Technical Review and Improvement Study of Counter-Current STHE for CO₂ Gas Cooling: Heat Transfer Performance, SS304 Pitting Risk, and Upgrade Strategy to SS316L

Technical Review and Improvement Study of Counter-Current STHE for CO₂ Gas Cooling: Heat Transfer Performance, SS304 Pitting Risk, and Upgrade Strategy to SS316L
Executive Summary
1. Introduction and Background
2. Actual Field Data and Operating Baseline
3. Fundamental STHE dan Counter-Current Arrangement
4. Mekanisme Perpindahan Panas dari CO₂ ke Cooling Water
5. Perhitungan Heat Transfer Berdasarkan Data Aktual
6. Role of Downstream Separator and Possible Condensation Duty
7. SS304 Resistance to Chloride and Pitting Mechanism
8. Material Improvement: SS304 to SS316L
9. Mechanical and Thermal Properties: SS304 vs SS316L
10. PREN Analysis and Diagram
11. Chloride vs Temperature Risk Map
12. Root Cause Hypothesis for STHE Leakage
13. Inspection and Failure Analysis Plan
14. Cooling Water Chemistry and Operating Envelope
15. Improvement Options

Executive Summary

Shell and Tube Heat Exchanger atau STHE yang dibahas dalam artikel ini berfungsi sebagai CO₂ gas cooler setelah 1st stage compressor. Gas CO₂ hasil kompresi didinginkan sebelum masuk ke liquid separator, kemudian dilanjutkan ke 2nd stage compressor. Fungsi pendinginan ini sangat penting karena temperatur gas yang terlalu tinggi dapat mempengaruhi performa separator, meningkatkan beban termal downstream equipment, dan menurunkan reliability sistem kompresi.

Data aktual lapangan sebelum pitstop atau sebelum STHE bocor adalah sebagai berikut.

Parameter	Nilai
Service	CO₂ gas cooler after 1st stage compressor
Fungsi	Menurunkan temperatur CO₂ sebelum liquid separator dan 2nd stage compressor
CO₂ gas flowrate	2 ton/jam
CO₂ gas inlet STHE	120°C
CO₂ gas outlet STHE	46°C
Cooling water inlet	32°C
Cooling water outlet	62°C
STHE arrangement	Counter-current
Existing tube material	SS304
Chloride cooling water	124.6 ppm

STHE CO2 gas intercooler sebagai bagian dari sistem perpindahan panas pada proses industri.

Secara termal, STHE berhasil menurunkan temperatur CO₂ dari:

T_{\mathrm{CO_2,in}} = 120^\circ \mathrm{C}

menjadi:

T_{\mathrm{CO_2,out}} = 46^\circ \mathrm{C}

Sehingga penurunan temperatur CO₂ adalah:

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = 120 - 46 = 74^\circ \mathrm{C}

Di sisi cooling water, temperatur naik dari:

T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C}

menjadi:

T_{\mathrm{CW,out}} = 62^\circ \mathrm{C}

Sehingga kenaikan temperatur cooling water adalah:

\Delta T_{\mathrm{CW}} = 62 - 32 = 30^\circ \mathrm{C}

Karena STHE ini didesain sebagai counter-current heat exchanger, maka titik operasi paling kritis bukan berada pada cooling water inlet 32°C, tetapi pada hot end, yaitu area di mana CO₂ gas inlet 120°C berhadapan dengan cooling water outlet 62°C.

Rendering diagram...

Konsekuensi engineering yang paling penting adalah:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > T_{\mathrm{CW,out}}

Dengan data aktual:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > 62^\circ \mathrm{C}

Artinya, temperatur metal tube pada sisi cooling water di hot end pasti lebih tinggi dari 62°C. Dalam perhitungan screening tanpa fouling, temperatur dinding tube sisi cooling water diperkirakan berada pada kisaran:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Kondisi ini sangat penting terhadap material existing SS304. Walaupun chloride cooling water sebesar 124.6 ppm tidak tergolong ekstrem, kombinasi chloride tersebut dengan temperatur metal di atas 62°C dapat membuat SS304 berada pada kondisi borderline sampai berisiko terhadap pitting corrosion, terutama bila terdapat deposit, crevice, residual chlorine, atau area low velocity.

Sebagai pembanding material, panduan stainless steel menyatakan bahwa SS304 umumnya dianggap tahan terhadap pitting di potable water sampai sekitar 200 mg/L chloride pada temperatur ambient, tetapi turun menjadi sekitar 150 mg/L pada 60°C. Untuk SS316, batas panduan lebih tinggi, yaitu sekitar 1000 mg/L chloride pada ambient dan turun menjadi sekitar 300 mg/L pada 60°C. Hal ini menjelaskan mengapa SS316L lebih sesuai dibanding SS304 untuk service cooling water yang mengandung chloride pada temperatur metal elevated. (worldstainless)

Kesimpulan utama dari artikel ini adalah:

Material selection untuk STHE cooling water service tidak boleh hanya berbasis cooling water inlet temperature. Evaluasi harus dilakukan berdasarkan hot-end metal temperature, chloride concentration, fouling tendency, crevice risk, dan actual operating condition.

Kembali ke Atas

1. Introduction and Background

1.1 Deskripsi Sistem Proses

STHE yang dibahas dalam artikel ini berada setelah 1st stage CO₂ compressor. Gas CO₂ dari 1st stage compressor keluar pada temperatur tinggi karena adanya proses kompresi. Setelah itu, gas panas tersebut masuk ke STHE untuk didinginkan menggunakan cooling water.

Setelah keluar dari STHE, gas CO₂ masuk ke liquid separator. Separator ini berfungsi untuk memisahkan liquid yang mungkin terbentuk akibat pendinginan gas. Setelah melewati separator, gas CO₂ kemudian dilanjutkan ke 2nd stage compressor.

Secara sederhana, konfigurasi prosesnya dapat digambarkan sebagai berikut.

Rendering diagram...

Pendinginan gas setelah kompresor memiliki beberapa fungsi penting:

Fungsi	Penjelasan
Menurunkan temperatur gas	Agar temperatur inlet ke peralatan downstream tetap dalam batas operasi
Membantu kondensasi liquid	Liquid yang terbentuk dapat dipisahkan di separator
Melindungi 2nd stage compressor	Mencegah liquid carry-over dan temperatur suction yang terlalu tinggi
Menurunkan thermal stress	Mengurangi beban termal pada piping dan equipment downstream
Menjaga process stability	Menjaga kestabilan operasi sistem kompresi bertingkat

Pada sistem kompresi bertingkat, intercooler atau aftercooler seperti STHE bukan hanya equipment perpindahan panas. Equipment ini juga berperan dalam mechanical reliability, process protection, dan contamination control. Bila terjadi kebocoran tube, maka dapat terjadi kontaminasi silang antara process gas dan cooling water, serta potensi gangguan operasi pada separator dan kompresor downstream.

1.2 Fungsi STHE dalam Sistem CO₂ Compression

Dalam konteks sistem ini, STHE berfungsi untuk menurunkan temperatur gas CO₂ dari kondisi panas setelah 1st stage compressor menuju temperatur yang lebih aman sebelum masuk ke separator dan 2nd stage compressor.

Data aktual menunjukkan:

T_{\mathrm{CO_2,in}} = 120^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{CO_2,out}} = 46^\circ \mathrm{C}

Maka penurunan temperatur gas adalah:

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = T_{\mathrm{CO_2,in}} - T_{\mathrm{CO_2,out}}

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = 120 - 46

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = 74^\circ \mathrm{C}

Penurunan temperatur sebesar 74°C menunjukkan bahwa STHE mengambil sejumlah panas yang signifikan dari gas CO₂. Panas tersebut kemudian diterima oleh cooling water, yang temperaturnya naik dari 32°C ke 62°C.

\Delta T_{\mathrm{CW}} = T_{\mathrm{CW,out}} - T_{\mathrm{CW,in}}

\Delta T_{\mathrm{CW}} = 62 - 32

\Delta T_{\mathrm{CW}} = 30^\circ \mathrm{C}

Kenaikan temperatur cooling water sampai 62°C menjadi sangat penting dalam analisis material, karena temperatur ini berkaitan langsung dengan hot-end tube wall temperature. Pada STHE counter-current, cooling water outlet 62°C berada di sisi yang sama dengan CO₂ inlet 120°C. Dengan demikian, area tersebut merupakan area dengan temperatur metal tube tertinggi.

1.3 Kenapa Kasus Ini Penting untuk Engineer Muda

Kasus ini memberikan pelajaran engineering yang sangat baik karena memperlihatkan hubungan langsung antara:

Thermal design
Actual operating data
Material selection
Cooling water chemistry
Failure mechanism
Reliability improvement

Kesalahan umum dalam evaluasi cooling water heat exchanger adalah hanya melihat temperatur cooling water inlet. Dalam kasus ini, cooling water inlet memang hanya 32°C. Namun, karena STHE bekerja secara counter-current, cooling water keluar pada 62°C dan berada berdekatan secara termal dengan CO₂ inlet 120°C.

Dengan kata lain:

T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C}

bukan temperatur yang menentukan risiko material di hot end.

Temperatur yang lebih relevan untuk analisis pitting adalah:

T_{\mathrm{CW,out}} = 62^\circ \mathrm{C}

dan lebih tepat lagi:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > 62^\circ \mathrm{C}

Ini adalah inti dari evaluasi material pada kasus ini.

1.4 Problem Statement

Artikel ini disusun untuk menjawab beberapa pertanyaan teknis berikut.

Pertanyaan 1 — Apakah performa heat transfer STHE konsisten dengan data aktual?

Data menunjukkan CO₂ gas turun dari 120°C menjadi 46°C, sedangkan cooling water naik dari 32°C menjadi 62°C. Pertanyaan utamanya adalah apakah data ini konsisten secara heat balance, terutama dengan kapasitas CO₂ sebesar 2 ton/jam.

Pertanyaan 2 — Di mana lokasi temperatur metal tube paling tinggi?

Karena STHE menggunakan konfigurasi counter-current, temperatur metal tertinggi diperkirakan berada pada hot end, yaitu area di mana CO₂ 120°C berhadapan dengan cooling water 62°C.

Pertanyaan 3 — Apakah SS304 sesuai untuk kondisi ini?

Existing tube material adalah SS304. Cooling water memiliki chloride sebesar:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

Kombinasi chloride dan temperatur metal di atas 62°C perlu dievaluasi terhadap risiko pitting corrosion.

Pertanyaan 4 — Apakah upgrade ke SS316L cukup?

SS316L memiliki molybdenum sekitar 2–3%, sehingga lebih tahan terhadap pitting dan crevice corrosion dibanding SS304. Namun, SS316L bukan material yang immune terhadap chloride. Oleh karena itu, perlu dievaluasi apakah SS316L cukup atau perlu material yang lebih tinggi seperti Duplex 2205.

Pertanyaan 5 — Data tambahan apa yang diperlukan?

Untuk menyimpulkan root cause dan menentukan improvement yang tepat, diperlukan data tambahan seperti:

Data Tambahan	Tujuan
Cooling water flow aktual	Validasi heat balance
pH cooling water	Evaluasi corrosivity
Conductivity	Indikasi total dissolved solids
Residual chlorine	Evaluasi oxidizing potential
ORP	Evaluasi corrosion potential
Hardness dan silica	Evaluasi scaling tendency
Deposit analysis	Menentukan under-deposit corrosion
Tube inspection	Menentukan morphology kerusakan
Liquid separator rate	Menghitung potensi latent duty

1.5 Tujuan Artikel

Artikel ini bertujuan untuk:

Menjelaskan fundamental STHE, khususnya konfigurasi counter-current.
Menguraikan mekanisme perpindahan panas dari CO₂ gas ke cooling water.
Menghitung heat duty, LMTD, estimasi cooling water flow, dan UA berdasarkan data aktual.
Mengevaluasi ketahanan SS304 terhadap chloride 124.6 ppm pada temperatur metal elevated.
Menjelaskan mekanisme pitting corrosion pada SS304.
Membandingkan SS304 dan SS316L dari sisi mechanical properties, thermal properties, dan corrosion resistance.
Memberikan dasar teknis untuk material upgrade dan improvement STHE.
Menyusun rekomendasi inspection plan, operating envelope, dan reliability improvement.

Kembali ke Atas

2. Actual Field Data and Operating Baseline

2.1 Data Aktual Sebelum Pitstop / Sebelum STHE Bocor

Data sebelum pitstop atau sebelum STHE bocor digunakan sebagai baseline thermal analysis karena data ini mewakili kondisi operasi normal sebelum terjadi gangguan.

Stream	Inlet / Upstream	Outlet / Downstream	Perubahan Temperatur
CO₂ gas / process side	120°C	46°C	Turun 74°C
Cooling water	32°C	62°C	Naik 30°C

Kapasitas CO₂ dari data kompresor adalah:

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = 2\ \mathrm{ton/jam}

Konversi ke satuan SI:

2\ \mathrm{ton/jam} = 2000\ \mathrm{kg/jam}

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = \frac{2000}{3600}

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = 0.556\ \mathrm{kg/s}

Dengan demikian, basis perhitungan heat transfer dari sisi CO₂ adalah:

Parameter	Simbol	Nilai
CO₂ mass flowrate	$\dot{m}_{\mathrm{CO_2}}$	0.556 kg/s
CO₂ inlet temperature	$T_{\mathrm{CO_2,in}}$	120°C
CO₂ outlet temperature	$T_{\mathrm{CO_2,out}}$	46°C
CO₂ temperature drop	$\Delta T_{\mathrm{CO_2}}$	74°C

2.2 Data Cooling Water

Data cooling water aktual:

Parameter	Simbol	Nilai
Cooling water inlet temperature	$T_{\mathrm{CW,in}}$	32°C
Cooling water outlet temperature	$T_{\mathrm{CW,out}}$	62°C
Cooling water temperature rise	$\Delta T_{\mathrm{CW}}$	30°C
Chloride concentration	$C_{\mathrm{Cl}^{-}}$	124.6 ppm

Kenaikan temperatur cooling water dihitung sebagai:

\Delta T_{\mathrm{CW}} = T_{\mathrm{CW,out}} - T_{\mathrm{CW,in}}

\Delta T_{\mathrm{CW}} = 62 - 32

\Delta T_{\mathrm{CW}} = 30^\circ \mathrm{C}

Chloride cooling water sebesar 124.6 ppm harus dibaca dalam konteks temperatur metal. Nilai ini tidak dapat dievaluasi hanya pada cooling water inlet 32°C, karena titik kritis material berada pada hot end.

2.3 Baseline Counter-Current Temperature Pairing

Karena STHE ini didesain sebagai counter-current exchanger, pasangan temperatur lokal adalah sebagai berikut.

Rendering diagram...

Dengan demikian:

Hot End

T_{\mathrm{CO_2,hot\ end}} = 120^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{CW,hot\ end}} = 62^\circ \mathrm{C}

Temperature driving force di hot end adalah:

\Delta T_{\mathrm{hot\ end}} = 120 - 62

\Delta T_{\mathrm{hot\ end}} = 58^\circ \mathrm{C}

Cold End

T_{\mathrm{CO_2,cold\ end}} = 46^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{CW,cold\ end}} = 32^\circ \mathrm{C}

Temperature driving force di cold end adalah:

\Delta T_{\mathrm{cold\ end}} = 46 - 32

\Delta T_{\mathrm{cold\ end}} = 14^\circ \mathrm{C}

2.4 Implikasi Terhadap Metal Temperature

Pada hot end, cooling water bulk temperature adalah 62°C. Agar panas dapat berpindah dari tube wall ke cooling water, temperatur dinding tube sisi cooling water harus lebih tinggi daripada temperatur cooling water bulk.

Maka:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > T_{\mathrm{CW,out}}

Dengan data aktual:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > 62^\circ \mathrm{C}

Poin ini sangat penting karena pitting corrosion pada stainless steel lebih relevan terhadap metal temperature, bukan hanya bulk cooling water inlet temperature.

Secara fisik, urutan temperatur di hot end dapat digambarkan sebagai berikut.

Rendering diagram...

2.5 Data Setelah Kebocoran

Data setelah kebocoran tercatat sebagai berikut.

Parameter	Setelah Kebocoran
CO₂ gas upstream	125°C
CO₂ gas downstream	80°C
Cooling water upstream	31°C
Cooling water downstream	120°C

Data ini tidak digunakan sebagai baseline normal thermal performance karena sudah berada dalam kondisi abnormal. Cooling water downstream mencapai 120°C, yaitu jauh lebih tinggi dari kondisi normal 62°C.

Kemungkinan penyebab data abnormal ini antara lain:

Kemungkinan	Penjelasan
Tube leak / cross leakage	Process gas panas dapat mempengaruhi pembacaan atau kondisi cooling water
Local flashing	Bila tekanan lokal memungkinkan, air dapat mengalami flashing atau two-phase disturbance
Instrument error	Temperature transmitter atau lokasi pengukuran perlu diverifikasi
Non-steady-state condition	Data diambil saat kondisi transien setelah kebocoran
Maldistribution	Aliran cooling water tidak merata setelah terjadi kerusakan
Mixing effect	Ada pencampuran lokal akibat kebocoran atau bypass internal

Untuk analisis heat transfer normal, artikel ini menggunakan data sebelum kebocoran sebagai basis:

T_{\mathrm{CO_2}}: 120^\circ \mathrm{C} \rightarrow 46^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{CW}}: 32^\circ \mathrm{C} \rightarrow 62^\circ \mathrm{C}

2.6 Operating Baseline yang Digunakan untuk Perhitungan

Baseline yang akan digunakan dalam perhitungan selanjutnya adalah sebagai berikut.

Item	Simbol	Nilai
CO₂ mass flowrate	$\dot{m}_{\mathrm{CO_2}}$	0.556 kg/s
CO₂ inlet temperature	$T_{\mathrm{h,in}}$	120°C
CO₂ outlet temperature	$T_{\mathrm{h,out}}$	46°C
Cooling water inlet temperature	$T_{\mathrm{c,in}}$	32°C
Cooling water outlet temperature	$T_{\mathrm{c,out}}$	62°C
Chloride concentration	$C_{\mathrm{Cl}^{-}}$	124.6 ppm
Tube material existing	—	SS304
Flow arrangement	—	Counter-current

Dengan basis tersebut, analisis selanjutnya akan menghitung:

Heat duty dari sisi CO₂.
Estimasi flow cooling water yang konsisten dengan heat balance.
LMTD counter-current.
Actual $UA$ .
Estimasi hot-end tube wall temperature.
Kesesuaian material SS304 terhadap chloride dan temperatur metal aktual.

Key Takeaways Bab 1–2

STHE ini berfungsi sebagai CO₂ gas cooler setelah 1st stage compressor dan sebelum liquid separator.
Data normal sebelum bocor menunjukkan CO₂ turun dari 120°C ke 46°C.
Cooling water naik dari 32°C ke 62°C.
Karena konfigurasi adalah counter-current, hot end adalah area CO₂ 120°C berhadapan dengan cooling water 62°C.
Temperatur metal tube sisi cooling water di hot end pasti lebih tinggi dari 62°C.
Dengan chloride cooling water 124.6 ppm, SS304 harus dievaluasi secara serius terhadap risiko pitting corrosion.
Data setelah kebocoran tidak digunakan sebagai baseline normal karena sudah merupakan abnormal symptom.
Analisis selanjutnya harus berbasis heat balance, LMTD, metal temperature, dan material compatibility.

Kembali ke Atas

3. Fundamental STHE dan Counter-Current Arrangement

3.1 Prinsip Dasar Shell and Tube Heat Exchanger

Shell and Tube Heat Exchanger atau STHE adalah heat exchanger yang menggunakan bundle tube sebagai area utama perpindahan panas. Salah satu fluida mengalir di dalam tube, sedangkan fluida lainnya mengalir di sisi shell. Kedua fluida tidak bercampur secara langsung karena dipisahkan oleh dinding tube.

Pada kasus ini, STHE digunakan untuk menurunkan temperatur gas CO₂ setelah 1st stage compressor sebelum gas masuk ke liquid separator dan kemudian ke 2nd stage compressor.

Secara prinsip, panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin melalui tiga mekanisme utama:

Konveksi dari CO₂ gas panas ke permukaan tube.
Konduksi menembus dinding tube SS304.
Konveksi dari permukaan tube sisi cooling water ke cooling water.

Diagram sederhana prinsip STHE adalah sebagai berikut.

Rendering diagram...

Dalam kondisi normal, tidak ada pencampuran antara CO₂ gas dan cooling water. Bila terjadi kebocoran tube, maka barrier antara process side dan cooling water side gagal, sehingga dapat terjadi cross leakage dan gangguan operasi.

3.2 Elemen Utama STHE

Komponen utama STHE dan fungsinya dapat diringkas sebagai berikut.

Komponen	Fungsi
Shell	Menampung fluida shell side dan mengarahkan pola aliran
Tube bundle	Area utama perpindahan panas
Tube wall	Barrier antara fluida panas dan fluida dingin
Tube sheet	Menahan tube dan memisahkan channel side dari shell side
Channel/head	Distribusi fluida pada tube side
Baffle	Mengarahkan aliran shell side dan mendukung tube
Nozzle inlet/outlet	Jalur masuk dan keluar masing-masing fluida

Dalam konteks failure analysis, area seperti tube wall, tube end, tube sheet, dan under-deposit region menjadi sangat penting karena area tersebut sering menjadi lokasi awal pitting, crevice corrosion, atau mechanical damage.

3.3 Co-Current vs Counter-Current

Pada heat exchanger, arah relatif aliran fluida panas dan fluida dingin sangat menentukan profil temperatur dan efektivitas perpindahan panas.

Co-current flow

Pada co-current flow, fluida panas dan fluida dingin masuk dari sisi yang sama dan mengalir ke arah yang sama.

Rendering diagram...

Pada co-current, perbedaan temperatur sangat besar di awal exchanger, tetapi cepat mengecil di sepanjang exchanger.

Counter-current flow

Pada counter-current flow, fluida panas dan fluida dingin mengalir berlawanan arah.

Rendering diagram...

Untuk kasus ini, konfigurasi counter-current menghasilkan pasangan temperatur lokal sebagai berikut.

Lokasi	Process Side	Cooling Water Side	Temperature Difference
Hot end	CO₂ inlet 120°C	CW outlet 62°C	58°C
Cold end	CO₂ outlet 46°C	CW inlet 32°C	14°C

Secara matematis:

\Delta T_{\mathrm{hot\ end}} = T_{\mathrm{CO_2,in}} - T_{\mathrm{CW,out}}

\Delta T_{\mathrm{hot\ end}} = 120 - 62 = 58^\circ \mathrm{C}

Dan:

\Delta T_{\mathrm{cold\ end}} = T_{\mathrm{CO_2,out}} - T_{\mathrm{CW,in}}

\Delta T_{\mathrm{cold\ end}} = 46 - 32 = 14^\circ \mathrm{C}

3.4 Mengapa Counter-Current Lebih Efektif

Counter-current arrangement umumnya lebih efektif dibanding co-current karena mampu mempertahankan temperature driving force yang lebih merata di sepanjang exchanger. Pada banyak aplikasi, counter-current memungkinkan outlet fluida panas mendekati inlet fluida dingin, selama area perpindahan panas cukup dan overall heat transfer coefficient memadai.

Untuk kasus ini, temperatur CO₂ outlet adalah:

T_{\mathrm{CO_2,out}} = 46^\circ \mathrm{C}

Sedangkan cooling water inlet adalah:

T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C}

Approach temperature pada cold end adalah:

T_{\mathrm{approach}} = T_{\mathrm{CO_2,out}} - T_{\mathrm{CW,in}}

T_{\mathrm{approach}} = 46 - 32

T_{\mathrm{approach}} = 14^\circ \mathrm{C}

Nilai approach 14°C masih realistis untuk STHE gas cooler, tetapi menunjukkan bahwa cold end memiliki driving force yang lebih kecil dibanding hot end.

3.5 Penentuan Hot End dan Cold End

Pada STHE counter-current, hot end bukan sekadar sisi process inlet. Hot end adalah lokasi di mana fluida panas berada pada temperatur tertinggi dan fluida dingin berada pada temperatur keluaran tertinggi.

Untuk data aktual:

Rendering diagram...

Maka:

\mathrm{Hot\ End}: \quad 120^\circ \mathrm{C}\ \mathrm{CO_2} \leftrightarrow 62^\circ \mathrm{C}\ \mathrm{CW}

\mathrm{Cold\ End}: \quad 46^\circ \mathrm{C}\ \mathrm{CO_2} \leftrightarrow 32^\circ \mathrm{C}\ \mathrm{CW}

Konsekuensi engineering-nya sangat penting:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > 62^\circ \mathrm{C}

Artinya, walaupun cooling water masuk pada 32°C, material tube di hot end tidak “melihat” 32°C. Material tube di hot end mengalami kondisi yang lebih berat, karena kontak termal lokalnya adalah cooling water sekitar 62°C dan CO₂ gas sekitar 120°C.

Kembali ke Atas

4. Mekanisme Perpindahan Panas dari CO₂ ke Cooling Water

4.1 Jalur Perpindahan Panas

Perpindahan panas dari CO₂ gas ke cooling water terjadi karena adanya perbedaan temperatur. Pada hot end, temperatur bulk CO₂ gas adalah 120°C, sedangkan temperatur bulk cooling water outlet adalah 62°C.

Panas bergerak dari temperatur tinggi ke temperatur rendah melalui urutan berikut.

Rendering diagram...

Urutan fisiknya adalah:

\mathrm{CO_2\ bulk} \rightarrow \mathrm{gas\ film} \rightarrow \mathrm{tube\ wall} \rightarrow \mathrm{water\ film} \rightarrow \mathrm{cooling\ water\ bulk}

4.2 Konveksi dari CO₂ Gas ke Dinding Tube

Pada sisi gas, panas berpindah dari bulk gas CO₂ ke permukaan tube melalui konveksi.

Persamaan dasar konveksi adalah:

q'' = h_{\mathrm{gas}} \left( T_{\mathrm{CO_2,bulk}} - T_{\mathrm{wall,hot}} \right)

Keterangan:

Simbol	Arti
$q''$	Heat flux, $\mathrm{W/m^2}$
$h_{\mathrm{gas}}$	Koefisien perpindahan panas sisi gas, $\mathrm{W/m^2.K}$
$T_{\mathrm{CO_2,bulk}}$	Temperatur bulk CO₂ lokal
$T_{\mathrm{wall,hot}}$	Temperatur dinding tube sisi gas

Untuk gas, nilai $h_{\mathrm{gas}}$ biasanya lebih rendah dibanding liquid karena densitas, thermal conductivity, dan heat capacity per volume gas lebih kecil dibanding air. Oleh karena itu, pada banyak gas cooler, gas-side film resistance dapat menjadi salah satu tahanan dominan.

4.3 Konduksi Menembus Dinding Tube SS304

Setelah panas mencapai permukaan tube sisi gas, panas mengalir menembus dinding tube melalui konduksi.

Persamaan konduksi sederhana untuk dinding tipis adalah:

q'' = \frac{k_{\mathrm{tube}}}{\delta} \left( T_{\mathrm{wall,hot}} - T_{\mathrm{wall,CW}} \right)

Atau:

T_{\mathrm{wall,hot}} - T_{\mathrm{wall,CW}} = q'' \frac{\delta}{k_{\mathrm{tube}}}

Keterangan:

Simbol	Arti
$k_{\mathrm{tube}}$	Thermal conductivity tube, $\mathrm{W/m.K}$
$\delta$	Tebal tube, $\mathrm{m}$
$T_{\mathrm{wall,hot}}$	Temperatur dinding sisi gas
$T_{\mathrm{wall,CW}}$	Temperatur dinding sisi cooling water

Untuk SS304, nilai thermal conductivity pada rentang temperatur ini secara engineering dapat diambil sekitar:

k_{\mathrm{SS304}} \approx 16.3\ \mathrm{W/m.K}

Jika tube thickness diasumsikan:

\delta = 1.65\ \mathrm{mm}

Maka:

\delta = 0.00165\ \mathrm{m}

Tahanan konduksi dinding tube adalah:

R_{\mathrm{wall}} = \frac{\delta}{k_{\mathrm{tube}}}

R_{\mathrm{wall}} = \frac{0.00165}{16.3}

R_{\mathrm{wall}} = 0.000101\ \mathrm{m^2.K/W}

Nilai ini relatif kecil dibanding tahanan film gas atau fouling. Karena itu, perbedaan temperatur antara permukaan tube sisi gas dan permukaan tube sisi cooling water biasanya tidak terlalu besar, selama tube tidak terlalu tebal dan tidak ada deposit berat.

4.4 Konveksi dari Dinding Tube ke Cooling Water

Pada sisi cooling water, panas berpindah dari permukaan tube ke bulk cooling water melalui konveksi.

Persamaannya:

q'' = h_{\mathrm{CW}} \left( T_{\mathrm{wall,CW}} - T_{\mathrm{CW,bulk}} \right)

Sehingga:

T_{\mathrm{wall,CW}} = T_{\mathrm{CW,bulk}} + \frac{q''}{h_{\mathrm{CW}}}

Keterangan:

Simbol	Arti
$h_{\mathrm{CW}}$	Koefisien perpindahan panas sisi cooling water, $\mathrm{W/m^2.K}$
$T_{\mathrm{wall,CW}}$	Temperatur dinding tube sisi cooling water
$T_{\mathrm{CW,bulk}}$	Temperatur bulk cooling water lokal

Pada hot end:

T_{\mathrm{CW,bulk}} = 62^\circ \mathrm{C}

Karena $\frac{q''}{h_{\mathrm{CW}}}$ bernilai positif, maka:

T_{\mathrm{wall,CW}} > 62^\circ \mathrm{C}

Ini adalah dasar termal mengapa risiko pitting harus dievaluasi terhadap metal temperature, bukan cooling water inlet temperature.

4.5 Thermal Resistance Network

Mekanisme perpindahan panas dapat direpresentasikan sebagai jaringan tahanan termal.

Rendering diagram...

Total tahanan termal tanpa fouling adalah:

R_{\mathrm{total}} = \frac{1}{h_{\mathrm{gas}}} + \frac{\delta}{k_{\mathrm{tube}}} + \frac{1}{h_{\mathrm{CW}}}

Jika fouling dimasukkan:

R_{\mathrm{total}} = \frac{1}{h_{\mathrm{gas}}} + R_{\mathrm{f,gas}} + \frac{\delta}{k_{\mathrm{tube}}} + R_{\mathrm{f,CW}} + \frac{1}{h_{\mathrm{CW}}}

Overall heat transfer coefficient dapat ditulis sebagai:

U = \frac{1}{R_{\mathrm{total}}}

Dan heat flux lokal:

q'' = U \left( T_{\mathrm{CO_2,local}} - T_{\mathrm{CW,local}} \right)

4.6 Mengapa Fouling Penting

Fouling pada cooling water side dapat berupa scale, corrosion product, suspended solid, biofilm, atau deposit lain. Fouling menambah tahanan termal:

R_{\mathrm{total,new}} = R_{\mathrm{total,clean}} + R_{\mathrm{f,CW}}

Akibatnya, untuk duty yang sama, temperatur metal lokal dapat meningkat. Pada area deposit, chloride juga dapat terkonsentrasi secara lokal, sehingga risiko pitting meningkat.

Secara sederhana:

Rendering diagram...

Karena itu, dalam kasus ini, chloride 124.6 ppm tidak boleh dievaluasi hanya sebagai angka bulk water. Yang lebih kritis adalah kemungkinan local chloride concentration under deposit pada metal temperature yang sudah lebih tinggi dari 62°C.

Kembali ke Atas

5. Perhitungan Heat Transfer Berdasarkan Data Aktual

5.1 Basis Data Perhitungan

Data operasi yang digunakan:

Parameter	Simbol	Nilai
CO₂ mass flowrate	$\dot{m}_{\mathrm{CO_2}}$	0.556 kg/s
CO₂ inlet temperature	$T_{\mathrm{h,in}}$	120°C
CO₂ outlet temperature	$T_{\mathrm{h,out}}$	46°C
Cooling water inlet temperature	$T_{\mathrm{c,in}}$	32°C
Cooling water outlet temperature	$T_{\mathrm{c,out}}$	62°C
Chloride cooling water	$C_{\mathrm{Cl}^{-}}$	124.6 ppm
Flow arrangement	—	Counter-current
Existing tube material	—	SS304

Kapasitas CO₂:

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = 2\ \mathrm{ton/jam}

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = 2000\ \mathrm{kg/jam}

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = \frac{2000}{3600}

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = 0.556\ \mathrm{kg/s}

Penurunan temperatur CO₂:

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = T_{\mathrm{h,in}} - T_{\mathrm{h,out}}

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = 120 - 46

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = 74^\circ \mathrm{C}

5.2 Heat Duty dari Sisi CO₂

Untuk screening calculation, heat duty dari sisi CO₂ dapat dihitung dengan persamaan sensible heat:

Q_{\mathrm{CO_2}} = \dot{m}_{\mathrm{CO_2}} C_{p,\mathrm{CO_2}} \Delta T_{\mathrm{CO_2}}

Nilai heat capacity CO₂ bergantung pada temperatur dan tekanan. Untuk perhitungan awal, digunakan nilai rata-rata engineering:

C_{p,\mathrm{CO_2}} \approx 0.90\ \mathrm{kJ/kg.K}

Maka:

Q_{\mathrm{CO_2}} = 0.556 \times 0.90 \times 74

Q_{\mathrm{CO_2}} = 37.0\ \mathrm{kW}

Jadi, estimasi duty sensible dari sisi CO₂ adalah:

\boxed{ Q_{\mathrm{CO_2,sensible}} \approx 37\ \mathrm{kW} }

Untuk memperlihatkan sensitivitas terhadap nilai $C_p$ , tabel berikut dapat digunakan.

$C_{p,\mathrm{CO_2}}$	$Q_{\mathrm{CO_2}}$
0.85 kJ/kg.K	35.0 kW
0.90 kJ/kg.K	37.0 kW
0.95 kJ/kg.K	39.1 kW
1.00 kJ/kg.K	41.1 kW

Sehingga dalam artikel ini dapat digunakan rentang:

\boxed{ Q_{\mathrm{CO_2,sensible}} \approx 35 - 41\ \mathrm{kW} }

dengan nilai nominal:

\boxed{ Q_{\mathrm{CO_2,sensible}} \approx 37\ \mathrm{kW} }

5.3 Cooling Water Heat Balance

Cooling water naik dari 32°C menjadi 62°C:

\Delta T_{\mathrm{CW}} = T_{\mathrm{CW,out}} - T_{\mathrm{CW,in}}

\Delta T_{\mathrm{CW}} = 62 - 32

\Delta T_{\mathrm{CW}} = 30^\circ \mathrm{C}

Heat balance dari sisi cooling water adalah:

Q_{\mathrm{CW}} = \dot{m}_{\mathrm{CW}} C_{p,\mathrm{CW}} \Delta T_{\mathrm{CW}}

Dengan:

C_{p,\mathrm{CW}} \approx 4.18\ \mathrm{kJ/kg.K}

Jika duty yang diserap cooling water sama dengan duty CO₂ sebesar 37 kW, maka estimasi mass flow cooling water adalah:

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = \frac{Q}{C_{p,\mathrm{CW}}\Delta T_{\mathrm{CW}}}

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = \frac{37}{4.18 \times 30}

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = 0.295\ \mathrm{kg/s}

Konversi ke kg/jam:

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = 0.295 \times 3600

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = 1062\ \mathrm{kg/jam}

Dengan asumsi densitas air mendekati:

\rho_{\mathrm{water}} \approx 1000\ \mathrm{kg/m^3}

maka:

\dot{V}_{\mathrm{CW}} \approx 1.06\ \mathrm{m^3/jam}

Sehingga:

\boxed{ \dot{V}_{\mathrm{CW,estimated}} \approx 1.06\ \mathrm{m^3/jam} }

5.4 Validasi Energy Balance

Hasil ini memberikan insight penting. Bila cooling water benar-benar naik sebesar 30°C dan duty CO₂ sekitar 37 kW, maka cooling water flow yang konsisten hanya sekitar 1.06 m³/jam.

Flow CW Aktual	Duty Berdasarkan $\Delta T_{\mathrm{CW}} = 30^\circ\mathrm{C}$
1 m³/jam	34.8 kW
2 m³/jam	69.7 kW
5 m³/jam	174 kW
10 m³/jam	348 kW

Perhitungan duty untuk cooling water dapat ditulis:

Q_{\mathrm{CW}} = \dot{m}_{\mathrm{CW}} C_{p,\mathrm{CW}} \Delta T_{\mathrm{CW}}

Untuk 1 m³/jam:

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = \frac{1000}{3600} = 0.278\ \mathrm{kg/s}

Q_{\mathrm{CW}} = 0.278 \times 4.18 \times 30

Q_{\mathrm{CW}} = 34.8\ \mathrm{kW}

Maka, jika flow cooling water aktual jauh lebih besar dari 1 m³/jam, misalnya 5–10 m³/jam, data temperatur harus diverifikasi ulang karena duty dari sisi cooling water akan jauh lebih besar daripada duty sensible CO₂.

Kemungkinan penyebab mismatch energy balance antara lain:

Kemungkinan	Penjelasan
Cooling water flow aktual belum tervalidasi	Flow indicator mungkin tidak tersedia atau tidak akurat
Temperature transmitter error	Sensor bisa drift, salah lokasi, atau tidak mewakili bulk temperature
Tidak steady-state	Data diambil saat operasi transien
Ada heat duty tambahan	Misalnya kondensasi komponen sebelum separator
Mixing atau bypass	Terjadi pencampuran cooling water yang tidak terukur
Fouling/maldistribution	Area efektif heat transfer berubah

5.5 LMTD Counter-Current

Untuk counter-current heat exchanger, temperature difference di kedua ujung exchanger adalah:

\Delta T_1 = T_{\mathrm{h,in}} - T_{\mathrm{c,out}}

\Delta T_1 = 120 - 62

\Delta T_1 = 58^\circ \mathrm{C}

Dan:

\Delta T_2 = T_{\mathrm{h,out}} - T_{\mathrm{c,in}}

\Delta T_2 = 46 - 32

\Delta T_2 = 14^\circ \mathrm{C}

Log Mean Temperature Difference atau LMTD:

\Delta T_{\mathrm{lm}} = \frac{ \Delta T_1 - \Delta T_2 }{ \ln\left( \frac{\Delta T_1}{\Delta T_2} \right) }

Substitusi nilai:

\Delta T_{\mathrm{lm}} = \frac{ 58 - 14 }{ \ln\left( \frac{58}{14} \right) }

\Delta T_{\mathrm{lm}} = \frac{44}{\ln(4.143)}

\Delta T_{\mathrm{lm}} = 31.0^\circ \mathrm{C}

Sehingga:

\boxed{ \Delta T_{\mathrm{lm}} \approx 31^\circ \mathrm{C} }

Diagram mobile-friendly untuk LMTD:

Rendering diagram...

5.6 Actual UA

Hubungan dasar heat exchanger:

Q = U A \Delta T_{\mathrm{lm}}

Produk $U A$ dapat dihitung sebagai:

U A = \frac{Q}{\Delta T_{\mathrm{lm}}}

Dengan duty nominal:

Q = 37\ \mathrm{kW}

dan:

\Delta T_{\mathrm{lm}} = 31^\circ \mathrm{C}

maka:

U A = \frac{37}{31}

U A = 1.19\ \mathrm{kW/K}

Sehingga:

\boxed{ U A_{\mathrm{actual}} \approx 1.19\ \mathrm{kW/K} }

Sensitivity terhadap duty:

Duty	$UA$
35 kW	1.13 kW/K
37 kW	1.19 kW/K
41 kW	1.32 kW/K

Untuk artikel, nilai yang wajar digunakan adalah:

\boxed{ UA_{\mathrm{actual}} \approx 1.1 - 1.3\ \mathrm{kW/K} }

5.7 Estimasi Required Heat Transfer Area

Jika nilai overall heat transfer coefficient diasumsikan dalam beberapa skenario, maka area yang diperlukan dapat dihitung:

A = \frac{UA}{U}

Gunakan:

UA = 1.19\ \mathrm{kW/K}

Jika:

U = 100\ \mathrm{W/m^2.K} = 0.100\ \mathrm{kW/m^2.K}

maka:

A = \frac{1.19}{0.100}

A = 11.9\ \mathrm{m^2}

Tabel estimasi area:

Assumed $U$	Required Area $A$
100 W/m².K	11.9 m²
150 W/m².K	7.9 m²
200 W/m².K	6.0 m²
300 W/m².K	4.0 m²

Interpretasi:

Jika actual heat transfer area dari datasheet jauh lebih besar dari nilai ini, maka kemungkinan $U$ aktual lebih rendah karena gas-side limitation, fouling, atau maldistribution.
Jika actual area jauh lebih kecil, maka data operasi atau asumsi $C_p$ perlu diverifikasi ulang.
Nilai ini harus dibandingkan dengan datasheet STHE untuk melakukan thermal rerating.

5.8 Estimasi Hot-End Tube Wall Temperature

Tujuan bagian ini adalah memperkirakan temperatur dinding tube di hot end, karena parameter inilah yang paling relevan terhadap risiko pitting SS304.

Data hot end:

T_{\mathrm{CO_2,hot\ end}} = 120^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{CW,hot\ end}} = 62^\circ \mathrm{C}

Maka:

\Delta T_{\mathrm{hot\ end}} = 58^\circ \mathrm{C}

Asumsi screening:

Parameter	Nilai
Tube material	SS304
Tube thickness	1.65 mm
$k_{\mathrm{SS304}}$	16.3 W/m.K
$h_{\mathrm{CW}}$	3000 W/m².K
$h_{\mathrm{gas}}$	100–1000 W/m².K
Fouling	Belum dimasukkan

Total resistance:

R_{\mathrm{total}} = \frac{1}{h_{\mathrm{gas}}} + \frac{\delta}{k} + \frac{1}{h_{\mathrm{CW}}}

Wall temperature sisi cooling water:

T_{\mathrm{wall,CW}} = T_{\mathrm{CW,bulk}} + \frac{q''}{h_{\mathrm{CW}}}

Heat flux lokal:

q'' = \frac{ T_{\mathrm{CO_2,bulk}} - T_{\mathrm{CW,bulk}} }{ R_{\mathrm{total}} }

Case 1 — $h_{\mathrm{gas}} = 100\ \mathrm{W/m^2.K}$

R_{\mathrm{gas}} = \frac{1}{100} = 0.0100\ \mathrm{m^2.K/W}

R_{\mathrm{wall}} = \frac{0.00165}{16.3} = 0.000101\ \mathrm{m^2.K/W}

R_{\mathrm{CW}} = \frac{1}{3000} = 0.000333\ \mathrm{m^2.K/W}

R_{\mathrm{total}} = 0.0100 + 0.000101 + 0.000333

R_{\mathrm{total}} = 0.010434\ \mathrm{m^2.K/W}

q'' = \frac{58}{0.010434}

q'' = 5560\ \mathrm{W/m^2}

T_{\mathrm{wall,CW}} = 62 + \frac{5560}{3000}

T_{\mathrm{wall,CW}} = 63.9^\circ \mathrm{C}

Case 2 — $h_{\mathrm{gas}} = 300\ \mathrm{W/m^2.K}$

R_{\mathrm{gas}} = \frac{1}{300} = 0.003333\ \mathrm{m^2.K/W}

R_{\mathrm{total}} = 0.003333 + 0.000101 + 0.000333

R_{\mathrm{total}} = 0.003767\ \mathrm{m^2.K/W}

q'' = \frac{58}{0.003767}

q'' = 15397\ \mathrm{W/m^2}

T_{\mathrm{wall,CW}} = 62 + \frac{15397}{3000}

T_{\mathrm{wall,CW}} = 67.1^\circ \mathrm{C}

Case 3 — $h_{\mathrm{gas}} = 1000\ \mathrm{W/m^2.K}$

R_{\mathrm{gas}} = \frac{1}{1000} = 0.001000\ \mathrm{m^2.K/W}

R_{\mathrm{total}} = 0.001000 + 0.000101 + 0.000333

R_{\mathrm{total}} = 0.001434\ \mathrm{m^2.K/W}

q'' = \frac{58}{0.001434}

q'' = 40446\ \mathrm{W/m^2}

T_{\mathrm{wall,CW}} = 62 + \frac{40446}{3000}

T_{\mathrm{wall,CW}} = 75.5^\circ \mathrm{C}

Ringkasan hasil:

$h_{\mathrm{gas}}$	$q''$	$T_{\mathrm{wall,CW}}$
100 W/m².K	5.6 kW/m²	63.9°C
300 W/m².K	15.4 kW/m²	67.1°C
1000 W/m².K	40.4 kW/m²	75.5°C

Sehingga:

\boxed{ T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C} }

Nilai ini belum memasukkan fouling. Jika terdapat deposit di sisi cooling water, temperatur metal lokal di bawah deposit dapat lebih tinggi.

5.9 Implikasi Termal terhadap Risiko Material

Dari sisi heat transfer, kesimpulan Bab 5 adalah:

Q_{\mathrm{CO_2,sensible}} \approx 37\ \mathrm{kW}

\Delta T_{\mathrm{lm}} \approx 31^\circ \mathrm{C}

UA_{\mathrm{actual}} \approx 1.19\ \mathrm{kW/K}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Dengan chloride cooling water:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

maka kondisi aktual yang perlu dievaluasi untuk SS304 adalah:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

pada:

T_{\mathrm{metal}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

bukan pada cooling water inlet:

T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C}

Ini adalah poin utama yang harus dipahami engineer muda: risiko pitting dikendalikan oleh kombinasi chloride dan metal temperature lokal, bukan hanya oleh temperatur inlet cooling water.

Key Takeaways Bab 3–5

STHE bekerja dengan mekanisme konveksi, konduksi, dan konveksi.
Karena arrangement adalah counter-current, hot end adalah lokasi CO₂ 120°C berhadapan dengan cooling water 62°C.
LMTD aktual counter-current adalah sekitar $31^\circ \mathrm{C}$ .
Dengan flow CO₂ 2 ton/jam dan $C_{p,\mathrm{CO_2}} \approx 0.90\ \mathrm{kJ/kg.K}$ , duty sensible CO₂ adalah sekitar 37 kW.
Cooling water flow yang konsisten dengan duty 37 kW dan kenaikan temperatur 30°C adalah sekitar 1.06 m³/jam.
Actual $UA$ diperkirakan sekitar 1.19 kW/K.
Temperatur tube wall sisi cooling water di hot end diperkirakan sekitar 64–76°C tanpa fouling.
Evaluasi pitting SS304 harus menggunakan kombinasi chloride 124.6 ppm dan metal temperature 64–76°C, bukan cooling water inlet 32°C.

Kembali ke Atas

6. Role of Downstream Separator and Possible Condensation Duty

6.1 Kenapa Liquid Separator Setelah STHE Penting

Pada sistem ini, STHE tidak berdiri sendiri sebagai heat exchanger biasa. STHE berada di antara 1st stage compressor dan liquid separator, kemudian gas $\mathrm{CO_2}$ masuk ke 2nd stage compressor.

Urutan prosesnya adalah:

Rendering diagram...

Keberadaan separator setelah STHE menunjukkan bahwa pendinginan gas $\mathrm{CO_2}$ berpotensi menghasilkan liquid. Liquid tersebut dapat berasal dari moisture, condensable impurity, atau komponen lain yang terkondensasi setelah temperatur gas turun dari:

T_{\mathrm{CO_2,in}} = 120^\circ \mathrm{C}

menjadi:

T_{\mathrm{CO_2,out}} = 46^\circ \mathrm{C}

Karena itu, heat duty STHE tidak boleh langsung diasumsikan hanya sebagai sensible heat removal dari gas $\mathrm{CO_2}$ . Bila terdapat kondensasi, maka STHE juga harus membuang latent heat dari komponen yang berubah fase dari vapor menjadi liquid.

6.2 Sensible Duty vs Total Duty

Pada Bab 5, heat duty dihitung berdasarkan pendinginan sensible gas $\mathrm{CO_2}$ :

Q_{\mathrm{sensible,CO_2}} = \dot{m}_{\mathrm{CO_2}} C_{p,\mathrm{CO_2}} \Delta T_{\mathrm{CO_2}}

Dengan data:

\dot{m}_{\mathrm{CO_2}} = 0.556\ \mathrm{kg/s}

C_{p,\mathrm{CO_2}} \approx 0.90\ \mathrm{kJ/kg.K}

\Delta T_{\mathrm{CO_2}} = 74^\circ \mathrm{C}

Maka:

Q_{\mathrm{sensible,CO_2}} = 0.556 \times 0.90 \times 74

Q_{\mathrm{sensible,CO_2}} \approx 37\ \mathrm{kW}

Namun, nilai tersebut hanya mewakili minimum sensible duty bila fluida yang didinginkan hanya berupa gas $\mathrm{CO_2}$ tanpa adanya kondensasi.

Jika terjadi kondensasi, maka total duty STHE menjadi:

Q_{\mathrm{total}} = Q_{\mathrm{sensible,CO_2}} + Q_{\mathrm{latent,condensation}} + Q_{\mathrm{sensible,condensate}}

Keterangan:

Komponen Duty	Persamaan Umum	Makna
Sensible gas cooling	$Q_{\mathrm{sensible,CO_2}} = \dot{m}_{\mathrm{CO_2}} C_{p,\mathrm{CO_2}} \Delta T_{\mathrm{CO_2}}$	Panas untuk menurunkan temperatur gas $\mathrm{CO_2}$
Latent condensation	$Q_{\mathrm{latent,condensation}} = \dot{m}_{\mathrm{cond}} \lambda_{\mathrm{cond}}$	Panas yang dilepas saat vapor menjadi liquid
Sensible condensate cooling	$Q_{\mathrm{sensible,condensate}} = \dot{m}_{\mathrm{cond}} C_{p,\mathrm{liq}} \Delta T_{\mathrm{liq}}$	Panas untuk menurunkan temperatur liquid condensate

Dengan demikian:

Q_{\mathrm{total}} \geq Q_{\mathrm{sensible,CO_2}}

Atau secara praktis:

Q_{\mathrm{total}} \geq 37\ \mathrm{kW}

Jika terdapat liquid yang signifikan di separator, maka nilai aktual $Q_{\mathrm{total}}$ dapat lebih besar daripada $37\ \mathrm{kW}$ .

6.3 Mekanisme Pembentukan Liquid Setelah Pendinginan

Pendinginan gas setelah kompresor dapat menyebabkan temperatur gas turun melewati dew point komponen tertentu. Bila hal ini terjadi, sebagian vapor akan berubah menjadi liquid.

Diagram konseptualnya adalah sebagai berikut.

Rendering diagram...

Dalam konteks sistem kompresi $\mathrm{CO_2}$ , potensi liquid dapat berasal dari beberapa sumber:

Potensi Sumber Liquid	Penjelasan
Water vapor	Moisture yang ikut terbawa dalam gas dan terkondensasi saat temperatur turun
Process contaminant	Komponen kondensabel dari upstream process
Entrained liquid	Liquid carry-over dari upstream equipment
Corrosion product atau deposit	Bukan liquid proses, tetapi dapat terbawa dan terkumpul di separator
Cooling water leakage	Jika tube bocor, cooling water dapat masuk ke process side tergantung pressure differential

Poin terakhir sangat penting pada kasus kebocoran. Bila tube leak terjadi, separator dapat menerima liquid yang bukan berasal dari kondensasi normal, tetapi dari cooling water ingress atau cross-contamination.

6.4 Dampak Condensation Duty terhadap Heat Balance

Pada Bab 5, estimasi cooling water flow yang konsisten dengan duty $37\ \mathrm{kW}$ dan kenaikan temperatur cooling water $30^\circ \mathrm{C}$ adalah:

\dot{V}_{\mathrm{CW,estimated}} \approx 1.06\ \mathrm{m^3/h}

Nilai ini berasal dari:

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = \frac{Q}{C_{p,\mathrm{CW}}\Delta T_{\mathrm{CW}}}

Jika $Q$ aktual lebih besar karena adanya condensation duty, maka cooling water flow yang konsisten juga akan lebih besar.

Sebagai contoh, jika total duty menjadi:

Q_{\mathrm{total}} = 50\ \mathrm{kW}

maka:

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = \frac{50}{4.18 \times 30}

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = 0.399\ \mathrm{kg/s}

Konversi ke volumetric flow:

\dot{V}_{\mathrm{CW}} \approx 0.399 \times 3.6

\dot{V}_{\mathrm{CW}} \approx 1.44\ \mathrm{m^3/h}

Jika:

Q_{\mathrm{total}} = 75\ \mathrm{kW}

maka:

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = \frac{75}{4.18 \times 30}

\dot{m}_{\mathrm{CW}} = 0.598\ \mathrm{kg/s}

\dot{V}_{\mathrm{CW}} \approx 2.15\ \mathrm{m^3/h}

Ringkasan sensitivitas:

$Q_{\mathrm{total}}$	$\dot{m}_{\mathrm{CW}}$	$\dot{V}_{\mathrm{CW}}$
$37\ \mathrm{kW}$	$0.295\ \mathrm{kg/s}$	$1.06\ \mathrm{m^3/h}$
$50\ \mathrm{kW}$	$0.399\ \mathrm{kg/s}$	$1.44\ \mathrm{m^3/h}$
$75\ \mathrm{kW}$	$0.598\ \mathrm{kg/s}$	$2.15\ \mathrm{m^3/h}$
$100\ \mathrm{kW}$	$0.797\ \mathrm{kg/s}$	$2.87\ \mathrm{m^3/h}$

Interpretasinya:

Bila actual cooling water flow jauh lebih besar daripada $1.06\ \mathrm{m^3/h}$ , maka kemungkinan ada heat duty tambahan, data temperatur tidak steady-state, flow measurement tidak akurat, atau ada fenomena kondensasi yang belum diperhitungkan.

6.5 Data Tambahan yang Perlu Dikumpulkan

Untuk memastikan apakah duty STHE hanya sensible duty atau juga melibatkan condensation duty, beberapa data tambahan wajib dikumpulkan.

Data	Tujuan
Pressure $\mathrm{CO_2}$ discharge 1st stage	Menentukan properti aktual $\mathrm{CO_2}$ , densitas, $C_p$ , dan dew point
Komposisi gas $\mathrm{CO_2}$	Menentukan $C_{p,\mathrm{mix}}$ , dew point, dan potensi kondensasi
Flow liquid dari separator	Menghitung $Q_{\mathrm{latent,condensation}}$
Komposisi liquid	Menentukan apakah liquid berupa water, condensate, contaminant, atau cooling water ingress
Pressure drop STHE	Indikasi fouling, blockage, maldistribution, atau perubahan hydraulic resistance
Flow cooling water aktual	Validasi heat balance sisi cooling water
Temperatur separator inlet/outlet	Verifikasi apakah terjadi pendinginan atau kondensasi lanjutan
Pressure separator	Membantu menentukan phase envelope dan dew point
Conductivity liquid separator	Indikasi apakah liquid mengandung cooling water atau garam terlarut
Chloride liquid separator	Membantu mengidentifikasi kemungkinan cooling water ingress

6.6 Practical Engineering Interpretation

Untuk engineer muda, poin pentingnya adalah:

Nilai $37\ \mathrm{kW}$ adalah minimum heat duty berdasarkan sensible cooling gas $\mathrm{CO_2}$ .
Adanya liquid separator setelah STHE menunjukkan kemungkinan adanya liquid formation.
Bila liquid terbentuk karena kondensasi, maka ada tambahan latent duty.
Bila liquid muncul akibat tube leak, maka separator dapat menerima cooling water ingress.
Heat balance harus ditutup dari dua sisi: process side dan cooling water side.
Data flow cooling water aktual dan flow liquid separator sangat penting untuk memvalidasi kondisi operasi.

Secara sederhana:

Rendering diagram...

Kesimpulan Bab 6:

\boxed{ Q_{\mathrm{sensible,CO_2}} \approx 37\ \mathrm{kW} }

namun:

\boxed{ Q_{\mathrm{total}} = Q_{\mathrm{sensible,CO_2}} + Q_{\mathrm{latent,condensation}} + Q_{\mathrm{sensible,condensate}} }

Sehingga:

\boxed{ Q_{\mathrm{total}} \geq 37\ \mathrm{kW} }

Kembali ke Atas

7. SS304 Resistance to Chloride and Pitting Mechanism

7.1 Data Chloride Aktual

Data cooling water menunjukkan chloride concentration sebesar:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

Untuk air, satuan $\mathrm{ppm}$ secara praktis dapat diperlakukan mendekati $\mathrm{mg/L}$ untuk konsentrasi dilute aqueous solution, sehingga:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} \approx 124.6\ \mathrm{mg/L}

Nilai chloride ini tidak ekstrem bila dilihat secara isolated. Namun, chloride tidak boleh dievaluasi sendirian. Risiko pitting stainless steel dipengaruhi oleh kombinasi beberapa faktor, termasuk chloride level, temperatur, oxygen level, flow rate, dan aktivitas biologis atau bacterial oxidants. BSSA menyebut faktor-faktor seperti chloride level, temperature, oxygen level, water flow rate, dan bacterial oxidants sebagai faktor yang mempromosikan korosi stainless steel di lingkungan air. (British Stainless Steel Association)

Pada kasus STHE ini, faktor yang paling penting adalah kombinasi:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

dengan:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > 62^\circ \mathrm{C}

dan berdasarkan estimasi screening:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Dengan demikian, kondisi yang harus dievaluasi bukan:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm} \quad \mathrm{pada} \quad T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C}

melainkan:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm} \quad \mathrm{pada} \quad T_{\mathrm{metal}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Ini adalah perbedaan interpretasi yang sangat penting.

7.2 Kenapa SS304 Rentan terhadap Chloride

SS304 adalah austenitic stainless steel yang memperoleh ketahanan korosi dari passive film berbasis chromium oxide pada permukaan logam. Passive film ini sangat tipis, tetapi stabil pada banyak lingkungan netral dan mildly corrosive.

Namun, ion chloride $\mathrm{Cl}^{-}$ dapat menyebabkan kerusakan lokal pada passive film. Ketika passive film rusak secara lokal, area kecil pada permukaan logam menjadi anodic, sedangkan area sekitarnya tetap passive dan cathodic. Perbedaan elektrokimia lokal ini menyebabkan serangan korosi yang sangat terfokus.

Mekanisme ini disebut pitting corrosion.

Secara sederhana:

\mathrm{SS304} + \mathrm{Cl}^{-} + T_{\mathrm{metal}}\ \mathrm{tinggi} + \mathrm{deposit/crevice} \rightarrow \mathrm{pitting\ risk}

Untuk SS304, panduan stainless steel menyebutkan bahwa material ini dianggap tahan terhadap pitting corrosion dalam potable water sampai sekitar $200\ \mathrm{mg/L}$ chloride pada temperatur ambient, tetapi turun menjadi sekitar $150\ \mathrm{mg/L}$ pada $60^\circ \mathrm{C}$ . Sumber yang sama menyatakan bahwa SS304 rentan terhadap pitting dan crevice corrosion pada warm chloride environment serta chloride stress corrosion cracking pada temperatur di atas sekitar $60^\circ \mathrm{C}$ . (worldstainless)

Dengan data aktual:

Chloride bulk       = 124.6 ppm
CW outlet bulk      = 62°C
Estimated wall temp = 64–76°C
Material existing   = SS304

interpretasinya adalah:

\boxed{ \mathrm{SS304\ berada\ pada\ kondisi\ borderline\ sampai\ berisiko} }

Terutama bila terdapat faktor tambahan seperti:

Faktor Akselerator	Dampak terhadap Pitting
Deposit atau scale	Menyebabkan under-deposit corrosion dan local chloride concentration
Crevice di tube sheet	Membentuk differential aeration cell dan chloride concentration cell
Low velocity cooling water	Memudahkan deposit dan mengurangi flushing
Residual chlorine atau oxidizer	Menaikkan corrosion potential
pH rendah	Mempercepat metal dissolution di dalam pit
Biofouling atau MIC	Mendorong localized corrosion dan deposit biologis
Local evaporation/concentration	Menaikkan chloride lokal di permukaan metal

7.3 Interpretasi Chloride $124.6\ \mathrm{ppm}$ pada Temperatur Metal $64-76^\circ \mathrm{C}$

Bulk chloride sebesar:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

secara angka terlihat lebih rendah dari panduan umum SS304 sekitar:

150\ \mathrm{mg/L} \quad \mathrm{pada} \quad 60^\circ \mathrm{C}

Namun, pada kasus ini terdapat beberapa alasan mengapa kondisi tetap berisiko.

Alasan 1 — Temperatur Metal Lebih Tinggi dari $60^\circ \mathrm{C}$

Estimasi hot-end wall temperature adalah:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Ini berarti metal temperature sudah berada di atas titik referensi $60^\circ \mathrm{C}$ yang sering digunakan dalam panduan material. Pada temperatur lebih tinggi, passive film lebih mudah breakdown dan pit growth cenderung lebih cepat.

Alasan 2 — Cooling Water Bulk Tidak Sama dengan Kondisi Lokal Under Deposit

Bulk chloride:

C_{\mathrm{Cl}^{-},bulk} = 124.6\ \mathrm{ppm}

dapat menjadi jauh lebih tinggi secara lokal di bawah deposit atau crevice. Dalam kondisi under-deposit, terjadi restricted mass transfer sehingga ion chloride dapat terkonsentrasi di area kecil.

Secara konseptual:

C_{\mathrm{Cl}^{-},local} > C_{\mathrm{Cl}^{-},bulk}

Maka walaupun nilai bulk hanya $124.6\ \mathrm{ppm}$ , nilai lokal di bawah deposit dapat lebih agresif.

Alasan 3 — Hot End adalah Area dengan Thermal Severity Tertinggi

Pada hot end:

T_{\mathrm{CO_2,bulk}} = 120^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{CW,bulk}} = 62^\circ \mathrm{C}

dan:

T_{\mathrm{wall,CW}} > 62^\circ \mathrm{C}

Dengan demikian, hot end adalah lokasi paling mungkin untuk mengalami pitting jika material, water chemistry, dan deposit condition tidak mendukung.

Diagram berikut merangkum logika risiko tersebut.

Rendering diagram...

7.4 Mekanisme Pitting SS304

Pitting corrosion pada SS304 bukan korosi merata. Pitting adalah localized corrosion, sehingga kehilangan material dapat sangat kecil secara total, tetapi sangat dalam secara lokal. Ini menjelaskan mengapa tube dapat mengalami pinhole leak walaupun sebagian besar permukaan tube terlihat masih baik.

Mekanisme pitting dapat dijelaskan dalam beberapa tahap.

Tahap 1 — Passive Film Terbentuk

SS304 membentuk passive film berbasis chromium oxide pada permukaannya.

Secara konseptual:

\mathrm{Cr} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{Cr_2O_3}

Film $\mathrm{Cr_2O_3}$ ini melindungi permukaan stainless steel dari korosi umum.

Tahap 2 — Chloride Menyerang Titik Lemah Passive Film

Ion chloride $\mathrm{Cl}^{-}$ menyerang titik lemah pada passive film, khususnya pada area:

inclusion,
scratch,
deposit,
crevice,
weld heat tint,
area stagnant,
area dengan local chemistry yang berubah.

Reaksi ini bukan reaksi tunggal sederhana, tetapi dapat dituliskan secara konseptual sebagai:

\mathrm{Passive\ Film} + \mathrm{Cl}^{-} \rightarrow \mathrm{Local\ Film\ Breakdown}

Tahap 3 — Pit Initiation

Setelah passive film rusak secara lokal, area kecil menjadi anodic.

Reaksi anodic metal dissolution:

\mathrm{Fe} \rightarrow \mathrm{Fe}^{2+} + 2e^{-}

Area sekitar pit tetap passive dan bertindak sebagai cathode. Karena area anodic sangat kecil dan area cathodic besar, laju penetrasi pit dapat menjadi tinggi.

Tahap 4 — Acidification di Dalam Pit

Ion logam yang terbentuk di dalam pit mengalami hydrolysis dan menghasilkan kondisi acidic.

Secara konseptual:

\mathrm{Fe}^{2+} + 2\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{Fe(OH)_2} + 2\mathrm{H}^{+}

Kenaikan konsentrasi $\mathrm{H}^{+}$ menyebabkan pH lokal turun.

\mathrm{pH}_{\mathrm{pit}} < \mathrm{pH}_{\mathrm{bulk}}

Tahap 5 — Chloride Migration ke Dalam Pit

Untuk menjaga electroneutrality, ion chloride $\mathrm{Cl}^{-}$ bermigrasi ke dalam pit.

C_{\mathrm{Cl}^{-},pit} > C_{\mathrm{Cl}^{-},bulk}

Akibatnya, lingkungan di dalam pit menjadi semakin agresif:

\mathrm{low\ pH} + \mathrm{high\ Cl}^{-} \rightarrow \mathrm{accelerated\ pit\ growth}

Tahap 6 — Pit Propagation dan Pinhole Leak

Pit tumbuh ke arah ketebalan tube. Karena bentuknya sempit dan dalam, pitting dapat menembus dinding tube tanpa menyebabkan thinning merata yang luas.

Akhirnya:

\mathrm{Pit\ depth} \geq \mathrm{tube\ wall\ thickness}

maka terjadi:

\mathrm{tube\ perforation} \rightarrow \mathrm{pinhole\ leak}

Diagram mekanisme pitting:

Rendering diagram...

7.5 Perbedaan Pitting, Crevice Corrosion, dan Under-Deposit Corrosion

Pada STHE cooling water service, pitting jarang berdiri sendiri. Sering kali, pitting dipicu atau diperparah oleh crevice dan deposit.

Mekanisme	Karakteristik	Lokasi Umum di STHE
Pitting corrosion	Pit lokal, dalam, sering berbentuk pinhole	Tube wall, hot end, under-deposit area
Crevice corrosion	Serangan di celah sempit dengan stagnant solution	Tube-to-tubesheet, gasket area, expanded tube
Under-deposit corrosion	Serangan di bawah scale, sludge, biofilm, corrosion product	Area dengan fouling, low velocity, dead zone
Chloride SCC	Retak bercabang pada austenitic stainless steel	Area tensile stress dan elevated temperature

Hubungan antar-mekanisme:

Rendering diagram...

7.6 Area Paling Kritis pada STHE

Berdasarkan data temperatur dan mekanisme korosi, area paling kritis adalah lokasi dengan kombinasi:

T_{\mathrm{metal}}\ \mathrm{tinggi} + C_{\mathrm{Cl}^{-}}\ \mathrm{signifikan} + \mathrm{deposit/crevice} + \mathrm{low\ velocity}

Tabel berikut merangkum area kritis.

Area	Alasan
Hot end tube bundle	Temperatur metal tertinggi karena berdekatan dengan $\mathrm{CO_2}$ inlet $120^\circ \mathrm{C}$ dan cooling water outlet $62^\circ \mathrm{C}$
Dekat tube sheet	Terdapat potensi crevice, stagnant zone, dan residual stress dari tube expansion
Under-deposit area	Chloride dapat terkonsentrasi lokal di bawah deposit
Area baffle contact	Berpotensi terjadi deposit, fretting, dan local damage pada passive film
Tube dengan low velocity	Fouling lebih mudah terbentuk dan oxygen renewal berkurang
Tube expansion zone	Kombinasi crevice, residual stress, dan possible local corrosion
Dead zone / maldistribution region	Aliran rendah menyebabkan sedimentasi dan biofouling

Diagram inspeksi prioritas:

Rendering diagram...

7.7 Failure Morphology yang Harus Dicari

Jika root cause mengarah ke chloride-induced pitting pada SS304, maka bukti fisik yang dicari saat inspeksi adalah sebagai berikut.

Observasi	Interpretasi
Pinhole kecil pada tube	Indikasi perforation akibat pitting
Pit dalam dan sempit	Ciri localized pitting corrosion
Deposit di sekitar pit	Indikasi under-deposit corrosion
Serangan dekat tube sheet	Indikasi crevice corrosion
Retak bercabang	Kemungkinan chloride stress corrosion cracking
Wall thinning merata	Lebih mengarah ke erosion-corrosion atau general corrosion
Damage di baffle contact	Kemungkinan fretting atau flow-induced vibration

Untuk membedakan mekanisme, perlu dilakukan inspeksi visual, boroscope, eddy current, IRIS atau UT, deposit analysis, dan bila memungkinkan metallography serta SEM/EDS.

7.8 Kesimpulan Bab 7

Dengan data aktual:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{CW,out}} = 62^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

maka SS304 tidak berada dalam kondisi yang nyaman untuk long-term cooling water service.

Kesimpulan engineering:

\boxed{ C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm} \ \mathrm{tidak\ ekstrem,\ tetapi\ signifikan} }

karena dikombinasikan dengan:

\boxed{ T_{\mathrm{metal}} > 62^\circ \mathrm{C} }

dan potensi:

\boxed{ \mathrm{deposit} + \mathrm{crevice} + \mathrm{low\ velocity} + \mathrm{oxidizer} }

Maka:

\boxed{ \mathrm{Chloride\ induced\ pitting\ pada\ SS304} \ \mathrm{adalah\ hipotesis\ kegagalan\ yang\ kuat} }

Namun, final root cause tetap harus dikonfirmasi melalui:

Lokasi pit.
Morphology pit.
Deposit analysis.
Cooling water chemistry lengkap.
Tube inspection.
Operating history.
Data residual chlorine, $\mathrm{pH}$ , conductivity, dan ORP.

Kembali ke Atas

Key Takeaways Bab 6–7

Nilai $37\ \mathrm{kW}$ adalah minimum sensible duty dari gas $\mathrm{CO_2}$ .
Karena ada liquid separator setelah STHE, perlu dievaluasi kemungkinan adanya condensation duty.
Jika terjadi kondensasi, maka $Q_{\mathrm{total}}$ lebih besar dari $Q_{\mathrm{sensible,CO_2}}$ .
Chloride cooling water sebesar $124.6\ \mathrm{ppm}$ harus dievaluasi bersama metal temperature, bukan sebagai angka tunggal.
Pada hot end, $T_{\mathrm{wall,CW}}$ diperkirakan sekitar $64-76^\circ \mathrm{C}$ tanpa fouling.
SS304 berada pada kondisi borderline sampai berisiko terhadap pitting pada kombinasi chloride dan temperatur tersebut.
Deposit, crevice, residual chlorine, low velocity, dan biofouling dapat mempercepat pitting.
Area inspeksi paling kritis adalah hot end tube bundle, tube sheet, under-deposit area, dan baffle contact area.

Kembali ke Atas

8. Material Improvement: SS304 to SS316L

8.1 Kenapa SS316L Lebih Baik Dibanding SS304?

SS304 dan SS316L sama-sama termasuk austenitic stainless steel. Keduanya memiliki chromium dan nickel sebagai unsur utama pembentuk struktur austenitic serta passive film berbasis chromium oxide. Perbedaan utama yang membuat SS316L lebih unggul terhadap chloride adalah adanya molybdenum.

SS316 atau SS316L mengandung molybdenum sekitar:

\mathrm{Mo}_{\mathrm{SS316L}} \approx 2 - 3\%

Sedangkan SS304 tidak memiliki molybdenum sebagai unsur nominal:

\mathrm{Mo}_{\mathrm{SS304}} \approx 0\%

Molybdenum meningkatkan ketahanan terhadap pitting corrosion dan crevice corrosion, khususnya pada lingkungan yang mengandung chloride. Grade 316 dikenal sebagai molybdenum-bearing austenitic stainless steel, dan molybdenum memberikan resistance yang lebih baik terhadap pitting dan crevice corrosion pada chloride environments dibanding Grade 304. (Stainlessinox)

Secara sederhana:

\mathrm{SS304} = \mathrm{Cr} + \mathrm{Ni}

Sedangkan:

\mathrm{SS316L} = \mathrm{Cr} + \mathrm{Ni} + \mathrm{Mo}

Maka dari sisi chloride resistance:

\mathrm{SS316L} > \mathrm{SS304}

Namun, poin pentingnya adalah:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ lebih\ tahan,\ tetapi\ bukan\ immune\ terhadap\ chloride} }

Artinya, SS316L memberi margin lebih baik, tetapi tetap bisa mengalami pitting jika kondisi terlalu agresif, misalnya chloride tinggi, temperatur metal tinggi, deposit berat, crevice, stagnant zone, atau residual chlorine tinggi.

8.2 Relevansi SS316L terhadap Kondisi Aktual STHE

Kondisi aktual STHE adalah:

Parameter	Nilai
Existing tube material	SS304
Proposed tube material	SS316L
Chloride cooling water	$124.6\ \mathrm{ppm}$
Cooling water outlet	$62^\circ \mathrm{C}$
Estimated hot-end wall temperature	$64 - 76^\circ \mathrm{C}$
Service	CO₂ gas cooler after 1st stage compressor
Flow arrangement	Counter-current

Chloride aktual:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

atau secara praktis:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} \approx 124.6\ \mathrm{mg/L}

Hot-end wall temperature diperkirakan:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Panduan water industry menyebutkan bahwa, sebagai general guide untuk raw, natural, dan potable waters pada pH sekitar 6–8.5, tipe 304 dapat dipertimbangkan sampai sekitar 200 mg/L chloride, sedangkan tipe 316 sampai sekitar 1000 mg/L chloride. Namun, dokumen yang sama juga memberikan pendekatan konservatif: tipe 304 sampai sekitar 50 mg/L chloride dan tipe 316 sampai sekitar 250 mg/L chloride, terutama untuk kondisi yang lebih berisiko. (Water UK Standards Board)

Dengan data aktual:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

SS304 berada di atas batas konservatif:

124.6\ \mathrm{ppm} > 50\ \mathrm{ppm}

Sedangkan SS316L masih berada di bawah batas konservatif:

124.6\ \mathrm{ppm} < 250\ \mathrm{ppm}

Maka secara screening:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ adalah\ minimum\ upgrade\ yang\ technically\ defensible} }

Namun, karena metal temperature berada di atas $62^\circ \mathrm{C}$ , pemilihan SS316L tetap harus disertai kontrol operasi dan water treatment. SS316L bukan solusi tunggal bila masalah utama sebenarnya adalah deposit, stagnant cooling water, over-chlorination, atau poor flow distribution.

8.3 Perbandingan Interpretasi Chloride: SS304 vs SS316L

Untuk kasus ini, perbandingan praktisnya dapat ditulis sebagai berikut.

Parameter	SS304	SS316L
Molybdenum	Tidak nominal	$2 - 3\%$
Resistance terhadap pitting chloride	Sedang	Lebih baik
Resistance terhadap crevice corrosion	Sedang	Lebih baik
Suitability pada $124.6\ \mathrm{ppm}$ Cl⁻ dan $T_{\mathrm{metal}} > 62^\circ \mathrm{C}$	Borderline / berisiko	Lebih defensible
Benefit utama	Umum, ekonomis	Margin korosi lebih baik
Catatan	Tidak disarankan untuk long-term reliability pada kondisi ini	Tetap perlu kontrol deposit dan water chemistry

Secara konseptual:

Rendering diagram...

8.4 Kenapa Memilih SS316L, Bukan Hanya SS316?

Untuk tube heat exchanger, khususnya bila ada welding, tube-to-tubesheet welding, repair welding, atau heat affected zone, grade L lebih disukai karena kandungan carbon yang lebih rendah.

SS316L adalah versi low-carbon dari SS316. Low carbon membantu mengurangi risiko sensitization dan intergranular corrosion pada area yang mengalami thermal cycle. Atlas grade datasheet menjelaskan bahwa 316L adalah low carbon version dari 316 dan memiliki resistance yang lebih baik terhadap sensitization. (Stainlessinox)

Secara praktis:

\mathrm{SS316L} = \mathrm{SS316} \ \mathrm{with\ lower\ carbon}

Dengan carbon lebih rendah:

C_{\mathrm{SS316L}} < C_{\mathrm{SS316}}

maka risiko chromium carbide precipitation di grain boundary lebih rendah.

Implikasinya:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ lebih\ sesuai\ untuk\ welded\ heat\ exchanger\ tube\ application} }

8.5 Batasan SS316L

Walaupun SS316L lebih baik daripada SS304, SS316L tetap tidak boleh dianggap bebas risiko.

SS316L dapat tetap mengalami pitting atau crevice corrosion bila terdapat kombinasi berikut:

Faktor	Dampak
Chloride tinggi	Meningkatkan risiko passive film breakdown
Metal temperature tinggi	Mempercepat pit initiation dan propagation
Deposit atau scale	Menciptakan under-deposit corrosion
Crevice di tube sheet	Menciptakan local chloride concentration
Stagnant zone	Mengurangi flushing dan oxygen renewal
Residual chlorine tinggi	Menaikkan corrosion potential
pH rendah	Mempercepat dissolution di dalam pit
Biofouling / MIC	Memicu localized corrosion

Untuk kasus ini, faktor yang sudah terbukti dari data adalah:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

dan:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Faktor yang masih perlu dikonfirmasi adalah:

\mathrm{deposit} + \mathrm{crevice} + \mathrm{residual\ chlorine} + \mathrm{pH} + \mathrm{velocity} + \mathrm{biofouling}

8.6 Kapan Duplex 2205 Perlu Dipertimbangkan?

Duplex 2205 memiliki struktur campuran ferrite dan austenite. Material ini umumnya memiliki strength lebih tinggi dan pitting resistance lebih baik dibanding SS316L. Duplex 2205 sering dipertimbangkan ketika SS316L memiliki margin korosi yang tidak cukup, terutama pada chloride environment yang lebih agresif.

Duplex 2205 perlu dipertimbangkan bila ditemukan kondisi berikut:

Kondisi	Alasan
Kebocoran berulang setelah upgrade SS316L	Menunjukkan SS316L tidak cukup robust
Deposit berat dan sulit dikontrol	Under-deposit corrosion tetap agresif
Residual chlorine tinggi	Menaikkan corrosion potential
Chloride meningkat akibat cycles of concentration	Bulk chloride dapat naik di atas nilai saat ini
Cooling water velocity rendah	Meningkatkan fouling dan stagnant corrosion
Area crevice tidak dapat dieliminasi	Crevice corrosion tetap menjadi driver
Target reliability sangat tinggi	Membutuhkan corrosion margin lebih besar

Secara konseptual, pilihan material dapat disusun sebagai hierarchy berikut.

Rendering diagram...

8.7 Material Selection Matrix

Material selection tidak boleh hanya mempertimbangkan chemical compatibility. Untuk STHE, pemilihan material juga harus mempertimbangkan heat transfer, mechanical strength, weldability, availability, cost, inspection strategy, dan compatibility dengan existing design.

Material	Kesesuaian terhadap Kasus	Catatan
SS304	Tidak disarankan untuk long-term reliability	Margin kecil pada $124.6\ \mathrm{ppm}$ Cl⁻ dan $T_{\mathrm{metal}} > 62^\circ \mathrm{C}$
SS316L	Rekomendasi minimum	Better pitting resistance karena Mo; cocok sebagai upgrade pertama
Duplex 2205	Opsi lebih robust	Dipertimbangkan jika fouling/deposit berat atau leak berulang
Super Duplex / 6Mo	Untuk severe chloride	Perlu justifikasi ekonomi dan corrosivity yang lebih tinggi
Titanium	Sangat baik untuk beberapa seawater service	Mahal, perlu review galvanic compatibility dan design limitation

Keputusan material yang paling rasional untuk kondisi saat ini adalah:

\boxed{ \mathrm{Upgrade\ tube\ material\ dari\ SS304\ ke\ SS316L} }

dengan catatan:

\boxed{ \mathrm{Water\ chemistry,\ velocity,\ deposit,\ dan\ residual\ chlorine\ tetap\ harus\ dikontrol} }

8.8 Kesimpulan Bab 8

Berdasarkan data aktual:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

dan existing tube:

\mathrm{Material}_{\mathrm{existing}} = \mathrm{SS304}

maka:

\boxed{ \mathrm{SS304\ memiliki\ margin\ kecil\ terhadap\ pitting} }

Upgrade ke SS316L secara teknis dapat dibenarkan karena adanya molybdenum yang meningkatkan pitting dan crevice corrosion resistance pada chloride environment.

Kesimpulan engineering:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ adalah\ minimum\ material\ upgrade\ yang\ technically\ defensible} }

Namun, jika inspeksi menemukan deposit berat, crevice corrosion parah, residual chlorine tinggi, atau leak berulang, maka material dengan margin lebih tinggi seperti Duplex 2205 perlu dipertimbangkan.

Kembali ke Atas

9. Mechanical and Thermal Properties: SS304 vs SS316L

9.1 Konteks Perbandingan

Perbandingan SS304 dan SS316L dalam artikel ini harus dilihat dari dua sisi berbeda:

Heat transfer performance
Corrosion resistance terhadap chloride

Dari sisi heat transfer, SS304 dan SS316L hampir sama karena thermal conductivity keduanya berada pada level yang serupa. Dari sisi corrosion resistance, SS316L lebih baik karena mengandung molybdenum.

Dengan kata lain:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ tidak\ dipilih\ untuk\ meningkatkan\ heat\ transfer} }

tetapi:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ dipilih\ untuk\ meningkatkan\ corrosion\ resistance} }

9.2 Komposisi Kimia Utama

Komposisi kimia tipikal SS304 dan SS316L dapat diringkas sebagai berikut. Nilai aktual harus tetap mengacu pada material certificate, ASME/ASTM specification, dan purchase requirement yang digunakan pada proyek.

Element	SS304	SS316 / SS316L	Implikasi
Cr	$17.5 - 19.5\%$	$16 - 18\%$	Pembentuk passive film
Ni	$8 - 10.5\%$	$10 - 14\%$	Stabilizer austenitic structure
Mo	Tidak nominal	$2 - 3\%$	Meningkatkan pitting resistance
C max	sekitar $0.07\%$ untuk 304	lebih rendah pada 316L	Menurunkan risiko sensitization
N max	sekitar $0.10\%$	sekitar $0.10\%$	Dapat membantu strength dan pitting resistance

Atlas/World Stainless grade datasheets mencantumkan komposisi dan properti Grade 304/304L/304H serta 316/316L/316H, termasuk perbedaan utama 316 sebagai molybdenum-bearing grade dibanding 304. (worldstainless)

Secara konseptual:

Rendering diagram...

9.3 Mechanical Properties

Mechanical properties SS304 dan SS316L pada kondisi annealed relatif mirip. Ini penting karena dari sisi kekuatan dasar tube, upgrade dari SS304 ke SS316L umumnya tidak menimbulkan perubahan besar pada mechanical design, meskipun final verification tetap harus mengacu pada ASME Section II, ASME Section VIII, TEMA, atau API 660 sesuai design basis proyek.

Property	SS304	SS316 / SS316L	Implikasi terhadap STHE
Tensile strength minimum	$\approx 515\ \mathrm{MPa}$	$\approx 515\ \mathrm{MPa}$	Hampir sama
Yield strength minimum	$\approx 205\ \mathrm{MPa}$	$\approx 205\ \mathrm{MPa}$	Hampir sama
Elongation minimum	$\approx 40\%$	$\approx 40\%$	Sama-sama ductile
Elastic modulus	$\approx 193\ \mathrm{GPa}$	$\approx 193\ \mathrm{GPa}$	Kekakuan tube hampir sama
Density	$\approx 7900\ \mathrm{kg/m^3}$	$\approx 8000\ \mathrm{kg/m^3}$	Praktis sama
Hardness maximum	$\approx 201\ \mathrm{HB}$	$\approx 217\ \mathrm{HB}$	316 sedikit lebih tinggi

Data mechanical properties dan physical properties untuk Grade 304/316 pada datasheet Atlas/World Stainless menunjukkan nilai tensile strength, yield strength, elongation, density, elastic modulus, dan thermal conductivity yang secara engineering sangat dekat untuk kedua grade tersebut. (worldstainless)

Implikasi untuk STHE:

\sigma_{\mathrm{allowable,SS304}} \approx \sigma_{\mathrm{allowable,SS316L}}

dalam konteks screening awal. Namun untuk design final, allowable stress harus dicek berdasarkan code dan temperatur desain.

9.4 Thermal Properties dalam Konteks Heat Transfer

Untuk heat exchanger, salah satu properti yang paling sering diperhatikan adalah thermal conductivity. Pada kasus ini, SS304 dan SS316L memiliki thermal conductivity yang hampir sama pada temperatur operasi sekitar 100°C.

Property	SS304	SS316 / SS316L	Dampak terhadap Heat Transfer
Thermal conductivity at $100^\circ \mathrm{C}$	$\approx 16.3\ \mathrm{W/m.K}$	$\approx 16.3\ \mathrm{W/m.K}$	Praktis sama
Specific heat	$\approx 500\ \mathrm{J/kg.K}$	$\approx 500\ \mathrm{J/kg.K}$	Praktis sama
Thermal expansion $0 - 100^\circ \mathrm{C}$	$\approx 17.2\ \mu\mathrm{m/m.K}$	$\approx 15.9\ \mu\mathrm{m/m.K}$	316 sedikit lebih rendah

Maka:

k_{\mathrm{SS304}} \approx k_{\mathrm{SS316L}}

atau:

k_{\mathrm{SS304}} \approx 16.3\ \mathrm{W/m.K}

k_{\mathrm{SS316L}} \approx 16.3\ \mathrm{W/m.K}

Sehingga:

\boxed{ \mathrm{Upgrade\ SS304\ ke\ SS316L\ tidak\ secara\ signifikan\ meningkatkan\ heat\ transfer} }

Manfaat utama upgrade adalah:

\boxed{ \mathrm{corrosion\ resistance,\ bukan\ thermal\ conductivity} }

9.5 Wall Resistance Comparison

Untuk membuktikan bahwa perbedaan SS304 dan SS316L tidak signifikan terhadap heat transfer, kita dapat menghitung tahanan konduksi dinding tube.

Asumsi tube thickness:

\delta = 1.65\ \mathrm{mm}

Konversi ke meter:

\delta = 0.00165\ \mathrm{m}

Thermal conductivity:

k = 16.3\ \mathrm{W/m.K}

Tahanan konduksi dinding:

R_{\mathrm{wall}} = \frac{\delta}{k}

Substitusi:

R_{\mathrm{wall}} = \frac{0.00165}{16.3}

R_{\mathrm{wall}} = 0.000101\ \mathrm{m^2.K/W}

Sehingga:

\boxed{ R_{\mathrm{wall}} \approx 0.000101\ \mathrm{m^2.K/W} }

Nilai ini sangat kecil dibanding gas-side thermal resistance atau fouling resistance.

Sebagai perbandingan, jika:

h_{\mathrm{gas}} = 100\ \mathrm{W/m^2.K}

maka:

R_{\mathrm{gas}} = \frac{1}{h_{\mathrm{gas}}} \frac{1}{100} 0.0100\ \mathrm{m^2.K/W}

Jika:

h_{\mathrm{CW}} = 3000\ \mathrm{W/m^2.K}

maka:

R_{\mathrm{CW}} = \frac{1}{h_{\mathrm{CW}}} \frac{1}{3000} 0.000333\ \mathrm{m^2.K/W}

Perbandingan tahanan:

Komponen	Nilai
$R_{\mathrm{gas}}$	$0.0100\ \mathrm{m^2.K/W}$
$R_{\mathrm{wall}}$	$0.000101\ \mathrm{m^2.K/W}$
$R_{\mathrm{CW}}$	$0.000333\ \mathrm{m^2.K/W}$

Kontribusi wall resistance terhadap total resistance:

R_{\mathrm{total}} = R_{\mathrm{gas}} + R_{\mathrm{wall}} + R_{\mathrm{CW}}

R_{\mathrm{total}} = 0.0100 + 0.000101 + 0.000333

R_{\mathrm{total}} = 0.010434\ \mathrm{m^2.K/W}

Maka:

\frac{R_{\mathrm{wall}}}{R_{\mathrm{total}}} = \frac{0.000101}{0.010434}

\frac{R_{\mathrm{wall}}}{R_{\mathrm{total}}} = 0.0097

atau:

\boxed{ R_{\mathrm{wall}} \approx 1\% \ \mathrm{dari\ total\ thermal\ resistance} }

Kesimpulannya:

\boxed{ \mathrm{Wall\ material\ change\ dari\ SS304\ ke\ SS316L\ hampir\ tidak\ mengubah\ thermal\ performance} }

9.6 Faktor yang Lebih Dominan terhadap Heat Transfer

Karena wall resistance kecil, performa STHE lebih dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut.

Faktor	Dampak terhadap Heat Transfer
Gas-side heat transfer coefficient	Sangat berpengaruh pada gas cooler
Cooling water velocity	Menentukan $h_{\mathrm{CW}}$ dan fouling tendency
Fouling resistance	Menambah thermal resistance
Tube cleanliness	Menentukan effective heat transfer area
Flow distribution	Maldistribution dapat menurunkan area efektif
Baffle condition	Mempengaruhi shell-side turbulence dan vibration
LMTD	Driving force utama heat exchanger
Actual heat transfer area	Menentukan total $UA$

Secara diagram:

Rendering diagram...

9.7 Hubungan Mechanical Properties dengan Pitting

Mechanical properties seperti tensile strength dan yield strength tidak secara langsung menentukan ketahanan terhadap pitting. Pitting lebih dikendalikan oleh metallurgical chemistry dan lingkungan operasi.

Namun, mechanical properties tetap penting karena pitting dapat mengurangi remaining wall thickness secara lokal. Bila pit tumbuh hingga menembus dinding tube, maka tube bocor walaupun bulk material strength masih memadai.

Secara konseptual:

\mathrm{Pitting} \rightarrow \mathrm{local\ wall\ loss} \rightarrow \mathrm{remaining\ thickness\ decreases} \rightarrow \mathrm{pinhole\ leak}

Jika pit depth adalah:

d_{\mathrm{pit}}

dan tube wall thickness adalah:

t_{\mathrm{tube}}

maka perforation terjadi saat:

d_{\mathrm{pit}} \geq t_{\mathrm{tube}}

Dengan asumsi:

t_{\mathrm{tube}} = 1.65\ \mathrm{mm}

maka tube dapat bocor ketika:

d_{\mathrm{pit}} \geq 1.65\ \mathrm{mm}

Pitting berbahaya karena kehilangan material tidak merata. Total corrosion rate rata-rata dapat terlihat rendah, tetapi penetrasi lokal dapat sangat cepat.

9.8 Ringkasan Perbandingan Engineering SS304 vs SS316L

Aspek	SS304	SS316L	Kesimpulan
Heat transfer	Baik	Baik	Hampir sama
Thermal conductivity	$\approx 16.3\ \mathrm{W/m.K}$	$\approx 16.3\ \mathrm{W/m.K}$	Tidak ada improvement signifikan
Mechanical strength	Similar	Similar	Tidak menjadi alasan utama upgrade
Chloride pitting resistance	Lebih rendah	Lebih tinggi	SS316L lebih sesuai
Crevice corrosion resistance	Lebih rendah	Lebih tinggi	SS316L lebih baik
Weldability	Baik	Baik, 316L lebih aman terhadap sensitization	316L lebih disukai
Cost	Lebih rendah	Lebih tinggi	Perlu justifikasi reliability
Suitability untuk kasus ini	Borderline / risky	Minimum defensible upgrade	Upgrade disarankan

9.9 Kesimpulan Bab 9

Dari sisi mechanical dan thermal properties:

\boxed{ \mathrm{SS304\ dan\ SS316L\ memiliki\ mechanical\ properties\ yang\ relatif\ mirip} }

Dari sisi heat transfer:

\boxed{ k_{\mathrm{SS304}} \approx k_{\mathrm{SS316L}} \approx 16.3\ \mathrm{W/m.K} }

Sehingga:

\boxed{ \mathrm{Upgrade\ ke\ SS316L\ tidak\ bertujuan\ meningkatkan\ heat\ transfer} }

Tujuan utama upgrade adalah:

\boxed{ \mathrm{meningkatkan\ resistance\ terhadap\ chloride\ pitting\ dan\ crevice\ corrosion} }

Untuk STHE ini, dengan:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

dan:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

maka SS316L merupakan pilihan minimum yang lebih rasional dibanding SS304.

Kembali ke Atas

Key Takeaways Bab 8–9

SS316L lebih baik dari SS304 terhadap chloride karena mengandung molybdenum sekitar $2 - 3\%$ .
Pada chloride $124.6\ \mathrm{ppm}$ dan metal temperature $64 - 76^\circ \mathrm{C}$ , SS304 memiliki margin kecil terhadap pitting.
SS316L adalah minimum material upgrade yang technically defensible untuk kasus ini.
SS316L bukan immune terhadap chloride; deposit, crevice, residual chlorine, dan low velocity tetap harus dikontrol.
Mechanical properties SS304 dan SS316L relatif mirip.
Thermal conductivity SS304 dan SS316L praktis sama, sekitar $16.3\ \mathrm{W/m.K}$ .
Wall resistance tube hanya sekitar $0.000101\ \mathrm{m^2.K/W}$ untuk thickness $1.65\ \mathrm{mm}$ .
Performa heat transfer lebih dipengaruhi oleh $h_{\mathrm{gas}}$ , $h_{\mathrm{CW}}$ , fouling, flow distribution, dan LMTD dibanding perbedaan material SS304 vs SS316L.
Upgrade ke SS316L adalah keputusan corrosion reliability, bukan keputusan thermal performance.

Kembali ke Atas

10. PREN Analysis and Diagram

10.1 Apa Itu PREN?

PREN atau Pitting Resistance Equivalent Number adalah indeks empiris yang digunakan untuk membandingkan ketahanan relatif stainless steel terhadap pitting corrosion. PREN bukan nilai absolut yang menjamin suatu material bebas pitting, tetapi berguna sebagai alat awal untuk membandingkan material stainless steel berdasarkan komposisi kimianya.

Formula umum PREN adalah:

PREN = \%Cr + 3.3(\%Mo) + 16(\%N)

Keterangan:

Simbol	Arti	Pengaruh terhadap Pitting Resistance
$\%Cr$	Chromium content	Membentuk passive film
$\%Mo$	Molybdenum content	Meningkatkan resistance terhadap pitting dan crevice corrosion
$\%N$	Nitrogen content	Meningkatkan pitting resistance dan strength

British Stainless Steel Association menjelaskan bahwa formula umum PREN menggunakan faktor pembobot untuk molybdenum dan nitrogen karena kedua unsur tersebut memiliki pengaruh kuat terhadap pitting corrosion resistance. (British Stainless Steel Association)

Secara prinsip:

\boxed{ \mathrm{Semakin\ tinggi\ PREN,\ semakin\ tinggi\ ketahanan\ relatif\ terhadap\ pitting} }

Namun, PREN harus dipahami sebagai ranking relatif, bukan sebagai operating limit. Actual corrosion tetap dipengaruhi oleh chloride concentration, metal temperature, pH, residual chlorine, deposit, crevice, dan velocity.

10.2 Kenapa PREN Penting pada Kasus STHE Ini?

Pada kasus STHE ini, existing tube material adalah SS304. Cooling water mengandung chloride:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

Hot-end tube wall temperature diperkirakan:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Kombinasi chloride dan temperatur metal elevated meningkatkan risiko pitting pada stainless steel. Karena itu, PREN dapat digunakan untuk menjelaskan secara kuantitatif mengapa SS316L lebih baik dibanding SS304.

Secara sederhana:

PREN_{\mathrm{SS316L}} > PREN_{\mathrm{SS304}}

karena SS316L mengandung molybdenum:

\%Mo_{\mathrm{SS316L}} \approx 2 - 3\%

sedangkan SS304 tidak memiliki molybdenum nominal:

\%Mo_{\mathrm{SS304}} \approx 0\%

10.3 Estimated PREN untuk SS304

Komposisi tipikal SS304:

\%Cr_{\mathrm{SS304}} \approx 18

\%Mo_{\mathrm{SS304}} \approx 0

\%N_{\mathrm{SS304}} \approx 0 - 0.10

Dengan formula:

PREN = \%Cr + 3.3(\%Mo) + 16(\%N)

Jika nitrogen diabaikan untuk screening awal:

PREN_{\mathrm{SS304}} \approx 18 + 3.3(0) + 16(0)

PREN_{\mathrm{SS304}} \approx 18

Dengan variasi komposisi aktual, PREN SS304 secara praktis dapat dinyatakan sebagai:

\boxed{ PREN_{\mathrm{SS304}} \approx 18 - 20 }

Interpretasi:

\boxed{ \mathrm{SS304\ memiliki\ pitting\ resistance\ paling\ rendah\ di\ antara\ material\ yang\ dibandingkan} }

10.4 Estimated PREN untuk SS316L

Komposisi tipikal SS316L:

\%Cr_{\mathrm{SS316L}} \approx 17

\%Mo_{\mathrm{SS316L}} \approx 2.0 - 2.5

\%N_{\mathrm{SS316L}} \approx 0 - 0.10

Untuk screening calculation, jika digunakan:

\%Cr = 17

\%Mo = 2.5

dan nitrogen diabaikan:

PREN_{\mathrm{SS316L}} = 17 + 3.3(2.5) + 16(0)

PREN_{\mathrm{SS316L}} = 17 + 8.25

PREN_{\mathrm{SS316L}} = 25.25

Sehingga secara praktis:

\boxed{ PREN_{\mathrm{SS316L}} \approx 24 - 26 }

Interpretasi:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ memberikan\ peningkatan\ margin\ pitting\ dibanding\ SS304} }

Hal ini konsisten dengan peran molybdenum pada SS316L yang meningkatkan ketahanan terhadap pitting dan crevice corrosion di chloride environment. Atlas 316/316L datasheet menyebutkan bahwa molybdenum memberi Grade 316 ketahanan yang lebih baik dibanding 304, terutama terhadap pitting dan crevice corrosion di chloride environments. (Atlas Steels)

10.5 Estimated PREN untuk Duplex 2205

Duplex 2205 memiliki kandungan chromium, molybdenum, dan nitrogen yang lebih tinggi dibanding SS304 dan SS316L. Secara tipikal, PREN Duplex 2205 berada pada kisaran:

\boxed{ PREN_{\mathrm{Duplex\ 2205}} \approx 34 - 36 }

Interpretasi:

\boxed{ \mathrm{Duplex\ 2205\ memiliki\ margin\ pitting\ lebih\ tinggi\ dibanding\ SS316L} }

Karena itu, Duplex 2205 dapat dipertimbangkan bila SS316L dianggap belum cukup robust, misalnya pada kondisi:

Deposit berat.
Crevice tidak dapat dieliminasi.
Residual chlorine tinggi.
Cooling water velocity rendah.
Chloride meningkat akibat cycles of concentration.
Terdapat riwayat kebocoran berulang.

10.6 PREN Calculation Flow

Diagram berikut menunjukkan bagaimana chromium, molybdenum, dan nitrogen mempengaruhi PREN.

Rendering diagram...

10.7 PREN Diagram for Article

Diagram berikut dapat digunakan untuk menunjukkan perbandingan relatif pitting resistance antara SS304, SS316L, dan Duplex 2205.

Rendering diagram...

Untuk versi naratif, dapat ditulis:

Relative Pitting Resistance by PREN

SS304        | ###################                 | ~18–20
SS316L       | #########################           | ~24–26
Duplex 2205  | ################################### | ~34–36

Interpretasi diagram:

Material	Estimated PREN	Interpretasi
SS304	$18 - 20$	Resistance paling rendah terhadap pitting
SS316L	$24 - 26$	Lebih baik dari SS304 karena adanya Mo
Duplex 2205	$34 - 36$	Margin lebih tinggi untuk chloride service

10.8 PREN dan Relevansi terhadap Kasus Aktual

Kondisi aktual STHE adalah:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Existing material:

\mathrm{Material}_{\mathrm{existing}} = \mathrm{SS304}

Proposed minimum upgrade:

\mathrm{Material}_{\mathrm{proposed}} = \mathrm{SS316L}

Dari sisi PREN:

PREN_{\mathrm{SS304}} \approx 18 - 20

PREN_{\mathrm{SS316L}} \approx 24 - 26

Maka peningkatan relatifnya dapat dihitung secara sederhana:

\Delta PREN = PREN_{\mathrm{SS316L}} - PREN_{\mathrm{SS304}}

Ambil nilai representatif:

PREN_{\mathrm{SS316L}} = 25

PREN_{\mathrm{SS304}} = 19

Maka:

\Delta PREN = 25 - 19

\Delta PREN = 6

Persentase peningkatan relatif:

\frac{\Delta PREN}{PREN_{\mathrm{SS304}}} \times 100\% = \frac{6}{19} \times 100\%

31.6\%

Sehingga:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ memberikan\ peningkatan\ PREN\ sekitar\ 30\%\ dibanding\ SS304} }

Peningkatan ini tidak berarti SS316L bebas pitting, tetapi memberikan margin material yang lebih baik untuk kondisi chloride cooling water.

10.9 Batasan PREN

PREN memiliki beberapa batasan penting:

PREN hanya berbasis komposisi kimia.
PREN tidak memasukkan efek temperatur operasi.
PREN tidak memasukkan pengaruh deposit dan crevice.
PREN tidak memasukkan residual chlorine atau oxidizer.
PREN tidak memasukkan efek pH.
PREN tidak menggantikan inspection dan corrosion testing.
PREN tidak sama dengan corrosion rate.

Dengan demikian:

\boxed{ \mathrm{PREN\ adalah\ screening\ tool,\ bukan\ final\ design\ guarantee} }

Untuk final material selection, PREN harus dikombinasikan dengan:

\begin{aligned} & C_{\mathrm{Cl}^{-}} \\ & T_{\mathrm{metal}} \\ & \mathrm{pH} \\ & \mathrm{ORP} \\ & \mathrm{residual\ chlorine} \\ & \mathrm{deposit} \\ & \mathrm{crevice} \\ & \mathrm{velocity} \end{aligned}

10.10 Kesimpulan Bab 10

Kesimpulan dari PREN analysis adalah:

PREN_{\mathrm{SS304}} \approx 18 - 20

PREN_{\mathrm{SS316L}} \approx 24 - 26

PREN_{\mathrm{Duplex\ 2205}} \approx 34 - 36

Maka:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ memiliki\ pitting\ resistance\ lebih\ baik\ dibanding\ SS304} }

Namun:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ tetap\ bukan\ immune\ terhadap\ chloride} }

Untuk kasus STHE ini, upgrade dari SS304 ke SS316L dapat dijustifikasi karena SS316L memberikan margin pitting yang lebih baik pada kondisi:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

dan:

T_{\mathrm{metal}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Kembali ke Atas

11. Chloride vs Temperature Risk Map

11.1 Kenapa Chloride Harus Dikombinasikan dengan Temperatur?

Chloride concentration tidak dapat dievaluasi sebagai angka tunggal. Risiko pitting stainless steel meningkat ketika chloride dikombinasikan dengan temperatur metal yang tinggi, deposit, crevice, stagnant condition, residual chlorine, atau pH yang tidak terkontrol.

Pada kasus ini, chloride cooling water adalah:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

Jika hanya melihat angka chloride, nilai ini mungkin terlihat moderat. Namun, hot-end metal temperature diperkirakan:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Maka operating point aktual harus dibaca sebagai:

\boxed{ C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm} \quad \mathrm{pada} \quad T_{\mathrm{metal}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C} }

Bukan sebagai:

\boxed{ C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm} \quad \mathrm{pada} \quad T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C} }

Ini adalah inti dari material evaluation pada STHE counter-current.

11.2 Operating Point Kasus Ini

Operating point aktual untuk risk map adalah:

Chloride cooling water = 124.6 ppm
Cooling water outlet   = 62°C
Estimated metal temp   = 64–76°C
Existing material      = SS304
Proposed upgrade       = SS316L

Dalam bentuk persamaan:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{CW,out}} = 62^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Existing material:

\mathrm{SS304}

Proposed material:

\mathrm{SS316L}

11.3 Data Panduan Material terhadap Chloride

Untuk SS304, Grade 304 disebut rentan terhadap pitting dan crevice corrosion pada warm chloride environments dan stress corrosion cracking di atas sekitar $60^\circ \mathrm{C}$ . Grade 304 juga dianggap tahan terhadap potable water sampai sekitar $200\ \mathrm{mg/L}$ chloride pada ambient temperature, turun menjadi sekitar $150\ \mathrm{mg/L}$ pada $60^\circ \mathrm{C}$ . (AZoM)

Untuk SS316/316L, Atlas 316/316L datasheet menyebutkan bahwa 316 dianggap tahan terhadap pitting corrosion pada potable water sampai sekitar $1000\ \mathrm{mg/L}$ chloride pada ambient temperature, turun menjadi sekitar $300\ \mathrm{mg/L}$ pada $60^\circ \mathrm{C}$ ; datasheet yang sama juga menyatakan 316 tetap subject to pitting and crevice corrosion pada warm chloride environments dan stress corrosion cracking di atas sekitar $60^\circ \mathrm{C}$ . (Atlas Steels)

Untuk pendekatan yang lebih konservatif pada water industry, guidance menyebutkan bahwa 304 dapat dipertimbangkan sampai sekitar $50\ \mathrm{mg/L}$ chloride dan 316 sampai sekitar $250\ \mathrm{mg/L}$ chloride, terutama bila kondisi operasi memiliki faktor risiko seperti crevice, stagnant condition, atau hot spots. (Water UK Standards Board)

Implikasi untuk kasus ini:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

lebih rendah dari batas konservatif 316:

124.6 < 250\ \mathrm{ppm}

tetapi lebih tinggi dari batas konservatif 304:

124.6 > 50\ \mathrm{ppm}

Sehingga secara screening:

\boxed{ \mathrm{SS304:\ borderline\ sampai\ berisiko} }

\boxed{ \mathrm{SS316L:\ lebih\ defensible,\ tetapi\ tetap\ perlu\ kontrol\ water\ chemistry} }

11.4 Chloride–Temperature Risk Map Konseptual

Diagram berikut adalah risk map konseptual, bukan kurva desain resmi. Tujuannya adalah membantu engineer muda memahami bahwa material selection harus mempertimbangkan kombinasi chloride dan metal temperature.

Rendering diagram...

Cara membaca diagram:

Elemen	Makna
SS304 Boundary	Perkiraan batas konseptual awal risiko pitting SS304
SS316L Boundary	Perkiraan batas konseptual awal risiko pitting SS316L
Actual Min Wall Temp	Batas bawah estimasi metal temperature aktual
Actual Max Wall Temp	Batas atas estimasi metal temperature aktual
Chloride 125 ppm	Mendekati data aktual $124.6\ \mathrm{ppm}$

Pada chloride sekitar:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} \approx 125\ \mathrm{ppm}

estimated wall temperature aktual:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

berada di atas area nyaman untuk SS304 dan lebih dekat ke area yang masih dapat dipertahankan oleh SS316L, dengan catatan tidak ada deposit berat, crevice parah, over-chlorination, atau stagnant zone.

11.5 Operating Point Diagram

Diagram berikut menunjukkan posisi operasi aktual secara lebih sederhana dan mobile-friendly.

Rendering diagram...

11.6 Pesan Utama Risk Map

Pesan pertama:

\boxed{ T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C} \ \mathrm{bukan\ basis\ utama\ material\ selection} }

Karena STHE adalah counter-current, kondisi kritis berada di hot end:

T_{\mathrm{CO_2,hot\ end}} = 120^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{CW,hot\ end}} = 62^\circ \mathrm{C}

dan:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > 62^\circ \mathrm{C}

Pesan kedua:

\boxed{ C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm} \ \mathrm{harus\ dievaluasi\ pada} \ T_{\mathrm{metal}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C} }

Pesan ketiga:

\boxed{ \mathrm{SS304\ memiliki\ margin\ kecil\ pada\ kondisi\ ini} }

Pesan keempat:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ adalah\ minimum\ upgrade\ yang\ lebih\ defensible} }

Namun:

\boxed{ \mathrm{SS316L\ tetap\ memerlukan\ kontrol\ deposit,\ crevice,\ residual\ chlorine,\ pH,\ dan\ velocity} }

11.7 Faktor yang Dapat Menggeser Operating Point ke Zona Lebih Berisiko

Operating point aktual bukan titik yang statis. Beberapa kondisi dapat menggeser operating point ke zona risiko lebih tinggi.

Faktor	Dampak terhadap Risk Map
Cooling water outlet naik	Metal temperature naik
Fouling meningkat	Metal temperature lokal naik
Deposit terbentuk	Chloride lokal meningkat
Residual chlorine naik	Corrosion potential naik
pH turun	Passive film lebih mudah breakdown
Velocity rendah	Deposit dan biofilm meningkat
Cycles of concentration naik	Bulk chloride meningkat
Crevice di tube sheet	Local chemistry menjadi lebih agresif

Secara konseptual:

\mathrm{Higher\ fouling} \rightarrow T_{\mathrm{metal,local}}\uparrow

\mathrm{Deposit/crevice} \rightarrow C_{\mathrm{Cl}^{-},local}\uparrow

\mathrm{Residual\ chlorine}\uparrow \rightarrow E_{\mathrm{corr}}\uparrow

Ketiga efek ini meningkatkan risiko pitting.

Rendering diagram...

11.8 Practical Interpretation untuk Engineer Muda

Untuk engineer muda, risk map ini harus digunakan sebagai alat berpikir sebagai berikut.

Langkah 1 — Jangan mulai dari cooling water inlet

Cooling water inlet:

T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C}

hanya menunjukkan kondisi air masuk. Nilai ini tidak mewakili kondisi material di hot end.

Langkah 2 — Tentukan hot-end local condition

Karena STHE counter-current:

\mathrm{Hot\ End} : \quad 120^\circ \mathrm{C}\ \mathrm{CO_2} \leftrightarrow 62^\circ \mathrm{C}\ \mathrm{CW}

Maka:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} > 62^\circ \mathrm{C}

Langkah 3 — Gabungkan dengan chloride

Chloride aktual:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

Maka kondisi material adalah:

124.6\ \mathrm{ppm\ Cl}^{-} \quad \mathrm{pada} \quad 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Langkah 4 — Evaluasi material

Untuk SS304:

\mathrm{Margin} = \mathrm{kecil}

Untuk SS316L:

\mathrm{Margin} = \mathrm{lebih\ baik}

Untuk Duplex 2205:

\mathrm{Margin} = \mathrm{lebih\ besar}

Langkah 5 — Validasi dengan inspeksi dan water chemistry

Risk map hanya screening. Final decision harus divalidasi dengan:

Tube failure morphology.
Deposit analysis.
Cooling water chemistry lengkap.
Residual chlorine dan ORP.
pH.
Cooling water velocity.
Fouling history.
Tube bundle inspection.

11.9 Kesimpulan Bab 11

Dengan data aktual:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{CW,out}} = 62^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

maka:

\boxed{ \mathrm{SS304\ berada\ pada\ area\ borderline\ sampai\ berisiko} }

Karena itu, cooling water inlet:

T_{\mathrm{CW,in}} = 32^\circ \mathrm{C}

tidak boleh digunakan sebagai basis utama material selection.

Basis yang benar adalah:

\boxed{ \mathrm{Hot\ end\ metal\ temperature} > 62^\circ \mathrm{C} \quad \mathrm{pada} \quad C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm} }

Maka keputusan improvement yang paling rasional adalah:

\boxed{ \mathrm{Upgrade\ SS304\ ke\ SS316L\ sebagai\ minimum\ material\ improvement} }

dengan catatan:

\boxed{ \mathrm{Water\ treatment,\ fouling\ control,\ velocity,\ residual\ chlorine,\ dan\ deposit\ management\ tetap\ wajib\ dikendalikan} }

Kembali ke Atas

Key Takeaways Bab 10–11

PREN digunakan untuk membandingkan ketahanan relatif stainless steel terhadap pitting.
Formula umum PREN adalah:

PREN = \%Cr + 3.3(\%Mo) + 16(\%N)

Estimated PREN SS304 adalah sekitar:

PREN_{\mathrm{SS304}} \approx 18 - 20

Estimated PREN SS316L adalah sekitar:

PREN_{\mathrm{SS316L}} \approx 24 - 26

Estimated PREN Duplex 2205 adalah sekitar:

PREN_{\mathrm{Duplex\ 2205}} \approx 34 - 36

SS316L memberikan peningkatan PREN sekitar 30% dibanding SS304.
Chloride risk tidak boleh dievaluasi tanpa metal temperature.
Operating point aktual adalah:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

pada:

T_{\mathrm{metal}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

SS304 berada pada kondisi borderline sampai berisiko.
SS316L adalah minimum upgrade yang technically defensible, tetapi bukan material yang immune terhadap chloride pitting.

Kembali ke Atas

12. Root Cause Hypothesis for STHE Leakage

12.1 Positioning: Hipotesis, Bukan Final RCA

Bagian ini harus dipahami sebagai technical hypothesis, bukan final root cause. Final root cause hanya dapat ditetapkan setelah dilakukan inspeksi tube, analisis deposit, pemeriksaan morphology kerusakan, verifikasi water chemistry, dan validasi data operasi.

Berdasarkan data aktual yang tersedia, hipotesis utama untuk kebocoran STHE adalah:

\boxed{ \mathrm{Chloride\text{-}induced\ pitting\ corrosion\ pada\ SS304\ tube} }

Hipotesis ini kuat karena terdapat kombinasi berikut:

Faktor	Kondisi Aktual	Signifikansi
Chloride cooling water	$124.6\ \mathrm{ppm}$	Memberikan driving factor untuk pitting stainless steel
Cooling water outlet	$62^\circ \mathrm{C}$	Menunjukkan hot-end bulk water temperature tinggi
Estimated tube wall temperature	$64 - 76^\circ \mathrm{C}$	Metal temperature berada di zona risiko lebih tinggi
Existing tube material	SS304	Austenitic stainless tanpa Mo nominal
Counter-current arrangement	Ya	Hot end mempertemukan $\mathrm{CO_2}$ $120^\circ \mathrm{C}$ dengan CW $62^\circ \mathrm{C}$
Deposit / scale	Perlu dikonfirmasi	Dapat menaikkan local chloride concentration
Crevice at tube sheet	Perlu dikonfirmasi	Dapat menyebabkan crevice corrosion
Cooling water velocity	Perlu data aktual	Low velocity mempercepat deposit dan stagnation
Residual chlorine / ORP	Perlu data aktual	Oxidizer dapat menaikkan corrosion potential

Secara ringkas, causal chain yang paling mungkin adalah:

Rendering diagram...

12.2 Basis Teknis Hipotesis Pitting

Pitting pada stainless steel biasanya terjadi ketika passive film rusak secara lokal. Pada SS304, passive film chromium oxide memberikan ketahanan terhadap korosi umum, tetapi dapat mengalami local breakdown bila berada pada kombinasi:

\mathrm{Cl}^{-} + T_{\mathrm{metal}}\ \mathrm{tinggi} + \mathrm{deposit} + \mathrm{crevice} + \mathrm{oxidizer}

Dalam kasus ini:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{CW,out}} = 62^\circ \mathrm{C}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

Maka kombinasi yang harus dievaluasi adalah:

\boxed{ 124.6\ \mathrm{ppm\ Cl}^{-} \quad \mathrm{pada} \quad 64 - 76^\circ \mathrm{C} }

bukan:

\boxed{ 124.6\ \mathrm{ppm\ Cl}^{-} \quad \mathrm{pada} \quad 32^\circ \mathrm{C} }

Ini adalah poin fundamental. Cooling water inlet temperature tidak merepresentasikan kondisi metal pada hot end.

12.3 Most Probable Damage Mechanism

Hipotesis utama:

\boxed{ \mathrm{Chloride\text{-}induced\ pitting\ corrosion\ pada\ SS304\ tube} }

Mekanisme ini paling mungkin bila inspeksi menemukan:

Evidence	Interpretasi
Pinhole kecil	Typical perforation akibat localized pitting
Pit dalam dan sempit	Ciri chloride pitting
Damage dominan di hot end	Konsisten dengan metal temperature tertinggi
Deposit di sekitar pit	Mengarah ke under-deposit pitting
Serangan dekat tube sheet	Mengarah ke crevice-assisted pitting
General surface relatif baik	Konsisten dengan localized corrosion, bukan uniform corrosion

Secara matematis, tube bocor terjadi ketika kedalaman pit mencapai atau melebihi ketebalan tube:

d_{\mathrm{pit}} \geq t_{\mathrm{tube}}

Jika asumsi tube thickness adalah:

t_{\mathrm{tube}} = 1.65\ \mathrm{mm}

maka perforation terjadi saat:

d_{\mathrm{pit}} \geq 1.65\ \mathrm{mm}

Pitting berbahaya karena kerusakan dapat sangat lokal. Corrosion rate rata-rata mungkin terlihat rendah, tetapi laju penetrasi lokal dapat cukup tinggi untuk menyebabkan pinhole leak.

12.4 Contributing Factors

Faktor kontributor dapat dikelompokkan menjadi empat kategori utama.

Rendering diagram...

Ringkasannya:

Kategori	Faktor	Status
Water chemistry	Chloride $124.6\ \mathrm{ppm}$	Sudah ada
Water chemistry	Residual chlorine / ORP	Perlu data
Water chemistry	pH, conductivity, hardness	Perlu data
Thermal	CW outlet $62^\circ \mathrm{C}$	Sudah ada
Thermal	Wall temperature $64 - 76^\circ \mathrm{C}$	Estimasi screening
Thermal	Fouling thermal resistance	Perlu konfirmasi
Material	Existing SS304	Sudah ada
Mechanical	Crevice di tube sheet	Perlu inspeksi
Hydraulic	Low velocity / maldistribution	Perlu data

12.5 Alternative or Combined Mechanisms

Walaupun hipotesis utama adalah chloride-induced pitting, artikel ini harus tetap membuka kemungkinan mekanisme lain. Kegagalan heat exchanger sering merupakan kombinasi beberapa mekanisme, bukan satu mekanisme tunggal.

Mechanism	Indikasi yang Dicari	Komentar
Under-deposit corrosion	Pit berada di bawah deposit	Sangat mungkin bila CW membawa scale/sludge
Crevice corrosion	Serangan dekat tube sheet atau tube expansion	Umum pada STHE tube-to-tubesheet area
Chloride SCC	Retak bercabang, biasanya pada tensile stress dan temperatur tinggi	Perlu metallography untuk konfirmasi
Erosion-corrosion	Wall thinning searah aliran, bukan pit tajam	Perlu lihat pola aliran dan morphology
Vibration / fretting	Kerusakan di baffle contact	Perlu mapping lokasi damage
MIC	Deposit biologis, pit tidak merata, slime/biofilm	Perlu microbiology dan deposit analysis

Diagram logic untuk membedakan mekanisme:

Rendering diagram...

12.6 Evidence Required to Confirm RCA

Untuk mengubah hipotesis menjadi root cause yang valid, minimal diperlukan bukti berikut.

Evidence	Tujuan
Lokasi tube bocor	Menentukan apakah dominan di hot end
Morphology pit	Membedakan pitting, erosion, SCC, atau fretting
Deposit analysis	Melihat chloride, scale, iron oxide, biofilm
Cooling water complete analysis	Menilai aggressiveness water
Residual chlorine / ORP	Menilai oxidizing potential
pH dan conductivity	Menilai chemistry stability
Tube wall thickness mapping	Menentukan pola wall loss
Metallography	Konfirmasi pitting/SCC/microstructure issue
SEM/EDS	Identifikasi elemen deposit dan corrosion product

12.7 Kesimpulan Bab 12

Berdasarkan data yang ada, hipotesis paling kuat adalah:

\boxed{ \mathrm{Chloride\text{-}induced\ pitting\ corrosion\ pada\ SS304\ tube} }

dengan faktor utama:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

\mathrm{Material} = \mathrm{SS304}

Namun, final RCA harus tetap dikonfirmasi dengan inspection evidence, khususnya morphology kerusakan, lokasi pit, deposit analysis, dan water chemistry lengkap.

Kembali ke Atas

13. Inspection and Failure Analysis Plan

13.1 Tujuan Inspection dan Failure Analysis

Tujuan utama inspection dan failure analysis adalah menentukan mekanisme kerusakan aktual dan memastikan improvement yang dipilih benar-benar mengatasi penyebab kebocoran.

Tujuan teknisnya meliputi:

Mengonfirmasi leak path.
Menentukan lokasi dan distribusi kerusakan.
Mengidentifikasi morphology damage.
Membedakan pitting, crevice corrosion, SCC, erosion-corrosion, vibration/fretting, atau MIC.
Mengukur remaining wall thickness.
Menganalisis deposit dan corrosion product.
Memvalidasi hipotesis material degradation.
Memberikan dasar rekomendasi repair, replacement, atau material upgrade.

13.2 Inspection Scope

Inspection scope yang disarankan adalah sebagai berikut.

Inspection	Tujuan
Visual inspection tube bundle	Mapping lokasi damage
Boroscope internal tube	Melihat pit, deposit, atau blockage internal
Eddy current testing	Mendeteksi tube wall loss, pit, dan discontinuity pada non-ferromagnetic tube
IRIS / UT tube inspection	Mengukur remaining wall thickness
Hydrotest tube side / shell side	Konfirmasi leak path dan leak tightness
Dye penetrant tube sheet area	Deteksi crack atau surface breaking indication
Metallography tube sample	Konfirmasi pitting, SCC, microstructure, atau sensitization
SEM/EDS deposit	Analisis chloride, scale, corrosion product, dan deposit composition
Cooling water deposit analysis	Identifikasi scale, chloride, iron oxide, biofilm
Hardness / dimensional check	Melihat deformation, wear, atau damage akibat mechanical contact

13.3 Inspection Flow

Berikut flow inspection yang direkomendasikan agar RCA tidak langsung lompat ke kesimpulan material.

Rendering diagram...

13.4 Sampling Priority

Sampling harus diprioritaskan berdasarkan likelihood kerusakan dan relevansi terhadap hipotesis.

1. Tube bocor
2. Tube sekitar tube bocor
3. Tube hot end
4. Tube dekat tube sheet
5. Tube dengan deposit berat
6. Area baffle contact
7. Tube cold end sebagai pembanding

Tabel prioritas:

Prioritas	Lokasi Sampling	Alasan
1	Tube bocor	Bukti utama failure mechanism
2	Tube sekitar tube bocor	Menentukan apakah localized atau systemic
3	Tube hot end	Area dengan metal temperature tertinggi
4	Tube dekat tube sheet	Potensi crevice dan residual stress
5	Tube dengan deposit berat	Indikasi under-deposit corrosion
6	Area baffle contact	Potensi fretting / vibration
7	Tube cold end	Pembanding area temperature lebih rendah

Diagram prioritas inspeksi:

Rendering diagram...

13.5 Morphology Evidence

Morphology adalah kunci. Kerusakan yang sama-sama menyebabkan leak dapat memiliki root cause berbeda.

Observasi	Kemungkinan Mekanisme	Bukti Tambahan
Pinhole kecil dengan pit dalam	Chloride pitting	SEM/EDS, deposit chloride
Pit di bawah deposit	Under-deposit corrosion	Deposit analysis
Serangan dekat tube sheet	Crevice corrosion	Lokasi dekat expansion / tubesheet
Retak bercabang	Chloride SCC	Metallography
Wear di baffle contact	Vibration / fretting	Damage aligned with baffle
Wall thinning luas	Erosion-corrosion / general corrosion	UT mapping, flow direction
Pit tidak merata dengan biofilm	MIC	Microbiology, slime, sulfur/iron bacteria evidence

13.6 Acceptance of Hypothesis

Hipotesis chloride-induced pitting dapat dianggap terkonfirmasi bila ditemukan kombinasi bukti berikut:

\mathrm{Deep\ localized\ pit} + \mathrm{chloride\ in\ deposit} + \mathrm{hot\ end\ location} + \mathrm{SS304}

Secara formal:

\boxed{ \mathrm{Pitting\ RCA\ confidence} \uparrow }

jika:

d_{\mathrm{pit}} \approx t_{\mathrm{tube}}

dan:

C_{\mathrm{Cl}^{-},deposit} > C_{\mathrm{Cl}^{-},bulk}

serta lokasi kerusakan dominan berada pada:

\mathrm{Hot\ End} \quad \mathrm{atau} \quad \mathrm{Tube\ Sheet\ Crevice}

13.7 Kesimpulan Bab 13

Inspection plan harus diarahkan untuk membedakan mekanisme berikut:

\mathrm{pitting} \quad \mathrm{vs} \quad \mathrm{crevice} \quad \mathrm{vs} \quad \mathrm{SCC} \quad \mathrm{vs} \quad \mathrm{erosion} \quad \mathrm{vs} \quad \mathrm{fretting}

Tanpa morphology evidence, kesimpulan RCA akan terlalu spekulatif. Karena itu, inspection dan laboratory analysis merupakan bagian wajib sebelum menetapkan permanent corrective action.

Kembali ke Atas

14. Cooling Water Chemistry and Operating Envelope

14.1 Data Cooling Water yang Sudah Ada

Data cooling water yang sudah tersedia adalah:

Parameter	Nilai
Chloride	$124.6\ \mathrm{ppm}$
CW inlet temperature	$32^\circ \mathrm{C}$
CW outlet temperature	$62^\circ \mathrm{C}$

Data ini cukup untuk menunjukkan bahwa SS304 memiliki margin kecil pada hot-end condition, tetapi belum cukup untuk menetapkan operating envelope yang lengkap.

14.2 Data Cooling Water yang Wajib Dilengkapi

Untuk menentukan corrosivity cooling water secara lebih akurat, parameter berikut harus dikumpulkan.

Parameter	Kenapa Penting
pH	Menentukan stabilitas passive film
Conductivity	Indikasi total ionic strength
Hardness	Menentukan scaling tendency
Alkalinity	Untuk evaluasi LSI/RSI
Silica	Indikasi deposit risk
Residual chlorine	Oxidizing potential
ORP	Corrosion potential
Iron total	Indikasi corrosion product
Sulfate	Scaling/corrosion contributor
Microbiology	MIC/biofouling
Suspended solid	Fouling/deposit tendency
Cooling water velocity	Deposit control dan heat transfer
Turbidity	Indikasi solid carry-over
Oil/organic contamination	Dapat mempengaruhi biofouling dan heat transfer
Cycle of concentration	Menentukan konsentrasi ion dalam cooling water

14.3 Kenapa Chloride Bulk Saja Tidak Cukup?

Bulk chloride yang terukur adalah:

C_{\mathrm{Cl}^{-},bulk} = 124.6\ \mathrm{ppm}

Namun di bawah deposit atau di dalam crevice, chloride dapat terkonsentrasi secara lokal:

C_{\mathrm{Cl}^{-},local} > C_{\mathrm{Cl}^{-},bulk}

Selain itu, temperatur metal lokal dapat lebih tinggi dari bulk cooling water:

T_{\mathrm{metal,local}} > T_{\mathrm{CW,bulk}}

Maka risiko pitting dikendalikan oleh local condition:

\boxed{ C_{\mathrm{Cl}^{-},local} + T_{\mathrm{metal,local}} + \mathrm{pH}_{local} + \mathrm{ORP} }

bukan hanya oleh bulk chloride.

Rendering diagram...

14.4 Operating Envelope yang Disarankan

Operating envelope harus dibuat untuk menjaga agar STHE tidak beroperasi dalam kombinasi kondisi yang mempercepat pitting.

Target awal dapat dibuat sebagai berikut.

Parameter	Target Awal	Tujuan
CW outlet temperature	Dikendalikan agar tidak sustained high temperature	Mengurangi metal temperature
Cooling water velocity	Cukup untuk mencegah deposit/stagnation	Menurunkan fouling dan under-deposit corrosion
Chloride	Trending berkala	Mendeteksi kenaikan akibat concentration cycle
pH	Stabil dan tidak acidic	Menjaga passive film
Residual chlorine	Tidak berlebih	Menghindari oxidizing potential terlalu tinggi
ORP	Trending	Menilai corrosion potential
Suspended solid	Rendah	Mengurangi deposit
Hardness / silica	Terkontrol	Mengurangi scale
Microbiology	Terkontrol	Mencegah biofouling dan MIC
Cleaning frequency	Berdasarkan fouling trend	Menjaga heat transfer dan mencegah deposit

14.5 Parameter yang Perlu Ditrending

Untuk reliability monitoring, parameter berikut sebaiknya ditrending secara periodik.

Rendering diagram...

14.6 Thermal Operating Limit

Karena risiko pitting sangat dipengaruhi oleh temperatur metal, maka operating envelope harus memasukkan batas temperatur.

Secara prinsip:

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} = T_{\mathrm{CW,out}} + \frac{q''}{h_{\mathrm{CW}}}

Jika fouling meningkat, effective resistance meningkat dan local metal temperature dapat naik:

R_{\mathrm{total,new}} = R_{\mathrm{total,clean}} + R_{\mathrm{fouling}}

Sehingga:

T_{\mathrm{metal,local}} \uparrow

Maka control objective adalah:

\boxed{ \mathrm{Minimize\ sustained\ high\ CW\ outlet\ temperature} }

dan:

\boxed{ \mathrm{Maintain\ adequate\ CW\ velocity\ to\ reduce\ fouling} }

14.7 Proposed Operating Envelope Table

Operating envelope awal yang dapat dipakai sebagai framework:

Parameter	Monitoring	Initial Action Limit	Corrective Action
$T_{\mathrm{CW,out}}$	Continuous / shiftly	Trending naik abnormal	Cek flow CW, fouling, duty
$C_{\mathrm{Cl}^{-}}$	Weekly / monthly	Naik dari baseline $124.6\ \mathrm{ppm}$	Review blowdown / cycles
pH	Daily / weekly	Drift ke acidic	Adjust chemical treatment
Residual chlorine	Daily / online bila ada	Terlalu tinggi / tidak stabil	Adjust chlorination
Conductivity	Daily / weekly	Naik tajam	Review concentration cycle
Pressure drop STHE	Monthly / shiftly	Naik abnormal	Indikasi fouling / blockage
CW flowrate	Continuous / periodic	Turun dari normal	Check valve, strainer, pump
Deposit	During shutdown	Deposit berat	Cleaning dan water treatment review
Corrosion coupon	Periodic	Corrosion rate naik	Review material dan chemistry

Catatan: angka action limit final harus ditetapkan berdasarkan plant standard, water treatment vendor recommendation, metallurgy review, dan operating history.

14.8 Kesimpulan Bab 14

Data chloride:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

harus dipantau bersama:

T_{\mathrm{metal}} ,\quad \mathrm{pH} ,\quad \mathrm{ORP} ,\quad \mathrm{residual\ chlorine} ,\quad \mathrm{deposit} ,\quad \mathrm{velocity}

Operating envelope yang baik harus mencegah kombinasi:

\boxed{ \mathrm{High\ Cl}^{-} + \mathrm{High\ metal\ temperature} + \mathrm{Deposit/crevice} + \mathrm{Oxidizing\ condition} }

Karena kombinasi tersebut dapat mempercepat pitting pada stainless steel, termasuk SS304 dan bahkan SS316L bila kondisinya cukup agresif.

Kembali ke Atas

15. Improvement Options

15.1 Improvement Philosophy

Improvement STHE tidak boleh hanya berupa penggantian material. Material upgrade memang penting, tetapi kebocoran STHE sering melibatkan kombinasi material, water chemistry, flow distribution, fouling, dan operating control.

Karena itu, improvement harus dibagi menjadi:

Short-term actions
Medium-term actions
Long-term actions

Diagram roadmap:

Rendering diagram...

15.2 Short-Term Actions

Short-term actions bertujuan untuk mengembalikan containment sementara, memastikan unit aman, dan mengumpulkan data RCA.

Action	Purpose
Plugging leaking tube	Restore temporary containment
Hydrotest after plugging	Confirm integrity
Tube bundle cleaning	Remove deposit
Cooling water chemistry check	Confirm corrosivity
Temperature transmitter verification	Confirm data validity
Flow measurement verification	Validate heat balance
Inspect separator liquid	Confirm condensation duty
Leak location mapping	Menentukan lokasi kerusakan dominan
Preserve failed tube sample	Mendukung RCA laboratory analysis

Prioritas short-term:

\boxed{ \mathrm{Safety} \rightarrow \mathrm{Containment} \rightarrow \mathrm{Data\ Preservation} \rightarrow \mathrm{Temporary\ Reliability} }

15.3 Medium-Term Actions

Medium-term actions bertujuan menurunkan risiko kebocoran berulang.

Action	Purpose
Replace tube material from SS304 to SS316L	Improve pitting resistance
Review CW flowrate and velocity	Improve heat transfer and reduce fouling
Install side-stream filter	Reduce suspended solids
Improve water treatment	Control scale, biofouling, chlorine
Add corrosion coupon/probe	Monitor corrosion trend
Establish operating limit for CW outlet	Protect tube metal temperature
Periodic tube inspection program	Early detection of pitting
Review cleaning procedure	Avoid damaging passive film

Justifikasi medium-term material upgrade:

C_{\mathrm{Cl}^{-}} = 124.6\ \mathrm{ppm}

T_{\mathrm{wall,CW,hot\ end}} \approx 64 - 76^\circ \mathrm{C}

\mathrm{Existing\ material} = \mathrm{SS304}

Maka:

\boxed{ \mathrm{Upgrade\ ke\ SS316L\ adalah\ minimum\ improvement\ yang\ defensible} }

Namun, bersamaan dengan itu harus dilakukan:

\boxed{ \mathrm{water\ chemistry\ control} + \mathrm{fouling\ control} + \mathrm{velocity\ control} }

15.4 Long-Term Actions

Long-term actions bertujuan membangun reliability yang berkelanjutan dan mencegah recurrence.

Action	Purpose
Full thermal rerating	Validate duty, $UA$ , area, pressure drop
Full material selection study	Compare SS316L vs Duplex 2205
Tube bundle redesign if required	Improve flow distribution
Define corrosion management plan	Prevent recurrence
Include API 660 / TEMA design review	Mechanical and reliability assurance
Life-cycle cost analysis	Compare CAPEX vs downtime risk
Review design margin	Ensure operating flexibility
Add permanent monitoring	Early detection of thermal and corrosion deviations

15.5 Decision Matrix for Improvement

Berikut decision matrix praktis untuk menentukan level improvement.

Kondisi yang Ditemukan	Recommended Improvement
Pitting ringan, deposit minimal, chloride stabil	Upgrade ke SS316L + water treatment control
Pitting di hot end dengan deposit sedang	SS316L + cleaning program + velocity review
Pitting berat di bawah deposit	SS316L minimum; evaluasi Duplex 2205
Crevice corrosion dominan di tube sheet	Review tube-to-tubesheet design + material upgrade
Residual chlorine / ORP tinggi	Perbaiki chlorination control
Low CW velocity	Review hydraulic design dan flow distribution
Leak berulang setelah SS316L	Evaluasi Duplex 2205 atau higher alloy
Severe chloride / unstable chemistry	Material selection study untuk Duplex / Super Duplex / 6Mo / Titanium

Decision logic:

Rendering diagram...

15.6 Recommended Improvement Package

Untuk kasus ini, recommended package yang paling seimbang adalah:

Package A — Minimum Required Improvement

Replace SS304 tube with SS316L.
Perform complete cooling water analysis.
Verify cooling water flowrate.
Clean tube bundle and remove deposit.
Establish CW outlet temperature monitoring.
Add periodic chloride, pH, residual chlorine, and conductivity trending.
Perform hydrotest after repair/replacement.

Package B — Reliability Improvement

Package B mencakup Package A ditambah:

Install corrosion coupon or corrosion probe.
Review cooling water velocity.
Add side-stream filtration if suspended solid is high.
Define cleaning interval based on fouling trend.
Perform periodic NDE tube inspection.
Monitor separator liquid conductivity and chloride for leak detection.

Package C — Robust Long-Term Improvement

Package C digunakan bila inspeksi menunjukkan damage berat atau recurrence risk tinggi:

Evaluate Duplex 2205 tube material.
Perform full thermal rerating.
Review tube bundle design and flow distribution.
Review baffle arrangement and vibration risk.
Perform life-cycle cost analysis.
Establish formal corrosion management plan.

15.7 Expected Outcome

Improvement yang baik harus menghasilkan:

Area	Expected Outcome
Material reliability	Lower pitting susceptibility
Heat transfer	Stable outlet temperature
Operation	Reduced unplanned shutdown
Inspection	Earlier detection of degradation
Water treatment	Controlled chloride, pH, residual chlorine, fouling
Maintenance	More predictable cleaning and inspection interval
Safety	Lower risk of cross leakage

15.8 Kesimpulan Bab 15

Berdasarkan data aktual, improvement yang paling rasional adalah:

\boxed{ \mathrm{Upgrade\ tube\ material\ dari\ SS304\ ke\ SS316L} }

sebagai minimum material improvement.

Namun, material upgrade harus dikombinasikan dengan:

\boxed{ \mathrm{cooling\ water\ chemistry\ control} + \mathrm{deposit\ control} + \mathrm{velocity\ control} + \mathrm{inspection\ program} }

Jika damage terbukti berat, deposit sulit dikontrol, atau kebocoran berulang, maka perlu evaluasi:

\boxed{ \mathrm{Duplex\ 2205\ atau\ higher\ alloy} }

Kembali ke Atas

Catatan Penyusunan Artikel ini disusun sebagai materi edukasi dan referensi umum berdasarkan berbagai sumber pustaka, praktik lapangan, serta bantuan alat penulisan. Pembaca disarankan untuk melakukan verifikasi lanjutan dan penyesuaian sesuai dengan kondisi serta kebutuhan masing-masing sistem.

Technical Review and Improvement Study of Counter-Current STHE for CO₂ Gas Cooling: Heat Transfer Performance, SS304 Pitting Risk, and Upgrade Strategy to SS316L

Executive Summary

1. Introduction and Background

1.1 Deskripsi Sistem Proses

1.2 Fungsi STHE dalam Sistem CO₂ Compression

1.3 Kenapa Kasus Ini Penting untuk Engineer Muda

1.4 Problem Statement

Pertanyaan 1 — Apakah performa heat transfer STHE konsisten dengan data aktual?

Pertanyaan 2 — Di mana lokasi temperatur metal tube paling tinggi?

Pertanyaan 3 — Apakah SS304 sesuai untuk kondisi ini?

Pertanyaan 4 — Apakah upgrade ke SS316L cukup?

Pertanyaan 5 — Data tambahan apa yang diperlukan?

1.5 Tujuan Artikel

2. Actual Field Data and Operating Baseline

2.1 Data Aktual Sebelum Pitstop / Sebelum STHE Bocor

2.2 Data Cooling Water

2.3 Baseline Counter-Current Temperature Pairing

Hot End

Cold End

2.4 Implikasi Terhadap Metal Temperature

2.5 Data Setelah Kebocoran

2.6 Operating Baseline yang Digunakan untuk Perhitungan

Key Takeaways Bab 1–2

3. Fundamental STHE dan Counter-Current Arrangement

3.1 Prinsip Dasar Shell and Tube Heat Exchanger

3.2 Elemen Utama STHE

3.3 Co-Current vs Counter-Current

Co-current flow

Counter-current flow

3.4 Mengapa Counter-Current Lebih Efektif

3.5 Penentuan Hot End dan Cold End

4. Mekanisme Perpindahan Panas dari CO₂ ke Cooling Water

4.1 Jalur Perpindahan Panas

4.2 Konveksi dari CO₂ Gas ke Dinding Tube

4.3 Konduksi Menembus Dinding Tube SS304

4.4 Konveksi dari Dinding Tube ke Cooling Water

4.5 Thermal Resistance Network

4.6 Mengapa Fouling Penting

5. Perhitungan Heat Transfer Berdasarkan Data Aktual

5.1 Basis Data Perhitungan

5.2 Heat Duty dari Sisi CO₂

5.3 Cooling Water Heat Balance

5.4 Validasi Energy Balance

5.5 LMTD Counter-Current

5.6 Actual UA

5.7 Estimasi Required Heat Transfer Area

5.8 Estimasi Hot-End Tube Wall Temperature

Case 1 — hgas=100 W/m2.Kh_{\mathrm{gas}} = 100\ \mathrm{W/m^2.K}hgas​=100 W/m2.K

Case 2 — hgas=300 W/m2.Kh_{\mathrm{gas}} = 300\ \mathrm{W/m^2.K}hgas​=300 W/m2.K

Case 3 — hgas=1000 W/m2.Kh_{\mathrm{gas}} = 1000\ \mathrm{W/m^2.K}hgas​=1000 W/m2.K

5.9 Implikasi Termal terhadap Risiko Material

Key Takeaways Bab 3–5

6. Role of Downstream Separator and Possible Condensation Duty

6.1 Kenapa Liquid Separator Setelah STHE Penting

6.2 Sensible Duty vs Total Duty

6.3 Mekanisme Pembentukan Liquid Setelah Pendinginan

6.4 Dampak Condensation Duty terhadap Heat Balance

6.5 Data Tambahan yang Perlu Dikumpulkan

6.6 Practical Engineering Interpretation

7. SS304 Resistance to Chloride and Pitting Mechanism

7.1 Data Chloride Aktual

7.2 Kenapa SS304 Rentan terhadap Chloride

7.3 Interpretasi Chloride 124.6 ppm124.6\ \mathrm{ppm}124.6 ppm pada Temperatur Metal 64−76∘C64-76^\circ \mathrm{C}64−76∘C

Alasan 1 — Temperatur Metal Lebih Tinggi dari 60∘C60^\circ \mathrm{C}60∘C

Alasan 2 — Cooling Water Bulk Tidak Sama dengan Kondisi Lokal Under Deposit

Alasan 3 — Hot End adalah Area dengan Thermal Severity Tertinggi

7.4 Mekanisme Pitting SS304

Tahap 1 — Passive Film Terbentuk

Tahap 2 — Chloride Menyerang Titik Lemah Passive Film

Tahap 3 — Pit Initiation

Tahap 4 — Acidification di Dalam Pit

Tahap 5 — Chloride Migration ke Dalam Pit

Tahap 6 — Pit Propagation dan Pinhole Leak

7.5 Perbedaan Pitting, Crevice Corrosion, dan Under-Deposit Corrosion

7.6 Area Paling Kritis pada STHE

7.7 Failure Morphology yang Harus Dicari

7.8 Kesimpulan Bab 7

Key Takeaways Bab 6–7

8. Material Improvement: SS304 to SS316L

8.1 Kenapa SS316L Lebih Baik Dibanding SS304?

Case 1 — $h_{\mathrm{gas}} = 100\ \mathrm{W/m^2.K}$

Case 2 — $h_{\mathrm{gas}} = 300\ \mathrm{W/m^2.K}$

Case 3 — $h_{\mathrm{gas}} = 1000\ \mathrm{W/m^2.K}$

7.3 Interpretasi Chloride $124.6\ \mathrm{ppm}$ pada Temperatur Metal $64-76^\circ \mathrm{C}$

Alasan 1 — Temperatur Metal Lebih Tinggi dari $60^\circ \mathrm{C}$