ABSTRAK
Jenis korosi yang banyak ditemukan pada sistem perpipaan adalah korosi erosi. Korosi erosi adalah kerusakan pada material logam akibat adanya pergerakan relatif fluida korosif dengan permukaan logam. Kecepatan fluida yang relatif tinggi dan mengandung partikel akan menyebabkan erosi, dan kecepatan fluida yang relatif lambat akan menimbulkan korosi saja. Tujuan jangka panjang dari penelitian ini adalah untuk pencegahan awal yang harus dilakukan para pengguna material khususnya baja karbon rendah dan dengan alat bantu uji korosi erosi dapat membantu para peneliti lain khususnya dosen di Politeknik Manufaktur Negeri Bangka Belitung untuk lebih mengembangkan penelitian sejenis dengan parameter uji yang berbeda. Target khusus yang ingin dicapai adalah memberikan informasi tentang bagaimana pengaruh kecepatan fluida dan konsentrasi NaCl terhadap kerusakan material dalam bentuk korosi, sehingga dapat memberikan informasi pencegahan awal yang harus dilakukan. Metode yang akan dipakai dalam pencapaian tujuan tersebut dibagi menjadi beberapa tahap, sesuai dengan jangka waktu usulan penelitian ini (satu tahun). perancangangan alat untuk mengkondisikan benda kerja berada dalam daerah air laut dan menerima beban akibat fluida dengan kecepatan tertentu proses uji korosi erosi proses pengukuran benda akibat korosi erosi dengan mengukur perubahan berat yang terjadi dan perubahan kontur benda kerja analisis data hasil pengujian.
1
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah satu jenis korosi yang banyak ditemukan pada sistem perpipaan adalah korosi erosi. Korosi erosi adalah kerusakan pada material logam (pipa) akibat adanya pergerakan relatif fluida korosif dengan permukaan logam. Kecepatan fluida yang relatif tinggi dan mengandung partikel akan menyebabkan erosi, dan kecepatan fluida yang relatif lambat akan menimbulkan korosi saja. Hanya pada kecepatan tertentu (kecepatan kritis) korosi erosi dapat terjadi. Laju kerusakan yang diakibatkan oleh sinergi antara korosi dan erosi lebih besar dibandingkan dengan kerusakan oleh korosi saja atau erosi saja. Kerusakan yang sering terjadi pada permukaan benda, umumnya disebabkan oleh erosi korosi terjadi dalam waktu yang relatif singkat. Dan hal yang sangat tidak diharapkan tersebut disebabkan evaluasi tes korosi dalam kondisi yang statis (aspek erosi tidak dipertimbangkan) atau sebaliknya hanya masalah erosi yang dipertimbangkan tanpa melibatkan aspek korosi. Demikian juga halhal lain yang berpengaruh, misalnya turbulensi, sudut impak, ukuran dan jumlah konsentrasi partikel, serta sifat material kadang belum menjadi pertimbangan. Dalam aplikasi di lapangan, penentuan kecepatan aliran fluida terkadang tidak mempertimbangkan kecepatan kritis yang rawan terjadinya sinergi antara korosi dan erosi. Dengan adanya penelitian ini akan lebih memperlihatkan hubungan kecepatan fluida dan konsentrasi NaCl terhadap terjadinya korosi erosi untuk menentukan kecepatan kritis tersebut.
1.2 Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah untuk membandingkan material low carbon steel dengan baja yang lain terhadap kerusakan akibat korosi erosi, pengaruh konsentrasi larutan NaCl terhadap kerusakan akibat korosi erosi, sinergisme kerusakan yang terjadi
2
akibat pengaruh kecepatan dan konsentrasi NaCl, karakteristik permukaan material akibat kerusakan korosi erosi, dan kecepatan kritis untuk baja karbon rendah
1.3 Keutamaan Penelitian
Keutamaan dari penelitian ini adalah memberikan informasi kepada para pengguna atau peneliti bagaimana fenomen korosi erosi yang terjadi pada material khususnya baja karbon rendah akibat adanya fluida air laut dengan kecepatan tertentu. Dengan adanya tambahan rancangan dengan pembuatan alat untuk menguji fenomena korosi erosi dari hasil akhir penelitian ini, akan sangat berguna bagi para peneliti lain yang ingin lebih mendalami penelitian sejenis dengan memanfaatkan parameter lain seperti pengaruh ukuran partikel dan sudut impak terhadap material sejenis atau material yg lain.
3
BAB II. STUDI PUSTAKA
II.1. Proses Terjadinya Korosi Korosi adalah penurunan mutu logam akibat reaksi elektro kimia dengan lingkungannya. Korosi atau pengkaratan merupakan fenomena kimia pada bahanbahan logam yang pada dasarnya merupakan reaksi logam menjadi ion pada permukaan logam yang kontak langsung dengan lingkungan berair dan oksigen. Contoh yang paling umum, yaitu kerusakan logam besi dengan terbentuknya karat oksida. Dengan demikian, korosi menimbulkan banyak kerugian. Korosi logam melibatkan proses anodik, yaitu oksidasi logam menjadi ion dengan melepaskan elektron ke dalam (permukaan) logam dan proses katodik yang mengkonsumsi electron tersebut dengan laju yang sama : proses katodik biasanya merupakan reduksi ion hidrogen atau oksigen dari lingkungan sekitarnya. Untuk contoh korosi logam besi dalam udara lembab, misalnya proses reaksinya dapat dinyatakan sebagai berikut : Anode {Fe(s) Fe2+(aq)+ 2 e} x 2 ... (1) + (2) Katode O2(g)+ 4H+(aq)+ 4 e 2 H2O(l)
Redoks 2 Fe(s) + O2 (g)+ 4 H+(aq) 2 Fe2++ 2 H2O(l) (3) Dari data potensial elektrode dapat dihitung bahwa emf standar untuk proses korosi ini, ,yaitu E0sel = +1,67 V ; reaksi ini terjadi pada lingkungan asam dimana ion H+ sebagian dapat diperoleh dari reaksi karbon dioksida atmosfer dengan air membentuk H2CO3. Ion Fe+2 yang terbentuk, di anode kemudian teroksidasi lebih lanjut oleh oksigen membentuk besi (III) oksida : 4 Fe+2(aq)+ O2 (g) + (4 + 2x) H2O(l) 2 Fe2O3x H2O + 8 H+(aq) (4) Hidrat besi (III) oksida inilah yang dikenal sebagai karat besi. Sirkuit listrik dipacu oleh migrasi elektron dan ion, itulah sebabnya korosi cepat terjadi dalam air garam. Jika proses korosi terjadi dalam lingkungan basa, maka reaksi katodik yang terjadi, yaitu : O2 (g) + 2 H2O(l)+ 4e 4 OH-(aq) .. (5) Oksidasi lanjut ion Fe2+ tidak berlangsung karena lambatnya gerak ion ini sehingga sulit berhubungan dengan oksigen udara luar, tambahan pula ion ini segera ditangkap oleh 4
garam kompleks hexasianoferat (II) membentuk senyawa kompleks stabil biru. Lingkungan basa tersedia karena kompleks kalium heksasianoferat (III). Korosi besi relatif cepat terjadi dan berlangsung terus, sebab lapisan senyawa besi (III) oksida yang terjadi bersifat porous sehingga mudah ditembus oleh udara maupun air. Tetapi meskipun alumunium mempunyai potensial reduksi jauh lebih negatif ketimbang besi, namun proses korosi lanjut menjadi terhambat karena hasil oksidasi Al2O3, yang melapisinya tidak bersifat porous sehingga melindungi logam yang dilapisi dari kontak dengan udara luar. II.2. Pengaruh Kecepatan terhadap Erosi Korosi Kecepatan fluida sangat berpengaruh pada peristiwa erosi-korosi. Pada saat fluida diam atau kecepatan fluida sangat lambat, proses korosi akan sangat dominan. Peristiwa erosikorosi amat ditentukan oleh kecepatan fluida, Korosi akan lebih dominan jika kecepatan fluida amat lambat, hal ini dikarenakan oleh lamanya waktu kontak, jika kecepatan fluida amat tinggi maka erosilah yang akan lebih dominan. Besarnya kecepatan fluida sangat berpengaruh terhadapat bentuk kerusakan yang terjadi pada benda kerja. Pada kecepatan yang relatif rendah akan menyebabkan terjadinya korosi yang berbentuk pitting (gambar II.3).
Gambar II.1. Potongan pipa stainless steel yang mengalami pitting [2] Sedangkan pada kecepatan tinggi, bentuk kerusakan yang terjadi pada permukaan bagian dalam pipa akan membentuk kerusakan horseshoe.
5
Gambar II.2 Bentuk kerusakan horseshoe akibat kecepatan fluida yang tinggi Kecepatan kritis merupakan batas kecepatan dari suatu material mengalami kerusakan lapisan pelindung yang akan mempermudah terjadinya korosi. Pada tabel II.1 merupakan kritical velocity untuk beberapa material. Kecepatan kritis ditentukan oleh media fluida, partikel dan sifat logamnya. Penelitian yang dilakukan oleh S.S. Rajahram, T.J. Harvey, R.J.K.Wood [4] dengan melakukan pengujian untuk material UNS S31603 didapatkan adanya peningkatan weight loss yang dialami oleh benda kerja dengan peningkatnya kecepatan setelah 5 m/s (gambar II.3).
Gambar II.3 Pengaruh kecepatan terhadap mass loss [4] Gambar tersebut juga menunjukkan hasil yang diperoleh untuk total erosi-korosi (T) dan komponen-komponennya (E, C dan S). Semua komponen termasuk erosi, aliran korosi, sinergi dan erosi-korosi meningkat seiring dengan kecepatan fluida meningkat. Madsen
6
[3] yang melakukan percobaan dengan baja stainless 316 dalam 0.06M Na2SO4 dan 2 % konsentrasi pasir silika, mengamati hubungan yang serupa, di mana ia mengamati bahwa erosi meningkatkan laju korosi saat kecepatan meningkat. Hal ini disebabkan pengikisan film kromium oksida dari permukaan logam akibat adanya partikel padat. Pengikisan secara terus menerus lapisan pasif menghasilkan sinergi tinggi pada logam yang mengalami korosi erosi yang disebabkan adanya perpindahan massa dari reaktan dan produk dari permukaan logam yang akan meningkatkan laju korosi efektif. Pengamatan lain yang penting dari gambar tersebut adalah bahwa tingkat sinergi yang lebih tinggi daripada tingkat kehilangan massa akibat erosi dengan kecepatan rendah 5ms-1 tetapi dengan peningkatan kecepatan, tingkat sinergi menjadi kurang dibandingkan erosi. Hal ini menunjukkan kecenderungan bahwa ada kecepatan kritis di mana tingkat erosi menjadi dominan dalam proses erosi-korosi yang menyebabkan rasio sinergi yang lebih rendah. Sebuah kemungkinan yang dapat dijelaskan untuk hal ini adalah bahwa pada kecepatan rendah, meskipun partikel padat berhasil merusak lapisan pasif, tidak semua partikel padat berhasil menghapus lapisan tersebut, oleh sebab itu efek sinergis yang terjadi lebih tinggi dibandingkan erosi. Pada kecepatan yang lebih tinggi ada energi kinetik yang cukup untuk merusak material oleh impact partikel padat sehingga laju korosi-erosi yang terjadi lebih didominasi oelh aspek mekanik dari proses erosin. Pada penelitian yang sama juga dilakukan oleh peneliti lain yaitu Hu dan Neville; 2005 [3] yang menemukan bahwa kecepatn kritis itu ada antara 4 m/s sampai 7 m/s untuk material UNS S31603 pada 3,5% NaCl. Aiming, dkk; 1996 [4] , menemukan bahwa kecepatan kritis untuk stainless steel pada media phosphoric acid (pH 1) dengan partikel gypsum berada pada kecepatan 12 m/s. Y. G. Zheng; 2007 [5] menemukan bahwa kecepatan kritis untuk 3C carbon steel dan baja paduan rendah 10CrMoAl adalah 3 sampai 4 m/s pada fluida 2,4% NaCl. Aiming, dkk; 1996 [4] menjelaskan bahwa korosi meningkatkan erosi pada austinic stainless steel dimulai dengan mekanisme korosi seragam pada grain boundary yang melemahkan butir dan mudah dirusak oleh impak partikel atau proses erosi. 7
Pada peristiwa erosi-korosi dimana perusakan yang terjadi oleh fluida satu fasa, dan laju korosi terakselerasi oleh meningkatnya turbulensi dan transfer massa yang diakibatkan oleh naiknya kecepatan, dikenal dengan Flow-accelerated corrosion (FAC). Pada erosikorosi aliran fluida dapat merusak lapisan film pada permukaan material dengan gaya mekanik dari fasa kedua seperti padatan, gas, dll.. Mekanisme Flow-accelerated corrosion (FAC) dapat diketahui melalui kontur permukaan yang berpola dan memiliki arah pada polanya, disebabkan oleh aliran medianya tanpa adanya coakan akibat adanya deformasi. II.3. Pengaruh konsentrasi NaCl dan air laut Air laut pada umumnya lebih korosif bila dibandingkan dengan air tawar karena terdapat spesi agresif ion Cl- yang dapat berpenetrasi melalui lapisan film pada permukaan logam. Proses korosi dikendalikan oleh kadar dari klorida, ketersediaan oksigen, dan suhu. Efek dari konsentrasi NaCl pada laju korosi pada besi di temperatur kamar terdapat pada Gambar II.4. Konsentrasi NaCl 3,5 % memiliki tingkat laju korosi yang paling optimal. Kombinasi dari konduktifitas yang tinggi dan kelarutan oksigen yang optimal terdapat pada konsentrasi ini.
Gambar II.4 Pengaruh konsentrasi NaCl pada laju korosi dalam kondisi aliran statis [3]. Beberapa garam logam alkali yang memberikan efek yang sama dengan NaCl adalah KCl, LiCl, Na2SO4, KI, NaBr, dan lain-lain. Larutan dengan konsentrasi NaCl 3,5 % seringkali digunakan untuk mensimulasikan air laut pada percobaan laboratorium. Akan tetapi pada air laut terdapat beberapa unsur yang
8
dapat menggangu proses korosi. Ion Ca2+ dan Mg2+ dapat membentuk deposit yang dapat mengurangi laju korosi pada air laut. ?????????????????? + ???????????? ???????????????????????? ???????????? + ????????????O3- ??????????????????+???????????????????????? ???????????????????????? + ???????????? ??????+ ?????????????????????????????? ??????????????????+ + ??????????????????????????????(????????????)?????? II.4. Mekanisme Sinergi Sinergi dapat digambarkan sebagai keausan yang dialami oleh material yang diakibatkan oleh gabungan proses korosi dan erosi. Dalam penelitian yang dilakukan oleh Wood dkk [3] mendifinisikan sinergi melalui persamaan berikut : .(6) .(7) dimana T merupakan total keausan yang dialami material, E adalah keausan yang disebabkan oleh erosi tanpa melibatkan proses korosi, C adalah keausan yang disebabkan oleh korosi tanpa melibatkan proses erosi. Sinergi (S) dapat didefinisikan sebagai : .(8) dimana C merupakan efek sinergistik erosi pada laju korosi yang terjadi dan E merupakan efek sinergistik korosi pada laju erosi yang terjadi . Wood, dkk [2] mendifinisikan sinergi menjadi dua group yaitu : Sinergi medium .(9) Sinergi tinggi .(10)
Beberapa peneliti memberikan pandangan yang berbeda terhadap mekanisme sinergi ini. Stack, dkk; 1995 [3] mengembangkan map korosi erosi aqueous yang mengidentifikasi transisi antara korosi dan erosi. Mereka menemukan bahwa passive current density 9
meningkat ketika kecepatan meningkat dengan kehadiran partikel dan ketika kecepatan 2 m/s dengan partikel tidak memberikan pengaruh terhadap passive current menunjukkan lapisan pasif tidak mengalami kerusakan. Hanya setelah kecepatan 4 m/s passive current meningkat, mengindikasikan bahwa lapisan pasif mengalami kerusakan yang terjadi secara berkelanjutan. Aiming, dkk; 1996 [3] melakukan pengujian korosi erosi pada stainless steel dengan fluida phosphoric acid dan gypsum menemukan bahwa kecepatan kritis pada 12 m/s dimana laju korosi meningkat. Hal ini menunjukkan fakta bahwa lapisan pasif permukaan akan mudah dihilangkan pada kecepatan yang tinggi. Menurutnya, erosi dapat meningkatkan korosi dengan menghilangkan lapisan passive sehingga permukaan logam berada pada media korosif. Jika logam tidak dapat membentuk lapisan pasif dengan cepat maka logam tersebut akan terkorosi dengan signifikan. Penjelasan yang lain tentang erosi yang menigkatkan korosi adalah kecepatan fluida dan partikel yang tinggi dapat menyebabkan deformasi dan distribusi tegangan yang tidak rata. Daerah ini akan menjadi daerah yang anodic dan mengalami peningkatan aktifitas elektrokimia yang menyebabkan korosi secara signifikan. Pitting banyak diobservasi oleh para peneliti dalam korosi erosi. Burstein dan sasaki; 2001 [3] meneliti inisiasi pitting corrosion dengan slurry erosion pada stainless steel dan menemukan bahwa slurry erosion menyebabkan stainless steel berada dalam kondisi meta stabil pits dibanding kondisi non erosive. Hal ini dipercayai sebagai akibat dari rusaknya lapisan pasif oleh impak partikel. Li, dkk; 1995 [3] menemukan bahwa korosi meningkatkan erosi oleh serangan yang terlokalisasi pada permukaan oksida pada bekas impak yang berulang. Korosi yang terlokalisasi ini akan menjadi inisiasi crack dan memudahkan impak partikel untuk mempropagasi crack dan menimbulkan erosi. Efek sinergisme tersebut dapat ditunjukkan dengan persamaan: WT = WC + WE + WS Dimana : WT = Weight loss total 10 [5]...........................................................................(12)
WT = Weight loss akibat korosi WE = Weight loss akibat erosi WS = Weight loss akibat sinergisme antara korosi dan erosi Atau dalam persamaan laju korosi erosi berikut ini [6] : Kec = Ke + Kc .............................................................................................(13)
Efek sinergistik yang terjadi, dapat dilihat dari penjabaran komponen Ke dan Kc: Ke = Keo + Ke....................................................................................................(14) Kc = Kco + Kc...................................................................................................(15) Dimana Keo merupakan laju erosi pada kondisi lingkungan yang erosif saja (tidak memperhitungkan aspek korosifnya), Ke merupakan apa yang disebut sebagai efek sinergistik korosi pada laju erosi yang terjadi, Kco merupakan laju korosi pada kondisi lingkungan yang korosif saja (tidak memperhitungkan aspek erosifnya), Kc merupakan apa yang disebut sebagai efek sinergistik erosi pada laju korosi yang terjadi. berdasarkan model tersebut, dapat diketahui faktor yang paling berpengaruh terhadap kerusakan logam dalam suatu peristiwa erosi-korosi. Ke/Kc< 0.1 = corrosion
0.1< Ke/Kc
