PERANCANGAN SISTEM PROTEKSI KATODIK METODE ARUS PAKSA PADA PIPA PDAM KOTA SURABAYA JALUR DISTRIBUSI JEMBATAN MERAH – KEDUNG COWEK Tito Yanuar Saputra1, Prof.Dr.Ir. Sulistijono, DEA2, Sigit Tri Wicaksono S.Si, M.Si3 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS 2 Profesor Bidang Korosi Dan Kegagalan Jurusan Teknik Material Metalurgi 3 Dosen Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS e-mail :
[email protected] Abstrak Proteksi katodik digunakan untuk melindungi struktur logam yang tercelup atau tertanam di dalam elektrolit yang konduktif seperti air atau tanah dari serangan korosi dengan cara menekan terjadinya reaksi anodik dengan pembuatan seluruh struktur logam menjadi lebih bersifat katodik. Kondisi tanah yang bersifat korosif menentukan pemberian proteksi pada struktur agar tetap dapat berfungsi dengan baik hingga waktu yang ditentukan. Permasalahannya adalah berapa arus dan tegangan yang dibutuhkan dari rectifier serta jumlah anoda yang dibutuhkan agar struktur yang ditanam dalam tanah tersebut terproteksi hingga waktu yang direncanakan. Dalam perencanaan sistem proteksi katodik arus paksa untuk pipa saluran air PDAM kota Surabaya yang mempunyai lintasan struktur sepanjang 4,3 Km, data pengukuran kondisi tanah dan potensial korosi struktur, menentukan voltase, arus output serta jumlah anoda di setiap rectifier digunakan sebagai dasar dalam merencanakan sistem proteksi. Dari hasil perancangan dan perhitungan, didapatkan kesimpulan bahwa penggunaan 1 Rectifier dengan 2 buah anoda adalah yang terbaik dilakukan, karena lebih ekonomis dari segi biaya dan daya output dari rectifier serta dapat memproteksi jaringan pipa sepanjang 4,323 Km selama masa yang telah ditentukan yaitu 20 tahun. Kata kunci : proteksi katodik arus paksa, pipa bawah tanah, resistivitas tanah, rectifier, anoda I. PENDAHULUAN Di masa industri modern, penggunaan struktur yang berbahan logam yang ditanam di dalam tanah semakin banyak penggunaannya, seperti jaringan pipa, struktur penyangga bangunan maupun kabel – kabel yang digunakan sebagai sarana komunikasi. Hal ini merupakan suatu investasi yang sangat besar. Tanpa adanya pengendalian ataupun buruknya sistem pengendalian terhadap korosi, struktur logam yang berhubungan langsung dengan tanah akan mudah terserang korosi. Metode utama untuk mengurangi korosi pada permukaan pipa bawah tanah adalah penggunaan lapis lindung (coating) dan instalasi sistem proteksi katodik. Proteksi katodik merupakan salah satu teknik untuk mengurangi laju korosi pada permukaan logam dengan menjadikannya sebagai sel elektrokimia yang bersifat katodik. Diperlukan sumber arus eksternal untuk mengubah potensial logam ke arah negatif (menunjuk pada proteksi katodik arus paksa) atau menggunakan anoda tumbal.
Pada Pipa air milik Perusahaan Daerah Air Minum Kota Surabaya yang tertanam di sepanjang jalur distribusi Kembang Jepun sampai dengan Kedung Cowek, ditemukan permasalahan kompleks yaitu diketahui proteksi korosinya telah mati. Proteksi korosi yang sebelumnya digunakan adalah proteksi katodik metode arus paksa. Dengan perancangan ulang yang dilakukan, maka diharapkan pipa akan kembali terproteksi dari serangan korosi sehingga pipa tersebut dapat digunakan sampai batas waktu yang ditentukan yaitu 20 tahun. II. DASAR TEORI 1. Sistem Arus Paksa (Impressed Current) Pada sistem arus paksa, sumber arus berasal dari luar, biasanya dari DC atau AC yang dilengkapi dengan penyearah arus (rectifier), dimana kutub negatif dihubungkan ke struktur yang dilindungi dan kutub positif dihubungkan ke anoda. Arus mengalir dari anoda melalui elektrolit ke permukaan 1
struktur, kemudian mengalir sepanjang struktur dan kembali rectifier melalui konduktor elektris. Karena struktur menerima arus dari elektrolit, maka struktur menjadi terproteksi. Keluaran (output) arus rectifier diatur untuk mengalirkan arus yang cukup sehingga dapat mencegah arus korosi yang akan meninggalkan daerah anoda pada struktur yang dilindungi. Sistem arus paksa digunakan untuk melindungi struktur yang besar atau membutuhkan arus proteksi yang lebih besar dan dipandang kurang ekonomis jika menggunakan anoda korban. Sistem ini dapat dipakai untuk melindungi strktur baik yang tidak dicoating, kondisi coating yang kurang baik maupun kondisi coating yang baik. Kelebihan dari sistem arus paksa ini adalah dapat didesain untuk aplikasi dengan tingkat fleksibilitas yang tinggi karena mempunyai rentang kapasitas output arus yang luas. Artinya kebutuhan arus dapat diatur baik secara manual maupun secara otomatis dengan merubah tegangan output sesuai dengan kebutuhan, kelebihan lain dari sistem ini dengan hanya memasang sistem di salah satu tempat dapat memproteksi yang cukup besar. Kekurangan sistem ini yaitu memerlukan perawatan yang lebih banyak disbanding sistem anoda korban sehingga biaya operasi akan bertambah, sistem ini juga mempunyai ketergantungan terhadap kehandalan pasokan energi (rectifier) sehingga kerusakan pada sistem ini akan berakibat fatal terhadap kinerja sistem proteksi, disamping itu ada kemungkinan dapat menimbulkan masalah efek interferensi arus terhadap struktur disekitarnya
Gambar 2.1 Sistem Proteksi Katodik Arus Paksa 2. Anoda Pada sistem arus paksa disamping anoda sebagai sumber electron juga dibutuhkan sumber arus seperti rectifier yang dihubungkan dengan anoda.
Anoda untuk metoda arus paksa umumnya diklasifikasikan ke dalam tiga tipe : 1. Anoda tipe aktif (terkonsumsi cepat) : besi atau baja 2. Anoda semi-pasif (semi-terkonsumsi) : grafit, timbal, besi-silikon. 3. Anoda pasif sempurna (tidak terkonsumsi) : terbuat dari platina. Tabel 1 Jenis-jenis anoda yang digunakan pada sistem proteksi katodik arus paksa. Bahan Konsumsi Penggunaan (kg. A-1.t-1) Platinum 8.10-6 Lingkungan dan logam laut lapis platinum Besi 0,25 – 1,0 Sistem air silicon minum, pipa tinggi bawah tanah urugan bahan karbon Baja 6,8 – 9,1 Lingk. Laut, urugan bahan karbon Besi 9,5 Lingk. Laut, urugan bahan karbon Besi cor 4,5 – 6,8 Lingk. Laut, urugan bahan karbon Timbal 0,09 Lingkungan platinum laut Timbal 0,09 Lingkungan perak laut Grafit 0,1 – 1,0 Lingk. Laut, sistem air minum, urugan bahan karbon (Threthwey,1991) 3. Transformer Rectifier Untuk memproteksi pipa pada sistem arus paksa dibutuhkan sumber arus proteksi yang berasal dari luar seperti: Rectifier, Solar Cell, dan Generator. Rectifier adalah alat yang digunakan sebagai penyearah arus yang berfungsi untuk mengubah arus dari arus bolak-balik (AC) ke arus searah (DC). Seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Ada beberapa jenis rectifier yang akan digunakan tergantung pada kondisi lingkungannya, antara lain : Rectifier dengan pendingin udara 2
Rectifier dengan pendingin minyak Rectifier arus konstan Rectifier dengan kontrol potensial otomatis.
Gambar 2.2 Transformer Rectifier (www.jdevs.com) Rectifier juga harus dilengkapi dengan: Input circuit breakers dan sekring untuk perlindungan terhadap overload Metering, voltmeter dan ampere meter yang mempunyai skala dan pelindung Fasilitas metering tambahan untuk pembacaan eksternal Terminal untuk kabel sampai 16mm2 Pengatur keluaran arus dan daya listrik 4. Lapis Lindung Pipa Lapis lindung merupakan lapisan film kontinyu dari material penyekat listrik di atas permukaan logam yang diproteksi. Material ini mengisolasi logam dari kontak langsung dengan elektrolit di sekelilingnya (mencegah elektrolit terhubung dengan logam) sekaligus sebagai penghalang yang memberikan hambatan listrik tinggi sehingga reaksi-reaksi elektrokimia tidak dapat terjadi. Fungsi primer lapis lindung pada pipa yang terproteksi katodik adalah mengurangi luasan permukaan logam yang terekspos pada pipa sehingga arus proteksi katodik yang diperlukan untuk melindungi logam dapat dikurangi. (Peabody, 2001) Menurut NACE Standards RP0169-96 Section 5, lapis lindung sebagai sarana pengendali korosi yang efektif memiliki karakteristik sebagai berikut: 1. Penyekat listrik yang efektif 2. Penghalang uap (kelembapan) efektif. 3. Mampu diaplikasikan. 4. Sejalan dengan waktu mampu menahan perkembangan holidays. 5. Memiliki adhesi yang baik terhadap permukaan pipa.
6. Mampu menahan kerusakan akibat perawatan normal, penyimpanan (degradasi sinar ultra violet), dan pemasangan. 7. Sejalan dengan waktu, mampu memelihara tahanan jenis listrik secara konstan. 8. Ketahanan terhadap disbonding. 9. Mudah diperbaiki. 10. Interaksi dengan lingkungan tidak menghasilkan zat beracun. 5. Resistivitas Tanah Resistivitas suatu jenis tanah adalah kemampuan tanah tersebut untuk menghambat aliran listrik. Jika resistivitas tanah rendah maka arus listrik semakin mudah mengalir begitu juga sebaliknya. Tanah mempunyai karakter kimiawi dan fisik yang bervariasi dan dapat mempengaruhi tingkat korosi pada logam. Pada umumnya tanah mengandung empat unsur utama, yaitu bahan mineral, bahan organik air dan udara. Karakteristik tanah yang berpengaruh terhadap tingkat korosi yang dihasilkan adalah resistivitas tanah. Resistivitas jenis suatu tanah ditentukan oleh jumlah ion dalam tanah sebagai elektrolit karena arus listrik mengalir dalam elektrolit melalui mekanisme perpindahan ion-ion tersebut. Jika jumlah ion yang terdapat dalam tanah banyak maka komponen pembawa aliran listrik semakin banyak dan arus mudah mengalir. Dengan kata lain resistivitas tanah semakin rendah, proses korosi semakin meningkat dan sebaliknya. Survei tahanan jenis (resistivitas) tanah mutlak dilakukan pada tahap awal perencanaan teknis sistem proteksi katodik. T ahanan j enis tanah mer upakan fungsi dar i kandungan kelembaban, kandungan garam, jenis gararn dan temperatur tanah. Secara umum, terdapat pertalian antara tahanan jenis tanah dengan laju korosi. Hal ini disebabkan korosi merupakan suatu fenomena elektrokimia sehingga semakin rendah tahanan jenis tanah, hambatan sirkuit yang dihasilkan juga semakin kecil. Akibatnya, sel-sel korosi mampu mengalirkan arus korosi dengan lebih mudah dan laju korosi dipercepat. (Arnoux, 2002)
3
Tabel 2 Klasifikasi resitivitas tanah Rentang Klasifikasi Antisipasi Resistivitas Resistivitas aktivitas (Ohm – cm) korosi 0 – 2.000
Rendah
2.000 – 10.000
Sedang
Sangat tinggi Tinggi
10.000 – 30.000
Tinggi
Sedang
7. Diagram Pourbaix Diagram Pourbaix dikenal juga dengan diagram Eh-Ph. Sumbu vertikal diberi label Eh untuk tegangan potensial terhadap elektroda hidrogen standar (SHE). Sumbu horizontal diberi label pH-log untuk fungsi dari konsentrasi ion H +. Gambar Diagram Pourbaix dapat ditunjukkan pada Gambar 3.
Lebih dari Sangat tinggi Rendah 30.000 Sumber : A.Sulaiman, Karyanto H.1992 “Corrosion control dan Monitoring”, Jakarta: Workshop Pertamina. Nilai hasil pengukuran mencerminkan sifat kelistrikan dari media elektrolit yang mempengaruhi kemampuan arus korosi untuk mengalir melalul media tersebut. Oleh karena itu pada perancangan sistem proteksi katodik, tujuan dan dari survei resisitivitas tanah adalah untuk mengetahui tingkat kekorosifan masing-masing lingkungan tanah yang dilalui struktur. Selanjutnya dari nilai tersebut dapat ditentukan tipe sistem proteksi katodik yang akan diaplikasikan, arus perlindungan yang diperlukan, jumlah anoda, dan lokasi pemasangan anoda groundbed. (Parker, 1984) 6. Potensial Perlindungan British Standard Institute (BSI) Code Of Practice For Cathodic Protection memberikan nilai-nilai tegangan perlindungan logam terhadap elektrolit yang diukur terhadap bermacam-macam elektroda referens. Tabel 3 Potensial Perlindungan Struktur Pipa Elektroda Lingkungan Lingkungan Referens Aerobik Anaerobik
Gambar 2.3 Diagram Pourbaix (www.2.bp.blogspot.com) Penambahan pH (ke kanan) Titik Q selalu berada di zona korosi untuk berapapun harga pH. Pemberian potensial yang lebih negatif (kebawah) Titik Q masuk kedaerah kebal (imun) dan korosi tidak terjadi. Cara ini menjadi prinsip Proteksi Katodik. Pemberian potensial yang lebih positif (keatas) Q masuk daerah pasif. Jika lapisan pasif yang terbentuk bersifat pelindung, maka cara ini bisa dipakai sebagai prinsip Proteksi Anodik.
Cu/CuSO4 -0.85 -0.95 Ag /AgCl air -0.80 -0.90 laut Ag / AgCl KCl -0.75 -0.85 jenuh Zn / air laut +0.25 +0.15 Sumber : BS 7361 Part 1 Cathodic Protection. Part 1 Code of Practice for Marine and Land Application.
4
A
A1
III. METODE PERANCANGAN Penghitungan Keperluan Arus Proteksi
Diagram alir
Apakah Arus Memadai
Start
Tidak
Ya Penghitungan Keluaran Arus DC Minimum
Kriteria Desain
Data Struktur
Penghitungan Luas Permukaan Struktur yang akan Dilindungi
Data Lapis Lindung
Penghitungan Kebutuhan Arus Proteksi
Penghitungan Tahanan Anoda
Penentuan Berat dan Jumlah Anoda
Penghitungan Tahanan Groundbed
Data Tanah
Penghitungan Daya yang Diperlukan dari Transformer Rectifier
Penghitungan Tahanan Pipa
Pembuatan Maket
End
Safety Factor
Penghitungan Konduktivitas Lapis Lindung Pipa
Langkah - Langkah Perancangan Pengumpulan Data Kriteria desain Umur desain : 20 tahun Limit positif : -850 mV Limit negatif : -1100 mV (Peabody)
Penghitungan Konstanta Attenuasi
Penghitungan Potensial Geser pada Drainage Point
A
A1
Standar perancangan Desain sistem proteksi katodik arus paksa mengikuti standar : NACE Standards : NACE Standard RP-0169-2002 Control Of External Corrosion Of Underground or Submerged Metallic Piping System NACE Standard RP-0572-2001 Design, Installation, Operation, and Maintanance of Impressed Current Deep Groundbeds NACE Standard RP-0286-97 Electrical Isolation Of Cathodically Protected Pipelines A.W. Peabody, Control of Pipeline Corrosion, NACE International The Corrosion Society Survey resistivitas tanah Tujuan survei tahanan jenis tanah dengan menggunakan metode Wenner adalah :
5
a. Mengetahui tingkat korosi masingmasing lingkungan tanah yang dilalui struktur b. Menentukan besar densitas arus yang diperlukan pada perhitungan total arus proteksi, c. Menentukan lokasi penempatan anoda dengan tepat, sehingga diperoleh proteksi yang maksimal terhadap struktur. Untuk mendukung survei tahanan jenis tanah maka digunakan peralatan adalah sebagai berikut. Earth 4 pins Megger Nilsson Model 400 AVO DET 4/5R
Multitester
Gambar 3.4 Multitester UX 37 TR Adapun prosedur pengukurannya sebagai berikut: a. Memasukkan empat pin baja ke dalam tanah pada jarak yang tetap dalam satu garis lurus. Selanjutnya hubungkan masing-masing pin pada instrumen pengukur seperti gambar berikut: b.
Gambar 3.1 Alat pengukur resistivitas tanah 4 pins Megger Kabel tembaga merek Eterna 2.5 mm2 (SNI)
Gambar 3.2 Kabel tembaga Empat buah pin mild steel dengan dimensi sama
Gambar 3.3 pin mild steel dengan panjang 30 cm, diameter 8 mm
Gambar 3.5 Konfigurasi metode Wenner Jarak antar pin dapat ditentukan menggunakan meteran. Jarak ini mewakili pengukuran tahanan jenis dari kedalaman elektrolit dengan variasi 1.5; 3 dan 6 meter. b. Dua pin terluar (C1 dan C2) merupakan elektrode arus, sedang dua pin pada bagian dalam (P1 dan P2) merupakan elektrode potensial yang mengukur penurunan potensial karena adanya hambatan dari elektrolit (tanah) ketika arus AC dilewatkan diantara pin-pin terluar. c. Mengukur nilai hambatan secara langsung pada instrumen Megger dan menghitung nilai tahanan jenisnya sesuai persamaan berikut:
6
ρ = 2.π.a.R ............. (3.1) dengan: ρ = tahanan jenis tanah (Ohm-cm) a = jarak antar pin (cm) R = hambatan yang terukur (Ohm) ρ = 3.14 d. Harus diperhatikan bahwa pengukuran yang dilakukan dengan cara ini menunjukkan nilai rata-rata tahanan jenis tanah pada kedalaman tertentu terkait dengan jarak antara pin-pin yang berdekatan. Kedalaman pin (electrode) tidak boleh melebihi nila a/20. Hasil survei ini berupa nilai tahanan jenis tanah yang menggambarkan tingkat korosifitas dari lokasi tanah yang akan menjadi media elektrolit. Sehingga perencanaan jenis anoda tumbal yang digunakan akan menyesuaikan dengan hasil survei ini. 3.4 Desain arus paksa 1. Luas permukaan struktur yang akan dilindungi 2 A x D x L (m )..........(3.2)
2. Konduktan lapis lindung pipa
.D (ohm-m-1)...............(3.3)
g=
Ppipa
t D t
( ohm/m ) .....(3.4)
4. Konstanta attenuasi α=
-1
Apakah Eo masuk kriteria? 0,85 ≤ Eo ≤ 1,1 8. Tentukan keluaran arus DC minimum IR ≥ Io . Sf1 (A)..........................................(3.9) 9. Tentukan berat anoda Wo=
rcIR (kg)...............(3.10) U
10. Tentukan jumlah anoda n=
Wo . Sf2......................(3.11) W
11. Tentukan tahanan anoda tunggal Rh=
4e (ln -1) (ohm).... 2L d
........................................(3.12)
F=
.Sa.Rh
r (ohm)....................(3.6) G
6. Pergeseran potensial pipa di drainage point
(ln 0,66 n)..........
........................................(3.13) 13. Tahanan groundbed
r. g (m )......................(3.5)
5. Tahanan karakteristik rp =
Eo . tanh . α . X (A)....(3.8) rp
Io=
12. Faktor interferensi anoda
3. Tahanan pipa r=
7. Keperluan arus proteksi
Rn=
Rh F (ohm)........(3.14) n
14. Tegangan yang diperlukan Vo
= IR (Rn.Sf3.+RC) + e (V)
......................................(3.15)
Eo= E . cos h . α . X (V).......(3.7)
7
IV. HASIL PERANCANGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Pemeriksaan Kondisi Tanah Survei tahanan jenis tanah dilaksanakan sesuai standar ASTM G 57-78 yang dikenal sebagai Wenner Four-Pins Method, dimana arus bersumber dari dua buah aki yang terpasang secara seri dan dihubungkan ke pin-pin terluar. Aliran arus mengalir dari baterai menuju pinpin terluar melewati pin bagian dalam. Kemudian pada pin yang berada di dalam, di ukur tegangan dengan Voltmeter. Nilai tegangan (V) yang diperoleh kemudian dibagi dengan arus yang diberikan maka diperoleh tanahan tanah (R). Nilai tahanan tanah pada lokasi tersebut disubsitusikan ke persamaan resistivitas tanah, dan pada akhirnya dapat kita ketahui nilai resistivitas tanah pada lokasi tersebut. Pengukuran dilakukan pada beberapa titik di daerah yang dilewati pipa. Hal ini diperlukan untuk mengetahui karakterisitik tanah yang dilewati jaringan pipa, sehingga akhirnya nilai resitivitas terukur dapat dijadikan reverensi awal perancangan. Tabel 4.1 Hasil pengukuran resistivitas tanah tempat
Jarak antar pin
rata rata
ph
150 cm
300 cm
600 cm
sr1
1200
2700
1300
1733,3 ohm-cm
5.5
sr2
2500
1700
1200
1800 ohm-cm
6,3
sr3
3000
2000
1100
2200 ohm-cm
6.5
sr4
2000
1600
1000
1533,3 ohm-cm
6,2
sr5
1100
3500
1500
2033,3 ohm-cm
6
Dari tabel diatas dapat diketahui nilai resistivitas tanah di sepanjang jalur pipa yaitu :
1733,3 1800 2200 1533,3 2033,3 5 1860 Ohm.cm
= 18,6 ohm-m Nilai tahanan jenis tanah di atas mengindikasikan tipe tanah sangat korosif.
4.2 Perhitungan Perancangan 4.2.1 Luas Permukaan yang diproteksi Luas permukaan yang diproteksi yaitu luas permukaan pipa yang kontak langsung dengan tanah. Perhitungan luas permukaan luar dapat diperoleh dengan melibatkan diameter luar pipa yaitu 0,8 meter dan keseluruhan panjang untuk pipa yang digunakan yaitu sepanjang 4323 meter. Penentuan luas permukaan yang akan diproteksi dapat dihitung dengan menggunakan rumus persamaan (3.2) yaitu
A x D x L = 3,14 . 0,8 m . 4323 m = 10.859,376 m2 Dengan : D = diameter luar pipa (m) L= panjang pipa (m) = 3.14 A= luas permukaan yang diproteksi (m²) Dalam sistem proteksi katodik arus paksa, densitas arus merupakan fungsi dari nilai tahanan jenis tanah rata-rata hasil pengukuran. Nilai tersebut disesuaikan dengan tingkat kekorosifan tanah yang dilalui pipa. Tipe tanah ini selanjutnya menentukan densitas arus pada suatu nilai potensial perlindungan. Nilai ini dapat dilihat pada tabel 2.6 Hubungan Tahanan Jenis Tanah dengan Korosifitas. Faktor keamanan turut dilibatkan dalam perhitungan untuk memberikan penyesuaian terhadap penambahan luas permukaan karena adanya suaian (fitting), lengkungan (bending) dan lain sebagainya. 4.2.2 Konduktansi Lapis Lindung Pipa Untuk menentukan konduktansi lapis lindung pipa, terlebih dahulu diketahui nilai tahanan lapis lindung pipa dimana disini digunakan coaltar enamel yang menurut bukuhandbook of cathodic corrosion protection oleh Von Baeckmann,mempunyai tahanan sebesar 30.000 ohm-m2 , dari buku tersebut juga dapat diambil rumus perhitungan yang seperti terdapat pada persamaan (3.3) berikut ini
8
α = konstanta attenuasi (ohm-m-1) r = tahanan pipa (ohm-m-1) g = konduktansi lapis lindung pipa (ohm-m-1)
= = g ) D ω π
1
8,373 . 10-7 ohm-m-1
= konduktansi lapis lindung pipa (ohm-m= diameter luar pipa (m) = tahanan lapis lindung pipa (ohm-m2) = 3,14
4.2.3 Tahanan Pipa Dari data yang didasarkan pada buku Peabody halaman 79, didapatkan tahanan spesifik pipa yang mempunyai diameter 32 inch atau 0,8 meter adahalah 2,28 . 10-6 ohmmeter. Dalam menentukan tahanan pipa yang akan diproteksi, mengunakan tebal pipa sebesar 0,00953 meter. Maka dapat digunakan rumus persamaan (3.4) sebagai berikut
4.2.5 Tahanan Karakteristik Pipa Untuk Berdasarkan referensi dari buku Examples of design for cathodic protection system oleh Peabody, didapatkan rumus perhitungan untuk mendapatkan tahanan pipa yang telah diproteksi oleh lapis lindung atau tahanan karakteristik pipa, yang dihitung dengan mengakarkan pembagian tahanan pipa dengan konduktansi lapis lindung pipa, atau dapat juga menggunakan rumus persamaan (3.6) yaitu
= =
= -5
= 9,66 . 10
-1
ohm-m
r = tahanan pipa (ohm-m-1) Ppipa = tahanan spesifik pipa (ohm-m) (peabody) t = tebal pipa (m) D = diameter luar pipa (m) 4.2.4 Konstanta Attenuasi Berdasarkan referensi dari buku Examples of design for cathodic protection system oleh Peabody, didapatkan rumus perhitungan untuk mendapatkan konstanta attenuasi atau kelipatan pertambahan tahanan pipa, dengan menghitung akar dari perkalian tahanan pipa dan konduktansi lapis lindung pipa yang telah dihitung sebelumnya, atau dengan menggunakan persamaan (3.5) yaitu
=
1,1 ohm
rp = tahanan karakteristik pipa (ohm) r = tahanan pipa (ohm-m-1) g = konduktansi lapis lindung pipa (ohm-m-1) 4.2.6 Pergeseran Potensial Pipa Berdasarkan referensi dari buku Examples of design for cathodic protection system oleh Peabody pada halaman 15, didapatkan rumus perhitungan untuk mendapatkan potensial perlindungan pipa dari sistem anoda sampai ujung pipa yang telah direncanakan akan diproteksi, dengan memasukkan potensial proteksi minimal yaitu -0,85 volt, lalu dimasukkan juga jarak yang akan dihitung yang telah dikalikan dengan konstanta attenuasi yang telah dihitung sebelumnya, dan dapat pula menggunakan rumus persamaan (3.7) yaitu Eo = E cosh α L
= 8,99 . 10-5 ohm-m-1
= - 0,85 volt cosh (8,99 . 10-5 ohm-m-1 . 2323 m ) 9
= - 0,85 volt . 1,022
Sf1 = Safety Factor (1,25)
= - 0,869 volt
4.2.9 Berat Anoda Dengan memasukkan desain lama proteksi yaitu 20 tahun, laju konsumsi anoda yang terdapat pada buku peabody halaman 169 dan arus IR yang digunakan,maka dapat ditentukan berat anoda yang dibutuhkan. Dari rumus yang didasarkan pada buku Cathodic Protection oleh Uhlig halaman 1072 didapatkan perumusan untuk mendapatkan total berat anoda yang dibutuhkan untuk melindungi struktur selama waktu desain, yang dapat dihitung menggunakan persamaan (3.10) berikut ini.
Eo = pergeseran potensial pipa (volt) E = pergeseran potensial pipa minimum (volt) α = konstanta attenuasi L = jarak pipa terproteksi (m) 4.2.7 Kebutuhan Arus Proteksi Berdasarkan buku Examples of design for cathodic protection system oleh Peabody chapter 11, dapat dihitung kebutuhan arus awal yang diperlukan untuk melindungi pipa dari serangan korosi, dengan membagi pergeseran potensial pipa dengan tahanan karakteristik pipa, yang dapat ditentukan melalui persamaan (3.8) dibawah ini : Io
=
=
tanh α L
Wo =
= = 31,25 kg
tanh(8,99.10-5 ohm-m-1.2323 m )
= 0,8 Ampere . 0,21
Wo = berat anoda (Kg) Y = lama proteksi (tahun) C = laju konsumsi anoda (
)
= 0,17 Ampere Io Eo rp α
= = = =
keperluan arus proteksi (Ampere) pergeseran potensial pipa (volt) tahanan karakteristik pipa (ohm) konstanta attenuasi
4.2.8 Keperluan Arus DC minimum Dari referensi buku Corrosion oleh L.L.Shreir didapatkan perumusan untuk menentukan berapa arus searah (DC) minimum yang dibutuhkan untuk memproteksi pipa. Sebelumnya harus diketahui dulu kebutuhan arus proteksi (Io) yaitu 0,17 ampere dan memasukkan safety fakto, maka dapat digunakan pula perhitungan pada persamaan (3.9) yaitu IR ≥ Io . Sf1 IR ≥ 0,17 Ampere . 1,25 IR ≥ 0,213 Ampere IR = keperluan arus DC minimum (ampere) Io = keperluan arus proteksi (ampere)
IR = keluaran arus DC (ampere) U = faktor guna (80%) Faktor guna mengidentifikasikan fungsi anoda diasumsikan hanya digunakan sebesar 80 % dari total berat anoda. Dengan tujuan agar rancangan lebih aman dimana arus proteksi anoda memenuhi kebutuhan proteksi selama waktu desain. 4.2.10 Jumlah Anoda yang Dibutuhkan Setelah mendapatkan berat anoda total yang dibutuhkan, untuk menentukan jumlah anoda yang sesuai dan mencukupi untuk dilakukan proteksi katodik arus paksa pada pipa,terlebih dahulu harus diketahui berat 1 buah anoda yaitu 21 Kg dan safety factor yang digunakan. Untuk mendapatkan jumlah anoda yang dibutuhkan dapat menggunakan perhitungan persamaan (3.11) berikut ini. n =
Sf2
10
=
= 1,13 . 0,28
. 1,25
= 0,31
= 1,86 ≈ 2 anoda n = Wo = W = Sf2 =
F = = Sa = n =
jumlah anoda berat anoda total (Kg) berat anoda standar (Kg) safety factor (1,25)
4.2.11 Tahanan Anoda Tunggal Untuk mencari nilai tahanan 1 buah anoda terlebih dahulu harus diketahui resistifitas tanah di daerah pipa ditanam, panjang dan diameter anoda yang digunakan dalam perancangan. Untuk mendapatkan besar tahanan anoda tunggal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3.12) berikut. Rh =
=
( ln
)
(ln
)
= 1,94 ohm . 4,8 = 9,31 ohm Rh = tahanan anoda tunggal (ohm) = resistivitas tanah rata rata (ohm-m) L d
= panjang anoda (m) = diameter anoda (m)
4.2.12 Faktor Interferensi Anoda Untuk mendapatkan besaran faktor interferensi anoda, harus diketahui resistivitas tanah, jaraj pemasangan anoda dan tahanan anoda tunggal yang telah dihitung diatas serta jumlahg anoda yang digunakan. Berdasarkan buku Examples of design for cathodic protection system oleh Peabody pada halaman 134 dapat dihitung faktor interferensi anoda yang tertuang dalam persamaan (3.13) berikut ini. ( ln 0,66 n ) =
( ln 0,66 . 2 )
faktor interferensi anoda resistifitas tanah (ohm-m) jarak pemasangan antar anoda (m) jumlah anoda
Pada metode arus paksa, anoda tidak dipilih dari logam dengan potensial elektrode (emf) lebih negatif dari logam yang dilindungi, tetapi justru dipilih dari logam dengan potensial elektrode sama dengan material pipa atau justru yang lebih positif. Meskipun potensial elektrode anoda High Silicon Cast Iron sama dengan potensial pipa baja, elektron tetap mengalir dari anoda menuju pipa karena dipaksa oleh arus searah (DC) yang diperoleh dari transformer rectifier. Dengan demikian suatu struktur yang memiliki luasan besar dapat dilindungi oleh sebuah anoda tunggal dan karena tegangan dorong yang dimiliki tinggi, anoda dapat ditempatkan jauh dari struktur. 4.2.13 Tahanan groundbed Untuk menghitung besaran tahanan pada lokasi groundbed yang terdapat anoda terpasang, harus diketahui tahanan anoda tunggal dan faktor interferensi anoda yang telah dihitung diatas. Untuk mendapatkan nilai tahanan groundbed maka digunakan rumus persamaan (3.14) berikut ini
=
0,32
= 1,5 ohm Rn Rh n F
= = = =
tahanan groundbed (ohm) tahanan anoda individual (ohm) jumlah anoda faktor interferensi anoda
4.2.14 Tegangan yang diperlukan Untuk menentukan tegangan yang diperlukan dari transformer rectifier maka dapat dihitung dengan memasukkan besar arus IR, tahanan groundbed, tahanan karakteristik pipa serta tegangan dalam yang dimiliki 11
transformer rectifier. Penghitungan tegangan yang diperlukan dari transformer rectifier dapat menggunakan persamaan (3.15) berikut Vo = IR ( Rn . Sf3 + rp ) + e = 2,5 ampere ( 1,5 ohm . 1,5 + 1,1 ohm ) + 2,5 volt = 8,4 + 2,5 = 11 volt Vo IR Rn Sf3 Rp e
= tegangan yang diperlukan (volt) = keluaran arus DC (ampere) = tahanan groundbed (ohm) = safety factor = tahanan karakteristik pipa (ohm) = tegangan dalam (volt)
Maka untuk sistem proteksi katodik arus paksa yang akan direncanakan pada pipa PDAM Kota Surabaya sepanjang jalur Kembang Jepun sampai Kedung Cowek adalah
V
= 11 Volt DC
4.4 Pemilihan Anoda Pada perancangan proteksi katodik arus paksa ini perancang menggunakan anoda berupa High Silicon Cast Iron. Dasar – dasar pemilihan anoda tersebut adalah : 1. Sesuai dengan rencana masa proteksi yang diinginkan 2. Tidak memerlukan backfill pada lokasi groundbed sehingga meminimalkan biaya yang dibutuhkan untuk perancangan 4.5 Metode Pemasangan Anoda Anoda-anoda tersebut akan ditanam secara vertikal dalam satu vertical deep well groundbed. Jadi, pada Impressed Current Unit System di jalan Kembang Jepun terdapat 2 buah deep well groundbed dimana di dalam 1 buah deep well groundbed mengandung 1 . buah anoda high silicon cast iron
Anoda high silicon cast iron berat 1 anoda : 21 kg jumlah anoda : 2 Transformer rectifier output : Dari rumus yang didasarkan pada buku Cathodic Protection oleh Uhlig pada part 4 halaman 1072, didapatkan rumus untuk menghitung keluaran arus rectifier, sebagai berikut. I = Vmax / R total pipa = 1,1 volt / 0,4176 ohm = 2,634 Ampere = 2,5 Ampere V max
=
arus proteksi maksimal yang diperlukan (volt) R total pipa = tahanan pipa sepanjang jalur distribusi yang akan diproteksi (ohm) Dari hasil perhitungan rumus persamaan (3.15) didapatkan kebutuhan daya yang dikeluarkan oleh rectifier adalah
Gambar 4.1 Desain Groundbed Vertical deep well groundbed digunakan apabila tahanan jenis tanah pada permukaan sangat tinggi. Pada tipe ini digunakan casing dari baja untuk mencegah runtuhnya tanah galian. Sebuah anoda diikatkan pada pipa PVC dan ditempatkan di dalam casing. Spasi yang tersisa antara anoda dan casing tidak diisi dengan backfill, karena dalam prosedur penggunaan anoda high silicon cast iron tidak perlu menggunakan backfill. Casing baja akan terkonsumsi apabila groundbed bekerja. Casing yang mulai terserang korosi menjadikan anoda aktif. Walaupun deep well groundbed mampu 12
mendistribusikan arus dengan baik, akan tetapi biaya konstruksinya mahal karena perlu dilakukan pengeboran. Diperlukan perencanan yang hati-hati sebab kegagalan pada anoda tidak mudah diperbaiki. Apabila terjadi kerusakan anoda biasanya diperlukan pengangkatan dan penggantian anoda dengan yang baru. Lubang diameter deep well groundbed minimal 15 cm. Penggunaan diameter yang lebih besar direkomendasikan untuk arus yang lebih tinggi. Meskipun diameter yang lebih kecil bisa digunakan, akan tetapi praktek perancangan dan pemasangannya memerlukan pengawasan yang ketat.
Gambar 4.2 Desain pemasangan anoda groundbed 4.6 Penempatan Rectifier Penempatan Rectifier yang digunakan untuk menyuplai tegangan dan arus yang diperlukan untuk sistem proteksi katodik yang telah dirancang memperhatikan beberapa pertimbangan sebagai berikut : 1. Mudah bagi operator untuk melakukan maintenance 2. Dekat dengan sumber tenaga AC 3. Aman dari peluang tindak kriminal atau pencurian V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Sistem proteksi korosi yang diaplikasikan pada jaringan pipa air bawah tanah milik PDAM Kota Surabaya adalah sistem proteksi katodik metode arus paksa (impressed current cathodic protection). Pemilihan sistem
proteksi ini mempertimbangkan faktor-faktor sebagai berikut. Nilai tahanan jenis tanah rata-rata yang diperoleh dari survei resistivitas tanah mengindikasikan bahwa tanah pada daerah sepanjang jalur pemasangan pipa sangat korosif. Kemampuan sistem untuk memproteksi struktur yang berupa jaringan pipa tunggal dengan diameter luar sebesar 0,8 m sejauh 4,323 km. Rute jaringan pipa yang berada di tepi jalan raya memudahkan akses sumber listrik dari PLN. Pemakaian anoda seperti high silicon cast iron dapat didesain untuk masa pakai 20 tahun. Besar kecilnya keluaran arus proteksi dapat diatur dengan mudah melalui pengaturan tegangan dari transformer rectifier. Sistem proteksi katodik metode arus paksa akan dipasang pada 1 lokasi yaitu di jalan Kapasan Surabaya. Secara umum, sistem akan terdiri atas hal-hal berikut : 1. Satu unit transformer rectifier yang menggunakan pendingin udara dengan kontrol otomatis yang dilengkapi dengan mode manual. 2. Dua buah deep well groundbed masingmasing terdiri atas satu anoda high silicon cast iron. 3. Dipasang 2 buah test point masing – masing pada ujung perlindungan pipa. 4. Transformer Rectifier output - I = 2,5 Ampere - V = 11 Volt DC 5. Anoda yang digunakan Jenis anoda : high silicon cast iron - berat 1 anoda : 21 kg - jumlah anoda : 2 buah 5.2 Saran-saran a. Untuk mendapatkan potensial perlindungan yang diperlukan di seluruh permukaan pipa yang kontak langsung dengan tanah, yaitu minimal sebesar -0.85 V, perlu dilakukan pengukuran potensial perlindungan antara pipa dengan elektrode referens Cu/CuSO4 sepanjang jalur pipa setelah pemasangan sistem selesai dilakukan.
13
b. Pengukuran potensial perlindungan tiap bulan untuk tahun pertama sangat diperlukan untuk mengetahui adanya efek dari perubahan musim terhadap kondisi tahanan jenis tanah dan laju korosi.
DAFTAR PUSTAKA 1. Mars, G. Fontana. Corrosion Engineering, 3rd edition.1967. New York: Mc Graw-Hill Book Company. 2. Trethewey, K.R. dan J. Chamberlain. 1991. Korosi untuk Mahasiswa dan Rekayasawan. Jakarta : PT Gramedia Pustaka Utama. 3. McCoy, J. E. Juni 1970 "Corrosion Control by Cathodic Protection". Transactions of the Institute of Marine Engineering, Vol. 82, No 6,: 82-86. 4. Shreir, L. L, R. A. Jarman, G. T. Burstein. Corrosion Control, vol. 2. 1994. Oxford : Butter Worth – Heinemann Ltd. phillip A. Corrosion 5. Schweitzer, Resistant piping systems. 2010. New York : Mc Graw-Hill Book Company. 6. NACE Standard RP0169-2002, Control Of External Corrosion Of Underground or Submerged Metallic Piping System, Houston, TX : NACE. 7. Marshall E.Parker, Edward G. Peatie. Pipe-line Corrosion dan Cathodic Protection, 3rd edition 1984. Texas: Gulf Publishing Company. 8. Roberge, Pierre R. Handbook of Corrosion Engineering, 1999. New York: Mc Graw-Hill Book Company 9. Sulistijono. Diktat Kuliah Korosi, 1999. Surabaya: Fakultas Teknologi Industri ITS 10. A.Sulaiman, Karyanto H.1992 “Corrosion control dan Monitoring”, Jakarta: Workshop Pertamina.
14
