (Persero) KIT TJB General Manager PT. PLN TJB

4


Surya Fitriadi

Basuki Siswanto

5


Kata Pengantar

6


Abstrak

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

PLTU Tanjug Jati B marupakan salah satu pembangkit listrik yang menyuplai listrik kepada sistem interkoneksi Jawa Bali yang dimiliki oleh PT PLN. Pembangkit listrik ini

menggunakan siklus uap dengan batu bara sebagai bahan bakarnya. Dari total 4 unit yang akan dioperasikan, 2 unit telah beroperasi sejak tahun 2005, dan menyuplai tenaga listrik netto maksimal 2x660 MW. Pembangkit listrik ini dibangun oleh Sumitomo Corporation, dimiliki oleh PT Central Java Power, dan dioperasikan oleh PT Tanjung Jati B Power Service. Posisi PLN pada pembangkit ini adalah sebagai penyewa, yang akan menjadi pemilik, setelah 21 tahun sejak pembangkit beroperasi secara Komersil.

Pembangkit listrik ini temasuk salah satu pembangkit berkualitas tinggi dan ramah lingkungan, karena menggunakan Flue Gas Desulfurization Unit sebagai pengurang polusi gas buang. Namun, terdapat beberapa masalah yang menggangu operasi pembangkit. Salah satu masalah yang terjadi adalah kegagalan sambungan antara Main Steam Pipe, dan Main Stop Valve (MSV) pada unit 2, pada 5 april 2008 yang menyebabkan shutdown demi dilakukannya perbaikan. Terdapat 2 MSV pada tiap unit yang bekerja secara paralel, dan sambungan MSV yang mengalami kegagalan pada unit 2 adalah sisi kanan dengan kode sambungan MS 21. Gambar dibawah menunjukkan skema Main Steam Pipe yang

bersangkutan, dan MSV yang terpengaruh.

7


Sambungan MSV gagal

Gambar 1.1 Skema Main Steam Pipe dan Main Stop Valve

Telah dilakukan telaahan yang dilakukan oleh pihak departemen Metalurgin dan Material Institut Teknologi bandung dengan peneliti Slameto Wiryolukito dan Angga Fitrananta P yang menyimpulkan bahwa kegagalan terjadi karena fenomena Creep. Telaahan staff ini dibuat untuk mengetahui penyebab Creep yangseharusnya tidak terjadi. 1.2 Tujuan Penulisan

-Mengkaji kegagalan Creep pada Main Stop Valve unit 2 -Memastikan bahwa hal seperti ini tidak terjadi lagi di unit 3 dan 4 yang sedang dalam tahap konstruski. 1.3 Batasan Masalah

Terdapat banyak sambungan las pada Pembangkit Listrik. Untuk itu, pengkajian dibatasi pada sambungan las pada inlet Main Stop Valve Unit 2 (sambungan MS 21 dan MS 23), dan sambungan inlet MSV pada unit 3 dan 4 yang sedang dalam tahap konstruksi.

8


BAB 2 PERMASALAHAN2.1 Kasus kegagalan sambungan Main Stop Valve Unit 2 Kasus yang diangkat pada telaahan staf ini adalah kegagalan pada Unit 2 PLTU Tanjung Jati B, pada tanggal 5 April 2008. Kegagalan berupa keretakan pada sambungan Main Steam Pipe (Material 9Cr1-MoV) dan Main Stop Valve (Material 1.25Cr-1Mo) dengan kode pengelasan MS 21. Saluran ini dilewati oleh uap air superheated dengan Tekanan 166 Bar Gauge, Temperatur 538 oC. Retak terjadi pada fusion line antara filler metal (Material 2.25Cr1Mo) dan pipa pada 70% sambungan bagian bawah. Analisis kegagalan yang

dilakukan oleh ITB (peneliti Slameto Wiryolukito dan Angga Fitrananta P) menyimpulkan bahwa kegagalan terjadi karena fenomena Creep.

Lokasi Crack

Lokasi Crack

Gambar 0.1 Lokasi kegagalan

9


BAB 3 PRA - ANGGAPAN3.1 Pra Anggapan penyebab kegagalan sambungan MSV unit 2 ` Main Stop Valve 1,25 Cr-1Mo (P11)Filler Metal 2,25 Cr-1Mo (P22) Lokasi Crack Main Steam Pipe 9 Cr-1Mo (P91)

Gambar 3.2 Material-material berbeda pada sambungan

Material yang digunakan pada sambungan adalah sebagai Berikut : Main Stop Valve Filler Metal Main Steam Pipe : SA 335 P 11 : SA 335 P 22 : SA 335 P 91

Penjelasan Kode Material : SA 335 P 11 P 22 P 91 : Material Untuk High Temperature Service

: Menunjukkan fraksi Cr sebesar 1,25 : Menunjukkan fraksi Cr sebesar 2,25 : Menunjukkan fraksi Cr sebesar 9

Berdasarkan teori, terdapat fenomena metalurgi yang bisa mengurangi kekuatan sambungan, yaitu Carbon Diffusion dari material dengan kandungan Cr lebih rendah10


kepada material dengan kandungan Cr yang lebih tinggi. Fenomena ini terjadi karena penyambungan material yang mempunyai kadar Cr berbeda, dan temperatur operasi diatas 500 Celcius. Fusion line antara Filler Metal dan Main Steam Pipe mengalami temperatur operasi 538 Celcius, dan merupakan fusi Material SA 335 P22 dengan fraksi Cr 2,25, dan Material SA 335 P 91 dengan Fraksi Cr 9. Spesifikasi welding dan parameter operasi ini mendukung untuk terjadinya fenomena carbon diffusion. Hal ini akan menyebabkan tejadi Carbon Depletion pada Fusion Line, yang akan mengurangi yield strength sambungan. Praduga kegagalan sambungan mengarah kepada fenomena Carbon Diffusion yang menurunkan Yield Strength sambungan hingga terjadi Creep.

11


BAB 4 LANDASAN TEORI

Terdapat dua fenomena yang terjadi pada kegagalan penyambungan pada Main Steam Valve unit 2, yaitu Creep, dan Carbon Diffusion.

4.1 Creep Creep, atau mulur adalah fenomena perpanjangan material yang bisa berakhir dengan kegagalan material atau tidak. Fenomena ini disebabkan oleh pembebanan statik pada temperatur tinggi. Biasanya, creep adalah fenomena yang tidak diinginkan, dan

sering manjadi faktor penghambat umur operasi alat. Creep terjadi pada semua jenis material. Namun pada metal, creep hanya teradi pada temperatur diatas 0.4 kali Temperatur Leleh Absolut. Material Amorphous, seperti plastik dan karet sangat sensitif terhadap Creep.

Perilaku Creep

Perilaku creep bisa dimodelkan melalui creep test, dimana spesimen diberikan beban, dan dipanaskan sampai temperatur yang diinginkan. Deformasi dan perpanjangan lalu diukur, dan di-plot sebaai fungsi dari waktu.

Gambar 4.1 Tahap-tahap peregangan pada fenomena Creep

12


Diagram Strain vs Waktu yang dikarenakan pembebanan konstan dan temperatur yang dinaikkan

Mekanisme Creep berdasarkan creep test terjadi atas beberapa tahap: Tahap 0 : Perpanjangan Elastis (0) : Merupakan perpanjangan elastis yang terjadi karena pembebanan awal.

Tahap 1, Primary/Transient Creep : Terjadi pada awal fenomena creep, dan ditandai dengan menurunnya laju pertambahan creep seiring dengan berjalannya waktu. Hal ini menunjukan bahwa material menahan lajunya creep karena terjadi strain hardening. Strain hardening adalah pengerasan material karena deformasi

plastis yang dikarenakan bertambahnya dislokasi pada material. Hal ini menaikkan kekerasan material, dan menyebabkan deformasi semakin sulit terjadi.

Tahap 2, Secondary/Steady State Creep : ditandai dengan laju creep yang konstan. Seringkali, ini adalah proses creep dengan durasi paling lama dari fenomena creep. Fenomena ini bisa dijelaskan karena terjadi keseimbangan antara strain hardening, dan recovery. Recovery adalah pelepasan tegangan sisa yang diakibatkan oleh deformasi plastis. Hal ini bisa terjadi karena temperatur tinggi yang dialami material akan membantu difusi atomik, sehingga terjadi pengurangan jumlah dislokasi. Dalam secondary creep, terdapat keseimbangan antara kenaikan kekerasan material akibat Strain Hardening dengan melunaknya material akibat Recovery.

Tahap 3, Tertiary Creep & Rupture : Merupakan tahap akhir dalam fenomena creep, dimana terjadi kenaikan laju mulur, sampai terjadinya rupture. Hal ini

dikarenakan perubahan mikrostruktur dan metalurgi, seperti grain boundary separation, crack, cavity, dan void. material. Tahap ini biasanya berakhir dengan rupture

13


Gambar 4.2 Hasil SEM dari sampel yang patah karena Creep

Gambar 4.3 Rekonstruksi posisi Pori yang terjadi karena Creep

Gambar dibawah menunjukkan SEM material sama yang baru mengalami Post Weld Heat Treatment (PWHT), dan daerah yang sama setelah mengalami creep dalam temperatur 600 C selama 14000 Jam. Jumlah kepadatan presipitat berkurang selama

14


terjadinya creep, terjadi void, dan diameter rata-rata presipitat meningkat. Kedua hal ini mengakibatkan berkurangnya kekuatan material pada daerah HAZ.

Gambar 4.4 Contoh Material yang terkena Creep

a.

Setelah Post Weld Heat Treatment

b. Setelah 14000 jam @ 600 oC

4.2 Carbon Diffusion pada fusion Line material P22 dan P91

Baja ferritic berperan penting dalam konstruksi PLTU, dan digunakan dalam banyak aplikasi lainnya yang membutuhkan kekuatan, dan dioperasikan dalam temperatur tinggi. Namun, sambungan las antara Baja Ferritic dengan tipe berbeda bisa

menyebabkan kegagalan, yang bisa mengganggu Operasi PLTU. Ketidakstabilan Mikrostruktur dan redistribusi elemen pada dissimilar joint antara material 9Cr-1Mo (P91), dan 2.25Cr-1Mo(P22) yang dikarenakan perilaku PWHT, dan temperatur operasi bisa menyebabkan penurunan kekuatan material yang tidak diinginkan. Kondisi ini telah dipelajari dengan menggunakan Mikroskop Optik, dan Elektron, dan fenomena mikromekanik yang bertanggungjawab atas penurunan kualitas

mikrostruktur bisa dijelaskan.

Percobaan dilakukan pada sambungan P91 dan P22, yang dipaparkan pada temperatur 1023 K dalam waktu yang berbeda-beda. Setelah perlakuan panas tersebut ditemukan bahwa terjadi Daerah keras getas dengan karakter sebagai berikut : (1) Kekerasan yang tinggi dibanding daerah yang lain (>270VHN), dan (2) Kandungan karbon yang tinggi pada daerah dengan alloy tinggi (P91). Selain itu, juga terdapat daerah lunak15


dengan karakteristik sebagai berikut: (1)kekeranan rendah (500oC) 3. Terjadi perbedaan aktivitas Karbon Antara material P11, P22, dan P91. Selisih pada P91 dan P22 cukup besar untuk terjadinya difusi Karbon yang signifikan. 4. Difusi Karbon menyebabkan Daerah Keras dan lunak, yang memperlemah sambungan. 5. Terjadi Creep dan terbentuk Creep voids di daerah lunak Sambungan. 6. Creep Voids cukup banyak untuk bergabung (Creep void linking), dan terjadi kegagalan pada sambungan. 6.2 Saran Perlu dilakukan kajian mendalam mengenai sambungan MSV unit 1 dan 2, mengingat proses difusi karbon tetap terjadi. Kajian ini bias dilakukan ketika Unit sedang

mengalami Shutdown rutin untuk keperluan Maintenance.

30


DAFTAR PUSTAKA 1. Callister Jr, William D. 2003. Materials Science and engineering an introduction. ISBN 9812-53-053-5 2. Classroom Training Handbook. International Welding Engineer and International Welding Technologist. 3. Dr. M. Vijayalakshmi, Microchemical and Microstructural Variations across Dissimilar Joints, American Welding Society Research of the Year 2006. 4. www.Wikipedia.com

31


LAMPIRAN

32


I.

Latar Belakang dan Rumusan Masalah Latar belakang dari telaahan staf ini adalah kasus kegagalan pada Unit 2 PLTU Tanjung Jati B, pada tanggal 5 April 2008. Kegagalan berupa keretakan pada

sambungan Main Steam Pipe (Material 9Cr1-MoV) dan Main Stop Valve (Material 1.25Cr-1Mo) dengan kode pengelasan MS 21. Saluran ini dilewati oleh uap air superheated dengan Tekanan 166 Bar Gauge, Temperatur 538 oC. Retak terjadi pada fusion line antara filler metal (Material 2.25Cr1Mo) dan pipa pada 70%

sambungan bagian bawah. Analisis kegagalan yang dilakukan oleh ITB (peneliti

33


Slameto Wiryolukito dan Angga Fitrananta P) menyimpulkan bahwa kegagalan terjadi karena fenomena Creep.

Lokasi Crack

Lokasi Crack

II.

Cakupan dan Tujuan Analisa Mengacu kepada analisa dari ITB yang menyatakan bahwa kegagalan disababkan oleh fenomena Creep, maka diduga permasalahan tedapat pada desain pengelasan. Tujuan dari telaahan staf adalah untuk mengkaji ulang desain pengelasan pada Main Stop Valve unit 3 dan 4 yang sedang pada tahap konstruksi untuk memastikan bahwa hal seperti ini tidak terjadi lagi. Apabila diperlukan, maka failure analysis lanjutan juga dilakukan, mengingat bagian ini beroperasi pada Temperatur dan Tekanan tertinggi pada pembangkit. Semua ini dilakukan agar memastikan kegagalan pengelasan pada unit 2 tidak terulang kembali.

34


III.

Praduga Penyebab kegagalan pipa

`Main Stop Valve1,25 Cr-1Mo

Filler Metal 2,25 Cr-1Mo Lokasi Crack Main Steam Pipe 9 Cr-1Mo

35


Material yang digunakan pada sambungan adalah sebagai Berikut : Main Stop Valve Filler Metal Main Steam Pipe : SA 335 P 11 : SA 335 P 22 : SA 335 P 91

Penjelasan Kode Material : SA 335 P 11 P 22 P 91 : Material Untuk High Temperature Service

: Menunjukkan fraksi Cr sebesar 1,25 : Menunjukkan fraksi Cr sebesar 2,25 : Menunjukkan fraksi Cr sebesar 9

Berdasarkan teori, terdapat fenomena metalurgi yang bisa mengurangi kekuatan sambungan, yaitu Carbon Diffusion dari material dengan kandungan Cr lebih rendah kepada material dengan kandungan Cr yang lebih tinggi. Fenomena ini terjadi karena penyambungan material yang mempunyai kadar Cr berbeda, dan temperatur operasi diatas 500 Celcius. Fusion line antara Filler Metal dan Main Steam Pipe mengalami temperatur operasi 538 Celcius, dan merupakan fusi Material SA 335 P22 dengan fraksi Cr 2,25, dan Material SA 335 P 91 dengan Fraksi Cr 9. Spesifikasi welding dan parameter operasi ini mendukung untuk terjadinya fenomena carbon diffusion. Hal ini akan menyebabkan tejadi Carbon Depletion pada Fusion Line, yang akan mengurangi yield strength sambungan. Praduga kegagalan sambungan mengarah kepada fenomena Carbon Diffusion yang menurunkan Yield Strength sambungan hingga terjadi Creep.

IV.

Dasar Teori

36


Terdapat dua fenomena yang terjadi pada kegagalan penyambungan pada Main Steam Valve unit 2, yaitu Creep, dan Carbon Diffusion.

6

Creep Creep, atau mulur adalah fenomena perpanjangan material yang bisa berakhir dengan kegagalan material atau tidak. Fenomena ini disebabkan oleh pembebanan statik pada temperatur tinggi. Biasanya, creep adalah fenomena yang tidak diinginkan, dan

sering manjadi faktor penghambat umur operasi alat. Creep terjadi pada semua jenis material. Namun pada metal, creep hanya teradi pada temperatur diatas 0.4 kali Temperatur Leleh Absolut. Material Amorphous, seperti plastik dan karet sangat sensitif terhadap Creep.

Perilaku Creep

Perilaku creep bisa dimodelkan melalui creep test, dimana spesimen diberikan beban, dan dipanaskan sampai temperatur yang diinginkan. Deformasi dan perpanjangan lalu diukur, dan di-plot sebaai fungsi dari waktu.

Diagram Strain vs Waktu yang dikarenakan pembebanan konstan dan temperatur yang dinaikkan

Mekanisme Creep berdasarkan creep test terjadi atas beberapa tahap:37


Tahap 0 : Perpanjangan Elastis (0) : Merupakan perpanjangan elastis yang terjadi karena pembebanan awal.

Tahap 1, Primary/Transient Creep : Terjadi pada awal fenomena creep, dan ditandai dengan menurunnya laju pertambahan creep seiring dengan berjalannya waktu. Hal ini menunjukan bahwa material menahan lajunya creep karena terjadi strain hardening. Strain hardening adalah pengerasan material karena deformasi

plastis yang dikarenakan bertambahnya dislokasi pada material. Hal ini menaikkan kekerasan material, dan menyebabkan deformasi semakin sulit terjadi.

Tahap 2, Secondary/Steady State Creep : ditandai dengan laju creep yang konstan. Seringkali, ini adalah proses creep dengan durasi paling lama dari fenomena creep. Fenomena ini bisa dijelaskan karena terjadi keseimbangan antara strain hardening, dan recovery. Recovery adalah pelepasan tegangan sisa yang diakibatkan oleh deformasi plastis. Hal ini bisa terjadi karena temperatur tinggi yang dialami material akan membantu difusi atomik, sehingga terjadi pengurangan jumlah dislokasi. Dalam secondary creep, terdapat keseimbangan antara kenaikan kekerasan material akibat Strain Hardening dengan melunaknya material akibat Recovery.

Tahap 3, Tertiary Creep & Rupture : Merupakan tahap akhir dalam fenomena creep, dimana terjadi kenaikan laju mulur, sampai terjadinya rupture. Hal ini

dikarenakan perubahan mikrostruktur dan metalurgi, seperti grain boundary separation, crack, cavity, dan void. material. Tahap ini biasanya berakhir dengan rupture

38


Gambar SEM dari sampel yang patah karena Creep

Rekonstruksi posisi Pori yang terjadi karena Creep

Gambar dibawah menunjukkan SEM material sama yang baru mengalami Post Weld Heat Treatment (PWHT), dan daerah yang sama setelah mengalami creep dalam temperatur 600 C selama 14000 Jam. Jumlah kepadatan presipitat berkurang selama

39


terjadinya creep, terjadi void, dan diameter rata-rata presipitat meningkat. Kedua hal ini mengakibatkan berkurangnya kekuatan material pada daerah HAZ.

Setelah PWHT

Setelah 14000 jam @ 600 C

7

Carbon Diffusion pada fusion Line material P22 dan P91

Baja ferritic berperan penting dalam konstruksi PLTU, dan digunakan dalam banyak aplikasi lainnya yang membutuhkan kekuatan, dan dioperasikan dalam temperatur tinggi. Namun, sambungan las antara Baja Ferritic dengan tipe berbeda bisa

menyebabkan kegagalan, yang bisa mengganggu Operasi PLTU. Ketidakstabilan Mikrostruktur dan redistribusi elemen pada dissimilar joint antara material 9Cr-1Mo (P91), dan 2.25Cr-1Mo(P22) yang dikarenakan perilaku PWHT, dan temperatur operasi bisa menyebabkan penurunan kekuatan material yang tidak diinginkan. Kondisi ini telah dipelajari dengan menggunakan Mikroskop Optik, dan Elektron, dan fenomena mikromekanik yang bertanggungjawab atas penurunan kualitas

mikrostruktur bisa dijelaskan.

Percobaan dilakukan pada sambungan P91 dan P22, yang dipaparkan pada temperatur 1023 K dalam waktu yang berbeda-beda. Setelah perlakuan panas tersebut ditemukan bahwa terjadi Daerah keras getas dengan karakter sebagai berikut : (1) Kekerasan yang tinggi dibanding daerah yang lain (>270VHN), dan (2) Kandungan karbon yang tinggi pada daerah dengan alloy tinggi (P91). Selain itu, juga terdapat daerah lunak40


dengan karakteristik sebagai berikut: (1)kekeranan rendah (

telaahan staff pln - analisa kegagalan an pada high pressure main stop valve unit 2

Documents