8
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pendahuluan
Boiler merupakan peralatan yang digunakan untuk mengkonversi air menjadi uap
steam untuk berbagai keperluan. A
ir pada tekanan atmosfir dipanaskan menjadi uap maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan kekuatan yang
hampir sama dengan bahan peledak seperti gunpowder. Oleh karena itu boiler merupakan peralatan yang harus diperlakukan dengan seksama [6].
Komponen boiler yang beroperasi pada temperatur tinggi akan gagal jika kondisi operasi berfluktuasi, desain yang kurang baik, kesalahan fabrikasi, dan
pemilihan material yang kurang tepat. Pada temperatur tinggi, suatu komponen akan dihadapkan pada dua masalah utama yang cenderung memperlemah komponen itu
sendiri. Pertama, kekuatan yang cenderung menurun seiring dengan naiknya temperatur. Kedua, terjadinya thermal stress akibat ekspansi yang dihalangi, baik
oleh bentuk geometri, kerena dikonstrain, atau karena adanya gradien temperatur [5]. Analisa kegagalan merupakan suatu investigasi yang konprehensif untuk
menemukan mekanisme kejadian kegagalan dan penyebabnya. Uji simulasi membuka jalan lebih lanjut penyelidikan penyebab kegagalan, terutama pada struktur dengan
geometri dan atau pembebanan yang kompleks. Hal penting adalah kesesuaian dan koneksi sistematis dari semua data, baik yang diperoleh di lapangan maupun data
hasil pengujian dan simulasi.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
9
2.2. Review Literatur
Pada penelitian ini, program Ansys Workbench digunakan untuk menganalisa thermal stress
pada tube superheater dengan mengkombinasikan antara beban termal dan mekanik. Oleh karena itu, untuk mempelajari kegagalan komponen boiler, dan
khususnya thermal stress pada tube superheater, beberapa literatur yang berkenaan telah dipelajari, antara lain adalah:
J. Dobrzanski et al. [2], mempelajari sifat mekanik komponen boiler low- alloy steel
yang telah lama beroperasi dengan menguji komponen melebihi 100 ribu jam dan mengamati struktur mikro dengan Scanning Electron Microscope SEM.
X-Ray Diffraction Phase Analysis digunakan untuk mengamati proses presipitasi.
Hasil menunjukkan adanya korelasi antara presipitasi karbida pada struktur mikro dengan umur pemakaian komponen. Juga struktur mikro dan fasa logam mengalami
degradasi selama pemakaian sehingga dapat menurunkan sifat mekanik komponen. O. M. Al-Habahbeh et al. [7], mempelajari thermal stress dan mengestimasi
umur pada silinder akibat beban kombinasi termal dan mekanik. Pada penelitian ini, model dikembangkan dengan Ansys Workbench dengan melibatkan simulasi
Computational Fluid Dynamic CFD dalam menentukan koefisien perpindahan
panas. Model dimesh dengan CFX-Mesh, kondisi batas dengan CFX-Pre, termal pada kondisi steady dan transient diselesaikan dengan CFX-Solver, dan hasil diperoleh
dengan CFX-Post. Hasil simulasi menunjukkan fluks panas baik internal atau eksternal dapat menimbulkan gradien temperatur pada silinder. Turbulensi aliran
dapat mempengaruhi besarnya thermal stress, kemudian thermal stress yang
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
10
didasarkan pada aliran transient lebih dominan dibandingkan dengan aliran steady. Terakhir, thermal stress yang diterima oleh komponen dapat memperpendek masa
pakai komponen tersebut. I. Nonaka [8], mempelajari kerusakan-kerusakan yang sering terjadi pada
header dan cara untuk menginspeksinya. Penelitian ini didasarkan pada kenyataan
bahwa komponen boiler di Jepang pada umumnya dapat beroperasi melebihi umur desain, walaupun tanpa mengabaikan faktor efesiensi dan keselamatan. Sistem
inspeksi yang didukung oleh peralatan canggih, seperti penggunaan sensor dan kamera pemantau sehingga dapat memonitor kerusakan sejak dini. Dari penelitian ini
didapat bahwa kerusakan yang paling potensial pada header adalah kerusakan pada daerah lasan.
Nakoneczny, G.J Schultz, C.C. [9], mempelajari header yang beroperasi pada temperatur melebihi 900°F 482°C dan material SA-335 P 11 1¼Cr-½Mo.
Metode analisa yang digunakan adalah survey, eksperimental, dan dengan simulasi numerik. Dari beberapa kasus kerusakan pada header yang diteliti menunjukkan
bahwa kerusakan yang paling dominan adalah kerusakan lasan. Hasil menunjukkan bahwa dengan penelitian, pengujian material, simulasi numerik, dan inpeksi rutin
dapat meminimalisir kegagalan komponen dimasa yang akan datang. Viswanathan, R Stringer, J. [10], mempelajari kerusakan komponen boiler,
khususnya header yang didominasi oleh kerusakan lasan. Pada penelitian ini kerusakan pada daerah lasan dibagi menjadi empat tipe, masing-masing tipe
menjelaskan fenomena kerusakan dalam kaitannya dengan struktur mikro lasan pada
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
11
daerah Heat Affected Zone HAZ. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Non Destructive Evalution NDE
dan inpeksi berkelanjutan dapat meminimalisir kegagagalan komponen boiler.
A. Kandil et al. [11], mempelajari thermal stress pada silinder berdinding tebal thick-wall cylinder akibat laju aliran panas transient dan tekanan internal.
Kondisi batas yang dipakai adalah distribusi temperatur time-dependent, regangan longitudinal dianggap nol, dan temperatur luar adalah temperatur ambien. Dengan
mengaplikasikan hal tersebut di atas, dapat diamati thermal stress dan tegangan efektif von-Mises. Hasil menunjukkan tegangan efektif selalu terjadi pada bagian
dalam silinder yang terjadi pada beban start-up. Variasi waktu hingga mencapai kondisi steady dipengaruhi oleh diameter silinder dan waktu pemanasan.
Behera, P. [12], mempelajari perpindahan panas konduksi transient pada
silinder dan slab dengan mengadopsi sistem lumped distribusi temperatur merupakan fungsi waktu, modifikasi Biot Number dan menggunakan metode pendekatan
polynomial untuk mengamati distribusi temperatur pada slab dan silinder. Hasil
analisa menunjukkan kecocokan jika dibandingkan dengan dengan kajian teoritis dan numerik sebelumnya. Biot Number memainkan peranan yang penting dalam
mendapatkan distribusi temperatur transient pada slab dan silinder Kumar, R. [13],
menganalisa termo-elastisitas transient pada rem dengan menggunakan program ANSYS. Model rem yang dianalisa dengan menggabungkan
analisa termal dan mekanikal. Kondisi batas dan kondisi inisial yang menunjukkan karakteristik kontak dan perpindahan panas pada aplikasi pengereman. Pengaruh sifat
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
12
material, terutama koefisien perpindahan panas dan modulus elastisitas, dan juga ketidakstabilan pada saat pengereman termasuk hal yang dianalisa. Hasil simulasi
menunjukkan distribusi tegangan tangensial lebih besar dibanding dengan tegangan tekan, sehingga tegangan ini dapat dijadikan acuan dalam analisa kerusakan rem.
Juga efek gesekan material dapat mempengaruhi koefisien perpindahan panas dan modulus elastisitas material itu sendiri.
Latfi R., Moawiah S. [14], melakukan studi kasus pada kegagalan tube superheater
SA-213 T2 tebal 5,6 mm akibat deformasi lasan pelat diaphragms dalam header. Tahap pertama perbaikan dilakukan dengan mengganti tube yang
gagal dengan tube lain yang dianggap sama yaitu SA-213 T22 tebal 4,8 mm. Setelah dilakukan perbaikan dan boiler diuji coba, maka tube yang telah diganti
kembali gagal. Kemudian diputuskan untuk memotong dua kolom tube yang gagal, dan dijumpai posisi diaphragms telah bergeser. Perbaikan pada diaphragms
dilakukan dengan memotong header pada dua sisi hingga memudahkan tangan masuk, kemudian posisi diaphragms ditempatkan pada posisi semula dan dilas.
Penutupan lubang dilakukan dengan pengelasan dan dicek dengan dye penetrant test. Untuk perbaikan yang terakhir ini, dua kolom tube yang sudah dipotong juga ditutup
dengan plug-insitu. Hasil uji coba setelah perbaikan terakhir menunjukkan kondisi superheater
yang aman dengan performansi yang dapat diterima. Metallurgical Technologies
, Inc., P.A. [15], menguji tube superheater SA-213
T11 yang gagal dan sudah digunakan selama 6 hingga 8 tahun. Bentuk kegagalan adalah short-term overheating. Pengujian dilakukan dengan
Energy Dispersive x-ray
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
13
Spectroscopy EDS
. Hasil pengujian didapati bahwa struktur mikro dan lapisan scale
menunjukkan tube beroperasi diatas temperatur desain. Juga tube telah mengalami beberapa kali overheating dan setidaknya dari beberapa kali kejadian tersebut tube
pernah menerima temperatur melebihi 1350°F 732°C. Hal ini ditandai dengan adanya dua tipe karbida pada bagian internal. Satu tipe karbida berbentuk aglomerat
sepanjang batas butir, dan tipe lainnya bergerombol pada pada struktur mikro halus. Adanya dua tipe karbida ini menunjukkan bahwa tube telah beroperasi atau pernah
menerima beban temperatur yang melebihi batas kritis bawah temperatur transformasinya.
V. Radu et al. [16], mempelajari termo-elastisitas pada silinder dengan kondisi batas temperatur time-dependent. Adapun langkah-langkah analisa adalah;
pertama, menggunakan transformasi finite Hankel untuk distribusi temperatur pada dinding silinder. Kedua, menyelesaikan solusi analitis untuk distribusi temperatur
transient pada dinding silinder. Ketiga, komponen tegangan termal dan perpindahan diperoleh pada silinder dengan menggunakan kasus satu dimensi. Terakhir, hasil
simulasi dibandingkan dengan jurnal-jurnal terdahulu yang menganalisa permasalahan yang sama. Verifikasi hasil dilakukan dengan program ABAQUS.
K. Abrinia et al. [17], mempelajari pembebanan kombinasi antara termal dan mekanikal pada Functionally Graded Materials FGM, kemudian dihitung solusi
analitis menggunakan metode elemen hingga, dengan kondisi batas modulus elastisitas dan koefisien ekspansi termal bervariasi pada dinding silinder, sedangkan
rasio Poison konstan. Efek pembebanan kombinasi dianalisa mengacu pada parameter
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
14
non dimensi β. Hasil simulasi tegangan versus radius pada beberapa harga β
menunjukkan harga β yang ideal dapat diperoleh dengan kondisi batas tertentu.
Poworoznek, P.P. [18], mempelajari fenomena termo-mekanikal pada silinder yang menerima beban kombinasi dengan menggunakan program ABAQUS. Simulasi
menggunakan konsep 2D pada segmen silinder ukuran 3 inci 76.2 mm, dan material yang diuji adalah ASTM-A36. Analisa pertama pada solusi elastis, dengan
membandingkan hasil antara formulasi silinder berdinding tipis dengan silinder berdinding tebal. Kemudian dikombinasikan dengan beban termal. Hasil
menunjukkan korelasi yang baik antara analitis dan simulasi. Pada deformasi plastis diasumsikan tidak terjadinya strain hardening, sehingga model material elastis-plastis
dipilih elastic-perfecly plastic. A. B.Ayob et al. [19],
mempelajari desain yang optimal pada thick-wall cylinder
yang menerima tekanan internal, yaitu dengan mengamati pengaruh tegangan sisa pada dinding silinder setelah beban ditiadakan. Terdapat tiga skenario
yang menjadi variabel penelitian ini. Pertama, autofrettege process. Pada proses ini tekanan internal yang besar diberikan pada bagian dalam silinder. Setelah beban
dihilangkan, tegangan sisa pada dinding silinder diamati. Kedua, optimum autofrettege,
yaitu dengan tekanan dan radius autofrettege, dan ketiga, full autofrettege
, yaitu radius autofrettege sama dengan radius silinder. Hasil menunjukkan pada pembebanan maksimum tidak ada kecocokan dengan proses
dijadikan variabel. Full autofrettege sesuai jika mulur pada bagian dalam silinder
dibatasi. Optimum autofrettege sesuai jika tegangan equivalen minimum dicapai.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
15
2.3. Package Boiler
Kategori