Residual Stress [PDF]

Citation preview

RESIDUAL STRESS (tegangan sisa) Kelompok 9:



Tegangan sisa (residual stress) adalah tegangan yang bekerja pada bahan setelah semua gaya-gaya luar yang bekerja pada bahan tersebut dihilangkan. Tegangan sisa (residual stress) ditimbulkan karena adanya deformasi plastis yang tidak seragam dalam suatu bahan, antara lain akibat perlakuan panas yang tidak merata atau perbedaan laju pendinginan pada bahan yang mengalami proses pengelasan Adanya tegangan sisa (residual stress) dalam suatu bahan kemungkinan dapat menguntungkan atau malah merugikan tergantung pada fungsi bahan, besar, dan arah tegangan sisa. Walaupun tegangan sisa secara visual tidak nampak, namun sesungguhnya tegangan sisa tersebut juga bertindak sebagai beban yang tetap yang akan menambah nilai beban kerja yang diberikan dari luar.



Dalam proses pengelasan, bagian yang dilas menerima panas pengelasan setempat dan selama pemanasan berjalan terjadi pengembangan termal dan pelelehan logam. Pada saat proses pengelasan dihentikan, mulai terjadi proses selanjutnya yaitu proses pembekuan(solidifikasi). Proses ini merupakan awal terbentuknya tegangan sisa karena terjadinya proses pembekuan diikuti adanya penyusutan volum bahan. Penyusutan volum bahan menyebabkan terjadinya regangan. Regangan pada bahan akan menyebabkan terjadinya tegangan yang sifatnya tetap dan disebut tegangan sisa.



Penyebab terjadinya tengagan sisa Tegangan sisa sebagai akibat dari tegangan thermal seperti pada pengelasan dan perlakukan panas 2. Tegangan sisa yang disebabkan karena transformasi fasa(seperti baja karbon) 3. Tegangan sisa karena deformasi plastis yang tidak merata yang disebabkan gaya-gaya mekanis seperti pada pengerjaan dingin selama pengerolan, penempaan, pembentukan logam atau pekerjaan lain yang dilakukan dengan mesin 1.



Sifat-sifat tegangan sisa 1. 2. 3.



Tegangan sisa sangat tinggi biasanya terjadi di daerah las dan daerah HAZ Teganga sisa maksimum biasanya sampai tegangan luluh (yield stress) Pada bahan yang mengalami transformasi fasa misalkan baja karbon rendah, tegangan sisa mungkin berfariasi pada permukaan dan bagian dalam dari logam induk



Pengaruh tegangan sisa 1.



2. 3.



4.



Tegangan sisa yang disebabkan oleh proses pengelasn dapat mempengaruhi sifat-sifat mekanis struktur las seperti patah getas, kelelahan, dan retak karena kombinasi tegangan dan korosi Pengaruh tegangan sisa menurun jika tegangan yang bekerja pada bahan meningkat. Pengaruh tegangan sisa pada struktur las bias diabaikan jika tegangan yang bekerja pada struktur tersebut melebihi tegangan luluhnya Pengaruh tegangan sisa menurun setelah pembenan berulang.



Ada dua metode untuk mengurangi tegangan sisa 1. Pengurangan tegangan sisa sebelum dan selama pengelasan  Ketelitian ukuran  Ukuran bagian yang akan dilas teliti sehingga tidak memerlukan pengerjaan lagi pada proses fabriksi yang berarti mengurangi tegangan sisa  Alur (groove)  Jika sambungan tumpul (butt joint),lebar alur dibuat sesempit mungkin untuk mencegah terjadinya masukan panas yang tinggi. Dengan demikian lebar daerah yang terkena panas tidak meluas sehingga mengurangi tegangan sisa  Las lapis banyak  Jika plat yang dilas cukup tebal, maka pengelasan dilakukan berulang-ulang.  Urutan pengelasan  Tegangan sisa bias dikurangi dengan memperhatikan urutan pengelasan yang tepat



2. Pengurangan tegangan sisa setelah pengelasan  Pembebasan tegangan sisa setelah pengelasan



biasanya mengunakan cara annealing .  Disamping mengurangi tegangan sisa, proses annealing juga memperbaiki struktur micro dan menghindari terjadinya distorsi dan retak.  Proses annealing dilakukan dengan cara memanaskan bahan pada suhu recristalisasi yaitu 0,5 TM (suhu cair logam).



Residual stress measurement techniques



Non Destructive Methods



Destructive Methods Residual stresses



Hole Drilling Method



Curvature Method



X ray Diffraction



Neutron or Synchroton diffraction



Ultrasonics



Teknik pengukuran residual stress



Magnetic waves



Kajian Keretakan Drum Bagian Atas Pada Ketel Uap Pipa Air



Ketel Uap diperlukan di semua industri, baik industri kimia, tekstil maupun industri pengolahan lainnya serta pembangkit tenaga listrik. Disamping itu ketel upa juga di perlukan padakapal laut dan rumah sakit. Prinsip bekerjanya ketel uap adalah memanaskan air dalam suatu bejana dan setelah mendidih air itu akan menguap, uap itulah yang digunakan untuk proses-proses pemanas, pencuci, penggerak dan lain-lain. Ketel uap pada dasarnya terdiri dari bumbung (drum) yang tertutup pada ujung dan pangkalnya, dimana pada bagian dalam drum terdapat pipa-pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air atau gas panas. Seperti terlihat pada gambar di bawah,



Ketel uap pipa air



Konstruksi upper drum ketel uap pipa air



Kerusakan komponen Kerusakan dapat didifinisikan sebagai suatu perubahan fisik atau unjuk kerja komponen atau struktur mesin atau peralatan yang tidak mampu melaksanakan fungsi sebenarnya secara memuaskan. Dengan kata lain suatu komponen atau struktur dapat dipandang atau dikatakan rusak apabila memenuhi salah satu dari 3 (tiga) kondisi sebagai berikut:



 bila komponen, peralatan atau konstruksi secara keseluruhan



tidak mampu lagi dioperasikan.  Bila komponen, peralatan atau konstruksi masih mampu dioperasikan tetapi tidak mampu lebih lama lagi untuk melaksanakan fungsi seperti yang diharapkan dengan memuaskan.  Bila komponen, peralatan atau kostruksi dalam kondisi sangat buruk sehingga tidak dapat diandalkan atau tidak aman lagi untuk dioperasikan; akibatnya komponen, peralatan atau konstruksi tersebut harus diperbaiki atau siganti. Pada kondisi tersebut terakhir, sebelum kerusakan fatal terjadi biasanya didahului dengan beberapa tahapan gangguan, seperti mulai atau sering gagal, mulai rusak, memburuk dan akhirnya rusak total.



Metode Penelitian Metode penelitian analisa kerusakan upper drum boiler, secara umum merupakan tata cara penelitian yang direalisasikan dalam pemeriksaan dan pengujian. Metode yang dingunakan dalam penelitian ini adalah studi kasus (cases study). Diawali dengan melakukan pengumpulan informasi dan dokumentasi berupa data engineering (spesifikasi material), data manufactur dan kronologis dari poros yang rusak. Proses penelitian kerusakan upper drum boiler ini terdiri dari beberapa tahap beberapa tahap seperti: pemeriksaan visual, pemeriksaan komposisi kimia, uji tarik, uji kekerasan, uji metalografi, dan uji fraktografi.



Peralatan Penelitian Adapun peralatan yang dingunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Peralatan pembuatan benda uji, yaitu mesin potong abrasive, mesin poles, ampelas, dll 2. Peralatan spectrometer dengan sistem komputerisasi untuk analisa komposisi kimia. 3. Peralatan uji fraktografi 4. Peralatan uji structur mikro berupa mikroskop optic. 5. Peralatan uji mekanis, seperti alat uji kekerasan dan alat uji tarik. 6. Perelatan uji EDX ( energy dispersive X-Ray)



Potongan sampel uji drum bagian atas



Pemeriksaan Komposisi Kimia C Hasil Uji



1



Hasil Uji 2 SA 515 Gr 70 Specs.



0.129



Mn



P



S



Si



Fe



1.36



0.017



0.003



0.281



Balance



0.171 1.398



0.023



0.010



0.265



Balance



< 0.27 < 0.98 < 0.035 < 0.035 0.13 -0.45 Balance



Data dalam tabel menunjukkan bahwa kekuatan material upper drum water tube memenuhi spesifikasi SA 515 Grade 70



Uji Tarik Test-1



Test-2



SA 515 Gr 70 Specs.



Tensile Strength, N/mm2



500



500



485 - 620



Yield Strength, N/mm2



314



314



260



Elongation, %



30



31



21



Data dalam tabel menunjukkan bahwa kekuatan material upper drum menunjukkan water tube memenuhi spesifikasi SA 515 Grade 70



Uji Kekerasan Uji kekerasan mikro dilakukan dengan menggunakan alat uji Vickers dengan beban 200 gram. Pengujian dilakukan di daerah base metal, heat affected zone (HAZ), dan weld metal. Hasil uji tersebut ditunjukkan dalam Tabel. Location



Measurement (VHN)



Average Hardness (VHN)



Base metal



177, 187, 177, 177



180



HAZ



171, 155, 168



165



Weld Metal



171, 168, 171, 171



170



Kekerasan base metal adalah 180 VHN, lebih tinggi dari kekerasan weld metal dan HAZ. Data kekerasan ini menunjukkan bahwa tidak terjadi penggetasan akibat pengelasan



Uji Metalografi



Photo makro etsa sample metallografi Upper Drum. Etsa; nital 2% Retak dimulai dari diameter luar Upper Drum, perbesaran 5x



Struktur mikro berupa ferrite (putih)-Pearlite (hitam) dan terjadi Transgranular CorrosionCrackings. Etsa: nital 2%, perbesaran 500x



Uji Fraktografi



Foto SEM retakan antar butir akibat SCC



Hasil difraksi sinar-x deposit dalam tube



Hasil difraksi sinar-x deposit permukaan luar tube



Hasil uji energy dispersive spectroscopy (EDS)



Unsur-unsur deposit permukaan dalam lebih banyak, karena berasal dari endapan chemical untuk water treatment, sedangkan unsur-unsur di permukaan luar hanyalah berasal dari oksida besi dan oksida silika. Deposit permukaan dalam mengandung kalium dan chlor.



Dari data-data hasil uji, maka ada beberapa kemungkinan penyebab retaknya top water tube drum tersebut adalah overheating, creep, laminasi, hydrogen embrittlement, dan stress corrosion cracking



Stress Corrosion Cracking Stress corrosion cracking adalah penyebab terjadinya retak pada top water tube drum. Stress corrosion cracking pada carbon steel dapat terjadi akibat akumulasi dari KOH ataupun NaOH pada temperature di atas 100 oC. SCC yang disebabkan oleh KOH atau NaOH seringkali dikenal sebagai caustic stress corrosion cracking. Beberapa alasan yang mendukung bahwa retakan tersebut disebabkan oleh



SCC adalah: 



Retakan tersebut melalui batas butir



 Retakan yang terjadi adalah retakan bercabang



 Terdapat trace K dalam deposit di permukaan dalam  Temperatur drum berada antara 100 sampai 250 oC.



SCC akan lebih mudah terjadi pada daerah lasan, karena terjadinya akumulasi KOH dalam cacat di daerah lasan tersebut. Walaupun jumlah K yang terdeteksi sangat kecil, tetapi akumulasi KOH dalam cacat akan



menyebabkan kenaikan konsentrasinya. Penambahan KOH kedalam water treatment bertujuan untuk menaikkan pH sehingga tidak terjadi pitting corrosion. Penambahan ini



tidak boleh terlalu berlebihan karena dapat mengakibatkan SCC



Kesimpulan percobaan  Pemeriksaan struktur mikro menunjukkan bahwa retakan yang











 



terjadi adalah akibat stress corrosion cracking, karena ditandai dengan terbentuknya sejumlah retakan yang bercabang (cracks braching). Faktor penyebab terjadinya SCC ini adalah tegangan tarik yang bersenergi dengan lingkungan korosif. Sumber tegangan sisa adalah dari proses pengelasan pada drum boiler pada saat plugging. Di samping itu, tegangan sisa kemungkinan juga terjadi akibat pengaruh cold forming. Sedangkan lingkungan korosif diperkirakan disebabkan oleh pengaruh air umpan boiler. Retak yang terjadi membentuk pola transgranular. SCC dapat terjadi karena akumulasi KOH di daerah cacat las dan temperature kerja adalah antara 100 sampai 250 oC. Pemeriksaan deposit dengan difraksi sinar-x menunjukkan bahwa deposit permukaan dalam tube mengandung banyak posfat dan karbonat, sedangkan permukaan luar tube hanya mengandung oksida besi.



 Pemeriksaan komposisi kimia menunjukkan bahwa terdapat



trace K yang berasal dari KOH dan menjadi penyebab terjadinya SCC. KOH tersebut akan berakumulasi dalam cacat las dan mengawali retakan.  SCC akibat KOH (caustic) tersebut dapat dihindari dengan tidak melakukan pengelasan di daerah drum, dan mengatur pH agar berada didaerah aman.



Terima kasih