PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR Pusat Teknologi Akslerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
PENGARUH LAJU KOROSI PADA BAJA STAINLESS STEEL 304 PIP A PENDINGIN REAKTOR DI DALAM LINGKUNGAN AIR DAN ASAM NITRAT Ratmi Herlani, Hidayati, Mujari Pusat Tekn%gi
Akse/erator dan Proses Bahan
ABSTRAK PENGARUH LAJU KOROSI PADA BAJA STAINLESS STEEL 304 PIPA PENDINGIN REAKTOR di DALAM LlNGKUNGAN AIR dan ASAM NITRA T. Telah di/akukan penelitian laju korosi terhadap sampel spesimen baja Stainless Steel 304 sebagai pipa pendingin reaktor riset da/am media Air Bebas Mineral (ABM) maupun Air Tangki Reaktor (ATR) dengan konsentrasi HN03 divariasi dari 0,001 M - 0,08 M. Sampel SS 304 diberi perlakuan dengan pemolesan dan tanpa pemolesan pada permukaannya. Uji korosi dilakukan dengan a/at Potensiostat PGS 201T dengan sel3 elektrode yang dihubungkan pada mikrokomputer sehingga arus korosi diperoleh. Didapatkan kondisi lingkungan asam nitrat baik da/am ABM maupun A TR optimum pada konsentrasi 0,001 M, pH 6 - 7, konduktivitas 1,19 - 3,9 uSlcm untuk ABM dan 3,9 - 4,2 uS/cm untuk ATR, laju korosi 33,05 mpy untuk ABM dan 0,62 mpy untuk A TR. Lingkungan asam nitrat optimum memberikan laju korosi SS 304 yang relatif baik memenuhi syarat sebagai pipa pendingin reaktor.
ABSTRACT INFLUENCE OF CORROSION RATE on STAINLESS STEEL 304 of REACTOR COOLING PIPE in WA TER and NITRA TE ACID. Corrosion rate SS 304 as reactor cooling pipe in mineral freed water or reactor tank water with HN03 varied from 0.001 M - 0.08 M. Sample SS 304 was treated by polishing and without treatment on their surfaces. Corrosion rate was done with Potensiostat PGS 201T with three electrodes which combined on microcomputer so corrosion current was found. It was found optimum conditions in environment nitrate acid in mineral freed or reactor tank water on 0.001 M, pH 6 - 7, its conductivity 1.19 - 3.9 uS/cm for mineral freed water and 3.9 - 4.2 uS/cm for reactor tank water, corrosion rate was 33.05 mpy for mineral freed water and 0.62 mpy for reactor tank water. The optimum nitrate acid gived relative good result corrosion rate SS 304 as reactor cooling pipe.
PENDAHULUAN Reaktor nuklir untukdi penelitian riset yang beroperasi Indonesia atau ada reaktor tiga buah, yaitu reaktor Kartini di Y ogyakarta, reaktor Triga di Bandung dan reaktor GA Siwabessy di Serpong. Sesuai dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang telah dikuasai oleh para ahli di Batan dan mengingat bahwa pemanfaatan teknologi nuklir khususnya operasi reaktor nuklir untuk pelayanan kepada dunia riset, industri, kedokteran dan lingkungan harus selalu ditingkatkan maka keselamatan operasi dan fungsi reaktor khususnya reaktor Kartini perlu lebih ditingkatkan.
Ratmi Herlani, dkk
Adanya reaksi pembelahan inti di dalam bahan bakar reaktor akan menimbulkan panas. Pada reaktor penelitian panas ini harus dikeluarkanagar suhu air pendingain tidak semakin tinggi akibat akumulasi panas dengan cara didinginkan menggunakan air pendingin primer yang bersinggungan langsung dengan bahan bakar. Air pendingin primer ini didinginkan lebih lanjut menggunakan air pendingin sekunder dengan alat penukar panas (heat exchange), sedangkan air pendingin sekunder didinginkan menggunakan udara dengan memakai menara pendingin. Komponen-komponen reaktor terutama pipa-pipa pendingin banyak digunakan bahan
ISSN 1410 - 8178
65
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN
NASIONAL PERANGKA
T NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
PENELITIAN
Yogyakarta,
28 Agustus 2008
stainless steel. Oleh karena itu perlu pereneanaan yang meyakinkan dalam pemilihan bahan yang sesuai dengan lingkungan penggunaannya agar tidak terjadi masalah di kemudian hari. Misalnya pad a fasilitas rektor riset Kartini di PTAPB Batan yang digunakan antara lain untuk penelitian di bidang kenukliran baik oleh PTAPB sendiri maupun pusat-pusat lain di Batan maupun oleh lembaga penelitian dan pendidikan di luar Batan. Keberadaan dan kelangsungan unjuk kerja reaktor riset Kartini ini sangatlah diperlukan. LATAR BELAKANG Pada reaktor riset penggunaan air untuk berbagai kepentingan antara lain sebagai media pendingin primer dan sekunder, moderator netron serta penahan paparan radiasi dalam teras reaktor. Namun demikian pad a kenyataan penggunaan air pad a reaktor riset ini dapat menimbulkan berbagai masalah serius terhadap komponen-komponen, struktur, dan sistem penting reaktor akibat terjadinya korosi maupun timbulnya lapisan oksida. Lingkungan asam yang mungkin timbul dari adanya aktivitas partikel lapisan terlarut karena paparan radiasi maupun yang dihasilkan dari proses radiolisis air juga sangat berpengaruh. Dalam rangka menjaga kelangsungan unjuk kerja operasi reaktor maka studi pendahuluan pengaruh laju korosi baja stainless steel 304 sebagai pipa pendingin reaktor di dalam lingkungan air dan asam nitrat perlu dilakukan. TATA KERJA Bahan-bahan
:
Logam SS 304, larutan asam nitrat, akuades, ABM, ATR, Air Pending in Sekunder, Amplas, autosol Alat kerja : Potensiostat PGS 20 I T, sel elektrode, pH (M)pialHN03 0,08 0,006 0,02 0,05 0,001 indikator, gelas a, labu ukur, pipet ukur, tisu, pipet tetes
ditepatkan sampai tanda batas menjadi larutan M b. larutan induk 1 M dibuat tarutan asam nitrat eneer dengan variasi konsentrasi
I
3. Perlakuan uji PGS 201 T
korosi
dengan
Potensiostat
a. salah satu logam SS dipasang ke dalam elektrode kerja, elektrode dipasang pada sel elektrode kalomel dan platina dipasang pad a sel elektrokimia b. larutan asam nitrat encer dimasukkan ke dalam sel elektrokimia sampai semua elektrode tereelup, dihubungkan pad a antarmuka imt
I
I
c. potensiostat dan antarmuka imt dihidupkan sampai terjadi proses transfer data d. pengukuran dilakukan dengan memberikan potensial pada elektrode kerja -1500 m V sampai +1500 mV dengan laju scan 20 mV/detik e. logam SS pada elektrode kerja diganti dengan logam yang lain dan konsentrasi asam nitrat variasi berikutnya HASIL DAN PEMBAHASAN Telah diketahui bahwa di samping aIr, asam nitrat juga merupakan senyawa yang mempunyai sifat korosif terhadap logam karena adanya ion H+ yang bertindak sebagai oksidator. Dengan mengukur besamya laju korosi stainless steel 304 sebagai pipa pendingin reaktor di dalam lingkungan air dan asam nitrat maka ketahanan korosi logam tersebut dapat diketahui. Dari hasil pereobaan didapatkan hasil pengukuran laju korosi dalam variasi konsentrasi asam nitrat sampai bi bawah 0, I M. Tabell.
Data konsentrasi asam nitrat terhadap laju korosi dalam ABM dan ATR (pemolesan). 204,22 0,62 156,05 Kadar (UA/cm) 44,51 33,05 93,47 146,81 156,55 92,39 77,35 130,65 170,98 25,27 30,18 131,07 27,67 L ko, 10,52 ko, ABM ATR 122,91 37,75 78,26 (mpy) (mpy) (UA/em)
I
Cara kerja : 1. Preparasi logam SS a. logam SS dipotong bentuk bulat dengan diameter 1,4 em b. pemolesan permukaan logam SS dengan amplas ukuran 800-1500 mesh 2. Pembuatan larutan asam nitrat encer ( 0,001 M - 0,08 M ) a. asam nitrat pekat diambil 34,621 ml dimasukkan ke dalam labu takar 500 ml yang slldah diberi akllades 200 ml kemudian
66
Dari data pada Tabel I dapat dilihat bahwa laju korosi di dalam ABM sampai konsentrasi asam nitrat 0,02 M lebih tinggi dari pada di dalam ATR, namun demikian setelah konsentrasi dinaikkan sampai 0,08 M laju korosi di dalam ATR melebihi di dalam ABM. Untuk lebih jelasnya hubungan konsentrasi asam nitrat terhadap laju korosi SS 304 bcrikut dapat dilihat pad a Gambar I.
ISSN 1410 - 8178
Ratmi Herlani, dkk
PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akslerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 "> 250
laju korosi pada ABM lebih tinggi di bawah konsentrasi 0,02 M dan pada ATR naik setelah konsentrasi di atas 0,02 M.
A"."" laju korosi ABM -Laju korosi A TR
.§: 200 'V; 150
o
:; 100
~
::s
'n ....I
"> 250
50 _,~__ ~__ ....•.. __ ir""
0
0.001
0.006
002
Konsentrasi
0.05
0.08
Asam Nitrat (M)
!200 .;::; 150 (> ~ 100 ~ ::s
Gambar
I.
Grafik pengaruh konsentrasi HN03 terhadap laju korosi SS 304 olesan).
Dari Gambar I. di atas dapat dilihat bahwa laju korosi mendekati sarna besar pada konsentrasi asam nitrat 0,02 M, Pada saat konsentrasi dinaikkan laju korosi baja dalam lingkungan air tangki reaktor lebih tinggi dari pada dalam air bebas mineral sampai konsentrasi 0,08 M. Dalam hal ini pada air tangki reaktor yang kemungkinan besar telah terdapat lepasan hasil kerak korosi dari dinding pipa pendingin menyebabkan kenaikan angka laju korosi, demikian pula ditambah dengan naiknya konsentrasi as am nitrat dalam ATR. Untuk mengetahui sejauh mana tren laju korosi antara baja (SS 304) tanpa diberi perlakuan dan dilakukan pemolesan sebelum diuji korosi maka dibandingkan dengan percobaan pad a SS 304 yang tanpa perlakuan pemolesan seperti hasil yang tertera pada Tabel 2. berikut ini : Tabel 2.
Kadar
Data konsentrasi asam nitrat terhadap laju korosi dalam ABM dan ATR (tanpa pemolesan) -A-B-M----I---A-T-R
'j;' ....I
0.001
A TR
0.006
0.02
0.05
0.08
Konsentrasi Asam Nitrat (M)
Gambar 2. Pengaruh konsentrasi HN03 terhadap laju korosi SS 304 (tanpa pemolesan) Pada hasil penelitian diperoleh data laju lorosi SS 304 yang hampir sarna baik yang diberi perlakuan pemolesan maupun tidak, hal demikian terjadi kemungkinan adanya perubahan mekanisme pada lapisan oksida dari difusi kation ke arah luar menjadi difusi anion oksigen ke arah dalam sehingga selanjutnya lapisan logam di bagian bawahnya akan ikut terkorosi. Oleh karena itu adanya kandungan crome pada paduan SS 304 yang menyebabkan crome oxide yang terbentuk pada permukaan yang bersifat protektif menjadi berkurang. Di samping konsentrasi asam nitrat dipelajari pula pengaruh pH media lingkungan terhadap laju korosi. Dari hasil percobaan dengan variasi pH mulai 5,5 sampai 7,5 diperoleh data sebagai berikut : Tabel3.
pH media
Data variasi pH terhadap laju korosi pada logam SS 304. ABM ATR
5.1..5
Pada SS tanpa dilakukan pemolesan di dalam media ABM dengan konsentrasi asam nitrat sampai konsentrasi 0,006 M sedikit lebih tinggi laju korosinya dibanding di dalam ATR, sedang mulai konsentrasi 0,02 sampai 0,08 M maka laju korosi logam SS 304 cenderung lebih tinggi dari pada dalam media ABM. Sehingga pada daerah konsentrasi asam nitrat 0,02 sampai 0,05 M terjadi perubahan laju korosi yang hampir sarna baik pada ABM maupun ATR. Berikut dapat dilihat pad a Gambar 2. tren yang terjadi pada SS 304 tanpa pemolesan. Pada Gambar 2. dapat dilihat bahwa tren SS 304 baik pada medium ABM maupun ATR dengan kenaikan konsentrasi as am nitrat yang sarna ll1ell1berikan kelakuan yang hall1pir sarna pada perlakuan dengan pell1olesan, sehingga diperoleh Ratmi Herlani, dkk
Laju korosi
0
(M) 19,19 47,12 123,32 157,11 196,55
laju korosi ABM
-
50
HN03
0,001 0,006 0,02 0,05 0,08
~
6 6~ 7 7,5 Air yang digunakan untuk pendingin. di dalam teras reaktor harus sangat mumi, di dalam persyaratannya antara lain rentang pH antara 6,0 sampai 7,0. Dari Tabel 3 terlihat bahwa pada kondisi pH media 6 dan 7 baik pada ABM maupun A TR menunjukkan laju korosi yang lebih rendah walaupun pada pH 6,5 sedikit mengalami gejolak kenaikan laju korosi yaitu 6,50 mpy pada ABM dan 4,27 mpy pad a ATR tetapi masih relatif aman karena pad a umumnya laju korosi akan naik dengan naiknya pH media. Oleh karenanya jika pada ATR masih pada kondisi pH antara 6 - 7 ll1aka penggunaan SS 304 masih aman dan layak sebagai pipa pendingin pada reaktor Kartini.
ISSN 1410 - 8178
67
PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusot Teknologi Akselerotor don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
Di samping kedua parameter di atas hal yang tidak boleh diabaikan adalah konduktivitas media. Kemungkinan adanya beberapa partikel yang lepas dari hidrolisis air maupun korosi maka akan mempengaruhi konduktivitas dalam air tangki reaktor. Pada pereobaan dilakukan juga pengukuran konduktivitas sebelum dan sesudah perlakuan uji korosi, berikut ini ditampilkan data-data hasil pengukuran pada Tabel4. Tabel4.
Data konsentrasi HN03 konduktivitas dan I:;uukorosi. ABM Konduktivitas ATR Sebelum 266 261 256 Sesudah 259 146,81 166,3 204,23 33,05 156,55 92,39 0,62 156,06 93,47 44,61 165,4 65,0 20,1 69,0 163,8 21,9 4,2 164,8 69,3 65,5 3,9fuS/em) L kor Lkor 30,18 21,6 1,19 20,5 (mpy) (mpy) Sebelum Sesudah (uS/em) Kadar
terhadap
reaktor di dalam lingkungan air dan asam nitrat perlu dilakukan. KESIMPULAN Didapat kondisi lingkungan asam nitrat dengan konsentrasi yang optimum sebesar 0,00 I M, untuk itu masih memenuhi persyaratan air pendingin pad a reaktor riset Kartini dengan laju korosi yang relatif masih rendah yaitu 33,05 mpy untuk lingkungan ABM dan 0,62 mpy dalam lingkungan ATR dengan pH optimum 6 - 7 dan konduktivitas antara 1,19 uS/em - 3,9 uS/em, sehingga ketahanan korosi stainless steel 304 sebagai pipa pendingin reaktor dapat ditingkatkan. Laju korosi yang terjadi pada konsentrasi optimum tidak sampai menganggu fungsi pipa pendingin reaktor. DAFT AR PUST AKA
Konduktivitas air pendingin di dalam teras reaktor harus memenuhi persyaratan yaitu lebih keeil atau sama dengen 3 uS/em. Pada pereobaan yang dilakukan dalam media ABM maupun ATR yang mendekati persyaratan terdapat pada konsentrasi asam nitrat 0,00 I M. Pengukuran konduktivitas diamati sebelum dan sesudah laju korosi dilakukan, terlihat bahwa konduktivitas setelah terjadi korosi meningkat. Konsentrasi asam nitrat semakin besar maka konduktivitas meningkat. Oleh karena itu agar memenuhi persyaratan konduktivitas yang diijinkan maka kO!1sentrasi asam nitrat maksimal sebesar 0,001 M yang boleh ada dalam media ABM maupun ATR. Sifat ketahanan korosi merupakan sifat karakteristik yang sangat penting pada penggunaan komponen-komponen reaktor termasuk pipa pendingin primer maupun sekunder. Oleh karenanya pereneanaan yang tepat dalam pemilihan bahan yang sesuai dengan lingkungan penggunaannya terutama pada reaktor riset seperti reaktor Kartini perlu diteliti. Dengan pereobaan ini, penggunaan air pada reaktor riset yang dapat menimbulkan berbagai masalah serius terhadap komponen-komponen, struktur dan sistem penting reaktor akibat terjadinya korosi maupun timbulnya lapisan oksida diharapkan dapat diatasi. Lingkungan asam yang mungkin timbul dari adanya aktivasi partikel terlarut karena paparan radiasi maupun yang dihasilkan dari proses radiolisis air juga sangat berpengaruh. Dengan demikian dalam rangka menjaga kelangsungan unjuk kerja operasi reaktor maka penelitian ten tang pengaruh laju korosi stainless steel 304 sebagai pipa pendingin
6R
I. FONTANA, M.G., Corrosion Engineering, 3rd edition, Me.Graw-Hill Book Company, Singapore, 1978. 2. SMITH, W.F., Principles of Materials Science and Engineering, 3rd edition, Me.Graw-Hill Companies. Inc., 1996. 3. YAMAMOTO TAKAO, TSUKUI SHIGEKI et aI, Gamma ray Irradiation Effects on Corrosion Rates of Stainless Steel in Boiling Nitrig Acid Containing Ionic Additives, Departement of Nuclear Engineering, Osaka University, Japan, 1997. 4. SNOEYINK, V.L. and JENKINS, D., Water Chemistry, John Wiley and Sons, New York, 1980. 5. JONES, D.A., Principles and Prevention of Corrosion, Macmillan Publishing Company, New York, 1992. 6. TRETHEWEY, K.R. and CHAMBERLAIN, J., Korosi Untuk Mahasiswa dan Rekayasa, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1991.
TANYA JAWAB Tunjung Indrati ~ Value chain apa yang dapa! diberikan ke aplikasinya dari hasil penelitian ini, karena kita tahu bahwa 304 sudah recommended sebagai pipaltangki reaktor Ratmi H -<>- Nilai tambah dari penelitian ini adalah dari sisi ekonomi harga SS304 lebih lI1urah. Sebenarnya yang akan digunakan adalah
ISSN 1410 - 8178
Ratmi Herlani, dkk
PROSIDING SEMINAR NASIONAL PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akslerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
SS3/6 yang mengandung Mo dan Ni yang dapat meningkatkan ketahanan terhadap korosi, tetapi pada saat penelitian pengadaan SS3/6 belum dapat direalisasikan. Oleh karena itu pene/itian ini digunakan sebagai pembandingjika SS3/6 sudah ada. Tri Nugroho y Pada saat variasi pH terdapat nilai laju korosi yang besar, yaitu pada pH 6,5 dibandingkan pH 6 dan 7. apakah pH ini harus dihindari dalam implementasinya di Reaktor Kartini mengingat range optimum pad a pH 6 - 7 Ratmi H
~ Pada pH 6,5 laju korosi 3,58 - 4,27 mpy, nilai ini masih di bawah nilai ambang yang diijinkan (5,2 mpy)
mengingat air pad a teras reaktor sehingga tidak dapat tercemar dari luar Ratmi H
tertutup
~ HN03 berasal dari hidrolisi air, paparan radiasi dan larutan pengelusi resin yang digunakan saat pembuatan air reaktor Sukadi
y Dengan hasil laju korosi yang didapat, dapatkah dihitung ketahan dan umur pakai bahan pipa pendingin reaktor? Ratmi H
~ Bisa, karena dengan mengetahui nilai laju korosi dengan satuan mpy (mils inch per year) maka "life time" pipa pendingin dapat ditentukan.
Indra Suryawan y Dari pembahasan, korosi pipa pendingin terjadi darimana HN03 ini berasal, oleh HN03,
Ratmi Herlani, dkk
ISSN 1410 - 8178
69
