PENGANTAR TEKNIK MESIN IWAN PONGO,ST,MT

PENGANTAR TEKNIK MESIN
IWAN PONGO,ST,MT

JENIS KERUSAKAN / KEGAGALAN DAN
FAKTOR – FAKTOR PENYEBABNYA

ISTILAH KERUSAKAN
Suatu

komponen

atau

alat

dinyatakan

mengalami

kerusakan /

kegagalan apabila:
Tidak dapat dioperasikan secara penuh, atau


 Masih

bisa

dioperasikan,

tetapi

tidak

mampu memberikan

kepuasan kinerja sesuai fungsi yang direncanakan, atau
 Kedaannya

telah

memburuk

secara

serius,

sehingga sampai

pada suatu kondisi yang menjadikannya tidak handal lagi atau
tidak aman untuk diteruskan pengoperasiannya

KLASIFIKASI KERUSAKAN SECARA UMUM
A. SURFACE DAMAGE
 Wear and Liquid/Gas Erosion Failures
 Corrosion and Elevated-Temperature Failures (Oxidation, Carburization, dll).
B. ELASTIC OR PLASTIC DISTORTION
 Distortion Failures and Time-Dependent Plastic Deformation (Creep) yang
merupakan Elevated-Temperature Failures
C. FRACTURE

 Ductile and Brittle Fractures (Overload, Impact, Low-Temperature Failures)
 Fatigue Fractures
 Environmentally Affected Fractures(Corrosion and Thermally-Induced Cracks
and Fractures):
- Creep Rupture
- Overheating
- Elevated Temperature Fatigue
- Thermal Fatigue
- Stress Corrosion Cracking
- Hydrogen Damage

- Metal Dusting
- Liquid Metal Embrittlement
- Hot Cracking
- Welding Cracks
- Quench Cracks
- Grinding Cracks

KERUSAKAN / KEGAGALAN KOMPONEN / ALAT DALAM
OPERASI (walau penyebabnya bukan karena kesalahan

operasi):


KEAUSAN (WEAR)



KOROSI (CORROSION)



PERUBAHAN BENTUK (DISTORTION)



RETAK / PATAH / PECAH akibat:

- KELELAHAN (FATIGUE)
- BEBAN BERLEBIH (OVERLOAD)
- SUHU TINGGI (ELEVATED TEMPERATURE FAILURES)

- LINGKUNGAN (ENVIRONMENTALLY AFFECTED FRACTURES)


PERUBAHAN WARNA / PENAMPAKAN DAN LAINNYA

JENIS – JENIS KERUSAKAN
MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU TINGGI

CREEP
Adalah pemuluran (strain) yang terjadi sebagai fungsi dari
waktu, temperatur dan tegangan yang terjadi
STRESS RUPTURE

Adalah kerusakan (retak/patah/putus/pecah) yang terjadi pada
komponen yang mengalami creep

JENIS – JENIS KERUSAKAN
MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU TINGGI
( Lanjutan )


ELEVATED-TEMPERATURE FATIGUE:
Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh siklus beban
mekanis pada suhu tinggi
THERMAL FATIGUE:

Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh siklus termal
(gradian thermal) yang mengakibatkan terjadinya siklus tegangan termal

CREEP-FATIGUE INTERACTION:
Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh interaksi antara
creep dan fatigue. Laju kerusakan yan terjadi biasanya lebih cepat
dibandingkan kalau hanya disebabkan oleh creep atau fatigue saja

JENIS – JENIS KERUSAKAN MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU
TINGGI ( Lanjutan )

METALLURGICAL INSTABILITIES:
Adalah kerusakan pada material/komponen yang disebabkan oleh
perubahan struktur metalurgi yang terjadi selama operasi akibat pengaruh
tegangan, waktu, suhu dan lingkungannya. Kerusakan seringkali berupa

penurunan kekuatan, atau berupa kenaikan kekuatan/kekerasan sehingga
dapat menimbulkan penggetasan.
Beberapa contoh kerusakan tersebut:
- Recrystalization (Rekristalisasi)
- Spheroidization of Carbides
- Graphitization
- Temper Embrittlement
- Sensitisasi pada baja stainless dan nickel-base alloys
- Sigma formation pada baja stainless
- Aging and Overaging pada nickel-base alloys
- Transgranular-Intergranular Fracture Transition
- Intermetalic-Phase Precipitation
- Interaction of Precipitation Processes

JENIS – JENIS KERUSAKAN MATERIAL / KOMPONEN PADA SUHU
TINGGI ( Lanjutan )

ENVIRONMENTALLY INDUCED FAILURE:
Adalah kerusakan pada komponen yang disebabkan oleh interaksi antara
permukaan dengan lingkungannya pada suhu tinggi

Beberapa contoh kerusakan tersebut:
- Hot Corrosion and Erosion-Corrosion
- Oxidation (External or Internal)
- Carburization
- Metal Dusting
- Hydrogen Embrittlement
- Hydrogen Damage and Decarburization (Hydrogen Attack)
- Carbon-Nitrogen Interaction
- Contact with Molten Metal (LME)
- Contact with Molten Salts

JENIS KERUSAKAN PADA LOGAM
(Menurut Pengamatan / Laporan Du Pont Company)
 I MP MQG

8 &3. +4. # '

 K CI ? L GI ? J 8 &2. +3. # '
+ I cjcj_f _l &D_rgesc'
+ I c_sq_l &U c_p'

+ @c` _l @cpjc` gf &Mt cp J m_b'
+ Ncp_nsf _l &Ck ` pgrrjck cl r'
+ I cpsq_i _l n_b_ qsf s rgl eeg&Apccn*bjj'
+ @c` _l @cl rsp_l &Gk n_ar'

JENIS KERUSAKAN PADA LOGAM
(Menurut Pengamatan / Laporan Du Pont Company)
(Lanjutan)
¤ Kerusakan KOROSI
Korosi Permukaan (General Corrosion
Korosi Tegangan dan Korosi Kelelahan
Korosi Sumur (Pitting Corrosion)
Korosi Antar Butir (Intergranular Corrosion)
Korosi erosi, kavitasi, fretting
Korosi suhu tinggi
Korosi galvanis
Korosi celah
Korosi selektif
Korosi lain-lain

%
31,5
23,4
15,7
10,2
9,0
2,3
2,3
1,8
1,1
2,8

Classification of Failures according to failed members:
cpq
f
r
M
/. #
U gpc Others
pmnc 10

4
Castings
15
Gears
18
Pulleys
& rolls
28

TOTAL
242
CASES
Bolts
32

Welds
(welded
structure)
77

Shafts (with
step or key
groove)
56

Classification of Failures according to cause:

Static
Fracture
Corrosion, 13%
burst
3%

SCC, 5%
Delayed fracture
Thermal,
corrosion
and contact
fatigue
18%

TOTAL
242
CASES

Low
cycle
Fatigue
8%

Simple
Fatigue
58%

Classification of Failures according to factor:

Inappropriate
repair
Underestimation
6%
of external force
Inappropriate
33%
of replacement
16%
TOTAL
? qqck ` jgl e $ qcrrgl e
0#

Misselection of
materials, poor
machining &
fabrication
19%

242
CASES

Inappropriate
structure,
shape
24%

JENIS DAN KARAKTERISTIK KERUSAKAN:
Jenis
Kerusakan

Frekwensi
Kejadiannya

Fenomena
Makro

Pertumbuhan
Makro

Keamanan

Fatigue
(Kelelahan)

1

Invisible
(Tidak terlihat)

Cepat

Berbahaya

Wear
(Keausan)

2

Visible
(Terlihat)

Bertahap

Aman

Corrosion
(Korosi)

3

Terlihat

Bertahap

Aman

Lain-lain
(Impact load,
overload)

4

Tidak terlihat

Cepat

Berbahaya

Keterangan: 1>2>3>4

KONDISI YANG DAPAT MENIMBULKAN KERUSAKAN
DAN CARA PENANGGULANGANNYA
I CP SQ? I ? L RCP H? BG@GJ ? 8
 E ? W? - RCE ? L E ? L I CP H?
 NCL E ? P SF J GL E I SL E ? L
 U ? I RS

>

KETAHANAN MATERIAL/
KOMPONEN

RCE ? L E ? L I CP H?
 Rce_l e_l R_pgi *Rci _l *J cl rsp*Nsl rgp*E cqcp _r_s i mk ` gl _qgl w_
 Qgd_r Rce_l e_l 8Qr_rgq*Bgl _k gq _r_s Gk n_ar &@cl rsp_l '
NCL E ? P SF J GL E I SL E ? L
 Rck ncp_rsp
 J gl ei sl e_l I mpmqgd*Mi qgb_qg_r_s I _p` spgq_qg
 ? jgp_l &djmu'
 P _bg_qg
 Bjj

KERUSAKAN DAN KERUGIAN

Kerusakan alat/mesin atau konstruksi dapat menimbulkan kerugian besar
Kerusakan

> 70% kerusakan langsung atau tidak
langsung akibat fatigue

Fatigue

Kerusakan produk/alat
Kerugian
Langsung

Biaya repair
Biaya pencegahan/penanggulangan
Biaya kompensasi (kecelakaan dalam
bentuk luka-luka ataukematian)

Kerugian
Total
Kerugian
Tidak
Langsung

Penurunan moral/ketidakpercayaan
Produksi menurun
Kerusakan terhadap citra

USAHA PENANGGULANGAN KERUSAKAN
 Menurunkan Gaya/Tegangan Kerja melalui perbaikan Design: Bentuk,
ukuran / dimensi / geometri, susunan / tata letak, perakitan, dll
 Meningkatkan Ketahanan Material / Komponen melalui:
- Pemilihan material yang sesuai
- Perbaikan proses pembuatan / manufaktur, heat treatment dan fabrikasi /
perakitan
- Pemberian surface treatment (lapis lindung)
 Mengendalikan

lingkungannya

seperti:

temperatur

kerja,

tekanan /

tegangan kerja, kontaminan / pengotor, konsentrasi lingkungan korosif,
kecepatan alir fluida, penggunaan corrosion inhibitor, dll

D? I RMP
I C? K ? L ? L
CI ML MK G@G? W?

DSL E QGK ? L D? ? R

I CK ? K NS+
P ? U ? R? L

BCQ? GL

NCL ? K NGJ ? L QCL G$
CP E ML MK GI

? K B? J $
D? I RMP
QMQG? J
B? R?
P GU ? W? R
NCK ? I ? G? L

NCK GJ GF ? L
K ? RCP G? J -@? F ? L

K ? L SD? I RSP D? @P GI ? QG

NCP ? I GR? L ? QQCK @J GL E

NCL B? W? E SL ? ? L NCK ? I ? G? L

? L ? J GQ?
I CP SQ? I ? L I CE ? E ? J ? L

FAKTOR-FAKTOR YANG MENYEBABKAN TERJADINYA KERUSAKAN /
KEGAGALAN PADA ALAT / MESIN / KOMPONEN

KLASIFIKASI FAKTOR-FAKTOR PENYEBAB KEGAGALAN
ATAU KERUSAKAN
BGQ? GL
+ I cq_j_f _l _l _jgq_ ` c` _l &rce_l e_l - rf cpk _j'
+ I crgb_i qcqs_g_l qrpsi rsp*` cl rsi -ecmk crpgb_l si sp_l
+ Nck ` c` _l _l ` cpjc` gf _l
+ Ncl e_` _g_l i ml bgqgjgl ei sl e_l mncp_qg
+ I crgb_i rcn_r_l qsqsl _l -r_r_ jcr_i
+ Rgb_i k ck ncpf grsl ei _l
MNCP ? QGML ? J
i ck _k nsp_u_r_l
K ? RCP G? J
+ I cq_j_f _l npmqcbsp
+ Bjj,
+ I cq_j_f _l qncqgdgi _qg
mncp_qgml _j
k _rcpg_j-i mk nmqgqgi gk g_
+ Nck ` c` _l _l -rck ncp_rsp
I CE ? E ? J ?
k cj_k n_sg` _r_q
+ A_a_r ncl ecamp_l - npmqcq
L
+ I cq_j_f _l gl qr_j_qgnck ` cl rsi _l
nck _q_l e_l
+ Q_j_f j_i s n_l _q
+ Ncp_u_r_l i sp_l e k ck _b_g I CP SQ? I ?
+ Rcph_bgl w_ ncl spsl _l qgd_r
+ I cq_j_f _l pcn_gpk ci _l gq
L
ncl ee_l rg_l qsi s a_b_l e
+
Bjj,
+ Bjj,
K ? L SD? I RSP
+ I cq_j_f _l
+ I cq_j_f _l
+ I cq_j_f _l
ncl ecph__l
+ I cq_j_f _l
ncl ecp_q_l ncj_ngq_l
+ Bjj,

npmqcq nck ` s_r_l
j_i s n_l _q
npmqcq ncl ecj_q_l $
j_l hsr
b_j_k npmqcq

A. FAKTOR / PENGARUH RANCANGAN ( DESAIN )
 Good Engineering Design:
Merupakan hal yang sangat fundamental dalam pemakaian material
secara handal dan efektif
 Desain umumnya tidak selalu absolut/mutlak. Namun bisa “kompromi”
menurut biaya dan ketersediaan material
 Desain dan Pemilihan Material merupakan dua faktor yang sangat
penting untuk mencapai umur pemakaian alat/konstruksi sesuai
dengan yang diinginkan
 Rincian Desain meliputi:
- Bentuk dan geometri
- Kompatibilitas/Kesesuaian (dari segi metalurgi, lingkungan dan
sumber-sumber lainnya)
- Faktor Mekanikal (tegangan bekerja/pemusatan tegangan)
- Permukaan (Surface Quality)

KLASIFIKASI DASAR-DASAR PERENCANAAN / DESAIN


Desain yang tidak mengijinkan kerusakan (safe-life design)

Contoh: hampir semua struktur/produk baja dirancang dengan
dasar kategori ini.


Desain

keamanan melalui

yang

mengijinkan

perawatan

kerusakan,

(damage-tolerant

tetapi menjamin

design

or fail-safe

design)
Contoh: - pada perancangan pesawat terbang untuk tujuan
menurunkan faktor berat pesawat
- komponen yang memiliki umur pemakaian terbatas
dalam bentuk karakteristik pemakaian seperti: bantalan
(bearings), wire ropes, dll

BEBERAPA CONTOH PENGARUH FAKTOR DESAIN
Bentuk/struktural, ukuran (size), takikan (design notches) yang dapat
menimbulkan stress concentration (seperti pada sambungan, ujung yang
tajam, perubahan tebal dinding, dll), lokasi sambungan (joint location), desain
sambungan las (weld joint design), attachments & supports, dll.

Design techniques for
improving fatigue strength

B. FAKTOR MATERIAL
t STRUKTUR
 Struktur Kristal
 Struktur Mikro
t CACAT
 Cacat Permukaan
 Cacat Internal
t TEGANGAN SISA

SIFAT/KARAKTERISTIK
 Mekanis
 Korosi
 Fisika
 Dll


KOMPOSISI KIMIA
¤ PROSES PEMBUATAN/ FABRIKASI
¤ PROSES LAKU PANAS (HEAT
TREATMENT)
¤ PROSES FINISHING
¤ SHIPPING & HANDLING

KINERJA
DALAM
OPERASI

METALLURGICAL CONTROL FOR PRODUCING
HIGH QUALITY STEEL CASTINGS
Properties
 Tensile Property
 Microstructure

 Hardness

 Defects

 Impact

 Internal Stresses

 Abrasion
 Corrosion / Oxidation
 Creep



Chemical Composition

¤ Foundry Process Parameters
¤ Heat Treatment
¤ Machining; Welding and
Finishing

Product Performance
in Service
 Corrosion Resistance
 Heat Resistance
 Wear Resistance
 Impact Resistance

PEMILIHAN MATERIAL
Ù

FAKTOR-FAKTOR YANG HARUS DIPERHATIKAN DALAM PEMILIHAN
MATERIAL (terutama untuk suhu tinggi):
 Suhu operasi normal yang direncanakan dan suhu minimum serta
suhu
maksimum yang kemungkinan akan terjadi
 Kekerapan/keseringan dan kecepatan siklus termal


Tingkatan gradien termal didalam komponen



Sifat pemuaian (ekspansi termal) dari paduan



Gaya yang bekerja dan kondisi pembebanan



Umur pemakaian yang direncanakan



Sifat mekanis (sifat tarik dan sifat creep, thermal fatigue, dll)



Lingkungan operasi seperti: korosif, oksidasi, dll

 Repairability seperti welding repair (dalam kondisi baru dan kondisi
setelah dioperasikan)
 Machinability


Availability & cost

C. FAKTOR MANUFAKTUR & FABRIKASI SERTA FINISHING

Cacat

Sifat/Karakteristik
Komponen/Parts

 Proses Machining
 Proses joining/welding
 Proses Heat Treatment

Proses Finishing
(coating,
surface treatment,
mechanical finishing, dll

Kinerja

C. FAKTOR MANUFAKTUR & FABRIKASI SERTA FINISHING
( Lanjutan )
Beberapa Contoh Cacat Manufaktur / Fabrikasi / Finishing:
 Retak
 Cacat las
 Cacat karena proses pengerjaan akhir
Cr layer

Tension crack in a surface hardened and
chrome plated axle shaft bolt, longitudinal
section, etched nital. 200 x

Ringkasan:
Jenis Cacat/Kerusakan Menurut Proses:
Jenis-jenis cacat/Kerusakan
Proses

-

-

Casting
Forming
Machining
Welding
Coating
Heat
Treatment
Service

Porosity

Bursts

Laps

Hot
Tears

Cold
Shuts

Inclusion

Crack

V
X
X
V
X

X
V
X
X
X

X
V
X
V
X

V
V
X
V
X

V
X
X
X
X

V
V
X
V
X

V
V
V
V
V

X
X

X
X

X
X

X
X

X
X

X
X

V
V

Keterangan : V : (terjadi/terbentuk)
X : (tidak terbentuk)

D. FAKTOR OPERASI DAN PEMELIHARAAN
DESAIN

MATERIAL

CACAT &
KETIDAKSESUAIAN PADA
KOMPONEN

MANUFAKTUR
/ FABRIKASI

PERILAKU MESIN /
ALAT DALAM
OPERASI

KERUSAKAN /
KEGAGALAN

PEMASANGAN /
INSTALASI
PROSEDUR
OPERASI /
PARAMETER &
BEBAN OPERASI

PEMELIHARAAN
DAN
PENGGANTIAN &
PERBAIKAN

IDENTIFICATION OF COMPONENTS
DIVISION OF PLANT SYSTEMS
( BOILER PLANT, TURBINE PLANT, ETC )

DIVISION OF PLANT SYSTEMS

CRITICAL
COMPONENTS

INFLUENCE
COMPONENTS

SCHEMATIC ILLUSTRATION OF BOILER

Age and cumulative operation time of fossil power boilers in
Japan (data in 1988)

Classification of boiler pressure parts failure in 1981 to 1991

TABLE DAMAGE FACTORS OF BOILER COMPONENTS

FAILURE PROCESSES OF BOILER COMPONENTS

FAILURE MECHANISMS FOR
BOILER TUBING
Ù

Ù

Ù

STRESS – RUPTURE
 Short – term overheating
 High – temperature creep
 Dissimilar – metal welds
WATER – SIDE CORROSION
 Caustic corrosion
 Hydrogen damage
 Pitting (localized corrosion)
FIRE – SIDE CORROSION
 Low temperature
 Water wall
 Ash due to coal or oil

FAILURE MECHANISMS FOR
BOILER TUBING ( Lanjutan )
Ù

Ù

Ù

EROSION
 Fly ash
 Soot blower

 Falling slag
 Coal particle

WATER – SIDE CORROSION
 Vibration
 Thermal
FIRE – SIDE CORROSION
 Maintenance cleaning damage
 Chemical excursion damage
 Welding Defects

 Corrosion

HEADER LOCATIONS SUSCEPTIBLE TO CRACKING
( SUPERHEATER OUTLET HEADER )

LONG - TERM DAMAGE IN ELEVATED – TEMPERATURE
HEADERS
Location
Ù
Ù
Ù
Ù
Ù
Ù

Stub-tube/header weld,
tube side
Stub tube/header weld,
header side
Cracking of Ligament
between tubes
Longitudinal seam welds
Girth butt welds
All other
 Branch connections,
saddle and crotch
positions
 Header body swelling
 Other location

Damage Mechanism

Survey
percentage

Creep-cavitation in the HAZ

40

Creep-cavitation in the HAZ

34

Thermal fatigue

21

Creep-cavitation in the HAZ and weld metal
Creep-cavitation in the HAZ and weld metal

3
3

Creep-cavitation in the HAZ
Thermal softening
Unknown

Unknown
Unknown
Unknown

DAMAGE MECHANISMS IN STEAM PIPES
Steam pipes carry steam from the boiler to the turbines
They are straight pipes with some elbows and bends, but do not have
any tube connections
The principal problem areas in steam pipes:
 Girth weld
 Bends and elbows

creep damage
(similar to headers)
highly stressed areas
with creep damage

 Long seam welds (if present)

contain a variety of
fabrication flaws (defects)