1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Boiler adalah suatu alat yang berfungsi memanaskan air, dimana panas dari pembakaran bahan bakar disalurkan untuk memanaskan air sehingga terjadi perubahan air menjadi uap (steam) digunakan untuk keperluan tertentu seperti menggerakan turbin (Shields, 1961). Air sebagai media dalam proses kerja boiler karena murah, dan apabila telah menjadi steam volumenya akan meningkat besar sekitar 1600 kali sehingga memiliki tenaga yang besar. Boiler banyak dioperasikan salah satunya pada sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang dioperasikan oleh PT. PLN (Persero) sebagai penggerak turbin pembangkit listrik seperti pada Gambar 1.1 berikut. Tekanan Desain Tekanan Operasi Temperatur Desain : 180 Barg : 170 Barg : 540 o C Temperatur Operasi : 530 o C Tahun Instalasi : 2006 Gambar 1.1 Konstruksi Boiler
2 Komponen boiler seperti pipa didih (water wall), superheater, reheater, dan economizer biasanya beroperasi pada tekanan dan temperatur yang tinggi, dan khususnya superheater yang dapat mencapai di atas 482 o C (900 o F) (Hovingan dan Nakoneczny, 2000). Untuk material baja 2,25Cr-1Mo pada temperatur di atas 482 o C harus diperhitungkan tegangan ijin dan ketahanan terhadap creep (Chaudhuri, 2006). Dalam perancangan perhitungan kekuatan material komponen boiler jauh lebih tinggi di atas beban dan temperatur operasi, sehingga material komponen boiler dibuat dari bahan yang kualitasnya bagus yang mampu menahan beban operasi. Material yang bekerja pada beban tekanan dan temperatur tinggi tidak dapat dihindarkan dengan adanya creep, yaitu suatu fenomena dimana material mengalami deformasi secara permanen karena tegangan yang bekerja pada rentang waktu yang lama dan temperatur yang tinggi (Evans dan Wilshire, 1985). Adanya creep dapat mengakibatkan umur pakai komponen boiler terbatas, sehingga perlu diadakan evaluasi (life assessment) terhadap komponen boiler. Evaluasi material pipa boiler yang bekerja pada temperatur 550-700 o C dilakukan perhitungan estimasi creep rupture (Ray dkk, 2003). Kegiatan maintenance terhadap komponen boiler untuk jangka waktu yang lama salah satunya adalah evaluasi estimasi kekuatan material akibat creep (Moriyama dkk, 2007). Langkah evaluasi dilakukan untuk mencegah terjadinya kegagalan (failure) yang tiba-tiba akibat tidak adanya informasi sisa umur pakai. Menurut Mazaheri dkk (2009) kegagalan pada material komponen boiler sering disebabkan oleh overheating. Panas yang berlebih pada operasi kerja boiler sering menyebabkan terjadinya kegagalan material akibat deformasi, creep dan fatigue. Deformasi mengakibatkan terjadinya creep pada material pipa boiler serta dapat menyebabkan kegagalan material (Baoyou dkk, 2005). Kegagalan pipa boiler dapat disebabkan oleh tekanan fluida di dalam pipa (Kayama dkk, 2007). Beban kerja boiler dapat menimbulkan fatigue yang berlanjut pada perambatan retak fatigue dan akhirnya menyebabkan kegagalan pipa boiler (Bulloch dkk, 2008). Gambar 1.2 memperlihatkan kegagalan material pipa primary superheater pada suatu boiler.
3 a b Gambar 1.2 Kegagalan material primary superheater boiler (a) failure surface (b) sobekan pipa boiler Selain itu, dalam beroperasi suatu boiler menggunakan air sebagai fluida untuk media kerja, dimana fluida tersebut membawa berbagai macam unsur maupun senyawa yang terkandung di alam. Meskipun sebelumnya air tersebut telah dilakukan perlakuan (treatment) untuk meminimalisir kandungan unsur dan senyawa yang bersifat korosif, tetapi masih banyak yang lolos. Reaksi yang terjadi akibat fluida tersebut dapat menyebabkan degradasi pada material komponen boiler. Menurut Cardoso dkk (2012), degradasi material pipa boiler dapat disebabkan lapisan oksida pada bagian dalam pipa akibat reaksi dengan fluida. Degradasi material ini secara jelas akan memperlemah terhadap kekuatan material, sehingga hal ini harus mendapatkan perhatian khusus. Menurut Huang dkk (2012), oksida yang timbul sebagai hasil reaksi material dengan fluida dapat menimbulkan kenaikan temperatur dan selanjutnya menyebabkan kegagalan material boiler. Oleh karena itu, perlu dilakukan evaluasi tingkat degradasi material sehingga mendapatkan informasi yang dapat dijadikan bahan pertimbangan dalam melaksanakan kegiatan perawatan, perbaikan, dan pergantian komponen boiler.
4 1.2 Perumusan Masalah Perumusan masalah dalam penelitian ini, adalah : 1. Bagaimana mengetahui degradasi material pipa boiler yang telah dioperasikan oleh PLTU selama 6 tahun 3 bulan. 2. Bagaimana mengetahui sisa umur pakai pipa boiler yang dioperasikan PLTU. 3. Apa penyebab terjadinya kegagalan pada pipa primary superheater boiler PLTU. 4. Bagaimana analisis simulasi finite element method untuk mengetahui besarnya tegangan (stress), regangan (strain), dan mulur (creep) yang terjadi pada dinding pipa boiler. 1.3 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini, antara lain : 1. Komponen boiler yang dianalisis adalah pipa economizer outlet (ECO), pipa primary superheater (PSH), pipa secondary superheater (SSH), pipa reheater outlet (RH), dan pipa water wall (WWL). 2. Analisis degradasi material dilakukan melalui serangkaian pengujian antara lain : uji komposisi, uji x-ray defraction (XRD), uji energy dipersive x-ray analysis (EDX), uji pengurangan berat deposit korosi, dan foto SEM. 3. Analisis kekuatan mekanis dilakukan dengan uji tarik dan uji kekerasan. 4. Perkiraan sisa umur pakai pipa boiler, berdasarkan uji stress rupture menggunakan pendekatan Larson-Miller Parameter (LMP). 5. Analisis secara finite element method pipa boiler menggunakan software ABAQUS 6.11. 6. Pipa boiler dan data teknis untuk analisis diperoleh dari PLTU.
5 1.4 Keaslian Komponen boiler yang diteliti adalah milik PLTU, dan belum pernah dilakukan analisis life assessment dengan menggunakan metode stress rupture dan simulasi finite element method. Oleh karena itu penelitian ini merupakan hal yang baru. 1.5 Tujuan Penelitian Tujuan yang ingin diperoleh dari penelitian ini adalah : 1. Untuk mengetahui degradasi material pipa boiler yang telah dioperasikan selama 6 tahun 3 bulan pada PLTU. 2. Untuk mengetahui perkiraan sisa umur pakai pipa boiler yang beroperasi pada PLTU. 3. Untuk mengetahui penyebab terjadinya kegagalan pada pipa primary superheater pada boiler PLTU. 4. Untuk mengetahui besarnya tegangan (stress), regangan (strain), dan mulur (creep) dinding pipa boiler berdasarkan simulasi menggunakan finite element method dengan software ABAQUS 6.11. 1.6 Manfaat Penelitian Manfaat yang diperoleh dalam penelitian ini adalah : 1. Sebagai bahan pertimbangan oleh industri dalam melakukan tindakan perawatan (maintenance) terhadap komponen boiler. 2. Memberikan informasi prediksi sisa umur pakai untuk menghindari terjadinya kegagalan (failure) komponen boiler secara mendadak. 3. Memberikan informasi jenis degradasi material komponen boiler yang terjadi akibat fluida pada kerja boiler, sehingga dapat dilakukan tindakan preventif. 4. Memberi informasi penyebab kegagalan dari pipa primary superheater pada boiler PLTU.