JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 1 ANALISA KEGAGALAN FLANGE WELD NECK RAISE FACE 6 BERBAHAN ASTM A-105 PADA PIPA ALIRAN MINYAK BUMI DAN GAS DI CHEVRON COMPANY INDONESIA Turhamun Muchlis dan Rochman Rochiem Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: sekjur_tmaterial@its.ac.id Abstrak Flange weld neck raise face 6 merupakan bagian sistem perpipaan pada line 149-B-8 yang berfungsi sistem penyalur minyak bumi dan gas dilapangan produksi sepinggan. Material flange adalah low carbon steel dengan standart ASTM A-105. Flange ini mulai diinstalasikan pada bulan mei 2012 dan pada 3 januari 2013 dengan lingkungan kerja pada temperatur 57.2 o C, tekanan kerja 164.7Psi dan kandungan CO 2 18.61%. Komponen flange ini memiliki umur desain 15 tahun namun kenyataan dilapangan kurang dari 1 tahun sudah berupa kebocoran. Oleh karena itu dilakukan penelitian untuk mengetahui penyebab dan mekanisme kegagalan serta saran yang digunakan untuk meminimalisir kejadian serupa Penelitian dimulai dengan pengamatan makro, pengamatan mikro, XRD, dan pengujian kekerasan. Dari pengujian yang dilakukan diharapkan diketahui faktor dan mekanisme kegagalan. Dari hasil pengujian didapatkan hasil bahwa kegagalan dari flange disebabkan oleh korosi CO 2 yang diperparah dengan adanya serangan korosi H 2S. Mekanisme terjadi kegagalan berawal dari terbentuknya pit yang terbentuk secara lokal dan terjadi perambatan kerusakan akibat pressure kerja yang membebani daerah pit yang rapuh. Kata kunci : Flange weld Neck raise face 6,Analisa Kegagalan, Korosi CO 2, FeCO 3, FeS. I. PENDAHULUAN P ADA industri perminyakan sistem perpipaan merupakan aspek terpenting dalam menjalankan produksi. Salah satu fungsi sistem perpipaan adalah untuk mentransfer fluida dari tempat pengeboran menuju tempat permurnian dan memindahkan fluida dari satu proses ke proses yang lain sehingga dibutuhkan jaringan perpipaan yang efektif. Dalam pemakaian pipa,banyak sekali diperlukan sambungan-sambungan, baik antara sambungan pipa dengan pipa maupun antara pipa dengan peralatan yang diperlukan seperti valve,instrumentasi,nozzle peralatan atau sambungan yang digunakan untuk mengubah aliran. Beberapa cara penyambungan tersebut ialah dengan pengelasan,threaded, dan flange [1]. Di samping fungsinya yang begitu krusial, terdapat pula berbagai permasalahan yang sering muncul, meskipun telah dilakukan pemilihan material, fabrikasi, kondisi operasi seperti tekanan dan temperatur telah diperhitungkan sedemikian rupa. Kegagalan material pada jaringan perpipaan pada industri minyak dan gas sering disebabkan oleh korosi, dimana terjadi interaksi antara logam pipa dengan fluida yang mengalir didalamnya. Proses pemasangan dan kondisi lapangan yang berbeda akan berpengaruh pada korosi yang terjadi. Korosi mengakibatkan terjadinya penurunan kemampuan material yang berujung pada kegagalan. Efek terjadinya kegagalan pada sistem perpipaan dapat menghambat proses produksi,kenaikan biaya operasional dan risiko kecelakaan yang tinggi. Untuk mengetahui penyebab kasus kegagalan bisa diketahui dengan cara mengumpulkan data data dilapangan dan kemudian dianalisa faktor faktor penyebab kegagalan. Dilaporkan tanggal 3 januari 2013 terjadi kegagalan pada sistem perpipaan di Chevron Company Indonesia, Balikpapan. Kegagalan berupa kebocoran pada flange weld neck raise face 6 yang terletak pada sistem perpipaan fasilitas produksi yang merupakan bagian dari sistem pipa penyalur dilapangan sepinggan yang mulai dioperasikan pada bulan mei 2012 dan mengalami kebocoran pada 3 januari 2013. Dari data operasi dan informasi kegagalan dapat dilakukan analisa kegagalan pada flange weld neck raise face 6. Hasil akhir dari penelitian ini diharapkan dapat menghasilkan saran untuk meminimalisir jenis kegagalan yang sama dikemudian hari. II. METODOLOGI PENELITIAN Dari pengumpulan informasi kegagalan dan pengumpulan data mengenai komponen flange weld neck raise face 6, kemudian dilakukan penelitian untuk analisa kegagalan material. Metode analisa yang dilakukan dengan pengamatan makro, dan mikro. Pengamatan makro dilakukan dengan menggunakan kamera digital dan pengukuran ketebalan flange weld neck raise face 6. Sedangkan pengamatan mikro menggunakan pengamatan mikrostruktur (mikroskop optik), uji SEM-EDX. Dilanjutkan dengan pengujian XRD dan pengujian sifat mekanik material pada komponen yaitu dengan pengujian Vickers Hardness.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 2 III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengumpulan Data Komponen 1. Spesifikasi Flange weld neck raise face 6 Flange weld neck raise face 6 merupakan bagian dari sistem perpipaan di lapangan produksi sepinggan pada line 149-B-8. Flange weld neck raise face 6 ini berfungsi sebagai sistem penyalur minyak bumi dan gas alam flange weld neck raise face 6 ini diproduksi oleh Officine Nicola Galperti & Figlio dengan heat number 9179. Material yang digunakan untuk pembuatan flange weld neck raise face 6 adalah ASTM A-105. Table 1 menunjukan komposisi kimia material ASTM A-105 Tabel 1 Komposisi kimia Flange weld neck raise face 6 B. Pengujian Makro Pengujian Makro dilakukan bertujuan untuk untuk mengetahui bentuk,kondisi dan lokasi komponen yang secara makro. Pengujian makro yang pertama dilakukan adalah pengukuran ketebalan flange dengan metoda 8 arah mata angin dengan menggunakan jangka sorong seperti ditunjukan pada gambar 1 Gambar 1 a. metoda pengukuran 8 arah mata angin b.pengukuran ketebalan spesimen dengan jangka sorong Tabel 4 Hasil pengukuran ketebalan flange Di manufaktur menggunakan teknik forging dengan perlakuan akhir normalized pada temperatur 900 o C selama 90 menit kemudian didinginkan udara dari temperatur 900 o C. Adapun sifat mekanik material flange weld neck raise face 6 menurut ASTM A-105 adalah sebagai berikut: a. Kekuatan Tarik (Tensille Strength) : 485 Mpa b. Kuat Luluh (Yield Strength) : 250 Mpa c. Kekerasan : 137 187 HB Flange weld neck raise face 6 ini mulai diinstalasikan pada bulan mei 2012 dan pada 3 januari 2013. Fluida yang dialirkan tidak hanya minyak bumi dan gas alam saja,namun gas H 2 S dan CO 2 yang bersifat korosif. Proses analisa kegagalan membutuhkan data diantaranya spesifikasi flange weld neck raise face 6 serta komposisi gas yang dapat dilihat pada tabel 2dan tabel 3 Tabel 2 Spesifikasi flange weld neck raise face 6 Dari hasil pengujian ketebalan yang ditunjukan pada tabel 4 diketahui adanya penipisan internal flange weld neck raise face 6 pada arah 5 pada metoda 8 arah mata angin. Pengujian makro kedua yang dilakukan adalah pemeriksaan visual pada bagian komponen flange weld neck raise face 6 yang gagal khususnya bagian internal yang mengalami penipisan lokal ketebalan terbesar yaitu pada arah 5 pada metoda 8 arah mata angin. Dari hasil pengamatan visual secara makro dengan bantuan kamera digital maka didapatkan bentuk kerusakan berupa pit hasil seperti ditunjukkan pada gambar 2a Tabel 3 Data-data gas lapangan produksi sepinggan Gambar 2. Foto makro internal flange weld neck raise face 6 yang. a keseluruhan b.pengukuran panjang kegagalan c. pengukuran lebar kegagalan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 3 daerah pit terlihat lebih rapuh dengan warna coklat tua. panjang pit sekitar panjang 7,6 cm dan lebar penipisan yang terjadi 1,5 cm seperti ditunjukan pada gambar 2b dan 2c C. Hasil pengujian SEM dan EDAX Pengujian SEM Edax ini merupakan pengamatan mikroskopik yang bertujuan untuk mengamati penjalaran kerusakan dan edax bertujuan untuk mengetahui unsur pada daerah yang. Pengamatan SEM pada spesimen dilakukan pada spesimen flange weld neck raise face 6 yang mengalami kegagalan. Potongan spesimen yang diambil adalah pada bagian ujung dari flange weld neck raise face 6,yang ditunjukan gambar 3a adalah daerah yang dipilih karena merupakan daerah paling rapuh dan terdapat pada ujung pit yang dapat memberikan informasi mengenai proses perambatan retak yang menyebabkan proses awal perluasan kerusakan. Pada perbesaran 33x seperti ditunjukan pada gambar 3b terdapat perbedaan gelap terang pada gambar menunjukan tinggi rendahnya morfologi permukaan Hasil pengujian EDAX seperti ditunjukan pada gambar 4 pada derah yang diduga sebagai daerah awal perluasan kerusakan terdapat unsur kimia yang terbesar hingga yang terkecil yakni oksigen, besi, karbon, silicon, magnesium, nitrogen, aluminium, klor, natrium, kalsium,mangan, sulfur, stanum, vanadium, tembaga, krom, molibeden dan posfor. Tiga unsur terbesar pertama mengindikasikan terbentuknya produk korosi FeCO 3 yang sering ditemukan pada industri perminyakan tapi dibutuhkan persebaran ketiga unsur tersebut untuk memperkuat dugaan. Terdapat penurunan drastis beberapa unsur paduan utama pada material seperti mangan. Selain penurunan juga ditemukan adanya unsur kimia yang tidak terdapat pada certificate mill yaitu klor, magnesium, kalsium, natrium yang berasal dari lingkungan kerja material. Dimana unsur unsur ini diduga dapat membentuk deposit yang terdiri dari senyawa karbonat atau oksida. Untuk mengetahui persebaran unsur unsur yang dapat menyebabkan korosi atau deposit yang tersebar pada material maka dilakukan mapping unsur dengan EDAX Gambar 3 SEM pada bagian yang Perbesaran (a) 0x (b) 33x (c) 100 x (d) 800x Pada gambar SEM 3c morfologi dari daerah pit flange weld neck raise face 6, ditemukan adanya crack (retak) kearah luar pit. Gambar 3d pada pembesaran 800x menunjukan Crack yang terdapat pada pengujian SEM diduga akibat beban kerja yaitu 164.7 Psi yang membebani daerah pit yang rapuh sehingga mudah mengalami crack. Kemudian dilakukan EDAX pada daerah yang. Gambar 5 Hasil mapping EDAX pada pembesaran 33x; a.fe, b.o, c.c, d.p, e.na, f.al, g.n, h.si,, i.sn, j.cr, k.v, l.cu, m.mo, n.mn, o.ca,p.cl, q.mg, r.s Hasil mapping unsur pada gambar 5 menunjukan 3 unsur terbesar oksigen, besi, dan karbon yang persebarannya berada pada daerah pit. Dari kondisi semacam ini bisa dibuat suatu analisa bahwa oksida yang terbentuk diduga merupakan produk korosi FeCO 3 yang merupakan produk korosi yang banyak ditemuin pada industri produksi minyak bumi dan gas alam. Sedangkan persebaran unsur unsur yang berasal dari lingkungan kerja yakni, magnesium, kalsium dan natrium persebaran banyak terdapat diluar area pit ini diduga merupakan deposit yang banyak ditemuin pada industri operasi produksi minyak bumi seperti senyawa CaSO 4, CaCO 3, dan MgSO 4 [2] Gambar 4 Hasil pengujian SEM EDAX
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 4 D. Hasil Pengujian Metallography Pengujian metalografi bertujuan membandingkan bentuk,ukuran dan struktur mikro material flange weld neck raise face 6 yang dengan bagian yang tidak. Gambar 6 dan 7 menunjukkan struktur mikro pada bagian eksternal flange yang tidak dan bagian internal flange yang tidak. Dari gambar dapat dilihat bahwa fasa yang terbentuk berupa ferit dan perlit dengan butir yang kecil dan halus yang merupakan hasil perlakuan panas normalized yang dilakukan oleh manufaktur. Struktur mikro ini menunjukkan bahwa material tidak mengalami perubahan temperatur yang signifikan yang bisa mengakibatkan perubahan struktur mikro hasil normalized. Karena temperatur kerja dilapangan adalah 57.2 o C. Gambar 8 menunjukkan struktur mikro pada internal flange weld neck raise face 6 daerah yang mengalami kegagalan. Fasa yang terbentuk pada daerah tersebut masih berupa ferit dan perlit. Namun pada daerah ini butir terlihat lebih lonjong dari pada struktur mikro daerah sisi dalam yang tidak dan bagian luar flange weld neck raise face 6 yang tidak. Dengan membandingkan struktur mikro terlihat perbandingan ukuran struktur mikro yang cukup signifikan. Pada internal flange yang terdapat perbedaan ukuran perlit yang lebih lonjong karena terjadi deformasi plastis yang disebabkan oleh konsentrasi tegangan oleh pressure pada daerah pit. E. Hasil Pengujian XRD Pengujian XRD ( X Ray-Diffraction ) ini bertujuan mengetahui senyawa senyawa korosi yang terbentuk pada spesimen flange weld neck raise face 6 yang mengalami kegagalan. Dari hasil analisa XRD pada gambar 9 menunjukan unsur dan senyawa yang terkandung dalam serbuk produk korosi adalah Si pada 2θ = 28.6495, FeCO 3 pada 2θ = 31.9951, FeS pada 2θ = 43.2172, 52.7353,dan 54.3220 dan 54.3220, Fe-Cr-Ni pada 2θ = 44.6501, Na pada2θ = 27.4431, Mg pada 2θ = 34.5773 dan 36.1449. Ditemukan 2 senyawa yang merupakan produk korosi berbahaya yang biasa dialami baja pada industri eksplorasi gas dan minyak yaitu FeCO 3 dan FeS. Untuk unsur Si merupakan paduan utama yang terdapat didalam logam induk,na dan Mg merupakan unsur yang terdapat pada minyak bumi, dan untuk senyawa Fe-Cr- Ni dihasilkan dari persenyawaan logam induk dimana paduannya merupakan paduan rendah (low alloy) dengan Cr dan Ni sebagai salah satu paduannya Gambar 6 Struktur mikro eksternal flange yang tidak a.50x b.200x Gambar 9 Hasil XRD Dari pembahasan sebelumnya yaitu pada pengujian SEM dan EDAX, dugaan munculnya senyawa FeCO 3 berdasarkan kandungan 3 unsur dominan yaitu Fe, C dan O dapat dibuktikan pada pengujian XRD ini Gambar 7 Struktur mikro internal flange yang tidak a.50x b.200x F. Hasil Pengujian Kekerasan Vickers Pengujian ini dilakukan dilakukan pada dua spesimen yakni bagian yang dan bagian yang tidak. Tujuan pengujian kekerasan ini untuk mengetahui nilai kekerasan material bahan untuk identifikasi kesesuaian nya dengan standard ASTM material tersebut selain itu untuk membuktikan adanya indikasi peningkatan kekerasan material. pengujian dilakukan pada material yang dan material yang tidak Gambar 8 Struktur mikro internal flange yang a.50x b.200x
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 5 Gambar 10 Posisi indentasi uji kekerasan flange yang b. flange yang tidak mengalami kegagalan Dari hasil pengujian kekerasan pada kedua spesimen dengan posisi indentasi pada gambar 10a dan 10b di atas maka diperoleh data seperti pada tabel 5 dan tabel 6 Tabel 5 Hasil kekerasan daerah yang Tabel 5 menunjukkan angka kekerasan dari gambar 10a Titik 1 merupakan daerah yang dekat dengan eksternal flange weld neck raise face 6. Titik 5 merupakan daerah yang dekat dengan permukaan internal Dari hasil di atas dapat dilihat bahwa angka kekerasan pada daerah material yang sebesar 141,143,143,144,dan 147 HV. kekerasan tertinggi terdapat pada titik 5 yang dekat dengan daerah internal flange weld neck raise face 6. Ratarata nilai kekerasan pada daerah yang adalah 143,6 HV. Tabel 6 Hasil kekerasan daerah tidak Tabel 6 menunjukkan angka kekerasan dari gambar 10b Titik 1 merupakan daerah yang dekat dengan eksternal flange weld neck raise face 6 yang dan titik 5 merupakan daerah yang dekat dengan permukaan internal dari hasil di atas dapat dilihat bahwa kekerasan pada daerah material yang tidak masing-masing sebesar 140,142,143,144,dan 146 HV. kekerasan tertinggi terdapat pada titik 5 yang dekat dengan daerah internal flange weld neck raise face 6 dengan rata-rata nilai kekerasan pada daerah yang tidak adalah 143HV. Grafik perbandingan kekerasan ditunjukan pada gambar 11 Gambar 12 Grafik perbandingan kekerasan G. Pembahasan Mekanisme Kerusakan Kerusakan yang terjadi berupa penipisan internal dengan bentuk pit pada arah 5 pada metoda 8 arah mata angin dengan panjang pit 7,6 cm dan lebar 1,5 cm. kebocoran karena lubang pit ini disebabkan oleh serangkaian proses yang saling berhubungan dan masing-masing memiliki kontribusi sehingga terjadi kerusakan tersebut. Pada saat terjadi kebocoran diketahui komposisi gas lapangan produksi sepinggan seperti ditunjukan pada tabel 3 diketahui bahwa kandungan CO 2 dalam gas adalah 18.61% dan sisanya gas hidrokarbon pada temperatur 57.2 o C. Prosentase seperti itu termasuk buruk untuk sebuah kandungan gas tambang. Perpaduan CO 2 dengan adanya kandungan air akan menyebabkan terjadi korosi CO 2 dengan bentuk pit pada baja karbon [3]. CO 2 yang terlarut dalam air membentuk asam karbonat (H 2 CO 3 ) yang menyebabkan lingkungan bersifat asam dan mengakibatkan korosi yang sangat cepat [4]. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Selanjutnya asam karbonat ini bereaksi dengan logam Fe membentuk FeCO 3 sebagai produk korosi dan melepaskan gas gas hidrogen. Reaksi besi dengan asam karbonat dituliskan sebagai berikut Fe + H 2 CO 3 FeCO 3 + H 2 Besarnya laju korosi CO 2 dipengaruhi oleh beberapa faktor yakni kandungan CO 2 didalam gas, tekanan parsial, temperatur operasi dan produk korosi FeS yang terbentuk akibat adanya H 2 S. Hubungan tekanan parsial CO 2 dengan laju korosi CO 2 pada sumur minyak dan gas Seperti berikut ;tekanan parsial CO 2 diatas 2 bar biasanya mengindikasikan terjadinya korosi karbondioksida,tekanan parsial CO 2 0,5% sampai 2 bar kadang kadang mengindikasikan adanya korosi karbondioksida, dan tekanan parsial CO 2 dibawah 0,5 bar biasanya tidak mengindikasikan terjadinya korosi karbondioksida [5]. Karena kandungan gas CO 2 lapangan produksi sepinggan sebesar 18,61% dengan tekanan parsial CO 2 2,01 bar maka terjadi korosi karbondioksida pada flange weld neck raise face 6. Korosi CO 2 diperparah dengan kondisi kerja dilapangan yakni 57,2 o C dimana korosi CO 2 pada temperatur sekitar 60 sampai 130 o C paling rentan untuk mengalami korosi lokal (pitting, korosi erosi, stress corrosion cracking) [6]. Terbentuknya FeS didalam industri minyak dan gas disebabkan adanya gas H 2 S akan meningkatkan laju korosi CO 2. Reaksi pembentukan FeS dituliskan sebagai berikut
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2013) ISSN: 2301-9271 6 H 2 O + H 2 S + Fe FeS + H 2 Besi sulfida (FeS) dalam lingkungan yang mengalami korosi CO 2 mengakibatkan korosi yang terlokalisir [7]. Penjalaran daerah yang terkorosi semakin parah disebabkan oleh pressure kerja yang tinggi pada daerah korosi yang rapuh. IV. KESIMPULAN Dari beberapa percobaan dan pengujian yang dilakukan dalam penelitian Tugas Akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu: 1. Faktor yang menyebabkan kegagalan yaitu adanya korosi CO 2 hal ini didukung oleh adanya produk korosi berupa FeCO 3., temperature kerja, dan terbentuknya FeS mempercepat laju korosi CO 2 yang terlokalisir 2. Mekanisme kegagalan yang terjadi pada flange weld neck raise face 6 diawali dengan munculnya pitting corrosion yang disebabkan oleh serangan korosi CO 2 yang membentuk produk korosi FeCO 3 dan adanya berupa FeS yang mempercepat laju korosi CO 2 yang mengakibatkan terlokalisasi pada suatu bagian pada flange weld neck raise face 6. Pitting corrosion yang terbentuk mendapat tekanan operasi yang cukup besar yang mengakibatkan terjadi nya crack pada daerah pitting corrosion. Penjalaran crack melebar menuju daerah yang tidak. Sehingga mengakibatkan daerah yang mengalami korosi yang terlokalisir semakin besar. DAFTAR PUSTAKA [1] Dosen Raswari,1986.Teknologi dan Perencanaan Sistem Perpipaan, Jakarta, UI- PRESS [2] Halimatuddahliana. 2003. Pencegahan korosi dan scale pada proses produksi minyak bumi. Jurusan Teknik Kimia USU, Medan [3].2003. API Recommended Practice 571 Damage Mechanismes Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry. USA. API international [4] Iandiano, Dito. 2011, Studi laju korosi karbondioksida untuk pipa penyalur proses produksi gas alam yang mengandung gas CO 2. Departemen Teknik Metalurgi dan Material UI, Depok [5] Basuki, 2010. Analisa kegagalan akibat korosi dan keretakan pada pipa aliran gas alam di NEB#12 Petrochina Internasional Jabung LTD. Jurusan Teknik material dan metalurgi ITS, Surabaya [6] Schmitt,G, 2008 CO 2 corrosion of steel an attempt to range parameter and their effects.university of Aachen, West Germany [7] Ismail, Ghofar, 2010 Analisa laju korosi berdasarkan perbandingan hasil coupon corrosion modeling dan pengukuran metal loss pada sistem perpipaann gas bumi dilapangan lepas pantai. Departemen Teknik Metalurgi dan Material UI, Depok.