Analisa Kegagalan Tube Superheater Package Boiler Akibat Overheating

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pendahuluan
Ketel merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mengkonversi air
menjadi uap (steam) untuk berbagai keperluan. Air di dalam ketel dipanaskan dari
hasil pembakaran bahan bakar sehingga terjadi perpindahan panas dari sumber panas
ke air. Pemanasan tersebut mengakibatkan air berubah wujud menjadi uap. Air 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 ketel merupakan peralatan yang harus diperlakukan
dengan seksama [5].

UPPER HEADER

LOWER HEADER

Gambar 2.1. Skema diagram ketel

6
Universitas Sumatera Utara


7

2.1.1. Sirkulasi fluida pada package boiler
Dari gambar 2.1. menunjukkan sirkulasi fluida air dialirkan dengan
menggunakan pompa ke ekonomizer; pada ekonomizer terjadi penyerapan panas
awal oleh fluida air dari hasil pembuangan pembakaran ke cerobong.
Fluida air masuk ke drum uap dan drum air yang saling berhubungan melalui
boiler bank. Pada boiler bank terjadi pemanasan dari pembakaran (burner), sehingga
terjadi perubahan fasa air ke fasa uap yang bersirkulasi secara alamiah; yaitu uap
yang mempunyai massa jenis lebih kecil akan naik ke drum uap dan fasa air turun ke
drum air.
Uap yang keluar dari drum uap masuk ke superheater, dimana superheater dan
header merupakan satu kesatuan terdiri dari primary superheater dan secondary
superheater (final superheater) pada upper header dan lower header .
Uap masuk ke primary superheater upper header menuju ke primary
superheater lower header. Kemudian uap masuk ke desuperheater menjadi uap yang
mantap dan menuju ke secondary upper header dan secondary lower header untuk
dijadikan main steam sebagai penggerak dan proses.
2.1.2. Siklus Rankine (siklus pembentukan uap)

Siklus Rankine ideal terdiri dari proses kompresi isentropik pada pompa,
penambahan panas (kalor) pada tekanan konstan di ketel, ekspansi isentropik pada
turbin, dan pelepasan panas pada tekanan tetap di kondensor [6].

Universitas Sumatera Utara

8

Dari gambar 2.2. dan 2.3. menunjukkan pada diagram T–h terdiri dari garis
temperatur (garis vertical) dan garis entalphi (garis horizontal), garis kubah atau garis
kondisi batas air dan titik kritikal, serta garis tekanan.

Gambar 2.2. Siklus Rankine
Air masuk pompa pada tingkat keadaan (1) sebagai cairan jenuh kemudian
dikompresi secara isentropik sampai tekanan operasi ketel pada tingkat keadaan (2).

Gambar 2.3. Diagram T-h dan T-s
Kenaikan temperatur air selama kompresi isentropik seiring penurunan volume
spesifik air tersebut. Air masuk ketel sebagai cairan terkompresi (sub-cooled) pada


Universitas Sumatera Utara

9

kondisi (2) kemudian mengalami perubahan fasa sampai menjadi uap super-heat
(steam-generator) pada tingkat keadaan (3). Ketel pada dasarnya adalah alat penukar
kalor di mana penambahan panas berasal dari pembakaran gas [7].
Uap panas lanjut (super-heat) pada kondisi (3) kemudian masuk ke turbin, di
mana uap mengalami ekspansi secara isentropik dan menghasilkan kerja untuk
memutarkan poros yang umumnya terhubung dengan generator listrik (genset).
Tekanan dan temperatur uap turun selama proses tersebut sampai pada tingkat
keadaan (4), di mana uap masuk ke kondensor. Pada kondisi (4), biasanya uap berada
pada kondisi fasa campuran uap-cairan jenuh dengan kualitas uap yang tinggi.
Ada banyak jenis ketel, namun dilihat dari cara mengalirkan fluida di dalam
tubenya, ketel dibagi dalam 2 (dua) kelompok yaitu [8]:
1.

Ketel pipa api ( fire tube boiler), dimana gas bakar mengalir di dalam pipapipa atau tube-tube yang bagian luarnya dikelilingi oleh air, seperti ketel
Lancashire, scotch, locomotive (pipa horizontal), manning (pipa vertical).


2.

Ketel pipa air (water tube boiler), dimana pipa atau tube-tube yang berisi
air dialiri gas bakar pada bagian luarnya, seperti ketel Springfield, Babcox
& Wilcox Low Head.

2.2. Ketel Paket (Packaged Boiler)
Ketel yang dibahas dalam penelitian ini adalah ketel paket (package boiler).
Disebut ketel paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat

Universitas Sumatera Utara

10

dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa uap, pipa air, suplai bahan bakar dan
sambungan listrik untuk dapat beroperasi seperti gambar 2.4 [9].
Ciri-ciri dari package boiler adalah:
1. Kecilnya

ruang


pembakaran

dan

tingginya

panas

yang

dilepas

menghasilkan penguapan yang lebih cepat.
2. Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki
perpindahan panas konveksi yang baik.
3. Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang
baik.
4. Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang
lebih baik.

5. Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan ketel
lainnya.

Gambar 2.4. Packaged boiler [9]

2.3. Analisa Kegagalan
Definisi dari analisa kegagalan secara lengkap adalah suatu langkah atau
prosedur yang dilakukan untuk mencari dan mengungkapkan mengapa dan
bagaimana suatu alat atau komponen mengalami kegagalan, dengan mengacu kepada

Universitas Sumatera Utara

11

bagian atau komponen yang mengalami kegagalan tersebut, khususnya pada bagian
permukaan pecah atau patah [10].
Istilah kegagalan pada industri sering dikaitkan dengan patahnya komponen
yang sedang beroperasi. Tetapi sesungguhnya untuk disebut gagal, komponen
tersebut tidak harus terjadi patah. Suatu komponen dianggap mengalami kegagalan
meliputi [11]:

1. Tidak dapat dioperasikan sama sekali.
2. Masih dapat dioperasikan namun unjuk kerjanya (performance) tidak
tercapai dengan baik.
3. Telah terjadi penurunan karakteristik sehingga jika dioperasikan menjadi
tidak aman dan tidak andal. Untuk itu komponennya harus segera diganti
atau direparasi.
2.3.1. Faktor-faktor penyebab suatu kegagalan
Meskipun faktor-faktor sumber penyebab kegagalan ini tidak distandarisasikan,
namun pada umumnya faktor-faktor penyabab kegagalan suatu komponen
dikatagorikan kedalam 4 kelompok, yaitu [12]:
1.

Pembuatan (manufacturing), diantaranya adalah:
a. Kesalahan perhitungan.
b. Kesalahan memilih material.
c. Kesalahan pengerjaan lanjutan (pengerjaan dingin, panas, laminasi).
d. Kesalahan dalam penyimpanan dan transportasi.

Universitas Sumatera Utara


12

2.

Design, diantaranya adalah:
a. Pemasangan diluar spesifikasi teknis.
b. Tidak diperhatikannya kondisi operasi dan lingkungan.
c. Kesalahan dalam pengelasan.
d. Kurang ketelitian dalam perbaikan.

3.

Material, diantaranya adalah:
a. Kesalahan dalam proses peleburan.
b. Kesalahan dalam proses pengecoran dan penempaan.
c. Kontrol kwalitas kurang baik.
d. Diluar spesifikasi/standar yang berlaku.

4.


Operasi (servis), diantaranya adalah:
a. Overloading.
b. Pengaruh lingkungan (korosi, temperatur).
c. Perubahan atau berkurangnya pelumasan.
d. Kesalahan dalam perawatan (maintenance).
e. Kurang teliti dalam pengontrolan.

Bila diskemakan faktor-faktor penyebab kegagalan pada suatu komponen dapat
dilihat pada gambar 2.5.
Kegagalan suatu sistem didefinisikan sebagai hilangnya kemampuan atau
ketidakmampuan sistem bekerja akibat adanya kerusakan. Kerusakan adalah sebagai
ketidakmampuan suatu sistem untuk beroperasi, atau mampu beroperasi tetapi tidak

Universitas Sumatera Utara

13

berfungsi maksimal, atau komponen didalam sistem sudah tidak aman untuk
dioperasikan. Banyak kerusakan terlihat secara visual tetapi tidak mengurangi
kemampuan kerja sistem dan sebaliknya, banyak kerusakan permukaaan tidak terlihat

tetapi menjadi penyebab kegagalan [12].




• Kesalahan
proses
peleburan
• Kesalahan
proses
pengecoran
dan
penempaan
• Kontrol
kwalitas
kurang baik

Kesalahan perhitungan
Kesalahan memilih material
Kesalahan pengerjaan dingin, panas, laminasi

Kesalahan dalam penyimpaan dan transportasi

PEMBUATAN
(Material)

MATERIAL
(Materials)

• Diluar
spesifikasi/
standar
yang
berlaku

RUSAK
(Failure)

DESAIN
(Design)

OPERASI
(Service)







• Pemasangan
diluar
spesifikasi
teknis
• Tidak
diperhatikannya
kondisi operasi
dan lingkungan
• Kesalahan
dalam
pengelasan
• Kurang teliti
dalam
perbaikan

Overloading
Pengaruh lingkungan, korosi dan temperatur
Perubahan atau berkurangnya pelumasan
Kesalahan pemeliharaan
Kurang teliti dalam pengontrolan

Gambar 2.5. Diagram faktor-faktor penyebab kerusakan suatu komponen [12]
Kegagalan terjadinya akibat keretakan atau kadang-kadang gabungan dari
bermacam-macam gejala di atas. Kebanyakan kegagalan terjadi secara berangsurangsur, dimana fluida alir menembus ketebalan dinding tube atau pipa yang retak dan

Universitas Sumatera Utara

14

akhirnya pipa mengalami kebocoran, yang potensial menimbulkan kondisi yang
membahayakan [13].
Sangat jarang terjadi kegagalan bermula dari rambatan retak yang langsung
memecahkan tube atau pipa, atau pecahnya tube terjadi secara mendadak tanpa
didahului oleh adanya keretakan. Dengan demikian kegagalan yang terjadi adalah
akibat keretakan tahap awal yang tumbuh dan merambat.
Menurut David N. French [14] mentabulasi 10 sebab kegagalan pada industri
yang menggunakan ketel yang dapat dilihat pada tabel 2.1.
2.3.2. Prosedur analisa kegagalan untuk komponen ketel
Beberapa hal yang harus dilakukan untuk menganalisa kegagalan pada
komponen ketel adalah sebagai berikut [15]:
a. Data kerusakan meliputi lokasi dan posisi komponen yang gagal.
b. Data operasi seperti suhu, tekanan dan kondisi air ketel.
c. Pemilihan dan pengambilan sampel.
d. Pemeriksaan kondisi sampel, retak, pecah, adanya kerak dan korosi.
e. Pemeriksaan bidang petahan secara visual dan pemeriksaan fraktografi.
f. Pemeriksaan struktur mikro.
g. Pengujian mekanik.
h. Pengujian komposisi.
i. Penentuan mekanisme patahan dan penyebabnya.
j. Analisa keseluruhan, kesimpulan dan menulis laporan.

Universitas Sumatera Utara

15

Tabel 2.1. Sebab-sebab kegagalan tube superheater [14]
No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

Sebab-sebab kegagalan

Prosentasi (%)

Long term overheating
Lelah (thermal 8,6 %, korosi 5,3%)
Korosi debu (batubara 8,1%, sampah 2,5%, oli 1,4%)
Kerusakan hydrogen
Kegagalan pengelasan (logam yang berbeda 3,4%)
Temperatur tinggi (short term overheating)
Erosi
Lubang oksigen
Serangan benda tajam
Stress corrosion cracking
TOTAL

23,4
13,9
12,0
10,0
9,0
8,8
6,5
5,6
2,6
2,6
95,9

2.4. Tube Pecah karena Overheating
Apabila air dipanaskan di dalam tube dengan flux panas yang aliran panasnya
merata (uniform) disepanjang tube di bawah kondisi yang menghasilkan
keseimbangan dinamis. Maka semua titik disepanjang tube akan berhubungan
langsung dengan fluida air dingin, fluida air mendidih, fluida uap kualitas rendah dan
uap yang superheater. Gradien temperatur antara dinding tube dan fluida di dalam
tube memberikan gaya untuk menghasilkan perpindahan panas pada setiap titik [16].
Pada unit pembangkit uap telah direncanakan agar keseimbangan (balance)
panas yang masuk dari hasil pembakaran dengan uap superheater. Di dalam dapur
temperatur gas panas cukup tinggi, panas tersebut diserap oleh dinding dapur dan uap
di dalam tube superheater (pada daerah laluan konveksi) sehingga temperatur turun.

Universitas Sumatera Utara

16

Untuk menjaga panas dan meningkatkan overall thermal efficiency air dari feed
water dipanaskan dulu di ekomoniser.
Flux panas pada kondisi steady state adalah ditunjukkan dengan persamaan 2.1
[17]:
�/�0 = �0 ∆�

dimana :

……………………………… ….. (2.1)

�/�0 = flux panas per unit area (Btu/h.ft2)

�0 = coefisien overall heat transfer (Btu/h.ft2.oF)

∆� = perbedaan temperatur fluida di luar dan di dalam tube (oF)

Harga �0 dan �0 berbanding terbalik dan merupakan kombinasi tahanan untuk

aliran panas. Dari gambar 2.6. menunjukkan gradient temperatur perpindahan panas
dari gas panas ke uap. Masing-masing tahanan panas dari gas ke uap adalah:
Bagian gas:
Dinding tube:
Bagian kerak:

R 1 = 1/h o
R2 =

(2.5)
Dimana:

�0
��

�0.ln ⁡
( )

R3 =

(2.4)
Bagian uap:

………....................................................................................

R4 =

��

…………………………………………
��
��

�0.ln ⁡
( )
��

�0
���. ℎ�

(2.2)
(2.3)

………………………………………...

…………………………………………

ro = jari-jari luar tube (ft)
ri = jari-jari dalam tube (ft)

Universitas Sumatera Utara

17

rs = jari-jari kerak (ft)
km= konduktifitas panas tube (Btu.in/h.ft2)
ks = konduktifitas panas kerak (Btu.in/h.ft2)

T0

T0
T1

T1

T2

T2

T3
T3

Tube

tube

kerak

Ts

Tidak ada kerak
ada kerak
Gambar 2.6. Temperatur tube yang bersih dan tube mempunyai internal scale [17]
Karena tahanan hubungan seri maka overall heat transfer coefisien dapat ditulis
dengan persamaan seperti ditunjukkan persamaan (2.6):
1

�0 = 1/{ho +

�0
��

�0.ln � �
��

+

��
��

�0.ln � �
��

+

�0
���. ℎ� }

………… (2.6)

Gradient temperatur untuk masing-masing posisi adalah:
Gas side:

∆T gs = To – T 1 = Q/A 0 (1/ho)

Tube wall:

∆T tw = T 1 – T 2 = Q/A 0 (

(2.8)

………………….
�0
��

�0.ln � �
��

)

(2.7)

…………………..

Universitas Sumatera Utara

18

ID scale:

∆T sc = T 2 – T 3 = Q/A 0 (

(2.9)
Steam side:
(2.10)

��
��

�0.ln � �
��

)


∆T ss = T 3 – T s = Q/A 0 ( 0���. ℎ� )

…………………..

………………….

Koefisien perpindahan panas pada bagian gas (ho) adalah kombinasi pengaruh
aliran konveksi dan radiasi dan memberikan kontribusi setiap terjadinya deposit pada
permukaan luar tube.
Persamaan (2.9) untuk menghitung penambahan temperatur karena adanya
kerak (scale) di dalam tube. Persamaan (2.7) sampai (2.10) menunjukkan perubahan
flux panas (ho), bertambahnya ketebalan kerak (scale) atau berberkurangnya
koefisien perpindahan panas (koefisien heat transfer) sisi uap karena berkurangnya
aliran uap akan menambah temperatur material tube.
Pada kondisi terjadinya perbedan temperatur yang besar antara dinding tube
dan fluida, secara teoritis tube akan pecah karena terjadi melting pada material tube,
walaupun kenyataannya tube akan pecah apabila material tube kehilangan
kekuatannya, karena itu perlu diperhitungkan kemampuan material tube menerima
panas yang tinggi.
Pada superheater temperatur operasinya di atas temperatur uap masuk ke dalam
tube, perpindahan panasnya diatur dengan aliran fluida dibagian inlet dan outlet.
Walaupun demikian flux panas yang tinggi dapat menyebabkan temperatur dinding

Universitas Sumatera Utara

19

tube yang tinggi pula, misalnya dengan adanya deposit pada dinding tube dapat
mengakibatkan overheating.
Tube pecah karena overheating dapat terjadi dalam waktu beberapa menit
(short term overheating) atau dapat juga terjadi dengan waktu yang lama ( long term
overheating). Ditinjau dari permukaan pecahnya, pecah karena overheating dapat
dibagi dua yaitu thick lip rupture dan thin lip rupture [18].
2.4.1. Thick lip rupture
Pecah thick lip rupture ditandai dengan permukaan pecahnya yang tebal, sedikit
liat dan terjadi swelling atau mengelembung. Pecahnya yang normal terjadi dibagian
yang sejajar dengan sumbu axis atau pada sisi longitudinal, dikenal dengan pecah
fishmouth seperti ditunjukkan pada gambar 2.7. Struktur mikro permukaan pecah
menunjukkan terjadi creep, cavitasi, pemisahan batas butir dan terjadinya retak
intergranular pada bagian inside dan outside diameter atau oxide penetrasi pada batas
butir. Karbida pada baja ferrite adalah fully spheroidized seperti ditunjukkan pada
gambar 2.7.
Pecah thick lip disebabkan oleh overheating dalam waktu lama (long term
overheating) pada temperatur di atas temperatur aman dari material tube.

Universitas Sumatera Utara

20

Gambar 2.7. Pecah thick lip dan struktur mikro permukaan akibat overheating [18]
Beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya peningkatan temperatur
melebihi kondisi design (overheating) adalah:
1. Terjadinya bloking pada laluan gas panas
Terjadinya flux panas di superheater dan reheater, hal ini karena terjadinya
bagian tertentu yang terbloking pada laluan konveksi sehingga akan
meningkatkan aliran gas panas pada daerah tertentu saja. Kecepatan gas
panas yang tinggi akan memperbesar koefisien heat transfer (ho) di bagian
sisi uap dan akan meningkatkan temperatur material.
2. Faktor dalam kerak (factor internal scale)
Kerak atau scale deposit dari bagian air (water side) dapat meningkatkan
konduktivitas termal baja sampai 5%. Hal ini akan mengurangi
perpindahan panas dari gas panas ke fluida.
3. Terjadinya pengurangan supply uap

Universitas Sumatera Utara

21

Kondisi ini apabila terjadi penyumbatan aliran uap karena adanya internal
kerak pada tube, hal ini disertai terbentuknya lapisan uap yang tipis (vapor
film) yang konduktivitas panasnya rendah. Sewaktu aliran flux panas yang
besar melalui daerah yang lapisan uapnya tipis akan mengakibatkan
temperatur dinding tube tinggi sekali (terjadi overheating).
4. Faktor burner adjustment
Ketidak sempurnaan bahan bakar gas atau oxygen yang didistribusikan
tidak sesuai dengan burner, pengaruhnya akan meningkatkan flux panas.
5. Faktor aliran uap yang tidak sempurna
Pada awal perencanaan harus diperhitungkan kondisi aliran uap yang tidak
seimbang dari tube ke tube, faktor ini harus diperhitungkan dalam
merencanakan temperatur material tube.
2.4.2

Thin lip rupture
Kegagalan yang disebabkan oleh short term overheating terjadi diatas

temperatur aman material tube dan disertai swelling di dekat daerah pecah [18].

Gambar 2.8. Kegagalan short term overheating

Universitas Sumatera Utara

22

Pada gambar 2.8. menunjukkan uap keluar dengan kecepatan tinggi melalui
permukaan pecah akan menimbulkan gaya reaksi pada tube berupa pembengkokan
secara lateral, semakin tinggi temperatur

dan tidak uniform overheating maka

pembengkokan lateral semakin besar [19].
Pecah thin lip dapat ditunjukkan dengan penipisan dinding tube yang
disebabkan oleh tegangan luluh (yielding) di daerah pecah, kadang-kadang
permukaan pecahnya menjadi tajam seperti pada gambar 2.8, penipisan juga terjadi
didaerah swelling dekat daerah pecah.
Faktor penyebab short term overheating dapat diuraikan sebagai berikut:
1. Terjadinya bloking di dalam tube superheater karena terkumpulnya
kondensat pada laluan uap.
2. Terjadinya bocor halus pada tube.
Pada pipa air kebocoran halus tidak dapat dideteksi di dalam dapur.
Kebocoran yang besar diketahui dengan berkurangnya aliran fluida yang
terjadi dibawah kondisi normal, disertai flux panas yang tinggi menyebabkan
temperatur material naik dengan cepat.
Penipisan dinding tube adalah salah satu karakteristik dari kagagalan short term
overheating, namun tidak selalu kegagalan tersebut mengakibatkan penipisan
dinding.

2.5. Analisa Tegangan pada Tube Superheater

Universitas Sumatera Utara

23

Sistem perpipaan (tube) pada instalasi ketel sebagai transportasi aliran fluida,
karena itu desain sistem struktur tube harus diperhatikan.
Pada PT PIM terjadi kegagalan (kerusakan) tube superheater, tegangan yang
bekerja pada pipa yang mengalami tekanan dalam (internal pressure) meliputi
tegangan melingkar (circumferential atau hoop stress), tegangan radial (radial stress)
dan tegangan memanjang (longitudinal stress). Tekanan yang tinggi pada saat
pemakaian juga berpengaruh pada material, apabila material yang di gunakan tidak
sesuai dengan pemakaian maka pipa tersebut juga akan pecah.
2.5.1. Tegangan tangensial (hoop stress)
Tegangan tangensial σ H ditimbulkan oleh tekanan internal yang bekerja secara
tengensial dan besarnya bervariasi tergantung pada tebal dinding pipa, jika r i /t ≥ 20
dinding tipis (thin wall), r i /t ≤ 20 dinding tebal (thick wall). Persamaan

untuk

tegangan tangensial dapat dihitung dengan memakai persamaan Lame seperti
diperlihatkan dengan persamaan 2.11 [19]:
 ro 2
1 +
σH = 2
2 
r2
ro − ri 
pi r i

2






……………….

(2.11)

Universitas Sumatera Utara

24

Gambar 2.9. Tegangan yang terjadi pada tube
(σ r ) max = − pi diimana r = ri ………………….. (2.12)

(σ θ ) max = pi

(ri + ro )
2

2

(ro − ri )
2

2

diimana r = ri

….............. (2.13)

σ H adalah tegangan melingkar (circumferential atau hoop stress), Pi adalah
tekanan dalam tube, r i adalah jari-jari dalam tube, r o adalah jari-jari luar tube seperti
ditunjukkan gambar 2.9.
2.5.2. Tegangan radial dan tegangan longitudinal
Tegangan radial dapat dihitung dari persamaan 2.14:

σR =

 ro 2
1 −
2
2
r2
ro − ri 
pi r i

2


 ………………………



(2.14)

Tegangan Longitudinal σ L adalah tegangan yang ditimbulkan oleh gaya tekan
internal (P) yang bekerja pada dinding pipa searah sumbu pipa, yang ditunjukan
seperti dengan persaman 2.15:

σL =

pi r i

2

ro − ri
2

2

…………………………

(2.15)

σ L adalah tegangan memanjang (longitudinal atau axial stress), P adalah
tekanan dalam tube, d 0 adalah diameter luar, dan t adalah tebal dinding pipa.
Konsep kegagalan

Universitas Sumatera Utara

25

Struktur dirancang untuk mencegah kegagalan dimana ketidakmampuan sebuah
komponen melakukan fungsinya dapat diistilahkan sebagai kegagalan. Kegagalan
dapat terjadi bila material pertama-tama meluluh (yield). Oleh karena itu batas luluh
banyak dipakai sebagai kriteria kegagalan. Kebanyakan teori dikembangkan dengan
menghubungkan tegangan-tegangan utama pada sebuah titik pada bahan (σ 1, σ 2, σ 3)
terhadap kekuatan luluh bahan tersebut (σ y ). Tujuannya adalah untuk meramalkan
kapan peluluhan pertama akan terjadi dibawah kondisi pembebanan yang tertentu.
Teori kegagalan ini juga disebut teori geser (shear energy theory) dan teori von
Misses-Hencky. Teori ini sedikit sulit pemakaiannya dari pada teori tegangan geser
maksimum, dan teori ini adalah teori yang terbaik untuk dipakai pada bahan ulet.
Seperti teori tegangan geser maksimum, teori ini dipakai hanya untuk menjelaskan
permulaaan bahan mengalami luluh.
Untuk tujuan analisis dan perencanaan, akan lebih mudah apabila kita
menggunakan tegangan von-misses.
Kriteria Von Mises menyatakan bahwa peluluhan pertama kali terjadi bila
energy regangan maksimum terjadi pada sistem tegangan komplek sama dengan
tegangan maksimal (kekuatan luluh σ y ). Hal ini dapat dinyatakan dalam persamaan
2.16 [10].
2σ vm 2 = (σ 1 – σ 2 )2 + (σ 2 – σ 3 )2 + (σ 3 – σ 1 )2

….…...…...

(2.16)
Dimana:

σvm = Tegangan von mises (MPa)

Universitas Sumatera Utara

26

σy = Tegangan luluh (MPa)
σ 1 = Tegangan hoop (MPa)
σ 2 = Tegangan radial (MPa)
σ 3 = Tegangan longitudinal (MPa)
Tegangan Von Misses harus lebih kecil dari tegangan luluh (σy).
σ vm < σ y
Temperatur dapat mempengaruhi sifat-sifat logam secara fisik dan mekanik.
Dengan bertambahnya temperatur akan meningkatkan sifat keuletan tapi disertai pula
dengan menurunnya kekerasan dan kekuatan, hal ini berarti akan menurunkan
tegangan seperti ditunjukkan pada gambar 2.10 [17].
Data-data kondisi operasi tube superheater sebagai berikut:
Kapasitas

: 120 ton/jam

Temperatur uap

: 4000C

Tekanan uap

: 5 MPa

Material tube

: SA-213 Grade T11

Diameter luar tube

: 44,5 mm (1,752 in)

Tebal tube

: 4 mm (0,1575)

Diameter dalam

: 40,5 mm (1,595 in)

Tegangan termal dapat dihitung seperti ditunjukkan dengan persamaan (2.17):
��� = ��∆�

………………………….. (2.17)

Universitas Sumatera Utara

27

Dimana:
α = Termal ekspansi (mm/mm/oC)
Pi = Tekanan ( MPa)
v = Poisson ratio
E = Modulus Elastis ( MPa)
ro =Jari-jari luar (mm)
ri = Jari-jari dalam (mm)
r = jari-jari rata-rata (mm)
T1 = Temperature luar tube (oC)
T2 = Temperatur dalam tube (oC)
Kondisi tube superheater package boiler bagian dalam tidak terdapat kerak,
maka dikatakan bahwa tube dalam keadaan bersih.

Gambar 2.10. Perubahan σ - ԑ terhadap temperatur untuk baja lunak [17]
2.6. Diagram Transformasi Waktu Suhu (Time Temperature Transformation
Diagram)
Suhu transformasi adalah temperatur di mana terjadi perubahan fase. Istilah ini
kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan batas suhu dari tingkat transformasi.

Universitas Sumatera Utara

28

Mikrostruktur tergantung pada komposisi dan perlakuan panas. Paling sering,
tingkat pendinginan lebih lambat yang lebih dekat ke kesetimbangan mengakibatkan
pembentukan ferit dan perlit, dengan terbentuknya bainit atau martensit pada kondisi
pendinginan yang lebih cepat. Struktur mikro yang terbentuk dapat diidentifikasi
menggunakan waktu suhu transformasi (TTT) diagram. Type Diagram TTT untuk
baja Grade 11 ditunjukkan pada gambar 2.11
Suhu yang telah ditentukan (gambar 2.11) untuk studi perilaku material SA 213
Grade T11 adalah sebagai berikut [26]:
a. A C1 adalah suhu di mana austenit mulai terbentuk selama pemanasan adalah
sekitar 1430 º F (780 º C).
b.

A C3 adalah suhu di mana transformasi dari austenit ke ferit adalah selama
pemanasan sekitar 1635 º F (890 º C).

c.

A R1 adalah suhu di mana transformasi dari austenit ke ferit atau ferit
ditambah sementit pada saat pendinginan selesai biasanya sekitar 1285 º F
(696 º C).

Universitas Sumatera Utara

29

.
Gambar 2.11. Tipe diagram TTT untuk baja paduan rendah grade 11
d.

A R3 adalah suhu di mana austenit mulai mengubah untuk ferit selama
pendinginan biasanya sekitar 1550 º F (843 º C).

e.

A R4 adalah suhu di mana delta ferrite untuk mengubah austenit selama
pendinginan.

f.

B s adalah suhu di mana transformasi austenit untuk bainit dimulai pada
saat pendinginan biasanya sekitar 1130 º F (611 º C).

2.7. Diagram Laju Pendinginan
Dengan cara yang sama, kurva transformasi pendinginan kontinyu (CCT)
dikembangkan untuk menunjukkan terbentuk mikrostruktur melalui kontrol termal
diterapkan siklus untuk sejumlah proses manufaktur yang berbeda. Namun, penting
bahwa siklus termal yang digunakan untuk menghasilkan kurva CCT menjadi relevan

Universitas Sumatera Utara

30

dengan proses tertentu. Salah satu faktor penting untuk dipertimbangkan adalah butir
austenit ukuran sebelumnya yaitu; ukuran butir pada saat pertama transformasi dari
austenit.
Struktur mikro pendinginan diharapkan sekitar 1750 º F (955 º C) sehingga
dapat diperkirakan dari diagram CCT seperti diperlihatkan pada gambar 2.12.
Pendinginan yang sangat cepat akan menghasilkan struktur martensit dominan;
untuk tingkat pendinginan biasanya terkait dengan komponen boiler, formasi bainit
akan mendominasi pada tingkat yang relatif cepat, dengan pembentukan ferit
mendominasi selama pendinginan lambat dapat dilihat tabel 2.2.

Gambar 2.12. Diagram type CCT untuk baja paduan rendah grade 11
Tabel 2.2. Perubahan laju pendinginan pada mirostruktur dan kekerasan

Universitas Sumatera Utara

31

Dalam aplikasi praktis, pendinginan lambat akan sering terjadi setelah
perlakuan panas yang lama, ketebalan bagian komponen, dan dalam komponennya,
mempunyai mikrostruktur feritik. Dalam sebagian besar kasus, produk transformasi
akan perlit, namun, di antara tingkat pendinginan, transformasi ke perlit dan bainit
dapat terjadi.

Universitas Sumatera Utara