SEPT 2016
STUDY CASE FAILURE ANALYSIS
GOOSENECK FAILURE
TEAM #2 FA -01
TEAM MEMBER
■
EGY CIPTIA PUTRO
■
NAUFAL WAHYUDI
■
RAJA JOVIAN
■
ABDAN SYAKURA
■
YUDIANTO TANJUNG
■
NUR ARIEF MEYVIAWAN
■
M. KEMAL
■
AHMAD FADLI
■
AMELIA SYIFA H
■
M. NAFIES SHIHAB
■
M. AZIF
■
HANTORO RESTUCHONDRO S
■
FIKRI WAHYU PRATAMA
■
THEODORA PRADNYA
■
ADITYA WISNU PRAKOSO
A. Background Information
PT.
ABC
melaporkan
bahwa
Gooseneck yang
digunakan
untuk
menghubungkan antara kabin dan struktur pembuangan rusak saat perbaikan selama operasi tersebut. Bagian tersebut diberikan ke Metallurgical Department, University of Indonesia untuk di analisa. Berdasarkan informasi yang ada, gooseneck tersebut rusak pada 20 Agustus 2004. Sebelum itu terjadi, pada 8 Jni 2004 bagian Cushion Hitch (pengkoneksi kabin dengan gooseneck ) retak dan dilas mekanik. Dilaporkan juga bahwa per baikan dengan mengelas bagian atas dengan plat. Gooseneck itu sendiri digunakan sebagai pembawa tungku slag/ terak dengan temperatur terak pada tungku mencapai 1000 Oc. Gooseneck tersebut bagian dari mesin Haul Master dengan kecepatan 16 km/ jam.
B. Objective
Berdasarkan latar belakang di atas, maka tujuan dari analisa kerusakan adalah untuk mengetahui penyebab utama (root cause) dari peristiwa kegagalan yang terjadi pada Gooseneck berdasarkan data data yang diberikan. a. Hipotesa Awal
Berdasarkan studi kasus pada latar belakang dapat diambil hipotesa awal bahwa penyebab dari kegagalan gooseneck disebabkan oleh kesalahan pengelasan. b. Fishbone Diagram
Gambar 1. Fishbone Diagram Failure Analysis
Kita menelusuri mengapa gooseneck bisa patah. Kami menyimpulkan tiga kemungkinan yang bisa mebuat gooseneck patah yaitu material, proses operasi dan penyambungan (welding ). Pada Material, dilihat apakah material mempunyai properties yang tidak sesuai standarnya yaitu ASTM A36 dan ASTM A572. Lalu, Pada bagian operasi, apakah gooseneck mengalami pembebanan siklus kerja non stop sehingga menyebabkan retak dan terjadi cacat fatik atau baja karbon rendah dari gooseneck yang terkena suhu slag setinggi 1000 oC mengakibatkan mikrostruktur atau fase dari baja berubah sehingga kekuatan bahan gooseneck berubah sehingga tidak kuat menahan beban dan terjadi kegagalan. Pada Welding, apakah welding yang dilakuakan saat weld reinforcement tidak sesuai standar sehingga terjadi kegagalan seperti incomplete penetration ataukah filler yang digunakan tidak sesuai dengan base metal sehingga pencampuran tidak sempurna dan terjadi kegagalan. Jadi, dari ketiga kemungkinan itu kita menyimpulkan hipotesa awal bahwa kegagalan gooseneck disebabkan oleh kesalahan pengelasan.
C. Laboratory Investigation: a. C.1. Visual Observation
Gambar 2. Visual Observation
b. C.2. Chemical Comp. Exam. (Spectro
Gambar 3. Sampel Gooseneck dan Posisi Pengambilan Sampel Gambar di atas merupakan beberapa titik yang diambil untuk dilakukan pengujian. Berdasarkan analisis komposisi kimia, terjadi perbedaan komposisi beberapa unsur hasil pengujian dengan literatur yang ada. Tabel berikut menjelaskan bahwa terdapat unsur Mangan yang komposisinya kurang dari spesifikasi baja A36 di plat nomor II dan III. Tabel 1.
Tabel 2.
Komposisi kimia yang tidak sesuai dengan spesifikasi yang ada di plat II dan III menyebabkan beberapa perbedaan sifat mekanik baja A36. Berikut merupakan perbandingan sifat mekanik baja A36 dari hasil pengujian dan literatur.
c. C.3. Mechanical Testing
Tabel 3.
Tabel 4.
Dari data di atas, dapat disimpulkan bahwa yield strength dari material lebih tinggi dibandingkan spesifikasi dari literatur. Hal ini pun terjadi juga pada data elongation. Sehingga dari data ini dapat disimpulkan bahwa baja A36 yang digunakan lebih ulet dibandingkan spesifikasi yang berasal dari literatur. d. C.4. Metallographic Testing I
III
Gambar 4.
II
V
Pada Gambar 1 hingga gambar 3 memperlihatkan pengujian metallography pada bagian goosneck atau material induk, sedangkan gambar 4 memperlihatkan pengujian pada bagian plat. Berdasarkan gambar yang ditunjukkan diatas memperlihatkan bahwa material induk memili ki fasa yang di dominasi oleh konstituen putih yang dianggap sebagai ferrite, sedangkan gambar 4 memperlihatkan dominasi konstituen hitam yang dianggap sebagai cementite. Hal tersebut mengindikasikan bahwa material induk memiliki keuletan yang lebih tinggi dibandingkan dengan plat sehingga dapat diindikasikan terjadinya penyambungan dissimilar metal yang memiliki sifat mekanik yang berbeda.
e. C.5. Fractography Examination (macro & Micro)
Gambar diatas menunjukkan pengujian fractography, untuk gambar disebelah kiri diindakasikan sebagai kejadian overlapping pada saat penyambungan material sehingga terdapat daerah-daerah yang memiliki sifat mekanik yang berbeda-beda. Sedangkan untuk gambar disebelah kanan menunjukkan perpatahan intergranular yang berkontribusi pada terjadinya patahan ulet pada skala makro.
Gambar selanjutnya menunjukkan daerah bagian sambungan antara plat dan material induk. Ditunjukkan bahwa adanya kekosongan pada bagian lingkaran merah yang dapat diindikasikan sebagai kecacatan saat proses penyambungan atau juga merupakan perambatan dari retak yang terjadi dibagian lain.
f.
C.6. Chemical Comp. Exam. (EDS, XRD/XRF)
Gambar 5. Gambar diatas menunjukkan bukti adanya MnS pada plat yang di konfirmasi dengan pengujian komposisi kimia. Adanya MnS ini dapat berpengaruh lebih pada peretakan material yang akan dijelaskan pada bagian selanjutnya.
g. C.7. Summary of Finding
Berdasarkan informasi yang kami terima, gooseneck ini menggunakan material dasar berupa baja AISI A36. Termasuk baja karbon rendah, dengan beberapa elemen paduan yang dijelaskan pada bagian sebelumnya. Namun pada material yang mengalami patahan, kandungan kimia berupa mangan lebih rendah daripada spesifikasi seharusnya. Data kekerasan dari material pengelasan menunjukan, bahwa material bagian weld bead memiliki kekerasan yang lebih tinggi dibanding daerah sekitarnya. Perpatahan terjadi pada bagian yang kekerasannya lebih rendah.
Data uji tarik juga menunjukan hal yang sama dimana material yang disekeliling memiliki kekiatan tarik dan kekuatan luluh lebih rendah dengan elongasi yang lebih tinggi. Berdasarkan perpatahan yang terlihat (makro dan viusal) terlihat beberapa perpatahan gooseneck terlihat cacat welding yang kemungkinan seperti overlapping atau incomplete penetration. Pada batas butir terlihat perpatahan yang merambat disepanjang batas butir yang kemungkinan hal ini menyebabkan patah jenis ulet. Jika diperbesar lagi menggunakan SEM, maka akan menemukan bagian perukaan yang memiliki dimpel. Pada pengujian EDS, material yang patah memiliki kandungan unsur dominan berupa mangan dan sulfur. Kemungkinan, kedua unsur ini bereaksi menjadi senyawa mangan sulfida. Mangan sulfida bisa menimbulkan microvoids pada material. Jika microvoids semakin banyak maka kemungkinan bisa membentuk dimpel.
D. Analysis
a. I mproper Welding
Gambar 6. Tidak adanya record mengenai jenis pengelasan yang digunakan oleh perusahaan menyebabkan langkah evaluasi terhadap proses sedikit terganggu. Namun dari pengamatan visual, kemungkinan jenis pengelasan yang digunakan adalah SMAW atau yang lebih dikenal dengan stick welding . Metode SMAW ini merupakan metode yang paling luas digunakan oleh industri, karena 50% operasi penyambungan material di industri skala besar menggunakan metode ini. Kelebihan dan kekurangan dari metode SMAW ini dijelaskan pada tabel berikut.
Keuntungan
Kelemahan
Peralatan yang simpel, murah, dan
Kecepatan depositnya rendah dan adanya
portabel.
terak ( slag ).
Dapat digunakan untuk berbagai
Lasan tidak terproteksi dari atmosfer
macam posisi las.
secara baik.
Digunakan workshop,
untuk pipa
repair saluran,
sebagainya.
di dan
Kemungkinan pengotor
terjadi
lebih
tinggi
inklusi
atau
dibandingkan
proses pengelasan lainnya.
Dari data yang ada, proses SMAW ini semakin kuat digunakan pada proses pengelasan awal untuk menambal crack yang terjadi karena terdapat inklusi yang ada sebagai akibat proses pengelasan yang tidak benar. Proses pengelasan yang tidak benar (tidak dilakukan sesuai dengan prosedur yang ada) menyebabkan cacat pengelasan. Dari pengamatan makro menggunakan mikroskop optik ditemukan bahwa terdapat salah satu jenis cacat pengelasan, yaitu incomplete penetration. Berikut merupakan gambar yang mendukung cacat pengelasan tersebut terjadi.
Gambar 7. Penyebab terjadinya cacat pengelasan ini adalah :
Arus yang digunakan terlalu rendah.
Diameter elektroda yang digunakan terlalu besar.
Tidak cukup gap (celah).
Sudut kawat las terlalu curam.
Urutan pengelasan tidak benar.
Gambar 7.
b. F iller and Material Mismatch Pengujian kekerasan dengan metode Vickers dilakukan pada 4 titik pada material hasil pengelasan. Secara umum, keempat titik tersebut mencakup bagian base metal dan filler metal. Keempat titik dipilih secara berurutan dari base metal hingga bagian pengelasan akhir (weld metal ). Secara skematik, terdapat pada gambar 8 dibawah ini.
Gambar 8 Hasil pengujian dirangkum kedalam tabel, dan setelah diamati terdapat perbedaan nilai yang cukup signifikan antara bagian satu dengan bagian yang lain.
Pada tabel diatas, dapat dilihat bahwa pada bagian D atau base metal nya, nilai kekerasan yang didapat hanya sebesar 191 HV tetapi pada bagian C yaitu bagian filler metal -nya, nilai kekerasan yang didapat sebesar 433 HV. Perbedaan nilai kekerasan sebesar 242 HV tersebut menunjukkan bahwa filler metal yang digunakan memiliki mechanical properties yang cenderung tidak sesuai, yitu nilai tensile dan hardness yang terlalu besar. Pengelasan seperti ini jika dipaksakan akan menyebabkan tidak menyatunya filler metal dan base metal, sehingga mechanical properties dari hasil pengelasan seperti ketahanan fatigue akan menurun dengan signifikan.
c. Weldment Overlapping Weldment overlapping merupakan cacat yang terjadi pada material setelah pengelasan akibat dari aliran logam cair (filler) yang mengalir dari permukaan logam induk tanpa terjadinya fusi diantara keduanya. Hal ini biasa terjadi pada bagian bawah ujung dari hasil lasan. Penyebab cacat ini antara lain: •
Kontaminasi
•
Kecepatan pengelasan rendah
•
Arus yang tinggi
•
Teknik welding yang salah
Overlap ini merupakan masalah permukaan material. Jadi sebelum mengelas supaya tidak terjadi overlap, perlu diperhatikan bagian-bagian material yang memiliki permukaan yang tidak rata. Overlap yang sudah terjadi bisa dihilangkan. Caranya adalah dengan berhati-hati mencampurkan material yang tercecer keluar dengan base metalnya. Pencampuran ini bisa dengan grinding namun perlu diperhatikan cacat-cacat yang bisa berdifusi kedalam. Untuk mengecek cacat-cacat yang terjadi bisa menggunakan metode Non Destructive Test (NDT) berupa radiography testing untuk melihat cacat menyeluruh.
d. Lamellar Tearing Cacat ini bermula dari inklusi MnS yang berbentuk pipih akibat proses rolling atau jenis inklusi lainnya yang kemudian mengalami perpatahan pada antar muka antara matriks dengan inklusi. Pertumbuhan retak terjadi pada arah vertikal ataupun bersudut, ductile tearing terjadi pada arah paralel pada celah antara matriks dan inklusi mengakibatkan terbentuknya retak yang menyerupai anak tangga. Tiga kondisi yang menandakan terjadinya lamelar tearing diantaranya: 1. Adanya peregangan pada arah short transverse pada plat yang timbul dari penyusutan weld metal atau dari reaksi dengan sambungan 2. Orientasi pengelasan: pada bagian fusion boundary paralel dengan permukaan plat 3. Material memiliki keuletan yang buruk pada arah short transverse Penyebab utama lamelar tearing antara lain:
Pelat baja yang memiliki keuletan yang rendah pada arah tebal atau vertikal
Mengandung banyak pengotor
Batas lebur yang mendekati sejajar dengan permukaan pelat
Level tegangan sisa yang tinggi
Adanya tegangan pada sambungan selama pengelasan
Level hidrogen pada logam induk
Lalu metode yang dapat dilakukan untuk mengurangi kemungkinan terjadinya lamelar tearing pada pengelasan, yaitu:
Pengurangan kadar sulfur
Penambahan Ce dan Ca yang menghasilkan butir bukan logam yang berbentuk bulat sehingga mengurangi kepekaan terhadap lamelar tearing
Lamelar tearing merupakan salah satu cacat pengelasan yang harus dihindari karena dapat menyebabkan kegagalan akibat retak yang ditimbulkan. Oleh karena untuk mencegah terjadinya cacat pengelasan ini, harus diperhatikan hal-hal berikut: 1. Kualitas logam induk harus bagus dan bebas pengotor 2. Desain sambungan harus tepat 3. Jumlah stress dan restraint selama pengelasan harus seminimal mungkin 4. Kadar hidrogen tidak boleh terlalu tinggi Bukti adanya MnS pada plat dapat dilihat dari hasil pengujian EDS dan SEM di bawah ini. Pada hasil pengujian EDS, jelas terlihat bahwa unsur yang paling dominan adalah sulfur dan mangan. Kadar unsur sulfur dan mangan yang cukup tinggi tersebut, menyebabkan terbentuknya senyawa MnS yang dapat berinklusi pada material.
e. Forming of MnS
Inklusi MnS terjadi akibat kadar sulfur yang tinggi. Kadar sulfur di atas 0.01% dapat menyebabkan terbentuknya inklusi MnS. Pada kasus ini, pada foto SEM terdapat daerah (plate v) yang diprediksi merupakan inklusi MnS. Hal ini diperkuat dari hasil pengujian EDS.
■
Material penyusun utama gooseneck A36 steel (bagian dalam).
■
Menurut ASTM A36 dan literature lain mencapai 0.05%, inklusi MnS.
ini
kandungan
Sulphur didalamnya
tergolong tinggi sehingga cenderung membentuk
■
Berikut ialah detail mechanical properties dan composition dari A36 steel dan hasil OES material:
Grain Size
Dapat dilihat di berbagai ukuran butir tingginya kadar sulfur mempengaruhi area frequency dari setiap ukuran butir. Hal ini terjadi ketika material yang memiliki kadar sulfur tersebut diberi perlakuan mekanis seperti rolling, maka material yang memiliki kadar sulfur rendah akan memilih bijih yang lebih halus karena lebih mudah terelongasi jika dibandingkan dengan material yang memiliki kadar sulfur yang lebih tinggi. Hal ini dapat ditunjukkan pada grafik di bawah yang merupakan grafik perbandingan ukuran butir antar material dengan kadar sulfur yang berbeda dan diberi perlakuan rolling dengan berbagai sudut.
Dapat dilihat bahwa material dengan kadar sulfur tinggi memiliki grain size yang lebih besar atau kasar dibandingkan dengan material yang memiliki kadar sulur kecil. Hal ini didukung dengan foto penampang SEM di bawah ini.
Perbandingan Material HS (High Sulfur) & LW (Low Sulfur) Tensile stress-strain
Dapat terlihat Tensile Strees pada baja Low Carbon Steel mengalami penurunan kekuatan pada saat sulfur memiliki kandungan atau % yang tinggi. ■
Dampak dari inklusi MnS diantaranya:
1. MnS dapat menciptakan micro void yang dapat menjadi inisiasi retak. 2. Mengurangi kekuatan mekanis dari material karena membuat grain structure pada material lebih kasar. 3. Mengurangi kekuatan mekanis dari material akibat microvoids yang terbentuk 4. Ukuran dan fraksi dari inklusi MnS menyebabkan anisotropi pada tensile ductility. 5. Menurunkan Fatigue strength ketika inklusi tersebut terelongasi.
E . Conclusion Berdasarkan hasil analisa kegagalan di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: Penyebab kegagalan utama (Root Cause) pada Gooseneck adalah karena adanya inklusi MnS pada material Gooseneck yang menyebabkan terbentuknya microvoids dan dimples serta pengelasan yang kurang benar. Sehingga hasil kesimpulan tidak sesuai dengan hipotesa awal.
F . Recommendation 1. Pemilihan metode pengelasan yang sesuai Sesuai dengan lingkungan kerja pada Gooseneck , jenis pengelasan yang sesuai adalah GMAW (Gas Metal Arc Welding). Metode ini menggunakan elektroda solid, dan gas pelindung yang mencegah kontaminasi dengan udara terbuka. Dengan metode ini maka keberadaan hidrogen pada sistem dapat diminimalisir sehingga perambatan crack (sesuai kasus awal sebelum pengelasan) dapat dicegah. 2. Pemilihan filler Filler yang dipilih sebaiknya adalah elektroda yang memiliki kandungan hidrogen rendah, yaitu dari jenis T-1 (acid slag ), T-2 ( single pass welding ) dan T-5 (basic slag ). Tipe T-1 bisa digunakan dengan gas CO 2, Ar, ataupun kombinasi keduanya. Tipe T-2 mengandung mangan (Mn) sehingga cocok untuk penggunaan pada logam dengan situasi mudah terjadi korosi. Tipe T-5 adalah tipe elektroda yang memiliki kandungan hidrogen rendah, sehingga ketahanan impak dan ketahanan retak akan naik secara signifikan. Contoh elektroda menurut tipe di atas diantaranya:
LB52/ E-7016
LB52-18/ E7018
Er 308
Thermanic Chromo T 91 (EN 1599 atau AWS A 5.5)
Thermanit 25/09 CuT
