ULTRASONIC NON-DESTRUCTIVE TEST

ULTRASONIC NON-DESTRUCTIVE TEST

ABSTRAK

Mendeteksi defeksi kecil pada suatu material dengan geometri kompleks merupakan hal yang sulit apabila dilakukan dengan metode konvensional Non-Destructive Test, terutama terhadap suatu komponen atau material yang memiliki ketebalan yang bervariasi. Hal ini dikarenakan pendeteksian melalui permukaan material uji menghasilkan hasil yang kurang akurat. Ultrasonik Non-Destructive Testing adalah salah satu teknik pengujian material tanpa merusak benda uji melalui pantulan gelombang ultrasonic. Pengujian ini untuk mendeteksi adanya cacat (flaw) atau retak (crack) pada material secara dini supaya kegagalan saat suatu komponen atau material digunakan dapat dihindari. Gelombang yang dipancarkan tersebut kemudian akan diolah dan dianalisis untuk mengetahui letak keberadaan cacat suatu material.

Kata Kunci: Non-destructive test, Ultrasonic testing, Crack, Flaw

1.     Pendahuluan

Inspeksi terhadap struktur material suatu logam seperti baja sangat penting untuk mengetahui kondisi material dan melakukan tindakan preventif untuk menghindari kegagalan pada suatu komponen atau peralatan ketika dioperasikan. Penurunan fungsi dapat terjadi akibat keretakan, kecacatan, atau kelelahan material dalam jangka waktu yang lama. Pengujian material dengan metode Non-Destructive Test(NDT) adalah pengujian material tanpa merusak material uji. Pengujian ini bertujuan untuk mendeteksi, menentukan lokasi, ukuran, dan karakteristik cacat.

Ultrasonic testingtermasuk salah satu teknik yang digunakan secara luas dan efektif untuk pengujian cacat dalam (internal defect).

2.     Prinsip Fundamental

Metode ultrasonik adalah metode pengujian non-destruktif dimana gelombang suara frekuensi tinggi diarahkan ke material uji yang kemudian dipantulkan kembali untuk dianalisis. Kebanyakan pemeriksaan ultrasonik dilakukan pada frekuensi antara 0,5 dan 25 MHz jauh diatas kisaranpendengaran manusia, yaitu sekitar 20 Hz sampai 20 kHz. Gelombangnyadiwakili oleh persamaan gelombang sinusoidal yang memiliki amplitudo, frekuensi tertentu, dan kecepatan. Amplitudo merupakan jarak/simpangan terjauh dari titik kesetimbangan dalam gelombang sinusoidal. Frekuensi adalah jumlah siklus per detik, dan panjangnyadari satu siklus disebut panjang gelombang. Hubungan antara frekuensi, panjang gelombang, dan kecepatan dinyatakan melalui persamaan

                                                            (1)

λ : panjang gelombang

 : velocity

f : frekuensi

Kecepatan gelombang yang melalui suatu material memiliki nilai yang berbeda-beda, hal tersebut dipengaruhi oleh impedansi yang terdapat pada setiap material. Impedansi merupakan ketahanan yang dimiliki oleh suatu medium ke arahbagian dari suara melaluinya. Kecepatan juga tergantung pada sifat elastis medium yang dinyatakan dengan

dimana q adalah adalah modulus elastisitas dan  adalah densitasnya. Ada dua tipe utama gelombang ultrasonic, yaitu gelombang longitudinal dan gelombang transversal. Secara umum gelombang longitudinal merupakan jenis gelombang yang paling banyak digunakan untuk pengujian ultrasonic. Hal ini karena gelombang longitudinal memiliki arah getaran yang sama dengan arah rambatan. Arah osilasi partikel sejajar dengan arah propagasi gelombang.

Gelombang suara yang ditembakkan akan merambat melalui material dan akan dipantulkan apabila mengenai sisi lain material atau cacat yang ada di dalam material. Pantulan yang terjadi merupakan pantulan acak, bergantung pada bidang yang dikenai apabila gelombang suara mengenai bidang yang tegak lurus dengan arah datamg gelombang. Maka gelombang tersebut akan dipantulkan kembali ke sumber gelombang. Jarak cacat atau bidang tersebut diprediksi melalui waktu yang dibutuhkan mulai dari gelombang tersebut dikirimkan hingga diterima kembali.

3.     Peralatan Pengujian Ultrasonik

Peralatan dari ultrasonic testing utamanya terdiri dari pendeteksi cacat, transduser, dan blok kalibrasi. Secara singkat, skema dapat ditunjukkan melalui Gambar 1. Blok diagram, analog. Generator pulsa menghasilkan pulsa tegangan bolak-balik yang memicu kristal dalam probe untuk menghasilkan specimen dengan menggabungkan probe tersebut. Gelombang ultrasonik yang dihasilkan direfleksikan terhadap daerah sekitar spesimen uji atau terhadap diskontinuitas di dalam spesimen uji. Melalui efek piezoelektrik, gelombang ultrasonik diubah menjadi pulsa tegangan dan diarahkan ke pelat-y dari tabung sinar katoda melalui amplifier, kemudian akan ditampilkan di layar CRT sebagai pulsa amplitudo dan dapat diartikan sebagai sinyal dari dinding spesimen uji atau dari diskontinuitas di dalamnya.

Gambar 1. Blok diagram, analog ( International Atomic Energy Agency. 1999.Non-destructive Testing: A Guidebook for Industrial Management and Quality Control Personnel.Vienna )

Potongan Kristal tersusun dalam suatu susunan kerangka yang disebut sebagai ultrasonic probe.Probeyang mengirimkan ultrasonik ke dalam spesimen uji pada sudut yang tepat ke permukaan specimen uji disebut probe normal sedangkan yang mengirim berkas ke spesimen pada sudut tertentu disebut sebagai probe sudut. Dalam probe sudut, kristal dipasang pada irisan perspektif sehingga gelombang longitudinal jatuh pada permukaan spesimen uji secara miring.Ilustrasi probe ditunjukkan dengan Gambar 2. A typical normal beam single crystal ultrasonic probe.Sebagai berikut.

Gambar 2. A typical normal beam single crystal ultrasonic probe( International Atomic Energy Agency. 1999.Non-destructive Testing: A Guidebook for Industrial Management and Quality Control Personnel.Vienna )

4.     Prosedur Umum Ultrasonic Testing

Metode pengujian ultrasonik yang paling umum digunakan adalah metode pulse-echo atau reflection. Dalam kasus ini, penerima pemancar dan probe penerima berada pada sisi spesimen yang sama selanjutnya adanya cacat ditunjukkan oleh penerimaan gema atau pantulan sinyal. Prinsip kerja dari metode pulse-echo ditunjukan sebagai berikut:

Gambar 3. Prinsip metode pulse-echo untuk pengujian ultrasonic (a) spesimen bebas cacat (b) spesimen dengan cacat kecil (c) spesimen dengan cacat besar.( International Atomic Energy Agency. 1999.Non-destructive Testing: A Guidebook for Industrial Management and Quality Control Personnel.Vienna )

Prosedur untuk melakukan uji ultrasonik dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk luasnya permasalahan dalam industri. Oleh karena itu sulit untuk menetapkan suatu metode untuk kondisi yang beragam. Prosedur umum yang biasanya dilakukan dalam tes ultrasonik pada banyak kasus antara lain:

a. Spesimen Uji

Karakteristik spesimen uji yang perlu diperhatikan seperti kondisi dan jenis permukaan, geometri dan struktur mikro. Permukaan yang sangat kasar harus dibuat halus dengan penggilingan, dll. minyak, kotoran dan cat harus dihilangkan. Geometri spesimen harus diketahui karena dapat mempengaruhi pantulan gelombang di dalam spesimen. Beberapa refleksi karena geometri yang terlalu rumit, dapat membingungkan pembacaan.

b.Jenis probe dan peralatan

Berbagai probe dirancang untuk keperluan khusus. Untuk pemeriksaan luas permukaan yang besar sebaiknya menggunakan probe dengan transduser besar untuk mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk pengujian.

c.   Sifat cacat

Karakteristik cacat meliputi jenis, ukuran dan lokasi, berbeda pada berbagai jenis bahan. Garis besar cacat dapat diperoleh kira-kira dengan menggerakkan probe di atas permukaan spesimen uji. Fluksgema  meningkat dari nol sampai nilai maksimum saat probe dipindahkan dari suatu wilayahbebas dari cacat ke titik di mana ia paling dekat dengan cacat. Informasi mengenai karakter cacat bisa didapat dari bentuk gema cacat. Untuk cacat kecil, ukuran cacat diperkirakan dengan membandingkan reflektifitas pantul dengan reflektifitas reflektor standar.

d.  Pengaruh kuplan

Fungsi kuplan adalah untuk memudahkan merambatnya gelombang dari probe ke dalam benda uji karena apabila diantara probe dan benda uji terdapat udara maka gelombang akan dipantulkan kembali ke dalam probe. Jenis kuplan yang sering digunakan dalam uji ultrasonik antara lain oli, greese, emulasi plastik, air untuk bahan yang bersifat korosi.

e.   Standar uji

Ada 2 jenis standar uji yang sering digunakan. Jenis standar pertama digunakan untuk mengendalikan parameter seperti penguatan penguat daya, kekuatan pulsa  dan penanda waktu untuk memastikan tetap konstan selama keseluruhan pengujian. Jenis standart kedua biasanya digunakan untuk tes yang sangat bergantung padasifat bahan yang diperiksa, dan jika mungkin, terbuat dari bahan yang sama dan memiliki bentuk yang sama seperti benda yang diperiksa. Standar ini memungkinkan pengaturan cacat minimum yang diijinkan serta lokasicacat.

f.   Proses scanning

Dimaksudkan untuk merekam atau menginterpretasikan hasil inspeksi yang dilakukan pada benda kerja sehingga dapat terlihat plan view scan A,B, dan C.

g.  Pengukuran cacat

Metode yang umum digunakan untuk ukuran cacat pada ultrasonikpengujian adalah metode 6 dB, metode 20 dB, metode amplitudo maksimumdan metode diagram DGS. Metode  6 dB cocok untuk ukuran cacat yang memiliki ukuranyang sama atau lebih besar dari pada lebar balok ultrasonik namun akan memberikan hasil yang tidak akurat dengan kekurangan ukuran yang lebih kecil daripada balok ultrasonik.

h.   Laporan hasil uji

Agar hasil pemeriksaan ultrasonik dapat dinilai sepenuhnya, diperlukan temuan penguji agar dicatat secara sistematis. Laporan berisi rincian pekerjaan yang sedang diperiksa, kode yang digunakan, peralatan yang digunakandan prosedur kalibrasi dan pemindaian.

5.     Karakteristik Tranducer

5.   1 Compression Wave Transducers

Gelombang ultrasonik terdiri dari beberapa pancaran energi suara, dimana gelombang menempati ruang – disebut sebagai “pulse width”. Pulse width penting karena ketika satu pancaran sedang berlangsung, gelombang berikutnya tidak dapat diproses secara tepat. Hal ini berarti dua reflektor yang hanya memiliki sedikit perbedaan kedalaman akan menunjukkan sebagai satu gelombang. Kemampuan sistem ultrasonik untuk mendiskritkan di antara dua reflektor yang berdekatan disebut sebagai resolusi.

Resolusi pada suatu transducer dapat ditunjukkan dengan cara:

1)     Dengan perhitungan pulse width dan menunjukannya sebagai jarak di suatu material. Sebagai contoh, panjang gelombang 5 MHz compression wavepada baja adalah 1.192 mm.

2)     Dengan mengukur pulse width pada jejak kalibrasi. Gambar berikut menunjukan jejak kalibrasi untuk 25 mm skala penuh. Gelombang mulai di 11 mm dan berakhir di 14 mm. pulse width-nya bernilai 14-11 = 3 mm.

Gambar 4.Jejak kalibrasi. (Charles J. Hellier .2003.Handbook of Nondestructive Evaluation.McGraw-Hill Companies. USA)

3)     Dengan mengecek resolusi pada blok kalibrasi seperti ditunjukan pada gambar berikut.

Gambar 5. Resolusi pada IIW blok. (Charles J. Hellier .2003.Handbook of Nondestructive Evaluation.McGraw-Hill Companies. USA)

Blok yang ada telah didesain sehingga jarak antara pantulan permukaan pertama dan kedua sama dengan 1 µ detik pada kecepatan baja.

Ketika menggunakan transducer kristal tunggal, mula gelombang dan getaran kristal terhubung ke receiver circuit dan ditampilkan pada timebase. Ketika kristal sedang mentransmisikan, jejak tidak dapat menampilkan sinyal yang diterima secara jelas. Mula gelombang dapat diukur pada timebase terkalibrasi dengan mencatat titik di mana mula gelombang mulai hilang.

5.   2 Angle Beam Wave Transducers

Pada transducer jenis ini, kristal dipasang pada pasak Plexiglas dengan tujuan menghasilkan sudut refraksi di kompenen tersebut.

 Blok IIW V1 memungkinkan beberapa kali kalibrasi sudut pancaran dilakukan. Salah satu dari kalibrasi ini untuk menentukan indeks probeyang sebenernya. Gambar di bawah menunjukan transducer pancaran sudut shear wave diproyeksikan pada blok IIW V1 sehingga pusat pancaran mengarah ke radius 100 mm.

Gambar 6. Pancaran sudut pada blok IIW. (Charles J. Hellier .2003.Handbook of Nondestructive Evaluation.McGraw-Hill Companies. USA)

6.     Prosedur PengujianUltrasonic Test

Sebelum malakukan pengujian yang sebenarnya, terlebih dahulu dilakukan kalibrasi terhadap peralatan yang digunakan

·         Kalibrasi probe normal pada material blok lakibrasi

Gambar  7 Kalibrasi probe normal  ( International Atomic Energy Agency. 1999.Non-destructive Testing: A Guidebook for Industrial Management and Quality Control Personnel.Vienna )

Prosedur :

1.     Probe diletakkan pada posisi A. Sweep length dan sweep delay diatur untuk menampilkan kaki atau puncak indikasi tepat di 2.5, 5.0, 7.5 dan 10.0

2.     Selanjutnya probe diletakkan di posisi B. Indikasi akan muncul tepat di skala 10 pada layar.

3.     Probe kemudian dipindah ke posisi C dan tidak ada indikasi yang muncul pada layar.

4.    Ketika probe B diletakkan di titik B, sweep length dan sweepdelay diatur sehingga menempatkan indikasi tepat pada posisi 5.0 dan 10.0. Dengan begini peralatan telah terkalibrasi untuk baja dengan range 200 mm.

5.     Ketika probe diletakkan di titik C, indikasi akan muncul di skala 10.0.

·      Menenentukan exit point dengan

menggunakan probe sudut (70˚)

Gambar 8 menentukan exit point.( International Atomic Energy Agency. 1999.Non-destructive Testing: A Guidebook for Industrial Management and Quality Control Personnel.Vienna )

·         Probe Angle

1. Meletakkan probe pada posisi B.

2. Sweep length diatur terlebih dahulu untuk menampilkan satu indikasi pada layar.

3. Probe digeser maju-mundur untuk memperoleh indikasi tertinggi dari perspex.

4. Mencatat posisi skala sudut pada blok yang bertepatan dengan exit point probe. Skala tersebut merupakan sudut probe actual yang akan dipakai untuk perhitungan saat pengujian. Toleransi maksimum yang diijinkan adalah sebesar ± 2^o.

5. Kalibrasi Probe sudut (70˚) pada material

1.   Kalibrasi Probe sudut (70˚) pada material V2

Gambar 9 Kalibrasi probe sudut pada V2

( International Atomic Energy Agency. 1999.Non-destructive Testing: A Guidebook for Industrial Management and Quality Control Personnel.Vienna )

2.     Kemudian probe diposisikan pada B.

3.     Sweep length dan sweep delay diatur sehingga munculkan indikasi pertama dan tertinggi pada skala layar 2.5 dan 10.0. Dengan demikian, peralatan telah terkalibrasi untuk range 100 mm

Setelah alat dikalibrasi dan hasilnya Ultrasonic flaw detector masih layak untuk digunakan dan telah mendapakan exit pointnya, maka penggunaan Ultrasonic flaw detector pada specimen dapatdilakukan :

1.       Oleskan minyak pada material uji

2.       Arahkan probe dan gerakkan perlahan dsampai mendapatikan kurva initial pulse dan kurva indikasi yang tertinggi

3.       Setelah mendapatkan posisi dimana kurva indikasinya memilki tinggi yang tertinggi.

4.       Lalu perhatikan nilai dari sound path, surface distance dan depth.

6.1    Output Ultasonic Test

Hasil dari gelombang suara tersebut ditampilkan pada layar monitor berupa tampilan pulsa untuk mengetahui tebal serta cacat atau tidaknya benda uji tersebut.

Secara umum tampilan pulsa pada layar monitor terdiri dari:

1.       Initial Pulse

2.       Backwall Pulse

3.       Defect Pulse

4.       Noise Pulse

Sedangkan untuk membedakan tampilan pulsa2 pada layar monitor dapat dijelaskan secara sederhananya sebagai berikut:

·      Initial Pulse adalah signal pulsa yang selalu muncul pada saat awal tampilan pengukuran yang terbaca dilayar monitor.

·      Defect Pulse adalah signal pulsa yang muncul sebagai indikasi adanya cacat pada bahan uji.

·      Backwall Pulse adalah signal pulsa yang menyatakan ketebalan bahan uji.

·         Noise Pulse adalah kumpulan pulsa-pulsa noise yang muncul pada bahan uji.

Backwall pulse, Noise pulse dan Defect Pulse bagi orang yang baru pertama kali mengoperasikan alat Ultrasonic test mungkin masih rancu untuk membedakan. oleh karena itu untuk membedakannya kita bisa melihat dari karakter signal yang muncul pada tampilan layar monitor.

Untuk mengetahui apakah itu Backwal pulse kita bisa menambah panjang Range pada set-up  alat UT. jika Pulsa selalu muncul setiap kelipatan angka pada layar UT test secara teratur misalya pada jarak 6,12,18,24 dst.. berarti pulsa tsb masuk kategori Backwall pulse.

Sedangkan Defect pulse dan noise pulse untuk membedakannya kita bisa mengatur nilai Reject pada alat UT test tsb, jika kita  menaikkan nilai Reject pada alat UT test kemudian signal yang muncul pada layar monitor menghilang, berarti signal tersebut adalah noise pulse, namun bila tampilan signal tetap muncul pada layar monitor berarti signal tersebut adalah defect pulse.

6.2    Pembacaan Grafik Hasil Ultrasonik Test

Titik ekstrim diskontinuitas didefinisikan sebagai titik dimana  amplitudo signal bernilai 1/2 dari nilai tertinggi. Titik ini ditandai dengan menggunakan garis tengah kurva sebagai indeks. Dengan cara yang sama, ekstremitas lainnya ditemukandan jarak antara kedua tanda didefinisikan sebagai panjang diskontinuitas. Panjang minimum diskontinuitas yang dapat terekam harus 1/8 inchi

7.     Keuntungan dan Kekurangan

Keuntungan dan kekurangan utama ultrasonic testing ketika dibandingkan dengan NDT yang lainnya adalah sebagai berikut:

7.1 Keuntungan

a.     Sensitif terhadap diskontinuitas permukaan dan bawah permukaan.

b.    Kedalaman penetrasi untuk pendeteksi cacat yang terdeteksi atau diukur adalah metode yang umum di gunakan dalam NDT.

c.     Hanya membutuhkan akses ke 1 sisi ketika menggunakan teknik echo-pulse.

d.    Akurasi yang tinggi dalam menentukan posisi reflektor serta memperkirakan bentuk dan ukurannya

e.     Membutuhkan persiapan yang minimum

f.     Memperlihatkan hasil yang cepat

g.    Gambar yang detail dapat dihasilkan melalui sistem yang otomatis

h.     Tidak berbahaya bagi operator dan orang didekatnya serta tidak menimbulkan efek pada material.

i.      Dapat digunakan untuk fungsi lain seperti pengukuran keteballan, sebagai tambahan pendeteksi cacat.

j.      Perlengkapan yang digunakan mudah di pindah pindah dan otomasi yang tinggi.

7.2 Keterbatasan

a.     Permukaan benda uji harus bersih untuk mentransmisikan gelombang ultrasonik.

b.    Kemampuan dan pelatihan diperlukan lebih intensif dari pada metode yang lain.

c.     Dalam kondisi normal membutuhkan kop-lan perantara untuk mempermudah transfer gelombang dalam spesimen uji.

d.    Material yang keras berbentuk tidak beraturan sangat kecil, tipis atau tidak homogen sulit untuk di deteksi.

e.     Besi tuang dan material yang berbutir kasar sulit untuk dideteksi akibat lemahnya gelombang transmisi dan tingginya gangguan

f.     Cacat linier yang paralel terhadap gelombang dari batang kemungkinan tidak terdeteksi.

g.    Referensi standar dibutuhkan untuk kalibrasi peralatan dan karakteristik cacat

8.     Aplikasi Ultrasonic Testing

8.1  Pengukuran ketebalan

Pengukuran ketebalan menggunakan ultrasonik dapat diterapkan dengan menggunakan echo-pulse atau teknik resonansi. Beberapa penerapannya adalah:

a.     Pengukuran ketebalan dinding pada bejana, pipa, dan tangki penyimpanan bahan kimia tanpa harus melakukan pembongkaran.

b.    Pengukuran ketebalan lambung kapal untuk pengendalian kontrol.

c.     Pemeriksaan tabung heat exchanger  pada reaktor nuklir

d.    Pengukuran dinding tabung bor kecil termasuk tabung untuk reaktor elemen bakar

8. 2 Deteksi cacat

Cacat atau kekurangan yang khas ditemui pada material industri antara lain, retakan, porositas, laminasi, inklusi, rongga, korosi, dan lain-lain. Beberapa contoh pendeteksian pada kerusakan-kerusakan tersebut adalah sebagai berikut:

a.     Pemeriksaan sambungan las pada bejana tekan, wadah penyimpanan cairan dan gas industri, pipa, jembatan baja, bingkai dan atap pada tahap pembuatan.

b.    Pengujian rotor dan blade (sudu) turbin pada mesin pesawat terbang.

c.     Pemeriksaan tahap awal dalam produksi balok baja dan aluminium, serta lembaran, pelat, tabung, dan kabel.

d.    Pemeriksaan permukaan yang tidak beraturan pada keramik, karet, plastik, dan laminasi.

e.     Pemeriksaan pada rotor mesin jet.

9.     Evaluasi Hasil Pengujian

Ketika NDT telah ditentukan, beberapa informasi berikut harus tersedia, yakni:

a.     Deskripsi komponen

b.    Metode pengujian

c.     Spesifikasi pengujian

Spesifikasi pengujian merupakan hal penting. Apabila tidak ada kejelasan tipe, ukuran, dan jumlah diskontinuitas, maka penetapan apakah material itu masih bisa ditolerensi kecacatannya tidak akan tercapai. Ini berarti komponen tidak boleh memiliki diskontinuitas sekecil apapun yang dapat mengakibatkan kegagalan.

Gambar 10. Flow chart prosedur pengujian ultrasonic( Charles J. Hellier .2003.Handbook of Nondestructive Evaluation.McGraw-Hill Companies. USA )

Daftar Pustaka

a.   International Atomic Energy Agency. 1988. Ultrasonic Testing Of Materials At Level 2.Vienna

b.  International Atomic Energy Agency. 1999.Non-destructive Testing: A Guidebook for Industrial Management and Quality Control Personnel.Vienna

c.   Charles J. Hellier .2003.Handbook of Nondestructive Evaluation.McGraw-Hill Companies. USA

d.  Dr.Ala Hijazi. Introduction to Nondestructive Testing Techniques

e.   Subiyanto, Lilik., Sardjono,Tri Arief. 2012. Deteksi Cacat Pada Material Baja Menggunakan Ultrasonik Non-Destructive Testing Dengan Metode Continuous Wavelet Transform.Institut Teknologi Sepuluh Nopember.