SIMULASI UJI STRESS CORROSION CRACKING (SCC) MATERIAL SUS 304 PADA BERBAGAI SUHU

Sofia L Butarbutar, dkk.

ISSN 0216 - 3128

213

SIMULASI UJI STRESS CORROSION CRACKING (SCC) MATERIAL SUS 304 PADA BERBAGAI SUHU Sofia L Butarbutar, Anni Rahmat, Febrianto Pusat Teknologi Reaktor Dan Keselamatan Nuklir – BATAN, Kawasan Puspiptek, Cisauk, Tangerang, Email: [email protected]

ABSTRAK SIMULASI UJI STRESS CORROSION CRACKING (SCC) MATERIAL SUS 304 PADA BERBAGAI SUHU. Telah dilakukan simulasi distribusi tegangan untuk melihat terjadinya SCC pada material SUS 304. Baja tahan karat ini digunakan sebagai CRDM (control rod drive mechanism) housing, extension shaft, vessel inner cladding pada reaktor Pressurized Water Reactor (PWR). Kerusakan CRDM housing dapat memicu kecelakaan inisiasi, dan kecelakaan kehilangan pendingin, maka perlu dipahami dengan baik sehingga dapat mengendalikan dan memitigasi proses degradasi yang terjadi pada CRDM PWR, seperti SCC. Distribusi tegangan dilakukan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak berbasis metode elemen hingga. Untuk simulasi dikondisikan material SUS 304 memperoleh tegangan aplikasi sebesar 490 MPa dari alat uji korosi Constant Extension Rate Test (CERT) untuk membuka retak. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa semakin tinggi suhu maka tegangan semakin tinggi dan sudah terjadi kegagalan atau deformasi plastis karena sudah di atas yield dari SUS 304. Sama seperti tegangan, semakin tinggi suhu maka kecenderungan regangan spesimen semakin panjang. Terjadinya SCC adalah pada bagian tengah pada bagian penampang lintang karena mengalami intensitas tegangan tertinggi. Dengan melakukan hipotesa mengenai peluang terjadinya SCC pada tegangan dan suhu tertentu maka dapat diambil langkah – langkah untuk mengatasi atau meminimalisasinya. Kata kunci: CRDM housing, SCC, distribusi tegangan, regangan, CERT

ABSTRACT STRESS CORROSION CRACKING (SCC) TEST SIMULATION OF SUS 304 MATERIAL AT MANY TEMPERATURE CONDITION. Stress distribution simulation to know the SCC occurance of SUS 304 has been conducted. This stainless steel has been used as control rod material such as CRDM (control rod drive mechanism) housing, extension shaft, vessel inner cladding at Pressurized Water Reactor (PWR) . Rupture of CRDM housing could lead to initiation accident, and Loss of Colant Accident (LOCA), so it needed to well understand how to control and to mitigate degradation process in PWR CRDM, such as SCC. Stress distribution was done using software base on finite element method. SUS 304 material was conditioned by appliying stress for 490 MPa by Constant Extension Rate Test (CERT) to initiate the crack. From the simulation, known that increasing temperature result increasing stress as well and it concluded that failure or plastic deformation is occurred because already above the yield of SUS 304. Increasing temperature also resulted trend of strain increase as well. The SCC occurance is at the center of specimen elbow surface, it is because the highest of stress intensity is occurred at. By doing the hypothezing due to the SCC occurring possibility on SUS 304 material at certain stress and temperature, the step to overcome or to minimize can be taken. Kata kunci: CRDM housing, SCC, stress distribution, strain, CERT

PENDAHULUAN ontrol Rod Assembly (CRA) digunakan untuk mengendalikan reaktivitas, dan CRDM (Control Rod Drive Mechanisms) membentuk bagian reactor coolant pressure boundary, kerusakan CRDM housing dapat memicu kecelakaan inisiasi, dan kecelakaan kehilangan pendingin.

C

Untuk dapat beroperasi sampai usia desain yang telah ditetapkan, maka harus dijaga keandalan dan integritas strukturnya yaitu dengan cara memahami cara pengendalian dan pemitigasian proses degradasi pada CRDM PWR.[1] Baja tahan karat (stainless steel) banyak digunakan sebagai bahan konstruksi karena tahan

Prosiding PPI - PDIPTN 2010 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 20 Juli 2010


ISSN 0216 - 3128

214

terhadap serangan korosi, mudah dibentuk dan dapat dilas. Sifat tahan korosi ini dikarenakan kandungan logam kromium yang terdapat didalamnya cukup tinggi, sehingga dapat membentuk lapisan oksida yaitu kromium oksida yang bersifat pasif terhadap lingkungan.[2] SCC hanya akan terjadi apabila efek gabungan tiga faktor hadir secara bersamaan yaitu lingkungan yang agresif, material yang sensitif dan tegangan tarik tinggi. Berkurangnya salah satu faktor di atas dapat mengurangi resiko SCC.(3) SCC juga dapat terjadi pada struktur yang menggunakan baja tahan karat SUS 304 seperti CRDM housing akibat kehadiran klorida dan sulfat yang berasal dari bagian annulus, seperti yang terjadi pada Diablo Canyon Unit 1. Selain senyawa asam di atas, konsentrasi oksigen yang tinggi dan lingkungan bersuhu dan bertekanan tinggi seperti pada PWR menjadi kontributor terjadinya SCC. (1) Retak pada CRDM housing yang disebabkan SCC mengakibatkan kebocoran sistem pendingin reaktor. Dengan terjadinya kebocoran air pendingin, maka asam borat yang terdapat di dalamnya yang ditambahkan untuk perataan absorpsi neutron dapat mengakibatkan degradasi korosi pada bejana tekan reaktor. Permasalahan inilah yang merupakan pokok pikiran dalam penulisan makalah ini, agar dapat memahami pengendalian dan pemitigasian proses degradasi yang terjadi. Makalah ini akan mengkaji distribusi tegangan melintang dan searah pada spesimen yang telah dibentuk, dan melakukan hipotesa daerah yang sensitif terhadap SCC. Distribusi tegangan dilakukan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak berbasis metode elemen hingga. Simulasi distribusi tegangan ini mengacu pada keadaan riil eksperimental yaitu adanya beban aksial yang diterima oleh spesimen dalam lingkungan yang telah dikondisikan. Untuk dapat melakukan hipotesa daerah yang sensitif terhadap SCC perlu diketahui perpanjangan spesimen yang terjadi. Simulasi yang dilakukan pada makalah ini merupakan kegiatan praeksperimental yang nantinya akan dilakukan pada eksperimen sehingga dapat meminimalisasikan kesalahan, pemborosan biaya dan dapat mengetahui metode eksperimen yang akan dilakukan.

TEORI Baja Tahan Karat SUS 304 Baja tahan karat tipe austenitik SUS 304 merupakan material yang luas penggunaannya, termasuk dalam reaktor nuklir. Material ini banyak digemari karena mempunyai ketahanan korosi, serta memiliki kekuatan dan ketangguhan yang besar, tahan terhadap suhu tinggi. Komposisi kimia baja tahan karat SUS 304[4] dapat dilihat pada Tabel 1. SUS 304 digunakan sebagai material CRDM housing bagian atas oleh desain Westinghouse dan Babcock & Wilcox. Baja tahan karat austenitik ini dipadukan dengan Alloy 600 di bagian bawahnya, seperti tampak pada Gambar 1. Lingkungan PWR yang bersuhu tinggi menjadikan material ini rentan terhadap SCC. Kegagalan karena kebocorankebocoran kecil di sekitar CRDM seal welds ini mengakibatkan kebocoran sistem pendingin reaktor.

Stress Corrosion Cracking SCC merupakan suatu bentuk korosi yang tersembunyi, yang ditandai hilangnya kekuatan mekanis dan dapat memicu retak cepat serta kegagalan struktur dan komponen yang besar.[6] SCC pada baja tahan karat diakibatkan oleh hancurnya lapisan pasif yang dapat melindunginya dari korosi. Pada komponen batang kendali retak yang diakibatkan oleh SCC dapat mengakibatkan kebocoran asam borat, yaitu senyawa kimia yang ditambahkan dengan tujuan untuk perataan absorpsi neutron dan lebih lanjut dapat menjadi korosi asam borat. Proses terjadinya SCC pada spesimen ini diawali dengan pemberian tegangan yang mengakibatkan terjadinya regangan plastis yang berkelanjutan pada permukaan spesimen dan mendorong terjadinya retak awal dan perambatan retak. Karena berada pada lingkungan yang korosif maka SCC tidak dapat terelakkan lagi. Karakteristik SCC sangat dipengaruhi oleh suhu, komposisi larutan, komposisi logam, tegangan dan struktur logam tersebut.

Tabel 1. omposisi kimia baja tahan karat SUS 304. Komposisi/Unsur Kadar

C

Mg

P

S

Si

Cr

Ni

N

Fe

<0.08

2

0.045

0.03

1

19

9.25

0.1

68.495



ISSN 0216 - 3128

215

Gambar 1. Oconee CRDM Nozzle Penetration.[5]

Hubungan Tegangan - Regangan dan Suhu

METODOLOGI/TATA KERJA

Suhu merupakan salah satu faktor yang dapat mempengaruhi nilai tegangan yang bekerja pada suatu sistem. Tegangan memiliki hubungan yang sebanding dengan gradien suhu. Jika gradien suhu tinggi maka tegangan pada sistem pun akan semakin tinggi, begitu pula sebaliknya. Hal ini sesuai dengan teori hubungan antara tegangan dan regangan yang dipengaruhi oleh suhu.[7]

Pada pemodelan ini spesimen yang digunakan adalah jenis dog bone type sesuai dengan standar ASTM E8, dengan ukuran seperti tampak pada Gambar 2 yang disesuaikan dengan alat CERT.

[ ]

σ = [K ]. ε el

(1)

dengan :

σ

= tegangan

K

= matrix kekakuan el

[ε ] = [ε] – [εth] = vektor regangan elastis Secara teoritis suhu akan mempengaruhi regangan pada sistem.

Constant Extension Rate Test (CERT) CERT adalah suatu metode pengujian yang mengaplikasikan laju ekstensi yang lambat terhadap spesimen. Metode ini memastikan bahwa terjadi regangan plastis yang kontinyu pada permukaan spesimen, dan membangkitkan inisiasi dan pertumbuhan SCC. Hasil dari pengujian ini dievaluasi terhadap waktu terjadinya kegagalan (retak).

Gambar 2. Bentuk specimen.[8]

Pada simulasi distribusi tegangan ini diasumsikan material solid dimana salah satu sisinya mendapat constrain fixed berupa kekang mati (tidak terjadi pergerakan) pada semua arah kecuali arah tegangannya (UX,UZ). Sisi yang lain pada model ini mendapatkan tegangan tarik yang diaplikasikan sebesar 490 Mpa, untuk menghasilkan retak inisiasi


216

ISSN 0216 - 3128

sepanjang 2,2 mm untuk selanjutnya dengan kondisi suhu dan tegangan konstan akan diamati pertumbuhan retak. Secara skematik pembebanan dapat dilihat pada Gambar 3.


Pembebanan pada CERT dilakukan dengan mengencangkan baut sampai pada batas tegangan yang diharapkan (490 MPa). Pada eksperimen ini untuk mengetahui tegangan pada sistem digunakan strain gauge yang telah terpasang pada alat pembaca. Dari eksperimen ini dapat diterjemahkan bahwa pemberian beban diasumsikan seragam dan memiliki arah pada sumbu Y positif. Konstrain pada simulasi tidak diberikan pada semua arah untuk memberikan kebebasan node-node yang ada meregang searah dengan pembebanan. Selain diberikan tegangan, material juga dikondisikan berada pada enam variasi suhu yaitu 50 oC, 75 oC, 100 oC, 200 oC, 300 oC, dan 350 oC. Dari kondisi ini akan dilihat pengaruh variasi suhu terhadap distribusi tegangan dan regangan pada spesimen.

HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 3. Geometri simulasi spesimen CERT.

Kondisi pembebanan dilakukan seperti Gambar 3 agar mendekati kondisi riil pembebanan eksperimental selama 90 jam. Sesuai dengan kerja CERT pembebanan dilakukan satu sisi saja atau aksial pada salah satu ujung dan ujung yang lain di kekang/konstrain.

Hubungan Distribusi Tegangan dan Suhu Pada permodelan struktural pemberian beban dilakukan secara konstan dengan tujuan menyesuaikan dengan eksperimen yang nantinya akan dilakukan. Distribusi tegangan pada setiap titik akan berbeda-beda dikarenakan adanya dislokasi oleh pemberian strain. Data distribusi tegangan ini dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Kurva hubungan distribusi tegangan tertinggi dan suhu.



ISSN 0216 - 3128

217

Gambar 5. Kurva hubungan distribusi tegangan terendah dan suhu.

Pada Gambar 4 tersebut distribusi tegangan untuk kelima kondisi yaitu pada suhu 50 oC, 75 oC, 100 oC, 200 oC, 300 oC, dan 350 oC didapatkan tegangan tertinggi secara berurut adalah 271 MPa, 272 MPa, 329MPa, 406 MPa, 419 MPa dan 437 MPa terdapat pada bagian ujung permukaan siku spesimen dan tegangan terendah secara berurut adalah 9,30 MPa; 9,39 MPa; 16,12 MPa; 26,5 MPa; 28,5 MPa; dan 32,6 MPa seperti pada Gambar 5 terdapat pada bagian tengah permukaan siku spesimen, didapatkan pola yang sama. Hal ini sesuai dengan teori uji tarik yaitu necking terjadi tepat di tengah gauge length akibat intensitas tegangan yang tinggi pada bagian tengah. Pengaruh suhu 50 – 100 o C pada tegangan tidak begitu signifikan, dapat dilihat pada intensitas tegangan di setiap titik yang sama untuk kedua kondisi (50 oC, dan 75 oC) hal ini dikarenakan kenaikan suhu pada setiap eksperimen belum dapat memberikan energi yang cukup bagi material untuk berdistorsi. Sedangkan dari suhu 100 – 350 oC, pengaruhnya terhadap tegangan sudah signifikan. Akan tetapi kenaikan suhu tetap menaikan tegangan yang terjadi walaupun tidak terlalu tinggi. Kenaikan intensitas tegangan karena dipengaruhi kenaikan suhu ini sesuai dengan teori hubungan tegangan regangan yang dipengaruhi suhu yaitu secara empiris sesuai dengan persamaan (1). Dari persamaan tersebut dapat diketahui suhu akan mempengaruhi regangan dikarenakan adanya ekspansi dari atom-atom material. Ekspansi ini

diperbesar karena adanya beban dari luar yaitu berupa beban searah . Dari distribusi tegangan di atas maka daerah yang berpeluang mangalami SCC adalah daerah permukaan bagian tengah, khususnya permukaan pada bagian siku. Pada bagian siku ini intensitas tegangan lebih tinggi dibandingkan dengan daerah lainnya, hal ini lebih dikarenakan faktor geometri. Penampang lintang pada spesimen akan mengakibatkan resultan beban yang ada menjadi lebih besar jika dibandingkan dengan daerah yang datar. Dengan adanya siku ini maka distribusi tegangan akan menuju ke segala arah. Ini sangat berbeda dengan daerah yang datar, pada daerah datar distribusi tegangan terbesar hanya searah bidang gayanya sedangkan pada bidang melintang nilai tegangan relatif kecil.

Hubungan Regangan Dengan Suhu Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa semakin tinggi suhu, regangan yang terjadi akan semakin besar karena perubahan ukuran butir yang disebabkan semakin bertambah besarnya jarak atom atau ion pada struktur mikro dari material, sehingga kerapatan atom semakin kecil. Untuk masingmasing kondisi suhu di atas, dari yang terendah sampai yang tertinggi perpanjangan spesimen terhadap waktu berturut-turut 0,992; 0,997; 1,00; 1,03; 1,08 dan 1,21.


ISSN 0216 - 3128

218


Gambar 6. Kurva hubungan regangan (strain) dengan suhu.

6. NISHIMURA, R et al, Corrosion Science, Vol 45 No. 4, 1984.

KESIMPULAN Dari hasil simulasi diperoleh bahwa semakin tinggi suhu maka tegangan semakin tinggi dan sudah terjadi kegagalan atau deformasi plastis karena sudah di atas yield dari SUS 304 yakni 207 – 247 MPa. Distribusi tegangan tertinggi terdapat pada bagian tengah penampang lintang spesimen sedangkan distribusi tegangan terendah berada pada bagian pinggir permukaan siku spesimen. Sama seperti tegangan, semakin tinggi suhu maka kecenderungan regangan spesimen semakin panjang. Terjadinya SCC adalah pada bagian tengah pada bagian penampang lintang karena mengalami intensitas tegangan tertinggi.

DAFTAR PUSTAKA

7. Annual Book of ASTM Standards, Standard Specification for Stainless and Heat-Resisting Steel and Shapes, Vol: 01.05, Steel-Bars, Forgings, Bearing, Chain, Springs, American Society for Testing and Material, Philadelphia, 1993. 8. SHUNSUKE UCHIDA, Department of Quantum Science and Energy Graduate School of Engineering, Tohoku University, Mitigation of IGSCC from Material Improvements Mar.1 (Tue), 2005.

TANYA JAWAB

1. SHAH, V.N., WARE, A.G., PORTER, A.M., Assessment of Pressurized Water Reactor Control Rod Drive Mechanism Nozzle Cracking, Rep. NUREG/CR-6245, USNRC, Washington, DC, 1994. 2. MG Fontana CE, 3rd Ed., Mc Graw Hill Book, Singapore. 3. Guides to Good Practice in Corrosion Control, The National Physical Laboratory.

Darsono − Proses apa yang dilakukan terhadap spesimen? − Apakah perangkat lunak ini berupa modelling atau kalkulasi? Sofia Loren Butarbutar

4. Matweb, Special Metal of SUS 304.

− Proses yang dilakukan terhadap spesimen adalah diberi tegangan dan ditarik.

5. www.nrc.gov/reading-rm/doc-colle...005.html.

− Berupa modelling.



ISSN 0216 - 3128

Daddy − Apakah simulasi ini memperhitungkan fluks neutron? − Apakah dengan naiknya temperature maka kekuatan material semakin baik? Sofia Loren Butarbutar − Tidak memperhitungkan fluks neutron karena ini kegiatan praeksperimental yang nantinya akan

219

dilanjutkan dengan eksperimen menggunakan autoclave tanpa ada radiasi. − Dengan naiknya temperature maka tegangan yang terjadi pada material akan semakin tinggi. σ = K ε el . Hal ini sesuai dengan rumus Apabila tegangan sudah diatas yield SUS 304 maka akan terjadi kegagalan atau deformasi plastis.


SIMULASI UJI STRESS CORROSION CRACKING (SCC) MATERIAL SUS 304 PADA BERBAGAI SUHU

Recommend Documents