PENGUKURAN LAJU KOROSI MATERIAL SS304 DAN SS321 PADA TEMPERATUR DAN TEKANAN TINGGI DENGAN CMS100

Prosiding Presentasi llmiar Teknologi Keselamatan Nuklir-V ISSN No : u IO-O'JJJ Serpong. 28 Juni 2000 m m i . o i u u —

ID0200229

P E N G U K U R A N L A J U K O R O S I M A T E R I A L S S 3 0 4 D A N S S 3 2 1 P A D A T E M P E R A T U R DAN T E K A N A N T I N G G I D E N G A N C M S 1 0 0

Oleh : Sriyono, Febrianto, Nur Rahmah, Puradwi Ismu W, Edy Sumarno ABSTRAK

PENGUKURAN LAJU KOROSI MATERIAL SS3C4 DAN SS321 PADA TEMPERATUR DAN TEKANAN TINGGI DENGAN CMS100. Telah dilakukan pengukuran laju korosi material SS 321 dan SS304 pada temperatur dan tekanan tinggi dengan menggunakan CMS 100. Pengukuran ini dilakukan sebagai langkah pendekatan pada proses korosi yang terjadi pada operasi pembangkit uap yang sebenarnya. Meskipun tidak semua parameter dapat terwakili tetapi diharapkan hasil yang didapat talah memberikan gambaran tentang kondisi korosi yang sebenarnya terjadi pada pembangkit uap. Pengukuran korosi pada temperatur dan tekanan tinggi seharusnya dilakukan dengan menggunakan simulasi pembangkit uap seperti Primary Loop ataupun dengan menggunakan Autoclave. Tetapi karena kondisi Primary Loop yang belum memungkinkan ra'fflTdigunakan, seria permasalahan dalam kapilaritas Jembatan Garam dari Autoclave maka untuk mensimulasikan kondisi tekanan dan temperatur tinggi, penelitian ini dilakukan dengan menggunakan pemanas atau heater. Tentu saja dengan menggunakan heater, temperatur yang dicapai maksimal hanya 70 'C pada fefcanan 1 atmosfir.

Dari hasil analisis Tafel CMS100 dan perhitungan tangan dengan menggunakan rumus CR=lcorr.K.Ew/(D.A) maka'dapat disimpulkan bahwa laju korosi SS32i dan SS304 terhadap NaCI 3% menunjukkan adanya korelasi yang semakin naik pada temperatur yang lebih tinggi. Selain itu apabila kedua hasilnya dibandingkan menunjukkan bahwa SS321 lebih tahan teriiadap NaCI 3% dibandingkan dengan SS304 pada lingkungan yang sama. Kekuatan terhadap laju korosi SS321 pada lingkungan NaCI 3% adalah rata-rata 3 kali lipat dari kekuatan SS304 pada lingkungan yang sama.

ABSTRACT

CORROSION MEASUREMENT OF SS321, SS304 ON HIGH PRESSURE AND TEMPERATURE BY USING CMS100. Corrosion measurement of SS321 and SS304 on high temperature and pressure had done. This measurement is done to simulate the real conosion phenomena on steam generator. Even though, not all parameter can be simulating, it's expected to explained corrosion process on steam generator. Actually, this experiment can done by using Primary Loop, because of several problem on its, i.e.: salt bridge or the capillarity of salt bridge, so this research done by using heater. Of course, the maximum temperature it's only 70 C.

Also the pressure just only 1 bar (atmosphere). From the Tafel Analysis of CMS100, and by using hand calculation, it can conclude thai SS321 stronger than SS304 at the same environment NaCI 3%.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknolog. Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2 0 0 0

ISSN No.: 14104533 P2TKN-BATAN

P E N D A H U L U A N

Pembangkit Uap atau steam generator beroperasi pada temperatur d a n tekanan tinggi yaitu ± 6 4 bar dan ± 300 C. Permasalahan y a n g sering terjadi p a d a pembangkit uap ini adalah permasalahan korosi. Seperti pada kasus kecelakaan Reaktor M I H A M A II, di Jepang, yang mengakibatkan berhentinya operasi reaktor disebabkan oleh adanya leakage/kebocoran pada tube-tube pembangkit uap y a n g diakibatkan oleh peristiwa korosi.

Untuk mempelajari berbagai fenomena korosi yang terjadi pada pembangkit uap itu, diperlukan suatu penelitian yang dapat mensimulasikan kondisi y a n g sebenarnya dari operasinya pembangkit uap. Untuk mensimulasikan kondisi tersebut, P 2 T K N m e m p u n y a i peralatan eksperimental y a n g d i n a m a k a n Primary Loop. Tetapi karena saat ini Primary Loop sedang mengalami berbagai modifikasi dan perbaikan m a k a peralatan tersebut belum dapat digunakan. Untuk mengatasi kendala ini sebenarnya telah pula dilakukan rancang bangun pengukuran laju korosi pada Autoclave menggunakan CMS100. Permasalahan yang ada pada Autoclave ini adalah belum sempurnanya karakterisasi disain J e m b a t a n G a r a m .

Oleh karena berbagai kendala ini maka simulasi yang m e m u n g k i n k a n dapat dilakukan eksperimen adalah dengan menggunakan heateri pemanas. Dengan m e n g g u n a k a n heater maka temperatur maksimum yang dapat dicapai adalah 70

°C dan tekanan 1 bar. Dari penelitian ini diharapkan m a m p u m e m b e r i k a n g a m b a r a n kondisi korosi yang sebenarnya pada pembangkit uap.

T E O R I

Korosi temperatur tinggi didefinisikan sebagai proses degradasi material, termasuk degradasi sifat-sifat mekaniknya, yang disebabkan oleh p e n g a r u h atmosfer pada temperatur tinggi (tanpa adanya fasa air). Pada jenis korosi s e m a c a m ini, temperatu; tinggi mempunyai peran ganda terhadap k e r u s a k a n logam yang ditimbulkannya. Dari segi kenaikan temperatur m e m p e n g a r u h i termodinamika dan kinetika reaksinya, di segi lain struktur dan perilaku logam j u g a akan terpengaruh. Oleh karenanya disamping kerusakan y a n g berupa degradasi fisik pada p e r m u k a a n (kerusakan eksternal), tak kurang pentingnya adalah terjadinya perapuhan internal (degradasi sifak mekanik) yang tidak terlihat secara visual tetapi akan berakibat fatal.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 JuiJ 2000

ISSNNc. : 1410-0533 P2TKN-BA TAN

Seperti halnya pada proses-proses korosi basah, atmosfer yang bersitai oksidatif merupakan lingkungan penyebab utama terjadinya korosif temperatur tinggi, khususnya yang mengakibatkan kerusakan pada permukaan logam.

Pada umumnya pengertian korosi temperatur tinggi terutama mencak -•

reaksi langsung antara logam (padat) dengan gas/steam. Namun dalam lingkung^

tertentu kerusakan logam dapat diakibatkan oleh reaksi dengan lelehan gara {'fused salt) yang terbentuk pada temperatur tinggi tersebut. Untuk membedakannya dengan jenis korosi temperatur tinggi yang lain, bentuk korosi yang terakhir ini sering dinamakan "hot corrosion" atau korosi panas.

Reaksi l o g a m d e n g a n Gas pada T e m p e r a t u r t i n g g i

Kecenderungan logam-logam untuk bereaksi dongan unsur lain membantu*, senyawa tertentu pada dasarnya adalah fenomena alamiah yang sulit dicegah kelangsungannya. Kecuali logam-logam mulia (emas, perak), pada umumnya logam-logam lain dalam udara normal, pada temperatur kamarpun c e n d e r a - bereaksi membentuk senyawa oksidanya. Adanya sulfur dalam atmosfer juga memungkinkan terbentuknya sulfida berbagai logam.

Kecsnderungan berlangsungnya reaksi serta lambat cepatnya reaksi tergantung pada jenis logam serta kondisi lingkungan dan temperaturnya.

Reaksi logam dengan o k s i g e n

Pada temperatur tinggi, dimana air tidak lagi stabil sebagai fasa cair, reaksi antara logam dengan oksigen dapat dianggap sebagai suatu jenis reaksi kimia biasa. Secara termodinamis kecenderungan berlangsungnya operasi ditentukan oleh perubahan energi bebas (AG) yang menyertai pembentukan oksida logam yang bersangkutan. Apaoila reaksi umumnya dituliskan s e b a g a i :

N i s b a h Pilling B e d w o r t h

Pendekatan paling sederhana, khususnya pada awal pengkajian ilmiah proses oksidasi, diperkenalkan oleh Pilling dan Bedworth yang menyatakan bahwa daya tahan terhadap oksidasi suatu logam berkaitan dengan nisbah volume oksida yang terbentuk terhadap logam yang teroksidasi. Secara matematis hubungan tersebut yang kemudian dikenal dengan "Nisbah Pilling-BedwortrT dinyatakan o l t persamaan :

Prosiding Presentasi llmlth Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No.: 1410-0533 P2TKN-BATAN

D e n g a n :

W : berat molekul oksida w : berat atom logam D : rapat jenis oksida d : rapat jenis logam .

Nisbah R tidak lain menunjukkan volume oksida yang terbentuk persatuan volume logam.

Menurut Pilling dan Bedworth, k e m a m p u a n lapisan oksida melindungi permukaan logam terhadap korosi/oksida selanjutnya, tergantung pada harga R.

Nisbah yang ideal agar oksidasi tidak berlanjut adalah mendekati harga 1 . Bila terlalu kecil oksida tidak mencukupi untuk meliputi seluruh permukaan logam, sehingga tidak protektif. Sebaliknya bila terlalu jauh lebih besar dari 1 akan cenderung menimbulkan tegangan di dalam okcida yang mengakibatkan rendahnya daya tahan terhadap oksida karena terjadinya keretakan d a n keruntuhan.

Pada Tabel I ditunjukkan nisbah v o l u m e untuk berbagai logam yang membentuk oksida bersifat protektif dan yang non protektif. Terlihat bahwa harga nisbah tersebut tidak secara tepat dipakai untuk meramalkan daya tahan oksidasi, meskipun m e m a n g ada persesuaian secara kualitatif dengan Teori Pilling Bedworth. Secara u m u m logam-logam dengan nisbah volume lebih kecil dari 1 atau yang jauh lebih besar (2-3) membentuk oksida-oksida yang non protektif.

Penyimpangan-penyimpangan y a n g terjadi dapat dimengerti karena kemudian diketahui bahwa ada sifat-sifat lain y a n g tak kurang penting pengaruhnya terhadap daya tahan oksidasi.

Tabel 1. Nisbah v o l u m e oksida logam

Oksida-oksida protektif Oksida-oksida non protektif

Be-1,59 Li-0,57

Cu-1,68 Na-0,57

AI-1,28 K-0,45

Si-2,27 Ag-1,59

Cr-1,99 Cd-1,21

Mn-1,79 Ti-1,95

Fe-1,77 Mo-3,40

Co-1,99 Cb-2,61

Ni-1,52 W-3,40

Pd-1,G0 Ta-2,23

Ce-1,16 U-3,05

V-3,18

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No. : IIIO-OMJ P2TKN-8ATAN

P e m b e n t u k a n d a n P e r t u m b u h a n O k s i d a L o g a m

Karakteristik lapisan kerak oksida yang terbentuk pada oksidasi logam oleh gas pada temperatur tinggi, sangat menetukan perilaku logam dalam suatu atmosfer y a n g korosif. Demikian pula usaha pengendalian korosi temperatur tinggi pada u m u m n y a didasarkan pada usaha-usaha pemaduan logam sehingga lapisan kerak yang terbentuk dapat memiliki sifat protektif untuk menghambat proses korosi yang lebih lanjut. Oleh karena itu ihwal pembentukan oksida dan pertumbuhannya m e r u p a k a n aspek pokok yang menjadi tolok ukur proses korosi temperatur tinggi.

Berbagai diagran fase sistem logam-logam oksigen menunjukkan adanya beberapa oksida biner yang stabil. Misalnya besi dapat membentuk senyawa FeO, F e j 0⁴ dan F e²0³ ; tembaga dapat membentuk C u²0 dan C u O dsb.nya. Dalam p e m b e n t u k a n kerak oksida pada l o g a m - l o g a m murni, u m u m n y a fasa-fasa oksidp y a n g stabil terbentuk secara bertahap-bergilir. Senyawa yang paling kaya oksigen (dengan derajat oksidasi tertinggi) terdapat pada antarmuka kerak-gas, s e d a n g k a r s e n y a w a y a n g paling kaya dengan logam (derajat oksidasi terendah) berada pada antarmuka logam kerak. Jadi untuk Fe pada temperatur diatas 560 C uruu.

fasanya adalah: Fe/FeO/ F e³O V F e²0³/ 0² sperti ditunjukkan pada Gambar 1 Ketebalan relatif masing-masing fasa ditentukan oleh laju difusi ionik melaui fasa tersebut. N a m u n komplikasi morfologi atau nukleasi kadang-kadang terjadi dalam oksidasi beberapa logam sehingga y a n g terbentuk bukanlah fasa-fasa yang stabil, melainkan justru yang metaslabil.

Kerak yang terbentuk pada logam-logam dacar yang u m u m seperti Fe, Ni.

C u , Cr dan C o t e r j t a m a t u m b u h pada antarmuka kerak-gas oleh difusi kation keluar. A k a n tetapi karena adanya kekosongan (vacancy) pada antarmuka logam- kerak, sejumlah rongga kan terbentuk pada bagian dalanm kerak. Diperkirakan bahwa sejumlah oksida yang berada di bagian tengah kerak terurai mengakibatkan terjadinya perpindahan kation keluar dan molekul-molekul gas dalam melalui rongga-rongga tersebut. Dengan mekanisme s e m a c a m ini, kerak diperkirakan tumbuh pada dua sisi, yfiitu pada antarmuka kerak-gas oleh reaksi kation dengan oksigen dan pada antarmuka logam-keiak oleh reaksi kimia molekul oksigen dan logam.

Bertentangan dengan pada logam-logam dasar diatas, dalam pembentukan oksida logam-logam seperti TA, C b ( N b ) , Hf, dan mungkin juga T i , dan Zr peranan difusi ion-ion oksigen jauh lebih menonjol daripada difusi kation, sehingga dalam keadaan ideal pembentukan oksida terutama terjadi pada antarmuka logam-kerak N a m u n demikian setelah tahap awal pembentukan kerak bedangsung

Prosiding Prosentasl Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BATAN

pembentukan oksida tidak lagi dikendalikan oleh difusi pada kerak, karena sifat kerak yang porous mengakibatkan k e m u n g k i n a n molekul oksigen dapat berdifusi dalam fasa gas melalui pori-pori/rongga-rongga y a n g terbentuk. Mekanisme ini akan mempercepat laju korosi.

i

j " '

G a m b a r 1 . Lapisan-lapisan oksida Fe terbentuk pada korosi temperatur tinggi

T A T A K E R J A P E N E L I T I A N Alat dan Bahan

Alat

1. C M S 1 0 0

2. Peralatan mounting 3. Peralatan bengkel 4. Termometer 5. Pemanas (heater)

Bahan

1. Resin Epokwick 2. Hardener Epokwick 3. Larutan NaCI 3 %

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No. : 1410-01 P2TKN-BA1AN

P E M B U A T A N S A M P E L

1. Specimen uji SS304 dan SS321 dibuat dalam ukuran permukaan uji ± 1 c m2

2. Specimen uji di mounting

3. Setelah kering bahan mountingnya, peimukaannya dipoles dengan amplas 4 0 0 , 60C, 800, dan 1000

P E N G U J I A N D E N G A N C M S 1 0 0

1. Disiapkan lingkungan uji dalam gelas beker 200ml

2. Pengujian dilakukan dalam kondisi kamar dan peningkatan temperatur 30°C 4 0 ° C , 50°C, 60°C dan 70 °C selama waktu pengujian 6 jam

A N A L I S I S D E N G A N C M S 1 0 0

Setelah selesai pengambilan data pengukuran laju korosi, data diolah dan dianalisis dengan Tafel Analysis yang telah disediakan oleh CMS100.

P E R H I T U N G A N

E

^w

CR = I ,.,„,„ .K

COM ^ ,

D .A

Untuk menghitung laju korosi yang terjadi dipakai rumus : dengan :

CR = corrotion rate

leorr = arus korosi yang didapatkan dari Analysis Tafel CMS 100 K = tetapan (1,288 x 10^S) jika satuan mpy

Ew = berat ekivalen D = densitas sampel A = luas area pengukuran

H A S I L D A N P E M B A H A S A N

Penelitian pendahuluan dilakukan pada temperatur dan tekanan kamar untuk kedua material SS321 d a n SS304. Penelitian ini berguna sebagai pembanding terhadap hasil dari pengukuran pada temperatur yang lebih tinggi. Hasil pengukuran laju korosi dapat dilihat pada Tabel 2 . Dari data Tabel 2 diketahui bahwa laju korosi SS304 lebih besar dari SS321 pada lingkungan NaCI 3%.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V Serpong, 28 Juni 2000

ISSN No.: 1410-0533 P2TKN-BATAN

Tabel 2. Hasil p e n g u k u r a n laju korosi pada temperatur dan tekanankamar

Larutan Spesimen uji Corrosion rate

NaCI 3% SS321 1.16X 10 (-4)

SS304 4,22 x 10 (-4)

Penelitian ini seharusnya dilakukan pada temperatur d a n t e k a n a n tinggi.

Tetapi karena keterbatasan alat maka penelitian hanya dapat d i l a k u k a n s a m p a i d e n g a n 70 °C d e n g a n menggunakan heater pada tekanan k a m a r 1 atmosfir. Hasil dari p e n g u k u r a n laju korosi untuk material SS321 dan SS304 pada temperatur s a m p a i dengan 70"C dapat dilihat pada Tabel 3.

Tabel 3. Hasil p e n g u k u r a n laju korosi SS321 pada temperatur 30°C - 70 °C d e n g a n C M S 1 0 0

Larutan Temperatur (°C) Spesimen uji Laju korosi (mpy)

NaCI 3% 30 SS321 1,16 x 10 (-4)

40 SS321 1,59 x 10 (-4)

50 SS321 2,00 x 10 (-4)

60 SS321 2,69 x 10 (-4)

i

70 SS321 3.32 x 10 (-4)

NaCI 3% 30 SS304 4,22 x 10 (-4)

40 S?3304 4,87 x 10 (-4)

50 SS304 5,60 x 10 (-4)

60 SS304 8,02 x 10 (-4)

70 SS304 9,72 x 10 (-4)

K e c e n d e r u n g a n laju Korosi material SS321 dan SS304 pada N a C I 3%

ternadap variasi temperatur dapat dilihat pada G a m b a r 2 d a n G a m b a r 3.

Kecenderungan laju korosi adalah semakin meningkat dengan a d a n y a kenaikan temperatur.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V S e r p o n g , 28 Juni 2000

ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BATAN

0 2 0 4 0 6 0 8 0

Temperatur (C)

G a m b a r 2. H u b u n g a n laju korosi dan temperatur untuk SS321

LU

3

0 20 40 60 80 Temperatur (C)

G a m b a r 3. H u b u n g a n laju korosi dan temperatur

K E S I M P U L A N

Dari hasil analisa Tafel d a n perhitungan tangan, laju korosi SS321 adalah sepertiga laju korosi SS304 pada lingkungan yang sama. Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa SS321 m e m p u n y a i ketahanan tiga kali lebih besar apabila dibandingkan d e n g a n S S 3 0 4 pada lingkungan larutan NaCI 3%.

S A R A N

Penelitian ini masih j a u h dari harapan, oleh sebab itu akan dilanjutkan lagi pada temperatur dan tekanan y a n g lebih tinggi. Tentu saja penelitian tersebut a k a n berhasil apabila disain p e n e m p a t a n elektroda CMS10C pada temperatur d a n tekanan tinggi telah berhasil pula.

U C A P A N T E R I M A K A S I H

K e p a d a t e m a n - t e m a n se BK2S saya ucapkan terima kasih atas terselesaikannya penelitiuan ini.

Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nukllr-V S e r p o n g , 2 8 Juni 2 0 0 0

ISSN No. : 1410-OS33 P2TKN-BATAN

D A F T A R P U S T A K A

1. _ C M S 1 0 0 Framework Operator's Manual, Gamry Instrument, Inc.

USA, 1994

2. C H A M B E R L A I N J..TRETHEWEY K., Korosi Untuk Mahasiswa d a n R e k a y a s a w a n , Gramedia, Jakarta 1991

3. F O N T A N A , M.G.,Corossion Engineering, Second Edition, Mc. G r a w Hill Book Company, 1987

4. S E D R I K S . A. J O H N . , Corrosion of Stainless Steel, J o h n Wiley & Sons, N e w York, 1979

5 B O E D I O R O S., ROZIK, DR.IR, Dasar-Dasar Korosi T e m p e r a t u r T i n g g i , Jurusan Metalurgi, Teknik Pertambangan, ITB-Bandung, 1986