101-C WHB P-2

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 1 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Analisa Kegagalan Tube 101-C Waste Heat Boiler Ammonia Pabrik-2 1. PENDAHULUAN 101-C Waste Heat Boiler (WHB) merupakan salah satu item kritis pada pabrik Amoniak Kaltim-2. WHB ini merupakan Tipe Bayonet Vertikal yang terdiri dari Inner dan Outer Tube yang beroperasi pada service hidrogen dan temperatur tinggi. Data teknis alat tersebut dapat dilihat pada Tabel 1. Sedangkan history kebocoran 101-C sesuai data pada Tabel 2. Tabel 1. Data Teknis 101-C Shell Side Tube Side Fluid Sec Reformer Effluent Boiler Feed Water Temperature (0C) In : 978 / Out: 507 In: 313.9 / Out: 313.9 Inlet Pressure (kg/cm2) 30.7 105.5 Design/Test Pressure ((kg/cm2g) 36 / per code 118 / per code Design Temperature (0C) 345 Channel : 330 / Tubesheet : 370 No Passes per shell One Bayonet Material SA-516 Gr-70 Inner : Sa-179 / Outer : Sa209-T1A Spesifikasi Tube Inner Tube OD 25.4 x Thk 1.65 x L7300 mm / Qty : 421 ea Outer tube OD 50.8 x Thk 3.40 x L7300 mm / Qty: 421 ea Hidrogen Partial Pressure Design 11.7 kg/cm2 Tabel 2. Sejarah kebocoran NO WAKTU KEBOCORAN KETERANGAN 1 Okt 1988 - Outer Tube panjang pecah 2 ea - Nail spacer pada tube lepas - Cap Outer Tube panjang bulging 1 ea - Inner tube salah masuk berlubang 2 Juli 1991 Outer tube panjang pecah 1 ea pada jarak Nail spacer pada inner tube lepas di 650 mm dari ujung cap bawah dan cap lokasi pecahan berlubang 3 Sep 1998 Outer tube panjang bulging 1 ea dan Nail spacer banyak yang jatuh berlubang 4 Juni 2000 Outer tube panjang bulging 1 ea dan Nail spacer banyak yang jatuh berlubang 5 Sept 2002 - Outer tube panjang bulging 1 ea dan - Inner tube salah masuk berlubang - Lokasi lubang tepat diarah - Outer tube panjang berlubang 1 ea semburan bocoran bocoran tube sebelah nya 6 Agust - Outer tube panjang pecah 1 ea pada jarak Nail spacer pada inner tube lepas. 2003 110 mm dari ujung cap bawah - Outer tube panjang berlubang 1 ea pada jarak 90 mm dari ujung cap bawah 7 Oct 2007 - Outer tube 9 ea bocor, diplug - Nail spacer banyak lepas - Outer tube 4 ea cacat pada sisi luar

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 2 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler - Pasang spare tube bundle ex repair (outer tube baru) 8 May 2008 - Outer bocor 5 ea - Tube bulging 9 Jan 2014 - Outer tube & Cap bocor 2 ea - Cap bocor - Outer yang terkena semburan bocoran 2 ea - Plug 7 ea baru & 1 ea lama Sesuai history diatas, kebocoran terdapat 2 macam kegagalan pada tube, yaitu bulging pada tube dan bocor pada area cap. Oleh karena itu, analisa yang dilakukan ini mengambil sample 2 tube, yaitu tube no 25-3 dimana bocor pada cap dan tube no 25-4 yang juga bocor serta mengalami bulging pada outer tube. Gambar detail tube WHB dan sketsa lokasi kegagalan dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1 .Satu set tube WHB dan lokasi kegagalan tube 2. PEMERIKSAAN Pemeriksaan yang dilakukan terhadap sample tube adalah 1. Pemeriksaan visual 2. Uji komposisi kimia menggunakan Optical Emission Spectroscopy (OES) 3. Karakterisasi kerak/deposit tube menggunakan Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) & X-ray Diffraction (XRD) 4. Uji kekerasan menggunakan microvickers 200g 5. Uji Metalografi menggunakan mikroskop optik 3. HASIL PEMERIKSAAN 3.1. Pemeriksaan Visual 3.1.1. Pengukuran keliling tube Gambar 2 menunjukkan tube menggelembung (bulging) hingga mencapai 191.6 mm atau sekitar 20% dibandingkan tube normal sebelum akhirnya mengalami retak dan bocor.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 3 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Gambar 2 . Hasil pengukuran keliling pada tube yang mengalami bulging 3.1.2. Pemeriksaan visual tube Gambar 3 dan Gambar 4 menunjukkan sisi luar dan sisi dalam outer tube dan cap yang mengalami kegagalan. Gambar 3(a) menunjukkan retak longitudinal pada tube bulging disebabkan oleh tegangan tangesial atau hoop stress. Banyak ditemukan endapan kerak tebal pada bagian permukaan dalam tube (Gambar 3(b)). Pada penampang dekat bibir retakan menunjukkan pengurangan tebal sehingga mirip dengan bentuk ujung pisau atau dikenal dengan knife-edge wall thinning. Temuan – temuan tersebut menunjukkan ciri kegagalan short-term overheating. (a) (b) (c) Gambar 3. Tube WHB no. 25-4 yang mengalami kegagalan. Gambar 4(a) menunjukkan cap no 25-3 bocor pada sisi bawah, tidak terlihat penipisan disekitar bibir retakan. Tampak produk korosi pada lubang bocoran. Kemungkinan cap bocor karena korosi sumuran (pitting corrosion). Gambar 4(b) cap no. 25-4 mengalami kebocoran dengan dua (2) buah lubang yang tembus dengan diameter lubang terbesar adalah ± 10 mm. Dari permukaan luar tampak bibir retakan terjadi penipisan. Kemungkinan cap bocor karena korosi erosi. Banyak ditemukan endapan kerak tebal pada bagian permukaan dalam cap (Gambar 4(c)).

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 4 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler (a) Cap no. 25-3 (b) Cap no. 25-4 (c) Cap no. 25-3 Gambar 4. Cap WHB yang mengalami kegagalan. 3.1.3. Pemeriksaan visual permukaan dalam cap Hasil pengamatan kondisi permukaan dalam cap adalah sebagai berikut: Gambar 5. Penampang melintang cap Gambar 6. Profil ketebalan cap Gambar 5 dan Gambar 6 memperlihatkan bahwa cap yang bocor mengalami penipisan yang simetri dikedua sisinya dengan arah penipisan yang searah fluida. Selain penipisan, ditemukan juga produk korosi di cap. Hal ini mengindikasikan bahwa cap gagal dengan mekanisme erosi korosi.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 5 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Gambar 7. Foto makro permukaan dalam pada cap. Dari hasil pengamatan pada Gambar 7 ditemukan garis-garis alur seperti beachmark dan lubang-lubang bergelombang yang searah aliran fluida. Tanda – tanda semacam itu merupakan ciri khas dari pola kegagalan erosi korosi [10]. 3.1.4. Tegangan pada tube Dari perhitungan hoop stress dengan kondisi operasional dapat diketahui besarnya hoop stress yaitu 44.52 MPa. Gambar 8. Kurva tensile strength terhadap temperatur untuk baja SA-209 T1a. Dari Gambar 8 dapat diperkirakan temperatur minimal terjadinya kegagalan sebesar 660oC.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 6 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler 3.2. Uji komposisi kimia menggunakan Optical Emission Spectroscopy (OES) Tabel 2. Hasil uji komposisi kimia pada tube. Unsur Kimia Standar SA 209 T1a Tube Normal Tube Gagal (% berat) [11] (% berat) (% berat) Carbon 0.15 – 0.25 0.20 0.19 Manganese 0.30 – 0.80 0.67 0.40 Phosphorus, max 0.025 0.019 0.032 Sulfur, max 0.025 0.006 0.016 Silicon 0.10 – 0.50 0.20 0.21 Molybdenum 0.44 – 0.65 0.47 0.47 Tabel 3. Hasil uji komposisi kimia pada cap. Unsur Kimia Standar SA 204 gr. B Cap Normal Cap Gagal (% berat) [11] (% berat) (% berat) Carbon, max 0.20 0.19 0.19 Manganese, max 0.90 0.67 0.90 Phosphorus, max 0.025 0.022 0.017 Sulfur, max 0.025 0.005 0.006 Silicon 0.13 – 0.45 0.56 0.26 Molybdenum 0.41 – 0.64 0.45 0.54 Secara umum dari hasil pengujian komposisi kimia dapat diketahui bahwa komposisi kimia tube dan cap sesuai standard yang dipersyaratkan. Komposisi kima tube masih masuk SA 209 gr T1a sedangkan cap masuk ke SA 204 gr B. 3.3. Karakterisasi kerak/deposit tube menggunakan Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) & X-ray Diffraction (XRD) Dari hasil EDS, diketahui unsur penyusun deposit kerak mayoritas adalah unsur Fe dan O. Tidak ditemukan unsur pembentuk kerak lainnya yang umum pada sistem boiler pembangkit uap seperti fosfor (P) atau silika (Si), yang muncul dari air boiler yang kurang bagus pengolahan airnya. Dan seperti yang terlihat pada Gambar 10, hasil spektrum XRD menunjukkan endapan kerak adalah senyawa Fe3O4 (a) EDS kerak tube (b) EDS kerak cap Gambar 9. Spektrum EDS untuk karakterisasi kerak.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 7 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Tabel 4. Komposisi kima kerak hasil EDS pada tube dan cap Unsur Komposisi (% berat) Kerak Tube Kerak Cap C 3.13 2.71 O 23.27 26.82 Fe 73.60 70.48 Gambar 10. Spektrum XRD kerak. 3.4. Uji kekerasan menggunakan microvickers 200g Berdasarkan ASME BPVC section IIA, SA 209 gr T1a syarat nilai kekerasannya adalah 81 HRB atau setara 156 HVN untuk tube dengan ketebalan kurang dari 5.1 mm. Gambar 11. Hasil uji kekerasan tube Dari Gambar 11 dapat dilihat bahwa secara umum sifat material pada tube yang gagal telah mengalami degradasi sifat mekanik sedangkan pada tube yang normal masih memiliki kekerasan seperti yang disyaratkan kecuali sisi penampang luarnya (outer). Pada bibir retakan tube yang gagal (jam 12A dan jam 12B), kekerasan meningkat di atas nilai standar yang dipersayratkan karena pada bibir retakan, tube diameternya membesar akibat deformasi plastis sehingga mengalami strain hardening.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 8 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Gambar 12. Hasil uji kekerasan cap Secara umum cap normal memiliki kekerasan yang lebih rendah dibandingkan dengan cap yang gagal meskipun cap normal nilai kekerasannya masih sesuai standar yang dipersyaratkan, sehingga perlu dibandingkan bagaimana struktur mikro kedua cap tersebut. 3.5. Uji Metalografi dengan mikroskop optic Posisi pengambilan sampel pada tube gagal ditunjukkan pada Gambar 13. Gambar 13. Posisi pengambilan sample Struktur mikro pada 300 mm dari tube bulging digunakan sebagai referensi. Struktur mikro tube referensi terdiri dari fasa ferit yang berwarna terang dan perlit yang berwarna gelap. Jumlah fasa ferit lebih banyak dan mendominasi struktur material dibandingkan dengan jumlah fasa perlit.(Gambar 14(b)). Struktur mikro pada daerah dekat bibir retakan pada Gambar 14(a) menunjukkan struktur butir yang memanjang (elongated grain) akibat deformasi plastis yang terjadi secara local (bulging). Perlite mulai terurai menjadi spherodized carbide (gelap). Struktur mikro pada posisi sekitar 180o dari retakan (Gambar 14(c)) mirip dengan struktur mikro pada posisi referensi (Gambar 14(b)). Selain pada posisi dekat bibir retakan, spherodized carbide yang lebih jelas dapat dilihat pada struktur mikro area tube yang mengalami bulging ((Gambar 14(d)&(e)). Menurut literatur [1] [3], jika spheroidized carbide ini masih di dalam koloni perlit masih dikategorikan masih dalam fase tahap pertama spherodization. Efek elongated grain akan menaikkan kekerasan material akan tetapi karena perlit telah terurai menjadi spherodized carbide maka efek kenaikan kekerasan menjadi tidak signifikan.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 9 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Dari pemeriksaan struktur mikro pada area bulging, dapat disimpulkan bahwa temperatur pada daerah ± 180o dari retakan tidak setinggi temperatur pada daerah retakan sebelum terjadinya kegagalan. Artinya temperatur tinggi yang mengakibatkan kegagalan bersifat local Gambar 14. Struktur mikro tube yang gagal. 4. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1. Analisa data metalografi Dari hasil uji metalografi, pada bagian sisi luar tube ditemukan adanya struktur mikro yang telah mengalami dekarburisasi dengan kedalaman 100 mikron Gambar 15. Akan tetapi kedalaman dekarburisasi ini jauh lebih kecil dibandingkan tebal minimal tube yang diijinkan yaitu 3.6 mm. Menurut API RP 941 [12], efek dari dekarburisasi permukaan antara lain pengurangan kekuatan dan kekerasan serta peningkatan keuletan yang bersifat lokal dan kecil, maka kurang menjadi perhatian. Dapat disimpulkan bahwa dekarburisasi bukanlah hal utama sebagai penyebab kegagalan tube.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 10 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Gambar 15. Struktur mikro dekarburisasi pada tube sekitar permukaan luar. Sruktur mikro cap normal (Gambar 16) terdiri dari ferit (terang) dan perlit (gelap) dengan pola struktur banding yang menunjukkan arah pengerolan. Pola ini memiliki arah yang sama pada semua posisi sehingga dapat memberikan informasi bahwa proses pembuatan cap adalah machining. Hal ini diperkuat dengan melihat pola garis banding terputus pada elbow. Gambar 16. Struktur mikro cap normal. Struktur mikro cap gagal (Gambar 17) memperlihatkan struktur banding dengan arah orientasi yang mengikuti bentuk dari cap yaitu seperti huruf “U”. Hal ini memberikan informasi bahwa cap dibuat dengan cara metal forming dan bukan dengan cara proses permesinan. Dengan metal forming, material akan dibentuk atau dideformasi sesuai cetakan (die) sehingga orientasi butir mengikuti bentuk benda kerja. Selain itu, maka material yang dideformasi plastis akan mengalami strain hardening, sehingga kekerasan naik, Hal ini menyebabkan kekerasan cap yang gagal lebih tinggi dibandingkan cap yang masih normal. Gambar 17. Struktur mikro cap gagal

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 11 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler 4.2. Analisa data deposit kerak Dari data operasional dan menggunakan persamaan (6, maka dapat dihitung ketebalan kerak yang mengakibatkan tube overheat 660oC adalah sebesar 3.0 mm. Sedangkan tebal kerak aktual yang diukur dengan menggunakan mikroskop adalah 1.01 mm. Tebal kerak aktual berbeda dengan tebal kerak hasil perhitungan karena kerak pada bagian dalam tube tererosi oleh fluida BFW selama terjadi kebocoran tube. Gambar 18. Tebal kerak pada bagian dalam tube. Dari hasil karakterisasi kerak diketahui senyawa kerak adalah Fe3O4 (magnetite). Senyawa Fe3O4 berperan sebagai lapisan pelindung dari serangan korosi. Lapisan tipis ini berwarna hitam, padat dan memiliki daya rekat yang kuat sehingga sangat sulit larut dalam air [7]. Baja karbon dalam konstruksi sistem boiler pada temperatur tinggi dan pada pH 9-12 dapat terbentuk lapisan pasif Fe3O4. Dengan penambahan hydrazine juga akan terbentuk lapisan Fe3O4 [8]. Jadi terdapat kemungkinan kerak itu berasal,dari perpipaan atau peralatan pada sistem boiler. Hal ini dikarenakan konstruksi material pada semua peralatan dan perpipaan dalam sistem boiler yang memiliki material baja karbon. Gambar 19. Jenis material yang dipergunakan di sistem Boiler.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 12 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa sebagian besar konstruksi material adalah dari baja karbon. Ditambah lagi dengan adanya hydrazine sisa maka probabilitas terbentuknya lapisan pasif magnetite sangat besar. Dari laporan perbaikan tahunan tahun 2013, diketahui bahwa shell deaerator mengalami kerusakan akibat korosi erosi dari sistem nozzle spray. Produk korosi dari shell deaerator ini kemudian terbawa dan tersirkulasi ke sistem boiler salah satunya terbawa ke alat primary WHB. Gambar 20. Bagian atas dari shell deaerator yang mengalami korosi. Nozzle steam drum yang menuju ke Primary WHB berada pada posisi paling bawah dari steam drum sehingga memungkinkan endapan terbawa ke alat primary WHB. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 21 dan Gambar 22. Posisi pipa downcomer menuju alat primary WHB berada di bawah memungkinkan endapan masuk ke dalam tube.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 13 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Gambar 21. Posisi nozle-nozle steam drum (penampang melintang). Gambar 22. Posisi nozle-nozle steam drum (tampak samping). 4.3. Mekanisme Kegagalan Dari tahapan pemeriksaan yang telah dilakukan ditemukan dua modus kegagalan yaitu korosi erosi pada cap dan short term overheating pada outer tube. Jarak antara inner tube dan cap yang terlalu dekat dapat menyebabkan erosi korosi pada cap. Hasil pemeriksaan pada cap menunjukkan pola kegagalan korosi erosi yang tandai adanya penipisan yang simetri antar sisinya serta ditemukannya beberapa ciri khas korosi erosi misalnya garis – garis beralur seperti beachmark dan lubang-lubang bergelombang yang searah aliran fluida.

DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 MEMO TO FILE No. : MTF/D23400/V.19 Date : 07 Mei 2019 Area : Ammonia - Pabrik-2 Page : 14 of 15 Item : 101-C Item Name : Waste Heat Boiler Short-term overheating pada outer tube ditandai oleh adanya deposit dari sistem boiler yang terbawa ke tube kemudian mengendap di permukaan dalam tube. Ditambah dengan adanya bocoran pada cap, deposit Fe3O4 yang menjadi endapan kerak tebal di outer tube merubah pola perpindahan panas sehingga menyebabkan tube mengalami local overheating. Kenaikan temperatur material di atas temperatur desain akan menurunkan kekuatan material sehingga tube mengalami bulging dan akhirnya retak (bocor). 5. KESIMPULAN Berdasarkan analisa dari beberapa hasil pengujian, maka kemungkinan besar dapat disimpulkan bahwa : a) Modus kegagalan pada cap no. 25-3 adalah erosi korosi. Hal ini disebabkan oleh terlalu dekatnya jarak ujung inner tube dengan bagian bawah dari cap. b) Kegagalan pada tube bulging no 25-4 : i. Mekanisme kegagalan tube adalah short term overheating yang disebabkan oleh tingginya temperatur dinding tube akibat kurangnya pendinginan dari air boiler karena terdapat dua buah lubang bocoran pada cap dan adanya kerak tebal Fe3O4 pada permukaan dalam tube yang berfungsi sebagai isolator. ii. Temperatur yang pernah dicapai tube bulging adalah 660oC. Hal ini dibuktikan dengan adanya deformasi plastis dan bentuk butir yang memanjang serta terbentuknya spheroid carbide pada struktur mikro area bulging. Reported by Approved By Acknowledge by Ridwan S. Yudhistira P.P Wildan Hamdani Metalurgy Inspector Superintendent Metalurgi Manager Istek-2

Daftar Pustaka [1] ASM Metal Handbook Vol. 11, Failure Analysis and Prevention Handbook, 11th ed., vol. 11. 2002. [2] A. Ibrahim, Y. Ryu, and M. Saidpour, “Stress Analysis of Thin Walled Pressure Vessels,” Mod. Mech. Eng., no. February, pp. 1–9, 2015. [3] D. N. French, Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers. 1993. [4] C. W. Arcari and D. N. French, “Thermal Considerations in Boiler Tube Failures,” Jt. Power Gener. Conf., 1982. [5] D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion, 2nd ed. Prentice Hall, 1996. [6] The M.W. Kellogg Company, Operating Instructions Manual for Ammonia Unit. 1984. [7] J. Estil and M. Soria, “Reducing Corrosion and potential Boiler Failure with Superior Iron Transport Technology,” 2nd Tech. Meet. NACE-Jubail Sect., pp. 1–37, 2009. [8] D. J. Flynn and J. Weeks, The Nalco Water Handbook. McGraw-Hill Book Company, 2009. [9] The M.W. Kellogg Company, “Steam Generator Operation,” in Operating Instructions Manual for Ammonia Unit, 1984, pp. 1–76. [10] H. M. Herro and R. D. Port, The Nalco Guide to Cooling Water System Failure Analysis. McGraw-Hill, Inc, 1993. [11] ASME BPVC Section II, Part D Materials Properties. 2015. [12] API RP 941, “Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemical Plants,” vol. 56, no. 8, pp. 1–14, 2016.