Proxding Presentasi Ilmiah 1 iknologi Keselamatan Nuklir-V Senpong, 28 Juni 2000
I D 0 2 0 0 2 2 7
I D E N T I F I K A S I D A N A N A L I S I S P E N U A A N T A N G K I T R I G A
Oleh : Puradwi I .W, Chairul S, Farokhi, Febrianto, Sriyono, Slamet K.
A B S T R A K
IDENTIFIKASI DAN ANALISIS PENUAAN TANGKI TRIGA. Tangki reaktor TRIGA-ll Bandung yang berumur lebih dari 30 tahun telah diinspeksi dan perlu untuk diidentifikasi dan dianalisis proses degradasi bahan akibat penuaan karena stressor lingkungan seperti korosi. IdentifikashJan analisis dilakukan berdasarkan pada nara sumber dan acuan yang ada yaitu ; 1) sejarah dan pengalaman pengoperasian reaktor, 2) identifikasi keberadaan cacat pada tangki 3) pengujian laboratorium dan repro kondisi pH dengan asumsi kelembaban awal tinggi. Stressor lingkungan korosif dapat mempercepat umur bahan. Tangki reaktor TRIGA-Bandung menunjukan adanya korosi pada permukaan sisi luar diameter tangki (OD). Pengkorosian mengakibatkan penipisan, penggembungan, retakan, dan keluarnya serbuk putih. Korosi ini adalah korosi yang dapat diidentifikasikan sebagai korosi piting dan galvanik. Retakan beton pada bulk shielding merupakan sumber yang paling mungkin penyebab masuknya air kedalam sisi dinding luar tangki. Hasil analisis sample produk korosi menunjukan bahwa ada unsur kimia Ca.Hasil uji komposisi dibandingkan dengan standar ASME untuk AI6061 T6 yang sama menunjukan penurunan pada kadar kandungan besi, mangan, seng, dan titanium namun kadar cromium bertambah. Hasil uji kekerasan pada AI6061 T6 baru sekitar 73 HB dan sampel bahan tangki terkorosi kurang lebih sekitar 40 HB. Pengaruh korosi pada kekerasan bahan tangki lebih berarti dari pada pengaruh fluence.
A B S T R A C T
IDENTIFICATION AND ANALYSIS OF AGING ON TRIGA TANK. The tank ot reactor TRIGA-ll Bandung, which is 30 years old, has been inspected. Degradation process of material tank due to aging by environment stressor as well as corrosion is necessary to be identified and to be analyzed. The identification and analysis is based on the reference as like; 1) history and experience of reactor operation, 2) flaw identification on the tank, 3) laboratory test and pH simulation by high humidity assumption. Corrosive environment as stressor could be increasing the aging on material. The tank of TRIGA reactor in Bandung has shown the corrosion on the outer diameter of tank. The corrosion cause tninning, blistering, cracking and appearing of white powder on the surface of the tank. The corrosion is identified as pitting and galvanic corrosion. Concrete cracking on the bulk shielding is probably main source of the water that is entering in the outer side of surface tank. Analysis results of corrosion product sample have shown that Ca substance is present. The comparison of composition test result of the material tank with material standard ASME for AI6061 76 have show decreasing of weight percentage of Fe, Mn, Zn and Ti, however Cris Increase. The hardness test on the new AI6061 T6 is 73 HB and on the corrosion material tank is about 40 HB. The influence on the hardness material of tank by convsion is more significant than by fluence.
Prosiding Presentasi ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000
ISSN No.: l-iio-ob:n P2TKN-BATAN
P E N D A H U L U A N
Reaktor riset T R I G A Bandung telah berusia lebih dari 30 tahun. Dari tahun 1964 sampai dengan 1971 m e m p u n y a i kapasitas daya 250 kW. Sedangkan sampai dengan 1996 kapasitas daya terpasang adalah 1 MW. Kegiatan inspeksi yang telah dilakukan pada tangki reaktor tersebut menunjukan degradasi bahan tangki karena korosi di bagian sisi diameter luar. Indikator terjadinya korosi adalah adanya retakan pada bagian dinding bulk shielding dan saat pembukaan thermalizing column teridentifikasi aliran air y a n g cukup banyak. Proses aegradasi korosi tersebut perlu diketahui untuk dianalisis guna mengetahui proses penuaan y a n g disebabkan oleh stressor lingkungan seperti korosi tersebut.
Di daiam tulisan ini menjelaskan teori, metodologi dan p e m b a h a s a n mengenai identifikasi dan analisis bagaimana proses penuaan karena korosi y a n g terjadi pada tangki reaktor B a n d u n g . Secara u m u m bahan tangki yang terbuat dari aluminium memang tahan terhadap korosi, namun dengan adanya pengaruh lingkungan yang reaktif seperti alkali m a u p u n alkali tanah dalam suasana kelembaban tinggi dapat m e n y e b a b k a n aluminium terkorosi. Hal inilah yang mendasari analisis perlu dilakukan guna identifikasi penuaan bahan tangki. Proses penuaan itu sendiri m e r u p a k a n proses u m u m yang mengkarakterisasika; perubahan secara berarti sehingga fungsi tangki sebagai liner sudah tidak anda lagi. Proses tersebut m e n y e b a b k a n degradasi bahan tangki untuk kondisi normal operasi.
K e m a m p u a n analisis d i b k u k a n dengan metodologi yang bisa memberikan hasil yang m e n g g a m b a r k a n proses korosi yang mepengaruhi integritas tangki. Pertama-tama dilakukan d e n g a n identifikasi keberadaan degradasi b a h a n , lokasi dan petanya. Kemudian untuk mengetahui unsur penting yang korosif terhadap bahan tangki dilakukan identifikasi produk korosi disekitar material terkorosi d e n g a n uji komposisi. Pengaruh t u m b u k a n d e n g a n neutron atau pengaruh fluence dapat diketahui d e n g a n melakukan uji komposisi bahan dan memperbandingkan d e n g a n tipe bahan yang sama sesuai a c u a n seperti A S M E serta melakukan uji kekerasan guna mengetahui pengaruhnya terhadap kekerasan bahan tersebut.
Hasil identifikasi d a n analisis penuaan memberikan kesimpulan y a n g diharapkan dapat memberikan s u m b a n g a n ke sistem pangkalan data tentang fakto. degradasi bahan, faktor umur atau stressor lingkungan dan akibat utama yang dapat ditimbulkan, khususnya untuk bahan tangki TRIGA.
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V Seipong, 28 Juni 2OC0
ISSN No.: u 10-0533 P2TKN-BATAN
T E O R I
Secara u m u m aluminium tahan terhadap korosi karena secara alami terdapat lapisan tipis oksida aluminium atau disebut sebagai alumina ( A l2 03) yang
secara kimia fisis m e m p u n y a i kondisi y a n g stabil. Kestabilannya dapat terganggu tergantung komposisi paduan dan watak lingkungan media dimana aluminium tersebut berada, termasuk p H , sehingga dapat terkorosi. Laju pelarutan film oksida aluminium tersebut a k a n sangat cepat pada media a s a m dan alkali, s e d a n g k a n pada media pH netral akan rendah pengaruh korosinya. Media a s a m dapat dicontohkan seperti a s a m klorida m a u p u n a s a m sulfat, kemudian dari kelompok alkali seperti potasium yang m u d a h teroksidasi dan natrium yang m u d a h berubah pada lingkungan l e m b a b m a u p u n unsur Kalsium. Semua media ini sangat korosif sekali terhadap a l u m i n i u n( 5 ). Komposisi AI6061 T 6 sesuai standar A S M E dapat
dilihat dalam T a b d 1 .
Tabel 1. Komposisi kimia bahan A',6061 T6 Standar A S M E (% berat)
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Other Al B. Bawah 0.4 0.7 0.7 0 15 0.4 0.15 0.8 0.04 0.25 0.15 0.15 97.21 B.Atas 0.8 0.7 0.7 0 15 0.4 0.15 1.2 0.035 0.25 0.15 0.15 96.165 Rerata 0.6 0.7 0.275 0.15 1 0.0375 0.25 0.15 0.15 96.6875
Keberadaan fluence neutron akan mempertinggi laju korosi dan
m e m p e r l e m a h k e t a n g g u h a n b a h a n . Dari acuan (4), sampai suhu 2 2 0 ° C di dalam air pendingin reaktor riset, aluminium dapat mengalami korosi y a n g seragam. Sedangkan pada suhu y a n g lebih tinggi, hidrogen hasil dekomposisi air oleh radiasi dapat berdifusi d i d a l a m aluminium dan membentuk melokul hidrogen sehingga dapat m e m p e r c e p a t proses reaksi korosi m a u p u n m e n g e m b a n g k a n produk korosi seperti p e n g g e l e m b u n g a n (blister) pada permukaan.
Pengaruh fluence berdasarkan acuan [2] dapat m e m p e n g a r u h i ketangguhan b a h a n d a n secara fracture mechanic faktor intensitas tegangan kritis (K)C) menjadi sekitar 4 0 % . N a m u n kekerasan bahan semakin m e n i n g k a t d e n g a n
meningkatnya % k a n d u n g a n silikon d a l a m p a d u a n . Hal ini nampak pada fluence tinggi ( 4 x 1 02 3 n / c m2) . Silikon ini dapat terjadi karena hasil kontribusi dari
transmutasi a l u m i n i u m karena terkena t u m b u k a n neutron.
M E T O D E
Berkaitan d e n g a n analisis degradasi b a h a n tangki reaktor T R I G A y a n g berakibat pada p e n u a a n , m a k a tiga data pokok y a n g perlu dipersiapkan berdasar
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong. 28 Juni 2000
ISSN No. . Ulu-0533 P2TKN-BA TAN
nara sumbe.' dan acuan yang ada yaitu; 1) data sejarah dan pengalaman pengoperasian reaktor, 2) data mengenai identifikasi keberadaan cacat pada tangki dan data mengenai uji tak merusak yang telah dikerjakan selama ini maupun Z, data pengujian laDoratorium mengenai komposisi kimiawi bahan aluminium dan komposisi bahan hasil degradasi sepeni korosi dari sampel bahan serta u j i
kekerasan. Penggunaan electron probe micro analyser dilakukan untuk
menentukan komposisi kimia bahan produk korosi. Sedangkan untuk menentukar komposisi kimia bahan aluminium dilakukan d e n g a n spektrometer.
Uji kekerasan dilakukan pada bahan AI6061 T 6 baru dan sampe! bahar, tangki yang lama dengan peralatan uji kekerasan Equotip.
Untuk mengetahui pada pH berapa kemungkinan proses korosi pada AI6061-T6, perlu dilakukan repro kondisi pH d e n g a n mencelupkan sampel terkoiosi (1.5 x 1 cm) yang mengandung produ'; korosi dalam sebuah gelas ukur 250 ml berisi air ber-pH netral dan kemudian ukur pH dengan kertas lakmus. Senangkan kelembaban awal diasumsikan tinggi pada daerah sekitar beton dan permukaan OD tangki karena adanya perembesan air pada sela-sela beton tersebut.
H A S I L D A N P E M B A H A S A N
Penuaan dapat mempengaruhi integritas bahan struktur sesuai umur pakai. Pemakaian paduan aluminium pada tangki reaktor riset, integritasnya berkaitan erat dengan kondisi lingkungan sekitar reaktor. Stressor lingkungan seperti lingkungan korosif dapat mempercepat umur bahan. Pemunculan korosi sepanjang ketebalan bahan tangki mempengaruhi integritas bahan dan kekuatan struktur maupun fungsi tangki atau dengan kata lain keandalan tangki teiah m e n u r u n .
Hasil inspeksi tangki reaktor T R I G A Bandung pada acuan (1) menunjukan adanya korosi pada permukaan sisi luar diameter tangki (OD) aan secara visual dapat memperlihatkan adanya penipisan tebal dinding tangki, penggelembungan serta retakan. Retakan beton pada bulk shielding merupakan sumber yang paling mungkin penyebab masuknya air kedalam sisi dinding luar tangki. Tangki reaktor T R I G A - B a n d u n g dibuat dari paduan aluminum 6061-T6. Reaktor TRIGA Mark u telah dioperasikan sejak tahun 1964 atau mencapai umur lebih dari 20 t a h i r Pemakaian paduan aluminium pada tangki reaktor riset tersebut menunjuk- •> adanya pengaruh penuaan karena stressor lingkungan seperti korosi.
Identifikasi keberadaan kerusakan bahan tangki karena korosi secara u m u m menyebar kesegala arah dengan distribusi y a n g acak d a n terietak di sisi O D . Pet^ lokasi penipisan yang telah dilaporkan pada acuan [1]. Pada lokasi sampai 400 c,
Prosiding Presentasi timlah Teknologi Keselamatan Nukllr-V Serpong, 26 Juni 2000
ISSN No.: 1410-OS33 P2TKN-BATAN
dari permukaan atas tangki, bentuk kisaran ukuran kedalaman retak sudah mencapai titik m a k s i m a l . Pada acuan [1] menunjukan adanya pengkorosian y a n g mengakibatkan p e n g g e m b u n g a n , retakan, dan keluarnya serbuk putih. Korosi ini adalah korosi yang dapat diidentifikasikan sebagai korosi piting d a n galvanik. Hasil korosi pada bahan tangki dapat dilihat pada G a m b a r 1 m e n u n j u k a n g a m b a r a n keparahan tingkat korosi. G a m b a r tersebut memperlihatkan c o n t o h p e r m u k a a n O D terkorosi dan diiris sepanjang ketebalan tangki dan dapat diperlihatkan a d a n y a deposisi serbuk berbentuk putih seperti G a m b a r 2.
O D
Gambar 1. Tingkat keparahan korosi a) belum mencapai ketebalan tangki, b)sudah mencapai ketebalan tangki.
G a m b a r 2. Serbuk putih di permukaan hasil korosi pitting
Namun untuk lokasi 400 c m dari p e r m u k a a n atas s a m p a i dengan dasar tangki, penipisan j u g a terjadi n a m u n tidak separah bagian diatasnya terlihat pada peta ketebalan tangki G a m b a r 3W.
Hasil analisis s a m p l e produk korosi, G a m b a r 4 , d e n g a n m e m p e r g u n a k a n electron probe micro analyser menunjukan bahwa ada unsur kimia Ca. Secara fisik terlihat Ca tersebut berbentuk serbuk d a n berwarna putih seperti tersebut diatas. Hal ini menunjukan b a h w a terdapat pendeposisian unsur C a pada permukaan bahan tangki sisi O D .
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000 ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BATAN P E T A K E T E B A L A N T A N G K I R E A K T O R U N T U K P O S I S I T f f R E N D A M A I R ' v ; .v. >: y'- <: *JS ^" S' > f m m )
Gambar 3. Peta ketebalan tangki reaktor di posisi t e r e n d a m air A s a l unsur Ca ini secara u m u m dapat jadi merupakan bagian dari material beton yang terdeposisi dengan kemungkinan melalui proses pengaliran fluida (air) d a n suasana lembab sekitar permukaan O D tangki. Deposisi Ca pada permukaa O D pada lokasi-lokasi tertentu pada bagian sampai dengan 4 0 0 c m d a p e r m u k a a n atas tangki menunjukan adanya scaling kemungkinan akibat lambatnya p r o s e s p e n g a l i r a n fli'ida y a n g m e m b a w a u n s u r C a m a u p u n p r o s e s korosi i t u s e n d i " dengan terbentuknya C a O . Reaksi korosi suasana alkalin ini dapat dituliskai. sebagai berikut;
2AI + 6CaO -» A l2 3CaO + 3 C a t (volume bertambah besar)'3'
Pengaliran ini dapat disebabkan karena proses perembesan di bagian beton bulk shielding. Lingkungan lembab dan suasana lebih basa, dari hasil repro p H sekitar 8 (lebih besar) menyebabkan proses korosi lebih kuat. N a m u n demikian paduan aluminium yang bersifat pasifasi pada p H netral, dengan adanya C a sebagai bagian dari elemen beton dapat m e n y e b a b k a n lingkungan lebih alkalin d a n pH bertambah basa. Dengan demikian kondisi tersebut dan ditandai dengan bertambahnya Ca disekitar permukaan terkorosi (serbuk putih) merupakan penyebab terjadinya korosi lebih kuat. Sedangkan pada posisi dari 400 c m samp... bagian b a w a h tangki tidak menunjukan penipisan yang berarti. Hal ini dapat diartikan perembesan pada sisi ini tidak banyak terjadi dan kemungkinan disebabkan oleh tingkat kepadatan beton y a n g lebih baik dari sisi diatasnya.
Tabel 2 merupakan g a m b a r a n hasil uji komposisi sampel bahan tangki tersebut. Dibanding dengan standar A S M E untuk jenis material yang sama m e n u n j u k a n penurunan pada kadar kandungan besi, m a n g a n , s e n g , dan titanium n a m u n kadar chromium bertambah. Secara u m u m hal ini memberikan g a m b a r a n
Prosiding Presentasi timlah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000
ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BATAN
bahwa bahan tangki yang telah dioperasikan m e n g a l a m i penurunan kualitas pada kadar p e m b a w a sifat kuat bahan.
Kadar Si dan Mg yang masih diantara batas atas d a n batas b a w a h komposisi kimia standar A S M E menunjukan b a h w a sesuai d e n g a n acuan (2) tidak bertambah keras. Hal ini ditunjukan dengan m e m b a n d i n g k a n hasil uji kekerasan pada AI6061 T 6 baru dengan yang telah terdegradasi. Hasil uji k e k e r a s a n untuk bahan baru sekitar 73 HB dan sampel bahan tangki terkorosi kurang lebih sekitar 4 0 H B . Sehingga hanya pads fluence tinggi Si d a n M g bertambah secara signifikan terhadap kekerasan bahan AI6061 T 6 .
o*«.mt n u ; tim . n««.in> ^ u v i*-»'* »i»-tfe» • • ***** •.*— • n«w. -*w
r.:,•••>r-T. . v<;«.t«<»
Gambar 4. Hasil uji komposisi produk korosi bahan tangki
Tabel 2. Komposisi kimia bahan AI6061 T 6
AI6061 T6 (30 tahun operasi tangki reaktor TRIGA II Bandung)
Unsur Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Other Al
% berat 0.64 0.38 0.28 0.056 0.88 0.18 0.02 0.03 0.0142 97.5 Jika dibandingkan dengan komposisi b a h a n AI6061 T6 standar A S M E , kemungkinan penurunan Fe dan peningkatan C r d a p a t dijelaskan d e n g a n reaksi sebagai b e r i k u t5 4F e ( n , y ) KF e ( n , a ) 5 2C r . Hal ini m e n y e b a b k a n aluminium tersebut
menjadi lebih kasar dan memungkinkan m e m p u n y a i ketahanan listrik y a n g lebih meningkat.
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000
ISSN No : U1C-or-.'3 P2TKN-8ATAN
K E S I M P U L A N
Hasil identifikasi dan analisis pada sistem material tangki reaktor riset T R I G / II d e n g a n jenis material AI6061 T 6 dari pengalaman operasi 30 tahun menunjukan b a h w a faktor degradasi bahan dapat meliputi kelembaban tinggi, pH basa d a n t u m b u k a n neutron. Berkaitan dengari penuaan m a k a faktor umur atau stressor lingkungan seperti lingkungan korosif alkalin d a n fluence berperan dalam p e n g u a t a n degradasi bahan sehingga dapat terjadi korosi pitting m a u p u n galvanik, p e r u b a h a n komposisi kimia bahan seperti penurunan Fe, M n , Z n , m a u p u n Ti dan peningkatan Cr.
S e c a r a u m u m analisis integritas tangki menunjukan bahwa bahan tangki sudah m e n c a p a i umur akibat stressor lingkungan yang korosif.
U c a p a n T e r i m a K a s i h
K e p a d a Ka.P3TkN Bandung Bapak A a n g Hanafi dan Bapak Ilham Yasid atas b a n t u a n n y a dalam penelusuran data dan informasi sebagai nara sumber.
D A F T A R P U S T A K A
1. Chaerul saleh, "Inspeksi Tangki Reaktor T R I G A Mark II Bandung dengan Ultrasonik".
2. W e e k s , J.R., Czajkowski, C.J., and Farell, "Effects of High Thermal Neutron Fluence on Type 6061 Aluminium", Effects of Radiation Materials; 16th International symposium, A S T M STP 1175, Arvind S.Kumar, david s. Gelles, Randy K. Nanstad, and E d w a r d a. Little, Eds., Amecrican Society for Testing a n d Materials, Philadelphia, 1993.
3. T e t s u o Yoshijima, "Experience With Corrosion Behavior of Aluminium Material in J R R - 2 " , W a t e r Chemistry Management of Research Reactor in J A E R ' D e p a r t e m e n t of Research Reactor, Tokai Research Establishment, J A E R i W o r k s h o p 1997.
4 . Benjamin M. Ma., "Nuclear Reactor Material and Applications', Departement of Nuclear engineering Iowa State University, v a n nostrand Reinhold C o m p a n Inc., 1983.
5 "Aluminium and The Sea", Guide Book, Myriam^Bouet-Gnfon et all, Eds. Pechiney Rhenalu.
6. Brian E. T H U R G O O D , B A T A N - B a n d u n g Reactor T R I G A M A R K II 1 M W to 2 M W Up Grade, Reactor Inspection Report, G E , October 1993.
