ANALISA METALURGI DAN SUPERVISIPERBAIKAN

POROS FORCED DRAFT FAN SEBVAK UNIT PLTU

D.N. Adnyana0

ABSTRACTAforceddraftfan (FDF) shaft of a steam generatingpower plantfailed after severalyears inservice.

Thefailed shaft showed a deep surface scratch on its one end and this was likely caused and advanced by thebearingfailure. The scratched endshaft was decided to repair by in-situ welding and machining. Anumber ofin-situ metallurgical examinations were performed to determine type ofmaterial and degree ofdamage thathave occurred on the shaft including: dye-penetrant test, chemical composition analysis, metallography byreplica technique and hardness test. From the test results obtained itwasfound that the FDFshaft was madeof material with specification ofJIS S45C or equivalent toAISI1045 - 1050. The test results obtained wereused to determine the machining depth being made onthe scratched shaft before performing welding repairand the welding process parameters required such as type of welding electrode and diameter, weldingcurrent, pre-heat temperature andpost-weld heat treatment. The result ofweld repair obtained showed thatthe hardness value of the repaired shaft was approximately close to the hardness value of the normal shaftmaterial, namelyrangedfrom 170 to 173 HB.

Kata kunci: Forced draftfan, JISS45C

1. PENDAHULUAN

Forced draft fan (FDF) adalah sebuahkipas yang digunakan untuk mengatur aliranudara masuk ke dalam sistem pembakaran(burner) untuk bercampur dengan bahan bakardan menghasilkan nyala api yang terkendali.Panas yang dihasilkan digunakan untukmemanaskan air dan/atau uap didalam pipasistem penukar kalor pada ketel uap (boiler)dari sebuah unit PLTU. Beberapa waktu yanglalu telah dilaksanakan pengujian dan analisadilapangan terhadap poros (shaft) FDFan darisebuah Unit PLTU yang telah mengalamikerusakan pada salah satu bagian ujungnyayang berada pada tumpuan bantalan jalan(Journal bearing). Kerusakan pada bagian porostersebut berbentuk goresan yang cukup dalam(lihat Gambar 1) yang disebabkan oleh efek

0 Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur (B2TKS)BPPTdan ProgramPasca Sarjana ISTN,Jakarta.

kerusakan/kegagalan yang terjadi sebelumnyapadabantalan jalan tersebut. Menurut informasidilapangan, kerusakan/kegagalan bantalan jalantersebut diduga disebabkan oleh kotoran/debuyang masuk kedalam sistim pelumasansehingga menimbulkan gesekan yang cukupbesaryang kemudian menimbulkan overheatingpada bantalan tersebut. Disamping melakukanpengujian/analisa, kegiatan lainnya yangdilakukan adalah memberikan supervisi padaproses perbaikan (repair)porostersebut.

2. TUJUAN

Tujuan dari analisa ini adalah untukmenentukan jenis material dan tingkatkerusakan/kegagalan yang terjadi pada porosForced Draft Fan (FDF) tersebut, sehingga

Analisa metalurgi dan supervise perbaikanporos forced draft fan sebuah unit PLTU (D.N. Adnyana)

kemudian dapat ditentukan langkah-langkahyang diperlukan untuk melakukan perbaikan(repair) terhadap poros tersebut.

Gambar 1. Bagian poros (shaft)forced draftfan(FDF) yang mengalami kerusakan berupa

goresan yang tajam.

3. RUANG LINGKUP KEGIATAN DAN

METODOLOGIPENGUJIAN

Ruang lingkup kegiatan dan jenispengujian/analisa yang dilakukan meliputi:

• Uji/analisa komposisi kimia

• Uji in-situ metallography dengan teknikreplika

• Uji kekerasan (hardness lest), serta

• Memberikan supervisi pada perbaikan(repair) poros (shaft) tersebut

Uji/analisa komposisi kimia dilakukanmenggunakan Spark Emission Spectrometeryang portable yang dilakukan baik pada bagianporos yang rusak maupun pada bagian porosyang masih baik (normal). Sedangkan uji in-situmetallography dilakukan dengan teknik replikamelalui persiapan dengan tahapan:penggerindaan tipis permukaan spot pengujian,pengampelasan, pemolesan dan pengetsaanserta pengambilan replika. Replika yangdiambil selanjutnya diuji secara mikrodilaboratorium menggunakan mikroskop-optikdengan pembesaran 200x dan 500x. Sedangkanpengujian kekerasan (hardness test) dilakukanmenggunakan alat uji equotip dengan skalaBrinell (HB). Pada Gambar 2 ditunjukkanproses penggerindaan tipis yang dilakukan padabagian poros yang rusak untuk mempersiapkanspot pengujian, baik untuk pengujian/analisakomposisi kimia, pengujian in-situmetallography dengan pengambilan replikamaupun untuk pengujian kekerasaan.

Dari hasil pengujian/analisa komposisikimia, in-situ metallography dan uji kekerasan(hardness test) selanjutnya disusun rencanaperbaikan (repair), yaitu meliputi:

• Penentuan ketebalan material poros yangakan dibubut pada bagian poros yang rusakhingga mencapai kedalaman dengan nilaikekerasan yang mendekati nilai kekerasanmaterial poros yang normal.

MESIN, Volume 8 Nomor I, Januari 2006, 1 - 9

Penggerindaan permukaan poros padabagian spot pengujian

•••

Pengujian komposisi kimia secara in-situmenggunakan alat spectrometerportable

Pengujian in-situ metallography denganteknik replika

Gambar 2. Penyiapan spot (lokasi) pengujiandan pelaksanaan pengujian in-situ

• Penentuan jenis kawat las berikut denganparameter las yang akan digunakan untukmelakukan weld repair (yang didukungdengan melakukan mock-up test).

• Pengujian nilai kekerasan hasil lasanberikut dengan pengujian dengan dyepenetrant untuk menentukan ada tidaknyaretak pada hasil lasan.

• Penentuan PWHT (Post Weld HeatTreatment) yang akan dilakukan berikutdengan pengecekan nilai kekerasan akhirsetelah PWHT.

• Penentuan proses finishing untukmenghasilkan dimensi yang diinginkan dankualitas permukaan poros yang baik.

4. HASIL PENGUJIAN/ANALISA DAN

PERBAIKAN (REPAIR) POROSFD FAN SERTA PEMBAHASAN

4.1. Hasil Analisa Komposisi Kimia

Hasil analisa komposisi kimia materialporos yang dilakukan baik pada bagian porosyang rusak maupun pada bagian yang normaldiberikan dalam Tabel 1.

Dari hasil analisa komposisi kimiatersebut menunjukkan bahwa material (bahan)poros tersebut terbuat dari baja karbon mediumdengan spesifikasi mendekati JIS S45C atauekivalen dengan AISI 1045-1050 yangmemiliki kekuatan tarik (tensile strength)sekitar 620-725 MPa (as rolled) atau sekitar595-750 MPa (as normalized).

Dari hasil analisa komposisi kimiatersebutjuga dapat ditentukan nilai CE (CarbonEquivalent) dari material poros tersebut, yaitu:

Analisa metalurgi dan supervise perbaikanporos forced draft fan sebuah unit PLTU (D.N. Adnyana)

%Mn %Cr + %Mo + %V

atau

%Ni + %Cu

15+ -

CE = 0.619%

Nilai CE tersebut dapat digunakan untukmemperkirakan sifat mampu las (weldability)dari material poros tersebut.

Tabel 1. Hasil analisa komposisi kimia materialporos FDF

Unsur/Elemen % Berat (rata-rata)

C 0.45

Mn 0.56

Cr 0.34

Mo -

V 0.024

Ni 0.008

Cu 0.047

P <0.03

S <0.03

Fe Balance

4.2. Hasil Uji In-Situ MetallographyDengan Teknik Replika

Struktur-mikro hasil uji in-situmetallography pada bagian poros yang masihbaik (normal) diberikan pada Gambar3.

Terlihat struktur-mikronya terdiri darifasa ferit dan perlit dengan sejumlah koloni ferityang terbentuk pada eks batas butir fasaaustenit pada suhu tinggi. Struktur-mikrotersebut merupakan ciri khas struktur-mikrobaja karbon hasil proses pembentukan(pengerolan) panas. Sedangkan struktur-mikro

pada bagian poros yang rusak (tergores)ditunjukkan pada Gambar 4.

ferit Per,it

200x2|& '..'•••'•••'

ferit perlit 500x

Gambar 3. Hasil pengujian in-situmetallography pada bagian poros yang normal

Terlihat dengan jelas pada Gambar 4bahwa disamping fasa ferit dan perlit, ternyatajuga dijumpai sejumlah fasa yang keras sepertibainit atau martensit. Hal ini memberi indikasi

bahwa bagian poros yang rusak (tergores)tersebut telah mengalami pemanasan yangtinggi yaitu sampai mencapai diatas suhutransformasi baja yaitu T > 723°C sehinggasebagian material poros sempat mengalamiperubahan fasa menjadi austenit. Kenaikansuhu yang tinggi pada poros tersebutdiperkirakan disebabkan oleh pengaruhoverheating yang dialami oleh bantalan jalan(Journal bearing) ketika peristiwa kerusakanterjadi. Hasil uji metallography ini ternyatajugadidukung oleh hasil uji kekerasan seperti yangdiberikan dalam sub-bab berikut ini.

MESIN, Volume 8 Nomor 1, Jamiari 2006, 1 - 9

Bainit/Martensit

Gambar 4. Hasil pengujian in-situ metallographypada bagian poros yang rusak (tergores)

4.3. Hasil Uji Kekerasan (Hardness Test)

Hasil uji kekerasan pada bagian porosyang baik (normal) memberikan nilai rata-ratasekitar 172 HB (Brinell), sedangkan padabagian poros yang rusak (tergores) nilaikekerasannya mencapai sekitar 265-266 HB.Nilai kekerasan yang tinggi yang dijumpai padabagian poros yang rusak (tergores) tersebutadalah sesuai dengan struktur-mikro yangdiperoleh pada bagian poros tersebut yaitumengandung sejumlah fasa bainit/martensityang keras.

Dari hasil uji kekerasan yang diperolehtersebut, maka nilai kekuatan tarik (tensilestrength) baja poros tersebut dapat diperkirakandengan menggunakan persamaan empiris TS *0.35 HB (kg/mm2). Dengan demikian padabagian poros yang normal, kekuatan tarik

(TS)nya adalah sekitar 61 kg/mm2 atau sekitar610 MPa, sedangkan dibagian poros yang telahrusak (tergores), nilai kekuatan tarik (TS)nyaadalah sekitar 93 kg/mm2 (930 MPa). Perkiraannilai kekuatan tarik dari hasil uji kekerasan initernyata mendekati nilai kekuatan tarik yangdiperkirakan dari spesifikasi material AISI1045-1050 yang diperoleh dari hasil ujikomposisi kimia material poros tersebut.

4.4. Kegiatan Perbaikan (Repair) PorosForced Draft Fan

Kegiatan perbaikan (repair) terhadapporos FDF yang rusak tersebut dilakukandengan teknik pemotongan (machining) danpengelasan (weld repair) menggunakanparameter las yang disesuaikan dengan hasil

Analisa metalurgi dan supervise perbaikanporos forced draft fan sebuah unit PLTU (D.N. Adnyana)

uji/analisa identifikasi material/bahan porosyang rusak tersebut.

Adapun - tahapan proses perbaikan(repair) tersebut adalah sebagai berikut:• Proses pehgupasan (stripping) dengan

teknik rJembubiitan secara in-situ dibagianporos yang .;rusak (tergores) hinggamencapai kedalaman sekitar 2 mm dimananilai kekerasannya mendekati nilaikekerasan bagian poros yang normal (yaitusekitar 220 HB)

• Persiapan dan pemilihan parameter prosespengelasan yaitu meliputi:o Pre-heat dengan temperatur sekitar

200-300°C

o Kawat las menggunakan electrode RD-96B3 dengan komposisi nominal2.25%Cr-l%Mo Low Alloy SteelAdapun spesifikasi kawat las ini adalahsebagai berikut: (lihat Tabel 2)

Tabel 2. Spesifikasi Kawat Las RD-96 B3

Unsur/

Elemen%Berat

Kuat Tarik

(TensileStrength)

C

Si

Mn

Cr

Mo

S

P

0.07

0.38

0.79

2.15

1.05

0.007

0.016

71.3 kg/mm2,atau 699 MPa

Diameter kawat las: 3,2 mm dan aruslas: 120-130 A.

Pemilihan kawat las ini didasarkan

pada pertimbangan bahwa kadarkarbonnya rendah yaitu C= 0.07%sehingga diharapkan dapat memberikanweldability yang baik

• Proses pengelasan dilakukan denganmemutar poros perlahan-lahan hingga

ketebalan lasan mencapai 2 (dua) lapisan.Untuk menghasilkan pendinginan yanglambat, maka pada setiap selesai melakukanpengelasan, bagian poros yang dilaskemudian dibungkus dengan karung.

Dari hasil pengelasan (weld repair) initernyata nilai kekerasan lasan yang dicapaisangat tinggi yaitu sekitar 350-370 HB atausekitar 37 HRC.

Nilai kekerasan yang tinggi tersebutkemungkinan disebabkan oleh efekpelarutan metalurgi yang terjadi antaraunsur Cr dan Mo yang terkandung didalamkawat las dengan unsur karbon (C) daribahan poros yang dilas yang kadarnyacukup tinggi (yaitu C = 0.45%) sehinggamembentuk fasa karbida krom atau karbida

molebdenum (MC) yang sangat keras.Karena nilai kekerasan hasil pengelasanyang dicapai sangat tinggi jikadibandingkan dengan nilai kekerasan bahanporos yang normal yaitu sekitar 172 HB,maka lapisan lasan tersebut kemudiandiputuskan untuk dibubut kembali hinggamencapai kedalaman dimana nilaikekerasannya mendekati nilai kekerasanbahan poros yang normal.

Pemilihan kawat las baru, yaitumenggunakan electrode LB52 denganspesifikasi sebagai berikut: (lihat Tabel 3)

Tabel 3. Spesifikasi Kawat Las LB 52

Unsur/

Elemen%Berat

Kuat Tarik

(TensileStrength)

C

Si

Mn

S

P

0.08

0.58

0.96

0.007

0.013

57 kg/mm2,atau 560 MPa

MBSIN, Volume8Nomorl, Januari2006, 1-9

• Untuk menghindari terjadinya kegagalanberikutnya, sebelum dilakukan pengelasanpada poros yang diperbaiki tersebut, makaterlebih dahulu dilakukan mock-up testdengan menggunakan kawat las yang barudan pengelasan dilakukan pada materialsejenis dengan bahan poros yang diperbaikitersebut. Hasil uji kekerasan benda uji lasan(sample) hasil mock-up test adalah sekitar240 HB.

• Parameter yang digunakan pada mock-uptest selanjutnya diterapkan pada prosespengelasan (weld repair) poros tersebut.

• Setelah itu dilanjutkan dengan prosespembubutan kasar hingga mendekatidiameter akhir dari poros. Selanjutnyadilakukan uji kekerasan dan hasilnya adalahsebagai berikut:o Dibagian poros yang normal * 162-178

HB atau rata-rata sekitar 170 HB

o Dibagian lasan » 158-173 HB atau rata-rata sekitar 166 HB

• Pelaksanaan proses PWHT (Post WeldHeat Treatment) yaitu: 500°C - 75 menit,dan hasil uji kekerasan setelah PWHTtersebut adalah sekitar 170-173 HB yaituhampir sama dengan nilai kekerasanmaterial poros yang normal.

• Yang terakhir adalah melakukan prosesfinishing untuk mencapai dimensi akhir dariporos tersebut.

Pada Gambar 5 ditunjukkan sebagiankegiatan perbaikan (repair) yang dilakukanyaitu proses pembubutan pada bagian porosyang rusak (tergores) dan pengecekan adatidaknya retak menggunakan dye-penetrant testdibagian poros yang sudah dibubut yaitu sesaatsebelum dilakukan weld repair.

Analisa metalurgi dan supervise perbaikanporos forced draft fan sebuah unit PLTU (D.N. Adnyana)

Proses pembubutan bagian poros yang rusak(tergores)

Bagian poros yang telah dibubut dansiap untuk dilas

Dye penetrant test pada bagian porosyang telah dibubut.

Gambar 5. Proses pembubutan bagian porosyang rusak (tergores) hingga mencapai

kedalaman dengan nilai kekerasanyang mendekati nilai kekerasan bagian

poros yang normal

5. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari hasil analisa dan supervisi perbaikanporos (shaft) FD Fan dari sebuah unit PLTU,maka dapat diambil beberapa kesimpulanpenting sebagai berikut:

• Dari hasil analisa komposisi kimiadiperoleh bahwamaterial poros (shaft) yangrusak tersebut terbuat dari baja karbonsedang yaitu mendekati spesifikasi materialJIS S45C atau ekivalen dengan AISI 1045-1050. Material poros tersebut memiliki nilaiCE (carbon equivalent) yang cukup tinggiyaitu CE « 0.619% sehingga memiliki sifatmampu las (weld ability) yang relatifrendah.

• Hasil uji in-situ metallography dan ujikekerasan (hardness test) juga mendukunghasil analisa komposisi kimia yangdiperoleh. Struktur mikro material porosyang normal memperlihatkan campuranfasa ferit dan perlit yang berimbang,sedangkan nilai kekerasannya mencapaisekitar 172 HB.

• Kerusakan yang terjadi pada poros FD Fandiduga akibat efek overheating yang terjadipada bantalan jalan (journal bearing) yangmenumpunya. Peristiwa overheatingtersebut yang temperaturnya diperkirakanmencapai di atas suhu 723°C dapatdiindikasikan oleh peningkatan nilaikekerasan material poros dibagian yangrusak (tergores) yaitu mencapai sekitar265-266 HB, sementara dibagian porosyang normal nilai kekerasannya hanyamencapai sekitar 172 HB. Disamping ituefek overheating yang ditandai olehpeningkatan nilai kekerasan yang tinggi itujuga ditunjang oleh hasil in-situmetallography yang menunjukkanterbentuknya sejumlah struktur mikro

bainit/martensit yang merupakan produktransformasi fasa pada suhu diatas 723°C.

• Hasil pengujian/analisa yang diperolehselanjutnya digunakan untuk menentukanrencana perbaikan (repair) poros yangrusak tersebut. Kegiatan repair yangdilakukan meliputi: proses pembubutandibagian poros yang rusak hingga mencapaikedalaman dimana nilai kekerasannyamendekati nilai kekerasan material porosyang normal; proses pre-heat, prosespengelasan (weld repair) dan PWHT (PostWeld Heat Treatment); dan prosesfinishing. Pemilihan kawat las danparameter las seperti pre-heat, PWHT danarus las menjadi penting karena jenismaterial poros yang dilas memiliki CE(carbon equivalent) yang cukup tinggi yaituCE * 0.619%.. Untuk memberikan sifatmampu las (weld ability) yang baik makajenis kawat las yang dipilih harus memilikikadar karbon (C) yang rendah. Pilihankawat las yang pertama yaitu jenis RD-96B3 ternyata memberikan nilai kekerasanyang sangat tinggi yaitu sekitar 350-370HB yang kemungkinan disebabkan akibatpembentukan fasa karbida oleh unsur Crdan Mo yang terkandung di dalam kawatlas tersebut. Pilihan kawat las yang keduayaitu dari jenis LB52 ternyata dapatmemberikan nilai kekerasan lasanmendekati nilai kekerasan material porosyang normal, yaitu sekitar 170-173 HBterutama setelah dilakukan PWHT padasuhu 500°C selama 75 menit. Keberhasilanpemilihan kawat las berikut 'denganparameter las untuk mencapai nilaikekerasan lasan mendekati nilai kekerasanmaterial poros yang normal juga ditunjangoleh pelaksanaan mock-up test yangdilakukan sebelum pelaksanaan weld repair.

MESIN, Volume8Nomor 1, Januari2006, 1-9

5.2. Saran/Rekomendasi

Beberapa saran/rekomendasi dapatdiberikan sebagai berikut:

• Kegagalan pemilihan kawat las yangpertama disebabkan karena sebelumnyatidak dilakukan mock-up test. Oleh karenaitu dalam kegiatan weld repair disarankanuntuk selalu dilakukan mock-up test.

• Pemilihan kawat las yang keduanampaknya juga belum memberikan hasilyang optimal mengingat nilai kekerasanyang dicapai setelah pengelasan masihrelatif rendah (walau sudah mendekati nilaikekerasan material poros yang normal).Disamping itu unsur pemadu yangterkandung didalam kawat las yang dipilihbelum sepenuhnya mendukung untukmenghasilkan tingkat kekuatan danketahanan aus yang memadai. Oleh karenaitu hasil weld repair yang telah dicapaihendaknyadimonitor dan diwaspadai dalampemakaiannya apakah mampu memberikanumur pakai yang panjang.

DAFTARPUSTAKA

1. Failure Analysis and Prevention, MetalsHandbook, Vol 11, ASM International,Materials Park, Ohio, USA (1986)

2. Guide To Engineered Materials, AdvancedMaterials and Processes, ASMInternational, Ohio, USA (December 2000)

3. Properties and Selection: Iron, Steels andHigh-Performance Alloys, MetalsHandbook Vol. 1, ASM International,Materials Park, Ohio, USA (1990)

Analisametalurgi dan supervise perbaikanporos forced draft fan sebuah unit PLTU (D.N. Adnyana)