BA

DA

N P

ENGAWAS TENAGA NU

KLIR

B A P E T E N 2014

SeminarKeselamatanNuklir

ProsidingSeminar Keselamatan Nuklir 2014Makalah Penyaji Poster

Bidang Instalasi dan Bahan Nuklir

KAJIAN KEHANDALAN MATERIAL TABUNG PEMBANGKIT UAP PWRS. Nitiswati1, Alim Mardhi1

1Pusat Teknologi Dan Keselamatan Reaktor Nuklir-BATAN e-mail: nitis@batan.go.id

ABSTRAK

KAJIAN KEHANDALAN MATERIAL TABUNG PEMBANGKIT UAP PWR. Degradasi tabung pembangkit uap adalah hal utama yang harus diperhitungkan dalam melakukan kajian integritas dan kajian sisa umur pembangkit uap. Oleh karena itu tabung pembangkit uap PWR harus benar-benar handal dari segi material dan perlakuan panasnya sehingga degradasi tabung pembangkit uap terjadi hanya sebagai konsekuensi penuaan alami, bukan karena penuaan dini akibat pemilihan material dan perlakuan panas yang kurang handal. Ada 2 (dua) faktor yang paling penting dalam mempengaruhi kerentanan tabung pembangkit uap untuk mengalami degradasi yaitu material tabung dan perlakukan panas. Makalah ini akan mengkaji kehandalan tabung pembangkit uap untuk PWR desain Amerika dari segi material dan perlakuan panas yang digunakan. Tujuan melakukan kajian adalah untuk mendapatkan database material terkini dan perlakukan panas yang handal digunakan untuk tabung pembangkit uap PWR. Pengkajian dilakukan dengan menganalisis material yang digunakan untuk tabung pembangkit uap berdasarkan persyaratan standar/code dan analisis perlakuan panas yang digunakan. Hasil kajian disimpulkan bahwa alloy 690 dan alloy 800Mod adalah material terkini yang handal digunakan untuk tabung pembangkit uap PWR dengan perlakuan panas yang handal adalah thermally treated (TT).

Kata kunci: Tabung pembangkit uap, perlakuan panas, alloy 690, alloy 800Mod.

ABSTRACT

RELIABILITY ASSESSMENT OF PWR STEAM GENERATOR TUBE MATERIAL. Steam generator tube degradation is the main case should be considered in performing remaining life and integrity assessment of steam generator. Therefore PWR steam generator tube should be reliable in term of material and heat treatment, so steam generator tube degradation is only occurred as natural ageing consequence, not caused by premature ageing as the effect of unreliable heat treatment and materials chosen. There are two important factors influenced susceptibility of steam generator tube to degrade such as tube material and heat treatment. This paper will assess on reliability of USA PWR steam generator tube from material and heat treatment point of view. The purpose of this assessment is to get database of the current material and reliable heat treatment used as PWR steam generator tube. Assessment was done by analysis of steam generator tube material based on standard/code requirement and analysis of its heat treatment. Assessment result concluded that alloy 690 and alloy 800Mod are currently reliable material used as PWR steam generator tube with thermally treated (TT) is a reliable heat treatment.

Keywords: Steam generator tube, heat treatment, alloy 690, alloy 800Mod.

1. PENDAHULUANSebelum suatu Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) di-

bangun, maka material yang digunakan untuk komponen-kompo-nen yang berada dalam lingkup “reactor pressure boundary” yaitu komponen-komponen kelas satu harus dikaji terlebih dahulu ke-handalannya. Tujuannya adalah untuk menghindari penuaan dini komponen karena materialnya kurang handal sehingga komponen reaktor harus diganti/diperbaiki dan reaktor di shutdown di luar jadwal seharusnya (unscheduled plant outages).

Pembangkit uap reaktor air bertekanan (Pressurized Water Re-actor, PWR) adalah salah satu komponen yang berada dalam ling-kup “reactor pressure boundary”. Pembangkit uap adalah penukar panas skala besar dengan jumlah tabung penukar panas mencapai sekitar sepuluh ribu. Tabung-tabung ini akan mengalami penuaan sehingga pada bagian-bagian tertentu akan terdegradasi melalui berbagai mekanisme dan hal ini tidak bisa dihindari. Korosi adalah mekanisme degradasi yang paling dominan pada tabung pembang-kit uap. Terdapat berbagai jenis korosi antara lain korosi sumuran, intergranular stress corrosion cracking (IGSCC)/intergranular attack (IGA), dan primary water stress corrosion cracking (PWSCC).

Material tabung pembangkit uap PWR terbuat dari paduan ni-kel tinggi (high nickel base alloy). Namun jenis paduan nikel tinggi

yang digunakan telah mengalami perubahan yaitu pada era tahun 60-an menggunakan alloy 600, dan PWR tahun 80-an hingga kini menggunakan alloy 690 dan alloy 800Mod. Perubahan ini bertu-juan untuk mendapatkan paduan nikel tinggi dengan sifat yang lebih baik yaitu ketahanannya terhadap korosi sebagai konsekuensi desain umur PLTN yang semakin lama dari 30 tahun menjadi 40 tahun dan desain PLTN terkini adalah 60 tahun. Degradasi tabung pembangkit uap adalah hal utama yang diperhitungkan didalam melakukan kajian integritas pembangkit uap maupun kajian sisa umur pembangkit uap [1]. Oleh karena itu tabung pembangkit uap harus benar-benar handal, baik dari segi material maupun dari segi perlakuan panasnya. Handal dari segi material maksudnya adalah ketahanannya terhadap korosi, dan handal dari segi perlakuan pa-nas maksudnya adalah jenis perlakuan panas yang digunakan akan semakin menguatkan ketahanan material terhadap jenis korosi ter-tentu. Dengan demikian degradasi tabung pembangkit uap terjadi hanya karena sebagai konsekuensi penuaan alami bukan karena penuaan dini.

Makalah ini akan mengkaji material dan perlakuan panas yang handal digunakan untuk tabung pembangkit uap PWR desain Amerika. Tujuan melakukan kajian adalah untuk mendapatkan da-tabase material handal terkini digunakan sebagai material tabung pembangkit uap PWR dan perlakuan panas yang tepat. Pengkajian

150 Kajian Kehandalan Material Tabung Pembangkit Uap PWR

dilakukan dengan menganalisis material yang digunakan untuk ta-bung pembangkit uap berdasarkan persyaratan standar/code dan analisis perlakuan panas yang digunakan. Diharapkan apabila In-donesia segera membangun PLTN tipe PWR, maka hasil kajian ini dapat digunakan sebagai acuan/referensi.

2. TEORI

2.1. Material Tabung Pembangkit Uap PWR

Pembangkit uap adalah komponen PLTN kelas 1. Standar ASME Section III, Division 1–Subsection NB, Class 1 Components, “Rules for Construction of Nuclear Facility Components” menyebut-kan secara spesifik bahwa material yang digunakan untuk tabung pembangkit uap harus mempunyai ketahanan yang baik terhadap korosi [2]. Pada standar ASME tersebut tidak dibahas persyaratan spesifik lainnya untuk material tabung pembangkit uap, seperti maksimal laju korosi, kekuatan material, dan lain sebagainya. Dari referensi [1,3,4] diketahui material yang digunakan untuk tabung pembangkit uap PWR desain Amerika dari era tahun 60-an hingga kini menggunakan paduan nikel tinggi dengan komposisi kimia ditunjukkan pada Table 1.

Tabel 1: Komposisi material tabung pembangkit uap PWR (% berat) [1,3,4]

Material C Ni Cr Fe Ti Lain

Alloy 600 ≤ 0,15 ≥ 72,0 14,0–17,0 6,0–10,0 - Sisanya

Alloy 690 ≤ 0,05 ≤ 58,0 27,0–31,0 7,0–11,0 Sisanya

Alloy 800Mod

≤ 0,10 30,0–35,0 19,0–23,0 ≥ 39,5 0,15–0,60 Sisanya

Unsur-unsur yang menyusun paduan nikel di atas masing-ma-sing mempunyai peranan/pengaruh yaitu sebagai berikut [5]:

2.1.1. Karbon (C)Keberadaan karbon pada paduan nikel adalah untuk mening-

katkan kekerasan dan kekuatan material.

2.1.2. Kromium (Cr)Kromium mempunyai peran untuk meningkatkan ketahanan

terhadap oksidasi. Ketahanannya akan meningkat sebanding de-ngan jumlah kromium yang ditambahkan.

2.1.3. Titanium (Ti)Peran titanium pada paduan nikel adalah untuk menstabilkan

karbida. Titanium dengan karbon akan membentuk titanium kar-bida yang stabil dan sulit terlarut pada material dan hal ini membe-rikan tendensi meminimumkan terjadinya korosi antar butir yang bersifat getas.

2.1.4. Nikel (Ni)Nikel adalah unsur utama pada paduan di atas berperan sangat

dominan menjadikan paduan mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap korosi. Nikel berperan pula untuk meningkatkan ketang-guhan patah (fracture toughness) material.

2.2. Pabrikasi Tabung Pembangkit Uap

Teknologi pabrikasi tabung pembangkit uap adalah melalui pro-ses tempa (forging) di mana batangan material yang akan dipabrikasi menjadi tabung dilakukan proses ekstrusi ke dalam rumah tabung (tube shell). Selama proses berlangsung di dalam rumah tabung dila-kukan pendinginan secara bertahap, caranya yaitu sepanjang tabung dilewatkan ke dalam tungku pemanas dengan menggunakan ban

berjalan. Selanjutnya dilakukan proses lebih lanjut dengan membe-rikan perlakukan panas (heat treatment) tertentu [1].

2.3. Perlakukan Panas

Perlakuan panas adalah suatu proses yang dilakukan setelah tabung pembangkit uap selesai dipabrikasi/selesai dibuat dan atau selesai pemasangan dengan cara memanaskan tabung pada suhu dan durasi tertentu sesuai dengan yang dibutuhkan. Tujuan perla-kukan panas adalah selain untuk melepaskan tegangan sisa (residu-al stress relief) paska pabrikasi dan pemasangan tabung juga untuk rekristalisasi sehingga diperoleh struktur mikro yang diinginkan yaitu ukuran butiran yang besar dan distribusi karbida. Ada 2 (dua) proses perlakukan panas yang digunakan untuk pabrikasi tabung pembangkit uap, yaitu mill annealing dan thermally treated [1].

2.4. Mill-Annealing (MA)

MA adalah suatu proses perlakukan panas awal yang dilakukan pada rentang suhu tinggi 700°C s.d. 760°C dan dipertahankan sela-ma 5 menit sampai dengan maksimum 15 menit [1,3].

2.5. Thermally Treated (TT)

TT adalah suatu proses perlakukan panas yang diberikan untuk suatu produk akhir dengan tujuan selain untuk melepaskan te-gangan sisa sampai pada batas yang serendah mungkin juga untuk re-distribusi pengendapan karbida pada batas butir. TT dilakukan pada rentang suhu di atas 725°C s.d. 1025°C dan dipertahankan se-lama 10 jam sampai dengan 15 jam [1,3].

3. HASIL DAN PEMBAHASANPembangkit uap PWR dan bagian yang rentan terdegradasi di-

tunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1: Pembangkit uap PWR dan bagian yang rentan terdegradasi [1]

Seminar Keselamatan Nuklir 2014 151

3.1. Analisis Material Tabung

Dari sudut pandang sifat material, ketiga paduan nikel tinggi yang ditunjukkan pada Tabel 1 di atas memenuhi persyaratan se-bagai material tabung pembangkit uap karena mengandung unsur nikel dominan sehingga sangat tahan terhadap korosi [3]. Oleh karena itu paduan nikel tinggi digunakan sebagai material tabung pembangkit uap PWR dari dahulu hingga kini. Sifat lain paduan nikel tinggi adalah selain mempunyai ketangguhan patah yang baik juga lebih tahan terhadap panas khususnya alloy 690 di mana kandungan kromiumnya (Cr) 2 kali lebih banyak dari pada kandu-ngan kromium di dalam alloy 600.

Unsur karbon (C) dalam suatu material berfungsi untuk me-ningkatkan kekerasan material. Namun begitu persentase (%) C dalam suatu material tetap harus dibatasi karena semakin besar kandungan karbon mengakibatkan material semakin getas. Dari Tabel 1 diketahui bahwa kandungan C didalam ketiga paduan nikel di atas relatif sangat rendah sehingga tidak berpengaruh signifikan terhadap degradasi material.

Kandungan kromium (Cr) ditambahkan kedalam ketiga padu-an nikel di atas adalah untuk meningkatkan ketahanannya terha-dap oksidasi. Ketahanan ini akan semakin meningkat sebanding dengan besarnya persentase (%) Cr yang ditambahkan. Hal ini be-rarti ketiga paduan nikel di atas mempunyai ketahanan terhadap korosi umum (general corrosion) yang semakin lebih baik karena selain kandungan nikelnya dominan juga persentase (%) kandu-ngan Cr-nya cukup signifikan. Pengalaman dari beberapa negara yang menggunakan alloy 690 dan alloy 800Mod untuk material tabung pembangkit uap PWR di mana kandungan Cr-nya relatif lebih besar dari alloy 600, ternyata lebih menguntungkan karena lebih tahan terhadap serangan korosi umum [3]. Hal ini dapat di-terima karena konsisten dengan suatu teori yang mengatakan bah-wa ketahanan suatu material terhadap oksidasi akan semakin me-ningkat sebanding dengan persentase (%) Cr yang ditambahkan. Dalam hal ini alloy 690 yang diproduksi setelah alloy 600 dibuat dengan komposisi kandungan nikelnya lebih rendah dari pada al-loy 600 namun kandungan Cr-nya dinaikkan 2 kalinya ternyata le-bih tahan terhadap korosi sehingga sifat alloy 690 lebih unggul dari pada alloy 600 [1,3].

Alloy 800Mod (modification) disebut juga dengan alloy 800NG (nuclear grade) adalah paduan nikel tinggi yang dimodifikasi de-ngan menambahkan Titanium (Ti). Alloy 800Mod merupakan paduan nikel tinggi yang sudah mulai digunakan sebagai material tabung pembangkit uap PWR. Fungsi Ti didalam suatu material adalah untuk menstabilkan material tersebut sehingga mempunyai sifat yang lebih baik. Dalam hal ini alloy 800Mod adalah paduan nikel tinggi yang distabilkan dengan Ti, yaitu menstabilkan karbida dengan membentuk titanium karbida yang stabil dan sulit larut di dalam paduan nikel tinggi sehingga akan meminimalkan terjadi-nya korosi pada batas butir (intergranular corrosion) yang bersifat getas (brittle). Oleh sebab itu alloy 800Mod mulai digunakan seba-gai material tabung pembangkit uap [6].

3.2. Analisis Perlakukan Panas

Perlakukan panas yang digunakan pada tabung pembangkit uap PWR tahun 60-an sampai sebelum tahun 1980 pada umumnya adalah hanya perlakuan panas awal yaitu mill-annealing (MA) [1,3]. Pada tahun 80-an setelah dilakukan MA dilanjutkan dengan ther-mally treated (TT) [1,3]. Ada kelemahan perlakuan panas MA, yai-tu durasi proses MA yang sangat singkat meskipun suhu MA relatif tinggi. Akibatnya tidak cukup waktu untuk terjadinya pengendap-an kromium karbida pada batas butir. Sehingga tabung pembang-kit uap yang terbuat dari alloy 600MA banyak yang gagal karena terjadi retak yang bersifat getas. Hal ini terbukti dari tabung-ta-bung pembangkit uap yang diproduksi tahun 60-an sampai dengan

sebelum tahun 1980 yang terbuat dari alloy 600 dengan perlakuan panas MA banyak yang mengalami retak karena terjadi SCC [3].

Perlakuan panas yang diterapkan untuk tabung pembang-kit uap PWR setelah tahun 80-an sampai dengan saat ini adalah thermally treated (TT) [3,6]. Proses perlakuan panas dengan tek-nik TT dimulai dengan proses perlakukan panas awal yaitu MA dan dilanjutkan dengan TT yang dipertahankan pada suhu ting-gi antara 725°C s.d. 1025°C selama 10 jam sampai dengan 15 jam sehingga cukup waktu untuk terjadinya pengendapan kromium karbida dan titanium karbida (untuk alloy 800Mod) pada batas butir. Akibatnya akan meningkatkan ketahanan material terhadap SCC. Untuk lebih meningkatkan ketahanan terhadap korosi, perlu dilakukan pengkondisian awal (preconditioning) pada permukaan bagian dalam tabung dengan cara melakukan pasivasi sehingga meminimalkan pelepasan produk korosi karena pada permukaan bagian dalam tabung khususnya pada bagian U-bend dapat terjadi PWSCC (primary water stress corrosion cracking). Selain itu untuk mencegah atau mengurangi pengaruh terjadinya SCC dapat di-lakukan metode shot peening. Dengan melakukan shot peening, tegangan tarik pada tabung bagian transisi rol tabung (roll transi-tion) yaitu permukaan bagian dalam U-bend tabung akan berubah menjadi tegangan kompresi sehingga akan mengurangi salah satu faktor penyebab terjadinya SCC, yaitu tegangan.

4. KESIMPULANHasil kajian disimpulkan bahwa alloy 690 dan alloy 800Mod

adalah material terkini yang handal digunakan untuk material tabung pembangkit uap PWR dan perlakuan panas yang handal untuk diterapkan adalah thermally treated (TT).

DAFTAR PUSTAKA[1] SHAH, V.N. et.al. (1993); Ageing And Life Extension of Major

Light Water Reactor Components; Elsevier. [2] ASME (2007); ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL

CODE, (2007), Rules for Construction of Nuclear Facility Components, Section III, Division 1–Subsection NB, Class 1 Components.

[3] HARROD D.L. et.al. (9/17/2013); Alloy Optimization for PWR Steam Generator Heat-Transfer Tubing, http://link.springer.com/article/10.1007/s11837–001-0080–1.

[4] IAEA, (2004); IAEA-TECDOC-1391, Status of Advanced Light Water Reactor Designs; IAEA, Vienna.

[5] ANONIM, (2/11/2012); Effect of Alloying Elements in Steel, www.intechopen.com

[6] Lucan, D., (11/3/2013); Degradation Incoloy 800 Steam Generator Tubing, www.intechopen.com.