Jurnal Teknik Mesin
Full Paper
Studi Korosi Temperatur Tinggi Baja ASSAB 760 Dilingkungan Klor dan Sulfur a
a
Simon Dwi Prasetyo , Edi Septe , Jovial Mahyoeddin a
a
Faculty of Industrial Technology, Universitas Bung Hatta
*Corresponding author:
[email protected]
Article history Received XXXX
Received in revised form XXXX Accepted XXXX
Abstract
Steel of ASSAB 760 can be used as component materials for the system of hot power station pipe network of earth ( geothermal). In high temperature the air usually content of klor and sulphur it is able to cause corrosion. On that account needed examination of high temperature corrosion to know the level of rate corossion that happened at Steel of ASSAB 760. Examination conducted with time variation of 3 - 6 hour where at surface of Steel of ASSAB 760 in arranging in layers by mixture of NaCl/ Na2SO4 comparison 50 / 50 by sprayed flattened. Result of which is obtained when 3 hour 3,5 x 10-4 mm / year, 4 hour 2,2 x 10-4 mm / year, 5 hour 2,5 x 10-4 mm / year, 6 hour 3,1 x 10-4 mm / year. Its conclusion is longer examination time hence fast ever greater of oxidation that happened and coat of NaCl/ Na2SO4 very having an effect on to oxidation rate. Keywords : Steel of ASSAB 760, NaCl deposit, Na2SO4 deposit, High Temperature, oxidation rate.
1. PENDAHULUAN
Perkembangan industri di Indonesia di era globalisasi saat ini semakin pesat sehingga membuat kebutuhan akan penggunaan material logam semakin meningkat sehingga menyebabkan banyaknya industri – industri seperti industri pengecoran logam, pembangkit listrik dan petrokimia aktif bergerak saat ini. Dalam upaya meningkatkan hasil produksinya maka diperlukan kerja maksimal dari tiap komponen alat industri. Baja ASSAB 760 dapat digunakan sebagai bahan komponen pipa untuk sistem jaringan perpipaan pembangkit listrik panas bumi (geothermal). Keberadaan gas klor dan sulfur dalam perut bumi, selama pengaliran uap akan keluar bersama uap air menuju penampungan uap sebelum diteruskan ke sistem pembangkit. Perubahan tekanan dan temperatur yang terjadi selama pengaliran uap air dari dalam/ keluar perut
bumi menyebabkan gas klor dan sulfur dapat mengendap pada dinding pipa karena reaksi bersama oksigen atau uap air. Oleh karena itu selama pemanfaatan uap panas bumi, keberadaan gas klor dan sulfur harus diperhatikan secara khusus terhadap ketahanan korosi pipa baja yang digunakan. Gas klor dan sulfur yang mengendap dalam bentuk deposit NaCl maupun Na2SO4 pada permukaan baja dan paduannya, dapat menimbulkan kerusakan yang parah. Endapan garam klorida dan sulfur mempercepat proses oksidasi/ korosi baja dan paduannya selama terekspos pada temperatur tinggi [1]. Temperatur tinggi memberikan pengaruh ganda terhadap degradasi logam. Pertama, kenaikan temperatur akan mempengaruhi aspek termodinamika dan kinetika reaksi, artinya degradasi akan semakin cepat pada temperatur yang lebih tinggi. Kedua, kenaikan temperatur akan mempengaruhi dan merubah struktur dan perilaku logam. Jika struktur berubah, maka secara umum
kekuatan dan perilaku logam juga berubah. Jadi selain terjadi degradasi yang berupa kerusakan fisik pada permukaan atau kerusakan eksternal, juga terjadi degradasi, penurunan sifat mekanik, logam menjadi rapuh [2]. Korosi temperatur tinggi merupakan masalah yang serius dalam dunia industri dan sangat merugikan, karena korosi temperatur tinggi dapat mengurangi kemampuan suatu konstruksi dalam memikul beban, usia bangunan kontruksi menjadi berkurang dari waktu yang sudah direncanakan,tidak hanya itu apabila tidak diantisipasi lebih awal maka akan mengakibatkan kerugian-kerugian yang lebih besar antara lain bisa menimbulkan kerusakan, mengakibatkan berkurangnya ketangguhan, robohnya suatu konstruksi, meledaknya suatu pipa/ bejana bertekanan dan mungkin juga dapat membuat pencemaran pada suatu produk.
2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Baja Baja adalah logam paduan dengan besi sebagai unsur dasar dan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan karbon dalam baja berkisar antara 0.2% hingga 2.1% berat sesuai grade-nya. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras. Unsur paduan lain yang biasa ditambahkan selain karbon adalah mangan (manganese), krom (chromium), vanadium, dan nikel. Dengan memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya, berbagai jenis kualitas baja bisa didapatkan. Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle) serta menurunkan keuletannya (ductility). Pengaruh utama dari kandungan karbon dalam baja adalah pada kekuatan, kekerasan, dan sifat mudah dibentuk. Kandungan karbon yang besar dalam baja mengakibatkan meningkatnya kekerasan tetapi baja tersebut akan rapuh dan tidak mudah dibentuk. 2.2. Klasifikasi Baja Baja dapat diklasifikasikan berdasarkan komposisi kimianya seperti kadar karbon dan paduan yang digunakan. Adapun klasifikasi baja berdasarkan komposisi kimianya adalah sebagai berikut:
2.2.1 Baja karbon Baja karbon adalah paduan antara besi dan karbon dengan sedikit Si, Mn, P, S, dan Cu. Sifat baja karbon sangat tergantung pada kadar karbon, bila kadar karbon naik maka kekuatan dan kekerasan juga akan bertambah tinggi. Karena itu baja karbon dikelompokkan berdasarkan kadar karbonnya. a. Baja Karbon Rendah Baja karbon rendah memiliki kandungan karbon dibawah 0,3%. Baja karbon rendah sering disebut dengan baja ringan (mild steel) atau baja perkakas. Jenis baja yang umum dan banyak digunakan adalah jenis cold roll steel dengan kandungan karbon 0,08% – 0,30% yang biasa digunakan untuk body kendaraan b. Baja Karbon Sedang Baja karbon sedang merupakan baja yang memiliki kandungan karbon 0,30% - 0,60%. Baja karbon sedang mempunyai kekuatan yang lebih dari baja karbon rendah dan mempunyai kualitas perlakuan panas yang tinggi, tidak mudah dibentuk oleh mesin, lebih sulit dilakukan untuk pengelasan, dan dapat dikeraskan (diquenching) dengan baik. Baja karbon sedang banyak digunakan untuk poros, rel kereta api, roda gigi, pegas, baut, komponen mesin yang membutuhkan kekuatan tinggi, dan lain-lain. c. Baja Karbon Tinggi Baja karbon tinggi memiliki kandungan karbon paling tinggi jika dibandingkan dengan baja karbon yang lain yakni 0,60% - 1,7% C dan memiliki tahan panas yang tinggi, kekerasan tinggi, namun keuletannya lebih rendah. Baja karbon tinggi mempunyai kuat tarik paling tinggi dan banyak digunakan untuk material tools. Salah satu aplikasi dari baja ini adalah dalam pembuatan kawat baja dan kabel baja. 2.2.2 Baja paduan Baja paduan didefinisikan sebagai suatu baja yang dicampur dengan satu atau lebih unsur campuran seperti nikel, mangan, molybdenum, kromium, vanadium dan wolfram yang berguna untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki seperti sifat kekuatan, kekerasan dan keuletannya. Paduan dari beberapa unsur yang berbeda memberikan sifat khas dari baja.
Misalnya baja yang dipadu dengan Ni dan Cr akan menghasilkan baja yang mempunyai sifat keras dan ulet. Berdasarkan kadar paduannya baja paduan dibagi menjadi tiga macam yaitu: a. Baja Paduan Rendah (Low Alloy Steel) Baja paduan rendah merupakan baja paduan yang elemen paduannya kurang dari 2,5% wt misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P, dan lain-lain. Memiliki kadar karbon sama seperti baja karbon, tetapi ada sedikit unsur paduan. Dengan penambahan unsur paduan, kekuatan dapat dinaikkan tanpa mengurangi keuletannya, kekuatan fatik, daya tahan terhadap korosi, aus dan panas. Aplikasinya banyak digunakan pada kapal, jembatan, roda kereta api, ketel uap, tangki gas, pipa gas dan sebagainya. b. Baja Paduan Menengah (Medium Alloy Steel) Baja paduan menengah merupakan baja paduan yang elemen paduannya 2,5%-10%wt misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P, dan lain-lain. c. Baja Paduan Tinggi (High Alloy Steel) Baja paduan tinggi merupakan baja paduan yang elemen paduannya lebih dari 10%wt misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P, dan lain-lain. Contohnya baja tahan karat, baja perkakas dan baja mangan. Aplikasinya digunakan pada bearing, bejana tekan, baja pegas, cutting tools, frog rel kereta api dan lain sebagainya. Pada umumnya, baja paduan mempunyai sifat yang unggul dibandingkan dengan baja karbon biasa diantaranya. 1. Keuletan yang tinggi tanpa pengurangan kekuatan tarik 2. Tahan terhadap korosi dan keausan yang tergantung pada jenis paduannya 3. Tahan terhadap perubahan suhu, ini berarti bahwa sifat fisisnya tidak banyak berubah. 4. Memiliki butiran yang halus dan homogeny 2.3. Pengertian Korosi Temperatur Tinggi Korosi temperatur tinggi didefinisikan sebagai proses degradasi atau penurunan mutu material, termasuk degradasi sifat – sifat mekanisnya yang disebabkan oleh adanya pengaruh atmosfir pada temperatur tinggi. Temperatur tinggi memiliki pengertian bahwa air dalam fasa gas, atmosfir tidak mengandung air. Temperatur dimana terjadi difusi
atom yang memberikan pengaruh yang besar dan temperaturnya diestimasi dengan 0,5 Tm ( Tm = Temperatur melting, Kelvin). Temperatur terjadinya oksidasi baja dengan cepat, yaitu di atas 500 °C . 2.4. Faktor – Faktor Temperatur tinggi 1. 2. 3. 4. 5.
penyebab
Korosi
Konsentrasi Oksigen Kecepatan aliran udara Temperatur Tekanan komposisi
2.5. Akibat Korosi Temperatur tinggi 1. 2. 3. 4. 5.
Oksidasi Karburasi dan Metal Dusting Nitridasi Korosi Oleh Halogen Sulfidasi
2.6. Oksidasi Temperatur Tinggi Rumus yang digunakan untuk mencari laju oksidasinya adalah:
mpy = Dimana : W D A T
3.
534 . .
= Perubahan berat (g) = Density (g/cm3) = Luas permukaan kontak (inchi2) = Waktu pengujian (jam)
PROSEDUR PENGUJIAN
3.1. Pembuatan Spesimen Pembuatan spesimen dengan ukuran 20x20x20 mm, pemotongan dengan menggunakan gergaji besi sehingga berbentuk persegi kemudian spesimen di beri lubang pada bagian tengah dengan diameter 3 mm menggunakan mesin freis. setelah selesai spesimen kemudian digerinda pada bagian permukaan spesimen hingga rata setelah itu permukaan spesimen di haluskan menggunakan ampals 500 dan 2000 hingga permukaan spesimen licin dan halus. kemudian dibersihkan menggunakan alkohol agar permukaan spesimen bersih dari zat – zat pengotor. Selanjutnya dilakukan Penimbangan terhadap specimen untuk mengetahui berat awal spesimen sebelum pengujian.
3.4. Pembersihan dan Penimbangan Spesimen Setelah Pengujian
Gambar 3.1 Spesimen pengujian 3.2. Pelapisan Permukaan Spesimen Dalam proses ini spesimen diletakkan pada hot plate dengan temperatur rata – rata 200°C kemudian pada permukaan spesimen disemprotkan campuran NaCl & Na2SO4 dengan perbandingan 50/50 yang dilarutkan pada aquades 400 ml hingga merata. Proses ini dilakukan selama 30 menit hingga permukaan spesimen terselimuti dengan lapisan NaCl & Na2SO4 secara merata Setelah spesimen dilapisi oleh larutan NaCl & Na2SO4 kemudian didinginkan kembali, setelah itu spesimen kemudian ditimbang kembali untuk mengetahui berapa penambahan berat spesimen setelah dilapisi larutan NaCl & Na2SO4.
Pada proses ini permukaan spesimen dibersihkan menggunakan alkohol untuk menghilangkan hasil oksidasi yang menempel pada permukaan spesimen. untuk permukaan yang cukup keras pembersihan menggunakan mata gergaji dan ampals hingga tidak ada sisa lapisan oksidasi yang menempel. setelah bersih kemudian spesimen dikeringkan dan dilap menggunakan tisu Setelah pembersihan selesai dan dikeringkan, spesimen kemudian ditimbang kembali untuk mengetahui pengurangan berat yang terjadi setelah pengujian temperatur tinggi, setelah ditimbang hasil penimbangannya pun lalu dicatat sebagai hasil pengujian akhir. 4.
DATA HASIL PENGUJIAN
Data hasil pengujian yang dilakukan dengan variasi waktu 3 sampai 6 jam diperlihatkan pada Tabel. Tabel 1. Data Hasil Pengujian Waktu
No
Gambar 3.2 spesimen yang telah dilapisi larutan NaCl & Na2SO4
5.
Berat (gr)
(jam)
awal
1 2
3 4
47,621 48,382
3 4
5 6
48,106 48,305
akhir 47,564
0,057 0,048
48,333 48,037
0,069 0,104
48,201
ANALISA DATA HASIL PENGUJIAN Grafik perbandingan berat Vs waktu
3.3. Pengujian Dilingkungan Temperatur Tinggi
Setelah dilakukan uji temperatur tinggi spesimen kemudian didinginkan, setelah dingin spesimen kemudian ditimbang untuk mengetahui berapa pengurangan berat yang terjadi pada saat proses uji temperatur tinggi. kemudian dicatat hasil penimbangannya.
Berat rata - rata (gr)
0.12
Pertama kita masukkan kawat baja melalui lubang pada bagian tengah spesimen kemudian di kaitkan/ digulung. Setelah itu kita gantung pada penutup alat uji yang sudah di sediakan. setelah ruang bakar mencapai temperatur > 500°C maka kita masukkan ke 6 buah spesimen yang telah digantung dan tutup hingga rapat, kemudian hidupkan stopwatch tunggu sampai waktu 3 jam pertama. setelah tercapai waktu 3 jam keluarkan 3 spesimen dari ruang bakar kemudian didinginkan
0.104
0.1 0.08
0.057
0.069
0.06
0.048
0.04 0.02 0 0
2
4
6
waktu oksidasi (jam)
Gambar 3.3 Grafik perbandingan berat Vs waktu
8
Dari grafik diatas bahwa semakin lama waktu pemaparan (expos) maka semakin besar jumlah oksida yang terbentuk, akan tetapi pada awal proses ( 4 jam ) terjadi penurunan jumlah oksida yang terbentuk dibandingkan waktu sebelumnya ( 3 jam ). Penurunan ini diperkirakan disebabkan oleh terbentuknya lapisan oksida dipermukaan logam yang menghambat terjadinya reaksi antara logam dan lingkungannya .
laju oksidasi (mm/year)
Waktu oksidasi Vs Laju oksidasi 0.004
0.0031
.
0.0035
0.003
menembus dinding permukaan oksidasi dan berikatan kembali dengan unsur kimia spesimen yaitu: 3Fe + 2O2 = Fe3O4 setelah terjadinya ikatan unsur kimia tersebut maka akan terjadi lempengan pada bagian luar spesimen yang dapat terkelupas/ terkikis. untuk waktu 5 dan 6 jam maka semakin cepat laju oksidasi dikarenakan semakin lemahnya proteksi yang diakibatkan adanya unsur NaCl /Na2SO4 yang bereaksi pada permukaan spesimen menyebabkan cepatnya laju oksidas
0.0025 0.002 0.0022 0.001 0 0
2
4
6
8
Gambar 3.5 Spesimen Hasil Pengujian
waktu oksidasi (jam)
Gambar 3. 4 Grafik perbandingan waktu oksidasi Vs laju oksidasi Dalam pengujian temperatur tinggi ini untuk campuran NaCl dengan Na2SO4 sangat berpengaruh terhadap laju oksidasinya sehingga terjadi pengurangan berat spesimen yang cukup tinggi. Untuk waku dari 3 sampai 4 jam terjadi pengurangan material tetapi tidak terlalu signifikan, sedangkan untuk waktu 4 sampai 5 jam terjadi pengurangan berat spesimen yang signifikan dan untuk waktu 5 sampai 6 jam terjadi pengurangan material yang tidak terlalu ting Untuk baja ASSAB 760 dengan deposit NaCl /Na2SO4 berbanding 50/50, penambahan berat oksidasinya cukup signifikan pada waktu 4 sampai 5 jam hal ini dapat dilihat pada tabel diatas
6.
PEMBAHASAN
Dalam pengujian temperatur tinggi ini laju oksidasi pada waktu 3 jam tidak terlalu segnifikan dikarenakan kurangnya pasokan udara (O2) yang masuk kedalam permukaan spesimen hal itu disebabkan oleh penumpukan oksidasi di daerah permukaan yang menyebabkan sulitnya udara masuk dan bereaksi terhadap unsur kimia yang terkandung dalam spesimen. Adapun unsur reaksi kimia yang terjadi pada bagian luar permukaan spesimen adalah : 2Fe + O2 = Fe2O3 Sedangkan untuk laju oksidasi pada waktu 4 jam terjadi kenaikan laju oksidasi dikarenakan mulai terjadinya pori – pori pada permukaan oksidasi sehingga membuat udara (O2) bisa
7.
KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan yang dapat di ambil dari hasil pengujian ini adalah : 1. Semakin lama pengujian yang dilakukan dalam temperatur tinggi maka baja ASSAB 760 akan mengalami pengurangan berat spesimen. Hal ini dapat dilihat dari hasil akhir pada permukaan spesimen yang terdapat lubang atau celah pada yang menyebabkan berkurangnya berat spesimen. 2. Keberadaan deposit NaCl /Na2SO4 pada lapisan baja ASSAB 760 sangat besar mempengaruhi laju oksidasi baja, hal ini dapat dilihat dari hasil grafik dan perhitungan. 3. Hasil pengujian pada waktu 3 jam belum terlalu terlihat pengaruh dari kandungan NaCl /Na2SO4. Hal ini diakibatkan kurangnya pasokan udara yang menembus dinding lapisan oksidasi sehingga mengurangi reaksi yang terjadi pada baja ASSAB 760 4. Setelah melewati waktu 4,5 & 6 jam terlihat jelas laju oksidasi cukup meningkat hal ini disebabkan mulai bereaksi NaCl /Na2SO4 yang terjadi pada permukaan baja ASSAB 760 akibat mulai terbentuknya pori – pori pada lapisan oksidasi sehingga udara dapat masuk dan bereaksi membentuk oksidasi lagi. Referensi [1] Yusuf. M. I. 2014, Perilaku korosi panas baja AISI 4130 pada temperatur 750°C dalam lingkungan atmosfer yang mengandung klor
dan sulfur. Jurnal FEMA, Universitas Lampung. [2] Yudhistryra S. 2014, Pengaruh komposisi deposit NaCl /Na2SO4 terhadap korosi temperatur tinggi baja AISI 4130 yang dilapisi Aluminium.Jurnal FEMA, Universitas Lampung. [3] Jones, Denny A. 1992. Principle and Prevention of Corrossion. USA: Macmillan [4] Publishing Company.John M. West, 1996. Basic corrosion and oxidation.Edisi kedua. London and New York. [5] A.G. Preban, 1987. Metals Handbook, Vol 13, Corrosion, 9th ed., ASM International, Metal Park, OH,p.509, [6] Badaruddin M. Suharno and Hanif A.W.1996, Isothermal oxidation behavior of aluminized AISI 1020 steel at the temperature of 700 °C, Proc. Natl. Sem. Mech. Eng. XI. [7] Birks, N. and G.H. Meier. 1983. Introduction to High Temperature Oxidation of Metals. London. [8] Trethewey, K.R. and J. Chamberlin. 1991. Korosi. Terj. Alex Tri Kantjono Widodo. Jakarta: PT Gramedia. [9] Sedricks, A.J. 1979. Corrosion of Stainless Steels. New York: John Willey and Sons Inc. [10] Zehbour P., Almeida N.L., Sousa R.M.F.,Pimenta G. S. and Marques L.B.S.,2012. Corrosion of carbon steel pipes and tanks by concentrated sulfuric acid: A Review, Corros. Sci. 58 [11] Qiao L., Huang Y.L., 1998. Stress corrosion cracking of AISI 321 stainless steel in acidic chloride solution, Maters. Sci.
