pengaruh pengelasan terhadap kekuatan mekanik drum wadah

A;syah, dkk. ISSN 0216 - 3128 333~

PENGARUH PENGELASAN TERHADAP KEKUATANMEKANIK DRUM WADAH LIMBAH AKTIVITAS RENDAH

Aisyah, Herlan MartonoPusat Teknologi Limbah Radioaktif

ABSTRAK

PENGARUH PENGELASAN TERHADAP KEKUATAN MEKANIK DRUM WADAH LlMBAH

AKTIVITAS RENDAH. Pengolahan Iimbah padat aktivitas rendah terkompaksi diawali denganmemampatkan drum 100 liter yang berisi limbah aktivitas rendah dengan kompaktor 600 kN dalam wadahdrum 200 liter. Drum 200 liter wadah Iimbah yang telah terisi drum 100 liter Iimbah terkompaksiselanjutnya diimobilisasi dengan semen dan disimpan di dalam tempat penyimpanan sementara. Drum 200liter wadah Iimbah yang terbuat dari bahan baja karbon harus memiliki kekuatan mekanik yang baik agarmampu mengungkung Iimbah yang ada didalamnya dalam jangka lama. Pengelasan merupakan salah satutahapan proses fabrikasi drum wadah Iimbah yang berpeluang menurunkan kekuatan mekanik drum wadahIimbah tersebut. Penelitian dilakukan dengan cara melakukan pengelasan dengan las busur Iistrik terhadapcontoh bahan drum wadah Iimbah. Pengujian kekuatan mekanik dilakukan dengan mengukur kekuatan tarikmenggunakan mesin uji tarik, kekerasan dengan alat uji kekerasan Vickers dan pengamatan struktur mikrodilakukan dengan mikroskop optik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa adanya pengelasanmengakibatkan terjadinya perubahan struktur mikro yaitu terbentuknya fase oksida besi pada daerah lasanyang lebih keras, bahan menjadi lebih getas, yang mengakibatkan kekuatan mekanik menjadi sedikitmenurur;:!ii;mun demikian penurunan kekuatan mekanik ini masih dalam batas yang aman.

ABSTRACT

THE WELDING EFFECT ON MECHANICAL STRENGTH OF LOW LEVEL RADIOACTIVE

WASTE DRUM CONTAINER. The treatment of compactable low level solid waste was started bycompaction of 100 liter drum containing the waste using 600 kN hydraulic press in 200 liters drum. The 200liter drum of waste container containing of compacted waste then immobilized with cement and stored inimerm storage. The 200 liter drum of waste container made of carbon steel material to comply with a goodmechanical strength request in order to be able to retain the waste contentfor long period. Welding is a onestep in a waste drum container fabrication process that has an opportunity in decreasing these mechanicalstrength. The research is carried out by welding the waste drum container material sample by electric arcwelding. Mechanical strength test carried out by measuring the tensile strength by using the tensile strengthmachine, hardness test by using Vickers hardness test and microstructure observation by using the opticmicroscope. The result shows that the welding cause the microstructure changes, its meaning of formingferro oxide phase on welding area that leads to the brittle material, so that the mechanical strength has adecreasing slighly. Nevertheles the decreasing of mechanical strength is still in the range afSiifety limit.

PENDAHULUAN

Pada saat ini program penelitian dan pengembangan di bidang nuklir telah banyak dilakukansecara luas seperti dalam bidang pertanian,

petemakan, kesehatan, obat-obatan, hidrologi,industri dan lainnya. Tentu saja hal ini akanmenimbulkan limbah radioakti[ baik dari unit dilingkungan SA TAN maupun instansi di luarSATAN termasuk industri dan rumah sakit. Limbah

yang ditimbulkanpun semakin bervariasi jenis dankandungan radionuklidanya, sehingga menuntutpenanganan yang berbeda yang sesuai dengankarakteristiknya.

Salah satu jenis limbah radioakti[ yangselama ini telah dikelola di PTLR adalah limbahradioakti[ padat aktivitas rendah dan sedang dariseluruh kegiatan di SATAN, industri maupunrumah sakit di seluruh Indonesia. Limbah radioakti[padat aktivitas rendah dan sedang pada umumnyaberasal dari kegiatan yang menggunakan bahanradioakti[ ataupun alat-alat kerja yang terkontaminasi, seperti pakaian, kertas, filter, sepatu, sarungtangan dan sebagainya. Limbah ini mempunyaipaparan r?diasi pada kontak permukaan 25mremljam. Pengelolaan limbah jenis ini diawalidengan penempatan Iimbah dalam drum 100 literdari baja lunak. Reduksi volume dilakukan dengan

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

334 ISSN 0216 - 3128 Aisyah, dkk.

mengkompaksi limbah dalam drum 100 dalamwadah limbah yang berupa drum 200 liter yangterbuat dari baja karbon dengan alat kompaktoryang berkekuatan 600 kN. Dalam satu drum 200liter wadah limbah memuat antara 4-7 buah drum

limbah 100 liter yang telah terkompaksi yangtergantung dari jenis dan berat limbah. Drum wadahlimbah yang telah berisi beberapa limbahterkompaksi kemudian diimobilisasi dengan semensehingga menjadi padatan yang kompak. Drumwadah limbah hasil imobilisasi setelah ditutup dandiukur paparan radiasinya disimpan dalam tempatpenyimpanan sementara limbah aktivitas rendah dansedang[I].

Drum wadah limbah hasil imobilisasi denganvolume 200 liter seperti yang disajikan pada Gambar. I , terbuat dari bahan baja karbon dengankompo-sisi C: 0,2%; Si: <0,0 I% dan Mn: 0,25 0,45%. Jenis baja ini merupakan baja yang sudahbanyak digunakan dalam berbagai industri[2,3]. Bajaini sederhana karena memiliki hampir semua sifatsifat pengerjaan, sifat-sifat tersebut diakibatkan olehkomposisi dari baja ini yang terdiri dari besi (ferit)yang memberikan keuletan, kemampuan tempa,plas-tisitas, kemagnetan, kelunakan dan sejumlahtertentu elastisitas. Tapi jenis baja ini mudahmembentuk oksida yang mengakibatkan karat danpembentukan kerak yang tebal jika berada dalamkeadaan pijar.

Proses pengelasan merupakan salah satutahapan proses fabrikasi drum wadah limbah. yangakan memberikan kontribusi pada kualitas drumwadah limbah tersebut. Hasil pengelasan akanmempunyai kualitas yang baik apabila daerah lasyang dihasilkan dapat memberikan kontinuitas yangsempurna antara bagian yang disambung dengansetiap bagian sambungan, sehingga sambungan danlogam induknya tidak menunjukkan perbedaan yangjelas. Oleh karena itu ada kondisi-kondisi yangharus dipenuhi dalam proses pengelasan antara lainadanya suplai energi, bebas dari kontaminasi sepertioksida dan kotoran, proteksi terhadap atmosfir yangbaik dan metalurgi las yang terkontrol[4].Diharapkan dengan proses pengelasan ini akandiperoleh sambungan yang kuat, sehingga padawaktu pengujian tarik tidak putus pada sambunganlasnya namun pada logam induk atau HAZ (HeatAffected Zone). Heat Affected Zone yang biasadisebut daerah terpengaruh panas adalah daerahdengan jarak tertentu dari sambungan las yangmengalami pemanasan akibat adanya panas daripengelasan.

Perubahan metalurgi yang paling pentingdalam pengelasan adalah perubahan struktur mikroyang terjadi baik pada logam induk, HAZ maupundaerah las. Perubahan struktur mikro yang terjadi

akan menentukan sifat-sifat mekanis sambungan las,seperti kuat tarik dan kekerasannya. Hal ini sejalandengan pemakaian drum wadah limbah yang harusmampu menahan beban tarik yaitu pada saatpengangkutan ataupun beban tumpuk pada saatpenyimpanan. Sehingga sambungan las pada drumwadah limbah harus mempunyai karakteristik yangsarna dengan bahan induknya. Pada umumnyastruktur mikro yang terjadi tergantung padakomposisi kimia dari logam induk dan logampengisi (elektrode), teknik pengelasan yangditerapkan serta proses perlakuan panas yangdiberikan[5].

Dalam penelitian ini dilakukan pengelasanpada plat baja karbon bahan drum 200 liter wadahlimbah. Pengelasan dilakukan dengan mesin lasbusur listrik dan pengujian terhadap kualitas hasilpengelasan dilakukan dengan pengujian tarik,pengujian kekerasan dan pengamatan strukturmikro. Penyiapan contoh benda uji tarikmenggunakan standar JIS Z 2201 dan uji tarikdilakukan dengan mesin uji tarik. Pengujiankekerasan dilakukan dengan metode uji kekerasanVikers dan pengamatan struktur mikro dilakukandengan mikroskop optik

TAT A KERJA

Bahan

• Drum 200 liter wadah limbah hasil imobilisasi

yang terbuat dari baja karbon yang adadipasaran dengan komposisi C: 0,2 %; Si: <0,0 I% dan Mn: 0,25 - 0,45 %.

• Larutan etsa 3 % asam nital.

Metode

Dilakukan pengelasan terhadap potongan platdrum 200 liter dengan mesin las Busur Listrik TypeBX 6-160-2 dengan parameter: arus las 60 - 110ampere, tegangan busur 24 volt, jenis elektrodeE6013, panjang e1ektrode 350 mm, diameter kawat2,6 mm, polaritas AC/DC dan laju las 20 mm/detik.Pengujian kekuatan las dilakukan dengan uji tarik,uji kekerasan dan uji metalografi terhadap bahaninduk maupun bahan yang telah mengalamipengelasan dengan skema metode penelitian sepertiyang disajikan pada Gambar 2.

Pengujian Tarik

Contoh benda uji tarik dilakukan sesuaidengan standar JIS Z 220 I dengan ukuran sepertiyang disajikan pada Gambar 3. Kekuatan tarik



Aisyah, dkk. ISSN 0216 - 3128 335

merupakan kemampuan dari sambungan las untukmenerima beban tarik. Pengujian dilakukan denganmenggunakan mesin uji tarik Servopulser Shimadzudengan cara menjepit benda uji dengan kuat danbeban diberikan secara kontinyu sampai benda ujitersebut putus. Sifat-sifat mekanis yang diharapkanuntuk diketahui dalam pengujian tarik ini adalahkekuatan (tegangan) tarik, kekuatan luluh danregangan dengan perhitungan menggunakanrumus[6.7]:

1. Tegangan tarik, yaitu tegangan maksimumyang dapat ditahan oleh benda uji

at = Fmak/ Ao

dengan: at = Kuat tarik benda uji (kglmm2),Fmak = Gaya maksimum yang dapat ditahan oleh

benda uji (kg), Ao = Luas penampang awalbenda uji (mm).

2. Tegangan luluh, yaitu tegangan yang terjadipada saat suatu regangan tetap atau plastis

ay = Fmak/ Ao

dengan: ay = Tegangan luluh (kglmm2), F mak =Gaya pada saat benda uji mengalami luluh (kg),Ao = Luas penampang awal benda uji (mm).

3. Regangan, yaitu perpanjangan benda pada saatkeadaan tegang. Regangan yang dimaksudadalah regangan linier rata-rata

[; = L - Lo/ Lo

dengan: L = Panjang benda pada saat putus(mm), Lo = Panjang awal benda uji (mm).

Gambar 1. Drum 200 liter wadah limbah aktivitas rendah.

Pengelasan ~

Pengujian

Bahan drum: baja karbon

Uji kekerasan

Hasil analisis

Analisis data

Kesimpulan

Uji metalografi

Gambar 2. Skema metode penelitian.



336-R

ISSN 0216 - 3128 Aisyah, dkk.

p

wL = 200 mmp= 220 mmw= 40 mmR = 25 mm

Gambar 3. Contoh benda uji tarik ( standar JIS Z 2201).

Pengujian Kekerasan

Pengujian kekerasan dimaksudkan untukmendapatkan data kekerasan dari bahan. Pengujiandilakukan dengan mesin uji keras (VickersHardness Testing Machine) dengan cara melakukanpenekanan pada benda uji menggunakan penekanberbentuk piramida intan yang dasamya bujursangkar. Besamya sudut puncak identor piramidaintan 136°. Besamya angka kekerasan dihitungberdasarkan persamaan[6,7]:

HVN = 1,8544 x Plef

dengan: HVN = Angka kekerasan Vickers (Hardness Vickers Number), P = Beban yang digunakan(kg), d = Diagonal identasi (mm).

Pengujian kekerasan dilakukan pada bendauji pada posisi logam induk, daerah HAZ, sertadaerah las[6.7J.

Pengujian Metalografi

Pengujian metalografi dilakukan untukmengetahui struktur mikro pada logam induk, HAZdan daerah las akibat adanya pengelasan. Pengujiandilakukan dengan cara memotong benda uji sesuaiukuran kemudian dibingkai dengan resin untukmemudahkan penggerindaan dan pemolesan.Penggerindaan dilakukan dengan kertas amplasyang bertingkat kekasarannya sedangkan pemolesandilakukan dengan alumina pasta. Benda uji yang

yang telah mengkilap dietsa dengan larutan etsaasam nital 3% untuk selanjutnya diamati strukturmikronya dengan mikroskop optik[8J•

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil penelitian disajikan pada Tabel 1 dan 2serta Gambar 4, 5 dan 6. Dari Tabel 1. terlihatbahwa logam yang mengalami pengelasan mempunyai kuat tarik yang lebih kecil dari kuat tariklogam induknya. Hal ini terjadi karena adanyapengelasan maka terdapat logam yang mencair danmembentuk oksida besi ditempat las. Oksida besiakan membentuk inklusi di dalam bahan, sehinggastruktur bahan menjadi 2 fase. Bahan denganstruktur 2 fase memiliki kekuatan yang lebih rendahdibandingkan dengan bahan yang mempunyai satufase. Demikian pula adanya inklusi oksida besi padabahan akan menjadikan kekuatan bahan menurun,bahan menjadi lebih getas dan lebih keras. Disamping itu adanya logam cair pada saatpengelasan, akan mengakibatkan nitrogen dariudara masuk kedalam daerah las sehingga akanmenjadikan efek penggetasan (nitrogenembrittlement) pada bahan. Hal ini didukung dengandata hasil pengujian tarik, bahwa pada bahan yangmengalami pengelasan, batas mulur dan regangantidak terukur. Ini berarti bahwa logam menjadisangat getas karena adanya pengelasan.

Tabell. Hasil Pengujian Tarik.

Contoh benda ujiKuat tarikBatas mulurRegangan

(kglmm2)(kglmm2)(%)

Bahan induk 1

483729,50

Bahan induk I

473527,70

Las 1

40--

Las 2

39--



Aisyah, dkk. ISSN 0216 - 3128

Tabel 2. Hasi! pengujian kekerasan Vickers.

Contoh benda ujiPenjejakanKekerasanRata-rata

Vickers (HVN)Logam induk

I151

II147152

III158

Las

I183

II199190

III

189

HAz

I96

II9897

III

96

Gambar 6. Struktur mikro daerah las.

337

Gambar 4. Struktur mikro Iogam induk

Gambar S. Struktur mikro daerah HAZ.

Hasil pengujian kekerasan seperti yangdisajikan pada Gambar 2 terlihat bahwa daerah lasmemiliki kekerasan yang paling tinggi dibandingkandengan daerah logam induk dan daerah HAZ. Halini sesuai dengan hasH pengujian tarik bahwa padadaerah las terbentuk oksida besi akibat terjadikelarutan oksigen dalam logam cair pada saatpengelasan dan juga masuknya nitrogen dari udarasehingga terjadi penggetasan di daerah las.Sedangkan untuk daerah HAZ memiliki kekerasanyang lebih rendah dibandingkan dengan logaminduk. Hal ini terjadi karena daerah HAZ adalahdaerah yang terkena pengaruh panas pada saatpengelasan. Panas yang diterima pada daerah initidak terlalu tinggi sehingga tidak sampai terjadipencairan logam, namun panas ini berpengaruh padaperubahan struktur mikro bahan. Adanya pengaruhpemanasan ini maka butir akan membesar. Suatu



338 ISSN 0216-3128 Aisyah, dkk.

bahan yang mempunyai ukuran butir yang besarakan menjadi lebih lunak dibandingkan denganbahan dengan ukuran butir yang lebih keci\.

Persamaan Hall-Petch menggambarkanhubungan antara kekuatan baja dengan ukuranbutirnya dengan rumus sebagai berikut:

uy = uf+ K D-1I2

dengan uy batas luluh, uf tegangan friksi, Kkonstanta dan D adalah batas butir. Dari rumus

tersebut tampak bahwa semakin halus ukuran butirsuatu bahan, maka bahan akan memiliki kekuatanyang besar.

Struktur mikro dari bahan induk akibat

pengelasan disajikan pada Gambar 4. Daerah logaminduk adalah daerah yang tidak terkena pengaruhpanas akibat pengelasan, sehingga daerah ini tidakmengalami perubahan struktur mikro. Pengamatanstruktur mikro dilakukan dengan menggunakanmikroskop optik pada perbesaran 500 kali. Tampakpada Gambar 4 bahwa daerah yang lebih terangadalah ferit, sedangkan bagian yang lebih gelapadalah perlit yang terdiri dari pelat sementit (Fe)C)dan ferit. Struktur mikro daerah HAZ diamatidengan mikroskop optik pada perbesaran 500 kalidisajikan pada Gambar 5. Pada daerah HAZstruktur mikro dan sifat mekanik dipengaruhi olehlama pendinginan dari suhu 1500- 800°C. Padadaerah HAZ terjadi pendinginan yang lebih lambat,sehingga menghasilkan struktur ferit dan perlit yanglunak. Adanya pendinginan lambat inimengakibatkan ukuran butir pada daerah HAZmembesar sehingga daerah ini menjadi lebih lunak.Adapun daerah las merupakan daerah yangmengalami pendinginan yang lebih cepat pada saatpengelasan sehingga terjadi fase martensit dankemungkinan juga dihasilkan bainit dengan strukturmikro seperti yang disajikan pada Gambar 6.Struktur martensit tampak seperti plat yang runcingyang terbentuk bila fase austenit mengalamipendinginan dengan cepat sehingga atom-atom Cterperangkap dalam larutan superjenuh (saturatedsolid solution) dan memberikan kekerasan yangtinggi. Pada daerah ini tampak struktur dendrit yangmerupakan campuran logam induk dan logam las.

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian yang telah dilakukandapat disimpulkan bahwa adanya pengelasan padabahan baja karbon akan mengakibatkan bahanmenjadi lebih getas dan keras. Hasil pengujian tarikmenunjukkan bahwa bahan yang telah mengalamipengelasan akan mempunyai kuat tarik yang lebihrendah dibandingkan dengan bahan yang tidakmengalami pengelasan. Hal ini sejalan dengan hasil

pengujian kekerasan bahwa kekerasan pada daerahlas meningkat. Hal ini karena adanya oksigenterlarut dalam logam yang mencair dan jugamasuknya nitrogen dari udara kedalam logam yangmencair pada saat pengelasan. Dari struktur mikrotampak bahwa pada daerah las terbentuk martensityang keras sehingga bahan menjadi lebih getas.Namun demikian karena proses pengelasan merupakan proses fabrikasi drum wadah limbah yangtidak dapat dihindari, maka yang perlu diperhatikanadalah meminimalkan pengaruh pengelasan terhadap kekuatan mekanik bahan sehingga penurunankekuatan mekanik ini masih dalam batas yang aman.

DAFTAR PUST AKA

I. PUSAT TEKNOLOGI LIMBAH RADIO

AKTIF., Laporan Ana/isis Keselamatan rev. 5,PTLR, Serpong, 2006.

2. JAMES F. SHACKELFORD, et. All., MaterialsScience and Engineering Handbook, 2nd ed.,CRC Press Inc., USA, 1994.

3. TAT A SURDIA, dkk., Pengetahuan BahanTeknik, Edisi 4, PT. Pradya Paramita, Jakarta,1999.

4. HARSONO W., dkk., Teknologi PengelasanLogam, Edisi 8, PT. Pradya Paramita, Jakarta,2000.

5. ASM, Handbook, vol. 6 : Welding, Brazing andth

Soldering, 9 ed, ASM, USA, 1992.

6. ASM, Handbook, vol. 8 : Mechanical Testing,th

9 ed, ASM, USA, 1992.

7. ASM, Handbook, vol. 10 Materialsth

Characterization,9 ed, ASM, USA, 1992.

8. ASM, Handbook, vol. 9 : Metallography andth

Micro Structures, 9 ed, ASM, USA, 1992.

TANYAJAWAB

Bintarti

- Jika hasil pengelasan menjadi lebih keras ataugetas bagaimana jika mengalami benturan/tekanan apakah tidak pecah.

Aisyah

- Pengelasan merupakan fabrikan drum wadahlimbah yang tidak bisa dihindari. Dan prinsippengelasan adalah menghasilkan sambungan las

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN


Aisyah, dkk. ISSN 0216 - 3128 339-dengan karakteristik yang sama dengan bahaninduknya, memang dalam pene/itian ini padasambungan las menjadi keras dan getas namunberdasarkan hasi/ pengujian tarik makasambungan las tidak putus namun putus padaderah logam induk mendekati HAZ Hal inimenunjukkan bahwa hasi/ pengelasan cukup baikdan jika mengalami benturan/tekananoperasional proses maka wadah tidak pecah.

Marsono Djoko S.

Kenapa tidak digunakan bahan yang lebih bagusyaitu baja tahan karat sebagai wadah limbahaktivitas rendah?

Aisyah

Baja tahan karat dipakai sebagai bahan wadah/imbah aktivator tinggi yang mengandungradionuk/ida berumur paro panjang sehinggawadah tahan dalam jangka lama. Sedangkan ini/imbah aktivitas rendah yang mengandungradionuk/ida berumur paro pendek cukupmenggunakan bahan baja karbon karena dalamwaktu tertentu (relatif pendek) tatkala wadahkorosi (rusak) radionuk/ida yang terkandungdidalamnya sudah tidak mempunyai dampakradiologi bagi manusia dan /igkungan, limbahsudah dikategorikan bukan limbah radioaktif



pengaruh pengelasan terhadap kekuatan mekanik drum wadah

Documents