PENGARUH KONSENTRASI CH3COOH TERHADAP KARAKTERISASI KOROSI BAJA BS 970 DI LINGKUNGAN CO2
RENDY WAHYU SANTOSO NRP 2707 100 040 Dosen Pembimbing : Budi Agung Kurniawan, ST., MSc. JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2011
ABSTRAK Korosi CO2 merupakan masalah utama di dunia minyak dan gas bumi. Adanya karbon dioksida yang larut dalam uap air sebagai impuritas dari minyak dan gas bumi memicu terjadinya korosi pada baja sebagai material pada saluran pipa. Menurut penelitian sebelumnya, asam asetat diketahui mempengaruhi kelajuan korosi di lingkungan CO2. Korosi karbon dioksida menghasilkan produk korosi besi(II) karbonat yang larut dalam pipa maupun mengendap di permukaan pipa minyak. Adanya lapisan film yang mengendap ini membantu menghambat terjadinya korosi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pengaruh konsentrasi asam asetat terhadap karakterisasi korosi di lingkungan CO2. Penelitian dilakukan dengan pengujian korosi pada baja BS 970 pada media korosi NaCl 3%wt. Pengujian dilakukan pada konsentrasi CH3COOH 100; 500; 1000; 1500 dan 2000 ppm, dan temperatur 65° dan 75°C dengan pH 5,5. Pengukuran dilakukan dengan metode EIS dan metode Tafel untuk mengetahui laju korosi dan perilaku korosi. Kemudian dilakukan pengujian SEM pada semua sampel dan pengujian XRD pada sampel dengan parameter ekstrim yaitu pada konsentrasi 2000 ppm dengan temperatur 75°C. Hasilnya menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi asam asetat, semakin tinggi pula laju korosinya, namun pada konsentrasi 2000 ppm, laju korosi menurun. Pada hasil XRD menunjukkan mulai terbentuknya lapisan FeCO3 pada permukaan spesimen. Dari hasil SEM menunjukkan adanya lapisan FeCO3 yang terbentuk dan semakin tinggi konsentrasi asam asetat, lapisan FeCO3 lebih berpori.
BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang
Minyak mentah
BS 970 Korosi CO2
CO2
CH3COOH
Pengaruh terhadap Laju Korosi ??
Perumusan Masalah
Mengetahui peran CH3COOH dalam mempengaruhi proses korosi CO2 dan lapisan film FeCO3 Tujuan Penelitian Untuk menghasilkan informasi dan hasil analisa yang lebih komprehensif mengenai korosi CO2 dan faktor-faktor yang berperan di dalamnya Untuk menghasilkan kajian mengenai peran asam asetat dalam mempengaruhi proses korosi serta mempengaruhi kemampuan perlindungan lapisan film FeCO3 di permukaan baja BS 970 sebagai bahan atau material yang paling banyak digunakan di dunia minyak dan gas bumi.
Batasan Masalah pH larutan selama proses reaksi elektrokimia dianggap konstan. Temperatur larutan selama proses reaksi elektrokimia dianggap konstan. Tekanan parsial dan konsentrasi gas CO2 di dalam beaker glass dianggap konstan. Beaker glass dianggap kedap udara. Kekasaran permukaan spesimen dianggap homogen dan tidak mempengaruhi reaksi pembentukan lapisan film pada permukaan spesimen
Manfaat Penelitian Mempelajari korosi CO2 pada pipa-pipa industri minyak bumi dan gas. Data dari hasil penelitian dapat dijadikan acuan dalam menentukan laju korosi pada pipa-pipa industri minyak bumi dan gas dan faktor-faktor yang berperan di dalamnya.
Data dari hasil penelitian dapat dijadikan acuan untuk penelitian tentang perlindungan terhadap korosi CO2. Dapat dijadikan acuan tentang pengaruh asam asetat terhadap laju korosi CO2 pada pipa.
BAB II DASAR TEORI
Korosi CO2 Di dalam minyak mentah, gas CO2 bereaksi dengan air membentuk asam karbonat
Asam karbonat selanjutnya terdisosiasi menjadi ion karbonat dan bikarbonat
• CO2(aq) + H2O → H2CO3(aq) • H2CO3 ↔ H+ + HCO3• HCO3- ↔ H+ + CO32-
Ketika konsentrasi HCO3- dan CO32- naik, maka laju pelarutan besi akan naik
Pelarutan besi di lingkungan CO2 Sehingga reaksi keseluruhan pada proses ini :
•Fe → Fe2+ + 2e-
•Fe2+ + CO2(aq) + H2O → FeCO3(aq) + H2(g) •Fe2+ + HCO3- → FeCO3(s) + H+
Skema korosi CO2 pada baja digambarkan pada gambar 2.3 berikut
Gambar 2.4 Skema korosi CO2 pada baja dengan lapisan film permukaannya
Pengaruh Asam Asetat pada Korosi CO2
Disosiasi asam asetat : CH3COOH → H+ + CH3COO-
Bereaksi dengan besi : Fe2+ + 2(CH3COOH) → Fe(CH3COO)2 + H2
Sebagai penyedia ion hidrogen Berikatan dengan ion Fe2+
Menurunkan pH
Menurunkan pembentukan lapisan pelindung FeCO3
Pengaruh Temperatur pada Korosi CO2 Pada temperatur rendah, laju korosi meningkat karena kelarutan film FeCO3 tinggi Seiring dengan peningkatan temperatur (sekitar 60-80 ° C) lapisan besi karbonat menjadi lebih melekat ke permukaan logam dan lebih protektif di alam yang mengakibatkan penurunan laju korosi
Gambar 2.5 Pengaruh temperatur terhadap laju korosi pada lingkungan CO2
Studi hasil penelitian sebelumnya Crolet dan Bonis, menyatakan bahwa keberadaan asam asetat akan
secara signifikan meningkatkan laju korosi karena adanya reduksi Hac secara langsung pada permukaan baja. Oblonski, dkk, menyatakan bahwa konsentrasi asetat tidak
berpengaruh pada analisa kimia dari produk lapisan korosi. Joosten, dkk, mengemukakan bahwa peningkatan laju korosi akibat
asam asetat dikarenakan adanya penurunan pH. Liu, dkk, menyatakan bahwa asam asetat menyerang lapisan film
FeCO3 sehingga jumlahnya di permukaan berkurang dan kemampuan melindungi menurun akibat permukaan baja terekspos kembali dan bereaksi dengan lingkungan.
BAB III METODOLOGI 3
4
1
5
7
2 6
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Elektroda Kerja (spesimen) Beaker Glass Elektroda bantu (Platinum) Elektroda referensi (Hg/Hg2Cl2) Bubbler CO2 Water Jacket Magnetic Stirrer
Preparasi Spesimen
Gambar 3.3 Spesimen uji
Prosedur Start
Preparasi Spesimen
Pembuatan larutan NaCl 3%wt dan Set up spesimen dan elektrode Dilakukan pengaturan pH sebesar 5,5 dengan menambahkan NaHCO3 0,1 M
Ditambahkan asam asetat dengan variabel masing-masing 100, 500, 1000, 1500, dan 2000 ppm
Dialirkan gas CO2 ke dalam beaker glass
Dipanaskan pada temperatur konstan dengan variasi temperatur 65° dan 750C selama 30 menit
A
A Uji EIS Dilakukan setelah semua parameter terpenuhi
Uji Tafel Dilakukan setelah uji EIS sebanyak 1 kali
Identifikasi fasa (XRD) untuk sampel dengan variabel konsentrasi 2000 ppm, T 75°C
Pengamatan Morfologi dan Permukaan (SEM)
Analisa Data dan Pembahasan
Kesimpulan
End
Tabel 3.2 Uji Impedansi dengan EIS
Parameter Larutan Gas Tekanan Parsial pH Lama Pengujian Temperatur (0C) Konsentrasi HAC (ppm)
DC potensial AC Initial frequency AC Final frecuency Kecepatan Rotasi Magnetic Stirrer
Remarks 3%wt NaCl CO2 1 bar 5,5 ± 20 menit 65, 75 100, 500, 1000, 1500, 2000 free mV 10 kHz 50 mHz 400 rpm
Tabel 3.3 Uji Polarisasi dengan Metode Tafel Parameter Larutan Gas Tekanan Parsial pH Lama Pengujian Temperatur (0C) Konsentrasi HAC (ppm) DC potensial Sweep Rate Kecepatan Rotasi Magnetic Stirrer
Remarks 3%wt NaCl CO2 1 bar 5,5 ± 20 menit 65, 75 100, 500, 1000, 1500, 2000 ± 50 mV 0,5 mV/s 400 rpm
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Penelitian 4.1.1. Metode Tafel
Temperatur (°C)
65
Konsentrasi (ppm) 100 500 1000 1500 2000 100 500
75
1000 1500 2000
E (i=0) Rp ohm.cm2 (mV) -692.9 121.83 -692.4 100.99 -691.9 62.25 -675.6 16.12 -672.8 12.78
i corr mA/cm2 87.0671 102.5064 0.2285 0.9757 0.7742
CR mm/Y 1.018 1.198 2.672 11.41 9.055
-686.1 -686.1
154.89 152.58
68.3951 70.0288
799.9 µ 819 µ
-693.1 -697.8 -692.8
131.74 75.49 100.06
82.4755 127.1667 107.4015
964.6 µ 1.487 1.256
12
10
CR (mpy)
8
6 65C 75C
4
2
0 0
200
400
600
800
1000
1200
konsentrasi CH3COOH (ppm)
1400
1600
1800
2000
Terjadi peningkatan laju korosi pada penambahan hingga 1500 ppm dikarenakan adanya penurunan pH secara signifikan akibat meningkatnya ion H+
dan terjadi kompetisi antara ion bikarbonat dan asetat dalam mengikat ion Fe2+ sehingga faktor pendorong terbentuknya lapisan protektif FeCO3 pada permukaan spesimen menurun.
Terjadi penurunan laju korosi pada penambahan 2000 ppm CH3COOH disebabkan karena besi asetat sebagai produk korosi yang memiliki kelarutan
tinggi dalam air, sehingga kandungan ion Fe2+ meningkat dengan bertambahnya konsentrasi asam asetat yang menyebabkan kelewatjenuhan ion Fe2+ yang mendorong balik pembentukan paisan protektif FeCO3. Penurunan ini juga disebabkan oleh laju pertumbuhan dari lapisan pelindung yang terbentuk pada sistem dengan kapasitas buffer tinggi lebih terkontrol dibandingkan di dalam sistem dengan kapasitas buffer yang rendah.
Laju korosi rata-rata pada temperatur 65°C lebih tinggi daripada pada
75°C dikarenakan lapisan protektif yang terbentuk pada temperatur 75°C lebih banyak
jika dibandingkan pada temperatur 65°C.
4.1.2 Metode EIS
Temp. (°C)
65
75
Konsentrasi asam asetat (ppm) 100 500 1000 1500 2000 100 500 1000 1500 2000
Rs (ohm.cm2)
Rct (ohm.cm2)
3,383 1,798 2,658 2,606 2,214 2,538 3,026 2,457 1,174 2,066
23,26 104,0 134,3 111,0 124,7 9,528 6,544 59,69 79,52 78,40
Dari Tabel 4.2 dapat dilihat bahwa nilai tahanan larutan menurun karena
konsentrasi asam asetat yang semakin meningkat. Nilai tahanan yang menurun dengan meningkatnya konsentrasi asam asetat disebabkan produk korosi yang berupa ion-ion Fe2+ meningkat dan turut berperan sebagai penghantar muatan listrik. Dengan naiknya konsentrasi asam asetat, tahanan larutan,Rs, sedikit menurun, tahanan transfer muatan, Rct, meningkat. Dengan naiknya temperatur, tahanan larutan,Rs, sedikit menurun, tahanan transfer muatan, Rct, juga menurun. Kondisi ini menggambarkan dikendalikannya laju korosi oleh kinetika transfer muatan disebabkan oleh sedikitnya ketebalan maupun kerapatan lapisan pelindung. Rct makin rendah, berdampak pada peningkatan transfer muatan atau peningkatan laju korosi baja karbon. Penurunan tahanan lapisan pelindung disebabkan jumlah pori makin banyak sehingga ion H+ dapat berdifusi menembus lapisan pelindung melalui pori tersebut. Akibatnya laju korosi baja karbon ditentukan oleh difusi ion-ion H+.
4.1.3 Hasil XRD
Fe3C
FeC FeCO3
Fe3C merupakan senyawa dengan intensitas tertinggi sedangkan
lapisan FeCO3 yang terbentuk masih sedikit karena pengujian dilakukan secara short term sehingga lapisan FeCO3 yang
terbentuk masih sedikit dan belum menutupi permukaan spesimen secara keseluruhan.
4.1.4 Hasil SEM
Gambar 4.2 Hasil Foto SEM permukaan baja pada temperatur 65°C dan variasi konsentrasi asam asetat (a) 100 ppm, (b) 500 ppm, (c) 1000 ppm, (d) 1500 ppm dan (e) 2000 ppm dengan perbesaran 1.000x
Gambar 4.3 Hasil Foto SEM permukaan baja pada temperatur 75°C dan variasi
konsntrasi asam asetat (a) 100 ppm, (b) 500 ppm, (c) 1000 ppm, (d) 1500 ppm dan (e) 2000 ppm dengan perbesaran 1.000x
terlihat beberapa titik putih yang merupakan lapisan/kerak FeCO3,
sedangkan bagian lainnya yang gelap, merupakan bagian yang telah terkorosi semakin tinggi konsentrasi larutan asam asetat, semakin sedikit lapisan FeCO3
yang terbentuk
terdapat beberapa lubang (hole) yang diidentifikasi sebagai korosi
sumuran. Terjadinya korosi sumuran dapat disebabkan karena tidak meratanya
pembentukan lapisan protektif FeCO3 pada permukaan spesimen disebabkan oleh perbedaan laju korosi antara satu tempat dengan tempat lainnya pada permukaan spesimen. Akibat tidak meratanya pembentukan lapisan protektif pada permukaan spesimen, menyebabkan terjadinya perbedaan kekasaran pada permukaan spesimen sehingga menimbulkan turbulensi ringan yang menyebabkan penipisan setempat pada lapisan protektif, yang diikuti dengan pembentukan pori. Aktivitas korosi menjadi lebih tinggi pada lokasi yang berpori sehingga terjadi kerusakan setempat. Korosi sumuran dimungkinkan terjadi pada kondisi lingkungan dalam media jenuh CO2 mengandung ion-ion Cl- dengan konsentrasi tinggi.
BAB V KESIMPULAN Terjadi peningkatan laju korosi pada penambahan CH3COOH hingga
konsentrasi 1500 ppm Terjadi penurunan laju korosi pada penambahan 2000 ppm CH3COOH Lapisan FeCO3 yang telah terbentuk belum menutupi permukaan
spesimen secara keseluruhan Terjadi korosi sumuran.
DAFTAR PUSTAKA Nesic, Srdjan, “Key issues related to modelling of internal corrosion of oil and gas
pipeline – A review”, Institute for Corrosion and Multiphase Technologi, USA, 2005. Nazari, M.H & Allahkaram, S.R, “The effect of acetic acid on the CO2 corrosion of grade X70 steel”, University of Tehran, Iran, 2010. Gao, Kewei, et.al, “Mechanical properties of CO2 corrosion product scales and their relationship to corrosion rates”, University of Science and Technologi Beijing, Beijing, 2008. Zhang, G.A & Cheng, Y.F, “Corrosion of X65 steel in CO2-saturated oilfield formation water in the absence and presence of acetic acid”, University of Colgary, Canada, 2009. Zhang, G.A & Cheng, Y.F, “On the fundamentals of electrochemical corrosion of X65 steel in CO2-containing formation water in the presence of acetic acid in petrolium production”, University of Colgary, Canada, 2008. Sun, Wei, et.al, “A Study of Protective Iron Carbonate Scale Formation in CO2 Corrosion”, Ohio University, USA, 2004.
