Prosiding Pertemuan Ilmiah gains Materi 1996

KINETIKA KOROSI AIMg2 daD AIMgSiDALAM SISTEM DINAMIS.

Eric JohneriZ

ABSTRAKKINETIKA 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 denganvariasi waktu pencelupan. Contoh yangtelah terkorosi di timbang dan diuji melalui pengerjaan metalografi untuk memperoleh gambarantentang kondisi permukaan dan kinetikanya. Hasil photo metalography menggambarkan perbedaan yang jelas dari pertumbuhan korosipada 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.

ABSTRACTCORROSION 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 andvarious dip telTnS in dinamic condition. ColToded samples were weighed and tested metallogra phi cally to have information on their microstructures 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 tidakmungkin terhindarkan baik untuk ke/ongsongbahan bakar (A/Mg2) atau pemegang/penyangga perangkat bahan bakar (A/MgSi).Untuk mengatasi hat tersebut, unjuk kerjaoptimal kelongsong ini perlu diketahui daDdifahami, sehingga mampu memperbaiki unjukkerja tersebut, baik pada pemilihan bahanrancangan, maupun fabrikasinya Oleh karenaitu, penelitian kinetika korosi dari bahanperangkat bahan bakar perlu dilakukan.

Pada tahun anggaran 1992/1993, telahdilakukan penelitian kinetika korosi dengansistem statis (media dalarn kondisi diarn),sedangkan sistem pendingin reaktor dalamkondisi dinamis (adanya laju aliran medi~lsistem pendingin reaktor), dimana kondisi dirulmis ini juga mempengaruhi akan terjadinyakorosi tersebut, sehingga penelitian tentang ituperlu dilakukan. Sejauh mana pengaruh sistemdinamis tersebut terhadap ketahaan ko rosi daribahan, yang berkaitan dengan degradasiunjuk kerja bahan bakar dan sistemkeselamatan reaktor.

PENDAHULUANPada umumnya perangkat bahan bakar

reaktor terdiri dari bahan struktur kelongsongdan bahan struktur penyangga. Kelongsongbahan bakar untuk lapisan pertama dalamsistem keselarnatan reaktor, berfungsi untukmenghalangi terlepasnya produk reaksi fisikedalam media sistem pendiilgin reaktor.Demikian pula halnya dengan perangkat bahanbakar yang digunakan di Reaktor Riset SerbaGuna GA Siwabessy. RSG-GAS menggunakanAIMg2 seba gai kelongsong bahan bakar,sedangkan beberapa reaktor lain menggunakan

AIMgSi (menurut DlN)(I).Dengan dernikian, kelongsong ini harus

mempunyai unjuk kerja yang optimal sehinggamampu memperpanjang umur bahan bakardalam teras reaktor tanpa adanya kegagalan,serta tidak membahayakan kesell\matanlingkungan.

Kegagalan fungsi kelongsong, disebabkanoleh banyak hal antara lain oleh korosi yangbagai manapun akan terjadi sehubungandengan adanya interaksi an tara kedua bahan

1 Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962 StafPeneliti BBSP -PEBN, BATAN

154

benda uji pada posisi berbeda, dengan berbagaipembesaran.

Menumt literatur, korosi akibat interak~ilangsung de ngan aliran air inenyebabkanterjadinya pengikisan perrnukaan kelongsong,hal ini lambat laun akan menyebabkanpenipisan pada kelongsong sehinggamemungkinkan adanya suatu kebocoran pada

elemen bakar(2). Disamping hat itu juga akanterjadi penempelan pada bagian tertentu akibatadanya pembentukan senyawa senyawa sebagaibasil reaksi dengan air, peristiwa ini lamakelamaan dapat mengakibatkan terjadinyapenyumbatan pada daerah aliran air pendinginsehingga dapat memberikan gangguan terhadapperpindahan panas dan kenaikan suhu bahanbakar.

HASa DAN PEMBAHASANA. RAsa FOTOGRAFI DAN MIKROS

KOPIKDari masing-masing sampel dengan

perbedaan waktu celup, permukaan logamsetelah terko rosi dapat dilihat melalui basilfotografi. Hasil photo metaIographymenunjukkan per tumbuhan korosi padapermuka an, agar dapat lebih dibedakanpenampilannya, gambar yang di tampilkanpada waktu pencelupan tl = 100, t2 = 250 daD

t3 = 400 Jam. Peningkatan per tumbuhan

korosi tampak jelas, pada gambar: I. kelihatankorosi terjadi merata pada permukaan, hal initerjadi pada setiap benda uji. Sedang padagambar: 2. korosi hanya terjadi pada tempat-tempat tertentulmengelompok dengan tingkatpertumbuhan rendah, dapat dibedakan daTigambar dengan pembesaran (magnification)yang sarna.

Makalah ini akan membahas tentangpengaruh suhu (temperatur operasional) daDwaktu dalam media korosi air mengalir. Setelahmendapat gambar-an basil daD data yang cukup

dari percobaan terdahulu (sistem statis)(3),maka pada percobaan dengan sistem dinamis illdiambil suatu asumsi percobaan dilakukandengan pe- ngkondisian temperatur kerjareaktor pada suhu 60 °C. Dan basil penelitianini diharapkan dapat memberikan data masukan untuk penelitian selanjut nya, maupunperancangan daD pembuatan elemen bakar(fabrikasi).

TATAKERJA

Gambar: 1 a. Pennukaan AIMg2 terkorosi dalamsistem dinamis, 100 jam. Pembesaran200 X. No. Sampel: Al

Sisa potongan AlMg2 daD AlMgSi darifabrikasi Elemen Bakar Nuklir, di preparasidengan ukuran 1 cm x 1 cm x 0.6 cm,pemotongan dilakukan dengan alat potong(cuting whell) daD dihaluskan dengangerinda dan dipoles, benda uji diidentiflkasi dandibersihkan dari kotoran dan lemak yangmenempel, kemudian ditimbang dan dihitungluas per mukaannya sebagai data awal.Sebelum dicelup kedalam sistem. pengujiandinamis yang terdiri dari rangkaian pompasirkulasi, alat pemanas dan instalasi aliranberikut bak pengujian dengan media air demin.

Sistem dioperasikan pada temperatur 60 °C,dengan kecepatan aliran diatur 15 mVdet, danvariasi waktu pencelupan mulai dari 100 jamsid 400 jam. Pada akhir percobaan benda ujikeluarkan dari sistem, dibersihkan darikotoran, kemudian dikeringkan daD ditimbangkern bali (data kehilangan berat). Agar inter-pretasi lebih baik, benda kerja diujimetalography serta pemotretan permukaan

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

155

Gambar: lc. Pennukaan AlMg2 terkorosi dalam sistemdinamis. 400 jam. Pembesaran : 200 X.No. Sampel: AJ

pengaruh unsur Si yang mengumpul pactabagian tertentu pacta pactum AlMgSi yang dapatmenahan reaksi oksidasi, Akibat sifat tersebutdapat mengurangi reaksi korosi pacta bahan,Dilihat da ri sifat unsur utama paduanaluminium seperti AI, Mg, dan Si, dalamurutan daftar susunan berkala ketiga unsur tersebut berada pacta satu perioda yang dapatmenjelaskan unsur Mg lebih reduktif dari pactaunsur AI dan Si, sementara AI sendiri lebihreduktif dari Si dimana Si sendiri bersifat

ampotir (4)

Dari pertumbuhan korosi berupa oksidasi(4)dalam media air pendingin, terbentuknya MgOlebih 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 tahankorosi dibanding pactum AIMg2, hat ini jugadapat dilihat daTi basil percobaan bahwa beratsampel AlMgSi lebih sedikit berkurang dariberat sampel AlMg2, Hasil perhitungan ini jugadidukung dengan basil photo metalographinya,(5)

Gambar: 2a Pennukaan AlMgSi terkorosi dalam sistemdinamis. 100 jam. Pembesaran: 200 X.No. Sampel: A, Ditinjau dari sifat keta banan korosi,

penggunaan bahan AlMgSi dapat lebihmemperpanjang umur dari bahan elemenbakar, serta dapat meningkakan sistemkeselamatan operasi reaktor.

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

Gambar: 2b. Pelmukaan AlMgSi terkorosi dalam sistemdinamis. 250 jam. Pembesaran : 200 X.No. Sampel: 82

Dari basil perhitungan (penimbangan) beratsampel, diperoleh data kern langan berat (.1. m)terkorosi pada berbagai waktu pencelupanseperti pada label berikut.Tabel: 1. Tabel harl!a kehilanl!an berat (~m) AIMI!2

w-.K"TU l,*ll&11I ber8t l L188 per-a..,, 1 2 2 ~ II (I11/CIl )

<t) II (gr) (IIW )

638,40678,12624,12624,10609,12643,80678,80

0.9711.1651,2741,4171.5061.6291.760

100150zoo250300350400

0,000620,000750,00078o,o~0,000920,001120,00135

Gambar: 2c. Pennukaan AlMgSi terkorosi dalam sistemdinamis. 400 jam. Pembesaran : 200 X.No. Sampel: BJ

Terjadinya korosi mengelompok karena

156

J-J-J-J..J-J-J-

Tabel: 3. Tabel harga log Am dan log t.Tabel: 2.Tabel harea kehilanean berat (t.m)AIMgSi.

WAKTU(t)

log tI lOG A III .'

A1Mt2 I ALM;StWTU 1'.lI8th ber.tILU18 pers,lkMn I 2 .II (~/CIR )

Ct) 8 (gr) <- 2)

-0,01,80 .06630,10520.15140,1m0,21190,2504

-0,3080-0.1284-0,0536-0,OZ970,00520,D4690,0980

2 .00002,1761Z,3D102,39792,41112,54412,60Z1

10015020025G300350400

1001'0200250300350400

0,000250,000290,000330,000480,000420 , 000J80,00069

501.36390.01372.96513.70414,~341,10550,53

0,4920,7440,1840,9341,G121,1141.253

Data diatas dapat digambarkan dalam graflksebagai hubungan antara kehilangan berat (Am) versus waktu (t). Dari tampilan label dangambar graflk terlihat bahwa pening katan lajukorosi pada paduan AlMg2 lebih cepat daripada paduan AIMgSi. Semakin lama terjadikontak logam dengan air akan menimbulkanlogam teroksidasi semakin banyak danmembentuk lapisan oksida pada permukaan.

Hal tersebut dapat dilihat pada gambar: 3.graflk kehilangan berat. Untuk AlMgSi tampakbahwa mulai daTi inter val waktu 150 sid 300jam, cenderung membentuk garis Ie bib landaidibanding AlMg2. Pada batas waktu tersebutterjadi penurunan pertumbuhan korosi karenaterbentuknya lapisan oksida pada permukaanmatrikyang dapat menghaiangi lajupertumbuhan korosi berikutnya. Dalamaplikasinya, penggunaan paduan AlMgSisebagai bahan struktur elemen bahan bahanbakar reaktor, kejadian diatas akanmenguntungkan, karena dapat memperpanjangumur bahan, dilihat dari pengaruh korositerhadap material.

t. ~

I..t t"

;: ,I ,

.0

! ...i 0"

Dari tabel diatas, secara urnurn dapatdinyatakan kedaIam suatu persarnaan sebagaiberikut (6)A rn = ktn (1)dalam bentuk lain persarnaan tersebut dapatditulis :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 regresilinier fer hadap waktu sehingga dipero leh slopegaris (n), dan titik potongnya yaitu intersep logk dengan keofisien korelasi R yang harusmendekati harga + I atau -I sebagai berikut:

a). Untuk AlMg2Am = 0.14086.1°.4185.dengan harga R = 0.993654.

b). Untuk AlMgSiAm = 0.03174.1°,6133.dengan harga R = 0.961234.

-~.. ..~~ /~~ ~

~

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

WAKTU cow. co. E~~~=-- ~-- AiMgii~ -~~~~-=--~

Gambar 3. Hubungan kehilangan berat AlMg2 dan AlMgSi vswaktu celup

Laju pelarutan paduan Aluminium dalam airpada kondisi di namis, dapat ditunjukkan dalam

persamaan sebagai berikut (6):v = kkor. [reaktan] (5).

k = A. e-Ea/RT (6).

Ink=lnA_~.lR T

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

dimana:v = laju korosi, mg/cm2.h.[ ] = konsentrasi, mg/mg.

k = konstanta korosi, mg/cm2.hA = konstanta yang tergantung

157

~-J8mJ811J-J-JamJam

J-J-J-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 AlMg2dan AIMgSi, daTi label 1 daD 2, didapat harga-harga :Untuk AlMg2In A = 0.420221

~ = 0.85467R

pada permukaan, yang dipengaruhi oleh lajualiran. Disamping menghambatpertumbuhan korosi lapisan tersebut akanmempe-ngaruhi pengendapan basil korosi.-Laju pertumbuhan korosi akan menurunkarena pembentukan lapisan oksida yangbertindak sebagai inhibitor terhadap korosiberikutnya.-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 AIMgSiIn A = 0.613336

~ = 1.49837R

Dengan menganggap konsentrasi [C] (reaktan)konstan, maka didapat persamaanlaju korosi AlMg2 dan AlMgSi pada suhu 60 0

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

= 0.4188 x e(-1.49837Tf).[CjAlMgSi

Dari basil Penelitian terdahu lu dengan sistem

statik pada suhu pencelupan 60 or, dipe-rolehharga k dan n sebagai berkut :a). Untuk AlMg2A- m = 0.234429. to.004516.dengan harga R = 0.974685Persamaan laju korosinya :v AlMg2 ; (0.79457) x e( -0234 45fT). [C).

b). Untuk AIMgSiA m = 0.044566. 1°,003864dengan harga R = 0.997511

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

DaTi gambar :4, dapat dijelaskan bahwajumlah yang terlarut pada kondisi dinamisrelatif akan meningkat dengan waktudibandingkan dengan kondi si statis. Hal inimungkin terjadi karena larutan jenuh daTimedia tidak ter-capai pada kondisi dinamis,sedangkan produk korosi tetap terbentuk.

Disamping laju aliran, mekanisme korosipada kedua percobaan juga ber- beda yaitu,terbentuknya layer/lapi san pada permukaanrnatrik, sehingga mempengaruhi gera-kan/pertumbuhan korosi, yang memberikankinetika yang berbe da tergantung padatahapan-tahapan yang mendominasi proseskorosi tersebut. Nampakbahwa pada proses dinamis, mekanisme korosipada tahapan metal lebih mendominasi,dibandingkan dengan difusi kedalam media.Sedangkan untuk kondisi statis difusi kedalammedia rnasih berpengaruh.

DaTi penurunan rumus~ m = k.tn , dapat dijelaskan harga nmenunjukan mekanisme dari kinetika korosi

yang terjadi. Menurut Vladimir Sedlacek(IO),untuk harga n mendekati 0.5, mekanisme proses

Dari kedua penelitian dengan sistem yangberbeda, laju korosi paduan Aluminium sistemstatik lebih besar dibanding laju korosi padasistem dinamik. Terlihat jelas pengaruh dariadanya laju aliran (sistem dinamis) mem-perkecil pertumbuhan laju korosi. Hal inidisebabkan oleh karena :-Adanya aliran akan menyebabkanterbentuknya boundary layer (lapisan batas)

158

yang mendominasi adalah difusi akibat cacatkisi. Dari basil penelitian, harga n 'diperoleh 0.4sid 0.6, yang menunjukkan bahwa pemyataandiatas dapat diterima. Walaupun demikianuntuk lebih memahami mekanisme tersebut,perlu diadakan penelitian Ian jut.

KESIMPULAN DAN SARAN.1. Dari percobaan yang dilakukan, kinetikakorosi 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 = 0,03174mg/cm2.jam, n =0,6133 untuk AlMgSi.Dengan harga koefisien korelasi mendekati + 1atau -I.

2. Laju korosi paduan logam aluminium dalammedia air pendingin pada kondisi dinamis lebihrendah dari pada kondisi statis.

3. Ketahanan terhadap korosi paduan AlMgSilebih baik dari paduan AIMg2, dapat dili hatpada gambar 3, terjadi penahanan reaksi korosipada selang waktu tertentu untuk penggunaanlama.

4. Penggunaan pactum AlMgSi dapatmemperbaiki sifat ketaha nan korosi, akibatpengaruh /sifat reaktifitas Si lebih rendah,sehingga dapat menaikan unjuk kerja elemenbakar, serta memperpanjang umur elemenbakar.

DAFTAR PUSTAKA1. TRETHEWEY.K.R.,BENJAMIN.CHAMBE

RLAIN.J Korosi, Pt.Grame dia PustakaUtama. Jakarta 1991.

2. KENNETH..TRETHEWEY,BSC,PHD,CCHEM,MRSC MICORR.ST.AND maNCHAMBERLAIN KOROSI. PT gramediapustaka utama, Jkt 1991.

3. ERIC JOHNERI. SIGIT., Kinetika KorosiAlMg2 dan AlMgSi dalam sistem staticPusat 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 IeMonooxyde d'azote", These de Doctorat,Grenoble, 1969.

7. HART. E. , Thermodynamic Functions fornonuniform Systems.J.Chem.Phys,(1963).

8. HOLLING SWORTH. E. H., HUNSICKERH.Y. "Corrossion of Aluminium andAluminium Alloys", AluminiumCompany and of America.

9. DA.PORTER.,KE. EASTERLING, PhaseTrans formations in Material Alloys. VanNostrand Reinhold (UK).

10. VLADIMIR SEDLACEK., "Non-FerrousMaterials and Alloys Materials sienceMonographs,30., Amsterdam-Oxford-NewYork-Tokyo 1986.

SARAN DISKUSI

1. Bila akibat korosi daTi bahan asalmenunmkan umur clemen bakar sehingga dapatmerugikan Bum Up, rnaka penggantian bahanclemen bakar cukup memberikan arti.

1. Mengapa pada mekanisme dinamisterbentuk layer (oksida) pelindung,sedangkan pada statis tidak ?

.Untuk aplikasi di reaktor apakah sudahmemasukkan faktor radiasi ?

Eric Johneri :1. Karena adanya laju aliran untuk sistem

dinamis. Sedang pada sistem statis karenatidak adanya aliran (stagnasi) tidakterbentuk lapisan layer karena sifat reduktifdaTi Mg yang lebih tinggi dari AI. Dan Si.Larutan jenuh pada kondisi dinamis tidaktercapai sementara pada statismemungkinkan tercapainya larutan jenuhsehingga pada suatu saat laju korositerhenti. Pada statis : reaksi korosi berjalanterns sampai media menjadi jenuh daD

2

2. Penggunaan paduan AlMgSi sebagaia bahanstruktur elemen bakar dapat meningkatkankeselamatan operasi reaktor.

3. Sejogiyanya secara keselu ruhan, perangkatelemen bakar menggunakan bahan daTi paduanAIMgSi, akan tetapi perlu dilakukanperhitungan dan penelitian mengenai compa-tibility Si terhadap MIT yang dikembangkanmamakai bahan bakar UxSi, serta percobaanyang berkaitan dengan Burn Up terhadappenggantian bahan elemen bakar.

159

berhenti. Pada dinamis : akibat aliran/lajualiran adanya endapan yang terkelupas clanikut dalam aliran, hal ini yang dapatmembentuk lapisan oksida lain bersifatamorf yang disebut boundary layer.Bagaimana mekanisme terbentuknya, perludilakukan penelitian lanjut.

160