Common Material for Process Equipment ( MaterialSelection ) I

ARIANAemail: ari_fujiwara@yahoo.com

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

Pemilihan material atau bahan  ( material selection ) pada berbagai peralatan di industri kimia adalah   salah satu aspek yangpenting,  karena dengan pemilihan material tepat  akan dapat meningkatkan penggunaan ( long service ) dari peralatan yangbersangkutan, disamping itu juga berpengaruh terhadap  cost ( atau biaya ) konstruksi peralatan proses tersebut serta  biayamaintanance.  

Beberapa aspek atau kriteria  yang harus diperhatikan dalam pemilihan material peralatan adalah4 :

1. Material tersebut harus tahan ( resistance ) terhadap kondisi – kondisi operasi, seperti korosi, erosi , stress dantemperature

2. Biaya atau cost dari material tersebut.3. Kontaminasi yang berhubungan dengan interaksi antara material dengan fluida proses dan akibatnya terhadap proses

itu sendiri, misalnya deaktivasi katalis4. Sifat – sifat mekanikal.

Sebelum melakukan pemilihan material ada baiknya kita mengetahui beberapa sifat mekanik umum bahan , adapunbeberapa sifat mekanik material yang patut diketahui antara lain1,3 :

● Strength ( kekuatan ) adalah ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkan atau merusak material● Creep digunakan untuk menggambarkan laju deformasi plastik metal terhadap waktu dengan stress beban yang

diberikan.● Ductility ( keuletan ) dikaitkan dengan besar regangan permanen sebelum patah.● Toughness ( ketangguhan ) dikaitkan dengan jumlah energi yang diserap bahan sampai terjadinya patahan pada

material● Fatique adalah patahan yang terjadi akibat pembebanan siklus dalam waktu yang cukup lama.● Hardness adalah kebalikan dari ductility, ketahanan terhadap deformasi plastik oleh bending, penetration atau straching.● Malleability adalah ductility khusus yaitu dimana regangan permanen sebelum patahan yang disebabkan oleh rolling,

forging atau extruding. Derajat malleability berbanding lurus dengan temperature. Aluminium, Copper ( tembaga ),magnesium, perak adalah contoh dari bahan malleability.

● Brittleness adalah kecenderungan suatu bahan untuk patah atau retak ( fracture ), biasanya dibawah stress yangrendah. Brittleness adalah kebalikan  dari toughness

Pada saat melakukan pemilihan material,  korosi menjadi salah satu aspek pertimbangan yang penting. Hal ini disebabkanoleh banyak kerugian – kerugian  yang ditimbulkan oleh korosi. Hal – hal yang dapat mempengaruhi korosiadalah :

● Material itu sendiri● Lingkungan ( enviroment )  yang kontak dengan material● Desain mekanikal dari komponen material

Fluida – fluida yang digunakan pada berbagai proses memiliki kaitan yang erat dengan proses terjadinya korosi.Secara umum, fluida – fluida yang digunakan dapat dibagi diklasifikasi menjadi4:

● Campuran Hidrokarbon, tidak agresif terhadap corbon steel dan low alloys steel, namun agresif terhadap plastik

● Nonoxidizing dan reducing media● Larutan asam kecuali : hydrochloric, phosphoric, sulfuric● Neutral solution : nonoxidizing salt, chloride , sulfates● Ammonium hydroxide dan amines

● Oxidizing media● Larutan asam : asam nitrat● Neutral atau alkaline solution : persulfates, peroxide● Pitting media : acidic ferric chloride solution.

Disamping korosi , temperature menjadi aspek lain yang juga patut dipertimbangkan. Tidak jarang suatu peralatandioperasikan pada temperature yang cukup tinggi misalkan pada boiler,furnace. Peralatan yang dioperasikan pada suhu diatas 600 oC memerlukan  material khusus ( high temperature steel ). Mechanical strength Steel akan mengalami penurunanseiring dengan peningkatan temperature. Hal yang sama juga berlaku untuk kondisi cryogenic dimana dipilih material yangmemiliki  tingkat toughness yang bagus pada temperature yang rendah.

Terdapat banyak jenis material atau bahan yang digunakan untuk mengkonstruksi peralatan – peralatan ( equipment )proses. Pemilihan material tersebut tergantung pada kesesuaianya terhadap proses maupun terhadap biaya ( cost ). Secaraumum material atau bahan tersebut dapat dibagi menjadi1 :

1. Metal2. Polymetric material3. Ceramic4. Glasses

Literatur lain membagi bahan menjadi4 :

1. Ferrous metals and alloy steels.2. Nonferrous metals and alloys.3. Inorganic nonmetallic, as glass and glassed steel, porcelain and stone.4. Plastic and thermoplastic materials.

 Metal

Secara umum bahan metal yang digunakan pada industri  dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu Ferrous dan nonferrous.Ferrous metal didefinisikan sebagai bahan yang mengandung sedikitnya 50 % besi ( iron ).

Ferrous alloy. Alasan mengapa bahan ini sering digunakan adalah karena biayanya bahan ini relatif lebih murah, danmemiliki kemampuan  kerja yang baik. Ferrous alloy dapat dibagi lagi menjadi 4 bagian yaitu : Cast Iron, Carbon Steels,Low-Alloy Steels dan Stainless Steels.

● Cast Iron. Cast iron adalah alloy yang memiliki kadar carbon lebih dari 1.5 %. Terdapat 4 jenis dari Cast iron yaitu : gray,white, ductile iron dan wrought iron.

● Gray cast iron.  Gray cast iron merupakan cast iron yang umum digunakan dan paling murah diantara yang lainnnya,Mudah dibentuk, memiliki tensile streght yang rendah yaitu dari 155 – 400 N/mm2. Digunakan untuk peralatan– peralatan yang memerlukan vibration dampening dan wear resistance. Warna keabu-abuan disebabkan olehkandungan graphite yang tersebar pada massa nya. Material ini tidak digunakan untuk proses – proses yangberoperasi  pada tekanan tinggi.

● White Cast Iron. Memiliki kandungan silikon yang lebih rendah dari gray cast iron. Tidak terdapat partikel graphite pada mikrosturkturnya, apabila carbon dalam cast iron tersebut dikombinasikan dengan iron akan membentuk iron carbide (Fe3C ). Metal ini sangat abbrasive dan brittle, karena sifat – sifat ini bahan ini tidak disarankan penggunaannyauntuk aplikasi Pressure –Vessel, namun begitu dapat digunakan untuk grinding balls, casing pompa slurry danroda mobil.

● Ductile cast  iron. Memiliki unsur yang sama dengan gray cast iron, tetapi beda dalam pembuatannya. Digunakan untukhigh strenght pipe, bodi valve, casing pompa, casing kompressor , crankshaft ( poros mesin ).

● Wrought iron. Pada dasarnya merupakan besi murni ( pure iron ) dengan kandungan carbon yang rendah serta sedikitkandungan slag dalam bentuk iron silicate. Slag yang terkandung memberikan daya shock yang baik, vibrasi sertatahan terhadap korosi. Umumnya digunakan untuk pipa air, dan engine bolt.

● Silicon iron. Memilik kandungan silikon yang tinggi,  kira – kira sekitar 15 % yang disebut juga dengan siliconiron. Terdapat dua jenis umum dengan nama dagang Duriron dan Durichlor. Durichlor mengandung molybdenumdigunakan untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Keduanya digunakan untuk aplikasi yang tahan terhadapkorosi dan oksidasi. Direkomendasikan agar bahan ini digunakan kondisi tekanan operasi dibawah 50 psig.

Carbon Steel. Perbedaan antara carbon steel dengan cast iron adalah persentase kandungan carbon. Pada carbon steelkandungan carbon kurang dari 1.5 %. Material ini mudah difabrikasi dan memiliki streght yang lebih baik  dari pada cast iron.Tergantung dari jenis treatment panas serta alloy yang digunakan, bahan ini bisa dibuat dengan berbagai derajat atautingkatan hardness dan ductility, dan dengan beberapa tambahan membuat bahan ini lebih mudah disambung ( Weld ) daripada cast iron. Dengan sifat – sifat seperti ini ditambah lagi dengan ketersediaannya dalam jumlah banyak , membuat carbon steel menjadi pilihan pertama untuk konstruksi peralatan. Salah satu kelemahan utamanya adalah ketahananterhadap korosi .

Low alloy steel. Bahan ini memiliki kandungan chromium dalam jumlah yang kecil. Bahan ini menggantikan penggunaancarbon steel pada industri perminyakan karena beberapa peralatan mengalami proses korosi ketika mengolah minyakmentah dengan kandungan sulfur yang tinggi. Diketahui bahwa dengan adanya  chromium dapat menghambat pembentukaniron sulfide  Penambahan chromium juga diketahui dapat meningkatkan strenght material pada temperature tinggi.Perbedaan mendasar antara carbon steel dengan low alloy steel adalah jumlah kandungan chromium. Carbon steel memilikkandungan chromium kurang dari 4 % sedangkan Low alloy steel kandungan chromium antara 4 – 9 %.

Stainless steel. Steel dengan kandungan chromium sekitar 12 % atau lebih disebut sebagai stainless steel. terdapat 3 jenisbahan ini yaitu : ferritic, austenic dan martensitic stainless steel.

● Ferritic stainless steel. Memiliki kadar karbon sebesar 0.2 % atau kurang dan kadar chromium antara 11 – 18 %.Material  ini tahan terhadap korosi dari pada Martensistic steel serta cocok digunakan untuk fluida dengan tingkatoksidasi keasaman  tinggi seperti asam nitrat. Bahan ini memiliki tensile serta impact strenght yang rendah.

● Martensitic steel. Memiliki kadar chromium antara 12 – 18% dan kadar carbon hingga mencapai 1.2 %. Dari sisistrenght dan hardnability lebih baik dari pada ferritic stainless steel. Dengan kadar chromium yang rendah bahan initahan terhadap air, steam dan bahan – bahan yang bersifat korosi tingkat menengah ( moderate ) lainnya.

● Austenitic Stainless steel. bahan ini lebih komplek dari yang lainnya karena terdapat tambahan nickel sebesar 3.2hingga 22 % . Material ini memiliki tingkat tensile strenght yang tinggi, ductility dan lebih tahan terhadap korosi biladibandingkan dengan material stainless steel lainnya pada range temperature yang sangat lebar . Daya tahankorosinya  terhadap bahan – bahan sulfur serta asam – asam organik lebih baik dari pada carbon steel,low alloy steel bahkan terhadap ferritic dan martensitic stainless steel. Walaupun tahan terhadap korosi yang sangatbaik hingga pada temperature 650 F ke atas, pengalaman memperlihatkan bahwa material ini memiliki permasalahanterhadap stress corrosion cracking  pada temperature yang sangat tinggi dan dengan pH yang tinggi ( 8 atau ke atas ) seperti pada proses –proses high pressure boiler  feedwater system ( sistem umpan boiler bertekanan tinggi )dan nuclear steam generator ( pembangkit steam tenanga nuklir ).

NonFerrous Alloy. Pemilihan bahan jenis ini dimungkinkan apabila material ferrous alloy tidak cocok dengan aplikasi yangdikehendaki.  Bahan nonferrous alloy ini secara umum lebih mahal serta sulit untuk di sambung ( weld ). NonFerrous Alloybiasanya digunakan karena memiliki ketahanan yang sangat baik terhadap korosi  bila dibandingkan dengan ferrous alloy.Aluminum adalah contohnya.

Aluminium. Adalah bahan dengan tingkat keuletan ( ductility ) yang baik, bahan ini juga memiliki rasio high strenght  - beratyang tinggi serta nonmagnetic, memiliki konduktivitas termal dan elektrik yang baik, beberapa alloy aluminium sulit untuk disambung dengan cara pengelasan ( weld ) dan sementara yang lainnya bahkan tidak bisa disambung ( weld ). Beberapakomponen lain ditambahkan ke aluminium untuk memberikan sifat – sifat mekanikal yang lebih baik lagi ( memperbaikisifat bahan ) , komponen tambahan tersebut dapat berupa iron, manganese, silicon, copper, magnesium, dan zinc.Aluminium digunakan untuk aplikasi :  transportasi, penyimpanan dengan faktor tingkat kemurnian tinggi untuk berbagai jenislarutan organik, asam nitrat , dan larutan encer dengan pH antar 4.5 – 8.5. Material ini tidak digunakan untukmenangani alkohol , organic halides, anhydrous organis acid, mercury, garam – garam logam berat dan steam.Material ini juga dapat digunakan untuk kondisi cryogenic.

Copper Alloy. Bahan ini memiliki yang baik ketahanan terhadap korosi ( khususnya terhadap air laut , seawater).  Copperalloy dapat dibagi menjadi beberapa jenis yaitu :

● Pure copper. Bahan ini tahan terhadap korosi air laut hingga fresh water namun dengan catatan bahwa kecepatan lajualir dibawah 8 ft/s. Pure copper tahan terhadap nonoxidizing acid seperti asam sulfur encer dan asam asetat tetapi tidaktahan terhadap oxidizing acid seperti asam sulfat pekat, dan ion ammonium. Material ini tidak digunakan pada proses– proses yang menangani fluida yang mengandung ion ammonium karena akan bereaksi dengan coppermembentuk copper ammonium kompleks yang larut dalam air menghasilkan korosi yang cepat pada copper.

● Copper –beryllium alloy. Alloy ini disebut juga dengan beryllium bronze, mengadung 0.3 – 3 % berylliumdimana dengan penambahan zat ini dapat meningkatkan strenght alloy serta meningkatkan konduktivitas elektrikmaterial.

● Brasses. Mengandung 5 – 45 % zinc. Muntz adalah brasses dengan kandungan 40 % zinc. Ductility dari bahanini rendah namun tinggi dalam strenght. Cukup tahan terhadap korosi yang diakibatkan oleh seawater dan digunakanuntuk membuat tube yang murah pada  kondenser.  Yellow brass memiliki kandungan zinc sekitar 30 % dan merupakankombinasi strenght dan ductility yang baik diantara semua brass. Sementara red brass mengandung 15% zinc.

● Bronze. Bronze dulunya dikenal sebagai copper-tin-alloy. Bronze lebih mahal namun memiliki strenght yang tinggi sertalebih tahan terhadap korosi bila dibandingkan dengan brasses.  Aluminiun Bronze adalah salah satu contohnya ,mengandung 10% aluminium atau kurang. Bahan ini lebih kuat, kurang keuletannnya ( ductility ) dan lebih tahanpenggunaanya bila dibandingkan dengan copper tin bronze dan brasses. Tahan terhadap korosi hingga lingkunganyang bertemperature tinggi serta tahan terhadap air laut. Bahan ini juga tahan terhadap korosi yang disebabkan olehasam dan hidrogen sulfida. Silicon bronze mengandung 4 % silicon, memiliki strenght yang lebih tinggi, serta mampudisambung dengan cara welded. Digunakan pada lingkungan laut ( marine ) serta lingkungan asam sulfur  sertahidroklorik, juga tahan terhadap korosi yang disebabkan oleh erosi. Phosphorus bronze adalah tin bronze yangmengandung hingga 0.35 % Phosphorus. Penambahan Phosphorus memberikan efek hardness serta tahan terhadappatahan atau retakan ( fracture ) sehingga cocok digunakan untuk pembuatan pegas ( spring ) dan bearing.

Cuppronickel Alloy. Cuppronickel Alloy mengandung 50 % atau lebih copper didefinisikan juga sebagai copper alloy,sementara apabila kandungan 50% atau lebih nickel disebut dengan nickel alloy. Alloy ini lebih mahal dari pada carbon steeldan stainless steel dan tahan korosi, digunakan untuk pressure vessel. Ada tiga jenis Cuppronickel Alloy yaitu alloy Cu/Ni =90/10, 70/30 dan 55/45. untuk campuran 90/10 dan 70/30 umumnya digunakan untuk proses – proses pemipaan (piping process ), tubes dan vessel. Material ini digunakan untuk fitting steam tekanan tinggi, tube condenser dan peralatan– peralatan yang terekspose langsung dengan seawater, brackish water, dan neutral water serta tahan terhadapbenturan ( impingement ) dan erosi korosi yang sebagai akibat dari tingginya kecepatan laju alir fluida.  Campuran 55/45dikenal juga dengan constantan. Material ini memiliki tahanan elektrik  yang tinggi dan umumnya digunakan untuk peralatan– peralatan elektrik seperti proses pemanasan elektrik.

Nickel Alloy. Didefenisikan sebagai alloy yang memiliki kandungan nickel yang banyak dari pada material tambahan lainnya.Biasanya menjadi pilihan setelah carbon steel dan stainless steel. material ini dibagi atas 5 bagian yaitu :

● Pure nickel alloy● Nickel –copper alloy disebut juga dengan monels● Nickel –chromium alloy disebut juga dengan inconels atau nichromes● Nickel –chromium – iron alloy disebut juga dengan incoloys● Nickel – molybdenum disebut juga dengan Hastelloy.

Pure nickel. Pure nickel tersedia secara komersial sebagai nickel 200, 201 atau 210 mengandung 95 sampai 99.5 % nickel.Digunakan pada lingkungan yang korosif  pada temperature tinggi seperti pada 600 F. Ttahan terhadap serangan larutansoda pekat tetapi tidak cocok digunakan untuk anhydrous ammonia atau ammomium hydroxide dengan konsentrasi  lebihdari 1%.

Monels. Monel memiliki strenght dan ductility yang baik, tahan terhadap seawater, neutral water, sulfuric acid, hydrochloricacid.  Bahan ini juga tahan terhadap oxidizing envoriment.

Inconels. Adalah merek dagang untuk international nickel coperation  nickel-chromium alloy, memiliki daya tahan terhadapkorosi yang lebih baik pada temperature tinggi. Alloy 600 dan 625 merupakan inconels yang sering dipilih dan digunakanuntuk konstruksi peralatan – peralatan proses. Inconels 600 dapat tahan terhadap oksidasi  pada furnace hinggamencapai suhun 2150 F. Inconel 625 memiliki tingkat strenght dan toughness yang tinggi dapat digunakan mulai daritemperature cryogenic hingga temperature 1800 F. Umumnya digunakan untuk konstruksi boiler tekanan tinggi, peralatanreaktor nuklir, vessel untuk industri makanan dan minuman, industri farmasi, serta industri pulp & paper. Pada industri pulp &paper inconels memiliki ketahanan yang baik terhadap larutan alkaline suflur yang digunakan pada proses kraft ( pembuatanpulp pada digester ). Inconels 600 juga tahan terhadap stress corrosion  crakcing , oleh karena itu material ini cocok terhadaplarutan garam panas, larutan magnesium klorida, gas klorin.

Incoloys. Merupakan merek dagang untuk  international nickel coperation Nickel –chromium – iron alloy

memiliki daya tahan korosi pada temperature tinggi serta tahan terhadap oksidasi ( kurang dari inconel ). Digunakan untukmenangangi superheated steam hingga mencapai temperature 1150 F. incoloy 800 dan 825 adalah incoloy yang seringdigunakan untuk pressure vessel  dan pipa.

Hastelloys. Merupakan merek dagang yang digunakan oleh Cabot Corporation untuk Nickel – molybdenum. Meterialsangat baik dalam ketahananya terhadap korosi pada temperature tinggi. Hastelloy B’s dan C’s umumnyadigunakan untuk pipa tahan korosi. Hastelloy B tahan terhadap hydrogen chloride. Hastelloy C tahan terhadap wet chlorinegas, chlorine dioxide gas, larutan ferric chloride dan bahan bahan kimia oksidasi lainnya. Hastelloy C tahan terhadapcampuran asam, senyawa sulfat, flue gases. Umumnya digunakan untuk flue gas scrubber serta pulp digester.

Titanium. Titanium yang digunakan memiliki kemurnian antar 90-99.9 %. Titanium memiliki ketahanan terhadap korosi yangbaik sekali namun begitu material ini mahal dan sulit untuk disambung (welded). Titanium tidak mudah terkena dampak dariaktivitas biologi dan sering digunakan untuk mengatasi masalah korosi pada industri makanan dan minuman. Ketahananterhadap korosi yang dimiliki oleh titanium disebabkan oleh lapisan  film oksida yang terdapat pada permukaannya.Digunakan pada aplikasi yang menggunakan seawater, larutan chorida pada range temperature dan konsentrasi yang lebar .titanium akan terkorosi oleh dry chlorine gas, tetapi dengan adanya tambahan moisture pada gas tersebut akan dapatmengurangi laju korosi.

Tantalum. Tantalum memiliki daya tahan korosi yang sangat bagus namun sangat mahal. Digunakan sebagai pelapis (cladding ) pada vessel atau pipa pada lingkungan yang sangat korosif. Tahan terhadap hampir semua asam kecualihydrofluoric acid, alkaline ( basa ) dan larutan garam pada temperature ruangan. Tantalum tahan terhadap kebanyakanoxidizing dan reducing acid hingga pada temperature didihnya.

Sumber :

1. Henry J. Sandler dan Edward T. Luckiewicz, Practical Process Engineering A working Approach to Plant Design, 1987,McGraw Hill

2. Nicholas P. Cheremisinoff,  Material Selection Deskbook, 1996 , Noyes Publication3. Lawrence H.Van Vlack, Ilmu dan Teknologi Bahan Ed.5, terjemahan, 1985, Erlangga4. Alexandre C. Dimian dan Costin Sorin Bildea, Chemical Process Design, 2008, Wiley VCH