ANALISA PROSES LAJU KOROSI DAN DAMPAK YANG
DIHASILKAN PADA EVAPORATOR SISTEM DESALINASI
AIR LAUT KEADAAN VAKUM
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
ALEXANDER JOS (110401045)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
2015
ABSTRAK
Korosi adalah proses natural yang mengakibatkan material kehilangan kekuatan mekanisnya dan berakibat pada deformasi yang menghasilkan kegagalan. Penelitan ini menganalisa pemakaian bahan logam paduan Stainless Steel Tipe 304 sebagai material pembuatan evaporator sistem desalinasi air laut dalam kondisi vakum dengan tujuan untuk menganalisa seberapa cepat proses korosi terjadi, nilai laju korosi dan deformasi yang terjadi pada struktur evaporator. Penelitian dilakukan dalam dua metode, metode pertama secara eksperimental untuk mengukur laju korosi evaporator dalam keadaan kerja riil dan metode kedua secara simulasi untuk menunjukkan deformasi dan laju korosi dengan parameter input simulasi yang mendekati keadaan kerja eksperimental.Penelitan mendapatkan hasil laju korosi sebesar 10.12 mm/tahun (398,03 mils/tahun). Sementara itu, secara simulasi didapati bahwa laju korosi terhadu sebesar 9,636 mm/tahun (379,37 mils/tahun) dengan perbedaan perhitungan ralat sebesar 4.7% terhadap hasil perhitungan eksperimental. Deformasi berbentuk pit (lubang) pada permukaan evaporator juga dapat terlihat pada hasil simulasi. Hasil yang dapat didapatkan dari penelitian menunjukkan bahwa penggunaan logam paduan Stainless Steel Tipe 304 tidak dapat digunakan sebagai material pembuatan evaporator dalam sistem desalinasi air laut keadaan vakum.
Kata Kunci : Korosi, Laju Korosi, Desalinasi Air Laut, Dampak Korosi, Stainless Steel-304, Evaporator.
ABSTRACT
Corrosion is a natural process that will cause material to lose its mechanical strength, this will cause a deformation of the material structure which eventually result to a failure, This research will analyze the usage of Stainless Steel Type-304 alloy as main material for an evaporator in a vacuum sea water desalination system where its goals is to analyze how fast the corrosion process will began, the value of its corrosion rate, and the deformation of evaporator surface structure. The experiment was conducted in two method, the first method is done by experimenting the evaporator in real-time work condition and the second method is done through a simulation, using an input parameter that resembles the real-time condition. Both process have an objective to measure the evaporator corrosion rate with structure deformation shown in simulation process. The research yield a result of 10.12 mm/year (398.03 mils/year). While from simulation method the corrosion rate yield a result of 9.363 mm/year (379.37 mm/year) with a validation result shown a differences of 4.7% against experimental method The deformation of the structure is shaped as a pit located at the evaporator surface. The result of the research concludes that Stainless Steel Type-304 alloy can’t be used as an evaporator main material in a vacuum sea water desalination system.
Keywords : Corrosion, Corrosion Rates, Sea Water Desalination System,
Corrosion Effect, Process of Corrosion
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk mendapatkan Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun
judul skripsi ini adalah “Analisa Proses Laju Korosi dan Dampak Yang Dihasilkan Pada Evaporator Sistem Desalinasi Air Laut Keadaan Vakum”
Selama pengujian dan penulisan skripsi ini penulis ingin berterima kasih banyak kepada:
1. Orang tua penulis yang selalu memberi segala dukungan yang tak terkira baik moril maupun materil,
2. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing, memeriksa dan mengoreksi sehingga skripsi ini dapat selesai.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, S.T, M.T, selaku dosen yang memberi ide penulisan judul dan masalah yang akan dikaji dalam penulisan skripsi. 4. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc, selaku dosen pembanding yang telah
bersedia meluangkan waktunya untuk menguji dan membimbing penulisan skripsi ini.
5. Bapak Dr.Eng. Taufiq Bin Nur,ST. M.Eng.Sc, selaku dosen pembanding yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk menguji dan membimbing penulisan skripsi ini.
6. Bapak Dr.Ing Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
7. Kolega seperjuangan Frenky C. Nababan, Richie Wijaya, Darman Sucitra, Novendy Leonard dan Peter Sumarwan yang telah memberi semangat, bantuan dan masukan dalam penyusunan skripsi ini.
8. Ayahanda Richie Wijaya yang telah banyak diganggu waktunya dalam proses penyelesaian pembangunan Sistem Desalinasi Air Laut dalam Keadaan Vakum ini,
ii
9. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin terkhususnya stambuk 2011 yang sering memberi dukungan, ilmu dan informasi penting kepada penulis
10.Rusmidah Any dan keluarga besar Cimed yang selalu memberi motivasi, tujuan dan semangat kepada penulis untuk pengerjaan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa laporan ini masih belum sempurna dan terdapat kesalahan. Oleh karena itu, penulis menerima kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk menyempurnakan skripsi ini.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.
Medan, 25 Desember 2015
Penulis,
Alexander Jos NIM: 110401045
iii
DAFTAR NOTASI ...viii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Tujuan Penelitian ...4
1.3 Manfaat Penelitian ...5
1.3 Batasan Masalah Penelitian ...6
1.6 Metodologi Penulisan ...6
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Dasar Desalinasi ...7
2.2 Korosi ...8
2.2.1 Proses Terjadinya Korosi ...9
2.2.1.1 Reaksi Electrochemical ...9
2.2.1.2 Polarisasi ...11
2.2.1.3 Pasivitas ...12
2.2.1.4 Korosi Dalam Kajian Mekanikal ...13
2.2.2 Jenis – Jenis Korosi pada Material Logam ...17
2.2.2.1 Uniform Corrosion ...19
2.2.2.2 Galvanic Corrosion ...19
2.2.2.3 Crevice Corrosion ...21
2.2.2.4. Pitting Corrosion ...22
2.2.2.5 Environmental Induced Corrosion ...23
2.2.2.6 Hydrogen Damage ...25
2.2.2.7 Intergranullar Corrosion ...26
2.2.2.8 Dealloying dan Dezincification ...26
2.2.2.9 Erosion-Corrosion dan Fretting ...27
2.2.3 Jenis – Jenis Korosi pada Material Non – Logam...29
2.2.3.1 Korosi pada Polimer ...29
2.2.3.2 Korosi pada Gelas ...31
2.3 Perhitungan Laju Korosi ...32
2.3.1 Metode Weight Loss ...32
2.3.2 Metode Polarisasi ...35
2.4 Pengendalian Korosi dan Tindakan Pencegahan ...35
2.4.1 Pemilihan Material ...36
2.4.2 Perencanaan (Design) ...40
2.4.3 Pembersihan ...40
2.4.4 Metode Khusus ...41
2.5 Contoh Penelitian Mengenai Laju Korosi ...43
2.5.1 Penelitian dengan Metode Weight Loss ...43
2.5.2 Penelitian dengan Metode Polarisasi ...46
iv
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Desain Parameter Penelitian (Design of Experiment) ...51
3.1.1 Komponen dan Fungsi ...53
3.1.2 Data Pengukuran Eksperimental ...54
3.2 Perhitungan Laju Korosi dengan Simulasi ...55
3.2.1 Identifikasi Parameter ...55
3.2.2 Variabel Yang Diamati ...56
3.2.3 Parameter Fluida ...56
3.2.4 Design of Eksperiment Simulasi (DoE Simulasi) ...57
3.2.5 Kerangka Konsep Pemodelan Numerik ...58
3.2.6 Setup Komputasi ...58
3.2.7 Diagram Alir Simulasi ...63
3.3 Kelengkapan Penelitian ...64
3.3.1 Waktu dan Tempat ...64
3.3.2 Alat dan Bahan ...64
3.3.2.1 Alat ...64
3.2.2.2 Bahan ...69
3.3.3 Prosedur Penelitian ...69
3.3.4 Jadwal Pelaksaan Penelitian / Schedule ...70
3.3.5 Estimasi Biaya Penelitian ...70
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Input dan Output Eksperimental ...72
4.2 Hasil Laju Korosi Evaporator Dalam Eksperimental ...72
4.3 Hasil Laju Korosi Evaporator Dalam Simulasi ...78
4.4 Validasi Data ...83
v
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Klasifikasi Sistem Desalinasi ...2
Gambar 1.2 Diagram Pourbaix (pH diagram) untuk Aluminium dan Logam ...3
Gambar 2.1 Desalinasi Sistem Vakum Natural ...8
Gambar 2.2 Diagram Skematis dari Kelarutan Logam Magnesium ...11
Gambar 2.3 Skema Pertambahan Laju Korosi pada Polarisasi ...12
Gambar 2.4 Pasivitas pada Potensial Oxidasi Diatas εp ...13
Gambar 2.5. Diagram Profil Perubahan Energi Reaksi Korosi ...15
Gambar 2.6. Profil Energi Termodinamika untuk Logam dan Senyawanya ...16
Gambar 2.7 Rangkuman Skema Jenis – Jenis Bentuk Korosi ...18
Gambar 2.8 Uniform Corrosion pada Struktur Baja ...19
Gambar 2.9 Proses Galvanisasi Stainless Steel dan Baja Karbon ...21
Gambar 2.10 Crevice Corrosion pada Stainless Steel 316 di APK ...22
Gambar 2.11 Pitting dan Crevice Corrosion dalam Material Stainless Steel yang Terpapar Larutan Besi Klorida ...23
Gambar 2.12 Skema Penjalaran Lubang (Pit) pada Pitting Corrosion ...23
Gambar 2.13 Stress Corrosion Cracking pada Stainless Steel ...24
Gambar 2.14 Beach Marks dalam Corrosion Fatigue Cracking ...25
Gambar 2.15 Tonjolan Hidrogen dalam Baja Karbon AISI 1020 ...25
Gambar 2.16 Intergranullar Corrosion pada Permukaan Stainless Steel Austentik yang Dilihat Menggunakan Mikroskopi ...26
Gambar 2.17 Proses Dezincification dalam Kuningan ...27
Gambar 2.18 Erosion-Corrosion dan Kavitasi yang Terjadi pada Elbow Joint Pipa Tembaga ...28
Gambar 2.19 Fretting Corrosion pada Baja ...29
Gambar 2.20 Ozone Cracking pada Polimer ...30
Gambar 2.21 Glass Disease pada Permukaan Gelas ...31
Gambar 2.22 Contoh dari Design untuk Mencegah Kejadian Crevice Corrosion ...40
Gambar 2.23 Proteksi Katoda ...42
Gambar 3.1 Permukaan Evaporator Sebelum Penelitian Dilakukan ...52
Gambar 3.2 Permukaan Evaporator Setelah 8 Hari Penelitian ...53
Gambar 3.3 Penjelasan Daerah – Daerah Simulasi ...57
Gambar 3.4 Model Simulasi 2 Dimensi ...59
Gambar 3.5 Domain Media Elektrolit (Air Laut) ...59
Gambar 3.6 Domain Katoda (Stainless Steel) ...60
Gambar 3.7 Domain Anoda (Besi) ...60
Gambar 3.8 Meshing Model Simulasi ...61
Gambar 3.9 Parameter Input Simulasi ...61
Gambar 3.10 Input Nilai Konduktivitas Elektrolit dalam Media Elektrolit ...62
Gambar 3.11 Input Nilai Temperatur Kerja Sistem ...62
Gambar 3.12 Paraneter Waktu Simulasi ...63
Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi ...63
Gambar 3.14 Tangki Air Laut ...64
vi
Gambar 3.15 Evaporator ...65
Gambar 3.16 Kondensor...66
Gambar 3.17 Tube in Tube Heat Exchanger ...67
Gambar 3.18 Manometer ...68
Gambar 3.19 Timbangan Digital ...68
Gambar 3.20 Sistem Desalinasi Air Laut ...70
Gambar 3.21. Bagan Alir Penelitian Secara Keseluruhan ...71
Gambar 4.1 Berat Evaporator Sebelum dan Sesudah...74
Gambar 4.2 Evaporator dalam kondisi tertutup ...75
Gambar 4.3 Evaporator dalam kondisi terbuka ...75
Gambar 4.4 Simulasi Deformasi Permukaan Selama 1 Jam ...79
Gambar 4.5 Laju Korosi Selama 1 Jam ...80
Gambar 4.6 Deformasi dan Laju Korosi Selama 1 Hari Pengujian ...80
Gambar 4.7 Pengaruh Chlorida dan Sulfat dalam Air Laut ...81
Gambar 4.8 Grafik Pengaruh Laju Korosi Terhadap Tingkat Kerusakan Retakan ...83
Gambar 4.9 Grafik Statistik Perbandingan Laju Korosi Eksperimental dan Simulasi ...87
vii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Tabel Seri Galvanic Dalam Air Laut ... 20
Tabel 2.2 Perbandingan Satuan Laju Korosi dengan Nilai Resistensi Korosi ... 34
Tabel 2.3. Tabel Stabilitas dan Kecocokan Material Terhadap Faktor Lingkungan ... 39
Tabel 3.1 Tabel Desain Parameter Penelitian ... 52
Tabel 3.2 Tabel Komponen dan Fungsi ... 54
Tabel 3.3 Tabel Data Pengukuran Eksperimental ... 54
Tabel 3.4 Tabel Data Sifat Fisik Air Laut ... 56
Tabel 4.1 Tabel Input dan Output Secara Eksperimental ... 72
Tabel 4.2 Tabel Hasil Perhitungan Laju Korosi Secara Eksperimental ... 73
Tabel 4.3 Tabel Hasil Laju Korosi dari Eksperiment dan Simulasi ... 83
Tabel 4.4 Perbandingan Kenaikan Laju Korosi Per-Jam Secara Eksperimental dan Simulasi ... 84
viii
DAFTAR NOTASI
Simbol Definisi Satuan
MPY1 Laju korosi per tahun mils/tahun
MPY2 Laju korosi per tahun mm/tahun
W0 Berat mula – mula evaporator mg
W1 Berat setelah 8 hari kerja evaporator mg
W Weight Loss/kehilangan berat mg
D Density/massa jenis gram/cm3 A Area/luas daerah yang terpapar korosi inch atau cm2 T Time/waktu terpaparnya evaporator
terhadap korosi jam
