Prosiding Seminar Teknologi dan Kesdamalan PLTNserla Fasililas Nuklir

KINETIKA KOROSI AIMg2 dan AIMgSiDALAM SISTEM STATIK

Oleh

Eric Johncrl, Muchlish Badruzzaman, SigltPusat Elemen Bakar Nuklir - Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAK

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

Telah dilakukan percobaan korosi terhadap dua jenis paduan logam A1Mg2 dan A1MgSi yangbiasa dipakai sebagai bahan struktur elemen bakar nuklir RSG-GAS di Serpong pada beberapakondisi suhu dan jenis media dalam sistem statik dengan menggunakan metoda kehilangan be ratsecara diskontinyu. Contoh yang telah terkorosi ditimbang dan diuji melalui pengerjaanmetalografi untuk memperoJeh gambaran tentang keadaan strukturmikro dan kinetikl1ya. Ditinjaudari segi metalografik maka proses pengetsaan terhadap paduan aluminium terdeformasimemberikan hasil fotografi struktur mikro yang tidak kontras diantara "grain" dan besarbutir baik

pada media korosi air maupun HC1, sedangkan kurva kinetika yang diperoleh secara umum dapatdinyatakan dengan persamaan hubungan antara banyaknya logam yang terlarut, /).m, sebagai fungsiwaktu, t, pada berbagai suhu yaitu :

/).m = ktn

atau Jog /).m =logk+nJogt

Harga konstanta k dan n pada media korosi air yang diperoleh pada suhu percobaan 50·C _

90·C masing-masing berkisar antara 6,18 x10·3 sid 0,056 mg.cm·2L dan 0,937 sid 0,716 untukA1Mg2 dan 3,56x10·3 sid 0,024 mg.cm·2.j.1 dan 1,011 sid 0,782 untuk A1MgSi.

ABSTRACT

Corrosion experiments on A1Mg2 and A1MgSi alloys which are used for structure material ofnuclear fuel element at RSG-GAS Serpong have been investigated at various temperaturcs andmedia environments by means of discontinue weight loss method in static condition. Corrodedsamples were weighed and tested metallographically to have information on their micro structuresand kinetic curves. For deformed aluminium alloy, the micrographic result showed a non contrastphotographic betwecn grains and grain boundaries for both water and HCl corrosion media.

Generally, the kinetic curves were exprcssed as arelation of weightloss of metal,/). m, in functionof time, t, at various temperatures:

/).m = ktn

or Jog /). m = Jog k + n Jog t

The constants values k and n in water medium obtained at temperatures between 50·C

to 90·C were 6,18x10·3 to 0,056 mg.cm·2.j.1 and 0.937 to 0.716 for AIMg2 respectively and3.56x10·3 to 0.024 mg.cm·2j.1 and 1.011 to 0.782 for AIMgSi respectively.

I.PENDAHULUAN

Paduan logam A1Mg2 dan A1MgSi telah digunakansebagai bahan struktur pada elemen bakar nuklir jenispelat. Reaktor Serba Guna GA Siwabessy (RSG-GAS)menggunakan A1M~ sebagai kelongsong bahan bakar,sedangkan beberapa reaktor lain menggunakan A1MgSi(menurut DIN). Paduan aluminium mempunyai banyakkelebihan dibandingkan dengan yang lain misalnya :tampang serapan netron rendah, ketahanan terhadapkorosi baik, daya hantar panas dan kekuatan mekanistinggi (I).

Fungsi utama dari kelongsong bahan bakar adalah

untuk menghalangi teriepasnya hasil belah (produk re­aksi fisi) dari elemen bakar yang dapat mencemari sis­

tern pendinginsehingga dapat membahayakan lingkung­an.

266

Selama reaktor beroperasi, elemen bakarmengalami berbagai fenomena fisis, kimia, nuklir dan

metalurgi sehingga selama waktutertentukemungkinantidakdapat lagi memberikan unjuk kerja yang memadai.Untuk mendapatkan kondisi seperti semula bahan bakarperlu diganti.

Sehubungan dengan adanya interaksi antara keduabahan struktur dengan air maka fenomena korosi tidakmungkin terhindarkan baik untuk kelongsong bahanbakar (AIMg) atau pemegang perangkat bahan bakar(A1MgSi). Dengan bermacam-macam pertimbanganyang berkaitan dengan degradasi unjuk kerja bahanbakardan sistem keselamatan reaktor maka studi tentangterjadinya korosi bahan struktur dalam air perlumendapatkan perhatian. Hal ini untuk menangkal

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamall1n PLTNSerll1 Fasililas Nuklir

(A)

(B)

(c)

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG. PPTKR-BATAN

Gambar 5. Contoh Profil berkas pada permukaan sasaran.A. Dihasilkan pada peri ode uji fungsi (komisioning).B. Dihasilkan pada percobaan ini.C. Profil yang ideal

265

Prosiding Seminar Teknnlogi dan Keselamatan PLTNserta Fasilitas Nuklir

berbagai kemungkinan adanya efekyangtidakdiharapkanbaik langsung terhadap bahan bakar itu sendiri maupunke sistem pendingin.

Korosi dapat terjadi akibat interaksi langsungdengan aliran air sehingga terjadi pengikisan permukaankelongsong. Kejadian ini lambat laun akan mnyebabkanpenipisan pada kelongsong sehingga memungkinkanadanya suatu keboeoran pada elemen bakar (2).

Korosi dapat pula menyebabkan terjadinyapenebalan permukaan kelongsong sebagai akibatpembentukan senyawa-senyawa sebagai hasil reaksidengan air pendingin yang menempel pada permukaan.Peristiwa ini lama kelamaan dapat· mengakibatkanterjadinya penyumbatan pada daerah aliran airpendinginsehingga dapat memberikan gangguan terhadapperpindahan panas dan kenaikan suhu bahan bakar.

Dari uraian diatas sang at penting kiranya korosidipelajari guna keperluan keselamatan atau memperolehinformasi bagi pengembangan fabrikasi elemen bakar.Pada penelitian ini dipelajari fen omena korosi pada

sistem statik dari bahan struktur AIM~ dan AIMgSidengan menggunakan metoda kehilangan be rat.

Adapun varia bel yang dibahas yaitu : suhu, waktudan media korosi (air dan HCI). Pereobaan dilakukandengan eara perendaman euplikan di dalam mediakorosi pada kondisi statik dengan selang waktu sertavariasi suhu tertentu. Dari hasil pereobaan ini dapatditentukan kinetika korosi untuk kedua jenis logampaduan tersebut.

Untuk memperoleh gambaran mengenai strukturmikro dilakukan pula pengerjaan seeara metalografiterhadap bahan yang telah terkorosi yaitu denganmengamati hasil fotografinya (3). Untuk keperluan ituproses pengetsaan merupakan faktor yang pentingsupaya dapat diperoleh gambar yang kontras antarabutirdan batas butir, sehingga interpretasi dapatdilakukandengan baik (4). '

II. METODA ITATA KERJA

(a)

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BAIAN

A. BAHAN

Gagalan A1M~ dan A1MgSi diperoleh dari fabrikasiIPEBRR - PEBN, yang kemudian dieelupkan kedalamair dan asam khlorida sebagai pembanding.

Untuk proses metalografi dibutuhkan kertasampelas dengan berbagai kekasaran dan pasta aluminauntuk pemolesan. Sedangkan untuk etsa diperlukaneampuran asam khlorida, asam nitrat dan asam fluorida.B.ALAT

Gagalan dipotong dengan alat potong, dirapikandengan alat gerinda sebelum dicelupkan dalam tabunggelas yang berisi air dan asam khlorida. U ntuk media airsuhunya diatur dengan memakai pemanas . \

Setelah terjadi proses korosi, sampel dibersihkan,dikeringkan kemudian diamati dibawah mikroskop optik.C. TATA KERJA

Gagalan AIMg2 dan AIMgSi dipotong-potongdengan ukuran 2 em x 1,5 em x 0,6 em, kemudiandieuei dan dikeringkan. Setelah kering, setiap sam pelditimbang.Sampel direndam dalam media korosi yaitu air bebasmineral sebanyak 250 ml, sampellain dalam HC130 %selama selang waktu dan suhu tertentu. Interval waktuantara 100 - 350 jam, sedangkan suhu dari 50°C - 90°C(323°K - 363°K).Pada akhir percobaan sampel uji diambil laludibersihkandari kotoran pada permukaannya, kemudiandikeringkandan ditimbang. Perbedaan berat sebelum dan sesudahpereobaan dieatat.

Untuk beberapa kondisi dilakukan observasimenggunakan mikroskop optik terhadap permukaansampel yang telah terkorosi.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. HASIL FOTOGRAFI DAN MIKROSKOPIKKeadaan permukaan log am setelah terkorosi dapatdilihat melalui hasil fotografi permukaan logam seperti terlihat pada Gambar 1.

(b)

Gambar 1. Foto permukaan dari AIMg2 (a) dan AIMgSi (b) setelah terkorosipada suhu kamar, media air, t= 350 jam, perbesaran 100 x

267

Prosiding Sc:millar TdawJogi dall Kesdamatall PLTNsata FasiJitas NukJir

Pada Gambar 1a tampak bahwa korosi hampirmerata pada permukaan, sedangkan pada Gambar 1bterlihat adanya korosi yang tidak merata padapermukaannya. Diduga hal ini disebabkan adanya unsurSi pada paduan AIMgSi yang mengumpul pada tempat­tempat tertentu. Korosi pada media ini disertai denganpenempelan oksida-oksida dan senyawa pengotor lain­nya yang diperkirakan berasal dari kompleks AI, Mg atauSi yang terbentuk selama waktu pencelupan (350 jam)pada percobaan ini.

Hasil pengamatan dari kedua jenis bahan paduanaluminium terse but memberikan dugaan bahwa unsurSi bersifat menaikkan ketahanan korosi, sehingga dapatdikatakan bahwa bahan terbuat dari AIMgSi lebih tahan

korosi dibandingkan dengan bahan terbuat dari AIMg2terhadap media air pendingin reaktor, yang berarti

ketebalan AIM~ lebih ban yak berkurang dibandingAIMgSi.

Gambar 2a dan 2b menunjukkan pengikisanpermukaan (korosi) terjadi semakin hebat karena mediayang dipakai adalah HC!. Hal ini dapat dimaklumikarena logam yang bermuatan positifberinteraksi kuatdengan ion khlorida. Percobaan dengan menggunakanmedia HCI ini dimaksudkan untuk memperjelaspengaruh tingkat keasaman suatu media terhadap bahanyang dipelajari.

B. Korosi AIMgz dan AIMgSi dalam media airpendingin pada kondisi statik

Berat paduan aluminium yang hilang (Llm) karenakorosi pada berbagai suhu dan waktu pencelupan dapatdilihat pada gambar 3 dan 4.

Tampak bahwa kinetika korosi paduan AIM~ danAIMgSi dalam airpada interval suhu50°C-70°C (323°K- 343°K) adalah linier hingga waktu pencelupan 350

(a)

Sc:rpollg, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

jam. Hal ini diduga disebabkan oleh salah satu tahapanproses yang mengontrol reaksi secara keseluruhanseperti adsorpsi, reaksi ekstem dan intern (5).

Pada suhu 80°C - 90°C (353°K - 363°K) mulaiterlihat adanya penyimpangan alur linierterutama pada

alur AIM~ yang diduga disebabkan oleh pengontrolanlebih dari satu tahapan proses, misalnya campuranantara difusi-adsorpsi (6).

Kurva-kurva yang diperoleh tersebut secara umumdapat dinyatakan dengan persamaan :

Ll m:: ktD ~ (1)atau

log Llm:: log k + n log t (2)dengan

Llm :: berat logam yang larut karena korosi (mglcm2).

t :: waktu, jamk,n :: konstanta

Dari da~a yang diperoleh dapat dihitung lebihlanjut log Llm dan log t untuk setiap percobaan gunamenentukan harga konstanta k dan n (Tabel 2). Daripersamaan (2) dapat dibuat kurva garis lurus log _ mversus log t dengan slope = n dan intersep = log k(Gambar 5 dan 6) yang selanjutnya harga konstanta kdann dapat ditentukan (Tabel 1).

Dengan diperolehnya harga k dan n pada setiapsuhu, maka harga-harga tersebut dapat dimasukankedalam persamaan (2) sehingga diperoleh persamaanhubungan antara kehilangan berat dari logam paduan

AIMg2 dan AIMgSi dengan waktu pencelupan padasuhu tertentu.

(b)

Gambar 2. Permukaan AIMg2 (a) dan AIMgSi (b) setelah terkorosipad a suhu kamar, media HCI 30%, t = 45 men it

268

Prosiding Seminar Tekrw/ogi dan Keselamatan PLTNserta Fasi/itas Nuk/ir

4

3.5 .-

3 .-,--..N8ubb 2.58'-../

0.5

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BAIAN

.\

200 250

Waktu (t) Jam

-w- 323 oK --'-+- 333 oK -10- 343 oK -EJ- 353 oK ~ 363 oK

Gambar 3: Hubungan Berkurangnya Berat AIMg2sebagai fungsi waktu pada berbagai subu

o50

2.5

2 .-,--..N8u--5b 1 5 .-'-../ .

1

0.5 .-

100 150 300 350

.,

400

o50 100 150 200 250 300 350

Waktu (t) Jam

__ 323 oK -+-- 333 oK -10- 343 oK -(3- 353 oK . ~ 363 oK

Gambar 4: Hubungan Berkurangnya Berat AIMgSi

sebagai fungsi waktu pada berbagai subu

269

400

Prosiding Seminar Telmologi dan Kesdamalan PLTNserla Fasililas Nuklir

0.6

0.5 .-0.4 .-0.3 .-0.2 .-

8 "<30.1 .-b.O

.30

-0.1 .--0.2 .--0.3

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG,PPTKR -BATAN

.\

2.2 2.3

Log t

• 323 oK • 333 oK ,,343 oK X 353 oK

Gambar 5: Kurva Log Elm versus Log tpada berbagai subu dari pelarutan AIMg2 dalam air

-0.4

1.8 1.9 2 21 2.4 2.5

+ 363 oK

2.6 2.7

22 2.3

Log t

• 323 oK • 333 oK ,,343 oK x 353 oK + 363 oK

Gambar 6: Kurva Log /} m versus Log tpada berbagai subu dari pelarutan AIMgSi dalam air

0.4

0.30.2 .-0.18

0<1 b.O.3 -0.1 .-

--0.2 .--0.3- 0.4 .--0.5

1.81.92

2.1

"

2.4 2.5 2.6

.',

2.7

270

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan PLTNserta Fasilitas Nuklir

Tabel 1. Harga konstanta k dan n pada berbagai suhu

Serpong, 9·10 Februari 1993PRSG, PPTKR • BATAN

AIMg2AIMgSi

No.

SuhuoK

nlog kknlog kkmg/cm2/j

mg/cm2/j

1.

323 0,937-2,2096,18.10-31,011-2,4483,56.10-3

2.

333 0,903-2,0079,84.10-30,959-2,2935,09.10-3

3.

343 0;859-1,8020,0160,895-2,1067,83.10-3

4.

353 0,832-1,6730,0210,876-1,9270,012'

5.

363 0,716-1,2480,0560,782-1,6260,024

V. KESIMPULAN/SARAN

1. Dari percobaan yang dilakukan, ternyata kinetika ko­

rosi AIMg2 dan AIMgSi dalam airmengikuti hubunganpersamaan

m=ktn

Ditinjau terhadap temperatur, maka harga konstantak makin besar pada temperatur yang makin tinggi,tetapi sebaliknya harga n makin menurun.

2. Kurva kinetika korosi paduan AIMg2 dan AIMgSi da­lam air pada interval suhu antara 50 - 70°C secarapraktis membentuk alur linier sedangkan pada suhu 80- 90°C mulai terlihat adanya penyimpangan tcrutamapada alur AIMg2•

3. Disarankan penelitian ini dilanjutkan dengan men am­

bah variabel temperatur di bawah 50°C, korosi padasistem dinamik di dalam maupun di luar reaktor,sehingga akan didapat masukan lebih banyak danbermanfaat guna menentukan unjuk kerja bahankelongsong dan selanjutnyajuga untukfabrikasi elemenbakar.

IV. DAFTAR PUSTAKA

1. BENJAMIN, M, "Nuclear Reactor Material and Aplication", hal. 294-296, Van Nostrand Reinhold Coy, NewYork,1983.

2. TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN.J., "Korosi", hal. 17-18, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1991.3. SRIATI DJAPRIE, "Ilmu Dan Teknologi Bahan", Penerbit Erlangga, hal. 128 (1983)4. PETZOW, G., "Metallographic Etching", American Society For Metals, Ohio, 1978

5. PAULEAU,Y., "Etude Cinetique de I'oxydation du Nickelet du Cuivre par Ie Monooxyde d'azote", Thesede Doctorat, Grenoble, 1969.

6. CODDET, C., "La Corrosion Seche Ii Haute Temperature: Processus Diffusionnels et Proprietes Mecaniques",These de Doctorat, Grenoble, 1977.

7. HOLLINGSWORTH,E.H.,HUNSICKER,H.Y., "Corrosion of Aluminium and Aluminium Alloys", AluminiumCompany of America.

271

Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan PLTNserla Fasililas Nuklir

DISKUSI

Serpong, 9-10 Februari 1993PRSG, PPTKR - BATAN

JB. HERSUBENO :

1. Saudara menyatakan bahwa laju korosi AlMgSi lebih kecil daripada AlM~ dan dinyatakan bahwa Si mempunyaikontribusi terhadap hal ini. Bagaimana hipotesa saudara atas peranan Si ini? Sudahkah saudara melakukan analisaterhadap oksida yang terbentuk ?

2. Dikatakan pengaruh temperatur terhadap harga k dan n dari hubungan delta f1m = ktn . Seberapa jauh penurunanharga n ?

Bagaimana komentar saudara terhadap .

ERIC JOHNERI :

Si dari literatur mempunyai ketahanan terhadap korosi lebih tinggi dalam paduan ini Si akan mengikaat Oksigen

menjadi Si02• Sehingga faktor penyebab korosi dapat/diantipasi oleh Si tersebut. .Secara metalografi dapat dilihat wama dari Si02 tetapi dengan alat metalografi yang dipakai dalam penelitian inidenagn mikroskop biasa (metalographic microscope) mungkin dengan alat yang lebih baik lebih dapat dibedakankarena adanya terbentuk senyawa lain dengan wama yang hampir sarna. Yang disebutkan terakhir sudah bisaberoperasi dengan baik untuk penelitian yang akan datang.

SUW ARDI :

1. Pada kesimpulan 1)

f1 m = k tn, k naik dengan temperatur dan n turun dengan temperatur. Dntuk hal terakhir dapatkah dijelaskan daridata percobaan dan mungkin mekanisme dasar perubahan ini ? Sebab tanpa perubahan mekanisme n akan tetap.

2. Eksperimen dilakukan dengan rentang waktu sekitar 350 jam (25 hari) sxedangkan elemen bakar dapat diopera­sikan selama sekitar 1 tahun dalam teras reaktor dan berpuluh tahun dalam kolam penyimpanan, pertanyaannyakesimpulan yang diambil dapat di-ekstrapolasi sampai kapan (dan Data sekita 25 hari) dan apa dasamya/mekanismenya.

ERIC JOHNER! :

1. Penurunan harga n sudah dijawab pada pertanyaan sebelumnya.Mengenai mekanisme korosi banyak kemungkinan yang bisa terjadi seperti difusi oksigen ke dalam bahandemikian pula absorbsi oksigen yang berada di udara sehingga dapat bereaksi dengan logam membentuksuatunoksida adapum mekanisme mana yang berlaku penelaahan dan peneliti~n lebih lanjut.

2. Dalam penelitian ini ada beberapa keterbatasan diantaranya untuk percobaan yaitu sampai 350 jam.Namun dengan ini diharapkan sudah ada gambaran kandungan korosi dari AlMg2 dan AIMgSi dalam air pendinginreaktor sehingga seberapajauh korosi dapat diketahui secara dini untuk kondisi korosi >350 jam perlu dilakukanpenelitian lebih lanjut.

272