ANALISA KEGAGALAN DUA MATERIAL BERBAHAN DASAR STAINLESS STEEL PADA INDUSTRI PENYULINGAN MINYAK

ANALISA KEGAGALAN
DUA MATERIAL BERBAHAN DASAR STAINLESS
STEEL PADA INDUSTRI PENYULINGAN MINYAK
BUMI
Oleh :
Khairul Umam (0405040392)
Diterjemahkan dari paper “Failure Analysis of Two Stainless Steel Based
Components Used in an Oil Refinery” oleh Cássio Barbosa, Jôneo Lopes do
Nascimento, José Luiz Fernandes dan Ibrahim de Cerqueira Abud.
www.springerlink.com.
DEPARTEMEN METALURGI DAN MATERIAL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
2008
Abstrak
Industri minyak bumi telah berubah secara signifikan selama beberapa dekade. Misalnya
di Brazil, ekstraksi minyak laut dalam sedang berkembang sangat cepat. Akibatnya,
komponen dan bahan-bahan yang digunakan untuk aplikasi tersebut harus memiliki sifat
yang diperlukan untuk menyesuaikan kondisi dan memastikan kinerja yang memuaskan
dan layanan yang handal. Namun, komponen yang biasanya memenuhi standar
persyaratan tersebut bisa gagal pada beberapa kondisi seperti tekanan dan suhu yang
tinggi dan juga konsentrasi H2S dan CO2 yang tinggi. Di antara faktor yang dapat
menyebabkan kegagalan prematur adalah komponen logam dalam penggunaan bahan
kurang memadai, keberadaan cacat yang muncul selama produksi, kesalahan proses,
perakitan, atau pemeliharaan. Analisis kegagalan memungkinkan identifikasi penyebab
dan hal-hal yang mempengaruhinya sehingga dapat membantu pada peningkatan kinerja
operasi dan peralatan serupa. Pada pekerjaan ini, mikroskop optik dan scanning elektron
microscopy (SEM) digunakan untuk menganalisa mikrostruktur dan retak permukaan dari
dua batang pompa sentrifugal yang gagal selama digunakan di kilang minyak bumi
Brasil. Pada hasil ditunjukkan bahwa satu batang yang terbuat dari stainless steel jenis
duplex, gagal dengan kegagalan fatigue, dan batang lainnya, terbuat dari stainless steel
austenitic 316, mengalami kegagalan serupa, yang disebabkan kehadiran partikel inklusi
non-logam.
Kata kunci Analisa kegagalan – Stainless steel – retak - fatigue
Pendahuluan
Industri petrokimia merupakan salah satu segmen paling dinamis dari dunia ekonomi, dan
pertumbuhannya di beberapa tahun terakhir telah menyebabkan pengembangan material
baru untuk memenuhi persyaratan baru yang semakin rumit. Stainless steel telah
dikembangkan untuk berbagai aplikasi yang memerlukan ketahanan tinggi terhadap
lingkungan korosif. Duplex stainless steels (DSSs), yang pertama kali dikembangkan
pada tahun 1927 dan berkembang pada dekade berikutnya, telah disebut sebagai pilihan
yang memungkinkan untuk menggantikan stainless steel biasa. Sebuah standar ISO telah
menjelaskan persyaratan untuk aplikasi tersebut [1].
DSSs memiliki dua fasa mikrostruktur (austenite dan ferrite) dan memiliki beberapa
kelebihan, terutama kekuatan yang lebih tinggi, ketahanan yang lebih tinggi untuk korosi
intergranular, dan biaya yang lebih rendah bila dibandingkan dengan stainless steel
austenitic. Di sisi lain, DSSs memiliki beberapa kekurangan, seperti sulit diproses secara
thermomechanical dan ketahanan terhadap korosi pitting yang rendah [2]. Dalam rangka
untuk memenuhi persyaratan khusus untuk kekerasan, kekuatan, dan ketahanan korosi,
fasa seperti fasa σ , misalnya, harus diminimalisir [3-5]. Fasa lain yang dibentuk selama
proses thermomechanical pengolahan DSSs, adalah Cr2N. Fasa Cr2N juga merupakan
endapan utama yang ditemukan di zona yang terkena dampak panas (Heat Affected
Zone) dari sendi lasan. Kondisi yang membantu untuk pembentukan austenite, seperti
nitrogen yang tinggi dan laju pendinginan yang rendah mampu meminimalkan
pembentukan endapan Cr2N [6] dan meningkatkan faksi volume dari austenite. Fasa σ
adalah fasa yang terbentuk sebagai akibat dari dekomposisi ferrite dan juga peningkatan
fraksi volume dari austenite. Reaksi fasa σ ini dibantu dengan aging di suhu yang lebih
tinggi (650-900 ° C) dan waktu yang lebih lama (30 menit hingga 8 jam), dan kinetika
reaksi pembentukan fasa σ lebih lambat dibandingkan untuk endapan Cr2N [3, 5] .
Stainless steel Austenitic memiliki banyak sifat, selain ketahanannya yang tinggi
terhadap korosi pada banyak lingkungan: mereka mempertahankan keuletan dan
ketangguhan dalam berbagai kondisi terbuka, lebih kurang kepekaannya terhadap
embrittlement dibandingkan stainless steel ferritic, dan telah memiliki karakteristik
pembentukan yang baik. Namun demikian, sifat-sifat dan karakteristik yang baik ini
bergantung pada karakteristik kimia, dalam arti unsur kecil seperti sulfur dan fosfor
harus dijaga di tingkat di bawah batas yang ditetapkan dalam standar [7-9].
kegagalan fatigue adalah konsekuensi dari beban dinamis. Ketika crack mulai terjadi dan
berkembang, keretakan akan terjadi pada tingkatan stress yang lebih rendah daripada
yang diperlukan untuk menyebabkan retak di bawah beban statis. Faktor-faktor utama
yang mempengaruhi kegagalan fatigue adalah berbagai variasi tegangan, jumlah siklus,
korosi, suhu, tegangan sisa, pemusatan tegangan, dan kombinasi tegangan. Menurut
Fernandes dan Castro [10], fatigue adalah kegagalan mekanik lokal, progresif, dan
terakumulasi sebagai akibat dari nukleasi dan propagasi progresif dari crack yang
disebabkan oleh beban siklik. Menurut Suresh [11] Fenomena dari kegagalan fatigue
dapat dianalisa sebagai masalah deformasi plastis lokal dan dapat dijelaskan oleh
tampilan shear band (garis-garis geseran). Ketika ada perpindahan dislokasi, butir
tertentu membentuk garis-garis gelincir tetap yang akan nampak pada permukaan.
Perpatahan brittel dapat dikaitkan dengan beberapa faktor, termasuk keberadaan dari
inklusi non-logan yang berbahaya. Efek inklusi tersebut tergantung pada jumlah, bentuk,
ukuran, dan distribusi. Inklusi dapat bertindak sebagai pemusat tegangan dan sehingga
dapat berfungsi sebagai tempat terjadinya nukleasi crack [12].
analisis kegagalan menggunakan beberapa jenis teknik untuk menyelidiki penyebab
kegagalan pada peralatan atau struktur. Pada umumnya, penyebabnya adalah yang
berkaitan dengan penggunaan material yang kurang sesuai, keberadaan cacat, kesalahan
dalam desain, pemasangan yang tidak tepat, dan kesalahan dalam penggunaan.
Pengetahuan tentang penyebab dan koreksi dari kejanggalan memungkinkan peningkatan
kinerja pada peralatan serupa dan mencegah munculnya kegagalan yang serupa [13].
Seringkali, analisis kegagalan berupaya untuk menghubungkan topografi permukaan
yang retak ke kemungkinan jenis kegagalan tertentu dengan menggunakan Scanning
Electron Microsrcope (SEM) [14].
Dalam pekerjaan ini satu dari dua batang pompa sentrifugal yang digunakan dalam
industri petrokimia diuji dengan menggunakan teknik-teknik seperti SEM, pengamatan
mikrostruktur stainless steel duplex di sebuah mikroskop optik, dan uji kekerasan. Teknik
ini saling melengkapi satu sama lain dan dengan demikian, dalam cara yang efisien,
memungkinkan identifikasi dari penyebab kegagalan komponen.
Metodologi
Sebuah batang stainless steel duplex dan sebuah batang stainless steel austenitic yang
gagal, diteliti. Tidak ada banyak informasi tentang sejarah penggunaan komponen, tetapi
diketahui bahwa, dalam kasus pertama, ada masalah dalam frame dari pompa yang perlu
dilakukan pekerjaan perbaikan. Setelah pekerjaan ini, pompa mulai bekerja, tetapi setelah
kurang dari 3 bulan batang telah rusak. Dalam kasus kedua, batang yang telah terpasang
di pompa dan setelah sekitar 2 bulan ini rusak di bagian tepi di mana kacang rotor
terkunci dalam batang. Komposisi kimia dari stainless steel duplex, diperoleh melalui
analisa x-ray fluorescence, disajikan di Tabel 1, dan komposisi kimia dari stainless steel
austenitic ditampilkan pada Tabel 2.
Tabel 1 Komposisi Kimia Stainless Steek Duplex
C Si Mn P S Cr Ni N Mo V Cu W Co Fe
0,02 0,52 1,85 0,02 0.001 23 5.7 0.19 3.28 0,07 0,13 0,02 0,02 sisa
Tabel 2 Komposisi Kimia Stainless Steel Austenitic
C Si Mn P S Cr Ni Mo Co N Fe
0,034 0,46 1,85 0,032 0,026 16,4 9.,9 2,11 0,13 0,18 sisa
Tabel 3
C Si Mn P S Cr Ni Mo Co N Fe
0,008 1 2 0,045 0,03 16-18 10-14 2-3 … 0,10 sisa
Tabel 3 menunjukkan batas komposisi kimia untuk austenit 316 L yang sesuai dengan
standar ASTM A 276-92 [7] (maksimum atau jangkauan). Kandungan nitrogen adalah di
atas dan kandungan nikel adalah dibawah batas yang dicerna dari ASTM A 276-92 untuk
grade 316 L.
Batang pompa sentrifugal pertama (duplex) telah dikerjakan untuk diperoleh sampel
untuk analisis microstructural, analisis SEM, dan uji kekerasan. Sampel untuk analisis
microstructural telah disesuaikan dengan standar persiapan metalografi: grinding (100-
600 mesh), polishing dengan pasta intan (6-1 μm), dan etsa dengan 30 mL asam nitrat, 10
mL asam klorida, dan 60 mL air distilasi. Sampel untuk analisis fractographic diamati
dan difoto dengan peralatan yang beroperasi di 20 KV. Uji kekerasan Rockwell skala C
terdiri dari lima pengukuran di berbagai tempat sampel, dan nilai rata-rata dihitung dan
dianggap sebagai wakil dari kekerasan sample.
Batang Pompa sentrifugal kedua (austenitic) dipersiapkan dengan cara yang sama untuk
mikroskop optik dan pengamatan SEM (etsa dalam hal ini adalah 20 g asam picric dan
100 mL asam klorida), sedangkan uji kekerasan yang dilakukan adalah tes Rockwell
skala B karena kekerasan yang lebih rendah.
Hasil dan Diskusi
Batang Pompa Stainless Steel Duplex
Gambar 1 (a) menunjukkan bagian batang yang mengalamai keretakan. sementara Gb. 1
(b), diperoleh dari stereomicroscope, menyajikan penampakan macroscopic dari
permukaan yang retak. Gambar 2 menunjukkan mikrostruktur stainless steel duplex,
dengan fasa austenite digambarkan pada matriks ferrit yang sesuai dengan standar ISO
[1]. Tidak ditemukan fasa σ melalui mikroskop optik. Pada Gb. 2 (a) (arah transversal),
ukuran rata-rata dari butir austenit (pulau-pulau austenit terdistribusi pada matriks ferrit
yang continue) berkisar 50 μm, yang dapat dianggap suatu nilai yang dapat diterima
untuk stainless steel duplex. Bentuk yang agak memanjang dari pulau-pulau austenit juga
normal untuk stainless steel duplex. Gambar 3, diperoleh dari SEM, menyajikan aspek
mikroskopis dari permukaan patahan, di mana striasi (garis-garis fatigue) terlihat jelas.
Adanya Striasi ini menunjukkan kegagalan oleh kelelahan [15]. Gambar 4 menunjukkan
secara terperinci aspek yang sama di permukaan yang gagal. Tabel 4 menunjukkan hasil
uji kekerasan Rockwell C.
Gb. 1 (a) bagian pompa yang mengalami kegagalan (b) Permukaan retak : tampilan
mikroskopik. asal patahan terindikasi.
Gb 2 Mikrostrutktur Stainless steel Duplex. (a) arah transversal (b) arah longitudinal
Gb 3. Gambar SEM. Permukaan patah menampilkan striasi.
Gb 4 Gambar lebih detail dari bagian yang sama.
Rata-rata nilai kekerasannya (HRC 22,4) lebih rendah dari batas atas (HRC 25) yang
ditetapkan oleh standar ISO untuk komponen ini, dan dengan demikian bisa dianggap
dapat diterima [1].
Tabel 4 Hasil Uji Kekerasan Sampel Stainless Steel Duplex
TItik Kekerasan (HRC)
1 22
2 22
3 23
4 23
5 22
Rata-rata 22.4
Menurut Reick [2], stainless steel duplex, dengan komposisi kimia yang sangat mirip
dengan yang dianalisa dalam kajian ini, memiliki gaya tarik sekitar 640-750 MPa, yield
strength antara 400 dan 450 MPa, dan total elongasi sekitar 25%, dan nilai-nilai ini
kompatibel dengan aplikasi untuk material pada kasus ini.
Jika ada yang mempertimbangkan hasil yang ditemukan dalam kajian ini, dengan teknik
yang berbeda, itu membuktikan bahwa factor yang berhubungan dengan karakteristik
intrinsik dari material (komposisi kimia dan mikrostruktur) tidak dapat dihubungkan
dengan penyebab kegagalan, yang mungkin dapat dikaitkan dengan faktor eksternal .
Batang Pompa Stainless Steel Austenitic
Gambar 5 menunjukkan suatu bagian longitudinal batang pompa yang belum dietsa.
Banyak partikel inklusi non-logam (sulfide, oksida, dan silikat) yang bisa dilihat.
Mikrostruktur dari bahan yang sama dapat dilihat pada Gb. 6 (arah transversal) dan Gb. 7
(arah longitudinal) : butir-butir austenitic bagian yang seragam dan partikel inklusi secara
jelas terlihat pada dua arah butir. Pada Gb. 6 (arah transversal) ukuran rata-rata butir
berkisar 50 μm, yang dapat dianggap sebagai nilai normal, karena di sebagian stainless
steel austenitic yang digunakan untuk aplikasi ini memiliki ukuran butir bervariasi antara
30 dan 60 μm.
Gb. 5 Bagian Longitudinal : Inklusi non logam. Tanpa etsa
Gb 6 Bagian Transversal : inklusi partikel (titik hitam) berada pada pertemuan butir-butir
austenit.
Gb. 7 Bagian Longitudinal: Butir austenit dan partikel inklusi (hitam dan memanjang)
Penampakan makroskopik secara umum dari permukaan retak pada batang pompa
ditunjukkan oleh Gb. 8. Panah menunjukkan titik dimana crack dimulai, dan dari daerah
ini garis-garis radial berkembang.
Gb. 8. Penampakan umum permukaan patah. Titik awal crack terindikasi
Gambar SEM pada permukaan retak permukaan disajikan pada Gb. 9 dan 10, yang
mengungkapkan aspek karakteristik dari kelelahan, bahkan jika tidak jelas seperti seperti
pada kasus pertama, lubang-lubang ini disajikan secara rinci pada Gb. 10. Partikel ini
telah dianalisa oleh microprobe EDS (x-ray energy dispersion spectrum) yang hasilnya
disajikan pada Gb. 11. Dalam spektrum ini, Puncak sulfur (S) dapat dilihat, dibandingkan
dengan spektrum yang diperoleh dari matriks (Gb. 12), di mana puncak jenis tersebut
tidak ada. Analisis ini menunjukkan bahwa, meskipun kadar belerang (0,026%) yang
berada sedikit di bawah batas atas yang ditetapkan oleh standar (0,030% sesuai dengan
ASTM A 276-92), sulfida termasuk yang bahan yang perlu diamati. Sulfur dikenali
dapat menurunkan sifata mekanik dari stainless steel. Dalam beberapa aplikasi, ketika
keuletan dan ketangguhan sangat penting, diperlukan pegurangan kandungan sulfur di
bawah 0,020%, karena sulfida yang sejajar sepanjang arah rolling merupakan sumber
anisotropi mekanik dan mengurangi ketahanan terhadap korosi [8, 9]. Kandungan
Nitrogen yang tinggi dan kandungan nikel yang rendah tidak terlihat membahayakan
untuk digunakan dalam aplikasi ini.
Gb. 9 Permukaan patah. Panah: Lubang-lubang dengan partikel inklusi
Gb. 10 Gambar yang sama Gb. 9 dengan lebih detail.
Adalah jelas bahwa tingginya kandungan inklusi sulfida ikut serta menyebabkan
kegagalan dari stainless steel austenitic 316 yang dianalisis dalam pekerjaan ini.
Sebagaimana diketahui dari literatur [16-18] bahwa inklusi non-logam yang ada pada
tahap awal dari proses pembuatan baja, adalah sebagai akibat dari kehadiran kotoran di
bahan baku, yang tertahan dalam baja cair, atau sebagai hasil pencemaran dari berbagai
sumber. Sangat sulit, mungkin mustahil, untuk kemudian menghilangkan partikel ini
dengan perlakuan panas atau prosedur setelah fabrikasi, selain karena prosedur
pembuatan baja yang mahal, hal yang mungkin untuk dilakukan tindakan pencegahan
dengan melakukan pemeriksaan rutin yang seksama , yang terdiri pengamatan
metalografi dan pengurangan kandungan inklusi pada sample baja.
Gb. 11 Spektrum EDS : Partikel
Gb. 12 Spektrum EDS : matriks
Rata-rata nilai kekerasan (HRB 95,48: Tabel 5) kompatibel dengan sebuah austenitic 316
stainless steel AISI-SAE (sekitar HRB 95) [16].
Tabel 5 Hasil Uji Kekerasan Sampel Stainless Steel Austenitic
TItik Kekerasan (HRC)
1 94,6
2 96,4
3 95.2
4 95,8
5 95,4
Rata-rata 95,48
Menurut literatur [16], stainless steel austenitic 316 memiliki ultimate tensile strength
(UTS) sekitar 515 MPa, yield strentgh (YS) sekitar 205 MPa, dan elongasi total sekitar
40%, yang dapat dianggap memenuhi syarat untuk jenis aplikasi ini.
Kesimpulan
Stainless steel banyak digunakan dalam pembuatan komponen yang beroperasi di industri
petrokimia untuk beberapa alasan, terutama disebabkan oleh ketahanan yang luar biasa
terhadap korosi dibarengi dengan sifat mekanik yang baik. Namun demikian, beberapa
faktor dapat mengakibatkan kegagalan komponen, bahkan meskipun dibuat dari material
yang memenuhi syarat.
Pada saat kajian, dua kasus kegagalan komponen yang terbuat dari stainless steel
dianalisis.
Pada kasus pertama, kegagalan sebuah batang pompa sentrifugal yang dibuat dari
stainless steel duplex berdasarkan pengamatan menggunakan mikroskop optik, SEM, dan
uji kekerasan Rockwell skala C, menunjukkan hasil sebagai berikut:
• secara mikrostruktur, disusun oleh austenite dalam matriks ferrit, yang sesuai dengan
standar, dan tidak ada fasa σ yang diamati di mikroskop optik.
• kekerasan dari stainless steel duplex (HRC 22,4) juga telah memenuhi nilai-nilai yang
ditentukan ( lebih rendah daripada HRC 25).
• Tidak ada bukti terjadinya korosi, tidak pula jenis degradasi lain.
• Gambar SEM dengan jelas mengungkapkan keberadaan dari garis-garis fatigue pada
permukaan retak.
Hasil tersebut menunjukkan bahwa kegagalan fatigue mungkin disebabkan oleh faktor
eksternal yang tidak terkait dengan karakteristik bawaan dari material.
Dalam kasus kedua, kegagalan sebuah batang pompa sentrifugal stainless steel
austenitic, kehadiran inklusi sulfida memberikan kontribusi untuk kegagalan fatigue pada
komponen ini, meskipun memiliki mikrostruktur dan kekerasan yang memenuhi syarat. .
Cara yang paling nyata dalam pencegahan terjadinya kegagalan ini adalah dengan
meminimalkan inklusi pada sample stainless steel.
Referensi:
1. “Petroleum and natural gas industries—Materials for use in H2S-containing
environments in oil and gas production,” NACE MR 0175/ISO 15156-3, “Part 3:
Cracking-resistant CRAs (corrosion-resistant alloys) and other alloys,” NACE/ANSI/ISO
(2003)
2. Reick, W., Pohl, M., Padilha, A.F.: Desenvolvimento em aços inoxidáveis
feerítico-austeníticos com microestrutura duplex (Development in the stainless ferriticaustenitic
steels with duplex microstructure). Met. Mater. 48(409), 551–563 (Sept 1992)
(in Portuguese)
3. Lee, K.M., Cho, H.S., Choi, D.C.: Effect of isothermal treatment of SAF 2205
duplex stainless steel on migration of δ/γ interface boundary and growth of austenite. J.
Alloys Compd., 285, 156–161 (1999)
4. Chen, T.H., Yang, J.R.: Effects of solution treatment and continuous cooling on
σ-phase precipitation in a 2205 duplex stainless steel, Mater. Sci. Eng. A, 311, 28–41
(2001)
5. Chen T.H., Weng K.L., Yang J.R.: The effect of high-temperature exposure on
the microstructural stability, toughness property in a 2205 duplex stainless steel. Mater.
Sci. Eng. A, 338, 259–270 (2002)
6. Liou, H.-Y., Hsieh, R.-I., Tsai, W.-T.: Microstructure and stress corrosion
cracking in simulated heat-affected zones of duplex stainless steels. Corros. Sci., 44,
2841–2856 (2002)
7. “Standard Specification for Stainless and Heat-Resisting Steel Bars and Shapes,”
ASTM A 276–92, Annual Book of ASTM Standards
8. Colombier, L., Hochmann, J.: Aciers Inoxydables Aciers Refractaires. Dunod,
Paris, 620 pages (1965)
9. Peckner, D., Bernstein, I.M.: Handbook of Stainless Steels. McGraw-Hill Book
Company, New York, NY (1977)
10. Fernandes, J.L., Castro, J.T.P.: Fatigue Crack Propagation in API-5L-X60,
Technology and Equipments Conference—VI COTEQ, Aug, 10 pages (2002)
11. Suresh, S.: Fatigue of Materials. Cambridge University, 605 pages (1991)
12. Failure Analysis and Prevention, Vol. 11, ASM Handbook, ASM International,
Materials Park, OH, 1164 pages
13. Azevedo, C.R.F., Cescon, T.: Análise de Falha e Metalografia, Casos
Selecionados (1933–2003) (Failure Analysis and Metallography, Selected Cases (1933–
2003)), IPT (Technology Research Institute), São Paulo, Brazil, 1st ed., 416 pages (2004)
(in Portuguese)
14. Wouters, R., Froyen, L.: Scanning electron microscope fractography in failure
analysis of steels, Mater. Charact., 36, 357–364 (1996)
15. Properties and Selection: Stainless Steels, Tool Materials and Special-Purpose
Metals, Vol. 3, 9th ed., Metals Handbook, American Society for Metals, Metals Park, OH
(1980)
16. Cabalín, L.M., Mateo, M.P., Laserna, J.J.: Large area mapping of non-metallic
inclusions in stainless steel by an automated system based on laser ablation, Spectrochim.
Acta Part B, 59, 567–575 (2004)
17. Perkins, K.M., Bache, M.R.: The influence of inclusions on the fatigue
performance of a low pressure turbine blade steel, Int. J. Fatigue, 27, 610–616 (2005)
18. Maropoulos, S., Ridley, N.: Inclusions and fracture characteristics of HSLA steel
forgings, Mater. Sci. Eng. A, 384, 64–69 (2004)