KEGAGALAN PADA KOMPONEN POMPA EKSPLORASI MINYAK DI LAUT NATUNA
I. Latar Belakang
Dilaporkan bahwa telah terjadi kegagalan pada non-return valve yang digunakan pada eksplorasi minyak pada Laut Natuna. Klasifikasi valve yang digunakan adalah 16K-150. Valve tersebut digunakan untuk mengalirkan air laut dan berperan sebagai gating system. Air laut mengalir dari saluran yang berada pada sisi bawah lalu masuk ke saluran yang berada pada sisi kanan. Valve dioperasikan dengan diputar secara manual oleh operator di lapangan. Kegagalan terjadi pada tekanan sekitar 5 kg/cm2 di bawah tekanan kerja (16 kg/cm2). Pada komponen tersebut terlihat tanda-tanda korosi pada bagian ujung perpatahan.
Perpatahan terjadi pada bagian valve body. Perpatahan yang terjadi termasuk ke dalam perpatahan getas (brittle). Pada bagian valve body terjadi percabangan crack. Selain itu, terjadi korosi yang parah pada bagian luar valve, yaitu pada bagian dengan cat yang terkelupas. Bentuk katup dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 1. Grey cast iron valve yang mengalami premature failure.
Series F7369-JIS 16K
Cast Iron Gate Valve
II. Tujuan dan Ruang Lingkup Investigasi
Tujuan investigasi adalah untuk menyelidiki penyebab utama terjadinya premature failure yang terjadi pada gray cast iron valve body yang digunakan dalam lingkungan air laut, dimana bagian permukaan inner body terekspos secara berkesinambungan oleh air laut. Ruang lingkup investigasi terfokus pada valve yang mengalami kegagalan. Investigasi dilakukan dengan mengumpulkan data-data yang berupa data komposisi kimia material yang digunakan, foto mikrostruktur, kekerasan dan foto bentuk valve yang mengalami kegagalan.
- Pengamatan Makroskopik dan mikroskopik
Dengan menggunakan mata telanjang untuk skala makroskopis dan dengan menggunakan mikroskop untuk skala mikroskopis. Pengamatan ini memberikan informasi mengenai bentuk fisik permukaan yang terbentuk. Pengamatan untuk mengetahui fasa yang ada di dalam komponen material dilakukan dengan menggunakan etsa. Pada pengamatan mikroskopis, material dipreparasi dengan cara dipotong untuk bagian penampang patahan dan permukaan dalam material.
- Pengujian Kekerasan
Untuk mengetahui kekerasan material komponen dengan menggunakan Brinell Test. Nilai ini dapat digunakan untuk mengetahui layak tidaknya material tersebut digunakan untuk aplikasi tegangan maksimum 16 Kg/cm2. Selain itu, nilai kekerasan juga dapat membandingkan nilai kekerasan yang didapat dengan kekerasan unsur Feo dan FeCl2 sebagai bukti adanya pembentukkan unsur tersebut (menggunakan Vickers).
- Pengujian komposisi produk korosi
Dengan menggunakan metode EDX dan XRD pada base valve body, pengujian komposisi dilakukan pada daerah korosi besi oksida dan korosi besi klorida. EDX berfungsi unuk mengetahui informasi kualitatif dan kuantitatif pada daerah tertentu di sampel, sedangkan OES berfungsi untuk mengetahui informasi kualitatif dan kuantitatif smpel secara keseluruhan.
- Pengujian XRD
Untuk membuktikan adanya FeCl2 yang terbentuk sebagai hasil samping korosi yang membentuk lapisan hitam pada permukaan dalam material. Prinsip yang digunakan adalah dengan membaca struktur kristal dari sampel tersebut.
III. Hipotesis penyebab kegagalan
Kegagalan yang terjadi pada grey cast iron valve dapat disebabkan oleh terjadinya graphitization dan korosi lanjutan yang terjadi pada produk korosi graphitization (produk korosi FeO) yang disebabkan oksidasi lebih lanjut oleh O2 dan adanya ion Cl– yang berasal dari air laut.
IV. Hasil Pengamatan dan Diskusi
Material yang digunakan pada komponen tersebut adalah material cast iron tipe 16K-150. Komposisi dari tipe ini ditampilkan pada tabel 1.
Tabel 1. Komposisi material
Dari data komposisi di atas, terlihat komposisi karbon yang cukup tinggi, yaitu 2.9%. Pada data tersebut, komposisi silikon sebesar 1.98%. Komposisi ini terlalu rendah dibandingkan standar material untuk besi tuang yang sebesar 3-5%. Rendahnya kadar silikon ini akan menurunkan ketahanan korosi besi tuang. Selain itu, kurangnya komposisi silikon dapat menurunkan kekuatan material.
Dari pengamatan visual pada gambar 2, terlihat adanya coating breakdown pada bagian luar permukaan komponen. Coating breakdown tersebut mengakibatkan adanya serangan korosi pada permukaan material. Korosi tersebut diakibatkan oleh interaksi air laut dengan permukaan komponen yang terekspos akibat coating breakdown tersebut.
Gambar 2. Adanya coating breakdown yang menjadi daerah terkorosi (berwarna coklat).
Pada uji visual lainnya (gambar 3) terlihat rambatan retak melalui bagian fillet pada komponen pompa. Menurut teori, daerah yang memiliki sudut yang lebih tajam atau melengkung akan memiliki tegangan sisa yang lebih tinggi dari pada bagian dengan desain datar. Tegangan sisa ini akan menyebabkan korosi lebih mudah terjadi. Pada data visual ini, retakan awal merambat dari kedua fillet tersebut dan menjalar ke bagian komponen lainnya hingga membentuk patahan.
Gambar 3. Rambatan retak yang melalui bagian fillet pada komponen.
Pada gambar 4 menunjukkan gambar penampang patahan komponen yang menjelaskan jenis patahan yang terjadi adalah patahan getas. Hal tersebut terlihat dari tidak adanya deformasi plastis. Jenis patahan ini sesuai dengan properties material besi tuang yang getas. Pada bagian permukaan sebelah dalam ada bagian yang berwarna hitam dengan ketebalan tertentu, yang berbeda dengan bagian lainnya yang berwarna coklat. Menurut analisis, bagian yang berwarna hitam tersebut adalah bentuk rust FeCl2. Berdasarkan literartur, struktur FeCl2 adalah kristalin dan memiliki kepadatan yang tinggi. Pada gambar tersebut, bagian yang hitam terlihat lebih padat dari bagian yang berwarna coklat sehingga memberi bukti kuat bahwa lapisan hitam yang terbentuk tersebut adalah FeCl2. Adanya scale dari FeCl2 membuktikan adanya reaksi korosi. Reaksi korosi tersebut adalah reaksi korosi yang terjadi akibat kontak air laut dengan komponen. Elemen H2O menjadi katoda dan material komponen, yang terdiri dari Fe sebagai anoda. Reaksi pada anoda dan katoda adalah sebagai berikut:
2 H2O + 2 e à H2 + 2 (OH)–
Fe à 2 e– + Fe2+
Ditambah dengan reaksi dengan lingkungannya, maka terjadi reaksi sebagai berikut:
Fe2+ + 2 Cl– à FeCl2
Ferrous Chlorida merupakan mineral asam yang korosif. Jika terekspos dengan oksigen akan membentuk ferric chloride dan ferric oxide.
Gambar 4. Profil muka patahan material komponen
Pada pengamatan dengan skala mikro, terlihat hasil etsa dari komponen tersebut seperti pada gambar 5. Dari hasil etsa tersebut, terlihat adanya fasa pearlite yang gelap dan fasa ferrite yang terang. Material tersebut di quench dengan kecepatan yang moderat sehingga dapat menghasilkan fasa ferrite dan pearlite. Dengan paduan fasa tersebut, maka dapat meningkatkan keuletan dari material, tetapi menurunkan kekuatan dan kekerasan material, tetapi material tersebut tetap memiliki tingkat kegetasan yang lebih tinggi. Pada gambar tersebut terlihat, bagian permukaan pinggir memiliki warna terang, yang menyatakan pearlite.
Gambar 5. Etsa dari material komponen. Bagian terang adalah ferrite dan bagian hitam adalah fasa pearlite.
Pada perbesaran yang lebih tinggi akan terlihat struktur mikro, seperti terlihat pada gambar 6. Pada gambar tersebut terlihat ada struktur seperti cacing yang merupakan graphit bebas dengan matriks pearlite dan ferrite. Graphit bersifat lebih nobel dibandingkan dengan matriksnya sehingga kemungkinan terjadi graphitisasi mengakibatkan korosi yang uniform pada permukaan. Korosi ini membentuk suatu lubang dan melepaskan material, sehingga material komponen tersebut tergerus. Ketebalan dinding akan semakin kecil, sehingga menurunkan kemampuan pembebanan maksimum. Alasan ini yang menyebabkan komponen material gagal di bawah tekanan maksimum.
Gambar 6. Mikrostruktur material komponen.
V. Kesimpulan
Dari investigasi dan hasil pengujian dapat disimpulkan bahwa faktor utama yang menyebabkan terjadinya premature failure pada grey cast iron valve body disebabkan oleh fenomena graphitization yang memang benar-benar terjadi secara merata pada komponen badan katup, yang dibuktikan dengan pengamatan visual mikro dan makro yang menunjukan adanya produk korosi FeO (karat coklat) pada bagian body katup dan FeCl2 pada bagian inner body katup yang merupakan produk korosi lanjutan dari FeO yang teroksidasi lanjut oleh O2 dan adanya pengaruh ion CI– .
VI. Rekomendasi
- Menggunakan inhibitor untuk mencegah korosi lanjutan FeO yang dioksidasi oleh O2 dan ion Cl–, seperti inhibitor NaSO3 untuk mencegah kontak antara inner valve body dengan oksigen yang terlarut dalam air laut (mekanisme oxygen scavenger).
- Memilih jenis grey cast iron valve body dengan spesifikasi kadar Si yang berada dalam rentang 3% – 5% agar memiliki ketahanan korosi yang baik.
- Dilakukan proses pengecekan dan perawatan secara berkala dengan melakukan drainase, untuk mencegah adanya genangan air laut dalam katup yang tergenang.
Referensi:
- JIS code for Valve Body Grey Cast Iron
- Schumacer, M. Handbook of corrosion seawater.1979.Noyes Data Corporation. USA
- www.oldmarineengine.com
- www.corrosion-doctors.org
Material Lounge 