PENGENALAN METODA NON DESTRUCTIVE TEST (NDT) Tujuan

  

PELATIHAN

SISTEM INSTRUMENTASI DAN KENDALI REAKTOR NUKLIR

TANGGAL 27 JUNI - 8 JULI 2005

  

PENGENALAN METODA NDT DAN

PENGGUNAAN ALAT INSPEKSI VISUAL & ULTRASONIK

Ir. Tegas Sutondo

  PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN TEKNOLOGI MAJU

  

BADAN TENAGA NUKLIR NASIONAL

YOGYAKARTA 2005

  PENGENALAN METODA NON DESTRUCTIVE TEST (NDT) T u j u a n

  Tujuan memperkenalkan beberapa teknik atau metoda pengujian secara tidak merusak atau Non Destructive Testing (NDT) yang digunakan untuk melakukan inspeksi terhadap kondisi fisik dari suatu komponen.

  Pendahuluan

  Metoda Non Destructive Testing (NDT), atau juga dikenal dengan Non

  

Destructive Evaluation (NDE) serta Non Destructive Inspection (NDI) adalah suatu

  metoda atau teknik pengujian untuk mengetahui kondisi fisik dari suatu benda uji

  

(test object) tanpa menimbulkan kerusakan padanya. Selain itu dengan metoda NDT

  memungkinkan dilakukan pengujian di lokasi di mana komponen yang sedang diuji berada (in-situ).

  Dengan metoda NDT maka memungkinkan untuk mengetahui kondisi fisik seperti cacat, retak atau korosi dari bagian komponen yang tidak tampak dari bagian luar (terletak dibawah permukaan) atau lokasinya sangat sulit dijangkau karena terhalang oleh komponen lain di sekitanya, atau terletak di daerah dengan tingkat radiasi yang tinggi, dan sebagainya. Dari beberapa keunggulan tersebut, maka metoda NDT telah digunakan secara luas dan menjadi bagian dari program perawatan komponen vital terutama pada sektor industri, untuk menjamin tingkat keandalan yang tinggi dari setiap komponen.

  Informasi yang diperoleh dari hasil inspeksi tersebut sangat penting dalam perencanaan program perawatan, seperti penyusunan jadwal perbaikan ataupun penggantian komponen, secara sistematis. Dengan adanya perencanaan program perawatan yang baik, maka diharapkan dapat diperoleh tingkat produktivitas yang optimum, serta dapat dicegah sedini mungkin agar tidak terjadi kecelakaan akibat kerusakan komponen yang disebabkan kurangnya pemantauan secara baik.

  Beberapa Jenis Peralatan NDT

  Berdasarkan jenis atau kegunaanya, metoda NDT dapat dibedakan menjadi 2 katagori, yaitu secara visual, (visual inspection test) dan inspeksi secara non visual. Inspeksi secara visual dimaksudkan untuk mengetahui kondisi suatu komponen melalui pengamatan secara visual misal pada bagian permukaan luar dari suatu kompunen, atau permukaan bagian dalam dari suatu pipa atau tabung. Sedangkan inspeksi secara non visual dimaksudkan untuk mengetahui kondisi fisik dari komponen secara non visual, yang antara lain untuk mengetahui adanya cacat yang tidak dapat diamati secara langsung karena lokasinya berada dibawah permukaan, atau proses korosi di bagian belakang permukaan tangki reaktor, adanya kebocoran dari suatu pipa, tabung atau bejana yang berisi cairan atau gas, dan sebagainya. Tabel 1 dan Tabel 2 memuat beberapa jenis peralatan inspeksi visual dan non visual yang telah banyak digunakan.

  Tabel 1: Contoh Beberapa Peralatan Inspeksi Visual dan Aplikasinya

  Alat Inspeksi Visual Fungsi Kaca pembesar (magnifier)

  Untuk pengamatan obyek berukuran kecil Microscope Untuk pengamatan obyek berukuran sangat kecil Electron Microscope

  Untuk pengamatan obyek berukuran sangat kecil struktur mikroskopik dari suatu obyek Telescope Untuk mengamati obyek yang letaknya jauh Camera Untuk perekaman obyek dalam bentuk tampilan foto

  Borescope Untuk pengamatan dan perekaman obyek yang tersembunyi, sulit dijangkau, terkontaminasi, dsb

Endoscope Untuk pengamatan obyek yang tersembunyi, terkontaminasi, dsb

  Videoscope Untuk pengamatan obyek dalam bentuk tampilan video Teknik Replikasi Untuk pengamatan kondisi permukaan komponen secara detail Tabel 2. Beberapa jenis peralatan NDT Non Visual yang telah banyak digunakan.

  Alat Inspeksi Non Visual Fungsi Radiography Untuk mengetahui kondisi bagian dalam komponen, menggunakan teknik photography, dengan sumber cahaya digantikan dengann berkas X-ray, Gamma, atau Neutron

  Ultrasonic Test Mengetahui ketebalan dan cacat di bagian bawah permukaan bahan dengan prinsip perambatan gelombang ultrasonik Eddy Current Test Mendeteksi adanya retak, cacat di bagian bawah permukaan bahan dengan prinsip kontinuitas aliran arus listrik

  In-situ Hardness Test Mengetahui tingkat kekerasan bahan Dye Penetrant Test Untuk mengetahui retak, lubang kecil (pin hole)

Helium Leak Test Uji kebocoran bejana. Tabung, pipa yang tertutup kedua ujungnya

Vacum Test Uji kebocoran bejana. Tabung, pipa yang tertutup kedua ujungnya

  Hydrostatic Test Uji kebocoran bejana atau sistem pemipaan /

  Mengingat luasnya lingkup bahasan dari seluruh metoda NDT yang ada (seperti yang digunakan pada Tabel 1) dan sempitnya waktu yang tersedia pada diklat ini, maka tidak mungkin untuk menyajikan secara detail dan menyeluruh mengenai dasar teori yang digunakan pada setiap metoda NDT tersebut. Untuk itu, pada diktat ini hanya diberikan uraian secara ringkas dasar teori untuk tiga metoda NDT yang cukup penting yaitu teknik pengujian Visual, Ultrasonik dan Eddy Current serta pengujian kekerasan (hardness test). Sekalipun demikian diharapkan para peserta diklat dapat mempelajari secara lebih detail dari text book atau sumber informasi yang banyak tersedia di Web Site internet.

  Selain itu akan dijelaskan secara ringkas dua peralatan NDT yang ada di Bidang Reaktor BATAN – Yogyakarta, yaitu alat inspeksi visual (Video Inspection

  System) dan alat inspeksi ultrasonik (Ultrasonic Inspection And Analysis System)

  Inspeksi Visual

  Inspeksi secara visual pada umumnya dimaksudkan sebagai langkah awal sebelum dilakukan inspeksi dengan cara NDT yang lain, yaitu dengan cara mengamati secara visual pada bagian luar komponen. Pengamatan secara visual adalah cara yang paling cepat untuk mengetahui kondisi pada permukaan komponen melalui pengamatan secara visual.

  Dalam kegiatan pengamatan visual, kondisi yang perlu diamati antara lain, perubahan warna dari permukaan komponen (misal warna kecoklatan) atau kotoran

  

(debris) atau deposit yang bisa mengindikasikan adanya karat / proses korosi yang

  terjadi dibagian bawah permukaan, atau adanya kebocoran cairan Juga adanya perubahan bentuk atau ukuran dari bagian komponen seperti benjolan yang juga bisa menjadi indikasi adanya tumpukan deposit di bagian bawah permukaan akibat proses korosi, atau tanda-tanda ketidak normalan yang lain seperti getaran yang berlebihan dari bagian koponen yang berputar yang juga dapat mengindikasikan terjadinya penurunan kinerja komponen tersebut akibat kelelahan (fatigue) dan sebab lainnya. Hasil pengamatan visual sering dapat membantu dalam mengidentifikasi adanya cacat yang terletak dibawah permukaan, untuk kemudian dilakukan inspeksi lebih seksama menggunakan teknik pengujian ultrasonik atau Eddy Current. Tabel 1 memuat beberapa jenis peralatan inspeksi visual yang telah banyak digunakan.

  

Gambar 1. Contoh Alat Inspeksi Visual Borescope

  

Gambar 2. Contoh Alat Inspeksi Visual Videoscope

(Longsteer Videoprobe XL PRO EverestVIT)

  Inspeksi Ultrasonik Dasar Teori

  Seperti telah disebutkan pada halaman sebelumnya, bahwa metoda ultrasonic digunakan untuk mengidentifikasi adanya cacat di bawah permukaan komponen yang diuji, yang tidak tampak dari bagian luar permukaan. Adanya cacat di bawah permukaan suatu bidang / komponen dapat diindikasikan melalui penurunan angka ketebalan dari pada bagian yang sedang diuji, terhadap nilai normal rerata pada bagian disekitarnya, atau terhadap tebal sesuai data spesifikasinya. Teknik pengujian ini, didasarkan pada teori perambatan gelombang ultrasonik, yaitu gelombang yang memiliki frekuensi di atas 20 kHz. Secara ringkas prinsip kerjanya dijelaskan sebagai berikut (Gambar 3): Gelombang Ultrasonik masuk Gelombang Ultrasonik terpantul kembali D

Gambar 3. Perambatan Gelombang Ultrasonik di Dalam Bidang Datar.

  Bila suatu gelombang ultrasonic dilewatkan secara tegak lurus pada suatu permukaan bidang datar dengan ketebalan D (mm), maka setelah sampai pada permukaan bidang bagian belakang, akan dipantulkan kembali ke arah permukaan bidang depan. Bila kecepatan gelombang di dalam bahan tersebut sebesar C (km/s), maka waktu tempuh yang diperlukan dari saat masuk permukaan bidang depan hingga kembali t adalah :

  t =

  2 D / C (ms) (1) Dengan kata lain bila waktu tempuh pergi-pulang gelombang (t) dan kecepatan perambatan gelombang di dalam bahan diketahui, maka dapat ditentukan tebal dari bidang datar tersebut yaitu:

• C t

  D = (2)

  2 Gambar 4 memperlihatkan diagram rangkaian pada sistem peralatan ultrasonik.

  Tampak pada layar terdapat 2 pulsa yaitu sinyal dari gelombang awal saat masuk permukaan bagian depan atau Initial Pulse (IP) dan sinyal dari gelombang pantulan setelah mengenai permukaan bidang bagian belakang atau Backwall Echo (BE).

  amplifier screen horizontal

  IP sweep BE clock pulser probe work piece

Gambar 4. Diagram rangkaian pada sistem peralatan ultrasonik.

  Jarak antara IP dan BE mencerminkan waktu tempuh dari gelombang sepanjang 2 kali tebal bidang yang diuji. Gambar 5 memperlihatkan urutan perjalanan gelombang saat masuk dan kembali. Waktu yang diperlukan untuk mencapai permukaan bagian belakang ditunjukkan pada tampilan pertama yaitu 4 (dua skala waktu) dan untuk kembali ke permukaan bagian depan. Tampilan kedua memperlihatkan keadaan setelah kembali dimana oscilloscope menunjukkan angka 8 (4 skala). Tampilan ketiga memperlihatkan sesaat setelah gelombang menyentuh permukaan bidang depan dipantulkan kembali kea rah permukaan bidang belakang, yang diindikasikan dengan munculnya pulsa kedua. Ukuran dari tinggi pulsa kedua lebih pendek dari pulsa pertama, karena sinyal yang terpantul sudah semakin lemah.

  

Gambar 5. Skema Perjalanan Gelombang di Dalam Bidang Datar

Beberapa Jenis Probe

  Probe pada sistem peralatan ultrasonik adalah suatu komponen yang berisi kristal piezoelectric yang berfungsi mentransmisikan gelombang ultrasonic

  

(transmitter) ke dalam permukaan bidang yang diuji, dan menerima gelombang

pantulan yang kembali. (receiver).

  Ada beberapa jenis probe yang telah dikembangkan antara lain probe berkas lurus (straight-beam probe), probe berkas bersudut atau miring (angle-beam

  probe) . Gambar 6 dan 7 memperlihatkan kedua jenis probe tersebut.

  

Gambar 6. Probe Lurus (straight-beam probe)

  

Gambar 7. Probe Miring (Angle-beam probe)

  Pada probe jenis lurus maka permukaan bidang kristal piezoelectric dibuat sejajar dengan permukaan bidang yang diuji, sedang pada probe miring, permukaan bidang kristal piezoelectric dibuat miring terhadap permukaan bidang yang diuji. Dengan perbedaan konstruksi tersebut, maka bentuk gelombang yang ditransmisikan juga berbeda, yaitu untuk probe jenis lurus, gelombang yang ditransmisikan adalah gelombang longitudinal, di mana arah getaran searah dengan arah rambatan, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.

  

Gambar 8. Gelomnabg Longitudinal Yang ditransmisikan Probe Lurus.

  Sedang untuk probe miring gelombang yang ditransmisikan adalah gelombang

  

transversal, di mana arah getaran tegak lurus terhadap arah rambatan, seperti

ditunjukkan pada Gambar 9.

  

Gambar 9. Gelomnabg Transversal Yang ditransmisikan Probe Miring.

  Panjang gelombang ultrasonik yang ditransmisikan di dalam bahan yang diuji adalah λ = c / f (3) dengan

  λ, c dan f masing-masing panjang gelombang (mm), kecepatan gelombang suara (km/s) dan frekuensi gelombang (MHz). Gelombang longitudinal merambat pada seluruh jenis medium (gas, cairan, padatan) sedang gelombang transversal hanya dapat merambat pada medium padatan. Mengingat arah getaran pada gelombang transversal yang vertikal terhadap arah rambatan, maka kecepatan rambatannya lebih rendah dari gelombang longitudinal. Kecepatan rambat dari gelombang didalam bahan, tergantung dari densitas dan modulus elastisitas dari bahan tersebut. Gambar 10 menunjukkan perbedaan kecepatan gelombang pada tiga jenis bahan.

  Udara 330 m/s Air 1480 m/s Baja 5920 m/s

  

Gambar 10. Kecepatan Rambat Gelombang Suara Pada Medium Yang Berbeda

  Selain itu terdapat jenis probe yang berisi dua kristal piezoelectric yang dipisahkan oleh bahan sekat akustik dan salah satu mempunyai fungsi sebagai transmitter dan yang lain sebagai receiver. Dalam hal ini permukaan bidang kristal piezoelectric dibuat sedikit miring terhadap permukaan bidang uji. Probe jenis ini dikenal dengan jenis TR (Transmitter – Receiver), seperti ditunjukkan pada Gambar 11

  

Gambar 11. Skema Probe Jenis TR

Pengidentifikasian Cacat

  Cacat atau flaw yang terletak diantara permukaan bidang depan dan belakang dapat diidentifikasi berdasarkan prinsip sebagaimana telah diuraikan di atas, yaitu dengan mengamati adanya pulsa yang berasal dari gelombang yang dipantulkan dari permukaan bagian yang cacat. Gambar 12 memperlihatkan contoh deteksi bagian cacat tersebut menggunakan probe lurus. Dalam hal ini permukaan bidang yang cacat paralel dengan permukaan bidang uji.

  IP BE F flaw plate

  2 4 6 8 10

  IP = Initial pulse F = Flaw BE = Backwall echo

  

Gambar 12. Contoh Pendeteksian Bagian Cacat di Bawah Permukaan Lokasi cacat dapat diidentifikasi dengan adanya pulsa F (flaw) yang terletak di antara pulsa awal IP (initial pulse) dan pulsa pantulan dari bidang belakang BE (backwall

  

echo). Letak pulsa F pada layar mencerminkan kedalaman lokasi bagian yang cacat

dari permukaan bidang, seperti ditunjukkan pada Gambar 13.

  In front of BW Near the surface

Gambar 13. Pulsa Dari 3 Lokasi Bagian Cacat Yang Berbeda

  Ukuran tinggi pulsa pantulan dari bagian yang cacat selain tergantung pada luas permukaan bagian yang cacat juga tergantung pada kedalaman letak bagian yang cacat (flaw) juga. Semakin besar luas permukaan bagian yang cacat semakin tinggi pulsa yang tampak pada layar tampilan. Gambar 14 memperlihatkan tinggi pulsa pantulan untuk 3 ukuran cacat yang berbeda, dan terletak pada kedalaman yang sama, sedang Gambar 15 memperlihatkan tiggi pulsa untuk 3 ukuran cacat yang sama dan terletak pada kedalaman yang berbeda.

  

Gambar 14. Tinggi Pulsa Pantulan Untuk 3 Ukuran Cacat Yang Berbeda

Cacat Cacat Cacat

  

Gambar 15. Tinggi Pulsa Pantulan Untuk 3 Kedalaman Cacat Yang Berbeda

  Contoh di atas adalah untuk permukaan bidang cacat yang mendatar sejajar dengan permukaan bidang uji. Untuk bidang cacat yang tidak paralel dengan permukaan bidang uji, maka adakalanya tidak dapat diditeksi menggunakan probe tunggal lurus, karena sinyal yang terpantul menyebar diluar bagian probe. Untuk mengatasi hal tersebut, perlu digunakan probe miring (angle beam probe), seperti ditunjukkan pada Gambar 16.

  

Gambar 16. Penggunaan Probe Miring Untuk Bidang Cacat Yang Miring

  Sekalipun demikian penggunaan probe jenis miringpun adakalanya tidak selalu dapat mendeteksi adanya cacat dibawah permukaan. Hal ini terjadi terutama bila bidang yang diuji relatif tebal sehingga seluruh sinyal yang terpantul dari bagian yang cacat menyebar ke luar bagian probe. Untuk mengatasi kasus tersebut, dapat digunakan teknik pengujian secara tandem menggunakan 2 buah probe (transmitter dan

  

receiver) yang terpisah. Lokasi bidang cacat di bawah permukaan bidang uji dapat

  dideteksi dengan cara mengatur jarak antara kedua probe tersebut, seperti ditunjukkan pada Gambar 15 a, 15 b dan 15 c; di mana terlihat bahwa jarak antara kedua probe semakin dekat bila lokasi cacat semakin dalam.

  a

1 T R

  

Gambar 17 a. Teknik Tandem Untuk Cacat di Bagian Atas a

2 T R

  

Gambar 17 b. Teknik Tandem Untuk Cacat di Bagian Tengah

a

3 T R

  

Gambar 17 c. Teknik Tandem Untuk Cacat di Bagian Tengah

  Apabila ukuran cacat lebih besar dari luas medan suara (sound field) maka ukuran luas dari bagian yang cacat dapat diidentifikasi dengan cara nen scan daerah cacat dan sekitarnya. Indikasi yang dapat digunakan adalah adanya penurunan tinggi

  

(amplitude) dari pulsa pantulan dari permukaan bidang belakang (back wall) sebesar

  50 %, yang mengindikasikan lokasi pada perbatasan antara daerah yang normal dan yang cacat. Gambar 18 memperlihatkan contoh untuk keadaan tersebut. Dengan cara men scan secara manual titik demi titik maka dapat diperkirakan bentuk dan luas daerah yang cacat. Perkembangan teknologi memungkinkan proses scanning dilakukan secara otomatis menggunakan unit scanner yang dikendalikan menggunakan computer, dan hasilnya dapat dilihat pada monitor dan disimpan dalam bentuk file elektronik.

  Posisi probe dengan Daerah cacat tinggi pulsa berkurang 50 %

  

Posisi 50 %

Gambar 18. Tinggi Pulsa Pantulan Pada Daerah Perbatasan Berkurang 50 %

  Inspeksi Komponen di Dalam Air

  Apa yang telah dibicarakan di atas adalah pengujian untuk kondisi kering, dimana komponenyang diuji dalam kondisi kering. Apabila diperlukan pengujian untuk komponen yang berada di dalam air, maka diperlukan probe yang didisain untuk kondisi basah (immersion probe). Selain itu dengan adanya medium air diantara probe dan permukaan bidang uji (water delay), maka jumlah pulsa yang muncul untuk kondisi tanpa cacat tidak hanya 2 buah melainkan ada 3 seperti ditunjukkan pada Gambar 18. Pada tampilan pertama terlihat adanya pulsa kedua yang berasal dari pantulan permukaan bidang uji bagian depan atau Initial Echo (IE) dan pulsa ketiga yang berasal dari pantulan permukaan bidang uji bagian belakang atau Backwall Echo (IE). Pada tampilan kedua ditunjukkan pulsa pantulan yang berasal dari bagian yang cacat (F) di mana lokasinya berada diantara IE dan BE. surface = sound entry backwall flaw

  1 2

  water delay

  2 4 6 8

  10

  2 4 6 8 10

  IE

  IE

  IP

  IP BE BE F

  1

  2 Gambar 18. Contoh Tampilan Pengujian di Dalam Air (Immersion Testing) Prosedur Pengujian

  Sebelum memulai pengujian pada komponen yang akan diuji, terlebih dahulu perlu dilakukan kalibrasi terhadap sistem peralatan yang akan digunakan, sehingga dapat diperoleh hasil pengukuran yang baik/akurat. Berikut ini adalah tahap yang perlu dilakukan:

  1. Meyakinkan linearitas skala penunjukan pada layar tampilan, dengan cara melakukan kalibrasi menggunakan standard calibration block untuk beberapa ketebalan. Gambar 19 memperlihatkan contoh bentuk standard calibration block.

  2. Setelah diperoleh linearitas sistem yang baik, dilakukan kalibrasi menggunakan bahan standard yang sama atau paling tidak mendekati sama dengan bahan komponen yang akan diuji untuk menentukan kecepatan suara (sound velocity) untuk bahan tersebut.

  3. Untuk inspeksi pada kondisi kering, maka sebelum dimulai pengukuran maka permukaan yang akan diuji dibersihkan dari kotoran, kemudian diolesi dengan cairan couplant agar diperoleh kontak yang baik antara probe dengan permukaan.

  

Gambar 19. Beberapa Jenis Standard Calibration Block

  Ada beberapa bentuk Standard Calibration Block (SCB) yang tersedia untuk kalibrasi sesuai dengan jenis probe dan material yang akan diuji. Untuk kalibrsi menggunakan probe lurus dan TR, maka digunakan SCB dengan ketebalan yang bervariasi (Stepped Calibration Block), sedang untuk probe jenis miring, maka digunakan SCB dengan variasi jari-jari kelengkungan.

  Prosedur Kalibrasi

  Secara umum prosedur kalibrasi sistem dilakukan sebagai berikut:

  1. Sedapat mungkin digunakan jenis material yang sama atau mendekati jenis bahan dari komponen yang akan diinspeksi.

  2. Kalibrasi skala perlu dilakukan minimal dengan 2 variasi ketebalan SCB disesuaikan dengan jangkau (range) ketebalan dari kompunen yang akan diuji.

  Misal untuk pengukuran ketebalan antara 0 – 8 mm, maka digunakan SCB dengan ketebalan 3 mm dan 6 mm.

  3. Atur puncak pulsa pada layar tampilan yang berasal dari SCB tebal 3 dan 6 mm sehingga masing-masing berada pada skala 3 dan 6.

  4. Untuk probe jenis miring (angle beam probe), gunakan SCB dengan variasi kelengkunan radius. Gambar 20 memperlihatkan SCB yang dapat digunakan untuk kalibrasi dengan probe miring. _{5 1 15}

  1 70° 60°

  45°

Gambar 20. Standard Calibration Block Untuk Probe Miring

  Prosedur kalibrsai tersebut dapat bervariasi tergantung peralatan yang digunakan, missal untuk bentuk tampilan angka (digital) maka pengaturan didasarkan pada penunjukan angka. Selain itu prosedur diatas terutama dilakukan untuk inspeksi ketebalan (A-scan) dengan cara manual yaitu menggunakan tangan. Untuk sistem peralatan yang modern, yang menggunakan sistem scanning yang dikendaliakn menggunakan computer dan dapat menampilkan bentuk cacat 2 dimensi (B-scan) atau bahkan 3 dimensi (C-Scan) maka prosedur kalibrasinya agak berbeda.

II. A. VIDEO INSPECTION SYSTEM XL PRO

  Sistem inspeksi visual ini didisain untuk dapat digunakan secara luas untuk beberapa kegiatan inspeksi visual, baik untuk kondisi medium kering maupun basah seperti di dalam kolam reaktor. Selain itu system ini dapat digunakan pada beberapa medium cairan kimia yang tidak berbahaya.