Ke Daftar Isi Prosiding Seminar Teknologi dan Kesdamalan serla Fasililas Nuklir
PLTN
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
KINETIKA KOROSI AIMg2 dan AIMgSi DALAM SISTEM STATIK Oleh Eric Johncrl, Muchlish Badruzzaman, Siglt Pusat Elemen Bakar Nuklir - Badan Tenaga Atom Nasional
ABSTRAK Telah dilakukan percobaan korosi terhadap dua jenis paduan logam A1Mg2 dan A1MgSi yang biasa dipakai sebagai bahan struktur elemen bakar nuklir RSG-GAS di Serpong pada beberapa kondisi suhu dan jenis media dalam sistem statik dengan menggunakan metoda kehilangan be rat secara diskontinyu. Contoh yang telah terkorosi ditimbang dan diuji melalui pengerjaan metalografi untuk memperoJeh gambaran tentang keadaan strukturmikro dan kinetikl1ya. Ditinjau dari segi metalografik maka proses pengetsaan terhadap paduan aluminium terdeformasi memberikan 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 dapat dinyatakan dengan persamaan hubungan antara banyaknya logam yang terlarut, /).m, sebagai fungsi waktu, 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 untuk A1Mg2 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 of nuclear fuel element at RSG-GAS Serpong have been investigated at various temperaturcs and media environments by means of discontinue weight loss method in static condition. Corroded samples were weighed and tested metallographically to have information on their micro structures and kinetic curves. For deformed aluminium alloy, the micrographic result showed a non contrast photographic 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 function of 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
to 90·C were 6,18x10·3 to 0,056 mg.cm·2.j.1 and 0.937 to 0.716 for AIMg2 respectively 3.56x10·3 to 0.024 mg.cm·2j.1 and 1.011 to 0.782 for AIMgSi respectively.
I.PENDAHULUAN Paduan logam A1Mg2 dan A1MgSi telah digunakan sebagai bahan struktur pada elemen bakar nuklir jenis pelat. Reaktor Serba Guna GA Siwabessy (RSG-GAS) menggunakan A1M~ sebagai kelongsong bahan bakar, sedangkan beberapa reaktor lain menggunakan A1MgSi (menurut DIN). Paduan aluminium mempunyai banyak kelebihan dibandingkan dengan yang lain misalnya : tampang serapan netron rendah, ketahanan terhadap korosi baik, daya hantar panas dan kekuatan mekanis tinggi (I). Fungsi utama dari kelongsong bahan bakar adalah untuk menghalangi teriepasnya hasil belah (produk reaksi fisi) dari elemen bakar yang dapat mencemari sistern pendinginsehingga dapat membahayakan lingkungan.
266
50·C and
Selama reaktor beroperasi, elemen bakar mengalami berbagai fenomena fisis, kimia, nuklir dan metalurgi sehingga selama waktutertentukemungkinan tidakdapat lagi memberikan unjuk kerja yang memadai. Untuk mendapatkan kondisi seperti semula bahan bakar perlu diganti. Sehubungan dengan adanya interaksi antara kedua bahan struktur dengan air maka fenomena korosi tidak mungkin terhindarkan baik untuk kelongsong bahan bakar (AIMg) atau pemegang perangkat bahan bakar (A1MgSi). Dengan bermacam-macam pertimbangan yang berkaitan dengan degradasi unjuk kerja bahan bakardan sistem keselamatan reaktor maka studi tentang terjadinya korosi bahan struktur dalam air perlu mendapatkan perhatian. Hal ini untuk menangkal
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamall1n PLTN Serll1 Fasililas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG. PPTKR-BATAN
(A)
(B)
(c)
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 serta Fasilitas Nuklir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BAIAN
PLTN
berbagai kemungkinan adanya efekyangtidakdiharapkan baik langsung terhadap bahan bakar itu sendiri maupun ke sistem pendingin. Korosi dapat terjadi akibat interaksi langsung dengan aliran air sehingga terjadi pengikisan permukaan kelongsong. Kejadian ini lambat laun akan mnyebabkan penipisan pada kelongsong sehingga memungkinkan adanya suatu keboeoran pada elemen bakar (2). Korosi dapat pula menyebabkan terjadinya penebalan permukaan kelongsong sebagai akibat pembentukan senyawa-senyawa sebagai hasil reaksi dengan air pendingin yang menempel pada permukaan. Peristiwa ini lama kelamaan dapat· mengakibatkan terjadinya penyumbatan pada daerah aliran airpendingin sehingga dapat memberikan gangguan terhadap perpindahan panas dan kenaikan suhu bahan bakar. Dari uraian diatas sang at penting kiranya korosi dipelajari guna keperluan keselamatan atau memperoleh informasi bagi pengembangan fabrikasi elemen bakar. Pada penelitian ini dipelajari fen omena korosi pada sistem statik dari bahan struktur AIM~ dan AIMgSi dengan menggunakan metoda kehilangan be rat. Adapun varia bel yang dibahas yaitu : suhu, waktu dan media korosi (air dan HCI). Pereobaan dilakukan dengan eara perendaman euplikan di dalam media korosi pada kondisi statik dengan selang waktu serta variasi suhu tertentu. Dari hasil pereobaan ini dapat ditentukan kinetika korosi untuk kedua jenis logam paduan tersebut. Untuk memperoleh gambaran mengenai struktur mikro dilakukan pula pengerjaan seeara metalografi terhadap bahan yang telah terkorosi yaitu dengan mengamati hasil fotografinya (3). Untuk keperluan itu proses pengetsaan merupakan faktor yang penting supaya dapat diperoleh gambar yang kontras antara butirdan batas butir, sehingga interpretasi dapatdilakukan ' dengan baik (4).
II. METODA ITATA KERJA
(a)
A. BAHAN Gagalan A1M~ dan A1MgSi diperoleh dari fabrikasi IPEBRR - PEBN, yang kemudian dieelupkan kedalam air dan asam khlorida sebagai pembanding. Untuk proses metalografi dibutuhkan kertas ampelas dengan berbagai kekasaran dan pasta alumina untuk pemolesan. Sedangkan untuk etsa diperlukan eampuran asam khlorida, asam nitrat dan asam fluorida.B.
ALAT Gagalan dipotong dengan alat potong, dirapikan dengan alat gerinda sebelum dicelupkan dalam tabung gelas yang berisi air dan asam khlorida. U ntuk media air suhunya diatur dengan memakai pemanas . Setelah terjadi proses korosi, sampel dibersihkan, dikeringkan kemudian diamati dibawah mikroskop optik. \
C. TAT A KERJA Gagalan AIMg2 dan AIMgSi dipotong-potong dengan ukuran 2 em x 1,5 em x 0,6 em, kemudian dieuei dan dikeringkan. Setelah kering, setiap sam pel ditimbang. Sampel direndam dalam media korosi yaitu air bebas mineral sebanyak 250 ml, sampellain dalam HC130 % selama selang waktu dan suhu tertentu. Interval waktu antara 100 - 350 jam, sedangkan suhu dari 50°C - 90°C (323°K - 363°K). Pada akhir percobaan sampel uji diambil laludibersihkan dari kotoran pada permukaannya, kemudiandikeringkan dan ditimbang. Perbedaan berat sebelum dan sesudah pereobaan dieatat. Untuk beberapa kondisi dilakukan observasi menggunakan mikroskop optik terhadap permukaan sampel yang telah terkorosi.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. HASIL FOTOGRAFI DAN MIKROSKOPIK Keadaan permukaan log am setelah terkorosi dapat dilihat melalui hasil fotografi permukaan logam seper ti terlihat pada Gambar 1.
(b)
Gambar 1. Foto permukaan dari AIMg2 (a) dan AIMgSi (b) setelah terkorosi pada suhu kamar, media air, t= 350 jam, perbesaran 100 x
267
Prosiding Sc:millar TdawJogi dall Kesdamatall sata FasiJitas NukJir
Sc:rpollg, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
PLTN
Pada Gambar 1a tampak bahwa korosi hampir merata pada permukaan, sedangkan pada Gambar 1b terlihat adanya korosi yang tidak merata pada permukaannya. Diduga hal ini disebabkan adanya unsur Si pada paduan AIMgSi yang mengumpul pada tempattempat tertentu. Korosi pada media ini disertai dengan penempelan oksida-oksida dan senyawa pengotor lainnya yang diperkirakan berasal dari kompleks AI, Mg atau Si yang terbentuk selama waktu pencelupan (350 jam) pada percobaan ini. Hasil pengamatan dari kedua jenis bahan paduan aluminium terse but memberikan dugaan bahwa unsur Si bersifat menaikkan ketahanan korosi, sehingga dapat dikatakan bahwa bahan terbuat dari AIMgSi lebih tahan korosi dibandingkan dengan bahan terbuat dari AIMg2 terhadap media air pendingin reaktor, yang berarti ketebalan AIM~ lebih ban yak berkurang dibanding AIMgSi. Gambar 2a dan 2b menunjukkan pengikisan permukaan (korosi) terjadi semakin hebat karena media yang dipakai adalah HC!. Hal ini dapat dimaklumi karena logam yang bermuatan positifberinteraksi kuat dengan ion khlorida. Percobaan dengan menggunakan media HCI ini dimaksudkan untuk memperjelas pengaruh tingkat keasaman suatu media terhadap bahan yang dipelajari. B. Korosi AIMgz dan AIMgSi dalam media air pendingin pada kondisi statik Berat paduan aluminium yang hilang (Llm) karena korosi pada berbagai suhu dan waktu pencelupan dapat dilihat pada gambar 3 dan 4. Tampak bahwa kinetika korosi paduan AIM~ dan AIMgSi dalam airpada interval suhu50°C-70°C (323°K - 343°K) adalah linier hingga waktu pencelupan 350
jam. Hal ini diduga disebabkan oleh salah satu tahapan proses yang mengontrol reaksi secara keseluruhan seperti adsorpsi, reaksi ekstem dan intern (5). Pada suhu 80°C - 90°C (353°K - 363°K) mulai terlihat adanya penyimpangan alur linierterutama pada alur AIM~ yang diduga disebabkan oleh pengontrolan lebih dari satu tahapan proses, misalnya campuran antara difusi-adsorpsi (6). Kurva-kurva yang diperoleh tersebut secara umum dapat dinyatakan dengan persamaan : Ll
m::
ktD
~
log Ll m:: log k + n log t (2) dengan Llm :: berat logam yang larut karena korosi (mgl cm2).
t :: waktu, jam k,n :: konstanta Dari da~a yang diperoleh dapat dihitung lebih lanjut log Ll m dan log t untuk setiap percobaan guna menentukan harga konstanta k dan n (Tabel 2). Dari persamaan (2) dapat dibuat kurva garis lurus log _ m versus log t dengan slope = n dan intersep = log k (Gambar 5 dan 6) yang selanjutnya harga konstanta kdan n dapat ditentukan (Tabel 1). Dengan diperolehnya harga k dan n pada setiap suhu, maka harga-harga tersebut dapat dimasukan kedalam persamaan (2) sehingga diperoleh persamaan hubungan antara kehilangan berat dari logam paduan AIMg2 dan AIMgSi dengan waktu pencelupan pada suhu tertentu.
(b)
(a) Gambar 2. Permukaan AIMg2 (a) dan AIMgSi pad a suhu kamar, media HCI 30%, t
268
(1)
atau
(b) setelah terkorosi
= 45 men it
Prosiding Seminar Tekrw/ogi dan Keselamatan serta Fasi/itas Nuk/ir
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BAIAN
PLTN
4
3.5
.-
3 .-
,--..
N 8u
bb 8 2.5 '-../
.\
0.5
o 50
100
150
200
25 0
Waktu
-w-
323 oK
--'-+- 333 oK
300
350
400
(t) Jam
-10- 343 oK
-EJ- 353 oK
~
363 oK
Gambar 3: Hubungan Berkurangnya Berat AIMg2 sebagai fungsi waktu pada berbagai subu
2.5
2 .,--..
N 8
--u 5b '-../
1.5
.-
1 ., 0.5
.-
o 100
50
150
200 Waktu
__
323 oK Gambar sebagai
-+-- 333 oK
250
350
(t) Jam
-10- 343 oK
4: Hubungan
Berkurangnya
fungsi waktu
pada berbagai
269
300
-(3- 353 oK . ~ Berat subu
AIMgSi
363 oK
400
Prosiding Seminar Telmologi dan Kesdamalan serla Fasililas Nuklir
b.O
8
PLTN
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG,PPTKR -BATAN
0.6 0.1 .0 -0.3 0.2 0.4 -0.2.- .- .0.5 -0.1 0.3
.3
"<3
.\
-0.4
1.8
1.9
2
21
2.2 Log
2.3
• 323 oK • 333 oK ,,343 oK X 353 oK Gambar 5: Kurva Log Elm versus Log t pada berbagai subu dari pelarutan AIMg2 dalam air
.3
b.O
<1
8
2.5
2.4
2.7
2.6
t
+
363 oK
0 1.9 0.4 2 -0.1 1.8 .-
-0.5 0.3 --0.3 0.4--0.2 0.2 .- .0.1
.-
.',
"
2.1
22
2.3
2.4
2.5
Log t
+ 363 oK • 323 oK • 333 oK ,,343 oK x 353 oK Gambar 6: Kurva Log /} m versus Log t pada berbagai subu dari pelarutan AIMgSi dalam air
270
2.6
2.7
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan serta Fasilitas Nuklir
PLTN
Serpong, 9·10 Februari 1993 PRSG, PPTKR • BATAN
Tabel 1. Harga konstanta k dan n pada berbagai suhu oK
343log 363 333 323 353 Suhu log n-1,248 kk k0,716 nk -2,293 -1,626 9,84.10-3 5,09.10-3 -2,448 -1,673 -1,927 0,876 0,832 0,012' -1,802 -2,106 0,895 7,83.10-3 0;859 0,016 -2,007 0,782 0,056 0,903 0,959 0,024 -2,209 3,56.10-3 0,937 6,18.10-3 1,011 0,021
mg/cm2/j AIMgSi AIMg2
V. KESIMPULAN/SARAN 1. Dari percobaan yang dilakukan, ternyata kinetika korosi AIMg2 dan AIMgSi dalam airmengikuti hubungan persamaan m=ktn
Ditinjau terhadap temperatur, maka harga konstanta k makin besar pada temperatur yang makin tinggi, tetapi sebaliknya harga n makin menurun.
3. Disarankan penelitian ini dilanjutkan dengan men ambah variabel temperatur di bawah 50°C, korosi pada sistem dinamik di dalam maupun di luar reaktor, sehingga akan didapat masukan lebih banyak dan bermanfaat guna menentukan unjuk kerja bahan kelongsong dan selanjutnyajuga untukfabrikasi elemen bakar.
2. Kurva kinetika korosi paduan AIMg2 dan AIMgSi dalam air pada interval suhu antara 50 - 70°C secara praktis membentuk alur linier sedangkan pada suhu 80 - 90°C mulai terlihat adanya penyimpangan tcrutama pada alur AIMg2•
IV. DAFTAR PUSTAKA 1. BENJAMIN, M, "Nuclear Reactor Material and Aplication", hal. 294-296, Van Nostrand Reinhold Coy, New York,1983. 2. 3. 4. 5.
TRETHEWEY, K.R., CHAMBERLAIN.J., "Korosi", hal. 17-18, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1991. SRIATI DJAPRIE, "Ilmu Dan Teknologi Bahan", Penerbit Erlangga, hal. 128 (1983) Etching", American Society For Metals, Ohio, 1978 PETZOW, G., "Metallographic PAULEAU,Y., "Etude Cinetique de I'oxydation du Nickelet du Cuivre par Ie Monooxyde d'azote", These de Doctorat, Grenoble, 1969.
6. CODDET, C., "La Corrosion Seche Ii Haute Temperature: These de Doctorat, Grenoble, 1977. 7. HOLLINGSWORTH,E.H.,HUNSICKER,H.Y., Company of America.
Processus Diffusionnels et Proprietes Mecaniques",
"Corrosion of Aluminium and Aluminium Alloys", Aluminium
271
Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamalan serla Fasililas Nuklir
PLTN
Serpong, 9-10 Februari 1993 PRSG, PPTKR - BATAN
DISKUSI JB. HERSUBENO
:
1. Saudara menyatakan bahwa laju korosi AlMgSi lebih kecil daripada AlM~ dan dinyatakan bahwa Si mempunyai kontribusi terhadap hal ini. Bagaimana hipotesa saudara atas peranan Si ini? Sudahkah saudara melakukan analisa terhadap oksida yang terbentuk ? 2. Dikatakan pengaruh temperatur terhadap harga k dan n dari hubungan delta f1m = ktn . Seberapa jauh penurunan harga 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 ini denagn mikroskop biasa (metalographic microscope) mungkin dengan alat yang lebih baik lebih dapat dibedakan karena adanya terbentuk senyawa lain dengan wama yang hampir sarna. Yang disebutkan terakhir sudah bisa beroperasi 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 dari data 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, pertanyaannya kesimpulan 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 bahan demikian pula absorbsi oksigen yang berada di udara sehingga dapat bereaksi dengan logam membentuk suatunoksida 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 pendingin reaktor sehingga seberapajauh korosi dapat diketahui secara dini untuk kondisi korosi > 350 jam perlu dilakukan penelitian lebih lanjut.
272
Ke Daftar Isi
