Crossover Pipe Mixed Feed P-2

RESUME EVALUASI KONDISI CROSSOVER PIPE MIXED FEED REFORMER PABRIK-2 TA 2019 FOTO Masalah : Creep Fatigue Damage pada Pipa MK Crack pada sambungan Crack after grind Presipitasi karbida dan intergranular crack pada weldolet butir DATA TEKNIS SKET LOKASI KEGAGALAN ANALISIS Dari hasil uji penetrant ditemukan bahwa crack terjadi pada area takikan lasan weldolet, serta hasil metalografi menunjukkan bahwa material telah mengalami creep & aging dengan ditunjukkan adanya presipitasi karbida serta secondary phase pada butir. Dari kedua hasil tersebut kemungkinan besar kegagalan terjadi akibat adanya creep-fatigue pada sambungan weldolet. Sesuai dengan hasil Finite Element, menunjukkan bahwa tegangan terbesar memang berada pada area sambungan weldolet yang searah dengan aliran, ditambah lagi dengan adanya takikan pada lasan sehingga memperbesar konsentrasi tegangan yang rentan menyebabkan kegagalan pada area tersebut. KESIMPULAN a. Bocoran crack berada pada lasan weldolet, dengan orientasi lokasi searah aliran gas. b. Sebagian besar material pipa MK, weldolet serta header secara metalurgi sudah mengalami creep serta aging yang menandakan telah mendekati umur pakai. c. Hasil pengecekan kondisi spring menunjukkan spring masih bekerja dengan normal. d. Dari hasil permodelan FEA, yang paling mendekati kondisi actual ada pada kondisi 1, dimana tegangan terbesar berada pada sambungan weldolet yang searah dengan aliran fluida, sehingga kegagalan rentan terjadi pada area tersebut. e. Kegagalan yang terjadi akibat interaksi creep-fatigue pada material karena beban thermal dan tegangan pada area crossover pipe MK yang diperbesar dengan adanya konsentrasi tegangan. REKOMENDASI a. Siapkan spare dan ganti semua weldolet, serta pipa MK ukuran 6 inch pada kesempatan TA selanjutnya b. Lakukan penggantian header pipe sampai dengan batas flange outlet MKF pada kesempatan TA selanjutnya.

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 1 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed EVALUASI KONDISI CROSSOVER PIPE MIXED FEED REFORMER PABRIK-2 TA 2019 1. PENDAHULUAN Crossover Pipe Mixed Feed yang merupakan pipa header feed reformer sebelum masuk tube katalis diketahui bocor pada lasan weldolet MK-12 to pipa header tanggal 27 November 2019. Selanjutnya pada Turn Around Desember 2019, inspeksi dilakukan pada area bocoran pipa MK-12 sehingga ditemukan juga crack pada lasan weldolet to pipe MK-12. Dari temuan ini, pemeriksaan dan pengujian yang lebih komprehensif dilakukan dan hasilnya diketahui juga terdapat crack pada pipa weldolet lainnya yang memiliki orientasi cacat yang sama dengan pada MK-12. Berdasarkan temuan tersebut maka perlu dilakukan evaluasi lebih lanjut mengenai kondisi crossover pipe mixed feed reformer ammonia untuk mengetahui kehandalan equipment dan rencana perbaikan selanjutnya. 2. DATA TEKNIS Data teknis & operasional seperti pada Tabel 1, berikut Tabel 1. Data Teknis Pipa Crossover Reformer Ammonia Pabrik-2 No Parameter Value 1 Design Pressure (kg/cm2) 39.36 2 Design Fluid Temp (0C) 621 3 Fluid Service Natural Gas + Steam 4 Material Pipe MK1-MK12 A312 304H 5 Material Weldolet A182 Gr F304H 6 Material Pipe Header A358 Cl.1 304H 7 Insulation Calcium Silicate Block Gambar 1. General Arrangement Crossover Pipe Reformer

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 2 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed 3. SEJARAH ALAT Tabel 2. Sejarah Alat Crossover Pipe Waktu Permasalahan Perbaikan 1984 Pabrik-2 mulai beroperasi - 2000 Program retrofit Ammonia Pabrik-2 - 2001 Indikasi bocoran pada line Dilakukan patching pada pipa yang bocor November 2019 Ditemukan bocoran pada MK-12 Dilakukan pengebokan & injeksi sealant TA Des 2019 Ditemukan crack pada MK-4, MK-5, Dilakukan perbaikan pada MK yang dan MK-10 terdapat crack Dari data sejarah alat, setelah dilakukan reftrofit, pipa MK telah mengalami kebocoran 2 kali yaitu pada tahun 2001 dan 2019 saat ini. 4. HASIL PEMERIKSAAN Pemeriksaan yang dilakukan terhadap pipa MK adalah sebagai berikut : 1. Uji penetrantt 2. Uji komposisi material 3. Pemeriksaan In-situ metallografi 4.1. Pemeriksaan Penetrantt Test Pemeriksaan dilakukan pada semua pipa MK, dengan area konsentrasi pada lasan pipe to weldolet serta weldolet to header. Dari hasil uji penetrantt, ditemukan 4 lokasi yang terdapat crack, sesuai dengan Gambar 3 Gambar 2. Area Pemeriksaan Uji Penetrant

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 3 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed a. MK-4 (crack weldolet to header) b. MK-5 (crack weldolet to header) c. MK-10 (crack weldolet to pipe) d. MK-12 (area bocor), crack di dua lokasi, lasan weldolet to pipe & weldolet to header Gambar 3. Hasil penetrant pada pipa MK Gambar 4. Lokasi crack temuan hasil penetrant TA

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 4 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Crack yang ditemukan di MK-4, MK-5 dan MK-10 memiliki karakteristik yang sama dengan MK-12 yang bocor, dimana memiliki orientasi lokasi yang sama, yaitu searah dengan flow aliran gas, seperti sket pada Gambar 5, a. MK-4 b. MK-5 c. MK-10 d. MK-12 crack pada Lasan Header to e. MK-12 crack pada Lasan Weldolet Weldolet to Pipa Gambar 5. Orientasi Lokasi Crack Hasil Penetrant 4.2. Uji Komposisi Material Uji komposisi dilakukan pada sample yang terdapat crack yaitu pada MK-10 & MK-12. Uji komposisi terfokus pada unsur Cr & Ni untuk mengetahui kesesuaian dengan standar material Stainless Steel 304. Tabel 3. Hasil Uji Komposisi Area Crack Lokasi Area Base Area Area HAZ Area weld Area HAZ Area base MK-10 Metal Weldolet weldolet to metal weld metal pipe MK-12 Header weld metal Cr : 22.10 metal to Cr : 19.07 Cr : 17.51 Ni : 8.0 Cr : 22.23 Cr : 23.10 pipe Ni : 8.39 Ni : 7.81 Cr : 17.73 Ni : 7.41 Ni : 12.18 Cr : 19.29 Cr : 17.46 Ni : 9.21 Cr : 18.32 Cr : 18.87 Cr : 21.95 Ni : 8.11 Ni : 9.02 Ni : 9.23 Ni : 9.36 Ni : 10.94 Cr : 16.79 Ni : 8.81 Dari hasil uji komposisi material yang crack tidak ditemukan adanya ketidaksesuaian, komposisi kimia masih masuk dalam range standar. Atau bisa disimpulkan material dan lasan sesuai dengan spesifikasi. 4.3. In Situ Metallography Area Crack Hasil Penetrant Dikarenakan tidak memungkinkan untuk pengambilan sample metalografi di laboratorium, maka dilakukan pemeriksaan In Situ Metallography pada Pipa MK. Pemeriksaan In situ Metallography dilakukan pada pipa MK dengan focus area lasan weldolet dan base material disekitarnya, sesuai dengan Gambar 6

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 5 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Gambar 6. Lokasi pengambilan In Situ Metalografi 4.3.1. MK-12 (Lokasi Bocor) Presipitasi karbida Presipitasi karbida batas butir batas butir a. Material Pipe b. Material weldolet Twinning Grain Intergranular Crack c. Material Header d. Weld Metal (area crack) Gambar 7. Hasil Metalografi MK-12 perbesaran 100x Dari hasil metalografi, terlihat bahwa pada crack menjalar pada area weld metal dengan mekanisme intergranular (mengikuti batas butir). Selain itu, struktur mikro pada area weldolet dan pipa menunjukkan adanya presipitasi karbida (garis hitam tebal) pada batas butir, dan butiran pada area

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 6 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed weldolet nampak memiliki ukuran lebih besar dibanding area lain, dimana perubahan ukuran struktur mikro tersebut kemungkinan besar akibat operasional pada temperature tinggi. Sedangkan pada area header struktur mikro terlihat relative masih normal dengan struktur austenitnya dan beberapa twinning grain yang merupakan ciri khas dari material stainless steel. 4.3.2. MK-10 Presipitasi karbida di batas butir Secondary phase pada butir a. Area weldolet b. Area Pipe Creep void yang menyambung Intergranular menjadi microcrack Crack c. Weld Metal d. Area Header Gambar 8. Hasil Metalografi MK-12 perbesaran 100x Pada MK-10 ciri crack yang terjadi juga sama dengan yang terjadi pada MK-12, yaitu dengan mekanisme intergranular crack, terlihat bahwa crack bermula dari void-void yang terletak pada batas butir yang kemudian bergabung menjadi satu menjadi microcrack. Pada area weldolet juga telah nampak banyak terjadi presipitasi karbida pada butir. 4.3.3. MK-4 & MK-5 Pada MK-4 juga sudah terlihat microcrack pada material header, dimana crack juga terjadi dengan mekanisme intergranular, seperti pada Gambar 9. Sedangkan pada MK-5 pada material header juga terlihat creep void pada batas butir.

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 7 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Creep void Creep void Intergranular Crack Gambar 9. Hasil metalografi material header Gambar 10. Hasil metalografi material header MK-4 MK-5 4.4. In situ Metallography Pipa MK lainnya Pemeriksaan pada MK lain dilakukan sebagai evaluasi secara metalurgi kondisi struktur mikro material, baik pada header, weldolet maupun pipe. Dari hasil hasil pengujian, ditemukan mayoritas material juga telah mengalami aging dengan ditandai adanya presipitasi karbida pada batas butir serta sudah terbentuknya secondary phase pada matriks austenite. Selain itu juga ditemukan adanya creep void pada beberapa lokasi, hal ini berarti material tersebut sudah terpapar temperature tinggi dalam waktu yang lama. Intergranular Presipitat Crack karbida a. Weld Metal weldolet to header MK-8 b. Base Metal Weldolet MK-8

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 8 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Presipitat karbida Presipitat Transgranular karbida Crack c. Base material pipa MK-9 d. Base Metal Weldolet MK-9 Creep Void Secondary Phase e. Base Material Header MK-7 f. Base Material Header MK-2 Gambar 11. Hasil Metalografi pada Pipa MK lain Pengujian In situ metalografi juga dilakukan sampai dengan header dekat dengan flange outlet MKF, dimana area tersebut masih relative normal, tidak terdapat tanda-tanda material aging atau creep. a. Weld Metal b. Base metal Pipa Gambar 12. Struktur mikro pipa header dekat flange

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 9 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed 5. Evaluasi dan Analisis Dengan ditemukannya crack pada pipa MK yang tidak bocor mengindikasikan bahwa kegagalan bermula dari sisi luar pipa. Hal ini juga didukung bahwa crack terjadi pada area takikan/notch lasan weldolet, sesuai pada Gambar 13. Titik ini akan mengakibatkan adanya konsentrasi tegangan yang lebih tinggi pada area takikan lasan tersebut, sehingga rentan akan terjadinya kegagalan bermula dari titik tersebut. Gambar 13. Lokasi crack terjadi di weld toe yang memiliki area takikan (stress concentration) Crack yang terbentuk menandakan akibat adanya creep pada material, dimana crack akan semakin menjalar lebih banyak ketika dilakukan gerinda, sehingga susah untuk dihilangkan. Dari hasil uji metalografi juga mendukung kemungkinan tersebut, dengan ditandai adanya creep void pada batas butir yang mengakibatkan microcrack menjalar serta adanya presipitasi karbida pada batas butir. Selain itu, bukti bahwa material pipa MK ini telah terpapar temperature tinggi adalah telah terbentuknya secondary phase pada matriks austenite pada hampir seluruh pipa MK, terutama pada lasan dan base material weldolet. Butiran yang lebih besar pada weldolet membuktikan bahwa material tersebut juga terpapar temperature tinggi. a. As received penetrant test b. After grind Gambar 14. Kondisi crack ketika dilakukan gerinda yang semakin menjalar banyak

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 10 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Dari lokasi temuan bocoran pada MK-12 serta temuan hasil penetrant pada MK-9, MK-4 dan MK-5 diketahui bahwa crack memiliki orientasi nya hampir sama, yaitu searah dengan flow aliran gas. Hal ini kemungkinan besar diakibatkan karena adanya tegangan siklis karena proses ekspansi thermal material pada arah tersebut yang lama kelamaan akan mengakibatkan fatigue pada arah tersebut. Sehingga, selain creep, mekanisme kegagalan akibat fatigue juga berperan di area tersebut. Gambar 15. Mekanisme creep-fatigue [2], dimana yang terjadi pada pipa MK merupakan creep- fatigue interaction Kemudian, jika diperhatikan lebih detail, arah ekspansi thermal dari pipa, weldolet dan header kemungkinan tidak diakomodir dengan baik, dimana pipa MK sisi atas (inlet ke tube primary reformer) menggunakan fixed clamp, sehingga arah ekspan akan lebih bebas mengarah kebawah. Sedangkan header berada pada posisi menggantung pada pipa, sehingga arah ekspand hanya searah aliran gas (kanan-kiri). Kondisi ini menyebabkan adanya tegangan tarik dan kompresi pada sisi depan & belakang weldolet terus terjadi, ditambah lagi dengan operasional temperature tinggi, maka menyebabkan terjadinya creep fatigue pada area konsentrasi tegangan yang tinggi, ilustrasi seperti pada Gambar 16.

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 11 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Gambar 16. Ilustrasi arah ekspan / tegangan Fissure hingga microcrack terjadi dominan pada area weldolet dan header, terutama pada material lasan, sedangkan pada pipe sudah mulai terlihat tanda-tanda material sudah mengalami aging. Mengingat fenomena creep untuk material yang beroperasi pada temperatur tinggi tidak dapat diprediksi jika sudah mulai terjadi, direkomendasikan untuk dilakukan penggantian baru mulai dari Header Pipe (mulai dari flange outlet MKF), weldolet, dan Pipa MK 6 inch pada kesempatan Turn Around selanjutnya.

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 12 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Gambar 17. Rekomendasi lokasi penggantian baru 6. ANALISA TEGANGAN DARI DEPT. REKONS Analisa yang dilakukan oleh Dept Rekons menggunakan software permodelan Finite Element Analysis (FEA) ANSYS untuk mengetahui adanya konsentrasi tegangan yang menyebabkan crack pada sambungan weldolet. Mengacu pada crack yang terjadi pada tahun 2001 pada MK-8 s/d MK-12 akibat dari lock spring yang tidak dilepas dan dibiarkan beroperasi selama 1 tahun, maka kemungkinan spring support mempunyai peran besar dalam kegagalan tersebut. Oleh karena itu, skema permodelan kali ini dibuat dengan 3 kondisi simulasi dasar sebagai berikut : Gambar 18. Skema permodelan simulasi FEA

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 13 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed Dari permodelan tersebut didapatkan nilai tegangan terbesar pada sambungan weldolet header MK-12, dengan detail hasil sebagai berikut : a. Saat kondisi desain (seluruh sping bekerja normal), tegangan terbesar terjadi pada sambungan weldolet MK-12, namun masih dibawah yield strength b. Saat kondisi seluruh spring tidak bekerja sama sekali, tegangan pada sambungan weldolet MK-8 s/d MK-12 memiliki nilai tegangan melebihi yield strength sehingga memicu timbulnya crack c. Saat salah satu spring terdekat dengan U-bend tidak bekerja, tegangan pada sambungan weldolet MK-6 s/d MK-12 memiliki tegangan melebihi yield strength, sehingga memicu timbulnya crack. Gambar 19. Hasil simulasi tegangan 3 kondisi terhadap yield strength Berdasarkan kondisi spring support actual dimana masih bekerja secara normal (verifikasi saat operasi setelah TA), maka seharusnya beban yang bekerja pada weldolet masih dibawah yield strength, sehingga kemungkinan besar kegagalan pada sambungan weldolet diakibatkan oleh kondisi material yang sudah mengalami aging (sesuai hasil in situ metalografi), serta adanya notch/takikan pada lasan yang menyebabkan adanya konsentrasi tegangan. Hal ini didukung dengan hasil simulasi dimana pada kondisi spring normal pun, tegangan terbesar berada pada area sambungan weldolet yang searah dengan aliran, sehingga kegagalan rentan terjadi pada area tersebut. Gambar 20. Hasil simulasi kondisi 1 (spring bekerja normal)

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 14 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed 7. KESIMPULAN & SARAN 7.1.Kesimpulan Dari data serta analisa beberapa hasil pengujian dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : a. Bocoran crack berada pada lasan weldolet, dengan orientasi lokasi searah aliran gas. b. Sebagian besar material pipa MK, weldolet serta header secara metalurgi sudah mengalami creep serta aging yang menandakan telah mendekati umur pakai. c. Hasil pengecekan kondisi spring menunjukkan spring masih bekerja dengan normal. d. Dari hasil permodelan FEA, yang paling mendekati kondisi actual ada pada kondisi 1, dimana tegangan terbesar berada pada sambungan weldolet yang searah dengan aliran fluida, sehingga kegagalan rentan terjadi pada area tersebut. e. Kegagalan yang terjadi akibat interaksi creep-fatigue pada material karena beban thermal dan tegangan pada area crossover pipe MK yang diperbesar dengan adanya konsentrasi tegangan. 7.2.Saran a. Siapkan spare dan ganti semua weldolet, serta pipa MK ukuran 6 inch pada kesempatan TA selanjutnya b. Lakukan penggantian header pipe sampai dengan batas flange outlet MKF pada kesempatan TA selanjutnya Reported by Approved by Acknowledge by Ridwan S. Yudhistira P. P. Wildan Hamdani Superintendent Inspeksi Metalurgi Manager Inspeksi Teknik-2 Metallurgical & Inspection Engineer

MEMO TO FILE No. : /MTF/D23400/II.21 DEPARTEMEN INSPEKSI TEKNIK-2 Area : Ammonia Pabrik-2 Date : 09 Februari 2021 Item : Primary Reformer Furnace 101-B Page : 15 of 15 Item Name : Crossover Pipe Mixed Feed DAFTAR PUSTAKA [1] API 571.2020.Damage Mechanism Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry [2] Holdsworth, Stuart.2015.Creep-Fatigue Failure Diagnosis.EMPA: Swiss federal Laboratories for Materials Science and Technology Uberlandstrasse [3] ASTM A312.2017.Standard Specification for Seamless, Welded, and Heavily Cold Worked Austenitic Stainless Steel Pipes. [4] Murakami,S.2012.Continuum Damage Mechanism Chapter 8 Creep Damage and Creep Fatigue Damage.Springer Science Media [5] Vach, Marian.et.al.2008. Evolution of Secondary phases in austenitic stainless steels during long- term exposures at 600, 650 and 800 0C. Elsevier-Material Characterization [6] Laporan Analisis Stress Pada Sambungan Weldolet Header MK dengan Finite Element Method. CV Teknikin Intersolusi Indonesia-Dept Rekons