Bahan ajar mata kuliah
TEKNOLOGI PENCEGAHAN KOROSI
Wahyu Budi Utomo
JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG MAKASSAR, 2008
i
LEMBAR PENGESAHAN
Mata Kuliah
: Teknologi Pencegahan Korosi
Kode
:
Dosen Penyusun : Wahyu Budi Utomo, MSc
Buku ajar ini telah diperiksa dan disetujui untuk digunakan sebagai bahan kuliah bagi mahasiswa Politeknik Negeri Ujung Pandang Menyetujui Ketua Unit P3AI
Ketua Jurusan Teknik Kimia,
B a h r i, SE, Msi NIP: 132052853
Ir. Swastanti Brotowati, MSi NIP: 131 856648 Mengetahui/Menyetujui Pembantu Direktur I
Ir. Muhammad Anshar, MSi NIP: 131 856 651
ii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT oleh karena atas limpahan rahmad dan hidayahNya sehingga bahan ajar mata kuliah Teknologi Pencegahan Korosi ini dapat terselesaikan sesuai waktu yang telah ditentukan. Bahan ajar ini disusun berdasarkan kurikulum pada program studi Teknik Kimia Politeknik Negeri Ujung Pandang. Kami sadari bahwa bahan ajar ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran sangat diharapkan demi perbaikan di masa yang akan datang. Atas bantuan semua pihak dalam penyelesaian bahan ajar ini tak lupa kami ucapkan terima kasih. Semoga bahan ajar ini dapat bermanfaan bagi semua pihak.
Makassar, September 2008
Penyusun
iii
DAFTAR ISI BAB I Prinsip Dasar Korosi 1. Definisi 2. Karakter Elektrokimia Korosi 3. Jenis Korosi BAB II Potensial Elektroda 1. Potensial elektroda 2. Diagram Potensial/pH 3. Pengukuran Potensial BAB III Kinetika Korosi 1. Hukum Faraday 2. Exchange Current Density 3. Polarisasi Elektrokimia 4. Polarisasi Konsentrasi BAB IV Dasar Proteksi Katodik 1. Konsep Dasar Proteksi Katodik 2. Potensial Proteksi 3. Kriteria Proteksi Katodik BAB V Aplikasi Proteksi Katodik 1. Struktur yang Dapat Diproteksi 2. Sistem Anoda Korban dan Arus Tanding 3. Keperluan Arus Proteksi 4. Rancang Bangun Proteksi Katodik BAB VI Rancang Bangun Sistem Anoda Korban 1. Contoh Rancang Bangun 2. Keperluan Arus Proteksi 3. Tipe, Berat dan Jumlah Anoda 4. Keluaran Arus Anoda 5. Pemasangan 6. Pengujian BAB VII Rancang Bangun Sistem Arus Tanding
iv
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL KONTRAK PERKULIAHAN BAB I. PRINSIP DASAR KOROSI 1.1 Pendahuluan 1.2 Penyajian 1.3 Penutup BAB II POTENSIAL ELEKTRODA 2.1 Pendahuluan 2.2 Penyajian 2.3 Penutup BAB III KINETIKA KOROSI 3.1 Pendahuluan 3.2 Penyajian 1. Hukum Faraday 2. Polarisasi Elektrokimia 3.3 Penutup BAB IV. DASAR PROTEKSI KATODIK 4.1 Pendahuluan 4.2 Penyajian 1. Konsep Dasar Proteksi Katodik 2. Potensial Proteksi BAB V. APLIKASI PROTEKSI KATODIK 4.1 Pendahuluan 4.2 Penyajian 1. Struktur yang Dapat Diproteksi Katodik 2. Sistem Anoda Korban vs Arus Tanding 3. Keperluan Arus Proteksi 4. Rancang Bangun Proteksi Katodik BAB VI. RANCANG BANGUN SISTEM ANODA KORBAN 6.1 Pendahuluan 6.2 Penyajian 1. Contoh Rancang Bangun 2. Keperluan Arus Proteksi 3. Tipe Berat dan Jumlah Anoda Mg 4. Keluaran Arus Anoda 5. Pemasangan 6. Pengujian BAB VII. RANCANG BANGUN SISTEM ARUS TANDING 7.1 Pendahuluan 7.2 Penyajian 1. Proteksi Katodik dengan Sistem Arus Tanding 2. Perhitungan-perhitungan v
i ii iii iv
1 1 1 10 13 13 13 22 25 25 25 26 27 32 34 34 34 35 36 41 41 42 42 43 44 48 51 51 52 52 53 53 55 57 58 67 67 67 67 69
7.3 Penutup
74
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Ilustrasi Proses Korosi
4
Gamabr 1.2. Korosi Merata
5
Gambar 1.3. Korosi Galvanik
5
Gambar 1.4. Korosi Celah
6
Gambar 1.5. Korosi Sumuran (Pitting Corrossion)
7
Gambar 1.6. Korosi Rek Tegang (Stress Corrossion Cracking)
7
Gambar 1.7. Kerusakan oleh Hidrogen (Hydrogen Embritlement)
8
Gambar 1.8. Korosi Antar Butir (Intergranullar Corrossion)
9
Gambar 2.1 Struktur permukaan elektroda ekivalen kapasitor listrik.
13
Gambar 2.2 Diagram potensial/pH Kesetimbangan Air
17
Gambar 2.3 Diagram Pourbaix untuk aluminium dan besi
19
Gambar 3.1 Potensial Korosi Logam
27
Gambar 3.2 Overpotensial Aktivasi atau Tavel Plot.
28
Gambar 3.3 Pasivity
29
Gambar 3.4 Distribusi Konsentrasi H+ Pada Permukaan Logam
29
Gambar 4.1 Logam Terkorosi
34
Gambar 4.2 Prinsip Proteksi Katodik
35
Gambar 4.3 Potensial Korosi Logam
36
Gambar 4.4 Potensial Proteksi
37
Gambar 4.5 Urutan nilai poytensial elektroda pembanding
38
Gambar 6.1 Pemasangan Anoda Mg
57
Gambar 6.2 Sketsa pemasangan anoda dengan jarak ~110 m (non-skala) 58 Gambar 6.3 Pemasangan kabel pada anoda dengan kotak uji
vi
59
BAB I PRINSIP DASAR KOROSI 1.1
Pendahuluan Deskripsi singkat. Pada sesi peretemuan ini diharapkan mahasiswa dapat menerangkan tentang kerugian yang diakibatkan oleh korosi, definisi korosi, karakteristik elektrokimia korosi, dan jenis-jenis korosi. Relevansi. Berbagai jenis korosi terjadi di sekitar lingkungan tanpa disadari telah mengakibatkan kerugian sangat besar. Bab ini Sangay relevan dengan mata kuliah teknologi nimia karena korosi juga terjadi di lingkungan industri dan satuan-satuan opereasi teknik kimia. Setelah mengikuti matakuliah ini mahasiswa dapat menjelaskan tentang dasar-dasar korosi, definisi, jenis korosi,
1.2
Penyajian Korosi terjadi di banyak bagian dari kehidupan manusia, kendaraan, alat rumah tangga, industri, pesawat terbang, struktur jembatan, baja beton semua mengalami korosi dan biaya mahal untuk mencegah. Korosi merupakan pemborosan biaya. Untuk menghasilkan logam, diperlukan biaya besar. Oleh karena itu kerusakan logam adalah suatu kehilangan biaya. Lebih-lebih kalau logam tersebut belum melakukan fungsinya dalam melayani manusia.
Hal
seperti ini banyak dialami di Indonesia (konstruksi yang dibangun tetapi tidak bekerja). Berdasarkan penelitian-penelitian Biaya korosi Indonesia diperkirakan ~ 2 milyar dolar / th.(1996). Biaya korosi dapat dihemat 20 - 25 % bila teknologi anti korosi diterapkan dengan benar.
1
Di Indonesia, ditinjau dari segi penerapan teknologi anti korosi yang dapat dikatakan masih belum memadai, penghematan lebih dari 25 % mungkin dapat dicapai. Bila dianggap 25% dapat dihemat, ini berarti : 25 % x $ 2.000.000.000 = $ 500.000.000 per tahun Oleh karena itu setiap usaha pengendalian korosi seharusnya digalakkan dan didukung. Usaha ini dapat dilakukan melalui : Pendidikan, Kursus, Workshop, Seminar, Pelatihan dll. Kerugian dapat pula bersumber dari; Plant down Time. Kerugian karena penghentian produksi jauh lebih besar dari pada kerugian karena penggantian alat yang terkorosi. Loss of Product. Kebocoran tangki dan pipa sangat merugikan dan biaya besar. Kebocoran dan tumpahan juga berbahaya bagi lingkungan dan masyarakat. Banyak kebocoran tangki bahan bakar harus diperbaiki untuk mencegah kejadian berulang dan mencegah pencemaran. Loss of Efficiency. Akumulasi produk corosi di dalam perpipaan menurunkan efisiensi pertukaran panas dan menurunkan kapasitas pompa. Contaminasi. Produk korosi yang dapat larut bias mencemari proses produksi. Korosi pipa air melepas produk korosi mencemari air konsumsi masyarakat. Overdesign. Tanpa adanya informasi laju korosi, overdesign diperlukan untuk menjamin usia pabrik, akibatnya pemborosan material dan membutuhkan daya lebih besar untuk penggerak bagian-bagian bergerak dalam pabrik. Kadang para engineer mengabaikan informasi korosi yang telah tersedia.
2
1. Definisi Korosi adalah dampak destructive suatu reaksi kimia antara logam atau alloy dengan lingkungan. Sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengekstrak logam dari mineralnya dilepaskan pada reaksi kimia korosi. Korosi mengembalikan logam ke keadaannya di dalam senyawa kimia yang sama bahkan identik dengan mineral asal logam tersebut. Jadi Korosi juga disebut sebagai reaksi balik dari metalurgi ekstractif. Banyak ion non-logam, seperti keramik, terdiri atas logam yang memiliki formasi ikatan dengan ion-ion reaktif lain seperti oksida dan silikat bersifat tidak reaktif. Begitu pula polimer juga tidak reaktif karena ikatan kovalen sangat stabil. Degradasi material semacam ini oleh suhu atau keausan mekanis tidak termasuk korosi.
2. Karakter Elektrokimia Korosi Aqueous Reaksi korosi melibatkan perpindahan muatan elektronik dalam larutan aqueous. Reaksi Elektrokimia. Korosi antara Seng dan asam klorida disimbolkan dengan raksi overall berikut ini; Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2
[1-1]
Seng berreaksi dengan larutan asam membentuk seng klorida dan melepaskan hydrogen di permukaan. Reaksi seperti ini dipakai untuk pembersihan permukaan dan acid pickling untuk logam dan alloy. Dalam bentuk ionic, reaksi adalah; Zn + 2H+ + 2Cl- Zn2+ + 2Cl- + H2 Hilangkan 2Cl- di kanan dan kiri reaksi, menjadi Zn + 2H+ Zn2+ + H2
[1-2]
Reaksi [2] dapat dipisah sbb; Zn Zn2+ + 2e-
reaksi anodik
3
[1-3]
2H+ + 2e- H2
e e e
K
reaksi katodik
H+ H+ H+
[1-4]
H2
H+
A
++ M ++ M M++
Gambar 1.1 Ilustrasi Proses Korosi
Jika electron disuplai dari sumber luar ke logam, laju korosi atau reaksi anodic [3] menurun, sedangkan laju reaksi pelepasan hydrogen [4] meningkat. Pemberian potensial negative pada logam selalu menurunkan laju korosi. Ini adalah dasar PROTEKSI KATODIK untuk perpipaan, instalasi pengeboran minyak, bangunan dan tangki bawah tanah. Secara umum REAKSI ANODIK adalah sbb; M Mn+ + ne-
[-5]
Sedangkan REAKSI KATODIK biasanya melibatkan; reduksi ion hydrogen [4] dalam larutan asam, 2H+ + 2e- H2 reduksi ion yang telah teroksidasi, contoh reduksi oin ferric menjadi ferrous, Fe3+ + e- Fe2+ Reduksi oksigen terlarut, O2 + 2H2O + 4e- 4OHReduksi air, 2H2O + 4e- H2 + 2H2O 4
3. Jenis Korosi Korosi merata. (Uniform Corrosion) Pelepasan logam dari permukaan secara merata sangat biasa terjadi. Korosi jenis ini terjadi jika logam punya komposisi seragam, lingkungan seragam. Serangan korosi bentuk ini merata di seluruh permukaan, yang mudah sekali dilihat, dan mudah juga menentukan umur suatu logam yang terkorosi merata.
KOROSI MERATA
Gamabr 1.2. Korosi merata Korosi Galvanik (Galvanic Corrosion) Bila dua logam beda jenis bersambungan di lingkungan elektrolit korosif, salah satu logam akan terkorosi dan yang lain terlindungi dari korosi. Logam akan terkorosi bila bersambungan dengan logam lain yang punya potensial lebih positif.
Cu
Fe
KOROSI KOROSI GALVANIK GALVANIK
Gambar 1.3. Korosi Galvanik 5
Korosi celah (Crevise Corrosion) Korosi celah adalah korosi yang terjadi pada celah-celah. Pada dasarnya korosi ini terjadi karena perbedaan konsentrasi oksigen antara daerah-daerah yang berbeda dalam atau mengandung elektrolit. Seperti kita ketahui, adanya kandungan oksigen akan memungkinkan reaksi katodik : O2 + 2H2O + 4e
(4OH-). Pada suatu celah,
bagian yang langsung berhubungan dengan udara akan mempunyai konsentrasi oksigen yang lebih tinggi dan daerah ini bersifat katodik. Bagian sebelah dalam yang bersifat lebih anodik akan terkorosi.
O2
Gambar 1.4. Korosi Celah Korosi sumur. (Pitting Corrosion) Korosi bentuk sumur terjadi karena suatu serangan yang intensif setempat. Sumursumur tadi dapat berdekatan atau terpisah jauh. Korosi tipe ini biasanya terjadi dalam lingkungan tertentu, misalnya, air yang mengandung klorida, larutan yang mengandung ion-ion Fe3+ dan Cu2+ dan klorida, dan bakteri pereduksi sulfat. Korosi sumur cenderung terbentuk dalam air tenang, dan sumuran terjadi karena ada proses otokatalitik.
6
KOROSI KOROSI SUMURAN SUMURAN
Gamabar 1.5. Korosi Sumuran (Pitting Corrossion) Korosi Retak Tegang (Stress Corrosion Craking) Korosi tipe ini merupakan hasil aksi gabungan antara tegangan tarik dan lingkungan korosif. Kegagalan yang disebabkan oleh korosi tipe ini biasanya mendadak dan parah. Korosi retak tegang adalah korosi yang terjadi dari aksi gabungan antara lingkungan korosif dan tegangan statis. Tegangan ini dapat berupa tegangan dalam (sisa) atau tegangan dari luar. Awal retakan di permukaan dapat dimulai dari suatu korosi sumur yang kemudian berkembang. Karakteristik dari retakannya adalah berawal dari satu titik kemudian makin ke dalam makin bercabang. Sifat lain dari korosi tipe ini adalah bahwa suatu paduan logam tertentu terkorosi dalam lingkungan tertentu yang spesifik. Misalnya paduan tembaga terkorosi tipe ini dalam lingkungan amonia, baja karbon dalam larutan alkalis, baja tahan karat dan paduan aluminium dalam air laut atau yang mengandung klorida.
KOROSI TEGANGAN (SCC)
SEBANBYA ADALAH ADANYA TEGANGAN STATIK & LINGKUNGAN KOROSIF YANG BERSIFAT SPESIFIK
7
Gambar 1.6. Korosi Rek Tegang (Stress Corrossion Cracking) Kerusakan oleh hydrogen (Hydrogen Embritlement) Bentuk korosi tipe lain adalah “hydrogen embrittlement” (perapuhan hidrogen), dimana atom hidrogen disini tidak menbentuk gas H2, melainkan tetap sebagai atom yang menempatkan diri di daerah-daerah dislokasi, dan menyebabkan logam menjadi rapuh. Atom hidrogen yang masuk ke dalam logam dan membentuk gas H2 atau dalam baja mungkin CH4 dapat menimbulkan retakan karena tekanan gas tersebut makin besar, atau sebagai akibat tekanan yang berasal dari luar. Kehadiran As, Se, Ti, Bi, S dan Sb dalam baja akan menghambat reaksi : H + H (H 2 pada permukaan logam, dan hal ini akan memperbesar peluang penetrasi hidrogen atom ke dalam logam. Dalam lingkungan sulfida, S= juga dapat menghambat reaksi tersebut di atas, dan dapat menimbulkan “peretakan hidrogen” dalam baja.
H+
H+ H e
H
H
H2
H
H e H2
Gambar 1.7. Kerusakan oleh Hidrogen (Hydrogen Embritlement) Korosi antar butir (Intergranular Corrosion) Korosi tipe ini serangannya mengikuti batas butir (kristal). Dalam kondisi normal, batas butir sedikitlebih bersifat anodik, dari pada lainnya, dan korosi yang terjadi tipe 8
merata. Tetapi karena suatu perlakuan terhadap paduan, di batas butis dapat tercipta daerah-daerah anodik dan katodik, sehingga terjadilah serangan korosi di batas butir. Sebagai contoh baja tahan karat austenitik yang mengalami sensitisasi antara suhu 400 –8500oC akan terserang korosi antar butir. Karbida krom (Cr23C6) cenderung akan terendapkan sepanjang batas butir, dan matriks didekatnya akan kekurangan krom menjadi seperti baja karbon biasa, yang bersifat lebih anodik dan akan terkorosi dalam lingkungan klorida atau asam. Korosi antar butir dapat pula terjadi pada paduan aluminium, yang serangannya sejajar dengan permukaan, terkenal dengan istilah “eksfoliasi”.Pengendalian korosi tipe ini adalah dengan jalan menghindarkan terjadinya endapan-endapan dibatas butir.
KOROSI ANTAR BUTIR
Gambar 1.8. Korosi Antar Butir (Intergranullar Corrossion) Korosi erosi (Erosion Corrosion) Tipe korosi ini merupakan akibat dari lingkungan korosif dan adanya gesekan, benturan, atau aliran fluida. Jenis-jenis korosi ini adalah korosi erosi, korosi kavitasi, korosi gesekan, korosi benturan. Korosi erosi terjadi dalam fluida yang mengalir. Karena adanya aliran, produk korosi terenyahkan dari permukaan, permukaan tidak rata lagi dan terjadi turbulensi yang cenderung menyebabkan serangan korosi lokal, seperti misalnya pada daerah-daerah las. Permukaan yang terkorosi biasanya mengkilap dan bentuknya “undercut pit”. Paduan yang membentuk lapisan pasif dapat terserang korosi erosi. Korosi tipe ini biasa dialami pada belokan, pompa, kran, baling-baling, dan sebagainya. Serangan makin parah bila fluida mengandung partikel padatan.
9
1.3
Penutup Kesimpulan Korosi adalah dampak destructive suatu reaksi kimia antara logam atau alloy dengan lingkungan. Keaksi kimia korosi bersifat eksotermik karena melepas sejumlah energi. Reaksi korosi melibatkan perpindahan muatan elektronik dalam larutan aqueous. Suplai elektron ke logam menurunkan laju korosi atau reaksi anodic sedangkan laju reaksi pelepasan hydrogen meningkat. Pemberian potensial negative pada logam yang menurunkan laju korosi adalah dasar PROTEKSI KATODIK. REAKSI ANODIK ; M Mn+ + neREAKSI KATODIK; reduksi ion hydrogen dalam larutan asam, 2H+ + 2e- H2 reduksi ion yang telah teroksidasi, contoh reduksi oin ferric menjadi ferrous, Fe3+ + e- Fe2+ Reduksi oksigen terlarut, O2 + 2H2O + 4e- 4OHReduksi air, 2H2O + 4e- H2 + 2H2O Jenis korosi antara lain korosi merata (Uniform Corrosion), Korosi Galvanik (Galvanic Corrosion), Korosi celah (Crevise Corrosion), Korosi sumur. (Pitting Corrosion), Korosi Retak Tegang (Stress Corrosion Craking), Kerusakan oleh hydrogen (Hydrogen Embritlement), Korosi antar butir (Intergranular Corrosion) dan Korosi erosi (Erosion Corrosion).
Contoh Soal 1. Jelaskan kerugian yang dapat ditimbulkan oleh korosi secara langsung maupun secara tak langsung. Korosi menyebabkan kerusakan terhadap struktur bangunan, jembatan dan sejenisnya.
10
Secara tak langsung berupa Plant down Time, Loss of Product, Loss of Efficiency, Contamination, Overdesign. 2. Definisi korosi Korosi adalah dampak destructive suatu reaksi kimia antara logam atau alloy dengan lingkungan. Korosi juga disebut sebagai reaksi balik dari metalurgi ekstractif. 3. Jelaskan reaksi yang terjadi pada proses korosi Reaksi Anodik adalah oksidasi logam menjadi ion logam dalam larutan M Mn+ + neSedangkan salah satu REAKSI KATODIK adalah reduksi ion hydrogen dalam larutan asam, 2H+ + 2e- H2
Test/Umpan balik 1. Jelaskan definisi korosi 2. Jelaskan mengapa degradasi bahan organic tidak digolongkan sebagai korosi 3. Jelaskan yang dimaksud dengan kerugian akibat korosi karena overdesign. 4. Dasar proteksi katodik adalah 5. Gambarkan alur proton dan elektron pada permukaan logam besi yang terkorosi.
11
BAB II POTENSIAL ELEKTRODA 2.1 Pendahuluan - Deskripsi singkat/gambaran umum. Dalam bab ini akan dijelaskan tetang perubahan energi yang terjadi di dalam reaksi elektrokimia korosi. Perubahan energi yang terukur sebagai beda potensial ini menyebabkan daya dorong (driving force) dan merupakan kendali arah reaksi kimia. - Relenvasi. Dari besaran potensial, arah reaksi korosi dapat diketahui sehingga korosi dapat diprediksi. - TIK Setelah mengikuti mata kuliah pada bab ini mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan tentang potensial elektroda, pengaruh konsentrasi terhadap potensial elektroda, menjelaskan diagram potensial logam dan dapat mengukur potensial elektroda. 2.2 Penyajian Pengantar Korosi di dalam larutan aqueous melibatkan perpindahan elektron. Perubahan potensial elektrokimia atau aktivitas elektron pada permukaan logam sangat berpengaruh pada laju reaksi korosi, sehingga reaksi korosi dapat disebut sebagai bersifat elektrokimia. Termodinamika reaksi korosi dapat memberi pengertian tentang perubahan energi yang terjadi dalam reaksi elektrokimia korosi. Sedangkan perubahan energi pada reaksi elektrokimia tersebut terukur sebagai potensial elektroda.
12
Isi Materi 1. Potensial Elektroda Logam konduktor yang mengandung elektron bergerak membentuk antar muka kompleks (complex interface) yang bersentuhan dengan larutan aqueous. Molekul H2O polar taksimetri tertarik ke permukaan konduktif sehingga membentuk lapisan terarah yang menghambat spesies dari larutan untuk mendekat ke permukaan logam. Ion bermuatan juga menarik molekul air yang polar sehingga semakin menghambat permukaan. Lapisan ion positif yang terdekat ke permukaan logam yang bermuatan negatif biasa disebut dengan Outer Helmholtz Plane dan lapisan ini membentuk electrical double layer dan bersifat seperti kapasitor. Medan listrik struktur double layer ini menghambat perpindahan muatan listrik dan membatasi reaksi kimia permukaan.
Gambar 2.1 Struktur permukaan elektroda ekivalen kapasitor listrik.
13
Reaksi korosi logam di dalam air melibatkan perpindahan muatan dan perubahan potensial di permukaan merubah laju korosi. Jadi reaksi korosi adalah peristiwa elektrokimia. Sebagai contoh dalam reaksi korosi seng, Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2 Terjadi perubahan energi, ∆G = -nFE (reaksi spontan) n = jumlah electron, F = Konstanta Faraday 96.500 c/eq, ∆G = Perubahan energi; E = Potensial Sel Zn Zn2+ + 2e-
reaksi anodik
Ea
2H+ + 2e- H2
reaksi katodik
Ec
Ea dan Ec adalah potensial setengah reaksi. Esel = Ea + Ec Jika keadaan standar ditetapkan, maka Ea dan Ec menjadi potensial standar setengah reaksi Eao dan Eco . Daftar reaksi setengah sel untuk korosi dinyatakan dalam bentuk reaksi reduksi dengan arah kiri ke kanan (Stockholm Convention 1953) Logam bernilai potensial positifi (+) lebih stabil (tak reaktif) sedangkan yang berpotensial negatif (–) bersifat reaktif. Potensial absolut setengah reaksi tidak dapat diukur secara praktek, namun hanya potensial relatif terhadap referensi primer, yaitu reaksi setengah hidrogen pada kondisi standart yang ditetapkan potensial nol, walaupun sesungguhnya potensial setengah sel hidrogen tidak bernilai nol. Potensial logam lain diukur relatif terhadap hidrogen.
14
Tabel 2.1. Potensial Standar (Potensial Standar Reduksi)
Secara umum reaksi setengah sel; aA + mH+ +ne- = bB + dH2O
15
Semua reaksi korosi mengalami pergeseran keadaan dari keadaan standart, pergeseran keadaan dari standar tersebut dapat diprediksi menggunakan persamaan NERNST.
∆G − ∆G 0 = RT ln
( B) b ( H 2 O) d ( A) a ( H + ) m
[2-1]
Atau
E = E0 −
RT ( B ) b ( H 2 O) d ln nF ( A) a ( H + ) m
karena
∆G = −nFE dan ∆G 0 = −nFE 0
Nernst Equation
E = E0 +
2,3RT ( A) a ( H + ) m log nF ( B ) b ( H 2 O) d
[2-2]
Persamaan ini menunjukkan bahwa potensial setengah sel menjadi lebih positif (noble) jika aktivitas spesies yang teroksidasi meningkat, (A) dan (H+) meningkat. Aktivitas untuk larutan korosif yang relatif encer dapat dinyatankan dalam konsentrasi dengan satuan gram ekivalen per liter. Aktivitas suatu larutan dinyatakan dengan ( A) = f .C A Dimana, f = koefisien aktifitas
E = Eo +
0,059 ( A) a m log − 0,059 pH n ( B) b n
[2-3]
2. Diagram Potensial/pH (Pourbaix) Diagram potensial/pH adalah suatu peta yang memperlihatkan kondisi daya pengoksidasi larutan (potensial) dan keasaman (pH) untuk berbagai fasa yang stabil di dalam system elektrokimia aqueous. Garis-garis batas di dalam diagram yang memisahkan area kestabilan dihitung dari persamaan Nernst. Diagram ini banyak kegunaannya termasuk untuk fuel cell, batere, elektroplating, metalurgi dan korosi.
16
Diagram potensial/pH memperlihatkan reaksi dan produk reaksi yang terjadi jika kesetimbangan telah tercapai. Dengan diagram potensial/pH ini kondisi termodinamik korosi dapat diketahui sehingga potensial atau pH dapat diatur untuk mencegah korosi secara termodinamik.
Gambar 2.2 Diagram potensial/pH Kesetimbangan Air Kesetimbangan antara gas hidrogen dan larutan asam: 2H+ + 2e- H2
[2-4]
Reaksi ekivalen dengan reaksi tersebut diatas di dalam larutan netral atau alkali adalah 2H2O + 2e- H2 + 2OH-
Maka,
{a}
E H + / H = E 0 H + / H 2 − 0,059 pH 2
adalah keterkaitan pH terhadap potensial
elektroda setengah sel.. Reaksi [a] memperlihatkan bahwa pelepasan hidrogen adalah akibat dekomposisi air. Pada potensial lebih negatif (lebih aktif) dari potensial setengah reaksi, E H + / H 2 maka hidrogen akan dilepaskan dan air menjadi tidak stabil secara termodinamik. Artinya semua air pada sistem tersebut akan terurai secara
17
perlahan. Dalam larutan asam, H+ akan dikonsumsi oleh reaksi 4 sampai pH meningkat dan air akan terurai langsung menjadi gas hidrogen. Garis {a} pada diagram diatas menunjukkan bahwa air tidak stabil dan akan terurai menjadi H 2. Diatas garis {a}air bersifat stabil dan bila ada gas H 2 akan teroksidasi menjadi H+ atau H2O. Pada saat potensial menjadi lebih positif (nobel) akan terjadi reaksi lain yang melibatkan air, O2 + 2H2O + 4e 4 OH-
{b}
Maka persamaan Nernst untuk reaksi tersebut adalah,
Pada pH=0,
EO2 / H 2O = E 0 O2 / H 2O − 0,059 pH
E 0 O2 / H 2O = 1,226V pada diagram tergambar garis {b}. Jika potensial
lebih positif (noble) dari E O2 / H 2O pada semua nilai pH, air menjadi tidak stabil dan ter oksidasi menjadi O2. Dibawah nilai potensial tersebut air menjadi stabil dan oksigen terlarut akan direduksi menjadi air.
3. Diagram Pourbaix untuk logam terkorosi Diagram Pourbaix untuk korosi logam ditandai dengan area pasif, korosi dan imun, namun laju korosi logam tidak dapat diprediksi dari diagram ini. Korosi bisa terjadi di area diagram Pourbaix dimana ion logam terlarut bersifat stabil. Logam menjadi pasif di area dimana oksida bersifat stabil. Di area dimana hanya logam tereduksi bersifat stabil maka logam disebut imun. Berikut ini adalah diagram Pourbaix untuk aluminium dan besi.
18
19
Gambar 2.3. Diagram Pourbaix untuk aluminium (a) dan besi (b).
Oksida aluminium larut pada pH rendah dan tinggi. Al3+ stabil pada pH rendah, AlO2stabil pada pH tinggi, dan oksida Al2O3 stabil pada pH pertengahan. Pada potensial rendah logam aluminium imun terhadap korosi. Laju korosi aluminium sangat rendah karena hambatan kinetik, walaupun driving force untuk reaksi korosi besar. Di wilayah oksida stabil, logam menjadi bersifat pasif. Pasivitas adalah karakter ketahanan korosi yang disebabkan oleh lapisan permukaan protektif walaupun secara termodinamik memungkinkan terjadi korosi. Korosi akan terjadi bilamana ion solubel bersifat stabil. Di wilayah dimana logam besifat stabil berarti logam imun atau tahan korosi. Logam besi hampir sama dengan aluminium bahwa oksida protektif terbentuk pada larutan mendekati netral. Namun area kestabilan oksida lebih lebar pada pH tinggi dan besi sangat lebih tahan korosi pada larutan alkali. Penyebab ketahanan korosi besi adalah potensial elektroda setengah sel untuk reaksi pelarutan anodik lebih positif (nobel) sehingga menurunkan driving force untuk reaksi korosi. Secara umum logam M berreaksi secara anodik dalam air sbb; teroksidasi menjadi kation aqueous, M = Mn+ + neMenjadi logam hidroksida atau oksida, M + nH2O = M(OH)n + nH+ + neMenjadi anion aqueous, M + nH2O = MOnn+ + 2nH+ + ne-
20
Ketiga reaksi tersebut adalah dasar yang digunakan untuk menyusun diagram Pourbaix untuk aluminium dan besi.
2.3
Penutup Kesimpulan Lapisan ion positif yang terdekat ke permukaan logam yang bermuatan negatif biasa disebut dengan Outer Helmholtz Plane dan lapisan ini membentuk electrical double layer dan bersifat seperti kapasitor. Medan listrik struktur double layer ini menghambat perpindahan muatan listrik dan membatasi reaksi kimia permukaan. Reaksi korosi adalah peristiwa elektrokimia karena reaksi korosi logam di dalam air melibatkan perpindahan muatan dan perubahan potensial di permukaan merubah laju korosi. Semua reaksi korosi mengalami pergeseran keadaan dari keadaan standart, pergeseran keadaan dari standar tersebut dapat diprediksi menggunakan persamaan NERNST.
E = E0 −
RT ( B ) b ( H 2 O) d ln nF ( A) a ( H + ) m
atau E = Eo +
0,059 ( A) a m log − 0,059 pH n ( B) b n
Diagram potensial/pH adalah suatu peta yang memperlihatkan kondisi daya pengoksidasi larutan (potensial) dan keasaman (pH) untuk berbagai fasa yang stabil di dalam system elektrokimia aqueous. Dengan diagram potensial/pH ini kondisi termodinamik korosi dapat diketahui sehingga potensial atau pH dapat diatur untuk mencegah korosi secara termodinamik.
21
Diagram Pourbaix untuk korosi logam ditandai dengan area pasif, korosi dan imun, namun laju korosi logam tidak dapat diprediksi dari diagram ini. Korosi bisa terjadi di area diagram Pourbaix dimana ion metal solubel bersifat stabil. Logam menjadi pasif di area dimana oksida bersifat stabil. Di area dimana hanya metal erreduksi bersifat stabil maka logam sebut imun.
Contoh soal 1. Jelaskan bagaimana proses pembentukan elektrical doubel layer pada permukaan logam. Electrical double layer terbentuk dengan adanya lapisan ion positif yang berada di dekat ke permukaan logam yang bermuatan negatif yang disebut dengan Outer Helmholtz Plane dan bersifat seperti kapasitor. Medan listrik struktur double layer ini menghambat perpindahan muatan listrik dan membatasi reaksi kimia permukaan. Berikut adalah gambar diagram electrical doubel layer.
22
2. Tuliskan reaksi umum yang terjadi terhadap logam M yang terkorosi di dalam air yang digunakan sebagai dasar penyusunan diagram Pourbaix. Secara umum logam M berreaksi secara anodik dalam air sbb; teroksidasi menjadi kation aqueous, M = Mn+ + neMenjadi logam hidroksida atau oksida, M + nH2O = M(OH)n + nH+ + neMenjadi anion aqueous, M + nH2O = MOnn+ + 2nH+ + ne-
Umpan balik 1. Hitung nilai 2,303RT/F pada suhu 40oC 2. Dengan asumsi keadaan standar untuk reaksi dan produk, tentukan arah reaksi berikut ini dengan menghitung potensial sel a. Cu + 2HCl = CuCl2 + H2 b. Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 c. 2AgNO3 + Fe = Fe(NO3)2 + 2Ag d. Ag + FeCl3 = FeCl2 + AgCl 3. Besi di dalam larutan NaCL pH = 1 memperlihatkan potensial +0,2 V Vs SHE. Reaksi anodik dan katodik apa saja yang kemungkinan terjadi. Asumsi diagram Pourbaix besi berlaku pada reaksi tersebut.
23
24
BAB III KINETIKA KOROSI 3.1 Pendahuluan - Deskripsi singkat/gambaran umum. Dalam bab ini akan dijelaskan tetang kondisi-kondisi lingkungan yang memungkinkan untuk reaksi korosi dapat terjadi, laju korosi, hukum dasar kinetika reaksi elektrokimia. - Relenvasi. Topik pada bab ini sangat relevan dengan kebutuhan bahan logam tahan korosi untuk pengembangan teknologi baru seperti pesawat terbang, mobil, pembangkit energi dan manufaktur. - TIK Setelah mengikuti mata kuliah pada bab ini mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan tentang termodinamik lingkungan yang mempengaruhi reaksi korosi, menghitung laju korosi, menjelaskan hukum dasar kinetik elektrokimia. 3.2 Penyajian Pengantar Korosi secara termodinamik dapat terjadi pada segala jenis kondisi lingkungan. Kebutuhan teknologi baru terhadap kondisi suhu tinggi, tekanan tinggi, kecepatan tinggi, konsentrasi tinggi maka laju korosi menjadi semakin meningkat. Korosi di dalam larutan aqueous ditentukan utamanya oleh reaksi-reaksi elektrokimia. Pemahaman tentang hukum dasar kinetik elektrokimia diperlukan untuk meningkatkan metode perlindungan terhadap korosi.
]
25
1. Hukum Faraday Reaksi elektrokimia mengkonsumsi elektron atau memproduksi elektron sehingga laju aliran elektron ke atau dari antarfasa adalah ukuran laju reaksi. Arus elektron atau arus listrik, I satuam anpere = 1 coloum(6,2 x 1018 elektron)/detik Sedangkan proporsionalitas antara arus, I dengan massa yang berreaksi, m dinyatakan dengan Hukum Faraday, m=
a I .t x n F
[3-1]
F adalah konstanta Faraday (96.500 coulombs/equivalent) n jumlah equivalent berreaksi a berat atom t waktu laju korosi, r
r=
m Ita = tA AnF
atau
r=
m ia = tA nF
dimana i adalah kerapatan arus =
[mg/dm2.hari]
[3-2]
I A
Laju korosi biasa juga dinyatakan dalam satuan mpy [mills (0,001 inc) per year] Dengan membagi persamaan [2] dengan densitas logam, D.
r = 0,129
ia nD
(mpy)
disebut laju penetrasi per satuan waktu
Untuk reaksi 2H+ + 2e- H2
pada porensial redoks standar,
[3-3]
e 0 H + / H 2 reaksi ini
berada pada keadaan kesetimbangan dimana laju arah kanan, r f sama dengan laju reaksi arah balik, rr
26
r f = rr =
i0 a nF
[3-4]
i0 adalah exchange current density ekivalen terhadap laju reversibel pada keadaan kesetimbangan. Sedangkan potensial setengah sel adalah karakteristik parameter termodinamik reaksi elektrokimia, sedangkan i0 adalah parameter kinetik dasar. Potensial elektroda dan exchange current density tidak bisa dihitung dengan prinsip pertama namun harus ditentukan secara eksperimental.
2. Polarisasi Elektrokimia Polarisasi, η adalah perubahan potensial, E – e dari potensial setengah sel kesetimbangan, e yang disebabkan oleh total laju reaksi permukaan untuk reaksi setengah sel. Untuk polarisasi katodik, ηc electron disuplai ke permukaan dan akumulasi pada permukaan logam karena laju reaksi yang lambat menyebabkan potensial, E menjadi lebih negative dari e. Reaksi anodik dan katodik pada proses korosi berlangsung dengan laju sangat kecil. Jika suplai electron berlebih diberikan pada reaksi katodik logam, permukaan logam akan sangat negative, maka hanya sebagian electron berreaksi. Keadaan ini disebut POLARISASI KATODIK. Polarisasi katodik menurunkan laju korosi. Untuk polarisasi anodik, elektron dipisahkan dari logam, kekurangan elektron menyebabkan kekurangan elektron perubahan potensial positif karena pelepasan elektron oleh permukaan menjadi lambat, dan ηa bernilai positif. Kekurangan electron akibat reaksi anodik menghasilkan potensial positif di permukaan disebut POLARISASI ANODIK. Polarisasi anodic meningkatkan laju korosi. Dalam larutan aqueous, permukaan akan mencapai potensial steady state, Ecorr, saat reaksi anodic dan katodik berlangsung. Kalau potensial meningkat dari Ecorr menjadi E, dan laju korosi meningkat. POLARISASI ANODIK didefinisikan; Ea = E – Ecorr
27
(+) E P O T E N S I A L
Ea Ecorr
(-) Laju Korosi Gambar 3.1. Potensial Korosi Logam Pada beberapa logam, termasuk besi, nikel, krom, titanium dan kobalt, laju korosi menurun drastis diatas potensial kritis, Ep. Keadaan seperti ini (korosi menurun, pada peningkatan potensial) disebut PASIVITY. Laju korosi pasif sangat kecil, disebabkan oleh pembentukan oksida tipis, protektif, yang berfungsi menghambat reaksi disolusi anodic.
Polarisasi Aktivasi Jika salah satu langkah (step) dalam reaksi setengah sel mengendalikan laju aliran muatan, maka reaksi tersebut berada pada keadaan aktivasi atau kendali perpindahan muatan, hasilnya adalah polarisasi aktivasi. 2H+ + 2e- H2 Hubungan antara polarisasi aktivasi atau overpotensial, η dan laju reaksi ditunjukikan oleh ia atau ic,
28
η a = β a log
ia i0
[3-5]
Untuk polarisasi anodik dan
η c = β c log
ia i0
[3-6]
Untuk anodic overpotensial, ηa bernilai positif dan βa juga positif. Untuk polarisasi katodik, ηc bernilai negatif dan βc juga negatif. βa dan βc adalah konstanta Tafel. Plot overpotensial ηac versus log i bersifat linier untuk polarisasi anodik dan katodik. Slope adalah konstanta Tafel bernilai ± 0,1 V. Untuk η = 0 maka i=i0 , jika potensial turun dibawah potensial standar setengah sel maka reaksi reduksi 2H + + 2e- H2
akan
berlangsung, sed angkan bila potensial naik diatas potensial standar setengah sel maka reaksi oksidasi H2 2H+ + 2e-.
Gambar 3.2. Overpotensial aktivasi atau Tavel Plot.
29
(+) P O T E N S I A L
Pasif Ecorr
Aktif (-) Laju Korosi Gambar 3.3. Pasivity Polarisasi Konsentrasi Pada laju tinggi, reaksi reduksi menurunkan konsentrasi spesies terlarut di dalam larutan. Konsentrasi H+ tergambar pada diagram berikut,
Gambar 3.4. Distribusi Konsentrasi H+ pada Permukaan Logam
30
Konsentrasi H+ dalam larutan di dekat permukaan yang terpengaruh polarisasi konsentrasi. CB adalah konsentrasi H+ pada larutan bulk, δ adalah ketebalan gradien konsentrasi dalam larutan. Potensial elektroda setengah sel e H + / H 2 larutan dekat permukaan dinyatakan dalam persamaan Nernst sebagai fungsi konsentrasi H + atau activity (H+).
e H + / H = e H0 + / H + 2
2
2,3RT (H + ) 2 log nF PH 2
[3-7]
Dari persamaan tersebut diatas terlihat bahwa potensial elektroda setengah-sel, e menurun sesuai penurunan (H+) dari permukaan. Penurunan potnsial seperti ini disebut dengan Polarisasi Konsentrasi, ηconc,
η conc =
i 2,3RT log 1 − c nF iL
[3-8]
i L adalah ukuran laju reaksi maksimum yang tidak dapat terlampaui karena
keterbatasan laju difusi H+ di dalam larutan. Polarisasi Gabungan Total Polarisasi Katodik, ηT .c adalah jumlah polarisasi aktivasi dan konsentrasi: ηT .c = ηact .c +ηconc
Dapat dijabarkan menjadi,
ηT .c = β c log
i ic 2,3RT + log 1 − c i0 nF iL
[3-9]
Karena pada polarisasi anodik tidak terjadi polarisasi konsentrasi maka total polarisasi anodik reaksi pelarutan logam adalah,
η a = β a log
ia i0
[3-10]
31
3.3
Penutup Kesimpulan Proporsionalitas antara arus, I dengan massa yang berreaksi, m dinyatakan dengan Hukum Faraday, m=
a i.t x n F
F adalah konstanta Faraday (96.500 coulombs/equivalent) n jumlah equivalent berreaksi a berat atom t waktu (detik) laju korosi, r
r=
m Ita = tA AnF
atau
r=
m ia = tA nF
[mg/dm2.hari]
Polarisasi, η adalah perubahan potensial, E – e dari potensial setengah sel kesetimbangan, e yang disebabkan oleh total laju reaksi permukaan untuk reaksi setengah sel. Untuk polarisasi katodik, ηc electron disuplai ke permukaan dan akumulasi pada permukaan logam karena laju reaksi yang lambat menyebabkan potensial, E menjadi lebih negative dari e. POLARISASI ANODIK didefinisikan; Ea = E – Ecorr Hubungan antara polarisasi aktivasi atau overpotensial, η dan laju reaksi ditunjukikan oleh ia atau ic, η a = β a log
ia i0
Untuk polarisasi anodik dan η c = β c log
ia i0
Untuk polarisasi anodic Umpan Balik
32
1.
Sampel seng di dalam larutan asam kehilangan 25 mg selama 12 jam pengujian. (a) berapa arus ekivalen yang mengalir disebabkan oleh korosi? (b) Jika luas sampel 200 cm 2 berapa laju korosi dalam satuan mg/dm 2 per hari ?, (c) berapa laju korosi dalam mpy dan μm/y?
2.
Permukaan kristal tunggal (100) nikel terkorosi pada laju konstan 5 μA/cm 2 . Berapa monolayer nikel akan larut tiap menit?
33
BAB IV DASAR PROTEKSI KATODIK 4.1
Pendahuluan - Deskripsi singkat/gambaran umum. Dalam bab ini akan dijelaskan tetang dasar proteksi katodik - Relenvasi. Topik pada bab ini sangat relevan dengan pencgahan korosi - TIK Setelah mengikuti mata kuliah pada bab ini mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan dasar proteksi katodik.
4.2
Penyajian
1. Konsep Dasar Proteksi Katodik Bila suatu logam/paduan terkorosi ada bagian-bagian yang bersifat sebagai anoda di mana korosi terjadi, dan ada bagian-bagian yang bersifat sebagai katoda di mana korosi tidak terjadi. Korosi terjadi di mana arus listrik meninggalkan logam menuju elektrolit, dan sebaliknya korosi tidak terjadi di mana arus listrik masuk ke dalam logam.
Tidak terkorosi
K
A
Terkorosi
Gambar 4.1. Logam Terkorosi
34
Dari gejala tersebut di atas dapat disimpulkan, bahwa jika kita dapat memperlakukan logam secara keseluruhan sebagai katoda, maka logam tersebut tidak akan terkorosi. Perlakuan ini berarti kita harus memindahkan atau memisahkan bagian yang bersifat sebagai anoda tadi ke tempat lain yang masih berada dalam lingkungan elektrolitik sama dan dihubungkan secara elektrikal dengan logam tadi.
Ini berarti kita harus
menciptakan suatu anoda tambahan baru, yang secara skematik dapat digambarkan pada gambar 4.1. Daerah anodik sekarang terisolasi, dan logam tidak terkorosi lagi. Dengan mengisolasi anoda dengan anoda baru ini, maka seluruh logam sekarang bersifat sebagai katoda dan tidak terkorosi. Ini adalah konsep dasar dari proteksi katodik. i
Dalam keadaan terproteksi katodik, logam yang diproteksi dialiri arus listrik melalui anoda dan lingkungan menuju logam, atau logam dibanjiri dengan elektron.
e
e e e e e
Anoda
Katoda
Gambar 4.2. Prinsip Proteksi Katodik
35
2. Potensial Proteksi Suatu logam yang terkorosi dalam lingkungan basah, mempunyai suatu nilai potensial tertentu, yang merupakan potensial campuran (mixed potential) antara potensial anodik dan katodiknya pada rangakian terbuka (open circuit potentals). Pada nilai potensial ini pada umumnya logam akan terkorosi, dan nilai potensial tersebut dinamakan potensial korosi. Dengan
memperlakukan
struktur
sebagai
katoda
(memproteksi
katodik),
mengakibatkan potensial logam turun menjadi lebih rendah dari potensial korosinya, lihat gambar 4.3.
E , Volt
Korosi (ion logam stabil)
M+ Potensial korosi
M Proteksi katodik (logam stabil)
Gambar 4.3. Potensial Korosi Logam
36
Apabila potensial suatu logam diturunkan, maka logam akan cenderung bertahan sebagai logam, karena ia lebih stabil, dan sebaliknya bila potensial dinaikkan logam akan cenderung menjadi ion (ion stabil) atau terkorosi. Pengertian dari uraian tersebut di atas adalah bahwa setiap penurunan potensial dari potensial korosi berarti sudah suatu perlakukan proteksi katodik, di mana logam cenderung lebih stabil dan laju korosinya berkurang. Makin besar arus listrik dialirkan, makin besar penurunan potensialnya dan logam makin stabil atau tingkat laju korosinya makin rendah. Dalam praktek kita tidak dapat menurunkan potensial secara sembarangan. Penurunan yang berlebihan akan merupakan suatu kerugian ditinjau dari segi biaya dan kadangkadang juga dari segi teknis. Oleh karena itu ada suatu kriteria proteksi yang perlu diketahui dan diperhatikan. Kriteria proteksi ini umumnya berbeda untuk tiap logam dan lingkungan.
3. Kriteria Proteksi Katodik Proteksi katodik akan menurunkan laju korosi, secara teoritis sampai nol, yaitu apabila potensial logam diturunkan sampai potensial anodik rangkaian terbuka (open circuit potential), yang dengan teknik polarisasi diilustrasikan pada gambar 4.4 Berdasarkan teori polarisasi pada potensial tersebut terjadi suatu kondisi setimbang, rapat arus anodik sama dengan rapat arus katodik, dan terjadi pertukaran rapat arus (exchange current density), sehingga korosinya sama dengan nol.
Teori ini
dikemukakan sekitar tahun 1930-an (Mears dan Brown). Tetapi ini adalah teoritis, di mana kondisinya ideal. Dalam praktek kondisinya sangat kompleks, sehingga pada umumnya potensial proteksinya berbeda, lebih tinggi dari nilai teoritis tersebut. Potensial suatu logam dapat diukur dengan elektroda standar. Elektroda standar yang dapat digunakan untuk pengkuran potensial seperti terlihat dalam Tabe 4.l urutannya digambakan pada gambar 4.5.
37
dan
E, Volt
K
Ekor Eprot
A
I, Amper
Ikor
Iprot
Gambar 4.4 Potensial Proteksi
Tabel 4.1. Elektroda Pembanding Jenis elektroda Standar
Potensial terhadap potensial stadar hidrogen, V
Cu/CuSO4 (CSE, Copper/Copper sulfate Elect). (jenuh)
0,33
(untuk lingkungan tanah)
0,25 (untuk lingkungan laut ) Ag/AgCl (Siver/Silver Chloride) 0,24 (untuk lingkungan klorida. lab) Hg/Hg jenuh
2
Cl
2
( Calomel ,SCE), 0,00 (hanya untuk ACUAN)
Hidrogen (SHE)
- 0,76 (untuk lingkungan laut,bila untuk tanah dengan backfill).
Zn
38
0,33 0,25
Cu/CuSO4 Ag/AgCl
0,24
Hg/Hg2Cl2
0,00
H/H+
Zn/Zn++
-0,76
Gambar 4. 5. Urutan nilai poytensial elektroda pembanding
Bedasarkan standar NACE, RP 0169-92 dan standar-standar lain potensial proteksi untuk beberapa logam adalah sebagai dapat dilihat pada Tabel 4.2. Tabel. 4.2. Kriteria Potensial Proteksi Logam Baja
Potensial Proteksi, -V (CSE)
: kondisi aerobik
0,85
kondisi anaerobik
0,95
Timbal
0,6
Tembaga
0,5 - 0,65
Aluminium
0,95 - 1,20
Lebih dari satu logam/
Potensial diturunkan sampai
paduan dalam satu kesatuan
yang diperlukan untuk proteksi katodik yang paling negatif
39
Khusus untuk besi/baja ada beberapa kriteria yang dapat diterapkan : Dalam tanah : (1) ≤ -0,85 V(CSE), diukur dengan meng-kontakkan elektroda pada elektrolit yang
berhubungan
(2). ≥ 100 mV, sisa polarisasi katodik (absolut) Dalam air laut : (1) ≤ - 800 mV (Ag/AgCl) (2) digeser 300 mV atau lebih besar ke arah negatif (absolut) dari potensial korosi. Perlu dicatat bahwa kriteria tersebut bukanlah suatu keharusan mutlak, tetapi atas dasar pengalaman tiap industri dapat menentukan sendiri nilai yang paling sesuai dengan kondisi setempat.
40
BAB V APLIKASI PROTEKSI KATODIK 5.1 Pendahuluan Proteksi katodik dikenal mulai awal abad 19. Tetapi karena suatu kegagalan dalam aplikasi, teknik ini dilupakan orang selama satu abad, dan baru sekitar tahun 1920-an pertama proteksi katodik mulai diterapkan lagi. Sejak itu teori-teori mulai dikembangkan, dan sekitar tahun 1930-an mulai berkembang. Setelah perang dunia kedua, dengan berkembangnya industri minyak bumi, proteksi katodik berkembang pesat. Di Indonesia, menurut catatan, penerapan proteksi katodik dimulai di industri minyak di Sumatra pada sekitar tahun 1950-an. Sebelum proteksi katodik diterapkan secara luas, pengendalian korosi untuk struktur yang berada dalam elektrolit (tanah atau/dan air) umumnya hanya mengandalkan pada lapis lindung, ditambah dengan disain yang faktor keamanannya tinggi. Teknik pengendalian korosi dengan proteksi katodik kemudian mendunia, dan standar-standar kemudian dikembangkan di berbagai negara. Pada saat ini standar proteksi katodik sudah dapat dikatakan seragam, dan diterima di semua negara. Perkembangan standar ini dimulai sekitar tahun 1960-an, dan sampai sekarang terus dilakukan modifikasi. Pada umumnya para praktisi menginginkan standar sederhana, supaya mudah difahami dan mudah dilaksanakan di lapangan. Dalam praktek, pada umumnya proteksi katodik tidak berdiri sendiri, dan bahkan merupakan pelengkap dari pengedalian korosi dengan lapis lindung, kecuali untuk beberapa struktur tertentu. Pada prinsipnya proteksi katodik sederhana saja, yaitu menurunkan potensial logam ke daerah imun menurut diagram pH-potensial.
Tetapi karena sistem struktur yang
diproteksi umumnya sangat kompleks, aplikasi proteksi katodik menjadi iktu rumit, cenderung lebih banyak seninya dari pada teknik. Oleh karena itu faktor pengalaman menjadi sangat berperan dalam keberhasilan aplikasi. Aplikasi proteksi katodik sangat luas, dapat untuk mengendalikan korosi semua strutur logam asal berada dalam lingkungan elektrolit: dalam tanah, 41
air,
larutan kimia.
Ini berarti bahwa proteksi katodik secara praktis tidak dapat
diterapkan untuk pengendalian korosi di udara. Semua bentuk korosi dapat dikendalikan dengan proteksi katodik, termasuk : korosi merata, korosi sumuran (pitting), korosi celah, korosi tegangan,(SCC), korosilelah, korosi kavitasi, korosi oleh bakteri, dsb.. 5.2 Penyajian 1. Struktur Yang Dapat Diproteksi Katodik Struktur dalam tanah dan dalam air •
Jaringan pipa dan tanki bahan bakar.
•
Struktur bangunan logam.
•
Tulangan beton.
•
Kabel komunikasi.
•
Dasar tanki yang berkontak tanah.
•
Kaki-kaki menara.
•
Casing pipa sumur bor.
•
Tiang pancang jembatan. dermaga, sheet pile, dll..
•
Pipa dalam laut dan dasar laut.
•
Intake screen, pompa-pompa intake.
•
Pintu-pintu air kanal.
•
Dll.
Struktur di atas tanah •
Bagian dalam tanki air.
•
Kondenser dan heat-exchanger.
•
Tanki-tanki air panas.
•
Tanki-tanki reservoir air di apartemen
42
•
Tanki-tanki atau bejana-bejana dalam proses.
•
Dll. Struktur terapung •
Kapal, tanker, kapal keruk. dll.
•
Anjungan lepas pantai.
•
Dok apung.
•
Barges.
•
Ponton.
•
Peralatan bant navigasi.
•
Dll. 2 Sistem Anoda Korban vs Arus Tanding Sistem anoda korban Keuntungan : •
Tidak perlu tenaga listrik dari luar.
•
Pemasangan relatif mudah
•
Tidak ada bahaya interaksi.
•
Murah untuk struktur kecil.
•
Daerah padat struktur.
•
Bahaya over-proteksi ringan.
•
Distribusi arus merata.
•
Tidak perlu pemeliharaan, kecuali inspeksi rutin.
•
Tidak perlu biaya operasi.
Kerugian •
:
Keluaran arus anoda terbatas, pada hal makin lama makin diperlukan arus lebih besar karena degradasi lapis lindung.
•
Tidak efektif untuk lingkungan dengan resistivitas lingkungan tinggi.
43
•
Untuk struktur yang besar diperlukan anoda banyak jumlahnya.
Sistem arus tanding. Keuntungan : •
Sistem instalasi dapat memproteksi struktur yang besar.
•
Sistem dapat didisain yang beubah dengan waktu.
•
Keluaran arus proteksi mudah diatur sesuai dengan keperluan.
•
Sistem dapat didisain untuk masa guna lebih dari 20 tahun.
•
Biaya awal lebih murah.
Kerugian
:
•
Kemungkinan ada interaksi terhadap struktur lain
•
Tergantung dari keberadaan sumber listrik luar.
•
Perlu pemeliharaan dan inspeksi rutin yang cermat.
•
Perlu biaya operasi.
•
Dapat terganggu oleh kegagalan catu daya listrik.
Dalam praktek pemilihan antara kedua sistem tersebut masih tergantung banyak faktor lain, yang kadang-kadang sifatnya non-teknis.
3. Keperluan Arus Proteksi Sebagian besar proteksi katodik diterapkan untuk struktur dari baja, oleh karena itu data keperluan arus proteksi yang dianggap sudah mapan adalah untuk baja, meskipun angkanya mempunyai selang yang agak panjang.
Nilai-nilai yang diperoleh
berdasarkan pengalaman dari banyak praktisi lapangan telah didokumentasikan, dan pada umumnya angkanya tidak berbeda jauh. Bahkan untuk lingkungan laut, sudah ada data untuk seluruh dunia, termasuk Indonesia. Sebagai pedoman, berikut ini
44
disampaikan perkiraan keperluan rapat arus proteksi yang diperlukan untuk struktur baja untuk dalam berbagai lingkungan.
Tabel. 5.1. Perkiraan keperluan arus proteksi baja dalam berbagai lingkungan. Arus proteksi, mA/m2
Lingkungan BAJA POLOS : Tanah netral Tanah netral ter-aerasi Tanah kering, teraerasi Tanah basah, kondisi sedang-gawat Tanah asam Tanah mengandung bakteri anaerobik Tanah panas Beton kering Beton basah Air tawar tenang Air tawar mengalir Air tawar turbulen mengandung oksigen Air panas Air muara yang terpolusi Air laut Larutan kimia dalam bejana porses Heat-exchanger box dengan pipa non-fero
4 - 16 21 - 32 5 - 16 25 - 65 50 - 160 ~ 450 50 - 270 5 - 16 50 - 270 ~ 50 55 - 65 55 - 160 55 - 160 540 - 1600 60 - 270 60 - 270 ~ 1345
BAJA DENGAN LAPIS LINDUNG BAIK 0,01 - 0,2 Tanah BAJA DENGAN LAPIS LINDUNG BAIK SEKALI. Tanah
45
~ 0,01
Tabel 5.2. Kriteria Disain Untuk Lingkungan Laut Rapat Arus Disain mA/m2
Resistivitas Air (0hm-cm)
Suhu Air (C)
Teluk Mexico
20
22
Sedang/Sedang
54-65
Pantai Barat A.S.
24
15
Sedang/Sedang
76-106
Cook Inlet
50
2
Rendah/Tinggi
380-430
Laut Utara
26-33
0-12
Tinggi/Rendah
86-216
Teluk Persi
15
30
Sedang/Rendah
54-86
Indonesia
19
24
Sedang/Sedang
54-65
Wilayah
Faktor Turbulensi/ Arus Air
NACE RP 01-76 (1983 Revision)
Kalau kita perhatikan angka-angka keperluan arus proteksi untuk struktur dalam tanah sangat bervariasi dibanding dengan keperluan arus proteksi di lingkungan laut. Hal ini disebabkan oleh sangat bervariasinya resistivitas tanah, sedang resistivitas air laut relatif sama dan kondisi pergerakan air laut relatif tetap untuk suatu wilayah, sehingga keperluan arus proteksinya berselang pendek. Mengenai
pengaruh resistivitas tanah terhadap laju korosi sudah diklasifikasikan
secara kualitatif seperti terlihat pada Tabel 3.3. berikut.
46
Tabel. 5.3. Klasifikasi Korosi Ditinjau Dari Resistivitas Tanah
Resistivitas, Ohm-cm
Sampai -
Klasifikasi Korosi
700
Sangat korosif
700
-
2000
Korosif
2000
-
5000
Korosif Sedang
5000
- 10000
Korosif Ringan
lebih dari 10000
Tidak Korosif
Kondisi tanah sewaktu-waktu dapat berubah karena perubahan musim atau oleh karena pencemaran lingkungan. Oleh karena itu meskipun resistivitasnya lebih dari 10.000 ohm-cm yang diklasifikaskan sebagai tidak korosif, justru sangat berbahaya oleh kemungkinan terjadinya korosi sumuran, dan proteksi katodik tetap harus diterapkan.
4. Rancang Bangun Proteksi Katodik. Beberapa Masalah Rancang bangun proteksi katodik adalah penerapan teori korosi dan teknologi pengendalian korosi ke dalam praktek lapangan. Secara teori, untuk menghasilkan proteksi yang sempurna, seluruh permukaan struktur logam harus diturunkan potensialnya, sehingga memenuhi krteria secara merata. Dalam praktek sanagat sukar mencapai kondisi tersebut, karena kemungkinan adanya variasi lingkungan dan kondisi permukaan logam sangat besar ditambah struktur yang makin kompleks, sehingga distribusi arus per satuan luas tidak merata.
47
Banyak ahli mengatakan, bahwa penerapan proteksi katodik lebih banyak seni dari pada teknik.
Kenyataannya memang demikian, kebehasilan rancang bangun
prtoteksi katodik lebih banyak ditentukan oleh pengalaman. Masalah ini sering tidak difahami oleh pihak-pihak yang terlibat, menjadikan proteksi katodik tidak efisien, dan menjadi mahal. membahayakan fasilitas produksi.
sehingga
Hal ini dapat
Persoalan akan menjadi lebih rumit kalau
ditambahi masalah birokrasi yang sering menghambat.
Data Yang Diperlukan
Sebelum rancang bangun dilakukan pertama-tama harus diketahui data utama, di antaranya : •
Struktur yang akan diproteksi (bahan, geometri, fabrikasi, dll.)
•
Lapis lindung (bahan dan kualitasnya).
•
Umur struktur.
•
Sejarah kegagalan.
•
Kondisi lingkungan (geologi, tanah, air, resistivitas, pH, komposisi kimia, bakteri, dll.)
•
Struktur lain di sekitarnya (yang berdekatan, yang memotong, ddl.).
•
Interferenssi (AC-DC).
•
Umur proteksi yang dikehendaki.
•
Standar-standar yang digunakan.
•
Dan lain-lain, termasuk kondisi non-teknis.
•
Dll.
Tahap-tahap Rancang Bangun
48
Untuk kesempurnaan rancang bangun diperlukan data seperti tersebut di atas. Akan tetapi jarang sekali dapat diperoleh dalam tahap awal. Pada umumnya data yang disajikan mentah, dan bahkan sering diambil saja dari data lain yang sering tidak tepat, misalnya : •
Harus digunakan sistem arus tanding karena lebih murah, pada hal lokasi struktur di daerah banyak sekali struktur.
•
Harus menggunakan sistem anoda korban, tapi harganya mahal.
•
Kita harus membuat rancang bangun proteksi katodik dengan hanya diberi data ukuran dan panjang pipa.
•
Keperluan arus proteksi yang ordenya sekitar 1 A harus menggunakan deep groundbed dalam 100 m, dengan kapasitas arus 25 A.
•
Harus dipasang anoda sementara, tetapi jumlahnya cukup untuk memproteksi lebih dari 20 tahun.
•
Rancang bangun yang digunakan dalam mengajukan tender dianggap mengikat.
•
Pemilik konstruksi atau kontraktor utama mencontoh begitu saja, kurang paham akan maksud proteksi katodik, kurang memahami standar dan kriteria proteksi, sehingga sering timbul masalah.
•
Dan sebagainya.
Tahap-tahap yang baik dalam membuat rancang bangun adalah sebagai berikut : •
Rancang bangun awal (preliminary design) dibuat atas dasar data yang dan mengacu kepada kasus-kasus yang sama.
•
Rancang bangun dimodifikasi bila perlu, disesuaikan dengan perubahanperuhana konstruksi yang sering terjadi dalam praktek.
•
Setelah konstruksi lengkap terpasang, dibuat rancang bangun proteksi katodik akhir.
•
Modifikasi masih mungkin dilakukan bila ternyata proteksi katodik kurang sempurna.
49
BAB VI RANCANG BANGUN SISTEM ANODA KORBAN 6.1 Pendahuluan Dengan data tersebut di atas umumnya kita sudah dapat membuat rancang bangun. Pada umumnya pemilik struktur atau konsultannya akan memberikan data tersebut, tetapisangat sering data yang tersedia sangat minim. Bagi perancang yang sudah berpengalaman, dengan data minim tadi biasanya dapat membuat rancangan sedikit kasar, dan dengan memasukkan faktor-faktor keamanan, rancangannya
dapat
dipertanggung jawabkan. Untuk rancang bangun sistem anoda korban ini akan berikan contoh rancang bangun proteksi katodik struktur pipa dalam tanah. Dari sini kita sudah memutuskan, bahwa anoda yang harus digunakan adalah anoda Mg. atau Zn. Berikut ini dasar pemilihan antara kedua anoda tersebut. 6.2 Penyajian Beberapa hal mengenai penggunaan anoda Mg. •
Anoda Mg. dapat dgunakan sampai resistivitas tanah sekitar 6000 ohm-cm, di atas nilai tersebut kurang efisien dan mahal.
•
Arus proteksi dapat didistribusikan dengan mudah, dengan memasangnya sepanjang jalur pipa.
•
Selalu ada over-proteksi di dekat anoda. kerugian dapat dikurang dengan mengattur keluaran arus.
•
Anoda Mg. tidak dapat digunakan bila lapis lindung struktur jenis coaltar, karena akan cepat rusak bila potensial struktur lebih rendah dari -1200mV CSE.
•
Proteksi katodik dengan anoda Mg. selalu lebih mahal dari yang lain.
•
Anoda menjadi lebih efisien kalau arus proteksi kecil, atau struktur yang diproteksi sedikit.
50
Beberapa hal mengenai penggunaan anoda Zn. •
Karena tegangan dorongnya rendah, maka anoda Zn hanya digunakan untuk tanah dengan resistivitas rendah, sampai maksimum 1500 ohm-cm.
Belakangan orang
menerapkan sampai resistivitas 3000 ohm-cm (publikasi tahun 1998). •
Over-proteksi tidak terjadi seperti halnya anoda Mg.
•
Dengan anoda Zn dapat didisain umur proteksi 20 sampai 40 tahun, sedang dengan anoda Mg. umumnya kurang dari 20 tahun.
•
Bila resistivitas tanah berubah, keluaran arus anoda Zn berubah sedikit saja, dan seolah-olah bertindak sebagai sistem proteksi potensial tetap.
•
Anoda Zn dapat digunakan untuk lapis lindung jenis coaltar. 1. Contoh Rancang Bangun Misalnya data yang diberikan untuk disain proteksi katodik kostruksi pipa gas dalam tanah sbb.: Ukuran pipa : dia. 18” x 50 km (t= 0,375”) Lapis lindung pipa : pita polietilen (polyethylene tape wrap ) overlap 5 cm, lulus uji holiday detector. ROW tanah persawahan, perkebunan, ada river crossing, beberapa road crossing. Di sebelah kanan pipa ada pipa lain dia. 14” pada jarak sekitar 2m sejajar pipa baru, yang diproteksi katodik dengan anoda korban. Umur proteksi yang diminta 20 tahun. Resistivitas tanah rata-rata 2000 ohm-cm. Asumsi keperluan arus proteksi baja 20 mA/m2. Coating breakdown untuk umur 20 tahun 2,5%. Keperluan arus proteksi 0,5 mA/m2 Kesimpulan dari data :
•
Sistem yang harus diterapkan adalah sistem anoda korban, karena di sebelahnya ada pipa yang juga menggunakan anoda koran.
51
•
Anoda yang harus digunakan adalah anoda Mg. tipe potensial 1.5V dengan backfill, dilihat dari resistivitas tanah (anoda Zn boleh diusulkan).
•
Keperluan arus proteksi umumnya 20 mA/m2 untuk kondisi telanjang.
•
Lapis lindung baik, biasanya cacat dianggap antara 0,5% - 1% pada saat awal, rata-rata 2,5% untuk jangka waktu 20 tahun.
•
Dalam hal ini pemilik telah menentukan keperluan arus proteksi 0,5mA/m 2, yaitu standar yang digunakan Pertamina untuk pipa baru dengan lapis lindung baik, untuk umur proteksi 20 tahun.
•
(Untuk coating baik, menurut ISO 15589-1 (2003) untuk umur disain 20 tahun arus proteksi disain 0,6 mA/m2, jadi ausmsi tersebut diatas sangat wajar). Selanjutnya kita melakukan perhitungan2 sebagai berikut.
2. Keperluan Arus Proteksi. Luas permukaan yang diproteksi total = π x 18 x 0,0254 x 60.000 = 86137 m2. Keperluan arus proteksi total,
I = 86137 x 0,5 = 43068 mA = 43,068 A.
3. Tipe Berat Dan Jumlah Anoda Mg
W =
I x umur proteksi kapasitas x faktor guna
Berat total anoda Mg. W = (I x umur proteksi)/ (kapasitas x faktor guna) = (43,068 A x 20 Y x 8760 Jam/Y)/(1200 A.jam/kg x 0.8) = 7860 kg. Karena 1 tahun = 24 jam/hari x 365 hari = 8760 jam Untuk menentukan ukuran anoda ada pedoman (Rule of Thumb) : Resitivitas tanah : sampai 1500 ohm-cm
~ 25 kg
sampai 2500 ohm-cm
~ 15 kg
lebih dari 2500 ohm-cm ~
52
8 kg
Rule of thumb ini ditentukan berdasarkan pengalaman lapangan.
Berbeda
dengan yang ada dibuku, karena perkembangan lapis lindung yang makin baik. Masalah ukuran anoda adalah masalah keluaran arus proteksi dikaitkan dengan keperluan arus proteksi. Berdasar resistivitas tanah kita dapat menggunakan anoda ukuran 15 kg dan 8 kg. Tetapi biasanya orang memilih untuk meggunakan satu ukuran saja supaya sederhana, karena kita dapat melakukan suatu modifikasi di lapangan, misalnya jarak antara anoda diperbesar atau kita mengubur lebih dari satu anoda dalam satu lubang. Penerapan sistem anoda korban memang ada akal-akal tertentu dan keberhasilannya memang ditentukan di lapangan. Untuk ini kita menentukan untuk menggunakan anoda tipe berat 15 kg, dan setelah mengecek yang ada di pasaran ternyata yang cocok adalah tipe berat, w = 14,5kg, dengan data. Ukuran anoda Mg. : dia. D = 15 cm, Panjang L = 51 cm Dengan backfill
:
D = 20 cm,
L = 60 cm
Jumlah total anoda, N = W/w = 7860/14,5 = 543 buah. Penyediaan anoda sebaiknya ditambah 10% untuk keamanan dan pemasanga di tempat-tempat kritis, seperti river crossing dsb. . Pemesanan anoda = 543 x 110% = 598 buah. Jarak pemasangan anoda : 60.000 m / 543 ~ 110 m. Di lapangan kita belum tentu (pada umumnya sukar) untuk secara eksak mengenai jarak ini, karena kondisi lapangan sangat menentukan. Modifikasi lapangan sering dilakukan, dan hal ini biasa bila menyangkut anoda korban.
53
4. Keluaran arus anoda.
Keluaran arus anoda, I = E/R di mana E = 0,7 V, sedang R adalah tahanan anoda yang harus dihitung, menurut rumus :
Rh
Rh
=
Rv
2000 2 π 60
=
Rv
=
=
4L ρ −1 ln 2πL D
4 x 60 − 1 ln 20
=
7, 88 ohm
=
11, 58 ohm
ρ 8L − 1 ln 2πL D
2000 8 x 60 − 1 ln 2 π 60 20
Rh = tahanan anoda bila dipasang horizontal Rv = tahanan anoda bila dipasang vertikal Jadi : Iah = 0,7/ 7,88 = 88,83 mA Iav = 0,7/11,58 = 60,45 mA
Keluaran arus total,
Ih = 543 x 88,83 = 48235 mA Iv = 543 x 60,45 = 32824 mA
Kesimpulan : Kalau anoda dipasang horizontal arus anoda cukup. Kalau anoda dipasang vertkal arus anoda kurang.
54
Jadi, sebaiknya anoda dipasang horizontal, dan ini lebih baik dari pemasangan secara vertikal. Tetapi karena kondisi setempat yang tidak memungkinkan dapat saja anoda dipasang vertikal. Inilah sebabnya kita perlu cadangan anoda tambahan, karena modifikasi lapangan hampir selalu terjadi dalam hal proteksi katodik dengan anoda korban. Perhatian Dalam praktek, pada tahap awal keluaran arus anoda tidak sebesar seperti perhitungan dalam disain. Ingat, bahwa perhitungan tersebut merupakan perhitungan disain untuk 20 tahun. Kalau penerapan lapis lindung baik, pada tahap awal keluaran arus anoda untuk mencapai kondisi proteksi umumnya kurang dari seperlimanya, karena keperluan arus pada tahap awal kecil saja. Makin lama keperluan arus proteksi makin besar karena degradasi lapis lindung.
Dalam hal proteksi katodik dengan anoda
korban, arus anoda akan selalu berubah dengan waktu, dan secara alamiah akan mengatur sendiri. Penyimpangan-penyimpangan di lapangan selalu akan teejadi karena kondisi lapangan bervariasi dari satu tempat ke tempat lain dalam jarak yang relatif pendek ( ~10m ). Kalau pemilik konstruksi tidak memahami permasalahannya, sering timbul masalah, pada hal kriteria proteksi katodik adalah potensial proteksi, bukan besarnya arus. Disain dibuat sebagai pegangan, karena kita harus membuat rencana, terutama untuk pembiayaan. Dari pengalaman, jarang sekali mengalami kegagalan apabila penerapan lapis lindung sesuai dengan proesedur. Dari survei yang dilakukan oleh para ahli di berbagai negara mengenai anoda korban magnesium adalah masalah umur anoda, yang sangat bervariasi tergantung kondisi lingkungan. Seperti diketahui anoda magnesium akan terkorosi sendiri oleh lingkungan (self-corrosion), dan karena anoda belum tentu terkorosi secara merata, maka satu anoda mungkin lebih cepat habis dari yang lain.
55
5. Pemasangan Anoda Korban Prinsip : 1). Arus anoda harus terbagi semerata mungkin pada pipa 2). Anoda dikubur dalam tanah secara horizontal, sejajar pipa, pada jarak sekitar 1m dari pipa pada kedalaman sama atau lebih dalam dari pipa. Lihat Gambar 6.1. 3). Anoda dikubur sepanjang jalur pipa dengan jarak antara anoda sekitar 110m, lihat Gambar 6.2. 4). Pada setiap sekitar 500m didekat anoda dipasang kotak uji (test-box) dengan tiga terminal, satu untuk anoda, dua terminal untuk pipa (satu terminal khusus untuk uji potensial, dua lainnya dihubungkan), lihat Gambar 6 3. Urutan Pemasangan Sebagai Berikut : 1. Periksa anoda yang akan dipasang apakah dalam kondisi baik, tida ada cacat, terutama kabel anoda. Gambar 6.4 memperlihatkan contoh anoda Mg. dengan backfill. 2. Gali tanah sejajar pipa pada jarah 1m dari pipa, dengan kedalaman sama dengan kedalaman pipa atau lebih. Lebar galian sekitar 0,5m. Dari galian tersebut digali juga ke arah pipa untuk jalan kabel sedalam pipa bagia atas, selebar sekitar 0,5m, lihat Gambar 6.5. 3. Masukkan anoda ke dalam dengan hati-hati ke dalam galian dengan pertolongan tali plastik. Tidak diperkenakan mengangkat atau menurunkan anoda ke dalam galian dengan menggunakan kabel anoda. 4. Kupas lapis lindung bagian atas pipa seluas 10x10cm2, bersihkan dengan sikat dan ampelas sampai kilap logam. 5. Kupas ujung kabel anoda sekitar 7 cm. 6. Laskan ujung kabel pada bagian pipa yang telah di kupas lapis lindungnya dengan las termit. Lihat Gambar 6.4. 7. Cetakan las kemudian dibuka dan dilepas dari pipa. Lasan dipukul dengan palu untuk penguatan lasan dan menghilangkan terak. 8. Periksa hasil lasan dan uji dengan jalan menarik kabel dengan hati-hati. 9. Bersihkan daerah lasan dengan sikat, dan kemudian diberi lapis lindung atau royston handycap. 10. Untuk pemasangan anoda ynag dengan kotak uji, kabel anoda dimasukkan dari kotak uji dan dipasang pada terminal seperti terlihat pada Gambar 6.7. Selain kabel anoda 56
dua kabel yang dilas termit di pipa juga dipasang pada terminal kotak uji. Satu terminal pipa dihubungkan dengan kabel anoda, satunya bebas untuk uji potensial. 11. Tahap terakhir adalah pengurugan kembali anoda dan kabel anoda dengan tanah galian. 12. Seluruh anoda di pasang seperti cara tersebut di atas pada jarak antara anoda sekitar 110m dan pada daerah-daerah kritis, seperti misalnya rivercrossing dan sebagainya. 13. Kotak uji dipasang pada jarak sekitar 500m dan daerah-daerah kritis. 6. Pengujian Setelah semua anoda dan kotak uji dipasang, kemudian diilakukan pengujian sebagai berikut : 1.
Dilakukan pengukuran potensial di seluruh panjang pipa tepat di atas pipa ynag ada anodanya dan di tengah-tengah di antara dua anoda, lihat Gambar 6.8.
2.
Dibiarkan pipa terpolarisasi selama paling sedikit dua minggu.
3.
Kemudian dilakukan pengukuran potensial lagi seperti (1).
4.
Bila dalam pengukuran ini ternyata ada daerah-daerah yang tidak terproteksi, atau potesialnya lebih tinggi dari kriteria proteksi, di lakukan penam,bahan anoda di antara kedua anoda. Modifikasi lapangan seperti ini adalah hal yang biasa dilakukan dalam praktek.
5.
Kemudian dilakukan uji ulang pada daerah-daerah yang ditambahi anoda, dan pekerjaan dianggap sempurna bila kriteria proteksi katodik telah dipnuhi. Distribusi potensial secara skematis digambarkan seperti pada Gambar 6.9.
6.
Inspeksi dapat dilakukan satu tahun sekali, dan bila kondisi mulai menunjukkan gejala-gejala berkurangnya proteksi, inpeksi harus dilakukan lebih sering.
57
DILAS TERMIT DAN DILAPIS LINDUNG
~ 1M
LAPIS LINDUNG
Gambar 6.1 Pemasangan Anoda Mg
58
Testbox Las termit
~ 110 m
~ 110 m
Gambar 6.2 Sketsa pemasangan anoda dengan jarak ~ 110 m (non-skala)
59
UNTUK MENGUKUR POTENSIAL
KOTAK UJI
30 CM
ANODA
Gambar 6.3 Pemasangan kabel pada anoda dengan kotak uji
60
Kabel anoda
BACKFILL
L Anoda Mg
D
Gb. 4. Anoda Mg
61
75 cm
pipa ~1m
~1m Las termit
Gb. 5. Sketsa penggalian tanah untuk penguburan anoda
62
Lapis lindung dikupas sekitar 10 x 10 cm2 . Kabel dikupas sekitar 7 cm. Dilas termit, kemudian diberi lapis lindung. 7 cm
Flint gun Graphite mold
Gb. 6. Sketsa pemasangan anoda pada pipa dengan las termit
63
Dop berulir Baja galvanis
Ebonit
Untuk tes potensial
Pipa galvanis 2” Panjang 1 M
Kabel ke pipa
2 kabel ke pipa 1 kabel ke anoda
Kabel ke anoda
Gb. 7. Kotak Uji (Testbox)
64
Kabel ke pipa
v
Gb.8. Sketsa teknik pengukuran potensial
65
-mV,CSE Overproteksi 150 0 850
Gb. 9. Distribusi Potensial Pada Proteksi Katodik Dengan Sistem Anoda Korban.
66
BAB VII RANCANG BANGUN SISTEM ARUS TANDING 7. 1 Pendahuluan Perbedaan antara proteksi katodik dengan sistem arus dan sistem anoda korban adalah bahwa pada sistem arus tanding anoda dipusatkan di suatu lokasi yang disebut groundbed, yang kapasitas arusnya tinggi dapat sampai ratusan Ampere, sehingga satu groundbed dapat memproteksi struktur yang besar atau jarak yang jauh, sampai puluhan kilometer, lihat Gb. 10. Alasan-alasan mengapa dipilih sistem arus tanding telah dikemukakan di depan. Untuk perbandingan kita akan membuat disain dengan panjang pipa yang sama, tetapi kondisi yang sesuai untuk sistem arus tanding.
2,0
Puluhan km
Gb. 10. Proteksi katodik dengan sistem arus tanding
67
7.2 Penyajian Untuk mendisain proteksi katodik dengan sistem arus tanding, data yang sangat penting di antaranya :
Ukuran pipa Kualitas lapis lindung Resistivitas Groundbed Yang lain-lain sesuai dengan persyaratan umum
Mengenai kualitas lapis lindung, secara kualitatif diklasifikasikan sebagai berikut: Resistivitas spesifik Kualitas
ω, ohm-m2 Nakagawa
Parker
Sangat baik
> 10.000
> 10.000
Baik
10.000 – 2.500
10.000 – 2.000
Cukup
2.500 – 500
-
Jelek
500 – 50
< 2.000
Sangat jelek
< 50
-
Apabila data tersebut telah tersedia pada dasarnya kita sudah dapat membuat disain, langkah-langkahnya adalah sebagai berikut : Contoh permintaan dari pemilik konstruksi : Data pipa : D = 18” , t = 0,375” , L = 60 km Lapis lindung pita polietilen, overlap = 5 cm. Kualitas baik, ω = 5000 ohm-m2 Potensial proteksi pipa antara : -0,95 sampai –2,00 V, CSE Potensial alamiah pipa (tanpa proteksi) = -0,55 V, CSE
68
Umur proteksi : 20 tahun Anoda : besi-silikon, berat ∼ 20 kg, d = 2” x L = 60” ; dengan backfill (cannistered), d = 8” , L = 80” . Anoda dikubur vertikal, jarak antara Sa = 5m. Transmormer-Rectifier (TR) : silicon stack, kabinet dicat tahan korosi, fire proof, ripple maks. 5% , input 220 V, 1 hp, 50 Hz. Resistivitas tanah groundbed : 20 ohm-m Dari data tersebut kita akan menghitung terutama :
Jarak jangkauan proteksi, X m dari groundbed Arus proteksi yang diperlukan Jumlah anoda Kapasitas TR
Urutan perhitungannya adalah sebagai berikut : 1. Menghitung tahanan pipa, r :
r
di mana :
r
=
=
ρ pipa π t (D − t )
ρ pipa
= 0,18 x 10-6 ohm-m
D
= 18”
t
= 0,375”
0, 18 x 10 −6 3, 14 x 0, 375 x ( 18 − 0, 375
) x 0, 02542
2. Konduktansi lapis lindung, g :
69
=
13, 44 x 10 −6 ohm / m
g
g
πD ω
=
3, 14 x 18 x 0, 0254 5000
=
2, 87 x 10 − 4 S / m
=
3. Konstanta atenuasi, α :
α
=
(rg )
( 13, 44 x 10
=
−6
x 2, 87 x 10 −4
)
=
6, 21 x 10 −5 m −1
4. Tahanan jaringan pipa, R :
R
R
=
=
(r
/ g
)
[ ( 13, 44 x 10 ) / ( 2, 87 x 10 ) ] −6
−4
=
0, 216 ohm
5. Jangkauan proteksi, X :
X
X
Ekor E0
=
=
(
Arc cosh E0 / Ex
)
α
Arc cosh ( 1, 45 / 0, 40 6, 21 x 10 −5
)
=
31, 6 km
= potensial alamiah (korosi) baja dalam tanah, -0,55 V CSE
= pergeseran potensial dari potensial alamiah dari pipa di dekat groundbed, -(0,55 – 2,00)V 70
Ex
= pergeseran potensial dari potensial alamiah dari pipa pada jarak X,(-0,55 - 0,95)V Apa artinya ini ? Artinya adalah bahwa jangkauan proteksi satu groundbed dapat mencapai 31,6 km ke arah satu sisi, atau 63,2 km ke arah dua sisi. Jadi, bila groundbed ditaruh di tengah-tengah, maka seluruh pipa sudah akan terproteksi katodik, jika di tempat tersebut ada tenaga listrik. Kalau tidak, maka harus dipasang dua groundbed. Disain yang paling aman menggunakan dua groundbed.
6. Keperluan arus proteks, I0 :
I 0 =( E0 / R
I0
=
) tanh αX
( 1, 45 / 0, 216 ) tanh (
)
6,21 x 10 −5 x 31600 = 6, 45 A
7. Sediaan arus, IR :
IR
IR
=
I0 x S
=
6, 45 x 1, 25
f1
=
8, 06 A
Sf1 = faktor keamanan, 125% Ini adalah arus yang harus disediakan untuk panjang 31,6 km. Untuk menjaga keamanan, sediaan arus TR harus dikalikan lagi 150%, sehingga menjadi ≈ 12 A. Hal ini untuk mengatasi apabila terjadi penyimpangan dalam penerapan lapis lindung atau kondisi lingkungan berubah karena perkembangan aktivitas industri, dan sebagainya. Banyak perancang yang menggunakan faktor keamanan berlebihan, sampai 500%.
71
8. Berat anoda per groundbed, W0 : Data anoda : berat, w = 20 kg konsumsi C = 0,8 kg/AY faktor guna (utilization factor) U = 0,8 umur anoda Y = 20 tahun
W0
YxCxI U
=
W0
20 x 0, 8 x 12 0, 8
=
240 kg
=
9. Jumlah anoda pergroundbed, N :
N
N
=
=
(W
0
(
/w
)xS
240 / 20
f2
) x 1, 5
=
18 anoda
Sf2 = faktor keamanan 150%, biasa digunakan untuk jumlah anoda untuk mengatasi tahanan di mana resistivitas tanah sering mengalami perubahan karena musim.
10. Tahanan anoda individual, Rv :
Rv =
ρ ( tan ah ) 8L x ln −1 2π L d
72
RV
20 2 x 3, 14 x 2
=
( ln (
8x2
) / 0, 2 − 1 )
= 5, 39 ohm
ρ = 20 ohm-m L = panjang anoda dengan backfill, 2m d = diameter anoda dengan backfill, 0,2 m
11. Faktor interferensi, F : Anoda yang dikubur berdekatan akan saling mempengaruhi atau terjadi interferensi. Faktorinterferensi F dapat dihitung menurut rumus :
F
F
1+
=
1+
=
ρ ln π Sa Rv
(
0, 66 x N
)
20 ln ( 0, 66 x 18 3, 14 x 5 x 5, 39
)
=
1, 585
12. Tahanan groundbed, RN :
=
(
=
(
RN
RN
Rv / N
)xF
5, 39 / 18
) x 1, 585 = 0, 475 ohm
13. Tegangan catu daya, V0 =
V0
=
V0
IR
=
(R
N
x Sf3 +RC
) +E
12 ( 0, 475 x 1, 25 + 0, 2
)
+ 2, 5
73
=
12, 025 V
Sf3 = faktor keamanan, 125% RC = tahanan rangkaian, 0,2 ohm.m E = tegangan balik (back voltage), 2,5 V Tegangan DC dari TR harus lebih besar dari V 0 tetapi untuk keamanan sebaiknya tidak lebih dari 60 V, meskipun di Indonesia TR dengan keluaran tegangan DC 100 V telah digunakan oleh suatu perusahaan. Untuk disain ini disarankan untuk menggunakan tegangan 24 V, sehingga keluaran DC dan TR adalah : 24 V, 12 A. 7.3 Penutup Kesimpulan Disain ini menghasilkan kesimpulan sebagai berikut, lihat Gb. 11 : 1. Untuk memproteksi katodik pipa dia. 18” x 60 km diperlukan dua groundbed yang dipasang di antara jarak pipa di mana ada tenaga listrik. 2. Tiap groundbed memerlukan TR 24 V, 12 A; 18 anoda Fe-Si 20 kg. 3. Potensial proteksi antara –0,95 sampai –2,00 V CSE. 4. Lokasi groundbed sekitar 100 m dari pipa. 5. Anoda dikubur vertikal dengan jarak antara anoda 5 m
74
- mV,CSE ~ 2000
850
Groundbed dengan 18 anoda
Groundbed dengan 18 anoda
Gb.11. Rancangan pemasangan groundbed secara skematis
75
Pemasangan Urutan pemasangan sebagai berikut : 1. Periksa anoda apakah dalam kondisi baik, terutama kabel anoda, sebab cacat pada kabel anoda, misalnya tembaganya terbuka akan menyebabkan kegagalan total. Gb. 12 adalah contoh anoda Fe-Si. 2. Tentukan lokasi untuk groundbed kira-kira sekitar 100 m dari pipa yang akan diproteksi, yang resistivitasnya telah diukur. Lakukan pengukuran untuk penggalian atau pengeboran (bila anoda dipasang vertikal) sesuai dengan rencana, yaitu dengan jarak antara anoda 5 m, dan ke dalam 2 m minimum, lihat Gb. 13. 3. Masukkan anoda ke dalam galian atau lubang bor dengan hati-hati dengan menggunakan tali yang kuat. Awas : dapat menimbulkan kecelakaan kalau tidak hati-hati, karena berat anoda dapat melukai tangan. 4. Ujung kabel anoda dikupas sekitar 5 cm dan hubungkan ke kabel untama yang juga telah dikupas sekitar 5 cm dengan klem. Masukkan bagian ini ke dalam cetakan scotch cast dan kemudian dicorkan scotch cast (two pack). Gb. 14 memperlihatkan cetakan scotch cast atau splicing kit. 5. Kabel anoda sebaiknya disambung ke kabel utama ganda seperti terlihat pada Gb. 15. untuk menghindari kegagalan. 6. Setelah semua anoda terhubung sempurna (diperiksa), masukkan kabel utama ke dalam parit sedalam sekitar setengah meter. Timbun dengan tanah sampai sedikit di atas kabel, dan kemudian taruh di atasnya bata sebagai pengaman. Kemudian urug galian kabel sampai rata tanah, tetapi ujung kabel harus mencuat ke atas tanah sekitar 2 meter. Beri tanda ujung kabel dengan warna merah sebagai tanda kabel positif, dipasangkan pada terminal positif darTR pada joint-box. 7. Kabel negatif dilaskan dengan las termit pada pipa, dan kemudian diberi lapis lindung. Kabel negatif ini dimasukkan dalam lubang galian kabel seperti halnya kabel positif, dan ujung kabel ini dipasangkan pada terminal negatif dar TR dalam joint-box tadi.
76
8. Sepanjang jalur pipa dipasang kotak uji (test-box, test-point), di mana dalam kotak tersebut dipasangkan terminal kabel dari pipa. Kotak uji juga dipasang pada daerah-daireh yang diperkirakan kritis. 9. Setelah semuanya terpasang sempurna, dan hubungan-hubungan listrik telah diperiksa kebenarannya, sistem proteksi katodik siap dioperasikan.
Pengoperasian proteksi katodik dan monitoring 1. Pengoperasian proteksi katodik mulai dengan memberikan arus proteksi dari kecil sampai suatu angka di mana pipa di dekat groundbed mencapai sekitar –1,50 V, VSE dulu, dan titik terjauh di groundbed juga diamati apakah sudah mencapai – 0,95 V, CSE. 2. Bila titik terjauh belum mencapai –0,95 V, arus proteksi dinaikkan lagi sampai angka tersebut tercapai, dengan catatan potensia dekat groundbed tidak boleh lebih negatif dari –2,00 V. bila kondisi ini dicapai, arus dipertahankan pada angka tersebut. Dalam kondisi normal, artinya semua pekerjaan dilakukan dengan saksama semua akan berjalan dengan normal juga, artinya sesuai dengan disain. 3. Bila kondisi tersebut tidak dapat dipenuhi, biasanya ada ketidakberesan pada penerapan lapis lindung atau kebocoran insulating flange. Oleh karena itu sebelum menaikkan lagi arus proteksi perlu dilakukan pengamatan secara menyeluruh. 4. Bila kondisi proteksi tercapai sesuai disain, pipa dibiarkan terpolarisasi selama dua minggu, dan setiap hari sebaiknya dilakukan pengamatan di daerah-daerah kritis dan kerja TR. 5. Setelah dicapai kondisi stabil, arus proteksi diatur pada kondisi seideal mungkin dan pekerjaan proteksi katodik dapat dianggap selesai.
77
6. Monitoring dilakukan untuk waktu satu bulan, tiga bulan, dan seterusnya setiap enam bulan. 7. Pengamatan TR dilakukan setiap hari melalui pilot lamp.
78
Cannister, galvanized
80”
60” Coke BreezeBackfill
Anode Fe-Si
3” 8”
Gb. 12. ANODA Fe-Si
79
scotchcast
2 m
~ 5 m
Gb. 13. Sketsa pemasangan anoda di groundbed (tanpa skala) 80
Splicing kits (Scotch-cast)
FILL HOLE
KABEL UTAMA KABEL ANODA
SCOTCHCAST RESIN
SPLIT BOLT
81
MOLDED PLASTIC BODY
scotchcast
Anoda dengan backfill
82
i
