ProsidingPertemuanIlmiah gains Materi 1996
KINETIKA
KOROSI AIMg2 daD AIMgSi
DALAM SISTEM DINAMIS. Eric JohneriZ ABSTRAK KINETIKA KOROSI AlMg2 dan AlMgSi DALAM SISTEM DINAMIS. Percobaan korosi "Sistern Dinarnis" ini merupakan kelanjutan dari "Kinetika Korosi Dalam Sistern Statik" terhadap duajenis paduan logam AlMg2 dan AlMgSi yang dipakai sebagai bahan struktur elernen bakar nuklir RSG-GAS pada suhu 60 DC, dengan laju aliran 15 ml/det, menggunakan metoda kehilangan berat dengan variasi waktu pencelupan. Contoh yangtelah terkorosi di timbang dan diuji melalui pengerjaan metalografi untuk memperoleh gambaran tentang kondisi permukaan dan kinetikanya. Hasil photo metalography menggambarkan perbedaan yang jelas dari pertumbuhan korosi pada permukaan material sebanding dengan waktu pencelupan. Kurva kine tik yang diperoleh secara umum dapat dinyatakan dengan persamaanhubung an antara banyaknya logam yang ter larut, L\ In, sebagai fungsi waktu, t, yaitu: L\m = ktn
atau log L\m = log k + n log t
Harga konstanta k dan n dari percobaan diperoleh 0,14086 mg.cm-2j-l dan 0,4185 untuk AlMg2, sedang 0,03174 mg.cm-2.j-l dan 0,6133 untuk AlMgSi. Persamaanlaju korosi dari paduan AlMg2 dan AlMgSi pada suhu 60 °c, dinyatakan sebagaiberikut; v AlMg2 = 0.420221 -0.85467([ (mg/cm2.h), v AlMgSi= 0.613336 -1.49837([ (mg/cm2.h). Dari sifat ketahanan korosinya, paduan AlMgSi lebih tahan terhadap korosi diban ding paduan AlMg2. ABSTRACT CORROSION KINETIC of AlMg2 and AlMgSi ALLOYS IN DINAMIC SYSTIM. ColTosion experiments in dinamic system on AiMg2 and AiMgSi alloys which are used for structure material of nuclear fuel element at RSG-GAS as continued of "Kinetic colTosion on static condition" experiment, at 60 °c temperature and 15 mI/sec water flow media of discontinue weight loss method and various dip telTnSin dinamic condition. ColToded samples were weighed and tested metallogra phi cally to have information on their micro structures and kinetic curves. Metallograpphyc result showed clearly different of surface colTosion growed equal with dip temperature. Generally, the kinetic curves were expressedas a relation of weight loss of metal ~ In, in function of time, t, in operational temperature: ~m = tin
or log ~m = logk +nlogt
The constants values k and n in dinamic water medium obtained at temperature were 0,14086 mg.cm-2.j-l
and 0.4185 for AiMg2
respectively and 0.03174 mg.cm-2.j-l and 0.6133 for AiMgSi respectively. The colTosion growth curves of AiMg2 and AiMgSi alloys at 60 °c temperature showed; v A1Mg2 = 0420221 -08S467ff
(mgicm2h), v AlMgSi = 0613336 -149837ff
(mgicm2h)
ColTossion resistenceof AiMgSi Ailoy is better than AiMg2 Ailoy.
PENDAHULUAN Pada umumnya perangkat bahan bakar reaktor terdiri dari bahan struktur kelongsong dan bahan struktur penyangga. Kelongsong bahan bakar untuk lapisan pertama dalam sistem keselarnatan reaktor, berfungsi untuk menghalangi terlepasnya produk reaksi fisi kedalam media sistem pendiilgin reaktor. Demikian pula halnya denganperangkatbahan bakar yang digunakan di Reaktor Riset Serba Guna GA Siwabessy.RSG-GAS menggunakan AIMg2 seba gai kelongsong bahan bakar, sedangkanbeberapareaktor lain menggunakan AIMgSi (menurutDlN)(I). Dengan dernikian, kelongsong ini harus mempunyaiunjuk kerja yang optimal sehingga mampu memperpanjangumur bahan bakar dalam teras reaktor tanpa adanya kegagalan, serta tidak membahayakan kesell\matan lingkungan. Kegagalan fungsi kelongsong,disebabkan oleh banyak hal antara lain oleh korosi yang bagai manapun akan terjadi sehubungan denganadanya interaksi antara kedua bahan 1 Dipresentasikanpada SeminarIlmiah PPSM1996 2 StafPeneliti BBSP -PEBN, BATAN 154
struktur denganair makafenomenakorosi tidak mungkin terhindarkan baik untuk ke/ongsong bahan bakar (A/Mg2) atau pemegang/ penyanggaperangkat bahanbakar (A/MgSi). Untuk mengatasi hat tersebut, unjuk kerja optimal kelongsong ini perlu diketahui daD difahami,sehinggamampu memperbaikiunjuk kerja tersebut, baik pada pemilihan bahan rancangan, maupun fabrikasinya Oleh karena itu, penelitian kinetika korosi dari bahan perangkatbahanbakar perlu dilakukan. Pada tahun anggaran 1992/1993,telah dilakukan penelitian kinetika korosi dengan sistem statis (media dalarn kondisi diarn), sedangkan sistem pendingin reaktor dalam kondisi dinamis (adanya laju aliran medi~l sistempendingin reaktor), dimana kondisi dirul mis ini juga mempengaruhi akan terjadinya korositersebut, sehingga penelitian tentang itu perlu dilakukan. Sejauhmana pengaruhsistem dinamis tersebutterhadap ketahaanko rosi dari bahan, yang berkaitan dengan degradasi unjuk kerja bahan bakar dan sistem keselamatan reaktor.
Menumt literatur, korosi akibat interak~i langsung de ngan aliran air inenyebabkan terjadinya pengikisan perrnukaankelongsong, hal ini lambat laun akan menyebabkan penipisan pada kelongsong sehingga memungkinkan adanya suatu kebocoran pada elemenbakar(2). Disamping hat itu juga akan terjadi penempelanpada bagian tertentu akibat adanyapembentukansenyawasenyawasebagai basil reaksi dengan air, peristiwa ini lama kelamaan dapat mengakibatkan terjadinya penyumbatanpada daerahaliran air pendingin sehinggadapatmemberikangangguanterhadap perpindahan panas dan kenaikan suhu bahan bakar. Makalah ini akan membahas tentang pengaruh suhu (temperatur operasional) daD waktudalam media korosi air mengalir. Setelah mendapatgambar-anbasil daD datayang cukup dari percobaan terdahulu (sistem statis)(3), makapada percobaandengansistemdinamis ill diambil suatu asumsi percobaan dilakukan dengan pe- ngkondisian temperatur kerja reaktorpada suhu 60 °C. Dan basil penelitian ini diharapkan dapat memberikan data masu kan untuk penelitian selanjut nya, maupun perancangan daD pembuatanelemen bakar (fabrikasi).
benda uji pada posisi berbeda,denganberbagai pembesaran. HASa DAN PEMBAHASAN A. RAsa FOTOGRAFI DAN MIKROS KOPIK Dari masing-masing sampel dengan perbedaan waktu celup, permukaan logam setelahterko rosi dapat dilihat melalui basil fotografi. Hasil photo metaIography menunjukkan per tumbuhan korosi pada permuka an, agar dapat lebih dibedakan penampilannya,gambar yang di tampilkan pada waktupencelupantl = 100,t2 = 250 daD t3 = 400 Jam.
Peningkatan per tumbuhan
korosi tampakjelas, pada gambar: I. kelihatan korosi terjadi merata pada permukaan,hal ini terjadi pada setiap benda uji. Sedang pada gambar: 2. korosi hanya terjadi pada tempattempat tertentulmengelompokdengan tingkat pertumbuhan rendah, dapat dibedakan daTi gambar dengan pembesaran (magnification) yangsarna.
TATAKERJA Sisa potonganAlMg2 daD AlMgSi dari fabrikasi Elemen Bakar Nuklir, di preparasi dengan ukuran 1 cm x 1 cm x 0.6 cm, pemotongan dilakukan dengan alat potong (cuting whell) daDdihaluskandengan gerindadan dipoles,bendauji diidentiflkasi dan dibersihkan dari kotoran dan lemak yang menempel,kemudian ditimbang dan dihitung luas per mukaannya sebagai data awal. Sebelum dicelup kedalam sistem. pengujian dinamis yang terdiri dari rangkaian pompa sirkulasi, alat pemanas dan instalasi aliran berikutbak pengujian denganmedia air demin. Sistemdioperasikanpada temperatur 60 °C, dengan kecepatanaliran diatur 15 mVdet,dan variasi waktu pencelupanmulai dari 100 jam sid 400 jam. Pada akhir percobaan benda uji keluarkan dari sistem, dibersihkan dari kotoran, kemudian dikeringkan daD ditimbang kern bali (data kehilangan berat). Agar interpretasi lebih baik, benda kerja diuji metalography serta pemotretan permukaan
Gambar:1a. PennukaanAIMg2 terkorosidalam sistemdinamis, 100jam. Pembesaran 200 X. No. Sampel: Al
Gambar:1b. PennukaanAlMg2 terkorosidalam sistemdinamis.250 jam. Pembesaran: 200 X. No. Sampel: B 1
155
Gambar:lc. PennukaanAlMg2 terkorosidalamsistem dinamis.400jam. Pembesaran : 200X. No. Sampel:AJ
pengaruh unsur Si yang mengumpul pacta bagiantertentupactapactumAlMgSi yang dapat menahanreaksi oksidasi, Akibat sifat tersebut dapat mengurangi reaksi korosi pacta bahan, Dilihat da ri sifat unsur utama paduan aluminium seperti AI, Mg, dan Si, dalam urutandaftar susunanberkalaketiga unsurterse but berada pacta satu perioda yang dapat menjelaskanunsur Mg lebih reduktif dari pacta unsur AI dan Si, sementara AI sendiri lebih reduktif dari Si dimana Si sendiri bersifat ampotir (4) Dari pertumbuhankorosi berupaoksidasi(4) dalam media air pendingin,terbentuknyaMgO lebih besar dari pacta AI203 daD SiO2' Sementarasecara kimia ikatan reaksi AI203
Gambar:2a PennukaanAlMgSi terkorosi dalamsistem dinamis.100jam. Pembesaran:200X. No. Sampel:A,
lebih kuat daTi pacta SiO2' Dari sini dapat dikatakanbahwa pactum AlMgSi lebih tahan korosi dibanding pactum AIMg2, hat ini juga dapat dilihat daTibasil percobaanbahwa berat sampel AlMgSi lebih sedikit berkurang dari berat sampelAlMg2, Hasil perhitungan ini juga didukung denganbasil photo metalographinya, (5) Ditinjau dari sifat keta banan korosi, penggunaan bahan AlMgSi dapat lebih memperpanjangumur dari bahan elemen bakar, serta dapat meningkakan sistem keselamatanoperasireaktor.
B. KorosiAIMg2 daD AIMgSi dalammedia air pendinginkondisi dinamik padatemtemperatur 60°C.
Gambar:2b. PelmukaanAlMgSi terkorosidalamsistem dinamis.250jam. Pembesaran : 200X. No. Sampel:82
Dari basil perhitungan (penimbangan) berat sampel, diperoleh data kern langan berat (.1.m) terkorosi pada berbagai waktu pencelupan seperti pada label berikut. Tabel: 1. Tabel harl!a kehilanl!an berat (~m) AIMI!2
w-.K"TU
J-
Gambar:2c. PennukaanAlMgSi terkorosidalamsistem dinamis.400jam. Pembesaran : 200X. No. Sampel:BJ
Terjadinya korosi mengelompokkarena
156
,*ll&11I ber8t l II
100 J150 Jzoo 250 J.. 300 J350 J400
l
J-
(gr)
0,00062 0,00075 0,00078
o,o~
0,00092 0,00112
0,00135
L188
per-a..,, 2
(IIW
1~
II
(I11/CIl
2)
)
638,40 678,12 624,12 624,10 609,12 643,80 678,80
0.971
1.165 1,274 1,417
1.506 1.629 1.760
Tabel: 3. Tabelhargalog Am dan log t.
Tabel: 2.Tabelhareakehilaneanberat(t.m)AIMgSi.
'.lI8thber.t I
WTU
1
Ct) 100
8 (gr)
J-
1'0J200 250 300 350
LU18
JJ-
J.. J..
400 J8I
0,00025 0,00029 0,00033 0,00048 0,00042 0 , 000J8
0,00069
pers,lkMn
I .II
(~/CIR
2)
372.96 513.70
414,~ 341,10 550,53
0,492
0,744 0,184 0,934 1,G12 1,114
1.253
Data diatas dapat digambarkan dalam graflk sebagai hubunganantara kehilangan berat (A m) versus waktu (t). Dari tampilan label dan gambar graflk terlihat bahwa pening katan laju korosi pada paduan AlMg2 lebih cepat dari pada paduan AIMgSi. Semakin lama terjadi kontak logam dengan air akan menimbulkan logam teroksidasi semakin banyak dan membentuklapisanoksidapadapermukaan. Hal tersebutdapat dilihat pada gambar:3. graflk kehilanganberat. Untuk AlMgSi tampak bahwa mulai daTi inter val waktu 150 sid 300 jam, cenderung membentuk garis Ie bib landai dibanding AlMg2. Pada batas waktu tersebut terjadi penurunanpertumbuhan korosi karena terbentuknya lapisan oksida pada permukaan matrikyang dapat menghaiangi laju pertumbuhan korosi berikutnya. Dalam aplikasinya, penggunaan paduan AlMgSi sebagaibahan struktur elemenbahan bahan bakar reaktor, kejadian diatas akan menguntungkan,karena dapat memperpanjang umur bahan, dilihat dari pengaruh korosi terhadapmaterial. t.
I.. t
/~~~~
t"
-~..
~ ..
~
;: ,
I , ~ .0
! ... i 0"
~
--';;;--'00' E~~~=--
~--AiMgii~ WAKTU cow.
co. -~~~~-=--~
lOG
400
Gambar3. HubungankehilanganberatAlMg2 danAlMgSi vs waktu celup
~-
100 150 J8m 200 J811
25G
-0,01,8
0 .0663
JJ-
0,1052 0.1514 0,1m 0,2119 0,2504
300 350 Jam 400 Jam
.'
log
t
ALM;St -0,3080 -0.1284 -0,0536 -0,OZ97 0,0052 0,D469 0,0980
2 .0000 2,1761 Z,3D10 2,3979 2,4111 2,5441 2,60Z1
Dari tabel diatas, secara urnurn dapat dinyatakan kedaIam suatu persarnaansebagai berikut (6) A rn = ktn (1) dalam bentuk lain persarnaan tersebut dapat ditulis : log A rn = log k + n logt ..(2)
dengan:
A rn = beratlogarnyang larut
karenakorosi (rng/crn2) t = watu (jam). k,n = konstanta. Berdasarkanpersamaan(2), dilakukan regresi linier fer hadapwaktu sehinggadipero leh slope garis (n), dan titik potongnyayaitu interseplog k dengan keofisien korelasi R yang harus mendekatiharga+ I atau-I sebagaiberikut: a). Untuk AlMg2 Am = 0.14086.1°.4185. denganharga R = 0.993654. b). Untuk AlMgSi Am = 0.03174.1°,6133. denganharga R = 0.961234. Laju pelarutan paduan Aluminium dalam air pada kondisi di namis, dapatditunjukkan dalam persamaansebagaiberikut (6): v = kkor. [reaktan] (5). k = A. e-Ea/RT
Dari tabel 1 daD tabel 2, dapat dihitung harga log Am daDlog t sebagaiberikut.
A III
A1Mt2 I
(t)
<- 2) 501.36 390.01
WAKTU I
(6).
Ink=lnA_~.l R
T
dimana:
v = laju korosi, mg/cm2.h. [ ] = konsentrasi,mg/mg. k = konstantakorosi, mg/cm2.h A = konstantayang tergantung
157
padakarakteristik mate rial,mg/cm2.h. Ea = Energi aktivasi, llmol. R = Konstantagas ideal (8,314 llmol.K) T = temperaturabsolut,OK. Untuk masing-masing sarnpelpaduan AlMg2 dan AIMgSi, daTilabel 1 daD 2, didapathargaharga : Untuk AlMg2 In A = 0.420221
~ R
= 0.85467
pada permukaan,yang dipengaruhi oleh laju aliran. Disamping menghambat pertumbuhan korosi lapisan tersebut akan mempe-ngaruhipengendapanbasil korosi. -Laju pertumbuhan korosi akan menurun karena pembentukan lapisan oksida yang bertindak sebagai inhibitor terhadap korosi berikutnya. -Menurut basil penelitian yang dilakukan oleh Hart(7) dibawahtemperaturkritis (60 -70) or, akan membentuklapisan oksida; amon, bohmit (A AI203H20) daD bayerit (6 AI203H20),
Untuk AIMgSi
In A = 0.613336 ~ R
= 1.49837
Dengan menganggapkonsentrasi[C] (reaktan) konstan,maka didapatpersamaan laju korosi AlMg2 dan AlMgSi pada suhu 60 0 adalah: v AlMg2 = 0.6476 x e(-O.85467rT).[C)
AlMgSi
= 0.4188 x e(-1.49837Tf).[Cj
Dari basil Penelitian terdahu lu dengansistem statik pada suhu pencelupan60 or, dipe-roleh harga k dan n sebagaiberkut : a). Untuk AlMg2 A-m = 0.234429.to.004516. denganharga R = 0.974685 Persamaanlaju korosinya: v AlMg2 ; (0.79457) x e( -0234 45fT). [C).
b). Untuk AIMgSi A m = 0.044566. 1°,003864
denganharga R = 0.997511 Persamaanlaju korosinya: vAlMgSi = (0,96015)x e(-004457rr) [C).
Dari kedua penelitian dengansistemyang berbeda,laju korosi paduan Aluminium sistem statik lebih besar dibanding laju korosi pada sistemdinamik. Terlihat jelas pengaruh dari adanya laju aliran (sistem dinamis) memperkecil pertumbuhan laju korosi. Hal ini disebabkanoleh karena: -Adanya aliran akan menyebabkan terbentuknya boundary layer (lapisan batas)
158
DaTi gambar:4, dapat dijelaskanbahwa jumlah yang terlarut pada kondisi dinamis relatif akan meningkat dengan waktu dibandingkan dengan kondi si statis. Hal ini mungkin terjadi karena larutan jenuh daTi media tidak ter-capai pada kondisi dinamis, sedangkanproduk korosi tetapterbentuk. Disamping laju aliran, mekanismekorosi pada kedua percobaanjuga ber- beda yaitu, terbentuknya layer/lapi san pada permukaan rnatrik, sehingga mempengaruhi gerakan/pertumbuhankorosi, yang memberikan kinetika yang berbe da tergantung pada tahapan-tahapanyang mendominasi proses korositersebut.Nampak bahwa pada prosesdinamis, mekanismekorosi pada tahapan metal lebih mendominasi, dibandingkan dengan difusi kedalam media. Sedangkanuntuk kondisi statis difusi kedalam media rnasihberpengaruh. DaTi penurunanrumus ~ m = k.tn , dapat dijelaskan harga n menunjukan mekanisme dari kinetika korosi yang terjadi. Menurut Vladimir Sedlacek(IO), untuk harga n mendekati0.5, mekanismeproses
yang mendominasiadalah difusi akibat cacat kisi. Dari basil penelitian, harga n 'diperoleh0.4 sid 0.6, yang menunjukkanbahwa pemyataan diatas dapat diterima. Walaupun demikian untuk lebih memahami mekanisme tersebut, perlu diadakanpenelitian Ianjut.
4. Penggunaan pactum AlMgSi dapat memperbaiki sifat ketaha nan korosi, akibat pengaruh /sifat reaktifitas Si lebih rendah, sehingga dapat menaikan unjuk kerja elemen bakar, serta memperpanjang umur elemen bakar.
DAFTAR PUSTAKA 1. TRETHEWEY.K.R.,BENJAMIN.CHAMBE RLAIN.J Korosi, Pt.Grame dia Pustaka Utama. Jakarta1991. 2. KENNETH..TRETHEWEY,BSC,PHD,CCH EM,MRSC MICORR.ST.AND maN CHAMBERLAIN KOROSI. PT gramedia pustakautama, Jkt 1991. 3. ERIC JOHNERI. SIGIT., Kinetika Korosi AlMg2 dan AlMgSi dalam sistemstatic PusatElemen Bakar Nuklir, Serpong. 1993. 4. TJOA KOEI HAM., Kimia Dasar. 5. PETZON. G, "Metallographic Etching "American SocietyFor Metals",Ohio,1978. 6. PAULLEAU,Y. "Etude Cinetique de l'oxydation du Nikel et du Cuivere par Ie Monooxyde d'azote", These de Doctorat, Grenoble,1969. 7. HART. E. , ThermodynamicFunctions for nonuniformSystems.J.Chem.Phys,(1963). 8. HOLLING SWORTH.E. H., HUNSICKER H.Y. "Corrossion of Aluminium and Aluminium Alloys", Aluminium Companyand of America. 9. DA.PORTER.,KE. EASTERLING, Phase Trans formations in Material Alloys. Van NostrandReinhold(UK). 10.VLADIMIR SEDLACEK., "Non-Ferrous Materials and Alloys Materials sience Monographs,30., Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo 1986.
SARAN
DISKUSI
1. Bila akibat korosi daTi bahan asal menunmkanumur clemenbakarsehinggadapat merugikan Bum Up, rnaka penggantianbahan clemenbakar cukup memberikanarti.
1.
KESIMPULAN DAN SARAN. 1. Dari percobaan yang dilakukan, kinetika korosi AlMg2 dan AIMgSi dalam air, mengikuti hubunganpersamaan 11m = k tn. dengan harga k = 0,14086 mg/cm2.jam, n = 0,4185 untuk AlMg2 dan k = 0,03174 mg/cm2.jam, n =0,6133 untuk AlMgSi. Dengan harga koefisien korelasi mendekati+1 atau-I. 2. Laju korosi paduanlogam aluminium dalam media air pendinginpada kondisi dinamis lebih rendahdari pada kondisi statis. 3. Ketahanan terhadap korosi paduan AlMgSi lebih baik dari paduan AIMg2, dapat dili hat pada gambar 3, terjadi penahanan reaksi korosi pada selang waktu tertentu untuk penggunaan lama.
2. Penggunaanpaduan AlMgSi sebagaiabahan struktur elemen bakar dapat meningkatkan keselamatanoperasireaktor. 3. Sejogiyanya secara keselu ruhan, perangkat elemen bakar menggunakan bahan daTi paduan AIMgSi, akan tetapi perlu dilakukan perhitungan dan penelitian mengenai compatibility Si terhadap MIT yang dikembangkan mamakai bahan bakar UxSi, serta percobaan yang berkaitan dengan Burn Up terhadap penggantian bahan elemen bakar.
Mengapa pada mekanisme dinamis terbentuk layer (oksida) pelindung, sedangkan pada statis tidak ? 2 .Untuk aplikasi di reaktor apakah sudah memasukkan faktor radiasi ? Eric Johneri : 1. Karena adanya laju aliran untuk sistem dinamis. Sedang pada sistem statis karena tidak adanya aliran (stagnasi) tidak terbentuk lapisan layer karena sifat reduktif daTi Mg yang lebih tinggi dari AI. Dan Si. Larutan jenuh pada kondisi dinamis tidak tercapai sementara pada statis memungkinkan tercapainya larutan jenuh sehingga pada suatu saat laju korosi terhenti. Pada statis : reaksi korosi berjalan terns sampai media menjadi jenuh daD
159
berhenti. Pada dinamis : akibat aliran/laju aliran adanya endapan yang terkelupas clan ikut dalam aliran, hal ini yang dapat membentuk lapisan oksida lain bersifat amorf yang disebut boundary layer. Bagaimana mekanisme terbentuknya, perlu dilakukan penelitian lanjut.
160
