1. Preliminary

 

Kebetulan sekali di plant ada dua proyek yang berdekatan schedule-nya yang mengharuskan melakukan pekerjaan PWHT (post weld heat treatment), yaitu repair brine surge vessel, Ø 4 m x 13 m, dan instalasi brine pipeline 24” sch. 60. Pekerjaan PWHT untuk repair brine surge vessel telah selesai dieksekusi oleh rekan-rekan di team lain (dan kebetulan ane ikut nimbrung saat eksekusi di lokasi kerja) di saat berlangsungnya shut down of plant di bulan Oktober – November 2014, sedangkan PWHT untuk instalasi brine pipe line 24” sch. 60 (under by E&C team) belum dieksekusi karena sesuatu dan lain hal…🙂

Menarik untuk membahas pekerjaan PWHT karena pekerjaan ini sebenarnya sarat akan ilmu material, cieee… Kalau mengeksekusi pekerjaannya ya serahkan saja ke vendor-nya karena pastinya mereka sudah expert di bidang tersebut, ehehehe..

 

 

2. What is PWHT? What is the reason to perform PWHT?

 

Buat orang yang tidak awam pasti akan bertanya-tanya, binatang apa itu PWHT??? Atau sejenis makanan apa itu PWHT??? Sebenarnya kalau diterjemahkan dari bahasa Inggris-nya, yah PWHT adalah perlakuan (treatment) panas setelah dilakukannya pengelasan pada suatu sambungan.

Terus kenapa harus di PWHT? Emang gunanya buat apa? Klo gak di PWHT masalah buat lo? Selow bro! Kalem aa!! Sok, ngudut heula jang!!! Nyokk, kita bahas pelan-pelan…

Pekerjaan PWHT dilakukan setelah pengelasan sambungan pada pipa atau vessel atau steel structure dengan ketebalan (thickness) yang dipersyaratkan pada standard yang dipakai oleh perusahaan (company) tersebut, dengan tujuan untuk mengatur kembali susunan molekul-molekul material secara homogen sehingga akan mencegah efek kerusakan-kerusakan seperti retak (crack) dan getas (brittle) yang diakibatkan oleh:

  • Tingginya tegangan-tegangan sisa (high residual stresses) akibat proses pemanasan yang tidak seragam di setiap titik di daerah lasan dan HAZ (Heat Affected Zone).

HAZPicture 01: Weld joint area (http://www.superheatfgh.com)

  • Tingginya kekerasan (high hardness) yang tinggal di daerah lasan. Semakin tebal material yang di las maka panas yang diserap oleh material tersebut ke daerah sekitarnya semakin besar sehingga menyebabkan pendinginan yang cepat yang akan mengakibatkan terbentuknya fase martensitic yang keras dan getas

 

Pada pengelasan sambungan untuk pipa atau vessel atau steel structure dengan ketebalan tertentu, panas dari lasan akan menimbulkan perubahan struktur mikro yang terlihat pada perubahan pada batas-batas butir (grain boundaries) sehingga menimbulkan residual stresses, residual stresses ini dapat berkontribusi dalam meningkatkan kerentanan terhadap corrosion dan fatigue. Karena residual stresses ini tidak dapat melebihi tegangan luluh (yield strength), maka dengan PWHT yaitu dengan meningkatkan temperature (yaitu pada temperature rekristalisasi-nya) dalam periode yang lama maka akan menurunkan maksimum tegangan sisa (the maximum residual stresses) disekitar daerah pengelasan dengan cara relaxation-recrystallization yaitu pengintian dan pertumbuhan butir-butir baru menggantikan butir-butir lama dan/atau primary creep mechanism.

Selain menimbulkan residual stresses juga menimbulkan high hardness of microstructures. High hardness ini dapat menimbulkan crack sensitivity di daerah HAZ dan tentunya akan menimbulkan kerentanan terhadap korosi. Dengan PWHT, maka akan mengembalikan penambahan fase martensitic yang terjadi ke fase ferritic-nya, dan hasilnya bisa meningkatkan keuletan (ductility) dan ketangguhan (toughness).

Untuk baja-baja struktur high strength low alloy (HSLA) bisa dilakukan PWHT ataupun tidak, tergantung dari komposisi materialnya. Beberapa baja HLSA mengandung Vanadium lebih dari 0.005 % dan atau mengandung Boron lebih dari 0.002 % yang bisa menimbulkan penggetasan pada daerah butiran di daerah HAZ ketika dipanaskan sampai dengan temperatur 1000 – 2000 oF saat proses PWHT berlangsung. Penggetasan ini dapat menyebabkan retakan yang disebut dengan “reheat cracking”. Oleh karena itu pada umumnya direkomendasikan untuk pengelasan-pengelasan baja HSLA tidak dilakukan PWHT. 

 

 

3. What the PWHT standards are???

 

Persyaratan-persyaratan (requirements) untuk melakukan pekerjaan PWHT banyak diatur dalam berbagai standar internasional, tergantung jenis pekerjaannya dan standar apa yang dipakai oleh perusahaan tersebut di plant-nya. Pekerjaan PWHT untuk steel structure menggunakan AWS D1.1, untuk vessel menggunakan ASME section VIII div. 1 UCS-56, untuk piping menggunakan ASME B31.1 (power piping), B31.3 (process piping), dll.

Seperti contoh dalam standar AWS D1.1 paragraf 3.14, kondisi-kondisi yang harus dipenuhi jika melakukan pekerjaan PWHT adalah sebagai berikut:

  • Material yang di PWHT mempunyai minimum yield strength yang tidak melebihi 50 ksi (345 mpa)
  • Material yang di PWHT bukan material dari proses quenching and tempering (QT), quenching and self tempering (QST), thermo-mechanical controlled processing (TMCP) atau bukan menggunakan pekerjaan dingin (cold working) untuk mencapai higher mechanical properties
  • Material yang di PWHT yang tidak mensyaratkan notch toughness test baik pada base metal, HAZ area, maupun weld joints
  • Material yang di PWHT mempunyai ketersediaan data terhadap strength and ductility yang cukup
  • Pekerjaan PWHT harus dilakukan sesuai dengan yang di 5.8 (stress-relief heat treatment)

Nah… kebetulan di plant saya bekerja sekarang, pekerjaan PWHT menggunakan standar ASME B31.3 baik untuk piping maupun pipeline, jadi pembahasan scope-nya kali ini dibatasi hanya pada standar ASME B31.3. Kadang juga tidak selalu berpatokan penuh pada requirements dari suatu standar internasional tapi kadang owner specification bahkan lebih ketat requirements-nya sesuai dengan tingkat kebutuhan plant tersebut.

Seperti pengalaman ketika persiapan mengerjakan mega proyek oil and gas di plant X (Cepu, Jawa Timur) dimana fluida-fluidanya lumayan corrosive, requirements sangatlah ketat melebihi requirements dari standar internasional yang dipakai yaitu ASME B31.3, requirements untuk pekerjaan PWHT yaitu seperti berikut:

  • CS piping system handling sour service fluids as per NACE MR175 / ISO 15156, regardless of wall thickness
  • CS piping in ammonia and amine services, regardless of thickness wall thickness.
  • CS piping in certain caustic services, regardless of wall thickness
  • CS piping in HF acid service, PWHT is not required if carbon content does not exceed 0.25 & CE content does not exceed 0.43

Seperti dijelaskan diatas, pekerjaan PWHT benar-benar menggunakan requirements yang ada di ASME B31.3 standard yaitu pada table 331.1.1 – requirements for heat treatment, yaitu pekerjaan PWHT untuk base metal P No. 1 Group No. 1 yaitu pipa CS (carbon steel) dengan ketebalan > 19 mm (¾”) adalah wajib (mandatory).

(Lihat table 331.1.1 – requirements for heat treatment, as per ASME B31.3 – 2008)

Table 331.1.1

Table 331.1.1 (cont)

 

Sedangkan untuk pre-heat juga sesuai dengan requirement yang di ASME B31.3 standard

(Lihat table 330.1.1 – requirements for pre-heat, as per ASME B31.3 – 2008)

Pre-heat

Pre-heat temperature berfungsi untuk menaikkan temperature material (tapi masih dibawah temperature rekristalisasi-nya) hingga mendekati panas api las sebelum di las, dengan tujuan untuk mencegah material yang akan di las mengalami perubahan temperature secara tiba-tiba yang bisa mengakibatkan retakan (crack).

Pre-heat temperature biasanya hanya dilakukan pada material-material yang tebal yang biasanya juga akan dilakukan PWHT.

 

Berikut kriteria pelaksanaan pre-heat temperature untuk masing-masing code:

– AWS D1.1   : Recommended

– ASME B31.1   : Mandatory

– ASME B31.3   : Recommended

– ASME BPVC Sect. 8 Div. 1   : Recommended

 

 

4. PWHT work sequences

 

Berikut adalah step-step pekerjaan PWHT:

  • Pastikan semua tools and equipments of PWHT sudah dikalibrasi dan diinspeksi, dan siap untuk dipergunakan
  • Pastikan weld joints sudah di NDT (already accepted both visual check and radiography test)
  • Lakukan hardnes test pada beberapa titik yang disepakati

(Hardness test dapat membantu apakah weld joints perlu di PWHT atau tidak)

  • Instal “ceramic pad element” pada area weld joints, kemudian diikat dengan steel wires. Kemudian dilapis (covered) dengan insulation blanket (fiberglass/rockwool blanket or equivalent material) untuk menghindari loss temperature saat pekerjaan PWHT, kemudian diikat dengan steel wires.

Ceramic Pad HeaterPicture 02: PWHT ceramic pad heater (www.asianproducts.com)

Ceramic Pad Heater InstallationPicture 03: Ceramic pad heater’s heating process (www.heatingtreat.com)

 

  • Instal thermocouple (indicator temperature) dimana masing-masing posisinya minimum 25 mm dari weld joints (both of sides), sesuai dengan posisi pemasangan seperti berikut:

Thermocouple positionPicture 04: Thermocouples placement on pipe

 

Sedangkan persyaratan jumlah thermocouple berdasarkan diameter pipa adalah sebagai berikut:

Thermocouple number

  • Jika memungkinkan tutup end pipe untuk mencegah “internal hot air” mengalir keluar dari terciptanya excessively high thermal gradients melalui ketebalan pipa.
  • Proteksi pekerjaan PWHT dari kemungkinan kendala hujan maupun gangguan lainnya dengan menggunakan tarpaulin atau sejenisnya.
  • Perform PWHT work
  • Record hasil pekerjaan PWHT sesuai dengan procedure yang disepakati, seperti grafik berikut:

 

PWHT graphicPicture 05: PWHT cycle method

 

Untuk mencari nilai maksimum dari heating/cooling rate untuk pipa carbon steel 1” (= 25.4 mm) adalah sebagai berikut:

Max. heating and cooling ratePicture 06: Max. heating/cooling rate

 

  • Setelah pekerjaan PWHT selesai, lakukan hardness test baik di daerah base metal, area HAZ maupun weld joints. Untuk base metal P No. 1 Group No. 1 yaitu pipa CS (carbon steel), final hardness test tidak boleh melebihi 200 BHN as per ASTM E10.
  • Setelah final hardness test accepted, lakukan visual check dan radiography test kembali
  • Jika OK, do final reporting

 

 

IMG-20141106-01301Picture 07: Perform PWHT at brine surge vessel

IMG-20141106-01304Picture 08: Perform PWHT at brine surge vessel

IMG-20141106-01302Picture 09: PWHT programmer

IMG-20141106-01305Picture 10: PWHT temperature recorder (Barton chart)

 

 

5. PWHT’s tools and equipments

 

  • Transformer

Bisa menggunakan trafo 50 kVA dengan 6 channel output dan 6 alat control, komplit dengan circuit breaker dan fuse control.

  • Temperature recorder

Untuk mengukur dan me-record temperatur dengan masing-masing 12 titik, temperature range bervariasi, bisa sampai dengan 0 – 1200 oC.

Sudah harus dikalibrasi sebelum digunakan (by KAN Indonesia)

  • Programmer

Untuk mengetahui dan mendapatkan kenaikan holding temperature dan cooling temperatur yang seragam dengan menggunakan sistem program yang presisi tinggi, dengan setting sistem digital. Programmer menerima input temperature langsung dari benda kerja dan kemudian unit program akan bekerja sesuai dengan yang diprogram secara otomatis. Untuk satu unit transformer bisa memiliki 6 unit program dan disesuaikan dengan kebutuhan

  • Pad heater element

1 unit pad heater element dengan kapasitas 2.7 kVA, dimana material dari ceramic dengan range temparutur sampai dengan 1500 oC, yang dirajut dengan Nickel Chrome Wire.

Pada pad heater, pada ujung connector disambung dengan cool tail dimana agar ujung connecting-nya tidak mengalami rambatan panas, sehingga tidak merusak connecting cable electric yang akan disambungkan ke power cable

  • Burner

Alat pembakaran unutk pre-heater dengn menggunakan blower dengan kapasitas beragam sesuai dengan kebutuhan

 

 

6. To be prepared for PWHT works

 

Documents:

  • MoC of project, dimana pekerjaan PWHT ini sudah masuk di dalamnya
  • PEP and HES Plan of project, dimana pekerjaan PWHT ini sudah masuk di dalamnya
  • Work permit (PTW) & JHA/JSA, hot work permit
  • SOP of PWHT work
  • QA/QC documents
  • Temperature records (Barton charts)
  • Final reporting

Tools and equipments:

  • Transformer
  • Temperature recorder
  • Programmer
  • Ceramic pad heater
  • Burner

Man powers:

  • PWHT Operator/Technician (by vendor)
  • Helpers (by vendor)
  • Supervisor (owner/contractor)
  • QC Inspector (owner/contractor)
  • Safety Officer (owner/contractor)

Safety equipping:

  • PPE and safety body harness
  • Scaffold materials, untuk pekerjaan PWHT di ketinggian
  • Multi gas detector dan SCBA, untuk mendeteksi apabila ada gas-gas liar (H2S, CO, etc) disepanjang jalur pipeline yang di PWHT.
  • Portable shelter, bulletin board, and portable eye wash
  • Portable lighting, untuk waktu pekerjaan night shift
  • Safety signs

 

 

7. References

 

  • AWS D1.1/D1.1M – 2004
  • ASME B31.3 (Process Piping) – 2008
  • ASME BPVC Section VIII Division 1 – 2010
  • Piping Handbook, Mohinder L. Nayyar, P.E., 7th edition – 2000
  • Carbon Steel Handbook – 2007
  • LANL Engineering Standards Manual, Chapter 13: Welding and Joining – 2006
  • Internet