Pemilihan Bahan Strategis: Melindungi Desain, Biaya, dan Keawetan

Pemilihan bahan adalah metode kontrol korosi utama dalam desain rekayasa. Ia memainkan peran dalam estimasi biaya proyek yang efektif, penjadwalan konstruksi, dan operasi yang aman.

Konsep dasar pemilihan bahan yang relevan termasuk:

• Jenis Bahan: Ini mencakup rentang luas bahan yang tersedia yang dapat dipilih.
• Properti Bahan: Ini berkaitan dengan pemeriksaan properti mekanik, fisik, dan resistensi korosi yang memenuhi persyaratan untuk aplikasi/penggunaan tertentu.
• Ekonomi Bahan: Ini berkaitan dengan biaya kepemilikan, modal, pemeliharaan, dan operasi untuk berbagai bahan.

Tinjauan Bahan Umum

Ada banyak bahan rekayasa di industri. Di sini kita akan melihat properti beberapa yang paling umum.

Baja Karbon

Baja karbon merujuk pada keluarga logam berbasis besi dengan kurang dari 2% karbon. Baja karbon adalah bahan yang paling banyak digunakan karena kemudahan fabrikasi, biaya rendah, ketersediaan, dan kekuatan tinggi. Baja karbon digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari komponen struktural hingga peralatan tekanan tinggi.

Baja karbon yang dilegasi dengan penambahan kecil kromium, molibdenum, vanadium, dan niobium dianggap baja legasi rendah. Elemen legasi membentuk karbida dalam mikrostruktur, meningkatkan kekuatan dan keandalan bahan pada suhu tinggi, seperti dalam ketel pembangkit listrik.

Pada suhu di bawah nol, baja karbon memiliki ketawanan yang lebih rendah, jadi nikel ditambahkan untuk mempertahankan ketawanan. Dengan jumlah nikel yang lebih tinggi, rentang suhu yang lebih rendah meningkat, terutama untuk aplikasi gas cair untuk mencegah retakan rapuh dalam peralatan gas alam cair (LNG) dan gas petrol cair (LPG).

Baja Cetak

Baja cetak adalah logam berbasis besi, dengan lebih dari 2% karbon. Ia murah dan tidak memerlukan perawatan tambahan untuk mengurangi kandungan karbon. Namun, ia rapuh dan memiliki kemampuan las yang terbatas. Ia digunakan untuk bagian non-kritis dalam pompa air dan pipa, dan memiliki resistensi korosi yang mirip dengan baja karbon. Baja cetak abu-abu dan baja cetak nodul/duktil adalah jenis baja cetak yang paling umum.

Baja Karat (SS)

Baja karat adalah jenis baja dengan kromium setidaknya 11%, dalam kombinasi dengan nikel, molibdenum, dan nitrogen. Baja karat secara andal digunakan dalam lingkungan korosif di berbagai industri energi, kimia, dan petrokimia. Ada beberapa jenis baja karat, tergantung pada kandungan legasi dan mikrostruktur.

Baca: Pengantar Baja Karat

Baja Karat Feritik
Baja karat feritik adalah jenis yang paling hemat dan memiliki kandungan nikel yang sangat rendah. Mereka rentan terhadap sensibilisasi dan sulit untuk dilas, dan oleh karena itu digunakan untuk komponen yang tidak dilas. Meski resistensi korosi yang moderate, baja karat feritik tahan terhadap retakan stres korosi yang dibantu klorida (SCC).

Baja Karat Martensitik
Baja karat martensitik memiliki kandungan nikel yang rendah, dengan rentang penggunaan yang serupa dengan baja karat feritik. Mereka memiliki kekuatan tinggi dan banyak pipa yang dibuat dari baja karat martensitik. Kekerasan tinggi mereka membuatnya dipilih untuk digunakan terhadap erosi.

Baja Karat Austenitik
Baja karat austenitik adalah baja karat yang paling banyak digunakan di industri. Dengan nikel yang lebih tinggi, mereka memiliki resistensi korosi yang baik dan mudah difabrikasi. Ada berbagai grade baja karat austenitik untuk dipilih tergantung pada korosivitas lingkungan. Beberapa grade yang lebih sedikit dilegasi memiliki resistensi rendah terhadap retakan SCC klorida. Baja karat austenitik secara luas digunakan dalam aplikasi kriogenik.

Baca: 12 Hal yang Perlu Anda Ketahui tentang Baja Karat Austenitik

Baja Karat Dupleks
Baja karat dupleks memiliki mikrostruktur ganda, feritik dan austenitik, dengan properti gabungan. Mereka memiliki kekuatan tinggi dan resistensi korosi yang sangat baik, terutama terhadap retakan SCC klorida, membuatnya cocok untuk digunakan dalam aplikasi offshore. Namun, baja karat dupleks mewarisi kekuatan lebih rendah dari fase feritik.

Baja Karat Terkaku Hinggan
Baja karat terkaku hinggan memiliki kekuatan dan ketawanan tinggi, dari mikrostruktur austenitik, semi austenitik, atau martensitik, tergantung pada perlakuan panas. Meskipun mereka memiliki kemampuan las yang baik, aplikasi mereka terbatas, seperti untuk pegas berkinerja tinggi.

Legasi

Legasi menggabungkan berbagai logam, memungkinkan properti yang berbeda. Berikut adalah beberapa legasi yang paling umum dan karakteristik kunci mereka.

Legasi Nikel

Legasi nikel memiliki resistensi korosi yang luar biasa, namun mahal karena kandungan nikel yang tinggi, yang biasanya ditambahkan dalam kombinasi dengan elemen legasi lain seperti molibdenum. Ada banyak jenis legasi nikel yang ditetapkan dengan nama merek, seperti Hastelloy, Incoloy, Monel, dll. Nama-nama ini berkaitan dengan paten yang kedaluwarsa, tetapi warisan penamaan tetap ada. Legasi nikel tahan terhadap retakan SCC klorida dan retakan SCC sulfida.

Webinar: Resistensi Korosi Legasi Nikel

Legasi Aluminium

Legasi aluminium memiliki rasio kekuatan terhadap bobot yang baik dan resistensi korosi yang baik. Namun, mereka rentan terhadap korosi galvanik saat berkontak dengan logam berbasis besi. Karena aluminium memiliki suhu leleh yang rendah, aplikasi legasi aluminium terbatas pada penggunaan suhu rendah. Karena performa termal yang baik dan retensi duktilitas, legasi aluminium digunakan dalam aplikasi kriogenik, seperti penukar kalor di industri LNG.

Legasi Tembaga

Legasi tembaga biasanya digunakan dalam lingkungan air laut dan penukar kalor. Mereka memiliki resistensi tinggi terhadap biofouling, terutama mikro fouling, dan kondisi stagnan yang dapat menyebabkan korosi lokal, serta korosi yang terkait dengan aliran berlebih. Beberapa legasi tembaga rentan terhadap SCC dalam lingkungan yang mengandung ammonia.

Legasi Titanium

Legasi titanium memiliki rasio kekuatan terhadap bobot yang baik dan resistensi korosi yang tinggi dalam lingkungan klorida tinggi. Namun, mereka mahal dan sulit difabrikasi. Titanium yang tidak dilegasi biasanya digunakan di industri dan lebih hemat dibandingkan grade titanium lainnya.

Baca: 5 Hal yang Perlu Diketahui dan Dipahami tentang Korosi Titanium

Keramik

Karena sifat rapuhnya - dan meski resistensi korosi yang tinggi - keramik tidak digunakan dalam peralatan yang menahan tekanan. Keramik digunakan dalam peralatan dan bagian suhu tinggi, seperti refractory, dan untuk perlindungan terhadap aus. Keramik untuk refractory biasanya terdiri dari kombinasi oksida aluminium, magnesium, dan silikon. Untuk resistensi aus, keramik terdiri dari karbida atau nitrida.

Polimer

Polimer digunakan sebagai termoplastik, termoset, dan elastomer. Sebagian besar polimer sangat tahan korosi, bahkan lebih dari banyak legasi tahan korosi. Polimer, namun, memiliki kekuatan rendah, titik leleh rendah, dan resistensi UV yang terbatas. Dalam aplikasi korosif dan tekanan tinggi, polimer dapat digunakan sebagai pelapis tahan korosi pada permukaan logam. HDPE, PVC, dan PTFE adalah contoh termoplastik, namun meskipun dalam grup yang sama, mereka memiliki properti dan aplikasi yang berbeda. Termoset biasanya tidak digunakan sebagai bahan padat, melainkan sebagai lapisan atau dalam matriks komposit. Elastomer memiliki properti mekanik unik dan digunakan untuk komponen pengendap dalam banyak aplikasi tekanan.

Baca: Korosi Bahan Polimerik

Komposit

Komposit adalah kombinasi dua atau lebih bahan untuk mencapai properti keduanya dan oleh karena itu karakteristik optimal untuk aplikasi tertentu. Komposit yang paling umum di industri menggabungkan serat kaca yang diperkuat dalam matriks polimer, dan baja yang diperkuat dalam matriks beton. Serat memberikan kekuatan tinggi dan matriks memberikan ketawanan, mendistribusikan stres secara seragam. Serat penguat dapat terbuat dari kaca, logam, karbon, dan polimer lain seperti aramid. E-glass adalah serat yang sering digunakan, dan ada jenis kaca lain yang cocok untuk aplikasi yang berbeda, seperti C-glass untuk resistensi kimia atau R-glass untuk resistensi kelelahan. Polimer termoset adalah matriks komposit yang sering digunakan yang mudah diproduksi dan memiliki properti mekanik dan tahan korosi yang baik. Polimer termoplastik tidak seumum digunakan seperti polimer termoset, dan cenderung digunakan untuk pipa yang dapat digulung karena duktilitas tinggi.

Beton yang diperkuat baja adalah bahan struktural vital, dan korosi baja terjadi dalam lingkungan korosif seperti air laut dan air limbah. Lapisan, perlindungan katoda, dan penggunaan baja karat digunakan untuk mengurangi korosi.

Faktor yang Perlu Dipertimbangkan Ketika Mengenai Pemilihan Bahan

Secara umum, faktor utama yang dipertimbangkan untuk bahan meliputi, namun tidak terbatas pada:

• Properti mekanik
• Properti korosi
• Total biaya kepemilikan
• Ketersediaan
• Kemudahan fabrikasi

Untuk aplikasi yang menahan beban, properti mekanik diperiksa untuk memastikan integritas struktural. Properti mekanik bahan rekayasa sangat bervariasi, tergantung pada mikrostruktur, komposisi kimia, dan proses manufaktur. Variasi ini distandardisasi secara internasional atau lokal oleh badan pengatur, seperti ASTM, ISO, atau JIS. Properti mekanik dasar meliputi, namun tidak terbatas pada:

• Kekuatan tarik
• Energi impak
• Elongasi
• Kekerasan
• Kelelahan
• Ketawanan retakan
• Creep
• Faktor lain tergantung pada aplikasi spesifik

Properti biasanya diperoleh dari pengujian destruktif sampel dari proses manufaktur, dan hasilnya dinyatakan dalam sertifikat bahan. Namun, pengujian mekanik spesial dilakukan sebelumnya untuk menghindari perselisihan antara pembeli dan produsen.

Bahan merusak seiring waktu oleh reaksi yang diinduksikan lingkungan yang disebut korosi. Korosivitas lingkungan bervariasi tergantung pada sifat lingkungan, bahan yang dipilih, dan aplikasi. Bahan harus dipilih dengan benar untuk memastikan keandalan dan operasi yang aman selama masa pakai aplikasi.

Korosi dapat diinduksikan dari atmosfer, tanah, air, kimia, minyak dan gas, dan mikroorganisme, dan oleh berbagai korosan yang menyebabkan berbagai jenis korosi. Pemilihan bahan untuk tujuan mengurangi korosi umumnya menggunakan hal berikut:

• Diagram/grafik korosi termodinamis
• Model korosi
• Tabel kompatibilitas kimia
• Pengujian laboratorium (polarisasi potensiodinamik, pengendapan, spektroskopi impedansi elektrokimia, retakan stres korosi)
• Rekomendasi pemberi lisensi teknologi
• Umbal balik operasional

Diagram/Grafik Korosi Termodinamis

Diagram/grafik korosi didasarkan pada pengumpulan data dari pengujian laboratorium dan/atau kinerja lapangan. Data yang dikumpulkan didasarkan pada parameter yang dipelajari dalam pengujian laboratorium atau pengujian lapangan.

Model Korosi

Model korosi digunakan untuk memprediksi laju korosi berdasarkan rumus empiris. Model digunakan dalam bentuk program perangkat lunak milik atau lembar excel dengan parameter input yang dimasukkan. Ada model untuk korosi CO₂, korosi oksigen, dan laju pertumbuhan retakan. Akurasi model dapat bervariasi, karena tidak semua parameter korosi dapat dimasukkan dalam model, yang dihasilkan secara empiris dari data yang diperoleh secara eksperimental.

Tabel Kompatibilitas Kimia

Tabel kompatibilitas kimia atau grafik adalah alat kualitatif yang digunakan untuk menentukan kompatibilitas antara kondisi lingkungan dan bahan yang dipilih untuk suatu aplikasi. Untuk beberapa situasi, investigasi dan pengujian tambahan diperlukan untuk menentukan kompatibilitas bahan yang dipilih dengan lebih baik.

Pengujian Laboratorium

Pengujian laboratorium dilakukan untuk kasus di mana data analitis diperlukan untuk mengevaluasi kinerja bahan yang dipilih dalam kondisi lingkungan yang disimulasikan. Kondisi lingkungan, pengaturan laboratorium, dan kondisi eksperimental diatur dalam lingkungan laboratorium yang distandardisasi untuk memastikan data yang diperoleh mewakili parameter yang digunakan untuk pemilihan bahan yang efektif dan sesuai.

Rekomendasi Pemberi Lisensi Teknologi

Beberapa teknologi produksi adalah milik, dan pengaturan know-how dimiliki oleh pemberi lisensi. Bahan yang dipilih oleh pemberi lisensi sering mewakili persyaratan minimum untuk tujuan jaminan.

Umbal Balik Operasional

Umbal balik operasional dari pengalaman nyata sangat berharga karena mereka menawarkan data lapangan secara real-time. Pengumpulan data historis (perubahan parameter operasional, sertifikat bahan, Spesifikasi Prosedur Las (WPS)/Rekor Kualifikasi Prosedur (PQR), laporan inspeksi, laporan analisis kegagalan, dll.) sangat penting untuk menjamin pemilihan bahan yang sesuai.

Menilai Biaya Keputusan Pemilihan Bahan

Biaya adalah pertimbangan utama untuk pemilihan bahan, dan keseimbangan antara pengeluaran modal (CAPEX) dan biaya operasional (OPEX) sangat krusial. Insinyur bahan dan korosi harus memilih bahan yang memenuhi pertimbangan anggaran dan biaya serta kinerja. Signifikansi CAPEX tidak hanya terletak pada bahan massal yang dipilih, tetapi juga pada proses fabrikasi dan bentuk produk. Dampak OPEX terletak pada perbaikan dan penggantian bahan yang terkorsi, serta kontrol korosi, pemantauan korosi, dan penyuntikan inhibitor korosi. Penggunaan baja karbon mungkin memiliki CAPEX rendah, namun OPEX tinggi, dan penggunaan baja karat mempengaruhi masing-masing secara sebaliknya.

Ketersediaan bahan juga memainkan peran krusial, terutama mengenai jadwal proyek. Penggunaan bahan milik, misalnya, mungkin membutuhkan waktu pengiriman yang lebih lama dari biasanya karena keterbatasan yang terkait dengan pemasok, kuantitas rendah, atau stok yang mungkin memerlukan pesanan kuantitas minimum, dalam situasi yang dapat meningkatkan biaya.

Bahan yang sulit difabrikasi mungkin secara signifikan mempengaruhi jadwal proyek jika tidak direncanakan sejak awal, terutama ketika digunakan dalam kuantitas besar. Misalnya, bahan yang memerlukan perlakuan panas pasca-las (PWHT) mungkin membutuhkan ribuan las dalam fasilitas minyak dan gas, serta ribuan jam kerja untuk mengakomodasi persyaratan PWHT. Bahan yang sulit dilas mungkin memperlambat kecepatan las dan meningkatkan tingkat perbaikan.

Kesimpulan

Pemilihan bahan melibatkan prosedur yang kompleks, yang memerlukan pemahaman tentang kerentanan kegagalan dan metode kontrol korosi, serta kerjasama di antara berbagai disiplin rekayasa.