KINETIKA KOROSI AIMg2 dad AIMgSi DALAM SISTEM DINAMIS.

Prosiding Pertemuan Ilmiah gains Materi 1996

KINETIKA KOROSI AIMg2 daD AIMgSi

DALAM SISTEM DINAMIS.

Eric JohneriZ

ABSTRAK

KINETIKA KOROSI AlMg2 dan AlMgSi DALAM SISTEM DINAMIS. Percobaan korosi "Sistern Dinarnis" ini merupakan kelanjutan dari "Kinetika Korosi Dalam Sistern Statik" terhadap duajenis paduan logam AlMg2 dan AlMgSi yang dipakai sebagai bahan struktur elernen bakar nuklir RSG-GAS pada suhu 60 DC, dengan laju aliran 15 ml/det, menggunakan metoda kehilangan berat dengan variasi waktu pencelupan. Contoh yangtelah terkorosi di timbang dan diuji melalui pengerjaan metalografi untuk memperoleh gambaran tentang kondisi permukaan dan kinetikanya. Hasil photo metalography menggambarkan perbedaan yang jelas dari pertumbuhan korosi pada permukaan material sebanding dengan waktu pencelupan. Kurva kine tik yang diperoleh secara umum dapat dinyatakan dengan persamaan hubung an antara banyaknya logam yang ter larut, L\ In, sebagai fungsi waktu, t, yaitu:

L\m = ktn atau log L\m = log k + n log t

Harga konstanta k dan n dari percobaan diperoleh 0,14086 mg.cm-2j-l dan 0,4185 untuk AlMg2, sedang 0,03174 mg.cm-2.j-l dan 0,6133 untuk AlMgSi. Persamaan laju korosi dari paduan AlMg2 dan AlMgSi pada suhu 60 °c, dinyatakan sebagai berikut;

v AlMg2 = 0.420221 -0.85467([ (mg/cm2.h), v AlMgSi= 0.613336 -1.49837([ (mg/cm2.h). Dari sifat ketahanan korosinya, paduan AlMgSi lebih tahan terhadap korosi diban ding paduan AlMg2. ABSTRACT

CORROSION KINETIC of AlMg2 and AlMgSi ALLOYS IN DINAMIC SYSTIM. ColTosion experiments in dinamic system on AiMg2 and AiMgSi alloys which are used for structure material of nuclear fuel element at RSG-GAS as continued of "Kinetic colTosion on static condition" experiment, at 60 °c temperature and 15 mI/sec water flow media of discontinue weight loss method and various dip telTnS in dinamic condition. ColToded samples were weighed and tested metallogra phi cally to have information on their micro structures and kinetic curves. Metallograpphyc result showed clearly different of surface colTosion growed equal with dip temperature. Generally, the kinetic curves were expressed as a relation of weight loss of metal ~ In, in function of time, t, in operational temperature: ~m = tin or log ~m = logk +nlogt

The constants values k and n in dinamic water medium obtained at temperature were 0,14086 mg.cm-2.j-l and 0.4185 for AiMg2 respectively and 0.03174 mg.cm-2.j-l and 0.6133 for AiMgSi respectively. The colTosion growth curves of AiMg2 and AiMgSi alloys at 60 °c temperature showed;

v A1Mg2 = 0420221 -08S467ff (mgicm2h), v AlMgSi = 0613336 -149837ff (mgicm2h)

ColTossion resistence of AiMgSi Ailoy is better than AiMg2 Ailoy.

struktur dengan air maka fenomena korosi tidak mungkin terhindarkan baik untuk ke/ongsong bahan bakar (A/Mg2) atau pemegang/ penyangga perangkat bahan bakar (A/MgSi).

Untuk mengatasi hat tersebut, unjuk kerja optimal kelongsong ini perlu diketahui daD difahami, sehingga mampu memperbaiki unjuk kerja tersebut, baik pada pemilihan bahan rancangan, maupun fabrikasinya Oleh karena itu, penelitian kinetika korosi dari bahan perangkat bahan bakar perlu dilakukan.

Pada tahun anggaran 1992/1993, telah dilakukan penelitian kinetika korosi dengan

sistem statis (media dalarn kondisi diarn), sedangkan sistem pendingin reaktor dalam kondisi dinamis (adanya laju aliran medi~l sistem pendingin reaktor), dimana kondisi dirul mis ini juga mempengaruhi akan terjadinya korosi tersebut, sehingga penelitian tentang itu perlu dilakukan. Sejauh mana pengaruh sistem dinamis tersebut terhadap ketahaan ko rosi dari bahan, yang berkaitan dengan degradasi unjuk kerja bahan bakar dan sistem keselamatan reaktor.

PENDAHULUAN

Pada umumnya perangkat bahan bakar reaktor terdiri dari bahan struktur kelongsong dan bahan struktur penyangga. Kelongsong bahan bakar untuk lapisan pertama dalam

sistem keselarnatan reaktor, berfungsi untuk menghalangi terlepasnya produk reaksi fisi kedalam media sistem pendiilgin reaktor. Demikian pula halnya dengan perangkat bahan bakar yang digunakan di Reaktor Riset Serba Guna GA Siwabessy. RSG-GAS menggunakan AIMg2 seba gai kelongsong bahan bakar, sedangkan beberapa reaktor lain menggunakan AIMgSi (menurut DlN)(I).

Dengan dernikian, kelongsong ini harus mempunyai unjuk kerja yang optimal sehingga mampu memperpanjang umur bahan bakar dalam teras reaktor tanpa adanya kegagalan, serta tidak membahayakan kesell\matan lingkungan.

Kegagalan fungsi kelongsong, disebabkan oleh banyak hal antara lain oleh korosi yang bagai manapun akan terjadi sehubungan dengan adanya interaksi an tara kedua bahan

benda uji pada posisi berbeda, dengan berbagai pembesaran.

Menumt literatur, korosi akibat interak~i langsung de ngan aliran air inenyebabkan terjadinya pengikisan perrnukaan kelongsong, hal ini lambat laun akan menyebabkan penipisan pada kelongsong sehingga memungkinkan adanya suatu kebocoran pada elemen bakar(2). Disamping hat itu juga akan terjadi penempelan pada bagian tertentu akibat adanya pembentukan senyawa senyawa sebagai basil reaksi dengan air, peristiwa ini lama kelamaan dapat mengakibatkan terjadinya penyumbatan pada daerah aliran air pendingin sehingga dapat memberikan gangguan terhadap perpindahan panas dan kenaikan suhu bahan bakar.

HASa DAN PEMBAHASAN

A. RAsa FOTOGRAFI DAN MIKROS KOPIK

Dari masing-masing sampel dengan perbedaan waktu celup, permukaan logam setelah terko rosi dapat dilihat melalui basil fotografi. Hasil photo metaIography

menunjukkan per tumbuhan korosi pada permuka an, agar dapat lebih dibedakan penampilannya, gambar yang di tampilkan pada waktu pencelupan tl = 100, t2 = 250 daD t3 = 400 Jam. Peningkatan per tumbuhan korosi tampak jelas, pada gambar: I. kelihatan korosi terjadi merata pada permukaan, hal ini terjadi pada setiap benda uji. Sedang pada gambar: 2. korosi hanya terjadi pada tempat-tempat tertentulmengelompok dengan tingkat pertumbuhan rendah, dapat dibedakan daTi gambar dengan pembesaran (magnification) yang sarna.

Makalah ini akan membahas tentang pengaruh suhu (temperatur operasional) daD waktu dalam media korosi air mengalir. Setelah mendapat gambar-an basil daD data yang cukup dari percobaan terdahulu (sistem statis)(3), maka pada percobaan dengan sistem dinamis ill diambil suatu asumsi percobaan dilakukan dengan pe- ngkondisian temperatur kerja reaktor pada suhu 60 °C. Dan basil penelitian ini diharapkan dapat memberikan data masu kan untuk penelitian selanjut nya, maupun perancangan daD pembuatan elemen bakar (fabrikasi).

TATAKERJA

Gambar: 1 a. Pennukaan AIMg2 terkorosi dalam sistem dinamis, 100 jam. Pembesaran 200 X. No. Sampel: Al

Sisa potongan AlMg2 daD AlMgSi dari fabrikasi Elemen Bakar Nuklir, di preparasi dengan ukuran 1 cm x 1 cm x 0.6 cm, pemotongan dilakukan dengan alat potong (cuting whell) daD dihaluskan dengan

gerinda dan dipoles, benda uji diidentiflkasi dan dibersihkan dari kotoran dan lemak yang menempel, kemudian ditimbang dan dihitung luas per mukaannya sebagai data awal. Sebelum dicelup kedalam sistem. pengujian dinamis yang terdiri dari rangkaian pompa sirkulasi, alat pemanas dan instalasi aliran berikut bak pengujian dengan media air demin.

Sistem dioperasikan pada temperatur 60 °C, dengan kecepatan aliran diatur 15 mVdet, dan variasi waktu pencelupan mulai dari 100 jam sid 400 jam. Pada akhir percobaan benda uji keluarkan dari sistem, dibersihkan dari kotoran, kemudian dikeringkan daD ditimbang kern bali (data kehilangan berat). Agar inter-pretasi lebih baik, benda kerja diuji metalography serta pemotretan permukaan

Gambar: 1 b. Pennukaan AlMg2 terkorosi dalam sistem dinamis. 250 jam. Pembe-saran : 200 X. No. Sampel : B 1

Gambar: lc. Pennukaan AlMg2 terkorosi dalam sistem

dinamis. 400 jam. Pembesaran : 200 X.

No. Sampel: AJ

pengaruh unsur Si yang mengumpul pacta bagian tertentu pacta pactum AlMgSi yang dapat menahan reaksi oksidasi, Akibat sifat tersebut dapat mengurangi reaksi korosi pacta bahan, Dilihat da ri sifat unsur utama paduan aluminium seperti AI, Mg, dan Si, dalam urutan daftar susunan berkala ketiga unsur terse but berada pacta satu perioda yang dapat menjelaskan unsur Mg lebih reduktif dari pacta unsur AI dan Si, sementara AI sendiri lebih reduktif dari Si dimana Si sendiri bersifat ampotir (4)

Dari pertumbuhan korosi berupa oksidasi(4) dalam media air pendingin, terbentuknya MgO lebih besar dari pacta AI203 daD SiO2' Sementara secara kimia ikatan reaksi AI203 lebih kuat daTi pacta SiO2' Dari sini dapat dikatakan bahwa pactum AlMgSi lebih tahan korosi dibanding pactum AIMg2, hat ini juga dapat dilihat daTi basil percobaan bahwa berat sampel AlMgSi lebih sedikit berkurang dari berat sampel AlMg2, Hasil perhitungan ini juga didukung dengan basil photo metalographinya, (5)

Gambar: 2a Pennukaan AlMgSi terkorosi dalam sistem

dinamis. 100 jam. Pembesaran: 200 X.

No. Sampel: A,

Ditinjau dari sifat keta banan korosi, penggunaan bahan AlMgSi dapat lebih memperpanjang umur dari bahan elemen bakar, serta dapat meningkakan sistem keselamatan operasi reaktor.

B. Korosi AIMg2 daD AIMgSi dalam media air pendingin kondisi dinamik pada tem-temperatur 60 °C.

Gambar: 2b. Pelmukaan AlMgSi terkorosi dalam sistem

dinamis. 250 jam. Pembesaran : 200 X.

No. Sampel: 82

Dari basil perhitungan (penimbangan) berat sampel, diperoleh data kern langan berat (.1. m)

terkorosi pada berbagai waktu pencelupan

seperti pada label berikut.

Tabel: 1. Tabel harl!a kehilanl!an berat (~m) AIMI!2

w-.K"TU

l

,*ll&11I ber8tl L188 per-a..,,2 1~ II (I11/CIl 2 ) <t) II (gr) (IIW ) 638,40 678,12 624,12 624,10 609,12 643,80 678,80 0.971 1.165 1,274 1,417 1.506 1.629 1.760 100 150 zoo 250 300 350 400 0,00062 0,00075 0,00078 o,o~ 0,00092 0,00112 0,00135

Gambar: 2c. Pennukaan AlMgSi terkorosi dalam sistem

dinamis. 400 jam. Pembesaran : 200 X.

No. Sampel: BJ

Terjadinya korosi mengelompok karena

J-J..

J-Tabel: 3. Tabel harga log Am dan log t.

Tabel: 2.Tabel harea kehilanean berat (t.m)AIMgSi.

WAKTU

(t)

log t

I lOG A III .'

A1Mt2 I ALM;St

WTU 1

'.lI8th ber.t

I

LU18 pers,lkMn I.II (~/CIR 2 )

Ct) 8 (gr) <- 2) -0,01,8 0 .0663 0,1052 0.1514 0,1m 0,2119 0,2504 -0,3080 -0.1284 -0,0536 -0,OZ97 0,0052 0,D469 0,0980 2 .0000 2,1761 Z,3D10 2,3979 2,4111 2,5441 2,60Z1 100 150 200 25G 300 350 400 100 1'0 200 250 300 350 400 0,00025 0,00029 0,00033 0,00048 0,00042 0 , 000J8 0,00069 501.36 390.01 372.96 513.70 414,~ 341,10 550,53 0,492 0,744 0,184 0,934 1,G12 1,114 1.253

Data diatas dapat digambarkan dalam graflk sebagai hubungan antara kehilangan berat (A m) versus waktu (t). Dari tampilan label dan gambar graflk terlihat bahwa pening katan laju korosi pada paduan AlMg2 lebih cepat dari pada paduan AIMgSi. Semakin lama terjadi kontak logam dengan air akan menimbulkan logam teroksidasi semakin banyak dan membentuk lapisan oksida pada permukaan.

Hal tersebut dapat dilihat pada gambar: 3. graflk kehilangan berat. Untuk AlMgSi tampak bahwa mulai daTi inter val waktu 150 sid 300 jam, cenderung membentuk garis Ie bib landai dibanding AlMg2. Pada batas waktu tersebut terjadi penurunan pertumbuhan korosi karena terbentuknya lapisan oksida pada permukaan matrikyang dapat menghaiangi laju pertumbuhan korosi berikutnya. Dalam aplikasinya, penggunaan paduan AlMgSi sebagai bahan struktur elemen bahan bahan bakar reaktor, kejadian diatas akan menguntungkan, karena dapat memperpanjang umur bahan, dilihat dari pengaruh korosi terhadap material. t. ~

I..

_{t t"} ;: ,

I ,

.0 ! ... i 0"

Dari tabel diatas, secara urnurn dapat dinyatakan kedaIam suatu persarnaan sebagai berikut (6)

A rn = ktn (1)

dalam bentuk lain persarnaan tersebut dapat ditulis :

log A rn = log k + n logt ..(2)

dengan:

A rn = berat logarn yang larut karena korosi (rng/crn2) t = watu (jam).

k,n = konstanta.

Berdasarkan persamaan (2), dilakukan regresi linier fer hadap waktu sehingga dipero leh slope garis (n), dan titik potongnya yaitu intersep log k dengan keofisien korelasi R yang harus mendekati harga + I atau -I sebagai berikut: a). Untuk AlMg2

Am = 0.14086.1°.4185. dengan harga R = 0.993654. b). Untuk AlMgSi Am = 0.03174.1°,6133. dengan harga R = 0.961234. -~.. ..

~~

/~~

~

~

~

--';;;--'00' 400

WAKTU cow. co.

E~~~=-- ~-- AiMgii~ -~~~~-=--~

Gambar 3. Hubungan kehilangan berat AlMg2 dan AlMgSi vs

waktu celup

Laju pelarutan paduan Aluminium dalam air pada kondisi di namis, dapat ditunjukkan dalam persamaan sebagai berikut (6):

v = kkor. [reaktan] (5). k = A. e-Ea/RT (6). Ink=lnA_~.l

R T

Dari tabel 1 daD tabel 2, dapat dihitung harga log Am daD log t sebagai berikut.

dimana:

v = laju korosi, mg/cm2.h. [ ] = konsentrasi, mg/mg. k = konstanta korosi, mg/cm2.h A = konstanta yang tergantung

~-J8m J811

J-Jam Jam

J-J..

J..

J8I

pada karakteristik mate rial,mg/cm2.h.

Ea = Energi aktivasi, llmol. R = Konstanta gas ideal

(8,314 llmol.K) T = temperatur absolut, OK.

Untuk masing-masing sarnpel paduan AlMg2 dan AIMgSi, daTi label 1 daD 2, didapat harga-harga :

Untuk AlMg2

In A = 0.420221

~ = 0.85467 R

pada permukaan, yang dipengaruhi oleh laju aliran. Disamping menghambat pertumbuhan korosi lapisan tersebut akan mempe-ngaruhi pengendapan basil korosi. -Laju pertumbuhan korosi akan menurun karena pembentukan lapisan oksida yang bertindak sebagai inhibitor terhadap korosi berikutnya.

-Menurut basil penelitian yang dilakukan oleh Hart(7) dibawah temperatur kritis (60 -70) or, akan membentuk lapisan oksida; amon, bohmit (A AI203H20) daD bayerit (6 AI203H20),

Untuk AIMgSi

In A = 0.613336 ~ = 1.49837 R

Dengan menganggap konsentrasi [C] (reaktan) konstan, maka didapat persamaan

laju korosi AlMg2 dan AlMgSi pada suhu 60 0 adalah:

v AlMg2 = 0.6476 x e(-O.85467rT).[C)

= 0.4188 x e(-1.49837Tf).[Cj AlMgSi

Dari basil Penelitian terdahu lu dengan sistem statik pada suhu pencelupan 60 or, dipe-roleh harga k dan n sebagai berkut :

a). Untuk AlMg2

A- m = 0.234429. to.004516. dengan harga R = 0.974685 Persamaan laju korosinya : v AlMg2 ; (0.79457) x e( -0234 45fT). [C).

b). Untuk AIMgSi

A m = 0.044566. 1°,003864

dengan harga R = 0.997511 Persamaan laju korosinya :

v AlMgSi = (0,96015) x e(-004457rr) [C).

DaTi gambar :4, dapat dijelaskan bahwa jumlah yang terlarut pada kondisi dinamis relatif akan meningkat dengan waktu dibandingkan dengan kondi si statis. Hal ini

mungkin terjadi karena larutan jenuh daTi media tidak ter-capai pada kondisi dinamis, sedangkan produk korosi tetap terbentuk.

Disamping laju aliran, mekanisme korosi pada kedua percobaan juga ber- beda yaitu, terbentuknya layer/lapi san pada permukaan rnatrik, sehingga mempengaruhi gera-kan/pertumbuhan korosi, yang memberikan kinetika yang berbe da tergantung pada tahapan-tahapan yang mendominasi proses korosi tersebut. Nampak

bahwa pada proses dinamis, mekanisme korosi pada tahapan metal lebih mendominasi, dibandingkan dengan difusi kedalam media. Sedangkan untuk kondisi statis difusi kedalam media rnasih berpengaruh.

DaTi penurunan rumus

~ m = k.tn , dapat dijelaskan harga n menunjukan mekanisme dari kinetika korosi yang terjadi. Menurut Vladimir Sedlacek(IO),

untuk harga n mendekati 0.5, mekanisme proses Dari kedua penelitian dengan sistem yang

berbeda, laju korosi paduan Aluminium sistem statik lebih besar dibanding laju korosi pada sistem dinamik. Terlihat jelas pengaruh dari adanya laju aliran (sistem dinamis) mem-perkecil pertumbuhan laju korosi. Hal ini disebabkan oleh karena :

-Adanya aliran akan menyebabkan terbentuknya boundary layer (lapisan batas)

yang mendominasi adalah difusi akibat cacat kisi. Dari basil penelitian, harga n 'diperoleh 0.4 sid 0.6, yang menunjukkan bahwa pemyataan diatas dapat diterima. Walaupun demikian untuk lebih memahami mekanisme tersebut, perlu diadakan penelitian Ian jut.

KESIMPULAN DAN SARAN.

1. Dari percobaan yang dilakukan, kinetika korosi AlMg2 dan AIMgSi dalam air, mengikuti hubungan persamaan 11 m = k tn. dengan harga k = 0,14086 mg/cm2.jam, n = 0,4185 untuk AlMg2 dan k = 0,03174 mg/cm2.jam, n =0,6133 untuk AlMgSi. Dengan harga koefisien korelasi mendekati + 1 atau -I.

2. Laju korosi paduan logam aluminium dalam media air pendingin pada kondisi dinamis lebih rendah dari pada kondisi statis.

3. Ketahanan terhadap korosi paduan AlMgSi lebih baik dari paduan AIMg2, dapat dili hat pada gambar 3, terjadi penahanan reaksi korosi pada selang waktu tertentu untuk penggunaan lama.

4. Penggunaan pactum AlMgSi dapat memperbaiki sifat ketaha nan korosi, akibat pengaruh /sifat reaktifitas Si lebih rendah, sehingga dapat menaikan unjuk kerja elemen bakar, serta memperpanjang umur elemen bakar.

DAFTAR PUSTAKA

1. TRETHEWEY.K.R.,BENJAMIN.CHAMBE RLAIN.J Korosi, Pt.Grame dia Pustaka Utama. Jakarta 1991.

2. KENNETH..TRETHEWEY,BSC,PHD,CCH EM,MRSC MICORR.ST.AND maN

CHAMBERLAIN KOROSI. PT gramedia pustaka utama, Jkt 1991.

3. ERIC JOHNERI. SIGIT., Kinetika Korosi AlMg2 dan AlMgSi dalam sistem static Pusat Elemen Bakar Nuklir, Serpong. 1993.

4. TJOA KOEI HAM., Kimia Dasar.

5. PETZON. G, "Metallographic Etching "American Society For Metals",Ohio,1978. 6. PAULLEAU,Y. "Etude Cinetique de

l'oxy-dation du Nikel et du Cuivere par Ie Monooxyde d'azote", These de Doctorat,

Grenoble, 1969.

7. HART. E. , Thermodynamic Functions for nonuniform Systems.J.Chem.Phys,(1963). 8. HOLLING SWORTH. E. H., HUNSICKER H.Y. "Corrossion of Aluminium and Aluminium Alloys", Aluminium Company and of America.

9. DA.PORTER.,KE. EASTERLING, Phase Trans formations in Material Alloys. Van Nostrand Reinhold (UK).

10. VLADIMIR SEDLACEK., "Non-Ferrous Materials and Alloys Materials sience Monographs,30., Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo 1986.

SARAN DISKUSI

1. Bila akibat korosi daTi bahan asal menunmkan umur clemen bakar sehingga dapat merugikan Bum Up, rnaka penggantian bahan clemen bakar cukup memberikan arti.

1. Mengapa pada mekanisme dinamis

terbentuk layer (oksida) pelindung,

sedangkan pada statis tidak ?

.Untuk aplikasi di reaktor apakah sudah

memasukkan faktor radiasi ? Eric Johneri :

1. Karena adanya laju aliran untuk sistem dinamis. Sedang pada sistem statis karena

tidak adanya aliran (stagnasi) tidak

terbentuk lapisan layer karena sifat reduktif daTi Mg yang lebih tinggi dari AI. Dan Si. Larutan jenuh pada kondisi dinamis tidak

tercapai sementara pada statis

memungkinkan tercapainya larutan jenuh sehingga pada suatu saat laju korosi terhenti. Pada statis : reaksi korosi berjalan terns sampai media menjadi jenuh daD

2 2. Penggunaan paduan AlMgSi sebagaia bahan

struktur elemen bakar dapat meningkatkan keselamatan operasi reaktor.

3. Sejogiyanya secara keselu ruhan, perangkat elemen bakar menggunakan bahan daTi paduan

AIMgSi, akan tetapi perlu dilakukan

perhitungan dan penelitian mengenai

compa-tibility Si terhadap MIT yang dikembangkan

mamakai bahan bakar UxSi, serta percobaan yang berkaitan dengan Burn Up terhadap penggantian bahan elemen bakar.

berhenti. Pada dinamis : akibat aliran/laju aliran adanya endapan yang terkelupas clan

ikut dalam aliran, hal ini yang dapat membentuk lapisan oksida lain bersifat

amorf yang disebut boundary layer.

Bagaimana mekanisme terbentuknya, perlu dilakukan penelitian lanjut.