RAWATAN HABA SELEPAS KERJA KIMPALAN (POST WELDING HEAT THREATMENT/PWHT)

 Rawatan haba selepas kimpalan (Post Welding Heat Threatment)

PWHT bermaksud proses rawatan haba yang dilakukan semula keatas sambungan kimpalan setelah projek tersebut siap dikimpal. Tujuanya adalah untuk membaiki struktur mikro keluli tersebut kembali kepada bentuk asal dengan menghapuskan tegasan sisa dan memperbaiki sifat mekanikalnya. Sambungan yang tidak dilakukan PWHT berpotensi berlaku risiko sambungan menjadi lemah kesan daripada berlakunya pemanasan dan kesan kemasukan haba lampau (heat imput) yang tidak seimbang pada keluli tersebut. Untuk memastikan proses PWHT mencapai tujuan pelaksanaanya, penngendali operasi PWHT hendaklah merujuk kepada kod dan  standard antarabangsa samada ASME Section VIII, API 650, atau AWS D1.1. Secara keseluruhanya PWHT adalah langkah penting dalam memastikan kualiti dam ketahanan sambungan kimpalan terutama dalam aplikasi yang melibatkan tekanan atau suhu tinggi seperti industri pembinaan kapal, struktur keluli dan industri tenaga.

Tujuan PWHT

Langkah melaksanakan PWHT memerlukan kefahaman terhadap perlakuan dari tindakan  haba dan langkah yang diambil adalah betul bagi menghasilkan kesan yang optimum.  Proses rawatan haba perlu dilakukan  sebagai langkah pemulihan bagi memastikan sambungan kimpalan dapat bertahan dari beban dan masa . Antara tujuan PWHT adalah:

1. Mengurangkan tegasan dalaman (stress relieving) sambungan kimpalan:  Semasa melakukan kerja kimpalan, perbezaan suhu di kawasan kimpalan boleh menyebabkan berlaku tegangan dalaman pada bahan terutama pada zon terkesan haba (Heat affected zone). PWHT membantu mengurangkan atau menghilangkan tegangan ini..
2. Mengurangkan kecenderungan berlaku retakan sambungan atau bahagian terkesan haba (HAZ) : Pengaruh suhu tinggi semasa kimpalan boleh menyebabkan terjadi kecacatan keretakan dalaman. PWHT dapat mengurangkan risiko tersebut melalui proses pemanasan semula dan penyejukan yang dilakukan secara terkawal.
3. Meningkatkan sifat mekanikal seperti kekuatan (hardness) , ketahanan (Toughness) dan kekenyalan (Elasticity) : Proses PWHT akan meningkatan sifat kekuatan, ketahanan dari lelasan dan meningkatkan sifat kekenyalan bahan yang dikimpal.
4. Menstabilkan struktur mikro keluli berkarbon : Bahan seperti keluli berkarbon akan mengalami perubahan struktur mikronya akibat perubahan struktur kristalnya semasa kerja mengimpal. PWHT akan mengembalikan kestabilan struktur mikro ini untuk memastikan prestasi struktur mekanikalnya yang lebih baik.

Jenis keluli yang sesuai dilakukan PWHT

1. Keluli berkarbon (Carbon Steel): Keluli berkarbon rendah dan sederhana yang melebih kandungan karbon 0.30% boleh mengalami tegangan yang tinggi selepas kerja kimpalan sehingga menyebabkan berlakunya keretakan. Proses ini dapat mengurangkan risiko tersebut. Contoh keluli tersebut ialah A36, A516 untuk tangki tekanan atau keluli struktur yang biasa
2. Keluli alloi (Alloy steel) : Keluli alloi mengandungi unsur-unsur lain untuk meningkatkan sifat kekuatanya, ketahanan pada suhu tinggi dan ketahanan kakisan seperti kromium, molibdenum, vanadium. Keluli jenis ini berisiko berlaku perubahan ketara pada struktur mikronya selepas kerja kimpalan yang boleh menyebabkan kecacatan kimpalan. Contohnya keluli 4130, 4140, 4340 atau 52100 yang digunakan dalam industri automotif dan aeroangkasa.
3. Keluli kalis karat (Stainless Steel): Terdapat juga keluli kalis karat tidak memerlukan PWHT selepas kerja kimpalan. Proses PWHT untuk keluli jenis ini lebih bergantung kepada proses kimpalan yang digunakan. Sanbungan kimpalan juga boleh terdedah kepada risiko terjadi tegangan dalaman yang boleh menyebabkan kecacatan seperti retak tegangan (Stress crossion cracking). contoh keluli adalah jenis 304, 316, 321 atau 2205 (Duplex)
4. Keluli kalis karat martensit (Martensitic Stainless Steel) : Keluli kalis karat jenis ini mengandungi lebih banyak komposisi karbon  yang  bersifat lebih keras selepas kerja kimpalan. Lebih cenderung mengalami perubahan bentuk atau keretakan. Contoh keluli jenis iani ialah 410 atau 420.

Prinsip PWHT

Apabila tindakan haba  dikenakan pada kompenan logam hingga mencapai suhu PWHT antara 500℃ - 700℃ (bergantung kepada saiz bahan). Suhu pemanasan  dikekalkan secara konsisten selama beberapa jam.  Proses  penyejukan dilakukan  secara perlahan (berperingkat) untuk  memberi ruang tindakan membaiki, menyusun dan  merawat struktur mikro bagi menghilangkan tegasan sisa, menstabil struktur mikro keluli, memperbaiki  dan menghilangkan fasa  martensit yang rencam supaya menjadi seimbang  serta bersifat teguh dan kuat secara kekal. 

Jenis-jenis PWHT

Secara tidak langsung proses PWHT akan melibatkan tiga jenis proses rawatan haba iaitu;

1. Sepuh lindap (Annealing) : Tindakan haba untuk meredakan ketegangan dan meningkatkan keseragaman struktur mikro bahan. Situasinya ialah bahan dipanaskan pada suhu lebih tinggi dan disejukkan secara berperingkat atau perlahan.
2. Penormalan/pemulihan (Normalizing) : Perlakuan haba untuk menambah baik keteguhan dan kekenyalan bahan. Situasinya ialah bahan dipanaskan kesuhu normlalizing kemudian disejukkan dalam udara terbuka (suhu bilik)
3. Mengurangkan tegasan dalaman (stress relieving): Tindakan yang dilakukan untuk mengurangkan tegangan dalaman tanpa mengubah banyak sifat mekanikal bahan. Proses dilakaukan pada suhu yang lebih rendah dari sepuh lindap (Annealing)

Faktor yang mempengaruhi PWHT

Antara faktor yang mempengaruhi peroses PWHT  ialah:

• Jenis dan komposisi bahan: Bahan yang berbeza memerlukan suhu dan masa yang berbeza untuk proses PWHT. Sebagai contoh, Keluli kalis karat memerlukan suhu yang lebih rendah berbanding keluli berkarbon
• Ketebalan bahan : Bahan yang lebih tebal memerlukan lebih lama untuk dipanaskan dan pengekalah suhu bertahan pada suhu PWHT
• Keperluan Spesifikasi: Sesetengan projek atau industri mempunyai spesifikasi yang lebih ketatmengenai suhu dan tempoh PWHT yang perlu dipatuhi bagi memastikan sefat kekuatan dan ketahanan pada sambungan tersebut

Langkah penting dalam kerja PWHT

Tindakan penting yang perlu dilakukan dalam aktiviti PWHT adalah 

• persediaan awal : memeriksa sambungan kimpalan bagi memastikan sambungan tersebut tiada kecacatan seperti keretakan dan kekotoran yang boleh mempengaruhi keberkesanan PWHT. Permukaan perlu bersih dari sebarang kekotoran bagi mengelakkan ganguan kepda proses tersebut.

• Menentukan suhu dan waktu perlakuan: Suhu PWHT bergantung pada jenis bahan, saiz dan ketebalan bahan yang dikimpal. Secara umumnya suhu PWHT adalah antara 500℃ - 700℃, tetapi mungkin berbeza merujuk kepada jadual perlakuan dan spesifikasi yang diberikan dalam kod dan piawaian (standard). Kadar tempoh masa dan suhu yang diperlukan akan  ditentukan berdasarkan ketebalan bahan yang mana semakin tebal semakin lama perlu dipanaskan dan takat pengekalan suhu penahanan  secara konsisten.

• Melakukan pemanasan (Heating) : Memilih peralatan dan kaedah pemanasan perlulah sesuai dan menepati hasil PWHT yang dinginkan. Kemampuan peralatan yang digunakan mestilah dapat mencapai suhu yang tepat dan boleh dikawal. Antara kaedah pemanasan ialah menggunakan relau elektrik, relau gas atau kaedah induksi elektrik. Pemanasan terlalu cepat perlu dielakakn bagi mengurangkan  kesan "tegangan tambahan". Kaedah pemanasan yang baik ialan dengan melakukan pemanasan secara perlahan dan bertahap hinggalah mencapai suhu yang diperlukan.

• Tahap pemanasan pada suhu tertentu: Pemanasan yang dilakukan secara berperingkat hinggalah mencapai suhu yang diperlukan. Takat suhu tersebut perlu dikekalkan secara konsisten (bertahan) supaya bahan mengalami penyebaran haba yang sekata yang dapat mengurangkan kesan  ketegangan dalaman. Nota: Bahan yang lebih tebal memerlukan masa yang lebih lama untuk mencapai suhu yang seragam ke seluruh bahagian sambungan kimpalan

• Penyejukkan terkawal: Selain proses pemanasan, penahan pada suhu yang ditetapkan oleh kod dan standard yang digunakan, Proses penyejukkan juga perlukan dilakukan secara terkawal. Penyejukkan terlalu cepat akan mengubah struktur mikro logam menjadi martensit yang boleh menyebabkan tegangan dan keretakan. Penyejukkan yang biasanya dilakukan dalam suhu bilik atau suhu relau yang boleh dikawal bagi mengelakkan perubahan suhu secara drastik.

• Pemeriksaan akhir: Selepas PWHT, pemeriksaan akhir perlulah dilakukan samada secara visual atau kaedah  ujian tanpa musnan (NDT) seperti ujian sinar X, ujian Ultrasonic dan lain-lain. Pengujian sifat mekanikal seperti ujian kekuatan atau ketahanan keretakan juga boleh dilakukan bagi memastikan sifat mekanikal sambungan tersebut telah dibaiki selepas dijalankan proses PWHT.

Kaedah pemanasan

Kaedah pemanasan dan penyejukan ditentukan oleh saiz bahan, keadaan cuaca, suhu persekitaran  dan lokasi projek dilaksanakan. Tidak semua kaedah pemanasan sesuai dilakukan pada produk kimpalan. sebagai contoh produk bersaiz terlalu besar tidak sesuai dilakukan pemanasan dalam relau. Kaedah pemanasan untuk tujuan PWHT adalah sama dengan prosedur pemanasan Pra panas (Pre heating) yang dilakukan sebelum mengimpal. Antara kaedah pemanasan biasa ialah:

1. Pemanasan gas flame : Oksiasetilena, butene, metane dan lain-lain: Dilakukan pemanasan pada permukaan luar dengan menggunakan nyalaan terbuka hingga mencapai suhu yang dikehendaki . Kompenan tersebut dibiarkan sejuk secara perlahan-lahan dalam suhu terbuka. kaedah ini lebih kepada mengurangkan ketegangan dalam bahan.
2. Relau pemanas pwht (pwht Furnance) /Relau elektrik atau relau gas : Suhu pemanasan dan penyejukan mudah dikawal. kelebihan relau jenis ini dapat menyebar haba secara sekta dan meluas. Amat sesuai digunakan pada kompenan yang bersaiz sederhana atau besar dan tebal yang sukar dipanaskan dengan kaedah lain. 
3. Induksi elektrik (Heating blanket/ceramic pad): Menggunakan arus elektrik untuk menghasilkan haba secara langsung pada bahan. ini dilakukan pada kawasan yang lebih kecil atau apabila kadar pemanasan lebih cepat diperlukan

Pemanasan kaedah gas flame 

Kaedah yang biasa digunakan dalam proses rawatan haba samada proses pra panas atau proses rawatan haba selepas kimpalan. Ini kerana kendalianya adalah lebih mudah dan murah. Sesuai dilakukan dilokasi tiada bekalan elektrik. Walaubagaimanapun agar sukar mengawal suhu secara sekata terutama bagi projek yang bersaiz besar. Keadaan cuaca dan suhu akan mempengaruhi keberkesanan proses tersebut.

Persediaan Awal 

1. Memeriksa secara  visual pada sambungan kimpalan untuk memastikan tiada kecacatan besar (retakan, keliangan, dll.).
2. Membersihkan permukaan kawasan sekitar kimpalan daripada minyak, cat, karat, atau kekotoran lain.
3. Memasang termokapel (thermocouple) di beberapa titik kritikal (terutama di zon HAZ – Heat Affected Zone) untuk pemantauan suhu.
4. Menyediakan shelter atau perlindungan angin jika kerja dilakukan di luar supaya nyalaan api stabil.

Pemanasan Awal (Preheating)

Langkah awal adalah melakukan proses  pra panas menggunakan gas flame secara perlahan dan sekata di sekeliling kawasan kimpalan.Tujuannya adalah  untuk mengurangkan kejutan haba apabila suhu dinaikkan. lakukan pra panas hingga mencapai suhu preheat (biasanya sekitar 100–300°C, bergantung kepada jenis logam). Gunakan pyrometer atau infrared thermometer untuk pantau suhu permukaan. tindakan seterusnya adalah meaikkan suhu secara terkawal dan sekata menggunakan nyalaan tersebut. Pantau suhu menggunakan thermocouple dan data logger atau temperature controller. Kadar kenaikan suhu biasanya sekitar 55°C – 110°C per jam (bergantung kepada ketebalan logam). Apabila suhu PWHT diperolehi, kekalkan  pada suhu bertahan (soaking temperature), Biasanya 1 jam setiap 25 mm ketebalan bahan logam 

Contohnya:

• 600 – 700°C untuk keluli karbon.
• 650 – 750°C untuk keluli aloi.

Gambarajah Relau pemanas

Langkah kerja melakukan PWHT dalam Relau

sebelum bahan/kompenan dimasukkan kedalam relau untuk tujuan proses pemanasan beberapa tindakan awal perlu dilakukan iaitu;

1. Memastikan relau pemanas berkeadaan baik dan bersih
2. Permukaan bahan/kompenan hendaklah dibersihkan dan bebas dari cat, minyak, oksida dan sebagainya.
3. Memasang pengukur suhu Termogandingan/ termokapel (thermocouple) dilokasi penting seperti titik tengah dan bagi kompenan besar termasuk pada bahagian  penghujungnya.
4. Kedudukan kompenan di dalam relau mestilah disokong pengalas agar tidak menyentuh lantai atau dinding relau pemanas. 

Gambarajah proses PWHT didalam relau

Nota: Termogandingan (thermocouple)  adalah penyukat suhu yang diperbuat dari dua jenis logam berbeza yang boleh menahan suhu panas hingga suhu  1800 °C bergantung kepada jenis bahanya. Termogandingan menyambungkan dua jenis logam berlainan akan menghasilkan arus atau voltan elektrik apabila terdapat perbezaan suhu antara dua hujung sambungan tersebut

Pemanasan terkawal (Controlled Heating Rate)

Kaedah pemanasan yang dilakukan hendaklah secara bertahap bagi mengelakkan berlakunya herotan (distortion) atau keretakan dalaman (internal crack) akibat dari pemanasan yang tidak sekata. Peningkatan suhu adalah secara berkadar dengan masa pemanasan. contohnya suhu pemanasan pada jam pertama adalah maksimum 110°C per jam hingga suhu 300°C dan boleh ditingkatkan menjadi 200°C per jam hingga suhu PWHT tercapai. Perlu diingatkan memanaskan hingga lebih dari 700°C, akan menyebabkan perubahan pada  struktur mikro. (misalnya grain growth)

Gambarajah:  thermocouple

 Tempoh bertenang  (Soaking Time)

"Soaking time"  ialah tempoh masa sesuatu bahan dikekalkan secara konsisten  pada suhu tertentu supaya haba atau tenaga dapat meresap secara sekata ke seluruh bahan sebelum proses selanjutnya. Dalam konteks PWHT pula, soaking time melibatkan jangka masa pemanasan yang telah mencapai  suhu PWHT dan dibiarkan  kekal secara konsisten pada suhu PWHT, untuk memberi ruang tindakbalas menghilangkan tegasan sisa, menstabil, memperbaiki  dan menghilangkan struktur mikro martensit yang rencam supaya seimbang  di seluruh bahagian logam  menjadikan logam tersebut bersifat teguh dan kuat secara kekal.

PWHT kaedah heating blanket

Heating ceramic blanket berkonsepkan  selimut pemanas berasaskan seramik yang digunakan sebagai alat pemanas luaran. Ia dililit pada kawasan kimpalan dan disambung kepada sumber elektrik. Pemanasan kaedah ini adalah sekata dan terkawal. Lebih selamat dan mudah dikawal berbanding kaedah pemanasan api terbuka. Sesuai untuk kerja di tapak (field work) atau kilang. selain itu peralatanya mudahalih dan boleh digunakan berulang kali.

Langkah Tindakan PWHT menggunakan Heating Ceramic Blanket:

1. Penyediaan Permukaan: Permukaan kawasan kimpalan dibersihkan daripada minyak, karat, atau cat.

2. Pemasangan Thermocouple: Sensor suhu dipasang di kawasan kritikal untuk memantau suhu secara langsung sepanjang proses.

   

   Gambarajah kaedah pemanasan heating blanket

3. Pembalutan Ceramic Blanket: Heating ceramic blanket akan dibalut mengelilingi kawasan kimpalan dan disambungkan kepada panel kawalan suhu elektrik.

4. Pemanasan (heating): Kawasan tersebut dipanaskan mengikut kadar yang ditentukan (contohnya 55°C–110°C per jam), hingga mencapai suhu bertahan/rendaman (soaking temperature) – contohnya 600–700°C (bergantung pada jenis logam).

5.  Masa bertenang (Soaking Time): Suhu dikekalkan selama tempoh tertentu (masa 1 jam per 25mm ketebalan logam) bagi memastikan haba meresap sepenuhnya.

6. Penyejukan Terkawal (Controlled Cooling): Suhu pemanasan pwht dikekalkan dalam tempoh masa tertentu dan akan dikurangkan secara perlahan (contohnya 100°C perjam) untuk mengelakkan retakan

Prosedur asas PWHT

Berikut adalah prosedur secara ringkas  melakukan rawatan haba selepas kerja kimpalan yang perlu dipatuhi bagi memastikan proses pwht tersebut dapat memenuhi tujuan proses tersebut.

1. Membersih permukaan bagi kompenan / sambungan kimpalan
2. Memilih kaedah pemanasan yang sesuai
3. Melakukan prosedur pemanasan 
4. Mengukur suhu.
5. Mengawal dan mengekalkan suhu pemanasan yang sesuai (soaking time).
6. Proses penyejukkan secara perlahan  (ditentukan oleh saiz bahan)
7. Memeriksa secara visual.

Pemeriksaan Selepas PWHT

• Melakukan ujian kekerasan (hardness test) atau NDT (Non-Destructive Testing) seperti Ujian radiografi (X-ray), Ultrasonik atau mana-mana ujian tanpa musnah bagi memastikan tiada kesan kecacatan selepas proses PWHT.

• Menyimpan rekod suhu dan masa dari alat pemantauan sebagai dokumentasi QA/QC.

catatan chekguzaidi: semoga bermanfaat