Stress Corrosion Cracking Pada Pengelasan Baja Karbon

Kriskiantoro, S.T.

Muhamad Rafi, S.T.

A. PENDAHULUAN

Baja karbon A285 telah digunakan pada konstruksi tangki penyimpanan nuklir tingkat tinggi. Plat baja ini disambung dengan proses GMAW. Disini ditemukan bahwa pengelasan ini mudah terkena IGSCC (Intergranular Stress Corrosion Cracking) pada daerah sambungan las. Penyebab dari retakan ini adalah karena adanya retakan korosi tegangan dalam bentuk nitrat yang disebabkan oleh tegangan sisa karena pengelasan pada plat lebar sepanjang konstruksi. SCC terjadi di dekat lasan pada beberapa tangki penyimpanan yang mengandung bahan kimia korosif. Fenomena ini diselidiki dengan eksperimen untuk memperoleh informasi tentang bentuk retakan pada plat yang dilas.

Pada eksperimen ini digunakan dua plat yang dilas dengan dimensi 30.5 cm x 30.5 cm sesuai dengan prosedur fabrikasi tangki baja karbon yang digunakan di tahun 1950-an. Pojok plat di mana akan didesak selama pengelasan untuk simulasi lebar plat pengelasan pada konstruksi tangki. Retak awal dihasilkan melintang dan sejajar dengan lasan yang digunakan (EDM). Spesimen uji ini dicampur pada larutan 5M Sodium Nitrat (NaNO₃) pada suhu sekitar 90⁰C sampai 10 minggu. Inspeksi berkala harus dilakukan. Penelitian ini menemukan bahwa pada logam lasan terjadi retakan selam 2 minggu dan stress relieved plat tertinggal utuh. Dengan pengujian ini dapat diketahui bahwa SCC dapat terjadi pada non-stress relieved tangki A285 dan prosedur pembebasan tegangan diimplementasikan untuk konstruksi tangki selanjutnya. Analisis finite elemen thermo-mechanical untuk 3 dimensi dilakukan untuk menetukan tegangan sisa dengan menggunakan kalkulasi sejarah temperature dari analisa perpindahan panas untuk mensimulasikan proses GMAW. Jejak bebas retakan kemudian digunakan untuk model finit elemen dan distribusi balik tegangan sisa digunkan untuk kalkulasi factor intensitas tegangan ujung retakan (k) selama retakan dari awal retakan. Dengan menggabungkannya dengan data eksperimen untuk K_ISCC (factor intensitas tegangan termasuk disini tidak dapat terjadi SCC. Teori panjang IGSCC dapat diprediksi dan dibandingkan untuk pengukuran eksperimental. Pada gambaran dari banyak variabel tak tentu. Selama proses pengelasan, persamaan antara hasil tes dan prediksi numerik sangat masuk akal. Analisisnya juga mengindikasikan bahwa hubungan dari sumber retak mempengaruhi hasil tegangan sisa dan bahkan panjang retak akhir.

B. METODE PENELITIAN

Baja karbon ASTM A285 Grade B adalah material utama pada konstruksi tangki penyimpanan sampah radioaktif tingkat tinggi di tahun 1950-an. Berdasarkan komposisinya, A285 Grade C, vendor Heat R934 dipilih sebagai spesimen laboratorium pada penelitian ini. Komposisi kimia dalam berat persen (wt.%) sebagai berikut: C–0.075, Mn–0.531, P–0.008, S–0.022, Si–0.202, Cu–0.259, Ni–0.098, Cr–0.083, Mo–0.021, Sn–0.028, Al–0.002, Nb–0.001, V–0.000. Properti mekanik dari informasi vendor adalah: tensile strength–407 MPa (59 ksi), yield strength–303 MPa (44 ksi), elongation–28% for gage length 20.3 cm (8 in.). Setiap spesimen uji dibuat dengan penggabungan plat baja karbon A285 (gb.1) dengan prosedur GMAW yang telah digunakan sejak tahun 1950-an untuk konstruksi penyimpanan sisa radioaktif tingkat tinggi.

°

Tebal dari plat adalah 15.88 mm (0.625 in) dan identik untuk tangki penyimpanan. Untuk mensimulasikan pengelasan aktual dari plat lebar pada tangki penyimpanan, sudut dari plat akan didesak selama pengelasan. Salah satu plat spesimen dikenai panas dengan standar perlakuan panas untuk pembebasan tegangan dan sisanya untuk logam lasan. Untuk menggunakan plat tes secara maksimum, 9 sumber retak dibuat dengan EDM. Gambar 2 memperlihatkan sumber retakan: V₁, V₂ dan V₃ adalah retakan vertical melintang lasan melalui tebal dari plat; V₄ dan V₅ adalah bagian yang melalui retak vertical; P1, P2, P3, dan P4 adalah bagian yang melalui retakan sejajar. Panjang sumber retakan adalah 12.7 mm (0.5 in) dan kedalaman 25% dari tebal plat untuk bagian yang melalui retakan.

Spesimen plat dicampur pada larutan 5M NaNO3 pada suhu 90⁰C. Larutan ini disiapkan dengan penggabungan bertingkat dan distilasi air, dimana diketahui penyebab SCC dan telah digunakan sebagai pengganti untuk sampah radioaktif tingkat tinggi pada pembangunan control kimia pada tangki untuk perlindungan korosi.

Pengamatan periodik dilakukan berkala dan tes non-destructive ultrasonik (UT) dan magnetic particle (MT) dilakukan pada akhir tes. Tanpa pembebanan dari luar, menunjukkan bahwa retakan terjadi pada logam lasan pada awal 2 minggu pada larutan, sementara pembebasan tegangan plat tidak terlihat beberapa saat dari retakan pada 10 minggu. Dapat disimpulkan bahwa pengelasan baja karbon A285 rentan terkena SCC selama tidak dilakukan pembebasan tegangan.

Gambar 3 adalah hasil tes partikel magnetik dari plat lasan. Retakan melalui tebal (V1, V2 dan V3) terlihat pemanjangan retakan yang signifikan dan panjang retakan akhir pada kedua sisi dari plat telah dilabelkan. Tes ultrasonik mengkonfirmasikan bahwa retakan hanya terjadi di retakan vertical dan sebagian permukaan profil retakan melalui tebal dapat terlihat pada gambar 4.

Catatan bahwa panjang retakan akhir adalah signifikan berbeda untuk V1, V2 dan V3 (jarak dari 4-15 cm). Finit elemen analisis digambarkan selebihnya pada makalah menghasilkan bagian-bagian penjelasannya. Selanjutnya, eksperimen ini memberikan gambaran yang lebih jelas bahwa:

1. SCC dapat terjadi karena tegangan sisa pengelasan.

2. Prosedur pembebasan tegangan secara efektif menggerakkan tegangan sisa dan mempengaruhi SCC pada pengelasan plat.

Finite Elemen Analysis

Analisis finit elemen 3 dimensi dikembangkan untuk menggambarkan hasil eksperimen dari panjang akhir SCC. Ukuran dari spesimen plat 30.48 cm x 30.48 cm x 1.59 cm (panjang x lebar x tebal). Karena simetri, maka hanya salah satubagian plat yang digunakan sbg model (kecuali analisis dari retakan parallel P2 didiskusikan selanjutnya). Model finit elemen pada gambar 5 mengandung 6780 eight-node pembatas dengan 8723 node. Jarring-jaring ini digunakan pada analisis pada perpindahan panas dan analisis tegangan

Analisis perpindahan panas untuk mensimulasikan GMAW dilakukan dengan WelsSim, yaitu program finit elemen pengelasan 3 dimensi yang dikembangkan oleh Chao. Detail dari mesh pada area V-groove ditunjukkan pada gambar 6, dimana 6 parser teridentifikasi.

Kalkulasi dari catatan suhu dari simulasi pengelasan penuh adalah masukan untuk program finit elemen ABAQUS untuk menghitung tegangan sisa lasan dari prosedur thermo-mechanic. Daerah tegangan sisa adalah distribusi balik setelah daerah bebas sumber retak didahului sampai model finit elemen. Retakan ini dimungkinkan tumbuh pada self-similar-maner dengan kreasi baru sejak permulaan. Senagai hasilnya, factor intensitas tegangan sebagai fungsi dari panjang retakan dapat ditetapkan. Pembandingan dengan K_ISCC (35.2 MPa√m atau 30 ksi√in) dimana telah ditentukan sebelumnya [5], prediksi panjang SCC dapat diperoleh.

Analisis Perpindahan Panas untuk Simulasi Pengelasan

Pada proses GMAW, sumber panas diperoleh dengan lelehan busur lasan logam pada daerah lasan. Kemudian proses dari penyerapan panas dan difusi panas di dalam plat. Persamaannya:

Dimana: ρ = densitas bahan

c_p = panas spesifik

T = temperature

t = waktu

v = kecepatan las

x = jarak lasan

k = koefisien konduktivitas

q = panas masukan

Sumber panas internal digunakan pada analisis thermal. Densitas masukan panas diasumsikan konstan pada arah tebal (arah z pada gambar 5). Pada daerah tegaklurus dari arah tebal (xy pada gambar 5), sumber panas diasumsikan dari distribusi Gaussian. Tipe sumber panas ini telah banyak digunakan oleh para penemu untuk mendapatkan distribusi yang actual dari sumber panas selama pengelasan. Persamaan untuk densitas panas masukan, (watt per unit volume), adalah:

Dimana: _maks = nilai puncak pada pusat sumber panas

c = konstanta

r = jarak dari pusat busur

Untuk distribusi Gaussian dari flux panas, 95% area dari lingkaran dengan radius r_arc.

Integral persamaan (2) terhadap volume didapatkan panas total input, q:

Dimana d adalah tebal plat.

Untuk proses GMAW, , dimana U, I dan η adalah tegangan, arus dan efisiensi busur. Saat ini, parameter pengelasan digunakan dalam pabrikasi spesimen tes dan pada analisis:

Current (I):90~105 A

Voltage (U): 18~21 V

Welding speed: 0.15 cm/s

Welding Efficiency: 67%

Weld pass: 6

Weld arc radius: 0.4 cm

Nilai rara-rata dari arus (I) dan tegangan (U) digunakan dalam perhitungan. Dimana I=97.5 A dan V=19.5 V. Maka total panas masukan, q = 1274 w/pass.

Pada permukaan plat, total heat loss (q_loss) melalui kombinasi dari konveksi thermal (q_conv) dan radiasi (q_rad) dapat diperoleh persamaan:

Dimana: A = luas permukaan

T = temperature

T_sur = temperature lingkungan

h* = koefisien thermal konveksi

h* diperoleh dari persamaan sebagai berikut:

Dimana: h* = koefisien thermal konveksi (15 W/m²K)

ε = emisivitas radiasi

σ = konstanta Stefan Boltzman (5.67 x 10^-8 W/m²K⁴)

Pada permukaan baja lunak, ε = 0.3 ; T = 1000 K dan T_sur =20⁰C (293 K) dengan substitusi nilai ini pada persamaan, h* diperoleh hingga 39 W/m²K

Thermal Properties

Pada analisis ini, thermal properties untuk kedua logam dasar (baja karbon A285) dan untuk logam filler (E6010) diasumsikan menjadi identik, seprti di plat kolektif pada gambar 7.

Ketika temperature mencapai titik lebur (1532^oC), weld pool terbentuk. Untuk model konveksi thermal tinggi pada weld pool, koefisien konduktiviti diset untuk 5 watt lebih tinggi daripada suhu leleh. Selanjutnya, panas laten dari logam adalah 247 kJ/kg. Program WeldSim menggunakan elemen dummy pada celah lasan sebelum nyala sampai pada logam lasan. Thermal properties material untuk elemen dummy, seperti densitas dan konduktivitas thermal, diset pada 5% dari nilai property logam filler.

Analisis Tegangan Sisa Pada Pengelasan

Catatan temepratur dihitung dari simulasi pengelasan dengan WeldSim [2-4] merupakan masukan pada ABAQUS untuk analisis tegangan thermal. Untuk selanjutnya model finit elemen digunakan WeldSim (gb.5) diadaptasi ke ABAQUS. Kemudan elemen dummy digunakan sebelum nyala pengelasan sampai. Ini ditujukan dengan mengaplikasikan elemen bergerak dan elemen reaktif digambarkan pada ABAQUS. Teknik ini telah dipelajari dan digunakan pada beberapa model untuk simulasi daerah deposit material pada celah lasan. Ketika catatan temperature ini diaplikasikan pada analisis thermo-mekanik untuk mendapatkan kondisi plat. Keadaan tegangan setimbang akhir adalah tegangan sisa pengelasan.

Mechanical Properties

Sesuai dengan pengerjaan las pada material yang sama, property meknik kedua loam dasar (baja karbon A285) dan filler ;as (E6010) diasumsikan identik, kecuali yield stress. Pada dasarnya, yield stress material filler lebih tinggi dari logam dasar. Kemudian yield stress filler diset sampai 1.48 kali dari logam dasar. Temperature tergantung dari properti mekanik disajikan pada gambar 8-10.

C. PEMBAHASAN

Gambar 2 menunjukkan sumber retakan pada spesimen uji plat untuk tes SCC pada lingkungan kimia agresif (5M NaNO₃ 90⁰C). pertumbuhan retak hanya terjadi dalam kasus retak vertical melalui tebal (V1,V2 dan V3) melintang lasan. Interaksi antara tegangan sisa lasan dan sumber retakan diinvestigasi dalam bagian ini.

Finit elemen mesh pada gambar 5 terlihat khususnya pada lokasi sumber retakan untuk analisis. Inisiasi tegangan untuk mesh terlihat dengan pemetaan yang didapat melalui kalkulasi tegangan sisa dari ABAQUS mesh-to-mesh, gambar pemetaan [1], retakan kemudian didahului dengan model finit elemen dengan kreasi baru, permukaan traction-free. Alogaritma ABAQUS akan menyetimbangkan tegantan tak seimbang pada model baru karena perubahan batas.

Through-thickness Vertical Cracks

Mesh dekat lokasi retakan terlihat pada gambar 11. dengan pemetaan pada gambar 11a (retakan pendek) ke gambar 11b (retakan panjang) dan kemudian menunjukkan kalkulasi tgangan kesetimbangan, simulasi pertumbuhan retak dapt diperkirakan. Hasil dari redistribusi tegangan balik digunakan untuk menghitung factor intensitas tegangan pada retakan tipe node sepanjang retakan muka. Kalkulasi factor intensitas tegangan untuk V1,V2 dan V3 sepanjang retakan melalui tebal dari plat kebanyakan lebih besar dari factor intensitas tegangan SCC (K_ISCC=a35 MPa√m). indikasi dari retakan ini merupakan tendensi untuk tumbuh terlihat pada gambar 3.

Part-Through Cracks

Tidak ada SCC untuk sumber retakan part-through terjadi pada program eksperimen didisribusikan dengan mudah pada paper ini. Kemudian, retakan dimodelkan dengan metode finit elemen untuk mencari through-thickness retakan vertical. Faktor intensitas tegangan karena tegangan sisa lasan dapat dihitung. Kasus terkini, retakan parallel P2 diseleksi untuk analisis (gb.12). karena asimetri maka keseluruhan plat harus dimodelkan. Kemudian distribusi tegangan sisa lasan diperoleh lebih mudah dengan simetri mesh dipetakan kedua sisi lasan pada model P2. tegangan sisa asli didistribusi balik setelah P2 dikreasikan pada model. Karena aliran finit elemen mesh terdiri dari elemen pembatas, retakan muka semisirkuler tertutup dengan batas rektanguler finit elemen pada mesh. Faktor intensitas tegangan dikalkulasikan pada nodal poin sepanjang finit elemen retakan muka. Ini dapat terlihat bahwa maksimum faktor inensitas tegangan 17 MPa√m, dimana K_ISCC 35 MPa√m. hal ini sesuai dengan observasi eksperimen dimana tak ada pertumbuhan retak relah terdeteksi untuk sumber retakan ini.

Efek Dari Rentetan Perbanyakan Sumber Retakan

Suatu percobaan dilakukan untuk menginvestigasi penyebab dari perbedaan panjang retakan akhir V1,V2 dan V3, dimana dilokasikan pada daerah tegangan sisa yang relative seragam pada material homogen lain. Logika untuk mesin ini adalah:

Case 1: Fabrication Sequence - V2, V3, V1

Case 2: Fabrication Sequence - V3, V2, V1

Case 3: Fabrication Sequence - V1, V2, V3

Gambaran dari sumber retakan didapat dengan melihat arah pengelasan yang diindikasikan seperti gambar 13.

Tiap-tiap kasus sehubungan dengan perbanyakan retakan dimodelkan dengan kegunaan ABAQUS [1] sebagai fungsi pemetaan. Inisiasi tegangan untuk kalkulasi dengan tegangan sisa lasan. Faktor intensitas tegangan dari tiga retakan dapat dihitung dan diplot gambar 14-16. Sehubungan dengan awal retakan pada plat dengan nilai faktor intensitas tegangan untuk mendapatkan tegangan sisa. Sensitivitas perbanyakan sumber retakan tidak menjadi prioritas dalam tes ini. Kemudian hubungan perbanyakan actual tidak diperhatikan.

Perambatan Retak pada Retakan Vertikal (V2)

Dari analisis hubungan perambatan retak, terlihat pada gambar 14-16 bahwa faktor intensitas tegangan dari sumber retakan Va2, tidak tergantung pada proses perbanyakan. Kemudian dipilih untuk analisis retakan.

Sesuai dengan prosedur ABAQUS [1] dideskripsikan tahap awal, retakan through-thickness melintang lasan dikreasikan pada plat dengan tegangan sisa lasan. Panjang retakan meningkat pada retakanmuka, hasilnya distribusi balik kontinyu dari tegangan sisa. Faktor intensitas tegangan pada retakan ujung node dihitung sebagai fungsi dari pertumbuhan retakan. Komponen tegangan terbesar ditemukan sebagi tegangan longitudinal (_xx) (terlihat system koordinat kartesian, gb.5). Komponen tegangan dengan mode I memulai tegangan untuk retakan V2. komponen tegangann lainnya sekitar 10% _xx. Kemudian perpanjangan retakan tergantung mode I dan faktor intensitas tegangan dhitung dengan K1.

Gambar 17 menunjukkan komponen tegangan sisa (_xx) untuk Mode I perpanjangan retak V2. distribusi tegangan karena pertumbuhan retakan (untuk panjang retakan 1.2 dan 6.8 cm) dapat dibandingkan dengan lasan, retakan bebas plat (a=0). Konsentrasi dekat retakan awal terlihat jelas.

Kalkulasi Mode I, faktor intensitas tegangan sebagai fungsi dari perpanjangan retakan diperlihatkan pada gambar 18.

Nilai Kdikalkulasikan pada ujung retakan dilokasi tengah ketebalan dari model finit elemen. Daerah tegangan sisa akan mempengaruhi sumber retakan (V2) dari inisiasi panjang 1.27 cm (0.5 in) sampai sekitar 7.8 cm (3.1 in). ketika K_ISCC 35 MPa√m (32 ksi√in) ditentukan dari tes lingkungan larutan 5M NaNO₃ pada suhu 100⁰C. pada gambaran, beberapa variabel tak tentu selama tes, prediksi panjang retakan sesuai dengan hasil tes, dimana indikasi panjang retakan akhir untuk V2 sekitar 5.9 cm (2.3 in) terlihat pada gambar 3.

D. KESIMPULAN

Spesimen SCC disiapkan sesuai dengan spesifikasi material (baja karbon A285 Grade C) dan prosedur pengelasan (GMAW) untuk tangki penyimpanan sampah radioaktif tingkat tinggi yang dibangun pada tahun 1950-an. Variasi sumber retakan diperbanyak plat untuk pengetesan untuk memperjelas awal cacat pada area pengelasan dari tangki penyimpanan. Spesimen tes yang dimasukkan ke dalam larutan kimia agresif yang diketahui sebagai pelopor SCC nitrat. Penelitian menunjukkan bahwa SCC terjadi pada non-stress relieved, sebagai spesimen tes pengelasan. Panjang retakan diukur dan dikonfirmasikan oleh UT dan MT, dan dibandingkan dengan prediksi teoritis dari serangkaian analisis finit elemen 3 dimensi yang termasuk simulasi pengelasan, penentuan tegangan sisa dan analisis pertumbuhan retak. Prediksi panjang retak didasarkan pada K_ISCC, ditentukan pada awal tes pada kondisi penglihatan yang sama untuk baja karbon A285. Kesamaan antara prediksi dan pengukuran panjang retak dipertimbangkan pada alam yang tidak menentu selama pemilihan material, persiapan material, kondisi pengetesan, kofigurasi retak yang actual, dan parameter proses pengelasan dari GMAW. Penelitian secara eksperimen diperkuat oleh keefektifan pembebasan tegangan dan pengertian yang mendalam yang disajikan mengenai SCC pada baja karbon di lingkungan yang korosif. Beberapa prosedur dilakukan untuk melengkapi pemodelan pengelasan dan pertumbuhan retak. Bermacam-macam simulasi dari perbanyakan sumber retak memperlihatkan kejelasan persiapan spesimen mempengaruhi penafsiran data-data hasil pengujian. Prediksi yang akurat dapat ditingkatkan dengan perancangan yang matang tentang eksperimen dan spesimen. Dokumentasi yang lengkap mengenai pengelasan dan perbanyakan spesimen mungkin penting dalam memecahkan persoalan pertentangan antara data hasil uji dan prediksi. Model finit elemen dengan penyaringan mesh, terutama pada wilayah retakan dan di dekat spesimen permukaan bebas, akan lebih meningkatkan keakuratan prediksi.

E. DAFTAR PUSTAKA

Chao, Y.J., Zhu, X.K., Qi, X., 2000, “WeldSim—A WELDing SIMulation Code for the Determination of Transient and Residual Temperature, Stress, and Distortion,” Advances in computational Engineering and Science, Vol II, Editor: Atluri, S.N. and Brust, F.W., pp. 1206-1211.

Read more: http://www.onkian.com/2009/12/stress-corrosion-cracking-pada.html#ixzz12JwNfMsu