PENGEMBANGAN INSTRUMENTASI ALAT UJI KOROSI RETAK TEGANG PADA APLIKASI BAJA TAHAN KARAT TIPE 304 DI DALAM LARUTAN NaCl

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN INSTRUMENTASI ALAT UJI KOROSI RETAK TEGANG PADA APLIKASI BAJA TAHAN KARAT TIPE 304 DI DALAM LARUTAN NaCl Heri Nugraha 1 *, Gadang Priyotomo 1, Marga Asta Jaya Mulya 2, Bambang Hermanto 2 1 Pusat Penelitian Metalurgi dan Material-LIPI Gd. 470 Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan Pusat Penelitian Fisika - LIPI Kawasan Puspiptek Gd. 440 Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan * nugraha321@gmail.com Abstrak Korosi retak tegang (stress corrosion cracking) adalah istilah yang diberikan untuk peretakan intergranular atau transgranular pada logam akibat kegiatan gabungan antara tegangan dan lingkungan khusus. Bentuk korosi ini lazim sekali dijumpai di lingkungan industri seperti: industri perkapalan, perminyakan, dan industri-industri kontruksi logam. Pengembangan sistem instrumentasi alat uji korosi retak tegang telah dilakukan dengan mengubah data analog menjadi digital melalui tampilan hasil pengukuran pada program komputer kemudian dilakukan pengujian pada sampel baja tahan karat tipe 304 pada temperatur 80 C di dalam lingkungan asam dengan pembebanan 23 kg/cm 2. Data yang diperoleh dari keluaran tegangan sensor linear variable differential transformer (LVDT) diolah oleh mikrokontroler arduino dengan menggunakan Analog to Digital (ADC). Tegangan yang keluar dari sensor posisi LVDT mengontrol pertambahan panjang dimensi suatu bahan yang dipengaruhi oleh beban luar statis, lingkungan larutan dan suhu lingkungan sehingga jika bahan tersebut mengalami pertambahan panjang maka sensor akan mendeteksi perubahannya. Pada pengukuran sensor LVDT diperoleh hubungan linear antara pertambahan panjang dan tegangan output dengan persamaan y = 0,869x 0,106 (y dalam satuan mm dan x dengan satuan volt), dimana berdasarkan nilai tersebut sensor dapat menampilkan tegangan pada rentang pertambahan panjang dari 0 mm hingga 3,7 mm. Kata kunci: Baja Tahan karat tipe 304, Sensor LVDT, Arduino, ADC. PENDAHULUAN Sistem otomasi dapat didefinisikan sebagai suatu teknologi yang berkaitan dengan aplikasi mekanik, elektronik dan sistem yang berbasis komputer (komputer, PLC atau mikro). Semuanya bergabung menjadi satu untuk memberikan fungsi terhadap mekanik sehingga akan memiliki fungsi tertentu. Pada penelitian ini sensor yang digunakan adalah sensor Linier Variable Differential Transformator (LVDT) dapat digunakan untuk menentukan suatu posisi sistem yang bekerja dalam skala millimeter dengan output berupa tegangan, sehingga mempermudah dalam pengambilan data nantinya. [1] Sensor melakukan konversi dari fenomena fisik menjadi sinyal listrik. Sinyal ini selanjutnya diubah menjadi nilai numerik digital oleh perangkat keras data acqustition (DAQ), yang dikendalikan oleh sebuah program perangkat lunak yang dikembangkan dengan menggunakan bahasa pemrograman salah satunya adalah LabView. [2] Sedangkan program pada Arduino Uno dapat diatur untuk menampilkan hasil tegangan keluaran dengan menserialmonitorkan tool setelah menjalankan program atau meng-uploadnya pada hardware arduinonya untuk memahami fenomena korosi retak tegang (stress corrosion cracking) secara teoritis dalam material dan mengkaji pengaruh lingkungan larutan uji korosif dan suhu lingkungan terhadap ketahanan pada korosi retak tegang material pada variasi pembebanan statis. Pencatatan waktu patah pada material dengan tiga parameter uji (beban luar, konsentrasi larutan uji dan suhu operasional) dapat diketahui melalui program tersebut. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempermudah pembacaan perubahan panjang dari sampel baja tahan karat akibat pengaruh beban luar statis, larutan uji yaitu NaCl dan suhu uji pada 80 C dengan menggunakan komputer untuk selanjutnya dilakukan analisa. Program korosi retak regang berupa data analog/kertas yang lama, sudah tidak dapat digunakan, sehingga dilakukan pengembangan instrumentasi alat berbasis pada PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

2 komputer dengan penyimpanan data berupa file dengan kapasitas yang lebih besar. Secara umum korosi merupakan proses degradasi atau penurunan mutu material karena adanya reaksi secara kimia dan elektrokimia dengan lingkungan. Setiap material dengan aplikasi yang berbeda memiliki bentuk korosi yang berbeda. Salah satu bentuk korosi ini adalah Korosi Retak Tegang. Bentuk korosi ini sangat lazim dijumpai pada lingkungan industri. Jenis korosi ini terjadi karena adanya tiga kondisi yang saling berkaitan, yaitu adanya tegangan tarik, lingkungan yang korosif, dan temperatur tinggi yang terlihat pada Gambar 1. Pada proses korosi retak tegang, karena merupakan kondisi yang simultan, maka semua faktor- faktor yang mempengaruhi harus bersinergi. Bila salah satu faktor tidak ada yang memenuhi maka proses korosi retak tegang tidak akan terjadi. Gambar 1. Keterkaitan tiga kondisi yang menyebabkan korosi retak tegang. Salah satu pengujian korosi retak tegang yaitu metode beban statis dimana menghasilkan grafik elongasi korosi terlihat pada Gambar 2. [3] Grafik ini dapat digunakan lebih lanjut untuk mendapatkan tiga variable utama antara lain waktu patah (t f ), steady-state elongation rate (l ss ) dan rasion waktu transisi dan waktu patah (t ss /t f ). Tiga variabel ini dapat digunakan untuk menganalisa perilaku kegagalan dan l ss untuk dapat memprediksi waktu patah. Gambar 2. Grafik elongasi korosi. [3] Pengujian yang dilakukan adalah pengujian dengan alat uji Stress Corrosion Cracking pada material stainless steel 304 dalam larutan asam pada temperatur 80 C. Arduino Uno Pada Gambar 3, Uno Arduino merupakan mikrokontroler dengan 14 digital input dimana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM yang terpasang langsung dalam satu board sederhana. [4,5,6] Pada pin-pin ini berisi semua yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler, hanya perlu menghubungkan ke komputer dengan kabel USB atau dapat juga menggunakan sumber tegangan yang bisa diperoleh dari adaptor AC-DC atau baterai 190 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014

3 pada spesifikasi besar dengan tegangan yang telah ditentukan untuk penggunaannya. Gambar 3. Board Arduino Uno. Setiap mikrokontroler mempunyai karakteristik masing- masing, untuk Arduino Uno memiliki spesifikasi pada Tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi Arduino Uno Mikrokontroller Operasi Voltage Input Voltage Input Voltage I/O Arus Flash Memory Bootloader EEPROM Kecepatan Atmega328 5V 7-12 V (Rekomendasi) 6-20 V (limits) 14 pin (6 pin untuk PWM) 50 ma 32KB SRAM 2 KB 1 KB 16 Mhz Sensor LVDT Pada Gambar 4, Sensor Linear Variable Differential Transformer (LVDT) adalah sebuah sensor perpindahan yang mengubah perubahan posisi linear dari referensi mekanik (posisi nol) menjadi sinyal listrik yang sebanding dengan fase (arah) dan amplitude (jarak). [7-9] Gambar 4. Sensor LVDT Transtek 351. Pada sensor LVDT model transtek tipe mempunyai karakteristik sebagai berikut: Tegangan sumber dengan rentang 6-28 Volt yang terlihat pada Tabel 2. PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

4 Tabel 2. Rentang tegangan input dan output Tegangan Input (V) Tegangan Output (V) Sensitifitas tinggi. Rentang temperatur -65 F hingga 200 F (-54 C hingga 93 C). Ketidaklinieran 0,5 %. Analog to Digital (ADC) Mikro ADC mikro adalah sebuah papan ADC yang digunakan untuk merubah sinyal tegangan analog kedalam 24 bit nomor digital. Komunikasi data antara ADC dan mikrokontroler menggunakan serial peripheral interface (SPI). [8,9] METODE PERCOBAAN Implementasi alat dan pengujian dilakukan di laboratorium korosi Pusat Penelitian Metalurgi dan Material LIPI. Dalam melakukan kegiatan Penelitian ini terdapat tiga tahapan diantaranya yaitu pemrograman pada komponen mikrokontroler yang digunakan, merangkai alat, serta melakukan uji coba pada pengukuran sampel baja tahan karat tipe 304. Pengujian korosi retak tegang pada baja tahan karat tipe 304 bertujuan untuk melihat performa ketahanan material tersebut terhadap korosi jenis ini dengan melihat beban statis, konsentrasi larutan uji dan suhu uji. Langkah-langkah pengujian yang dilakukan secara umum terlihat pada Gambar 5. Gambar 5. Skema pengujian korosi retak tegang. 192 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014

5 Alat uji bahan 2 3 Keterangan: 1. Tabung pemanas/heater 2. Sensor Jarak (LVDT) 3. Thermocontrol 4. Pembebanan Sampel 5. Komputer / Monitoring Program Gambar 6. Alat percobaan korosi retak tegang. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian dengan alat uji korosi retak tegang pada baja tahan karat tipe 304 dalam larutan 0,5 M sodium klorida pada temperatur 80 C. Tampilan Program Komputer Pengembangan sistem kontrol dan akuisisi data dari analog menjadi digital dilakukan karena data analog yang merekam data pengujian dalam bentuk output kertas sudah tidak dapat digunakan/rusak (Gambar 7a), sehingga dilakukan pembuatan software berbasis Lab View untuk merekam data proses pengujian pada alat korosi retak tegang (Gambar 7b). (a) (b) Gambar 7. Pengembangan Program Monitoring Sensor. Proses Kalibrasi Pada Gambar 8, proses kalibrasi dilakukan untuk mengetahui hubungan antara jarak dengan tegangan yang dikeluarkan sensor. Kalibrasi menggunakan dial gauge Mitutoyo (rentang 0-10 mm) dilakukan pada rentang jarak 0 sampai dengan 3,7 mm sesuai panjang maksimal sensor LVDT, kemudian dilakukan pembacaan tegangan yang dihasilkan oleh sensor. PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

6 Gambar 8. Proses Kalibrasi Data kalibrasi Tabel 3. Data Hasil Kalibrasi sensor LVDT Tegangan (mv) Jarak (mm) Tegangan (mv) Jarak (mm) 0, , ,8 0,2293 0,1 2,3237 1,9 0,3347 0,2 2, ,4622 0,3 2,5592 2,1 0, ,4 2,6411 2,2 0,6954 0,5 2,7572 2,3 0,7716 0,6 2,8664 2,4 0, ,7 3,0324 2,5 1, ,8 3, ,6 1, ,9 3, ,7 1, , ,8 1,4214 1,1 3, ,9 1,5867 1,2 3, ,6299 1,3 3,6654 3,1 1,7217 1,4 3, ,2 1, ,5 3,9207 3,3 2, ,6 4, ,4 2, ,7 4,1222 3,5 2, ,8 4, ,6 2,3237 1,9 4, ,7 Programming Komputer Pada Arduino sebagai mikrokontroler berbasis ADC memakai program Serial Peripheral Interface (SPI) yang mendukung komunikasi interface. Arduino board diprogram agar dapat merespon sinyal yang diberikan dari LVDT. 194 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014

7 Perancangan diagram pada penelitian terbagi menjadi dua, yang pertama adalah diagram sistem, diagram yang menggambarkan jalannya program dengan tujuan untuk mempermudah saat pembuatan alat berjalan. Selanjutnya yaitu diagram alir (flowchart) untuk program pada mikrokontroler adalah sebagai berikut: Gambar 9. Diagram Sistem/Flowchart. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada pengukuran sensor LVDT diperoleh hubungan linear antara pertambahan panjang dan tegangan output dengan persamaan y = 0,869x 0,106 (y dalam satuan mm dan x dengan satuan volt), dimana berdasarkan nilai tersebut sensor dapat menampilkan tegangan pada rentang pertambahan panjang dari 0 mm hingga 3,7 mm. PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

8 Perubahan 4 Panjang (mm) Perubahan Panjang Terhadap Tegangan y = 0.869x R² = Perubahan Panjang Terhadap Tegangan Linear (Perubahan Panjang Terhadap Tegangan) Tegangan (v) Gambar 10. Hubungan antara perubahan panjang dan tegangan. Pada pengujian korosi retak tegang yang dilakukan dengan sampel baja tahan karat tipe 304 pada suhu 80 C didapatkan grafik yang terlihat pada Gambar Grafik Perubahan Panjang Terhadap Waktu Panjang (mm) Series1 Linear (Series1) Waktu (s) Gambar 11. Hubungan perubahan panjang terhadap waktu. Saat spesimen mengalami penambahan panjang akibat pengaruh baban luar statis, larutan uji dan suhu uji maka sensor juga akan mendeteksi berapa besar dari perpanjangan dimensi material tersebut waktu tertentu. Pada Gambar 11 terbagi dua daerah yaitu pemuluran awal yang cepat (primary) dan steady-state elongation region (secondary). Daerah primary memberikan hubungan terjadinya nukleasi retakan dan daerah secondary memberikan hubungan terjadinya proses propagasi retakan yang stabil. Jika dibandingkan dengan Gambar 2, pada Gambar 11 tidak terjadi proses patah pada material yang ditandai dengan terbentuknya daerah tersier (daerah propagasi retakan akhir). Ini dikarenakan penulis tidak tahu kapan material tersebut patah dikarenakan mekanisme uji menggunakan beban statis bukan pertambahan beban seperti pengujian slow strain rate test (SRRT). 196 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014

9 KESIMPULAN Pada penelitian yang telah dilakukan dengan topik implentasi data akuisisi oleh mikrokontroler dapat disimpulkan bahwa: 1. Tegangan keluaran dari sensor LVDT dapat ditampilkan di serial monitor yang terdapat pada simulasi arduino yang telah diprogram dan dihubungkan dengan ADC 24 bit. 2. Sensor LVDT dapat digunakan untuk mengetahui nilai dari perubahan panjang suatu bahan yang mengalami keretakan akibat tegangan dan pemuaian, didapat rumus untuk menentukan perubahan panjang setiap detik oleh tegangan output yang dihasilkan sensor yaitu y = 0,869x 0,106 (y dalam satuan mm dan x dengan satuan volt), berdasarkan nilai tersebut sensor dapat menampilkan tegangan pada jarak 0 sampai dengan 3,7 mm. 3. Penggunaan program komputer pada pengujian korosi retak tegang mempermudah pembacaan cepat jika dibandingkan dengan proses analog. Daftar Referensi [1] Budiharto,Widodo dan Sigit Firmansyah Elektronika digital dan Mikroprosessor. Yogyakarta: Andi Publisher. [2] Budiharto, Widodo Interfacing Komputer dan Mikrokontroller. Jakarta: PT.Elex Media Komputindo. [3] M. Alyousif, Osama and Rokuro Nishimura The effect of test temperature on SCC behavior of austenitic stainless steels in boiling saturated magnesium chloride solution. Corrosion Science, 48: [4] Ogata, Katsuhiko. Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan Jilid 1). Penerbit Erlangga: Jakarta. [5] Pakpahan, S Kontrol Otomatik. Penerbit Erlangga: Jakarta. [6] Mila, Rusdiana. dkk. Rancang Bangun Alat Ukur Tegangan Permukaan Zat Cair dengan Menggunakan Sensor LVDT (Linear Variabel Differential Transformer). Malang: Universitas Negeri Malang. [7] Datasheet LVDT sensor Series 350. TRANS-TEK Incorporated. [8] Datasheet EasyADC. MikroElektronika: Software and Hardware Solutions for Embedded World. [9] Masria, Pane. dkk. Pembuatan Signal Conditioning untuk Sensor LVDT (Linear Variable Differential Transformer). FMIPA USU. PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI

10 198 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014