Analisis Kegagalan Superheater Tube Pada Fluidized Bed Combuster Boiler

Abstraksi

Kegagalan yang berulang telah ditemukan pada beberapa komponen superheater tube yang terbuat dari baja karbon 2,25Cr–1Mo pada aplikasi circulating fluidized bed combustion boiler. Laporan ini berisi tentang analisa kegagalan dari dua tubes yang berbeda, di mana tube yang terjadi kegagalan dan tube yang mengalami penipisan di salah satu bagiannya. Pada permukaaan kedua tubes tersebut terdapat deposit keras yang tebal dan berwarna keabuan yang merupakan deposit dari CaSO₄ dan terdapat lapisan oksida pada permukaan tubes tersebut. Tube yang mengalami kegagalan terindikasi adanya crack yang merambat melewati batas butir (intergranular) dan penetrasi oksida di batas butir dari material dasar tube tersebut. Pada daerah longitudinal tube yang dekat dengan bagian kegagalan diobservasi adanya perpatahan akibat creep. Penyebab utama terjadinya kegagalan yaitu penipisan yang terjadi pada tube akibat siklus pembentukan–spalling dari deposit tebal CaSO₄. Efek pelepasan (spalling) dari lapisan tersebut mengakibatkan material dasar akan terkena langsung oleh lingkungan dan menyebabkan pertumbuhan lapisan oksida yang kurang protektif pada permukaan material tersebut. Perpatahan akhir diakibatkan oleh creep karena peningkatan dari hoop stress yang terjadi akibat penipisan pada tube tersebut.    

Untuk Mendapatkan Informasi Lebih Lanjut Mengenai Laporan Analisis Kegagalan Di Atas Silahkan Download Dalam Bentuk:

PDF | PPT

Faktor Utama Penyebab Korosi CO2 (Sweet Corrosion)

Korosi CO₂ biasanya terjadi pada pipa yang diaplikasikan untuk transportasi minyak bumi. Korosi ini dapat terjadi akibat adanya kandungan CO₂ pada minyak bumi, dan saat berinteraksi dengan air akan membentuk asam yang dapat menyebabkan korosi. Korosi ini sering disebut dengan istilah sweet corrosion.

Secara umum, CO₂ yang terlarut dalam air akan mengalami hidrasi dan akan bereaksi dengan molekul air membentuk asam karbonat dengan reaksi sebagai berikut:

CO₂ (g) => CO₂ (aq)

CO₂ (aq) + H₂O (l) => H₂CO₃ (aq)

Asam karbonat yang terbentuk akan terdisosiasi menjadi bikarbonat dan ion karbonat melalui dua tahap, yaitu:

H₂CO₃ => H⁺ + HCO₃^-

HCO₃^- => H⁺ + CO₃^2-

Reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda dapat diketahui sebagai berikut:

Anoda: Fe => Fe²⁺ + 2e^-

Katoda: 2H⁺ + 2e^- => H₂ dan 2H₂CO₃ + 2e^- => H₂ + 2HCO₃

Dari reaksi korosi di atas produk yang terbentuk pada logam baja yang digunakan berupa karat FeCO₃.

Faktor-faktor yang mempengaruhi korosi CO2 diantaranya adalah:

1.     Tekanan parsial CO₂

Peningkatan tekanan parsial CO₂ mengakibatkan reaksi reduksi asam karbonat menjadi meningkat, sehingga akan meningkatkan konsentrasi CO₃^2- yang berimbas pada pembentukan lapisan FeCO₃ yang lebih cepat.

§  Sistem dengan tekanan parsial CO₂ diatas 30 psi mengindikasikan bahwa korosi sudah pasti terjadi

§  Sistem dengan tekanan parsial 7-30psi, korosi mungkin terjadi.

§  Sistem dengan tekanan parsial dibawak 7 psi, umumnya tidak terjadi korosi

2.     pH lingkungan

Semakin rendah nilai pH, maka laju korosi akan semakin tinggi. Pada korosi CO₂, pH akan menentukan reaksi dominan yang terjadi. Pada pH rendah (<4), reaksi reduksi hidrogen merupakan reaksi yang dominan. Sedangkan pada pH tinggi (>4), reaksi yang dominan adalah reduksi langsung dari asam karbonat. Semakin tinggi pH maka akan mudah terbentuk lapisan FeCO₃.

3.     Laju aliran fluida

Laju aliran juga akan mempengaruhi terhadap pembentukan lapisan pelindung dan laju korosi baja. Pertama, laju aliran dapat mencegah pembentukan lapisan pelindung karena dapat menurunkan kejenuhan lingkungan. Kedua, laju aliran dapat menimbulkan kerusakan lapisan korosi sehingga memungkinkan terjadinya kontak antara permukaan baja dengan lingkungan yang korosif. Pada laju aliran yang cukup tinggi, lapisan proteksi yang terbentuk pada permukaan logam akan semakin sedikit. Pada lingkungan dengan laju aliran yang sangat tinggi, akan terjadi kerusakan dan terlepasnya lapisan proteksi. Hal ini dapat meningkatkan laju korosi baja pada lingkungan tersebut.

4.     Water wetting/water cut

Water cut adalah rasio Antara jumlah kandungan air dalam fluida. Semakin tinggi nilai water cut, korosi akan semakin meningkat yang diakibatkan kandungan air yang semakin banyak sehingga banyak CO₂ yang terhidrasi dan akan menambah jumlah konsentrasi asam karbonat sehingga meningkatkan laju korosi.

5.     Temperatur

Meningkatnya temperatur akan meningkatkan reaktifitas dari sistem sehingga akan meningkatkan laju korosi. Selain itu, temperatur juga dapat mempengaruhi pembentukan lapisan FeCO₃. Kinetika pembentukan lapisan FeCO₃ dipengaruhi oleh temperatur.

Silahkan Download Artikel di atas Dalam Bentuk:

DOC | PDF

Referensi

[1] Jones, Denny A. 1992. Principles and Prevention of Corrosion. New York: Macmillan Publishing Company.

[2] http://www.migas-indonesia.com/2012/07/corrossion-at-co2-pipeline.html

[3] http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-15793-Presentation-pdf.pdf

[4] http://library.usu.ac.id/download/ft/tkimia-halima.pdf

[5] http://lontar.ui.ac.id/file?file=digital/20174184-S90-Studi%20laju.pdf

Mekanisme Korosi Sumuran (Pitting)

Fig 1 Korosi pitting

Korosi sumuran (pitting) merupakan bentuk korosi yang terlokalisasi dimana akan terbentuk suatu rongga atau lubang pada material. Korosi pitting sering dianggap lebih berbahaya jika dibandingkan dengan korosi merata (uniform), karena bentuk korosi ini sulit untuk diidentifikasi, karena produk korosi yang terbentuk biasanya akan menutupi rongga-rongga serta sulit untuk diprediksi.  Logam yang dapat membentuk lapisan pasif, seperti baja dan aluminium merupakan logam yang paling rentan terserang korosi pitting. Kegagalan material akibat korosi pitting terjadi melalui mekanisme penetrasi dengan persentase kehilangan berat (weight-loss) yang sangat kecil.     

Korosi pitting dapat membentuk suatu rongga atau lubang dengan struktur yang terbuka (uncovered) ataupun tertutup (covered) dengan membran semi permeabel dari produk korosinya. Rongga yang terbentuk dapat pula berbentuk hemispherical atau cup-shaped. Terdapat tujuh bentuk rongga hasil dari korosi pitting, seperti terlihat pada Fig.2.

Fig.2 Bentuk-bentuk rongga pada korosi pitting^[1]

Korosi pitting terjadi pada lingkungan laut di mana terdapat ion-ion Cl^-, Br^-, dan I^-, Ion-ion tersebut, terutama ion Cl^- dapat menyebabkan logam baja terbentuk suatu sistem anoda dan inisiasi pit akan terjadi.

Inisiasi ini dapat terjadi karena beberapa hal, diantaranya:

1.     Rusaknya lapisan pasif yang protektif secara mekanik ataupun kimia, sedikitnya oksigen yang terlarut sehingga meghasilkan lapisan pasif yang tidak stabil, dan konsentrasi yang tinggi dari ion klorida

2.     Proses pelapisan/coating yang tidak merata

3.     Terdapat ketidakseragaman mikrostruktur dari logam tersebut, seperti inklusi

Secara umum terdapat tiga tahapan utama pada mekanisme terjadinya korosi pitting, yaitu
Inisiasi pit (1), propagasi (1-3) dan terminasi (4).

1. Terbentuknya tempat-tempat yang bersifat anodik yang disebabkan oleh terganggunya/rusaknya lapisan pasif pada permukaan logam.

Anoda:   M => Mⁿ⁺ + ne^-   

Katoda:  O₂ + 2H₂O + 4e^- => 4OH^-

2.  Karena terjadi proses pelarutan logam secara kontinu, ion-ion logam akan terakumulasi di daerah anoda, sehingga terbentuk rongga-rongga. Dan untuk menstabilkan electron, ion-ion klorida bermigrasi ke dalam rongga dan bereaksi dengan ion logam dan terjadi reaksi hidrolisis. M⁺Cl^- + 2H₂O => MOH + H⁺ + Cl^-  

3.     Dengan adanya ion H⁺ dan Cl^- akan mencegah terjadinya repasifasi pada logam. Lalu dengan meningkatnya laju pelarutan logam pada daerah anodik akan mempercepat migrasi dari ion klorida, sehingga akan memperbanyak terbentuknya M⁺Cl^- seperti pada reaksi pada tahap 2. Dan proses tersebut akan berjalan hingga logam tersebut bolong/terbelah, dan prosesnya berupa autokatalitik.

4.     Akhirnya logam tersebut akan bolong/terbelah sehingga mengalami kegagalan.

Fig.3 Mekanisme korosi pitting pada logam^[2]

Reaksi-reaksi kimia yang terjadi pada proses korosi pitting yang terjadi pada baja dan stainless steel, yaitu:

·       Reaksi di dalam pit:

Fe => Fe²⁺ 2e^-; Fe²⁺ + H₂O => FeOH⁺ + H⁺; MnS + 2H⁺ => H₂S + Mn²⁺

·       Reaksi pada mulut pit:

Terjadi oksidasi FeOH⁺ dan Fe²⁺ oleh oksigen terlarut:

2FeOH⁺ + 1/2 O₂ + 2H⁺ => 2FeOH²⁺ + H₂O

2Fe²⁺ + 1/2O + 2H⁺ => 2Fe³⁺ + H₂O

Diikuti dengan hidrolisis dari produk reaksi diatas:

FeOH²⁺ + H₂O => Fe (OH)⁺ + H⁺

Fe³⁺ + H₂O  FeOH²⁺ + H⁺

Lalu terjadi presipitasi magnetite (Fe₃O₄) dan karat:

2FeOH²⁺ + Fe²⁺ + 2H₂O => Fe₃O₄ + 6H⁺

Fe(OH)²⁺ + OH^- => FeOOH + H₂O

·       Reaksi di luar pit:

Terjadi reduksi dari oksigen terlarut

O₂ + 2H₂O + 4e => 4OH^-

Dan reduksi karat menjadi magnetit

3FeOOH + e^- => Fe₃O₄ + H₂O + OH^-

Fig.4 Mekanisme pitting pada baja^[2]

Pencegahan dari korosi pitting dapat dilakukan dengan cara:

·  Menggunakan material dengan elemen paduan yang ditujukka untuk pitting resistance contohnya penambahan molybdenum pada stainless steel

·       Menjaga agar permukaan material merata

·       Meng-coating material dan menggunakan proteksi katodik dan inhibitor

·       Jangan biarkan potensial melewati nilai kritis

·       Jika memungkinka dioperasikan pada temperatur rendah

Silahkan Download Artikel di atas Dalam Bentuk:

DOC | PDF

Referensi

[1] Jones, Denny A. 1992. Principles and Prevention of Corrosion. Singapore: Macmillan Publishing Company.

[2] Ahmad, Zaki. 2006. Principles of Corrosion Engineering and Corrosion Control. Elsevier Science & Technology Books.

[3] Frankel, G. S. Pitting Corrosion. The Ohio State University.

[4] http://www.nace.org/Pitting-Corrosion/#sthash.0XjTid2r.dpuf.

[5] http://corrosion-doctors.org/Forms-pitting/Pitting.htm