1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Boiler adalah suatu

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
: 180 Barg
Tekanan Operasi
: 170 Barg
Temperatur Desain
: 540 oC
Temperatur Operasi : 530 oC
Tahun Instalasi
Gambar 1.1 Konstruksi Boiler
: 2006
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 oC (900 oF) (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 oC 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.