ANALISIS KOROSI TEMPERATUR TINGGI AKIBAT GARAM CAIR PADA PIPA SUPERHEATER BOILER
TUGAS SARJANA
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menempuh Ujian Strata Satu pada Program Studi Teknik Material, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Institut Teknologi Bandung
Disusun oleh : Eko Waskito Hadi 13703014
PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Jl. Ganesha No.10 TELP. 022-2504243 Bandung 40132
TUGAS SARJANA Diberikan kepada
:
Eko Waskito Hadi
Dosen Pembimbing
:
Dr. Ir. Husaini Ardy
Jangka waktu penyelesaian :
10 bulan
Judul
Analisis Korosi Temperatur Tinggi Akibat
:
Garam Cair pada Pipa Superheater Boiler Isi tugas
:
1. Mengetahui pengaruh komposisi deposit (Na2SO4 / NaCl) terhadap sifat korosi dan serangan korosi pipa superheater boiler PLTU. 2. Mengetahui pengaruh lama pemanasan terhadap sifat korosi dan serangan korosi pipa superheater boiler PLTU. 3. Mengetahui mekanisme korosi yang terjadi pipa superheater boiler
Bandung, Februari 2008
Dosen Pembimbing
Dr. Ir. Husaini Ardy
LEMBAR PENGESAHAN
Tugas Sarjana yang berjudul :
ANALISIS KOROSI TEMPERATUR TINGGI AKIBAT GARAM CAIR PADA PIPA SUPERHEATER BOILER
Disetujui dan disahkan, Bandung, Februari 2008
Dosen Pembimbing
Dr. Ir. Husaini Ardy NIP.131558624
ABSTRAK Salah satu pemakaian boiler di industri adalah dalam industri Pembangkit Listrik Tenaga Uap. Lingkungan kerja boiler tersebut menjadi relatif berat apabila PLTU tersebut berada di dekat pantai serta penggunaan bahan bakar batu bara yang dapat mengakibatkan korosi pada komponen-komponen boiler tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui korosi yang terjadi pada salah satu komponen boiler yaitu material pipa superheater (SA 213 T-11). Modus korosi yang diamati dalam penelitian ini adalah korosi temperatur tinggi akibat garam cair. Garam cair tesebut berasal dari sisa pembakaran batu bara (Na2SO4). Pengaruh korosi akibat lingkungan pantai (ion Cl-) diamati dengan pemakaian NaCl. Korosi temperatur tinggi akibat garam cair ini disimulasikan dengan menggunakan pre-coated synthetic deposit, yaitu Na2SO4 dan NaCl, yang didepositkan pada permukaan spesimen pipa superheater. Tebal deposit adalah sekitar 2,0 mm. Spesimen dipanaskan pada temperatur 9500C yaitu mendekati temperatur lidah api pada dinding luar pipa superheater. Waktu pemanasan yang digunakan adalah 6, 12, dan 18 jam. Dari penelitian ini diperoleh data penambahan berat spesimen setelah mengalami korosi, dan kedalaman serangan korosi yang dihasilkan. Hasil percobaan menunjukkan bahwa terdapat peningkatan laju korosi akibat adanya deposit yang menempel di permukaan luar pipa superheater. Keberadaan unsur sulfur dalam Na2SO4 dapat memperparah korosi walaupun tidak separah unsur Cl dalam NaCl. Serangan korosi yang paling parah terjadi pada konsentrasi deposit yang terdiri atas 40% Na2SO4 dan 60% NaCl, dengan waktu pemanasan 18 jam. Pertambahan berat yang dihasilkan adalah 23,099 mg/cm2 dan kedalaman serangan korosi sekitar 853 μm. Dalam penelitian ini juga diperoleh data mekanisme korosi temperatur tinggi yang terjadi. Dari pengamatan materialografi pada antarmuka metal/oksida ditemukan perbedaan mekanisme korosi akibat Na2SO4 dan akibat NaCl. Mekanisme korosi akibat unsur S pada Na2SO4 diawali dengan sulfidasi pada batas butir, kemudian difusi karbon ke batas butir (karburasi), dan dilanjutkan dengan oksidasi. Keberadaan Na2SO4 dalam fasa cair (molten phase) dapat melarutkan lapisan oksida pelindung pada permukaan spesimen. Mekanisme korosi temperatur tinggi akibat NaCl diawali dengan difusi karbon ke batas butir dan dilanjutkan dengan oksidasi. Ion-ion Cl- akan menjadi katalis reaksi korosi tersebut. Kata kunci : pipa superheater boiler, deposit, korosi temperatur tinggi, oksidasi
ii
ABSTRACT Most of the industrial boiler is usually use for Steam Power Generation Plant. The operating condition become more severe when the Steam Power Generation Plants located in marine atmosphere. The use of coal as a fuel will promote corrosion because the coal ash deposit contains corrosive substances, such as Na2SO4 and NaCl. The objective of this research is to observe the corrosion behavior of boiler superheater tube materials (SA 213 T-22) due to both coal ash deposit and marine environment respectively. The corrosive substance for this research consists of Na2SO4 as a representative of the coal ash deposit, and NaCl to represent the marine environment. High temperature corrosion attack because of molten salt were simulated by applying 2.0 mm pre-coated synthetic deposit of Na2SO4 and NaCl onto the surface of boiler superheater tube specimens. The specimens were heated to 9500C that represent the flame temperature on the superheater tube surface. The exposure time was varied from 6, 12, to 18 hours. Weight gain of the specimens due to corrosion was observed, as well as the depth of corrosion attack (materialography method). The experimental results show the increase in corrosion attack due to surface deposit. Sulfur in Na2SO4 salt can increase the severity of attacks; even it is not as severe as chloride in NaCl salt. The most severe attack was found on specimens which deposit consists of 40% Na2SO4 and 60% NaCl, and the exposure time of 18 hours. The weight gain for this specimen is 23,099 mg/cm2 and the depth of corrosion attack around 853 μm. The corrosion mechanisms were also observed. Metallography examinations of the metal/oxide interface revealed that there was a different corrosion mechanism between Na2SO4 molten salt and NaCl molten salt. The corrosion attack by Na2SO4 was initiated by sulfidation on the grain boundaries, followed by carbon diffusion into the grains (carburation), and finally the oxidation. The molten Na2SO4 will dissolve the protective oxide layer on the specimen surface. High temperature corrosion caused by NaCl was initiated by carbon diffusion into the grains, followed by oxidation. The chloride ions will act as the catalyst for the corrosion reaction. Keywords: boiler superheater tube, deposit, high temperature corrosion, oxidation
iii
KATA PENGANTAR Assalamualaikum Wr. Wb Segala puji dan syukur selalu penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkah dan rahmat yang selalu diberikan, sehingga berkat rahmat dan karunia-Nya tanpa berkah, rahmat dan hidayah-Nya penulis tidak mungkin dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Tugas Akhir ini ditulis untuk memenuhi syarat akademis dalam menyelesaikan tahap S-1 di Program Studi Teknik Material, Institut Teknologi Bandung. Tugas Akhir ini berjudul Analisis Korosi Temperatur Tinggi Akibat Garam Cair pada Pipa Superheater Boiler. Penelitian dan penyusunan tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : •
Allah SWT. yang selalu berkah, rahmat, bimbingan hingga tugas akhir ini selesai.
•
Bapak, ibu dan Adik-adikku Duwik, Tiyok yang tercinta atas dukungan semangat dan doa selama ini kepada penulis.
•
Bapak Dr.Ir Husaini Ardy sebagai dosen pembimbing tugas akhir ini.
•
Seluruh dosen pengajar Program Studi Teknik Material ITB : Bpk. Prof. Dr. Ir. Mardjono, Bpk. Prof. Dr. Ir. Rochim Suratman, Bpk. Dr.Ir Aditianto Ramelan, Bpk. Dr.Ir Slameto Wiryolukito, Bpk. Dr.Ir Arif Basuki, Bpk. Dr.Ir Bambang Widyanto, Bpk. Dr.Ir Hermawan Judawisastra, Bpk. Dr. Ir. Budi Hartono Setiamarga, Bpk Dr. Ir. Bambang Sunendar, Bpk Dr. Ir. Syoni S. Bpk. Dr. Ir. Irwan Noezar dll.
•
Dona yts. Atas segala dukungan dan semangat serta kesabaran yang telah diberikan pada penulis baik dalam suka maupun duka. Ga bisa dibayangkan gimana jadinya kalo kemaren-kemaren ga ada kamu and thank for this happiness.
iv
•
Seluruh keluarga besar penulis : Kel. Paman Madi, Kel. Om Gie, Kel. Om Jie, Kel. Mas Yono, Mba’ Yuni, Mba Cici, Syendy, Alm. Nenek, Alm. Uak dan semua kel. yang lain yang tidak sempat tertulis.
•
Team TA Pak Ucha : Rully (yang minjemin Laptop buat sidang), Dion, Winda, dan Ester. Terus berjuang and Thank you so much.
•
Teman-teman Angkatan 03 : Aconk, Besty ST, Lele, Hans ST, Tumpal, Rudy ST, Dion, Bastian ST, Ferry, Galih, Dimas ST, Oonx (yang minjemin laptop buat seminar), Mahetsa, Deni, Wadi, Heri ST, Ari, Elia, Adhitya ST, Hadi, Jan, Danil, Ade ST, Fredy ST, Pramutadi, Hangga ST, Rully, Bayu ST, Josafat, Resa ST, Mirza, Petra, Wily, Weko ST, Irwan, Alex, Helmi, Holy ST.(kordas pul), Winda, Ester, Yusuf juga teman-teman senior MTM 01, 02, S2 Material serta MTM 04, 05 atas segala dukungan.. Thank for beautifull friendship.....
•
Teman-teman seperjuangan penulis selama kuliah di ITB : Dimas ST.(MT 03), dan Mail ST.(TF 03). Akhirnya gw nyusul kalian berdua.....
•
Staf TU T. Material dan Teknisi Lab Logam, Teh Wiwi, Teh Wulan, Teh Ika, Pak Idrus Pak Jai, Pak Maskun, Pak Akhmadi, Pak Tatang, Pak Lala.
•
Semua pihak yang telah membantu penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini yang tidak tersebutkan.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penyusunan Tugas Akhir ini. Oleh karena itu penulis menerima segala kritik dan saran yang membangun sehingga dapat menyempurnakan Tugas Akhir ini. Semoga tulisan ini bermanfaat bagi kita semua.
Bandung, Januari 2008
Penulis
v
DAFTAR ISI ABSTRAK..............................................................................................................ii ABSTRACT.............................................................................................................iii KATA PENGANTAR...........................................................................................iv DAFTAR ISI..........................................................................................................vi DAFTAR GAMBAR...........................................................................................viii DAFTAR TABEL.................................................................................................xii DAFTAR LAMPIRAN........................................................................................xiii BAB I PENDAHULUAN......................................................................................1 1.1 Latar Belakang Masalah.....................................................................1 1.2 Batasan Masalah.................................................................................3 1.3 Tujuan................................................................................................4 1.4 Metode Penelitian..............................................................................4 1.5 Sistematika Penulisan........................................................................4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...........................................................................6 2.1 Batu Bara (coal)...............................................................................6 2.2 Boiler dan Prinsip Kerjanya.............................................................9 2.3 Oksidasi dan Korosi pada Temperatur Tinggi...............................13 2.4 Dasar Teori SEM/EDS...................................................................30 BAB III METODE PENELITIAN.......................................................................34 3.1 Preparasi Sampel............................................................................35 3.2 Penentuan Jenis Material ...............................................................36 3.3 Annealing + Tempering..................................................................36 3.4 Penentuan Energi Aktivasi dan Kurva Wt/Wo terhadap Hallomon Jaffe Parameter..............................................37 3.5 Weight Change Kinetik..................................................................38 3.6 Penentuan Pengaruh Komposisi Pre-Coated terhadap Corrosion Attack tiap Lama Pemanasan..........................41 3.7 Metalografi dan SEM/EDS.............................................................41
vi
BAB IV DATA DAN ANALISIS........................................................................43 4.1 Penentuan Jenis Material dengan Teknik Struktur Mikro (Data dan Analisis)..............................................................43 4.2 Annealing + Tempering..................................................................45 4.3 SEM dan EDS Produk Korosi Material Superheater Tube Boiler PLN........................................................48 4.4 Penentuan Energi Aktivasi dan Pengaruh Temperatur terhadap Hallomon Jaffe Parameter (Data dan Analisis).......................................................51 4.5 Kinetika Perubahan Berat (Weight Change Kinetik) Sampel.........53 4.6 Pengaruh Komposisi Pre-Coated terhadap Corrosion Attack tiap Waktu Pemanasan.......................................56 4.7 Analisis Sifat Korosi Temperatur Tinggi Pipa Superheater Boiler..........................................................................61 4.8 Metalografi Antarmuka Metal/Oksida...........................................65 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN..............................................................68 5.1 Kesimpulan.....................................................................................68 5.2 Saran...............................................................................................68 DAFTAR PUSTAKA............................................................................................69 LAMPIRAN...........................................................................................................71
vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1
Skema Pembangkit Listrik Tenaga Uap...........................................1
Gambar 1.2
Grafik harga batu bara PT. Bukit Asam Indonesia..........................2
Gambar 2.1
Batu Bara..........................................................................................6
Gambar 2.2
Skema Cornish Boiler....................................................................10
Gambar 2.3
Skema Lancashire Boiler...............................................................10
Gambar 2.4
Skema Locomotive Boiler..............................................................11
Gambar 2.5
Skema Water Tube Boiler..............................................................12
Gambar 2.6
Skema Boiler Pipa Air (a) Tipe O, (b) Tipe D, (c) Tipe A............12
Gambar 2.7
Skema Boiler Babcock & Wilcox..................................................13
Gambar 2.8
Boiler Pipa Air (a) Thornycroft, (b) Stirling, (c) Yarrow..............13
Gambar 2.9
Bagan Korosi Temperatur Tinggi..................................................17
Gambar 2.10 Skema Perbandingan Korosi pada Temperatur Tinggi dengan Korosi pada Temperatur Kamar........................................18 Gambar 2.11 Skema Proses Korosi Temperatur Tinggi yang Terjadi pada Jenis-Jenis Oksida Logam........................................19 Gambar 2.12 Energi Bebas Standar Pembentukan Beberapa Oksida sebagai Fungsi Temperatur............................................................22 Gambar 2.13 Skema yang Menunjukan Efek Penambahan Chromium pada Paduan Fe-Cr Terhadap Kecepatan Oksidasi dan Struktur Lapisan Oksida yang Terbentuk Berdasarkan Oksidasi Isothermal pada 1000oC..................................................23 Gambar 2.14. Pengaruh Kandungan Solute pada Transisi dari Oksidasi Internal Menjadi Oksidasi Eksternal Ketika Tekanan Parsial Oksigen Terlalu Rendah Untuk Mengoksidasi Elemen A. (a) Diagram Skema Penampang Melintang dan Profil Konsentrasi B Ketika NB Kurang dari Nilai Kritis Menunjukan Terjadinya Internal Oksidasi. (b) Skema Diagram untuk Nilai NB Lebih Besar dari Nilai Kritis Menunjukkan Pembentukan BO yang
viii
Kontiniu……................................................................................24 Gambar 2.15. Pengaruh Konsentrasi Solute terhadap Transisi dari Internal Menjadi Eksternal Oksidasi ketika Kedua Oksida Elemen-Elemen tersebut Terbentuk. (A) Skema Diagram Penampang Melintang ketika NB Kurang dari Nilai Kritis Menunjukan Oksidasi Internal B Di bawah eksternal Scale AO. (B) Skema Diagram Penampang Melintang Ketika NB Melebihi Nilai Kritis sehingga Menghasilkan Pembentukan Lapisan Scale Eksternal BO…………………………………….25 Gambar 2.16 Ketahanan Oksidasi Beberapa Stainless Steel sebagai Fungsi dari Temperatur............................................................................26 Gambar 2.17
Pengaruh Penambahan Cr dan atau Si terhadap Ketahanan Oksidasi pada Baja di Udara........................................................28
Gambar 2.18 Interaksi antara Elektron dengan Benda Kerja.............................31 Gambar 2.19 Eksitasi Elektron Pada Orbital dan Kα, Lα dan Mα.....................33 Gambar 3.1
Diagram Alir Percobaan...............................................................34
Gambar 3.2
Spesimen superheater tube Boiler PLN.......................................35
Gambar 3.3
Bentuk dan Ukuran Spesimen......................................................35
Gambar 3.4
Skema Proses Annealing + Tempering........................................36
Gambar 3.5
Diagram Alir Penentuan Energi Aktivasi.....................................38
Gambar 3.6
Diagram Alir Penentuan Pengaruh Komposisi Pre-Coated Na2SO4/NaCl terhadap Weight Gain………………39
Gambar 3.7
Sampel Setelah Dilakukan Pre-Coated Deposit Sintetik.............40
Gambar 3.8
Diagram Alir Penentuan Pengaruh Komposisi PreCoated Na2SO4/Nacl terhadap Weight Gain………………........40
Gambar 3.9
Diagram Alir Penentuan Pengaruh Komposisi Pre-Coated Na2SO4/NaCl terhadap Weight Gain………………41
Gambar 3.8
Mikroskop Optik dengan Software OMNIMET..........................42
Gambar 3.9
SEM/EDS.................................................................................... 42
Gambar 4.1
Struktur Mikro Awal Spesimen Boiler Superheater Tube dengan Etsa Nital 2%...................................................................43
ix
Gambar 4.2
Struktur mikro ASME SA213-T22 boiler tube steel dengan etsa 4% picral...................................................................44
Gambar 4.3
Diagram fasa Fe-Fe3C……………………………………..…....46
Gambar 4.4
Skema Proses Annealing + Tempering........................................46
Gambar 4.5
Struktur Mikro hasil Annealing Pendinginan Udara + Tempering dengan Etsa Nital 2%................................................47
Gambar 4.6
Struktur Mikro Annealing Quench Oli + Tempering dengan Etsa Nital 2%................................................47
Gambar 4.7
Full Frame Produk Korosi Spesimen dengan Komposisi Pre-Coated 60%NaCl/40%Na2SO4, T=9500C dan t=6 Jam........48
Gambar 4.8
Struktur Mikro Oksida Fe yang Terbentuk pada Korosi Temperatur Tinggi di Udara..............................................50
Gambar 4.9
⎛ Wt ⎞ ⎛1⎞ Grafik Hubungan ln ⎜ ⎟ terhadap ⎜ ⎟ ...................................51 ⎝ Wo ⎠ ⎝T ⎠
⎛ ΔW ⎞ 3 Gambar 4.10 Grafik Hubungan ⎜ ⎟ terhadap HJP = T (C + log t ) * 10 ........52 Wo ⎝ ⎠
Gambar 4.11
Weight Gain vs Komposisi Pre-Coated Deposite Seiring dengan Penambahan NaCl tiap Waktu Pemanasan……………..54
Gambar 4.12
Corrosion Attack dan Weight Gain 310SS pada Temperatur 7500C dan Lama Pemanasan 24 Jam…………………………....54
Gambar 4.13 Grafik Weight Gain vs Waktu Pemanasan……………………...55 Gambar 4.14 Grafik Weight Gain vs Waktu Pemanasan SS310 pada T=7500C……………………………………………….......56 Gambar 4.15 Struktur Mikro Spesimen 1 (0/0) Hasil Pemanasan pada T =9500C selama 6 jam.................................................................57 Gambar 4.16 Struktur Mikro Spesimen 1 (0/0) Hasil Pemanasan pada T =9500C selama 12 jam...............................................................58 Gambar 4.17 Struktur Mikro Spesimen 1 (0/0) Hasil Pemanasan pada T =9500C selama 18 jam...............................................................59 Gambar 4.18
Corrosion Attack vs Komposisi Pre-Coated Deposite (Seiring Bertambahnya NaCl)…………………………...……....60
x
Gambar 4.19
Skema Korosi Temperatur Tinggi yang Dikatalisasi oleh Cl2..........................................................................................62
Gambar 4.20
Oksidasi Metal pada Temperatur Tinggi………………………...62
Gambar 4.21
Skema Mekanisme Sulfidasi yang Terjadi pada Temperatur Tinggi.........................................................................63
Gambar 4.22
Struktur Mikro Metal/Oxide Interface Sampel dengan PreCoated 100% NaCl Hasil Pemanasan pada T = 9500C, t = 12 Jam......................................................................................65
Gambar 4.23
Struktur Mikro Metal/Oxide Interface Sampel dengan PreCoated 100% NaCl Hasil Pemanasan pada T = 9500C, t = 18 Jam.....................................................................................65
Gambar 4.24
Struktur Mikro Metal/Oxide Interface Sampel dengan Pre-Coated 100% Na2SO4 Hasil Pemanasan pada T = 9500C, t = 12 Jam...................................................................66
Gambar 4.25
Struktur Mikro Metal/Oxide Interface Sampel dengan Pre-Coated 100% Na2SO4 Hasil Pemanasan pada T = 9500C, t = 12 Jam...................................................................67
xi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1
Komposisi Unsur Penyusun Utama Batu Bara...................................8
Tabel 4.1
Komposisi ASME SA213-T22…………………………………….44
Tabel 4.2
Komposisi Unsur Hasil EDS………………………………………49
Tabel 4.3
Hasil EDS Oksida yang Terbentuk pada Baja Paduan Rendah……………………………………………………..50
xii
DAFTAR LAMPIRAN L.1
Struktur Mikro Hasil Annealing + Tempering dengan Etsa Nital 2%. (a) Annealing dengan Pendinginan udara + Tempering, (b) Annealing dengan Quench Oli + Tempering.......................71
L.2
Perbesaran masing-masing Oksida Hasil SEM Spesimen dengan Pre-Coated 40%Na2SO4/60%NaCl : (a) Layer 1 (Lapisan paling Luar), (b) Layer 2, dan (c) Layer 3………………….…….72
L.3
Data Hasil EDS : (a) Full Frame, (b) Layer 1, (c) Layer 2, dan (d) Layer 3……………………………………………………......…....73
L.4
Data Hasil Pemanasan pada T=7500C, 8500C,9500C pada t = 6 jam........................................................................................................77
L.5 Data Pengaruh Temperatur terhadap Hollomon Jaffe Parameter (HJP)………………………………………………………...…77 L.6
Kontanta Material (C ) untuk Beberapa Paduan………………………...…77
L.7 Properties of Metal Oxide…………………………………………...…......78 L.8
Data Perubahan Berat pada T=9500C, (a) Waktu Pemanasan 6 jam, (b) Waktu Pemanasan 12 jam, dan (c) Waktu Pemanasan 18 jam.......................................................................78
L.9
Data Pengaruh Lama Pemanasan terhadap Weight Gain……………...…..80
L.10 Struktur Mikro Lapisan Oksida Dengan Waktu Pemanasan 6 Jam………………………………………………………………..…...…81 L.11
Struktur Mikro Lapisan Oksida Dengan Waktu Pemanasan………..….....85 12 Jam
L.12
Struktur Mikro Lapisan Oksida dengan Waktu Pemanasan……………....89 18 Jam
L.13 Data Perhitungan Tebal Layer-Layer yang Terbentuk untuk Masing-Masing Spesimen…………………………………………..…......93 L.14 Grafik Koefisien Ekspansi Termal terhadap Temperatur…………..….….94 L.15 Diagram fasa Na2SO4/NaCl…………………………………………........94
xiii
