Pengendalian Lingkungan Berupa Air dalam Generator Uap dan Sistem Pendingin

Pengendalian mutu khususnya penting bila air digunakan dalam sistem-sistem pemanas dan pendingin, mesin pembangkita uap dan kondenser pabrik-pabrik. Laju korosi dalam sistem-sistem ini naik apabila pH turun dan bila kandungan oksigen bertambah. Air mungkin digunakan dengan cara 'sekali pakai buang' yang pengendaliannya minimum, atau dimasukkan ke dalam sistem daur-ulang yang membutuhkan pemantauan terus-menerus dan teliti.
Dalam sistem sekali pakai pada temperatur rendah yang menggunakan air biasa, inhibitor yang dipakai boleh yang murah, atau komposisi air diatur agar menghasilkan sebuah kerak pelindung tipis di permukaan logam (passivation). Kerak itu kebanyakan terbentuk dari kalsium atau magnesium karbonat. Kerak harus mempunyai ketebalan yang dapat diabaikan dan dapat memperbaiki diri, akan tetapi tidak boleh tumbuh sehingga menghalangi aliran air, atau cukup mengubah karakteristik pemindahan panas sistem. Jika kerak itu rusak dan tidak mampu memperbaiki diri maka korosi akan terjadi pada permukaan logam yang tersingkap. Pembuatan dan pemeliharaan kerak seperti itu membutuhkan keseimbangan kimia air yang cermat. Kelarutan kalsium karbonat dalam air rendah, karena itu selaput mengendap dari bikarbonatnya yang menghasilkan melalui reaksi karbon dioksida terlarut.

persamaan 1

jika air mengandung garam kalsium maka :

CaCO3                   + H2CO3       ----> Ca(HCO3)2
limestone                                               Calcium bicarbonat    (persamaan 2)
(Calcium Carbonat)

Ketika menjadi panas, atau mengalami kekurangan karbon dioksida sedikit saja dalam larutan sehingga pH naik, reaksi akan bergeser ke kiri dan kalsium karbonat mengendap.
Kemampuan air membentuk larutan dapat diketahui dari Indeks Langelier, yang bergantung pada pH, temperatur, konsentrasi garam-garam kalsium dan seluruh zat padat yang terlarut. Perhitungan dan penerapan indeks tersebut di luar cakupan penulisan ini, penjelasan tentang itu mudah dijumpai pada kebanyakan buku mengenai pengolaha air(water treatment). Kalau karbon dioksida yang terlarut terlalu sedikit untuk menjaga agar bikarbonat tetap dalam larutan, kalsium karbonat segera mengendap pada katoda akibat kenaikan kecil pH yang mnyertai reaksi katoda. Jika kerak sudah menutupi seluruh logam dan melekat dengan erat, maka logam terpisah dari air. Senadainya karbon dioksida terlalu sedikit, kerak tidak akan terbentuk; namun bila karbon dioksida berlebihan, kerak yang terbentuk terlarut kembali dalam larutan asam sehingga logam tidak terlindungi lagi.
     Dalam instalasi pembangkit uap (PLTU) bersistem daur ulang yang menggunakan baja sebagai konstruksi utama, air diproses untuk menjaga agar pH tetap diatas 11 guna mengurangi kandungan oksigen dan menghilangkan garam-garam pembetuk kerak. Air pengisian sebagian besar berasal dari pengembunan uap air yang telah menjalankan tugasnya dalam sistem. Bahan-bahan pengotor yang terkandung dalam kondensat itu biasanya terdiri dari karbon dioksida, oksigen, dan garam-garam terlarut, terutama garam-garam natrium, yang terambil oleh uap air. Air tambahan yang dimaksudkan untuk 'membersihkan' sistem biasanya mengandung garam-garam kalsium dan magnesium(yang menghasilkan tingkat kesadahan tertentu) dan lebih banyak lagi oksigen serta karbon dioksida terlarut. Untuk instalasi-instalasi di laut dan disekitar muara yang menggunakan air disitu sebagai air pengisian pertama, natrium klorida dalam jumlah besar juga tersedia. sekarang mari kita pelajari dahulu efek bahan pengotor terhadap korosi pada sistem pembangkit uap (PLTU).
    
    Karbon dioksida sangat mudah larut dalam air dingin, dan membentuk asam karbonat, Persamaan [1], dengan pH 5,5 hingga 6. Ketika air dididihkan, gas itu keluar dari, masuk ke dalam sistem, kemudian terlarut kembali dalam kondensat. Dengan demikian, air kondensat di bagian manapun pada sistem akan selalu mempunyai pH lebih rendah dari yang dibutuhkan untuk mempertahankan selaput pasif(passive film) pada permukaan logam, Gambar [1]
 

GAmbar[1]. hubungan antara laju korosi, pH & kandungan O2 dalam air pada 25 derajat C & tekanan 1 atm

      Oksigen akan meningkatkan efisiensi reaksi katoda dalam kondisi-kondisi basa selalu dijumpai dalam ketel-ketel baja. Oksigen juga dapat menimbulkan sumuran atau peronggaan ketika terlempar keluar dari air saat temperatur naik dan masuk ke dalam sistem. Ketika ketel sedang dioperasikan, pusaran-pusaran yang terjadi menyebabkan oksigen keluar, tetapi ketika ketel diistirahatkan, gas itu akan naik dan mengumpul di perangkap-perangkap pada bagian atas ketel. Pembentukan sumuran oleh gelembung udara diperlihatkan dalam gambar [2]

[a]                                               [b]

    gambar [2] Sumuran gelembung air
    [a] Sel aerasi-diferensial terbentuk seputar gelembung, dengan daerah kaya oksigen dibagian dasar membentuk katoda, dan logam di sekitarnya sebagai anoda. Produk korosi besi (III) hidroksida terbentuk di dinding gelembung. ketika gelembung telah terlapisi seluruhnya dengan produk korosi, difusi oksigen ke dalam gelembung terhenti, walaupun ion ion logam masih terus terdifusi melalui dinding.
   [b] begitu kandungan oksigen di dasar gelembung turun hingga lebih rendah dibanding dalam air di sekitarnya, sel aerasi-diferensial berbalik. anoda kecil di dasar gelembung berkembang menjadi sebuah sumuran. selanjutnya dinding runtuh membentuk kerak di atas sumuran, sementara di bawahnya aerasi-diferensial terus berfungsi mengaktifkan sel.

    Garam-garam magnesium dan kalsium yang terlarut mengendap dari air ketika yang belakangan ini menguap, membentuk selapis kerak pada permukaan logam. Ketika kerak menebal, laju pemindahan panas menurun sehingga efisiensi hilang dan mendatangkan resiko terjadinya pelekukan atau distorsi serta terbentuknya endapan kerak gosong pada bagian pipa ketel yang lebih panas (dekat api). Perlakuan terhadap air pengisian (feed water) dan top-up water pada pembangkit uap tidak sederhana dan bergantung pada kadar bahan pengotor yang ada serta kondisi pengoperasian instalasi, terutama temperatur, dan tekanan uap air.
amina ditambahkan untuk mengendalikan efek buruk karbon dioksida. Dalam hal ini amina penetral seperti morfolin, misalnya, ditambahkan dalam jumlah sangat kecil. Bahan ini mudah menguap dan merupakan basa lemah. Uap basa itu kemudian mengembun dan larut dalam kondensat untuk menetralkan asam karbonat yang terbentuk ketika karbon dioksida terlarut kembali. Amina berbentuk selaput seperti oktadesilamina juga mudah menguap, tetapi mengembun pada permukaan logam yang lebih dingin dan membentuk suatu lapisan hidrofobik berminyak yang memisahkan logam dari kondensat.
   Oksigen dapat dikurangi hingga tinggal sedikit saja menggunakan cara mekanik. Bagaimanapun, natrium sulfit, yang beroksidasi menjadi sulfat, atau hidrazin dapat digunakan untuk mengikat oksigen secara kimiawi. Dalam sistem-sistem tekanan tinggi dengan laju penguapan yang juga tinggi, hidrazin lebih disukai. Tidak satupun dari hasil-hasil reaksi yang terbentuk berbahaya bagi logam dalam sistem, tetapi hidrazin bersifat racun, terutama di tempat-tempat yang terkurung.

bahan ini mengurai kembali jika tidak bereaksi dengan oksigen:

Amonia bekerja dengan cara serupa dengan amina penetral dalam mengatasi efek karbon dioksida, tetapi hidrazin dibatasi serendah mungkin, biasanya 0,1 ppm. Sulfit digunakan pada temperatur rendah atau ketika sistem diistirahatkan, tetapi kelebihan sulfit harus dihindari karena bahan ini agresif terhadap permukaan baja. Pada instalasi-instalasi modern, tingkat maksimum oksigen yang larut dibuat agar selalu lebih rendah dari 0,03 ppm, sementara pada pembangkit-pembangkit daya bertekanan tinggi, oksigen dalam air pengisian dibuat lebih rendah dari 0,007 ppm. Pengendalian pH dilakukan dengan cara menambahkan entah natrium hidroksida bersama natrium heksametafosfat atau natrium ortofosfat. Pada air sadah, ortofosfat mengakibatkan penggumpalan ampas-ampas sehingga secara berkala ketel harus dibersihkan. Di lingkungan laut, orang menggunakan bahan yang disebut Navy Boiler Compound untuk mempertahankan mutu air dalam ketel. senyawa ini terdiri dari 38 persen natrium karbonat, 48 persen dinatrium hidrogen fosfat dan 13 persen pati jagung. Ketika mengalami tekanan dan temperatur dalam ketel natrium karbonat mengurai menghasilkan natrium hidroksida yang meningkatkan kebasaan sehingga pH selalu diatas 11. Dinatrium hidrogen fosfat, bila berada bersama dengan karbonat, mengendapkan ion-ion kalsium dan magnesium. Tepung pati bertindak sebagai katalisator dan bisa menggumpalkan garam-garam netral. Dalam ketel yang terkontaminasi serius, natrium karbonat (soda abu) digunakan tanpa campuran bahan lain.

Kita harus berhati-hati agar tidak memberikan perlakuan secara berlebihan karena itu dapat menimbulkan peretakan kaustik pada komponen-komponen baja. Anda tentu mengingat penjelasan yang lain bahwa pH air netral bergantung pada temperatur : pH netral turun menjadi 6 pada 60 derajat C. perubahan ini berpengaruh terhadap hasil yang diperoleh melalui penambahan baik pH maupun bahan pengikat oksigen. 

Loop-loop tertutup dari baja nirkarat digunakan dalam sistem-sistem pembangkit uap tenaga nuklir. Air dalam loop-loop ini dilewatkan melalui kolom-kolom penukar ion untuk menghilangkan kontaminasi ionik, dan hidrazin digunakan untuk mengikat oksigen. salah satu penyebab utama kegagalan yang dialami loop baja nirkarat itu adalah peretakan korosi-tegangan. sejak tahun 1967 telah diketahui dengan baik bahwa kandungan klorida dan oksigen dalam air yang dilewatkan melalui loop bisa menentukan saat terjadinya kegagalan pada logam . Telah dibuktikan bahwa kontaminasi ion sulfat yang terjadi karena terbawa  oleh resin penukar ion juga menimbulkan peretakan korosi-tegangan pada baja nirkarat yang peka akibat kehadiran oksigen.Dalam sistem-sistem ini, efisiensi pengoperasian unit penukar ion dan bahan pengikat oksigen penting sekali.

Referensi : KOROSI, Kenneth R. Trethewey, BSc., Ph.D, CChem., MRSC. MICorr.ST

Cacat-cacat dalam Struktur Logam ( Defects in the Metal Structure )

Kecenderungan kita yaitu mengandaikan bahwa ketika logam-logam membeku membentuk struktur kisi kristal yang sangat tertata, tidak ada cacat dalam susunan tumpukan-tumpukannya. Sesungguhnya tidak demikian. Logam selalu mempunyai ketidak sempurnaan disebut cacat (defect), pada struktur kisinya dan ini sering sangat berpengaruh pada sifat-sifat korosi logam.
( Our tendency is assuming that when the metals solidifies to form a crystal lattice structure which is very organized, there is no defects in the composition of the pile. Actually no. Metals always have imperfections called defects, the lattice structure and this is often very influential on the nature of metal corrosion.)

Struktur butir logam terjadi akibat proses pemadatan selama pencetakan. dan juga dipengaruhi oleh perlakuan mekanikal yang diterima selama pengerjaan dan fabrikasi. Sifat dapat ditempa yang dimiliki oleh logam mempunyai arti bahwa proses tersebut dapat mengakibatkan perubahan bentuk yang tidak tangung-tanggung pada butir-butir serta retak atau patah pada bagian-bagian kisi yang semula sempurna.  
( Metal grain structure caused by compaction during molding process. and also influenced by mechanical treated received during the construction and fabrication. Malleable nature owned by the metal means that the process can lead to changes in shape that are not thorough in the grains and the cracked or broken in parts of lattice that formerly perfect.)                        

1. Vacancy ( kekosongan ) : ialah hilangnya sebuah atom dari kedudukannya pada kisi. ( is the loss of an atom from it self position in the lattice )
2. Substitutional (substitusi ) : yakni adanya atom asing yang menempati suatu kedudukan pada kisi yang semestinya diisi oleh atom tuan rumah.( the presence of foreign atoms which is occupying a position on the lattice which should be filled by a host atom.)
3. Interstitial (interstisi ) , yaitu apabila sebuah atom menempati suatu kedudukan yang tidak normal sehingga terdesak ke antara atom-atom pada kisi tuan rumah. Interstisi sendiri bisa berupa atom tuan rumah atau atom asing. ( namely if an atom is occupying a position that is not normal so pressed into between the atoms in the host lattice. Interstitials itself can be a host atoms or foreign atoms.)

Defects in a Crystal grill

A.  Cacat atom tunggal, atau lebih tepat disebut CACAT TITIK, besar sekali perannya dalam teori paduan dimana , walaupun sesungguhnya merupakan cacat pada suatu kisi sempurna, dengan sengaja dimanfaatkan untuk menyempurnakan sifat-sifat mekanik logam. Cacat titik juga mempunyai peran dalam beberapa mekanisme korosi, misalnya perpuhan Hidrogen, selective attack, korosi oksidasi dan korosi panas, yang kesemuanya bergantung pada difusi unsur-unsur memintas kisi logam.
 ( Single atom defects, or more appropriately called POINT DEFECT, immense its role in the theory of alloys which, although actually a defect in a perfect lattice, deliberately exploited to enhance the mechanical properties of metals. Point defects also have a role in some of the corrosion mechanisms, such as changes in hydrogen, selective attack, corrosion oxidation and hot corrosion, which all depend on the diffusion of elements bypass the metal lattice.)

B.  Cacat jenis ke dua terjadi dalam struktur butir ketika bidang-bidang atom, bukan atom-atom individu, tidak menempati kedudukan sempurna pada kisi. Ini dikenal sebagai CACAT GARIS. salah satu cacat garis adalah dislokasi. Baik mobilitas dislokasi maupun mobilitas cacat titik berkaitan erat dengan sifat-sifat seperti kekuatan, kekerasan, dan ketangguhan. Dua tipe dislokasi yang penting adalah:
(The second type of defect occurs in the grain structure when fields of atoms, instead of individual atoms, are not occupying perfect position in the lattice. This is known as DEFECT LINE. one defect is the dislocation line. Dislocation mobility and mobility of point defects is closely related to the properties such as strength, hardness, and toughness. Two important types of dislocations are:)

B.1. Edge dislocation( dislokasi tepi ) , yakni adanya sebuah bidang atom tidak sempurna di antara dua bidang lainnya.( there is an imperfect atomic field between two other fields.)

        

B.2. Screw dislocation ( dislokasi ulir ), yakni adanya bidang yang menyerong sedikit sehingga tidak searah lagi dengan bidang-bidang terdekatnya.( there is field that diagonally slightly so that not longer in line with the closest area.)

C. CACAT VOLUME adalah cacat golongan ketiga atau terkahir yang mempengaruhi logam pada skala makroskopik. dalam hal ini sebagian cukup besar dari volume logam tidak berkesesuaian dengan struktur keseluruhan bahan sejenis yang terbentuk sempurna. Cacat volume ini umumnya akibat proses-proses yang terjadi selama manufakturing. ( VOLUME DEFECT  is the third or last group defect that affects metal on a macroscopic scale. in this case a sizeable portion of metal volume no compliance with the overall structure of the same material that formed. This volume defects generally due to the processes that occur during manufacturing)

C.1. Voids (renik), cacat ini berupa rongga-rongga kecil dalam bahan yang mungkin disebabkan oleh sejumlah mekanisme, seperti terjebaknya udara, pelepasan gas selama proses penuangan ke dalam cetakan atau adanya butir0butir embun yang menguap begitu bersentuhan dengan logam cair yang sangat panas. Voids juga dapat ditimbulkan akibat pengerutan antardendritik selama pembekuan.Pic. 1.Void (This defect form small cavities in the material that may be caused by a number of mechanisms, such as entrapped air, gas release during pouring into the mold or existence grains of moisture that evaporates into contact with very hot molten metal. Voids can also be caused by inter-dendritic shrinkage during solidification) 

C.2. Cracks ( retak ). cacat ini jauh lebih parah dibanding hanya sekedar ketidaksesuaian pada batas-batas bulir karena memungkinkan peresapan agen-agen penyebab korosi dalam skala makroskopik. Retak berawal sejak pencetakan, biasanya akibat tidak meratanya laju pendinginan dan timbulnya tegangan-tegangan di dalam cetakan. Retak juga dapat terjadi akibat penempaan serta tidak jarang dijumpai pada dan didekat welding. Pic.2.Crack(This defect is much more severe than just a mismatch in the grain boundaries because it allows the impregnation agents cause of corrosion in a macroscopic scale. Cracks started since molding, usually due to uneven cooling rate and the emergence of tensions in the mold. Cracks can also occur as a result of forging and not infrequently found in and near the welding.)

C.3. Inclusion (Inklusi) adalah terjebaknya partikel-partikel bahan asing dalam padatan yang tentu saja bukan bagian dari struktur kisi kristal logam itu sendiri. unsur-unsur yang terlibat dalam inklusi mungkin membeku lebih cepat sehingga terperangkap sebagai partikel-partikel individu didalam dendrit-dendrit logam ketika yang belakangan ini akhirnya membeku. Pada kasus lain, unsur-unsur asing itu mungkin membeku belakangan, yakni sesudah dendrit-dendrit logam tuan rumah terbentuk, dan dalam hal ini inklusi terperangkap dalam batas-batas butir.Pic.3.Inclusion (Inclusion (Inclusion) is trapping foreign particles in a solid material that is certainly not part of the crystal lattice structure of the metal itself. elements involved in inclusion may freeze faster so caught as individual particles in the metal dendrites when which recently eventually freezes. In other cases, foreign elements that may freeze later, ie after the dendrites host metal is formed, and in this case the inclusions trapped in grain boundaries)

Orang tentu saja ingin agar produk mereka bebas dari cacat-cacat volume, namun dalam produksi secara masal ini sulit sekali dipenuhi. Karena proses yang ideal akan menaikkan ongkos produksi, maka tidak mengherankan bila cacat-cacat dalam bahan akhirnya dianggap lumrah. Cacat volume memainkan peran yang penting dalam mekanisme korosi. (People naturally want their products are free from defects volume, but in mass production is difficult to be met. Because the ideal process would raise the cost of production, it is no surprising that defects in materials finally taken for granted. Defects volume plays an important role in the corrosion mechanism.)

Pic. 1.Void. (ref. www.scielo.br)

Pic. 2 Crack (ref.www.scielo.br)

Pic. 3 Inclusion (ref.www.exponent.com)

References :

1.Korosi untuk Mahasiswa Sains dan Rekayasa, Kenneth R. Trethewey, BSc., Ph.D, CChem., MRSC, MICorr.ST

2.www. scielo.br

3.www.exponent.com

    

General Corrosion

Corrosion / Rust / Karat  is
Destructive attack of a material by reaction with its environment. The serious result of corrosion process have become a problem of worldwide significance. In additional to our everyday encounters with this form of degradation, corrosion causes plant shutdowns, waste of valuable resources, loss or contamination of product, reduction in efficiently, costly maintenance, and expensive over design. The multidisciplinary aspect of corrosion problems combined with the distributed responsibilities associated with such problems only recognizing and understanding corrosion mechanisms, by using corrosion resistant materials and designs, and by using protective systems, devices, and treatments.
      

Corrosion on Car

Corrosion on Vessel

   

Corrosion in pipeline

Karat / Rust / Corrosion adalah :
Serangan yang merusak material oleh karena reaksi dengan lingkungannya. Konsekuensi serius pada proses korosi telah menjadi masalah penting di semua belahan dunia. Kita dapat temukan sehari-hari korosi dengan bentuk degradasi, korosi menyebabkan  pabrik shutdown, pemborosan sumber daya yang berharga, kehilangan atau kontaminasi produk, efisiensi berkurang , pemeliharaan yang mahal, dan mahalnya desain. Aspek multidisiplin masalah korosi dikombinasikan dengan tanggung jawab, didistribusikan terkait dengan masalah tersebut hanya mengenali dan memahami mekanisme korosi, dengan menggunakan bahan tahan korosi dan desain, dan dengan menggunakan sistem pelindung, perangkat, dan perawatan.