Teknologi Perbaikan (Repairing) untuk Komponen Turbin Gas dan Turbin Uap

Di Indonesia sebagian besar pembangkit tenaga listrik menggunakan turbin gas atau turbin uap, baik untuk skala pembangkit yang besar atau yang kecil. Sistem turbin beroperasi pada kondisi tegangan yang besar, suhu yang tinggi dan lingkungan yang korosif. Oleh karena itu, komponen untuk sistem turbin harus menggunakan material suhu tinggi yang tahan oksidasi, tahan korosi, tahan mulur (creep) dan tahan lelah (fatigue) seperti baja tahan karat, paduan super berbasis nikel atau cobalt. Untuk lebih meningkatkan ketahanan oksidasi dan korosi, komponen juga dilapis dengan difusi aluminide (NiAl), overlay (NiCrAlY) atau keramik penghalang panas (thermal barrier coating) seperti Zirkonia yg distabilkan Yittria. Meskipun demikian kegagalan komponen seringkali terjadi pada sistem turbin ini yang disebabkan oleh berbagai hal seperti kesalahan design (pemilihan material, geometri dll), cacat pembuatan, dan kondisi dan lingkungan operasi. Kegagalan komponen yang prematur (unpredictable failure) bisa menyebabkan pemadaman sistem (shutdown), ledakan api, kebocoran gas dan kerugian produksi. Untuk pemulihan sistem dengan pertimbangan waktu dan ekonomi, perbaikan komponen (repair) lebih cocok dibanding penggantian komponen baru. Pilihan ini tentunya dengan mempertimbangkan pula tingkat kerusakan komponen sehingga layak dilakukan perbaikan. Selain itu sebelum melakukan operasi perbaikan ini, perlu dilakukan pula analisa kegagalan komponen untuk menentukan penyebab utama kegagalan tersebut sehingga operasi perbaikan dapat dilakukan untuk mencegah terjadinya kembali kegagalan serupa. Operasi perbaikan komponen biasanya dilakukan dengan proses pengelasan (welding) dan dan faktor-faktor yang mempengaruhinya adalah mampu las material, tipe kerusakan material, ketersediaan metoda dan bahan pengelasan, perlakuan panas sebelum atau sesudah pengelasan, inspeksi setelah perbaikan dengan uji tak merusak (Non-destructive test), proses pelapisan (coating) dan sebagainya.

ANALISA STRUKTUR MIKRO PADA PENGELASAN 17-4 PH DENGAN TIG

Oleh : Efendi Mabruri

Heat input pada waktu pengelasan menyebabkan daerah base metal di sekitar logam las (fusion zone) menerima panas yang tinggi dan menyebabkan perubahan struktur mikro pada daerah ini yang disebut HAZ (Heat Affected Zone). Sehingga setelah pengelasan (as-weld) akan terbentuk tiga daerah yang berbeda berdasarkan struktur mikro yaitu fusion zone, HAZ dan base metal. Struktur mikro base metal 17-4 PH adalah sepenuhnya martensit pada kondisi anil dan pada kondisi aging terdiri dari martensit + fasa presipitat kaya kandungan Cu (Cu-rich presipitates). Setelah pengelasan, struktur mikro fusion zone (menggunakan filler AWS ER 630) berupa martensit dan beberapa persen (sekitar 3-8%) ferit. HAZ memiliki struktur mikro seperti base metal dan dapat dicirikan oleh adanya:

• Pertumbuhan butir (grain growth)

• Meningkatnya jumlah ferit pada daerah yang sangat dekat dengan batas lelehan (fusion line).

Struktur mikro seperti itu akan menyebabkan penurunan sifat mekanik. Untuk mengatasinya maka perlu dilakukan perlakuan panas setelah pengelasan (PWHT-Post Weld Heat Treatment). PWHT juga diperlukan untuk menghilangkan tegangan sisa (stress relieving) yang terbentuk akibat pengelasan. Dengan mempertimbangkan ketebalan benda kerja yang 4 mm dan multipass welding, PWHT yang dilakukan adalah:

• Solution treatment (ST) pada 1035 ^oC selama 1 jam dan pendinginan udara. Ini akan menurunkan jumlah ferit dan memperkecil ukuran butir pada fusion zone dan HAZ.

• Aging pada 510 ^oC selama 2 jam dan pendinginan udara. Ini akan menemper martensit dan juga terjadi precipitation hardening pada fusion zone, HAZ dan base metal.

Synthesis of Barium Hexaferrite Magnet from the Oxides of Cold Rolling Mill Wastes

Efendi Mabruri


SUMMARY

Barium hexaferrite or BaFe12O19 is the most widely used ceramic magnet for many application and still place the top of global permanent magnet market in term of monetary value and product weight because of inexpensive raw material availability and the simplicity of the process. Research on the synthesis of barium hexaferrite magnet was conducted for getting useful of the oxides of cold rolling mill wastes. The oxides of cold rolling mill wastes were ground in ball mill to decrease the particles size down to -400 meshes. XRD analysis of the oxide powders showed all intensity peaks corresponded with those of Fe2O3. Then the oxides were mixed with BaCO3 at certain composition in ball mill and subsequent calcined to get barium hexaferrite compounds and XRD analysis on powders resulted from mixing and calcining at 1200oC for 3 hours showed all intensity peaks corresponded with those of BaFe12O19. After reground in ball mill to decrease the particles size down to the average of 1,5mm, the barium hexaferrite powders were then pressed and sintered at a range of temperature of 1000, 1100, 1200, 1225, 1250 and 1300oC in air and the influence of sintering temperature and time on magnetic properties and microstructures were studied. The magnetic properties measurement by permagraph showed that Br, Hc and (BH)max of barium hexaferrite increased as sintering temperature raised from 1000oC to 1200oC and decreased at higher temperature of sintering. The increasing of these magnetic properties is related to the increasing of magnet densities as sintering temperature raised up to 1200oC. The grain growth developed after sintering at the temperature over 1200oC to 1300oC characterized by SEM caused the magnetic properties slightly decreased. In the range of experimental parameter used, the higher magnetic properties achieved by magnet sintered at temperature of 1200oC and time of 2 hours.

(Makalah lengkap diterbitkan di Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi No.2, Vol.III, Agustus-September 2003)

ANALISA KEGAGALAN SUDU TURBIN TURBOCHARGER

Oleh :

Efendi Mabruri, I.Nyoman G.P.A, Toni B.R., Budi Priyono

Pusat Penelitian Metalurgi - LIPI

Kawasan Puspiptek Gd.470 Serpong, Tangerang 15314

Email: efendi_lipi@yahoo.com

Abstrak

Telah dilakukan investigasi kegagalan sudu turbin pada turbocharger yang beroperasi pada 40.000 rpm. Sudu turbin terbuat dari paduan-super nikel dan pengujian menunjukkan material memiliki komposisi, struktur mikro dan kekerasan yang sesuai. Kerontokan terjadi pada seluruh ujung sudu turbin akibat benturan sedangkan patah terjadi pada salah satu sudu turbin. Terlihat juga adanya retak pada seluruh sudu pada lokasi yang sama dengan lokasi patahnya sudu yang patah. Pengamatan fraktografi pada sudu turbin yang patah menunjukkan kegagalan sudu turbin diakibatkan oleh fatigue akibat tegangan torsi yang dialami sudu selama operasi.

Abstract

The investigation had been carried out on the failure of Ni-base superalloy turbine blades operated at 40.000 rpm. The turbine blade material was found satisfactorily with respect to composition, microstructure and hardness. Fracture occurred on one of the blades. The cracks originated from the edge of the blades observed on several unfractured blades at the same location with the fractured blade. Fractographical examination on fractured blade showed that the failure of the blades was attributed to fatigue, which developed due to concentration of torsional stress experienced to the blades during service.

I. PENDAHULUAN

Pada sistem turbocharger , turbin berfungsi untuk menggerakkan kompresor sehingga dapat menghisap udara atmosfir yang lebih banyak. Turbin ini digerakkan oleh gas buang hasil pembakaran mesin atau motor bakar. Sistem turbocharger ini digunakan untuk meningkatkan jumlah udara atau campuran bahan bakar-udara segar sehingga dapat meningkatkan daya motor sekitar 30-80%. Sebuah sistem mesin yang menggunakan turbocharger secara skematis diperlihatkan oleh gambar 1.Turbin yang digerakkan oleh gas buang ini mengalami putaran yang cukup tinggi yang dapat mencapai puluhan ribu rpm pada suhu yang tinggi pula, sehingga sangat rentan sekali terhadap kelelahan (fatigue) dan oksidasi komponennya terutama sudu turbin. Untuk mengakomodasi masalah ini biasanya sudu turbin terbuat dari material khusus yang dapat bertahan ter hadap oksidasi suhu tinggi dan putaran tinggi seperti baja taha karat austenitik dan paduan super (superalloys).

Suatu kegagalan telah terjadi pada turbin sistem turbocharger jauh di bawah umur normalnya. Turbin tersebut beroperasi padakecepatan putar 40.000 rpm dan seharusnya dapat bertahan sampai umur 10.000 jam. Akan tetapi setelah beroperasi selama 560 jam turbin mengalami kegagalan dan tidak dapat beroperasi kembali. Kegagalan terjadi setelah sebelumnya dilakukan overhaul (in-take manifold dibersihkan). Terdengar suara bising selama lima menit sebelum terjadi kegagalan turbin. Pada tulisan ini akan dipaparkan analisa kegagalan untuk mengetahui jenis kegagalan yang terjadi pada turbin.

Gambar 1. Skematis sistem mesin yang menggunakan turbocharger

(makalah lengkap ada di Prosiding Seminar Metalurgi Nasional ,Jakarta 2003)

MENGENAL JENIS-JENIS MATERIAL (4)

Kali ini saya akan menjelaskan secara singkat tentang apa itu semikonduktor.

SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor merupakan material yang memiliki harga resistivitas di antara konduktor dan isolator. Konduktivitas semikonduktor dapat bervariasi di dalam medan listrik tertentu. Di dalam konduktor logam, arus dibawa oleh aliran elektron. Sedangkan di dalam semikonduktor arus bisa dibawa oleh aliran elektron atau oleh aliran lubang bermuatan positif di dalam struktur elektron material. Peralatan semikonduktor meliputi transistor, diaoda termasuk LED (light emitting diode), dan IC analog dan digital. Material semikonduktor yang utama adalah unsur-unsur Silikon dan Germanium yang terikat secara kovalenn dan juga beberapa senyawa kovalen lainnya seperti GaAs, CdTe dan InP. Sebenarnya semikonduktor dapat pula dikatakan sebagai subgroup dari keramik, karena karakteristik ikatan dan sifat-sifat mekaniknya samapa dengan keramik. Dengan pertimbangan kepentingan komersialisasi dari semikonduktor, material ini dikategorikan terpisah dari keramik. Semikonduktor harus diproses dengan teknik tertentu yang menjamin kontrol yang akurat terhadap komposisi dan struktur, karena material ini harus menunjukkan tingkat duplikasi sifat yang tinggi yang dibutuhkan oleh industri mikroelektronik. Kenyataannya, teknik pemrosesan semikonduktor merupakan yang paling canggih diantara teknik pemrosesan material (sebagai contoh, konsentrasi pengotornya cuma beberapa atom untuk setiap miliar atom tuan rumah).
Pada diskusi yang lalu tentang komposit, difokuskan pada penggunaan untuk aplikasi struktur. Sekarang kita perlu juga memahami bahwa peralatan mikroelektronik pada dasarnya juga merupakan komposit dimana dua atau lebih material dengan sifat yang berbeda (konduktor logam, unsur semikondukting aktif, dan isolator keramik) harus digunakan secara sangat berdekatan. Peluang utana dalam bidang mikroelektronik terletak pada miniaturisasi dan fabrikasi peralataan-peralatan di mana komponen-komponennya merupakan struktur komposit dalam skala submikron.

Mengenal Jenis-Jenis Material (3)

Setelah beberapa waktu absen menulis, kali ini saya akan meneruskan topik ini. Dalam postingan yang lalu saya sudah menjelaskan logam, keramik dan polimer, dan kali ini akan dijelaskan tentang komposit.

KOMPOSIT
Komposit adalah kelompok dari material yang terbentuk dengan menggabungkan dua (atau lebih) material dasar. Material yang satu bertindak sebagai matrik sedangkan material yang lainnya bertindak sebagai penguatnya, misalnya polimer sebagai matriknya, serat sebagai penguatnya sehingga dikenal dengan fiber-reinforced polymer matrix composites. Sifat-sifat dari material komposit ini merupakan gabungan dari sifat-sifat material penyusunnya, di mana sifat gabungan ini tidak bisa dicapai dengan memproses material tunggal. Contoh lain dari komposit misalnya kayu lapis, beton, ban karet yang diperkuat dengan baja, aluminium yang diperkuat oleh alumina (alumina-reinforced aluminum matrix composites) dan lain-lain. Penggunaan yang paling umum dari komposit yang diperkuat oleh serat oleh fiber adalah sebagai material struktur yang memerlukan rigiditas, kekuatan dan densitas yang rendah (ringan). Sekarang ini raket tenis dan sepeda balap terbuat dari komposit epoksi-fiber yang kuat, ringan dan harganya tidak terlalu mahal. Dalam komposit ini, fiber/serat karbon tertanam di dalam matrik epoksi. Serat karbon memiliki kekuatan yang tinggi dan rigid tetapi keuletannya terbatas atau getas. Karena kegetasan ini maka tidak akan praktis jika raket tenis hanya terbuat dari karbon saja. Sedangkan epoksi yang tidak terlalu kuat, dalam komposit ini memiliki dua peran penting. Dia bertindak sebagai media untuk mentransfer beban ke serat, dan antarmuka serat-matrik membelokkan dan menghentikan retak kecil, sehingga membuat komposit dapat menahan retak lebih baik dari pada komponen/material tunggal pembentuknya.
Kekuatan dan rigiditas komposit serat karbon-epoksi dapat dikontrol dengan memvariasikan jumlah serat karbon yang dimasukkan ke dalam matrik epoksi. Kemampuan untuk mengatur sifat-sifat ini dan dikombinasikan dengan densitas yang rendah dan kemudahan fabrikasinya menjadikan material ini alternatif yang sangat menarik untuk berbagai aplikasi. Disamping untuk peralatan olah raga seperti dijelaskan tadi, komposit tersebut digunakan dalam pesawat udara seperti sudu-sudu kipas (fan blades) dalam mesin jet dan untuk permukaan kontrol dalam struktur pesawat.
Komposit dapat juga dibuat dengan memasukkan serat keramik yang kuat ke dalam matrik logam untuk menghasilkan material yang kuat dan rigid. Sebagai contoh, serat SiC dimasukkan ke dalam matrik aluminium. Komposit ini yang dikenal dengan komposit bermatrik logam (metal matrix composites) digunakan sebagai material struktur pesawat untuk komponen yang terkena beban menengah seperti skin badan pesawat.
Sedangkan komposit serat logam dalam matrik keramik dibuat untuk mendapatkan keuntungan dari kekuatan keramik dan mendapatkan keuletan dari serat logam yang dapat mendeformasi dan membelokkan retak. Pada waktu retak terbelokkan, dibutuhkan beban yang lebih agar retak tetap menjalar, dan karenanya material menjadi lebih tangguh.
Berikut ini beberapa kemungkinan pengembangan baru bagi komposit:

• Potensi yang besar untuk mengurangi berat pesawat terbang. Penggunaan awal adalah untuk komponen dengan pembebanan ringan seperti penstabil vertikal dan permukaan kontrol yang terbuat dari komposit serat karbon-epoksi. Dengan komposit bermatrik logam, akan dimungkinkan penggunaan yang lebih luas termasuk untuk komponen dengan pembebanan yang berat.
• Komposit bermatrik keramik yang tahan suhu tinggi akan meningkatkan suhu operasi dari mesin.
• Peluang yang signifikan dalam peningkatan penggunaan komposit adalah untuk belajar mendisain dengan material yang mempunyai modus kegagalan yang sangat berbeda dengan material konvensional.

Bersambung...
Reff: Schaffer et all.

MENGENAL JENIS-JENIS MATERIAL (2)
Pada kesempatan yang lalu saya telah memperkenalkan sekilas tentang logam dan keramik. Kali ini saya akan meneruskan membahas tentang jenis-jenis material yang lain yaitu polimer.

POLIMER
Polimer terdiri dari molekul-molekul yang membentuk rantai yang panjang dalam bentuk grup-grup yang berulang. Unsur-unsur yang umum dalam rantai utama meliputi C, O, N dan Si. Sebagai contoh, polimer yang umum dengan struktur yang sederhana adalah polietilen. Strukturnya adalah sebagai berikut:



Ada dua macam ikata dalam polimer yaitu ikatan primer dan sekunder. Ikatan dalam rantai utama adalah ikatan primer yang kovalen, karenanya rantai-rantai molekulnya sangat kuat. Sedangkan antar rantai utama ikatannya adalah ikatan sekunder yang relatif lemah. Ini berarti pada umumnya rantai-rantai mudah mengalamai "sliding"dengan rantai lainnya jika dikenakan beban gaya, dan karenaya kekuatannya relatif rendah. Selain itu, banyak polimer cenderung melunak pada pemanasan ke suhu sedang, sehingga umumnya polimner tidak digunakan untuk aplikasi suhu tinggi.
Walaupun demikian, polimer memiliki sifat-sifat yang yang membuatnya menarik di berbagai aplikasi.Karena polimer mengandung unsur-unsur yang umum dan relatif murah proses sintesanya, atau bahkan terdapat di alam, menjadikan polimer dapat diperoleh dengan murah. Polimer juga memiliki densitas yang rendah dan mudah dibentuk menjadi bentuk yang komplek. Karenanya polimer dapat menggantikan logam untuk komponen-komponen otomotif dan pesawat terbang, terutama komponen yang tidak mendapat beban yang tinggi. Karena sifat-sifatnya, dan juga tidak bereaksi dengan senyawa kimia (tapi yang ini masih diperdebatkan), polimer digunakan sebagai wadah minuman dan sebagai pipa saluran air.
Seperti juga logam dan keramik, sifat-sifat polimer dapat dimodifikasi dengan perubahan komposisi dan dengan pemrosesan. Sebagai contoh, penggantian salah satu dari empat atom H dengan cincin benzena dapat merubah polietilen menjadi polistiren. Jika grup benzena di dalam polistiren digantikan dengan satu atom Cl, akan terbentuk polivinilklorida (PVC). Atom Cl akan membatasi mobilitas rantai lebih kuat dari atom H tetapi lebih lemah dari cincin benzena. Tiga jenis polimer ini mengilustrasikan prinsip dasar yang berlaku bagi semua material, yaitu hubungan antara struktur material dan sifat-sifatnya.
Beberapa aplikasi polimer yang potensial saat ini adala;

• Pengembangan polimer bio-degradable menawarkan potensi untuk meminimalkan pengaruh negatif pada lingkungan.
• Teknologi polimer kristal-cair memungkinkan pengembangan material struktur yang ringan.
• Polimer konduktor listrik dapat menggantikan kawat logam konvensional untuk apllikasi kabel listrik yang ringan pada pesawat ruang angkasa.
• Pengembangan komposit matrik polimer dengan penguat serat alam untuk aplikasi bodi otomotif.

Sekian dulu ya...bersambung....
Referensi; J.P. Schsffer et all.