Trending Topik

Analisa Ketahanan Material Cu Based (Brass-CuZn atau CuZnAl) || Properties, Korosi dan Material Substitusi

Material tembaga (Cu) memiliki sifat properties yang baik sebagai heat-exchanger seperti thermal conductivity yang sangat baik dibawah silver/perak (Ag). Material Cu based yang umumnya dikenal di lapangan seperti brass/kuningan (CuZn-Al) atau bronze/perunggu (CuSn) dan di PLTU penggunaan material Cu banyak digunakan di heat-exchanger seperti condenser, oil cooler, radiator dan lain-lain dimana fluida yang mengalir didesain air sungai atau air demineralisasi dengan sifat low conductivity dan tidak korosif. Pertimbangan pemakaian material Cu based ini dibandingkan lainnya, dimana pada umumnya tube condenser PLTU terbuat dari titanium (Ti) adalah karena material Cu memiliki thermal conductivity yang tinggi sehingga transfer panas lebih maksimal (efisiensi pertukaran panas tinggi), dengan dimensi yang minim (size dan jumlah) maka bisa sebanding dengan material lain dengan desain size dan jumlah yang besar. Dari beberapa kelebihan tersebut, juga terdapat kelemahan dari material Cu based seperti tidak tahan korosif (pH, air laut/salinitas), mudah leaching lapisan Cu2O oleh larutan ammonia (NH3), amine (NH2) dan nitrate (NO2), tidak tahan abrasif karena low strength dan low hardness. (Schweitzer, 2010)

Berikut kutipan dari handbook Schweitzer (2010) sebagai berikut:


Berdasarkan Revie & Uhlig (2008) berikut kutipannya:

Berdasarkan grafik tersebut bisa diketahui bahwa semakin lama material brass terpapar ammonia (NH3) maka sifat properties stress akan menurun yang menandakan material bersifat getas/rapuh sehingga mudah cracking yang disebut dengan Stress Corrosion Cracking (SCC).)

Berdasarkan Revie & Uhlig (2008), ammonia yang ada pada condensate PLTU pada umumnya merupakan hasil reaksi hydrazine (oxygen scavenger chemical) yang bisa terjadi pada 2 tahap yaitu: 

  1. Reaksi LAMBAT pada suhu 175 oC
  2. Reaksi CEPAT pada suhu 300 oC

Berikut reaksinya: 

3 N2H4 + O2 ---> N2 + 2 H2O

3 N2H4 ---> N2 + 4 NH3

Ammonia (NH3) sangat dihindari untuk penggunaan material Cu based dan terdapat 2 substitusi oxygen scavenger yang bisa memberikan protective film pada iron (Fe) dan copper (Cu) yaitu: (Revie & Uhlig, 2008)

  1. Carbohydrazide, (NH2NH)2CO + 2 O2 ---> 2 N2 + 3 H2O + CO2
  2. Diethylhydroxilamine, 4 (C2H5)2NOH + 9 O2 ---> 8 CH3COOH + 2 N2 + 6 H2O
SSCC pada brass bisa diminimalisir dengan 4 prosedur sebagai berikut: (Revie & Uhlig, 2008)

  1. Stress-Relief Heat Treatment
  2. Menjauhi kontak dengan ammonia (NH3) yang juga didukung dengan dissolved oxygen (DO) yang cukup tinggi karena kehadirannya sedikit saja bisa menyebabkan cracking
  3. Menambahkan cathodic protection.
  4. Menggunakan inhibitor H2S

Terdapat kelayakan operasi untuk tipe material Cu based terhadap fluida yang mengalir melewatinya, seperti:(Revie & Uhlig, 2008)

  • Fresh water, tipe pure copper (Cu) dan admiralty.
  • Brackish/payau dan sea water/air laut, tipe admiralty, cupro-nickel, alumunium brass.
  • Pollutant water/mengandung TDS tinggi/kontaminan kimia tinggi, tipe cupro-nickel.

Alumunium Brass (CuZn-Al) cocok ketika full sea water dan jika mengandung pollutant water maka mudah sekali pitting, material ini cocok untuk debit air yang tinggi.

Tipe cupro/cupper-nickel ada 2 yang umum dipakai yaitu: (Revie & Uhlig, 2008)

  1. 30% Ni-70% Cu, sifat properties ini lebih tahan terhadap SCC daripada 10-20% Ni-Cu atau CuZn-Al (brass). Berarti menandakan kandungan nikel (Ni) yang membuat alloy menjadi tahan korosi
  2. 10-20% Ni-90% Cu

Berdasarkan Ahmad (2006) berikut kutipannya:

Terdapat 4 tipe SCC yaitu: (Ahmad, 2006)

1.    Chloride SCC, disebabkan oleh hadirnya salinitas air laut/garam yang didukung dengan oksigen cukup pada temperatur tinggi

2.    Caustic SCC, disebabkan oleh kondisi basa (pH tinggi)

3.    Sulphide SCC, disebabkan oleh kontaminan hydrogen sulphide (H2S)

4.    Seasonal Cracking, ini istilah yang umum digunakan oleh SCC di brass/kuningan/CuZn-Al/Cu based karena cemaran ammonia (NH3)



Berikut senyawa kimia yang bisa menyababkan material Cu based mengalami SCC: (Ahmad, 2006) (Caesarvery, 2021)

·   Ammonia (NH3), kehadirannya melarutkan protective layer material Cu based yaitu Cu2O dan terlebih ketika terdapat dissolved oxygen (DO) maka ammonia sangat merusak (destructive) permukaan Cu yang bisa memperparah SCC

·   Hydrogen sulphide (H2S)

·   SO2 yang didukung moisture (basah) sehingga mudah terbentuk SO3 dan H2SO4

·   Asam Nitrat (HNO3)

·   Amine (NH2)

Berdasarkan handbook Revie (2011) berikut kutipannya:

Berdasarkan Revie (2011) tersebut didapatkan informasi bahwa ammonia (NH3) yang berasal dari dekomposisi hydrazine (N2H4) mempercepat korosi pada Cu alloy. Ketahanan material Cu alloy contohnya brass/kuningan (CuZn) terhadap SCC pada range pH 7.3-11.3.

Terdapat 3 faktor utama yang menyebabkan ammonia (NH3) mengalami SCC pada material Cu alloy: (Revie, 2011) (Caesarvery, 2021)

  1. Korosi pada lapisan film (Cu2O) yang mengurangi fungsi anodik
  2. Terlarutnya Zn anodic pada grain boundaries
  3. Stabilisasi dari valensi Cu


Berdasarkan handbook Revie (2011) tersebut didapatkan informasi sebagai berikut:

  • Penambahan 5-40% nickel (Ni) meningkatkan mechanical properties seiring peningkatan temperatur seperti tahan korosi pada lingkungan brackish/payau dan sea water/air laut
  • Cupro/Cupper-Nickel (CuNi) lebih stabil daripada brass/kuningan (CuZn) pada aliran yang mengalir dan SCC. CuNi lebih baik daripada CuZn pada polllutant water
  • Penambahan unsur iron/besi (Fe) pada CuNi membentuk pembentukan protective layer untuk menciptakan ketahanan terhadap air laut
  • Copper tidak cocok digunakan untuk aliran yang mengalir kencang karena bersifat low hardness dan low strength
  • 60 Cu-40 Zn (kuningan) cocok digunakan untuk operasi temperatur rendah dengan fluida air sungai, danau dan tanah. CuZn tahan terhadap hydrogen sulphide (H2S). Penambahan unsur timbal/lead (Pb) cocok digunakan untuk HE/condenser yang berpendingin air laut/sea water
  • Penambahan unsur Al pada brass/kuningan/76 Cu-22 Zn-2 Al membantu pembentukan protective layer untuk ketahanan terhadap mechanical destructive (abrasif). Penambahan unsur arsenik (As) digunakan untuk membuat ketahanan brass pada pollutant water, brackish dan sea water

Berdasarkan Standard EPRI (2004) sebagai berikut:


Berdasarkan Standar EPRI (2004) didapatkan informasi sebagai berikut:

  • Hydrazine (N2H4) tepatnya digunakan tanpa aditif atau ketika ada maka digunakan amine
  • Aplikasi hydrazine dijaga pada range pH 8.5-9.6 untuk cupper alloy dan untuk all-ferrous alloy 8.5-10.5
  • pH control bisa menggunakan sodium hydroxide (NaOH) untuk material all-ferrous namun untuk cupper alloy digunakan azoles untuk corrosion protection. Macam-macam azoles sebagai berikut:

1.    Tolyltriazole (TTA)

2.    Benzotriazole (BZT)

3.    Mercaptobenzothiazole (MBT)

Berdasarkan Standard EPRI (1985) sebagai berikut:
Berdasarkan Standard EPRI (2001) sebagai berikut:
Referensi:
[1] Revie, R.W., and Uhlig, H.H. (2008). Handbook Corrosion and Corrosion Control, An Intoroduction to Corrosion Science and Engineering.  Fourth Edition, John Wiley & Sons
[2] Revie, R.W. (2011). Handbook Uhlig's Corrosion, Third Edition. John Willey & Sons
[3] Ahmad, Z. (2006). Handbook Principles of Corrosion Engineering and Corrosion Control. Elsevier
[4] Schweitzer, P.A. (2010). Handbook of Fundamentals of Corrosion Mechanisms, Causes, and Preventative Methods. CRC Press. London & New York
[5] EPRI. (2004). Closed Cooling Water Chemistry Guideline
[6] EPRI. (1985). Condenser Procurement Guidelines
[7] EPRI. (2001). Condenser Appication and Maintenance Guide

Previous
« Prev Post