header
    ARTIKEL
 

    LINKS
  dot Binawan Safety Centre
spacer
  dot STIKes
spacer
   JURNAL
img
img

Analisa Kegagalan
PENERAPAN ANALISIS KEGAGALAN DAN PENYELIDIKAN KECELAKAAN UNTUK MENINGKATKAN KESELAMATAN
Wednesday 02, May 2007

PENERAPAN ANALISIS KEGAGALAN
DAN PENYELIDIKAN KECELAKAAN UNTUK
MENINGKATKAN KESELAMATAN

oleh:
Prof.Dr.ir.Mardjono Siswosuwarno
Laboratorium Metalurgi Mekanik
Departemen Teknik Mesin – ITB
dan
Anggota Komite Nasional Keselamatan Transportasi
Departemen Perhubungan
mardjono@melsa.net.id

disampaikan pada
Seminar Penerapan Teknologi Dalam Pencegahan Kecelakaan
Ikatan Ahli Keselamatan Kerja Indonesia
Jakarta, 27-28 Januari 2003


Abstract:
Failure analysis is considered as a part of incident and accident investigation. Its ultimate goal is to improve safety, namely by finding the root cause or contributing factors. The recommendations are to prevent the reoccurrence of the accident / incident. The investigation should reveal “what happened”, “how it happened” and “why it happened”. The investigations can be conducted internally within the company, or by a third party, or by an investigation organization, depending on the nature of the investigation. Regardless who performs it, the investigation should be independent. One of the keywords is objectivity. All parties involved in the investigation should establish this spirit right from the beginning.

Abstrak:
Analisis kegagalan dapat dipandang sebagai bagian dari penyelidikan kecelakaan. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan keselamatan, yaitu dengan mencari penyebab utama serta factor-faktor lain yang berkontribusi dalam terjadinya kasus kegagalan. Rekomendasi yang diusulkan dari analisis kegagalan dimaksudkan untuk mencegah terulangnya peristiwa serupa. Penyelidikan hendaknya dapat mengungkan tiga pertanyaan awal, yaitu: “what happened”, “how it happened” and “why it happened”. Penyelidikan dapat dilakukan secara internal didalam perusahaan, atau oleh pihak ketiga, atau oleh suatu badan penyelidik. Siapapun yang melakukannya, penyelidikan haruslah independen, tidak memihak. Semua pihak yang terkait dengan penyelidikan hendaknya sejak awal bersikap dan bertindak berdasarkan prinsip objektivitas.



1. Pendahuluan

Analisis kegagalan bertujuan untuk mencari penyebab kegagalan, sehingga langkah-langkah perbaikan dapat dilakukan, dan kejadian serupa dapat dihindarkan. Kegagalan pada peralatan atau komponen secara umum diartikan sebagai gagalnya fungsi peralatan, ataupun menurunnya performance peralatan sebelum waktunya.

Suatu contoh penyelidikan terhadap peristiwa kegagalan yang prosedur / tata caranya telah diatur dan dibakukan adalah yang menyangkut kecelakaan pada pesawat terbang sipil. Hal ini dinyatakan dalam Annex 13 dari ICAO.

Tujuan penyelidikan kecelakaan adalah untuk mencegah terulangnya kejadian serupa dan untuk meningkatkan keselamatan penerbangan (aviation safety), serta bukan untuk menyalahkan ataupun untuk penuntutan hukum. “The sole objective of the investigation of an accident or incident shall be the prevention of accidents and incidents. It is not the purpose of this activity to apportion blame or liability”. Jiwa dan semangat penyelidikan kecelakaan pesawat terbang tersebut dapat diterapkan pula pada penyelidikan kegagalan peralatan industri.

Dengan kata lain, analisis kegagalan dimulai dengan usaha untuk menjawab tiga pertanyaan:
What happenned ...........?
How it happenned..........?
Why it happenned..........?

Mengapa terjadi........? Pertanyaan inilah yang paling sukar dijawab, namun harus diusahakan jawabannya. Dari jawaban inilah diusulkan berbagai rekomendasi perbaikan untuk mencegah terulangnya kecelakaan, dan pada akhirnya menuju kea arah safety yang lebih baik.

Dalam Annex 13 ICAO itu juga dikemukakan prosedur baku mengenai metoda penyelidikan, termasuk organisasi / personil penyelidiknya, serta tata cara / hubungan antara pihak-pihak yang berkepentingan dengan penyelidikan.

Dalam Annex 13 ICAO dikenal istilah accident dan incident. Pada dasarnya accident lebih parah daripada incident. Keduanya harus diselidiki dan dianalisis hingga sampai ke rekomendasi.

Lebih lanjut dikenal pula service difficulty report atau sejenisnya yang juga perlu dianalisis dan rekomendasi perbaikannya ditindak-lanjuti. Analisis dan rekomendasi serta tindak lanjut yang tepat akan meningkatkan keselamatan, bahkan akan mencegah kejadian yang lebih parah.

Kompleksitas persoalan tergantung dari banyaknya komponen ataupun faktor yang mungkin terlibat dalam kejadian. Sebagai contoh, dalam penyelidikan kecelakaan pesawat terbang dikenali tiga kelompok aspek human factors, operations dan aircraft systems & structures.

Uraian berikut lebih difokuskan pada analisis kegagalan struktur ataupun komponen mekanik yang merupakan bagian dari peralatan industri.


2. Modus Kegagalan Komponen Mekanik

Uraian berikut ini merangkum berbagai modus kegagalan pada komponen mekanik yang dapat dikelompokkan sbb:
a. Deformasi elastis yang berlebihan
b. Deformasi plastis
c. Patah statik (patah getas dan patah ulet)
d. Patah lelah (fatigue)
e. Penggetasan (embrittlement)
f. Mulur (creep)
g. Aus (wear)
h. Korosi

Tiap modus kegagalan /kerusakan memiliki ciri khas yang diamati dan dipelajari dengan teknik fractography. Oleh karena itu pengamatan yang cermat amat diperlukan untuk membuat analisis / diagnosis yang tepat.

Tiap modus kegagalan diatas dapat dirinci lebih lanjut untuk membuat analisis yang lebih tajam. Sebagai contoh, korosi dapat dibagi lagi atas berbagai tipe sbb:
a. Korosi permukaan (surface corrosion)
b. Korosi celah (crevice corrosion)
c. Korosi sumuran (pitting corrosion)
d. Korosi antar butir (intergranular corrosion)
e. Korosi tegangan (stress corrosion)
f. Korosi galvanik (galvanic corrosion)
g. Korosi selectif (selective corrosion)
h. Korosi - erosi (erosion – corrosion)

Langkah analisis selanjutnya sangat tergantung pada ketepatan dalam menentukan modus kegagalan yang terjadi. Seringkali masalahnya menjadi lebih kompleks oleh terjadinya gabungan dua modus kegagalan atau lebih. Meskipun demikian identifikasi harus dilakukan untuk mengungkap rincian dan urutan modus kegagalan yang terjadi.

Kegagalan komponen akan terjadi bila kondisi kerja menyebabkan besaran operasi melampaui batas kritis sifat material. Pernyataan yang kualitatif tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk kuantitatif umum sebagai berikut:


Besaran akibat kondisi operasi  Sifat kritis material

Penggunaannya untuk berbagai modus kegagalan dirangkum pada Tabel berikut:

Besaran akibat kondisi operasi Sifat kritis material Peristiwa yang akan terjadi
Tegangan kerja w Kekuatan luluh
(yield strength) y Deformasi plastis

Tegangan kerja w Kekuatan tarik
(tensile strenth) u Patah statik

Tegangan amplitudo a Batas lelah
(fatigue limit) f Patah lelah

Tegangan dinamik setempat
′ = Kt. nom Kekuatan luluh y Awal retak lelah


Intensitas tegangan
K = .(a)
Ketangguhan retak (fracture toughness)
Kc atau KIc Komponen yang retak lelah akan patah

Tegangan kerja w Batas mulur
(Creep limit) Deformasi plastis akibat creep (pada temperatur tinggi)
Tegangan kerja w Rupture Strength
Patah akibat creep (pada temperatur tinggi)
Tegangan kerja w Kekuatan terhadap retak korosi tegangan scc. Tergantung pula pada lingkungan. Retak akibat korosi tegangan
Temperatur lingkungan terlalu rendah Temperatur transisi material Patah getas (Brittle fracture)
Lingkungan terlalu korosif Batas korosivitas Laju korosi yang tinggi

Tabel rangkuman diatas dapat diinterpretasikan bahwa bila besaran akibat kondisi operasi (ruas kiri) melampaui batas kritis sifat material (ruas kanan), maka komponen akan gagal.

Dari logika ini kita perlu meninjau semua kemungkinan yang dapat memperbesar ruas kiri (= memperparah kondisi operasi), serta kemungkinan-kemungkinan yang menyebabkan mengecilnya ruas kanan (= menurunkan sifat kritis material).

Seringkali kegagalan terjadi setelah beberapa waktu beroperasi normal dan aman. Pertanyaannya tentu saja: “Mengapa komponen itu gagal?”. Mungkinkah telah terjadi hal /kondisi yang memperbesar ruas kiri hingga melampaui ruas kanan (sifat kritis material)?


3. Metoda Analisis Kegagalan

Modus-modus kegagalan yang mungkin terjadi harus ditinjau. Atas dasar bukti dan fakta yang ada, barulah dilakukan analisis berjenjang untuk mengeliminir hal-hal yang tidak mungkin terjadi ataupun yang terbukti tidak terjadi. Dari sini sampailah pada penyebab utamanya. Langkah ini dikenal dengan istilah “fault tree analysis”. Dengan pengalaman yang cukup, proses ini dapat dilakukan secara cermat dan cepat.

Pengalaman menunjukkan bahwa dalam melakukan analisis kegagalan kita menghadapi berbagai langkah “kritis” yang memerlukan pelaksanaan secara cermat:

a. Pemahaman mengenai fungsi sistem peralatan dan kondisi operasi, termasuk pula kondisi lingkungannya.
b. Pengambilan sample yang merupakan representasi dari peristiwa kegagalan peralatan/komponen.
c. Perkiraan yang cermat dan cerdas tentang modus kegagalan pada komponen yang gagal. Biasanya perkiraan ini dapat dilakukan berdasarkan pengamatan visual, dan pada beberapa kasus perlu dibantu dengan peralatan lain. “Jumping into conclusions” itu sangat berbahaya.
d. Perkiraan penyebab kegagalan komponen perlu dilakukan berdasarkan prinsip yang tercantum pada Tabel pada uraian sebelumnya, terutama untuk meninjau kemungkinan membesarnya ruas kiri, dan atau menurunnya ruas kanan. Peninjauan terhadap kemungkinan yang menyebabkan ruas kiri membesar, pada dasarnya dilakukan dengan analisis tegangan.
e. Demikian pula analisis harus dilakukan terhadap kemungkinan-kemungkinan mengecilnya ruas kanan, biasanya dengan ilmu material yang meninjau kaitan antara struktur mikro dengan sifat material.
f. Komponen yang gagal perlu diobservasi lebih jauh, terutama dengan teknik fraktografi ataupun metalografi, serta pengukuran kekerasan mikro untuk mencari bukti perihal modus kegagalan (butir 2) ataupun kemungkinan penurunan sifat material (butir 5).
g. Selanjutnya dari berbagai data dan bukti yang ditemukan dapat dirangkai menjadi skenario yang menggambarkan urutan terjadinya kegagalan. Dengan demikian dapatlah ditentukan faktor-faktor yang berkontribusi terhadap peristiwa kegagalan.
h. Setelah penentuan faktor-faktor yang menyebabkan kegagalan, disusunlah rekomendasi berupa langkah-langkah perbaikan untuk mencegah terulangnya peristiwa kegagalan.

Tindak lanjut perlu dilakukan bila rekomendasi yang dikemukakan itu dapat dilaksanakan dan andal.


4. Contoh Kasus

Berikut ini diuraikan contoh kasus analisis kegagalan yang relatif sederhana.

1. Suatu pipa uap boiler pecah dalam arah memanjang, dan di tepi pecahan terjadi penipisan yang hebat. Kasus ini dikenal dengan istilah thin-lip rupture. Dari sistem peralatan boiler tersebut dapat dipastikan bahwa tekanan operasi tidak melampaui batas karena adanya safety valve yang berfungsi normal. Penipisan hebat tersebut menunjukkan terjadinya deformasi plastis. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan tangensial pada pipa telah mencapai kekuatan luluh material, bahkan pada akhirnya mencapai kekuatan tarik material pipa. Karena ruas kiri tidak dapat membesar, maka ruas kananlah yang perlu dikaji kenapa mengecil. Hal-hal apa saja yang dapat menyebabkan penurunan kekuatan material secara lokal. Penurunan kekuatan material pipa uap terjadi bila temperaturnya naik melampaui batas. Kenaikan temperatur pipa yang drastis ini terjadi, bila nyala api langsung mengenai dinding pipa.

2. Berikut ini adalah kasus yang sangat mirip pada pipa boiler seperti contoh diatas, namun sebenarnya beda peristiwa. Pipa ini juga pecah pada arah memanjang, namun tebal di tepi pecahannya relatif tetap. Kasus semacam ini dikenal dengan istilah thick-lip rupture. Mekanisme kegagalannya adalah creep. Modus creep ini dapat dibuktikan secara makro oleh adanya retakan-retakan sekunder di sekitar lokasi pecahan, maupun secara mikroskopis oleh adanya micro-voids pada batas butir.

Meskipun dua macam kasus diatas sekilas nampak mirip, namun sebenarnya kedua hal itu sangat berbeda pada fenomena dan penyebabnya, apalagi pada rekomendasi untuk mengatasinya. Rekomendasi untuk mencegah kasus thin-lip rupture tertuju kepada perbaikan burner agar pola nyala apinya benar dan tidak mengenai pipa secara langsung. Di pihak lain, thick-lip rupture mengarah ke masalah water treatment, khususnya demineralisasi untuk mencegah pembentukan kerak.

3. Sebagai ilustrasi lain, berikut ini dibahas suatu komponen yang patah lelah. Pada umumnya modus patah lelah mudah ditentukan, seringkali hanya dengan pengamatan visual. Adanya ciri garis-garis pantai (beach marks) memastikan modus perambatan retak lelah. Namun kita tidak boleh berhenti pada pernyataan : “Patah fatigue”. Pertanyaan yang harus dijawab adalah mengapa komponen tersebut patah lelah, padahal telah lama beroperasi tanpa masalah. Untuk menjawab pertanyaan itu perlulah kita meninjau ruas kiri dan ruas kanan.

Untuk besaran ruas kiri, paling tidak kita perlu meninjau dua besaran, yaitu:
a. Besarnya tegangan lokal: apakah melampaui kekuatan luluh material?
b. Besarnya intensitas tegangan pada saat patah akhir (“final fracture”): apakah mencapai fracture toughness material?

Tegangan lokal adalah tegangan nominal dikalikan dengan faktor konsentrasi tegangan. Besarnya tegangan nominal dapat dihitung dengan analisis tegangan yang didasarkan beban-beban yang bekerja pada komponen. Tegangan nominal dihitung dari beban kerja dengan memperhatikan kemungkinan adanya beban tambahan yang mungkin tidak diperhitungkan sebelumnya.

Besarnya faktor konsentrasi tegangan tergantung pada dimensi lokal. Untuk itu perlu ditinjau apakah ada cacat atau diskontinuitas geometri yang akan memperbesar tegangan setempat.

4. Dalam proses pengerjaan dan penggunaan, komponen dapat mengalami perubahan struktur mikro, contohnya akibat pengelasan ataupun akibat temperatur operasi yang tinggi. Demikian juga komposisi kimia di permukaan dapat berubah, apalagi bila atmosfir lingkungannya tidak netral, sebagai contoh peristiwa dekarburisasi ataupun karburisasi pada baja. Perubahan komposisi kimia material pasti diikuti pula dengan perubahan struktur mikro dan sifat material.

5. Peristiwa dekarburisasi sangat mungkin terjadi pada saat proses heat treatment. Pada permukaan baja terjadi penurunan kadar karbon. Bila komponen beroperasi pada kondisi beban dinamik, maka retak lelah akan segera berawal dari permukaan yang kekuatannya menurun itu.

6. Contoh pengaruh tegangan sisa terhadap sifat material adalah pada komponen yang dilas. Tegangan sisa dapat timbul pada proses pengelasan. Tegangan sisa tarik pada permukaan akan menurunkan umur lelah (fatigue life) komponen. Oleh karena itulah setelah pengelasan seringkali dilakukan PWHT (Post Weld Heat Treatment)

7. Kondisi permukaan mungkin pula berubah selama operasi, sebagai contoh akibat terjadinya korosi, khususnya pitting corrosion dan intergranular corrosion. Dari lokasi inilah retak fatigue terbentuk dan merambat.


5. Saran

Sebagai langkah awal diperlukan pemahaman mengenai prinsip kerja/fungsi peralatan berikut kondisi operasi, serta bila tersedia: data operasi menjelang kegagalan. Pengumpulan data dari operator peralatan akan menjadi sulit bila terjadi suasana “takut disalahkan”. Untuk dapat menjaring informasi yang akurat diperlukan komitmen dari manajemen yang didasari prinsip “non punitive” terhadap karyawan. Dengan prinsip tidak menghukum ini akan terjadi suasana keterbukaan.

Analisis kegagalan hendaknya tetap diarahkan untuk mencari jawaban terhadap tiga pertanyaan, yaitu:
- What happened?
- How it happened?
- Why it happened?

Dan selanjutnya analisis tersebut dapat mengarah pada penyebab kegagalan dan atau faktor-faktor yang berkontribusi.

Pengalaman-pengalaman dalam analisis telah banyak ditulis dalam bentuk buku atau jurnal ilmiah dan didiskusikan dalam pertemuan ilmiah. Dalam bentuk itulah kita dapat menyerap pengalaman orang lain. Perlu kita tekankan bahwa pemahaman untuk tiap kasus itu harus menyeluruh. Jangan sampai pemahaman itu hanya sepotong-sepotong saja. Contoh buruk yang sering dijumpai, khususnya pada pemula adalah langsung menyamakan kasus yang dihadapinya dengan hanya membandingkannya dengan gambar fraktografi atapun metalografi yang tersedia dibuku-buku.


6. Kesimpulan

Dari uraian diatas dapat ditarik beberapa butir kesimpulan sbb:

a. Analisis kegagalan yang cermat serta rekomendasi dan tindak lanjut yang tepat akan meningkatkan keselamatan, bahkan akan mencegah kejadian yang lebih parah.

b. Analisis kegagalan hendaknya tetap diarahkan untuk mencari jawaban terhadap tiga pertanyaan, yaitu:
- What happened?
- How it happened?
- Why it happened?

Dari hal-hal itulah dapat direkomendasikan tindakan perbaikan untuk meningkatan safety. Oleh karena itu objektivitas dan kebenaran ilmiah harus tetap dijunjung tinggi.

c. Agar dapat menjaring informasi yang terbuka dan akurat dalam analisis kegagalan diperlukan komitmen dari manajemen yang didasari prinsip “non punitive” terhadap karyawan.

d. Kumulasi pengalaman (“jam terbang”) adalah sangat penting dalam melaksanakan analisis kegagalan. Dalam hal ini diperlukan ketekunan untuk terus-menerus berkecimpung dalam bidang yang sama secara konsisten. Penyerapan pengalaman dari orang lain berupa buku, jurnal, dst akan memperluas wawasan.

e. Kegagalan komponen mekanik seringkali disebabkan oleh beban kerja/ kondisi operasi yang lebih parah daripada yang direncanakan, atau degradasi material pada saat manufacturing atau selama beroperasi.


Referensi:
1. ”Aircraft Accident and Incident Investigation – International Standards and Recommended Practices”, Annex 13 to the Convention on International Civil Aviation, Ninth Ed., ICAO - International Civil Aviation Organization, July 2001
2. ”ASM Metals Handbook, Failure Analysis and Prevention”, 9-th Ed., American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1987
3. ”ASM Metals Handbook, Fractography”, 9-th Ed., American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1987
4. ”Handbook of Case Histories in Failure Analysis”, Vol.1 & 2, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1994
5. Lange, G.A, “Systematic Analysis of Technical Failures”, DGM Verlag, Oberursel, 1986
6. Jones, D.R.H., ”Engineering Failure Analysis”, Pergamon, Oxford, 1994
7. Wulpi.D.J., “Understanding How Components Fail”, ASM, Metals Park, Ohio, 1985



by - Prof.Dr.ir.Mardjono Siswosuwarno


[Kembali]