Pengujian Dan Analisis Metalurgi Terhadap Cacat Yang Terbentuk Pada Dinding Bagian Dalam Lubang Utama Sebuah Aileron Block Hasil Proses Permesinan [Metallurgical Assesment of A Broken Gearbox Intermediate Shaft of A Reciprocating Compressor]

Abstract

This paper presents the results obtained from the metallurgical assessment on a broken gearbox intermediate shaft of a reciprocating hydrogen make-up compressor. This gearbox intermediate shaft is splined at its end and made of a machinery steel of AISI 4340. This gearbox intermediate shaft was reported to have been failing frequently since the compressor was installed about thirty years ago. In the early operation during which the intermediate shaft was still supplied as original part, the shaft was reported to last for about three years, but later after the shaft was made by local manufacturer, its service life decreased significantly to less than one year or even only a few months. To perform metallurgical assessment, a number of specimens were prepared either from the broken shaft or from the unbroken shaft for laboratory examinations including macroscopic examination, chemical analysis, tensile test, metallographic examination, hardness test, and SEM (scanning electron microscopy) examination equipped with EDS (energy dispersive spectroscopy) analysis. Results of the metallurgical assessment obtained showed that the gearbox intermediate shaft had experienced predominantly to fatigue fracture caused by a high nominal stress due to the combination of shear stress, bending stress and torsion stress. The fatigue fracture was initiated from the tooth root of the shaft splines where high stress concentration present, and propagated into two directions, one in the anticlockwise transverse and radial direction approximately 45⁰ to the shaft axis, and the other was to form a radial “whirlpool” crack pattern prior to the fast growing final fracture to form cup and cone like fractures. The high nominal stress experienced by the intermediate shaft during its operation may have been caused by the low strength of the material used for the intermediate shaft. The results of chemical analysis obtained showed that the material used for the intermediate shaft was very much close and met to the material specification of AISI 4340. However, from the results of mechanical tests obtained, the material used apparently did not meet to the material specification of AISI 4340 in the as-normalized condition. The low mechanical property of the intermediate shaft material in comparison with the standard material was very much influenced by its microstructures which contained a mixture of bainite or tempered martensite, pearlite and ferrite. The presence of the pearlite and especially ferrite in the microstructures could reduce the mechanical properties quite significantly and this may have been associated with some improper manufacturing and/or heat treating processes applied to the shaft. In addition, the acceleration of fatigue fracture occurred on the intermediate shaft was likely not contributed by any corrosion.

ABSTRAK

Makalah ini menyajikan hasil pengujian dan analisis metalurgi pada patahan gearbox poros menengah dari sebuah kompresor torak hidrogen. Gearbox poros menengah tersebut memiliki gigi di bagian ujungnya dan dibuat dari baja permesinan dengan spesifikasi AISI 4340. Gearbox poros menengah ini dilaporkan sering mengalami kerusakan sejak kompresor dipasang dan dioperasikan sekitar tiga puluh tahun lalu. Di awal-awal pengoperasiannya ketika poros menengah tersebut masih dipasok sebagai komponen orisinil, poros tersebut dilaporkan mengalami kerusakan sekitar tiga tahunan operasi, tetapi belakangan setelah poros tersebut dibuat oleh pabrikan lokal, umur pakainya turun secara signifikan rata-rata kurang dari satu tahun atau bahkan hanya beberapa bulan saja. Untuk melakukan pengujian dan analisis metalurgi, sejumlah benda uji dipersiapkan baik dari poros yang patah maupun dari poros yang tidak patah untuk pengujian laboratorium meliputi uji makroskopik, analisa kimia, uji tarik, uji metalografi, uji kekerasan dan analisis menggunakan SEM (scanning electron microscopy) yang dilengkapi dengan EDS (energy dispersive spectroscopy). Hasil pengujian dan analisis metalurgi yang diperoleh menunjukkan bahwa gearbox poros menengah telah mengalami patah lelah yang disebabkan oleh tegangan nominal yang tinggi akibat kombinasi tegangan geser, tegangan lentur dan tegangan torsi. Patah lelah diawali dari bagian akar gigi poros menengah tersebut yang merupakan daerah dengan pemusatan tegangan yang tinggi dan merambat dalam dua arah, salah satunya pada arah berlawanan dengan arah jarum jam secara melintang dan radial sekitar 45° terhadap sumbu poros, dan lainnya merambat secara radial dengan membentuk pola retak/patahan seperti “pusaran kolam” sebelum terjadi pertumbuhan yang cepat pada saat patah akhir yang membentuk patahan seperti mangkuk dan kerucut. Tegangan nominal yang tinggi yang dialami oleh poros menengah selama operasi kemungkinan disebabkan oleh kekuatan material poros yang rendah. Hasil analisa kimia yang diperoleh memperlihatkan bahwa material poros menengah tersebut adalah hampir mendekati dan sesuai dengan spesifikasi material menurut AISI 4340. Akan tetapi, dari hasil uji mekanis yang diperoleh sangat jelas menunjukkan bahwa material yang digunakan tidak sesuai dengan spesifikasi AISI 4340 dalam kondisi diberi perlakuan panas normalisasi. Rendahnya sifat mekanis dari poros menengah tersebut dibandingkan dengan material standar sangat dipengaruhi oleh struktur mikronya yang terdiri dari campuran bainit atau martensit temper, perlit dan ferit. Adanya struktur perlit dan terutama ferit dalam struktur mikro material poros menengah tersebut dapat menurunkan sifat mekanis secara signifikan dan ini kemungkinan dapat dikaitkan dengan ketidak sesuaian dalam proses manufaktur dan/atau proses laku panas yang diberikan pada poros tersebut. Disamping itu, percepatan patah lelah yang terjadi pada poros menengah tersebut sepertinya tidak ditunjang/dibantu oleh proses korosi.