Penyebab & Solusi Pengukuran Ultrasonik Tidak Konsisten pada Thermal Spray

Pernahkah Anda mendapati pembacaan alat ukur ketebalan ultrasonik melonjak-lonjak saat mengukur permukaan thermal spray coating? Fenomena ini bukanlah kasus langka di lapangan. Banyak teknisi NDT dan quality control inspector mengalami frustrasi ketika hasil pengukuran tidak stabil, padahal coating tersebut telah melalui proses aplikasi yang ketat. Artikel ini hadir sebagai panduan pertama dalam Bahasa Indonesia yang secara komprehensif mengungkap akar penyebab ketidakonsistenan tersebut dan memberikan solusi berbasis data riset serta standar internasional. Anda akan mempelajari prinsip dasar pengukuran ultrasonik, faktor-faktor penyebab ketidakstabilan, teknik troubleshooting sistematis, solusi praktis, hingga metode alternatif yang dapat digunakan untuk memastikan hasil pengukuran yang akurat dan andal.

1. Apa Itu Thermal Spray Coating dan Mengapa Pengukuran Ketebalan Penting?
   1. Proses Thermal Spray dan Karakteristik Permukaan
   2. Mengapa Ketebalan Coating Harus Terkontrol?
2. Prinsip Dasar Pengukuran Ketebalan Ultrasonik dan Faktor yang Mempengaruhinya
   1. Komponen Utama Alat Ukur Ultrasonik
   2. Faktor yang Mempengaruhi Akurasi Pengukuran Ultrasonik
3. Penyebab Spesifik Pengukuran Tidak Konsisten pada Thermal Spray
   1. Kekasaran dan Porositas Permukaan Coating
   2. Teknik Kopling yang Tidak Optimal
   3. Kondisi Probe dan Frekuensi yang Kurang Tepat
   4. Lingkungan dan Suhu
   5. Variasi Parameter Proses Thermal Spray
4. Panduan Troubleshooting Sistematis untuk Operator NDT
   1. Gejala: Pembacaan Melonjak-lonjak atau Tidak Stabil
   2. Gejala: Pembacaan Lebih Tinggi atau Lebih Rendah dari Ekspektasi
5. Solusi dan Teknik Praktis untuk Pengukuran yang Konsisten
   1. Optimasi Teknik Kopling dan Tekanan Probe
   2. Pemilihan Probe dan Frekuensi yang Tepat
   3. Kalibrasi dengan Coupon yang Mewakili Permukaan Aktual
   4. Pemanfaatan Fitur A-Scan dan B-Scan untuk Verifikasi
6. Metode Alternatif Pengukuran Non-Destruktif untuk Thermal Spray
   1. Magnetic Induction untuk Substrat Feromagnetik
   2. Phase-Sensitive Eddy Current untuk Substrat Non-Magnetik
   3. Photothermal/Optical dan IR Thermography
7. Standar dan Acceptance Criteria yang Wajib Diketahui
8. Kesimpulan
9. Referensi

Apa Itu Thermal Spray Coating dan Mengapa Pengukuran Ketebalan Penting?

Thermal spray coating adalah proses pelapisan permukaan dengan menyemprotkan material dalam bentuk cair, semi-cair, atau padat ke substrat dalam kondisi panas. Metode ini telah digunakan selama lebih dari satu abad dan kini menjadi andalan di industri migas, dirgantara, manufaktur berat, dan pelapisan logam. Karakteristik permukaan yang dihasilkan – kasar dan berpori – menjadi tantangan tersendiri dalam pengukuran ketebalan.

Ketebalan coating sangat kritis. Menurut standar NORSOK M-501, Thermal Spray Aluminum (TSA) untuk proteksi korosi memerlukan ketebalan minimum 200 µm, sementara Thermal Spray Zinc (TSZ) memerlukan 100 µm. [1] Pada kondisi optimal, TSA setebal 200 µm dapat memberikan perlindungan hingga 30+ tahun di zona percikan (splash zone). [2] Jika terlalu tipis, korosi akan cepat terjadi; jika terlalu tebal, risiko retak dan delaminasi meningkat. Standar SSPC-PA2 menetapkan aturan 80/120 sebagai acceptance criteria, yang berarti tidak boleh ada satu titik baca di bawah 80% ketebalan minimum atau di atas 120% ketebalan maksimum. [3]

Proses Thermal Spray dan Karakteristik Permukaan

Terdapat beberapa metode thermal spray seperti HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), plasma spray, dan flame spray. Masing-masing menghasilkan karakteristik permukaan yang berbeda. Parameter proses seperti jarak semprot, suhu, dan kecepatan partikel sangat memengaruhi konsistensi ketebalan. Penelitian dari Universitas Mercu Buana menunjukkan bahwa jarak semprot 20 cm menghasilkan ketebalan rata-rata 0,285 mm, sedangkan jarak 40 cm menghasilkan 0,22 mm dengan variasi yang lebih besar. [4]

Lebih penting lagi, laporan riset yang didanai U.S. Department of Energy (OSTI Report) menegaskan bahwa “complex microstructure and high surface roughness of as-sprayed coatings” adalah penyebab utama kesulitan dalam pengujian non-destruktif (NDE). [5] Porositas pada thermal spray coating dapat berkisar antara 1 hingga 25%, tergantung material dan parameter proses. [5] Kondisi inilah yang menjadi sumber utama ketidakstabilan pembacaan ultrasonik.

Mengapa Ketebalan Coating Harus Terkontrol?

Coating yang terlalu tipis akan mempercepat korosi dan mengurangi umur pakai komponen, sementara coating terlalu tebal dapat menyebabkan retak dan delaminasi akibat tegangan internal. Dalam industri migas, kegagalan coating dapat mengakibatkan kerugian finansial yang sangat besar akibat downtime dan perbaikan. Oleh karena itu, kontrol ketebalan yang akurat dan konsisten menjadi kunci quality assurance.

Prinsip Dasar Pengukuran Ketebalan Ultrasonik dan Faktor yang Mempengaruhinya

Pengukuran ketebalan ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pulse-echo. Gelombang ultrasonik dikirimkan melalui material, memantul dari permukaan dalam, dan waktu tempuh pulang-pergi (round-trip time, t) diukur. Ketebalan (T) dihitung dengan rumus:

T = V × (t/2)

di mana V adalah kecepatan suara dalam material. Standar ASTM E797/E797M-21 merupakan acuan utama untuk prosedur pengukuran ini. [6] Dalam kondisi optimal, akurasi sensor ultrasonik dapat mencapai 98,54% dengan error rata-rata 0,015%. [7] Namun, pada kondisi tidak optimal, error bisa meningkat hingga 14%. [7]

Komponen Utama Alat Ukur Ultrasonik

Alat ukur ketebalan ultrasonik terdiri dari probe (transduser), couplant (bahan kopling), kabel, dan unit display. NOVOTEST UT-1M adalah contoh alat yang dirancang untuk pengujian non-destruktif dengan akses satu sisi. Dengan fitur gain control, satu probe 5 MHz dapat mengukur baja dalam rentang 0,5 mm hingga 500 mm, dan dengan probe lain rentang penuh hingga 1500 mm untuk baja. [8] Fitur B-Scan memungkinkan visualisasi profil ketebalan produk, membantu melihat penipisan atau penebalan dinding secara intuitif. Waktu pengukuran hanya sekitar 1 detik.

Faktor yang Mempengaruhi Akurasi Pengukuran Ultrasonik

Beberapa faktor utama yang memengaruhi akurasi meliputi:

• Kecepatan suara material: Sangat bergantung pada jenis material dan suhu. Variasi suhu dapat mengubah kecepatan suara secara signifikan.
• Kopling: Couplant yang tidak tepat atau tekanan probe yang tidak konsisten menyebabkan fluktuasi sinyal.
• Kekasaran permukaan: Permukaan kasar menghamburkan gelombang ultrasonik, mengurangi energi yang kembali ke probe.
• Frekuensi probe: Frekuensi tinggi (≥10 MHz) diperlukan untuk ketebalan <0,6 mm, tetapi lebih rentan terhadap atenuasi.
• Redaman sinyal: Pada material berpori, energi gelombang berkurang secara progresif.

Penyebab Spesifik Pengukuran Tidak Konsisten pada Thermal Spray

Bagian ini merupakan inti artikel. Berdasarkan penelitian dari NDT.net oleh insinyur IHI Jepang, “Because of surface roughness and porosity of coating material, higher frequency components of ultrasonic wave attenuate.” [9] Artinya, kekasaran permukaan dan porositas coating menyebabkan komponen frekuensi tinggi gelombang ultrasonik mengalami atenuasi (pelemahan) yang signifikan. Spektrum frekuensi yang melewati coating thermal spray dapat teratenuasi hingga mendekati nol pada 10 MHz. [9]

Selain itu, laporan OSTI menyatakan bahwa metode akusto-ultrasonik tidak memenuhi persyaratan akurasi, waktu inspeksi, dan reprodusibilitas untuk coating termal. [5] Hal ini menegaskan bahwa pengukuran ultrasonik pada permukaan ini memang sangat menantang.

Kekasaran dan Porositas Permukaan Coating

Permukaan thermal spray secara inheren kasar karena partikel yang disemprotkan membentuk struktur berlapis dengan rongga-rongga kecil. Porositas antara 1-25% menyebabkan gelombang ultrasonik mengalami hamburan (scattering) yang kuat. Semakin tinggi porositas, semakin besar atenuasi sinyal, dan semakin sulit memperoleh pantulan yang jelas dari batas coating-substrat. [5][9] Inilah mengapa pembacaan sering kali tidak stabil dan bervariasi antar titik.

Teknik Kopling yang Tidak Optimal

Kopling yang buruk merupakan sumber utama variabilitas pengukuran. Jumlah couplant yang tidak tepat – terlalu sedikit menyebabkan kontak tidak sempurna, terlalu banyak menimbulkan lapisan tebal yang mengganggu transmisi gelombang. Tekanan probe yang tidak konsisten juga menyebabkan fluktuasi sinyal. [10] Pada permukaan coating yang kasar, risiko terbentuknya celah udara antara probe dan permukaan semakin besar.

Kondisi Probe dan Frekuensi yang Kurang Tepat

Probe yang aus atau tergores akan menurunkan sensitivitas. Permukaan probe dapat dipoles dengan amplas 500# untuk memulihkan paralelisme dan sensitivitas. [11] Pemilihan frekuensi probe juga krusial. ASTM E797 Section 7.2 menyatakan bahwa delay line search units dengan frekuensi 10 MHz atau lebih tinggi umumnya diperlukan untuk ketebalan kurang dari sekitar 0,6 mm. [6] Coating thermal spray sering kali memiliki ketebalan di bawah 500 µm, sehingga memerlukan probe frekuensi tinggi. Namun, frekuensi tinggi justru lebih rentan terhadap atenuasi akibat porositas – sebuah dilema yang harus dikelola dengan tepat.

Lingkungan dan Suhu

Variasi suhu mengubah kecepatan suara material, sehingga memerlukan kompensasi suhu. Gangguan elektromagnetik (EMI) dari peralatan listrik di sekitar area pengukuran juga dapat menginterupsi transmisi sinyal dan menyebabkan pembacaan tidak stabil. [12]

Variasi Parameter Proses Thermal Spray

Parameter seperti jarak semprot, tekanan gas, kecepatan partikel, dan arus busur sangat memengaruhi konsistensi ketebalan. Penelitian dari jurnal MDPI menunjukkan bahwa ovality of particle plume, keausan injector, dan fluktuasi tegangan pada arc attachment semuanya berkontribusi pada ketidakseragaman coating. [13] Data dari Universitas Mercu Buana menunjukkan bahwa jarak semprot yang berbeda menghasilkan ketebalan rata-rata yang berbeda serta variasi yang lebih besar pada jarak yang lebih jauh. [4]

Panduan Troubleshooting Sistematis untuk Operator NDT

Berikut adalah panduan diagnosis berdasarkan gejala yang sering dialami di lapangan.

Gejala: Pembacaan Melonjak-lonjak atau Tidak Stabil

Gunakan fitur A-Scan pada alat ukur (seperti NOVOTEST UT-1M) untuk melihat bentuk gelombang. Echo yang jelas dan stabil menandakan pengukuran yang baik. [14]

Gejala: Pembacaan Lebih Tinggi atau Lebih Rendah dari Ekspektasi

Solusi dan Teknik Praktis untuk Pengukuran yang Konsisten

Setelah memahami penyebab, berikut adalah solusi konkret yang dapat diterapkan.

Optimasi Teknik Kopling dan Tekanan Probe

• Gunakan couplant dengan viskositas sesuai kekasaran permukaan. Untuk permukaan sangat kasar, couplant kental lebih baik.
• Tekan probe dengan tekanan yang konsisten. Latih operator untuk menggunakan tekanan yang sama setiap kali.
• Pastikan tidak ada gelembung udara antara probe dan permukaan.
• Lakukan pengukuran beberapa kali pada titik yang sama untuk melihat konsistensi.

Pemilihan Probe dan Frekuensi yang Tepat

• Untuk coating tipis (<0,6 mm), gunakan probe delay line dengan frekuensi 10 MHz atau lebih tinggi.
• Twin crystal probe (dual element) lebih baik untuk coating tipis karena mengurangi dead zone dan noise.
• NOVOTEST UT-1M mendukung berbagai probe, termasuk probe 5 MHz untuk rentang lebar dan probe frekuensi tinggi untuk coating tipis. Fitur gain control memungkinkan satu probe mencakup rentang yang luas. [8]

Kalibrasi dengan Coupon yang Mewakili Permukaan Aktual

Kalibrasi adalah langkah paling kritis. Gunakan test piece (coupon) dengan material, kekasaran permukaan, dan ketebalan yang sama dengan benda uji. ASTM E797 Section 8 menyebutkan bahwa kalibrasi harus dilakukan menggunakan reference block dengan ketebalan diketahui. [6] Peneliti IHI juga menekankan bahwa sprayed coating test pieces with known correct thickness must be used for measurement karena kecepatan suara coating tidak jelas. [9]

Pemanfaatan Fitur A-Scan dan B-Scan untuk Verifikasi

A-Scan menampilkan bentuk gelombang ultrasonik, memungkinkan operator melihat echo dari permukaan depan, batas coating-substrat, dan permukaan belakang. Dengan A-Scan, operator dapat mengidentifikasi echo yang benar dan mengabaikan noise atau echo palsu. B-Scan pada NOVOTEST UT-1M memvisualisasikan profil ketebalan sepanjang lintasan, membantu mendeteksi variasi lokal dan area yang mencurigakan. [8] Fitur ini sangat berguna untuk scanning area yang luas.

Metode Alternatif Pengukuran Non-Destruktif untuk Thermal Spray

Ketika ultrasonik tidak memberikan hasil yang memadai, metode alternatif dapat dipertimbangkan.

Magnetic Induction untuk Substrat Feromagnetik

Metode ini bekerja berdasarkan prinsip induksi magnetik dan sangat akurat untuk coating non-magnetik pada substrat baja karbon. Standar ASTM D7091 mengatur prosedur ini. [15] Keunggulannya adalah tidak sensitif terhadap kekasaran permukaan seperti ultrasonik. Namun, hanya dapat digunakan pada substrat yang bersifat magnetik.

Phase-Sensitive Eddy Current untuk Substrat Non-Magnetik

Untuk substrat stainless steel austenitik, aluminium, atau nikel, phase-sensitive eddy current adalah pilihan yang lebih baik. Metode ini menggunakan prinsip arus eddy yang dipengaruhi oleh ketebalan coating. Lebih akurat daripada ultrasonik pada permukaan kasar dan dapat mengukur coating non-konduktif pada substrat konduktif. [16]

Photothermal/Optical dan IR Thermography

Metode nirsentuh ini sangat menjanjikan untuk in-process inspection. Laporan OSTI menyimpulkan bahwa flash IR thermography memenuhi semua persyaratan akurasi (92-100%), waktu inspeksi, dan kesesuaian untuk lingkungan remanufacturing. [5] Sistem photothermal dapat dioperasikan pada jarak 1-50 mm dengan diameter spot yang dapat disetel. Metode ini ideal untuk permukaan kasar dan suhu tinggi yang tidak memungkinkan kontak langsung.

Standar dan Acceptance Criteria yang Wajib Diketahui

Pemahaman terhadap standar internasional sangat penting untuk memastikan kualitas dan konsistensi pengukuran.

• ASTM E797/E797M-21: Standar utama untuk pengukuran ketebalan ultrasonik metode pulse-echo kontak manual. Mencakup persyaratan peralatan, kalibrasi, persiapan permukaan, dan kualifikasi personel. [6]
• NORSOK M-501: Standar industri migas yang menetapkan ketebalan minimum untuk TSA (200 µm) dan TSZ (100 µm). [1]
• SSPC-PA2: Menetapkan aturan 80/120 – tidak boleh ada satu titik baca di bawah 80% minimum atau di atas 120% maksimum dari ketebalan yang disyaratkan. [3]
• IMO PSPC: Standar Performance Standard for Protective Coatings untuk kapal, menggunakan aturan 90/10 – 90% pembacaan harus memenuhi nominal DFT, dan tidak ada yang di bawah 90% minimum. [17]

Pemilihan acceptance criteria tergantung pada spesifikasi proyek dan industri. Untuk aplikasi migas, NORSOK M-501 sering menjadi acuan, sementara untuk industri maritim, IMO PSPC lebih dominan.

Kesimpulan

Pengukuran ketebalan ultrasonik pada permukaan thermal spray coating memang menghadirkan tantangan signifikan akibat kekasaran dan porositas permukaan yang menyebabkan atenuasi frekuensi tinggi, hamburan sinyal, dan variasi pembacaan antar titik. Namun, dengan pemahaman mendalam tentang penyebab-penyebab tersebut dan penerapan solusi yang tepat – mulai dari optimasi teknik kopling, pemilihan probe dan frekuensi yang sesuai, kalibrasi dengan coupon representatif, pemanfaatan fitur A-Scan dan B-Scan, hingga penggunaan metode alternatif seperti magnetic induction, eddy current, atau IR thermography – konsistensi pengukuran dapat ditingkatkan secara signifikan.

Sebagai panduan pertama dalam Bahasa Indonesia yang komprehensif, artikel ini diharapkan menjadi referensi utama bagi teknisi NDT, quality control inspector, dan engineer material di Indonesia. Untuk hasil terbaik, pastikan Anda menggunakan alat ukur yang berkualitas seperti NOVOTEST UT-1M dengan fitur B-Scan dan gain control yang memudahkan verifikasi dan adaptasi terhadap berbagai kondisi permukaan.

CV. Java Multi Mandiri adalah supplier dan distributor terpercaya alat ukur dan instrumen pengujian, khususnya dalam melayani kebutuhan bisnis dan aplikasi industri. Kami berkomitmen membantu perusahaan mengoptimalkan operasional dan memenuhi kebutuhan peralatan komersial terkait pengukuran ketebalan dan pengujian non-destruktif. Hubungi kami untuk konsultasi solusi bisnis dan dapatkan rekomendasi alat ukur yang tepat sesuai kebutuhan spesifik industri Anda.

Informasi dalam artikel ini bersifat informatif dan edukatif. Untuk aplikasi spesifik, konsultasikan dengan teknisi NDT bersertifikat dan ikuti standar yang berlaku.

Rekomendasi Ultrasonic Thickness Gauge / Meter

Referensi

1. NORSOK M-501. (2012). Surface preparation and protective coating. Standards Norway. https://www.standard.no/en/standardization/norsok/
2. Cincinnati Thermal Spray (CTS). (n.d.). Thermal Spray Functionality, Process & Benefits. https://www.cts-inc.net/
3. SSPC: The Society for Protective Coatings. (2018). SSPC-PA2: Procedure for Determining Conformance to Dry Coating Thickness Requirements. https://www.sspc.org/
4. Universitas Mercu Buana. (n.d.). Tugas Akhir: Pengukuran Ketebalan Lapisan Semprot. https://repository.mercubuana.ac.id/
5. Martin, P., & Shankar, R. M. (2022). Non-Destructive In-process Assessment of Thermal Spray Repairs — Final Report for REMADE Project: 18-01-RM-11. U.S. Department of Energy, OSTI. https://www.osti.gov/servlets/purl/1897212
6. ASTM E797/E797M-21. (2021). Standard Practice for Measuring Thickness by Manual Ultrasonic Pulse-Echo Contact Method. ASTM International. https://www.astm.org/e0797_e0797m-21.html
7. YUSHI INSTRUMENTS. (n.d.). Factors Affecting the Measurement Accuracy of Ultrasonic Thickness Gauge. https://www.yushitest.com/
8. NOVOTEST Lab. (n.d.). NOVOTEST UT-1M Ultrasonic Thickness Gauge Datasheet. https://ndt.com.au/ (via NDT.com.au)
9. Hatanaka, H., Arakawa, T., Namba, K., & Kajigaya, I. (2000). Ultrasonic Examination of Thermal Sprayed Coatings with Frequency Analysis. 15th World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT 2000). https://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn501/idn501.htm
10. Bxuan Sensor. (n.d.). Cara Memperbaiki Sensor Ultrasonik yang Bermasalah. https://www.bxuansensor.com/
11. Polije (Politeknik Negeri Jember). (n.d.). Pengujian Akurasi Sensor Ultrasonik HC-SR04. https://ocs.polije.ac.id/
12. IEEE. (n.d.). Research on Electromagnetic Interference on Ultrasonic Sensors. IEEE Xplore.
13. MDPI Coatings. (2023). A Guiding Framework for Process Parameter Optimisation of Thermal Spraying. Coatings, 13(4), 713. https://www.mdpi.com/2079-6412/13/4/713
14. Evident Scientific (formerly Olympus). (n.d.). An Introduction to Ultrasonic Thickness Gauging. https://ims.evidentscientific.com/
15. ASTM D7091-13. (2013). Standard Practice for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Nonmagnetic Coatings Applied to Ferrous Metals and Nonmagnetic, Nonconductive Coatings Applied to Non-Ferrous Metals. ASTM International.
16. Hammer IMS. (n.d.). How to Measure Thermal Spray Coating Thickness. https://feeds.hammer-ims.com/
17. International Maritime Organization (IMO). (2006). Performance Standard for Protective Coatings (PSPC). MSC.215(82).