1 PENGARUH KONSENTRASI KLORIDA DAN PERUBAHAN MIKROSTRUKTUR TERHADAP KETAHANAN KOROSI BAJA TAHAN KARAT 316L PADA LARUTAN NaCl DENGAN METODE POLARISASI SIKLIK Andi Rustandi, Muhammad Faisal Rendi Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Depok, 16436, Indonesia Email: [email protected]; [email protected]Abstrak Logam merupakan kebutuhan utama dari infrastruktur pada industri. Korosi pada logam merupakan suatu hal yang tidak dapat dihindari, dan seringkali menjadi penyebab utama kegagalan dalam berbagai industri, terutama industri minyak dan gas yang berada di lepas pantai. Pemilihan material yang sesuai dapat mencegah terjadinya korosi pada industri, sehingga meminimalisir penggantian komponen dalam waktu yang singkat. Penelitian ini dilakukan untuk mempelajari perilaku korosi pada pipa baja tahan karat austenitik 316L pada lingkungan NaCl yang bervariasi. Parameter elektrokimia dievaluasi dengan menggunakan metode polarisasi siklik untuk mengetahui perilaku korosi yang terjadi pada lingkungan NaCl. Pemanasan dilakukan untuk mendapatkan perbedaan bentuk mikrostruktur dari keadaan awal. Kemudian diuji didalam lingkungan NaCl 3,5% yang memiliki kelarutan oksigen tertinggi dan bandingkan dengan logam yang tidak dipanaskan pada konsentrasi yang sama. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ketahanan korosi berubah berdasarkan konsentrasi NaCl, logam paling tahan dengan korosi pada NaCl 1%, dan paling lemah ketahanannya pada NaCl 3,5%. Perubahan mikrostruktur yang menjadi lebih tidak seragam dan kemunculan sensitasi menurunkan ketahanan korosi. Dari hasil polarisasi siklik didapati bahwa mekanisme korosi pada lingkungan NaCl adalah korosi sumuran. The Effect of Chloride Concentration and Microstructure Transformation to Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steel 316L in NaCl Solution Using Cyclic Polarization Method Abstract Steels are basic needs for industrial infrastructure. Corrosion in steels can’t be avoided and often plays a role as a major cause of failure in industries, especially offshore oil and gas. Proper material selection is one of the best ways to prevent corrosion and minimize component replacement caused by corrosion. This study investigates corrosion behaviour of austenitic stainless steel 316L in various NaCl solutions. Electrochemical parameter is evaluated by cyclic polarization, and also to determine which corrosion behaviour has occurred. Heat is given to obtain different microstructure shapes from the initial one. Then tested Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
PENGARUH KONSENTRASI KLORIDA DAN PERUBAHAN MIKROSTRUKTUR TERHADAP KETAHANAN KOROSI BAJA TAHAN KARAT 316L PADA LARUTAN NaCl DENGAN METODE POLARISASI
SIKLIK
Andi Rustandi, Muhammad Faisal Rendi
Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Depok, 16436, Indonesia
Abstrak Logam merupakan kebutuhan utama dari infrastruktur pada industri. Korosi
pada logam merupakan suatu hal yang tidak dapat dihindari, dan seringkali menjadi penyebab utama kegagalan dalam berbagai industri, terutama industri minyak dan gas yang berada di lepas pantai. Pemilihan material yang sesuai dapat mencegah terjadinya korosi pada industri, sehingga meminimalisir penggantian komponen dalam waktu yang singkat.
Penelitian ini dilakukan untuk mempelajari perilaku korosi pada pipa baja tahan karat austenitik 316L pada lingkungan NaCl yang bervariasi. Parameter elektrokimia dievaluasi dengan menggunakan metode polarisasi siklik untuk mengetahui perilaku korosi yang terjadi pada lingkungan NaCl. Pemanasan dilakukan untuk mendapatkan perbedaan bentuk mikrostruktur dari keadaan awal. Kemudian diuji didalam lingkungan NaCl 3,5% yang memiliki kelarutan oksigen tertinggi dan bandingkan dengan logam yang tidak dipanaskan pada konsentrasi yang sama.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa ketahanan korosi berubah berdasarkan konsentrasi NaCl, logam paling tahan dengan korosi pada NaCl 1%, dan paling lemah ketahanannya pada NaCl 3,5%. Perubahan mikrostruktur yang menjadi lebih tidak seragam dan kemunculan sensitasi menurunkan ketahanan korosi. Dari hasil polarisasi siklik didapati bahwa mekanisme korosi pada lingkungan NaCl adalah korosi sumuran.
The Effect of Chloride Concentration and Microstructure Transformation to Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steel 316L in NaCl Solution Using
Cyclic Polarization Method
Abstract Steels are basic needs for industrial infrastructure. Corrosion in steels can’t
be avoided and often plays a role as a major cause of failure in industries, especially offshore oil and gas. Proper material selection is one of the best ways to prevent corrosion and minimize component replacement caused by corrosion. This study investigates corrosion behaviour of austenitic stainless steel 316L in various NaCl solutions. Electrochemical parameter is evaluated by cyclic polarization, and also to determine which corrosion behaviour has occurred. Heat is given to obtain different microstructure shapes from the initial one. Then tested
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
2
in 3.5% NaCl solution and compared to the un-heated with the same solution concentration. The results shown that corrosion resistance affected by Chloride presence, with 1% concentration was the strongest, and 3.5% was the most susceptible. Microstructure transformation to more un-uniform than before heated, and presence of sensitization decreases the corrosion resistance. From the cyclic curve, it is known that the corrosion behaviour that occurred was pitting corrosion. 1. Pendahuluan
Korosi merupakan suatu proses degradasi material atau hilangnya suatu material baik secara kualitas maupun kuantitas melalui suatu reaksi kimia atau elektrokimia yang spontan dengan lingkungannya[1]. Untuk mengatasi masalah korosi, diciptakan berbagai material yang dapat menahan laju korosi, salah satunya adalah baja tahan karat 316L.
Namun baja tahan karat 316L rentan terhadap serangan korosi lokal seperti korosi sumuran pada lingkungan yang terdapat ion klorida. Secara luas, baja tahan karat 316L digunakan untuk aplikasi pada bidang eksplorasi minyak dan gas atau industri-industri yang memiliki lingkungan kerja mengandung ion klorida. Ketahan korosi dari baja tahan karat adalah hasil dari terbentuknya lapisan pasif pada permukaan logam sedangkan konsentrasi dari ion klorida akan mempengaruhi ketahanan dari lapisan pasif baja tahan karat tersebut.
Pada aplikasinya, baja tahan karat 316L digunakan sebagai pipa yang digunakan untuk mengalirkan fluida. Dimana seringkali dilakukan proses fabrikasi berupa pengelasan untuk proses penyambungan. Pengaruh temperatur tinggi dari proses pengelasan tersebut berdampak terhadap ketahanan korosi dari material baja tahan karat 316L tersebut.
2. Dasar Teori
2.1. Korosi Sumuran
Merupakan salah satu jenis korosi terpusat pada permukaan logam dimana
sebagian kecil areanya terkorosi yang kemudian berujung pada pembentukan
lubang atau sumuran, dan sisa dari permukaan yang masih banyak tidak terserang.
Logam yang membentuk lapisan pasif seperti aluminium dan baja lebih rentan
terhadap korosi jenis ini. Korosi jenis ini merupakan yang paling berbahaya.
Dimana korosi sumuran dapat mengakibatkan kegagalan akibat penetrasi dengan
hanya sangat sedikit kehilangan berat secara keseluruhan. Korosi ini juga banyak
menjadi penyebab kegagalan yang dialami industri kimia. Kerusakan yang besar
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
3
dari korosi sumuran dapat digambarkan dengan kenyataan bahwa umumnya
keseluruhan sistem harus diganti.
Umumnya, lingkungan yang paling konduktif untuk terjadinya korosi
sumuran adalah lingkungan air laut. Dimana ion-ion seperti Cl- , Br- dan I- , dalam
konsentrasi tertentu mengakibatkan korosi sumuran pada baja.
Kondisi terpenting bagi korosi sumuran untuk berlangsung adalah logam
harus berada pada kondisi pasif, yaitu adanya lapisan pada permukaan logam.
Rusaknya lapisan tersebut pada beberapa tempat mengakibatkan hilangnya
pasifitas dan terinisiasinya korosi sumuran pada permukaan logam [2].
Pada dasarnya, terdapat tiga proses yang berpengaruh dalam korosi
sumuran, yaitu:
a) inisiasi korosi sumuran
Faktor yang memegang peranan penting dalam proses ini adalah potensial
sumuran (pitting potential) dimana nilai tersebut menunjukkan mulai
tumbuhnya pitting yang ditandai dengan rusaknya lapisan pasif. Rusaknya
lapisan ini dapat dilihat dimana rapat arus akan meningkat tajam. Jadi
sumuran baru mulai tumbuh ketika potensialnya lebih besar dari potensial
sumurannya. Bila logam memiliki potensial lebih kecil, maka terjadi
kecenderungan untuk melepas electron yang akan menyebabkan oksidasi.
Semakin tinggi potensial sumuran dari suatu material, semakin tahan
material tersebut terhadap serangan korosi sumuran.
b) propagasi korosi sumuran
pada tahap ini potensial proteksi pada daerah terserang sumuran akan
mengalami pasivsasi atau membentuk lapisan pasif. Potensial proteksi
menentukan apakah sumuran yang berpropagasi dapat terus bertumbuh
atau tidak. Jka potensial lebih besar dari nilai potensial proteksi maka
logam akan tetap dalam kondisi pasif. Sehingga sumuran baru dapat
tumbuh jika potensial lebih besar dari potensial sumurannya.
c) kerusakan akibat korosi sumuran
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
4
langkah-langkah utama yang berpengaruh dalam proses korosi sumuran
baja karbon dan baja tahan karat, menurut Wranglen [3] inklusi sulfida menjadi
penyebab dari terjadinya inisiasi korosi. Reaksi berikut terjadi pada bagian dalam
sumuran (gbr. 2.1) :
Fe Fe2+ + 2e …………………………….( 2.1)
Fe2+ +H2O FeOH+ + H+ …………….……(2.2)
MnS +2H+ H2S + Mn+2 …………….……(2.3)
Reaksi diatas merupakan reaksi anodik dan mengakibatkan menurunnya
pH akibat terbentuknya ion H+ yang bereaksi dengan inklusi MnS dan membentuk
H2S dan Mn+2 . Hidrogen berubah menjadi H+ menangkap elektron yang dilepas
dari reaksi anodik. S2- dan HS- menstimulasi penyerangan korosi. Dikarenakan
kelebihan muatan positif yang terbentuk, konsentrasi dari Cl- meningkat seiring
berjalannya waktu. Sehingga seiring berjalannya proses dan waktu, kedalaman
dari sumuran terus bertambah dan bertambah.
Korosi yang terbentuk pada permukaan sumuran dapat berupa Fe3O4 atau
(FeOOH). Korosi yang terbentuk mencegah tercampurnya produk hasil dari anoda
dan katoda. pH larutan pada bagian mulut sumuran menurun akibat terbentuknya
H+ terbentuk dari hidrolisis FeOH+ atau Fe3+.
FeOH+ + H2O Fe(OH)2+ +H+ ………………….(2.4)
Fe3+ + H2O FeOH2+ + FeOH+ ……………….(2.5)
Proses tersebut terus berlangsung, pH turun, dan reaksi tersebut menjadi
autokatalisis. Pada bagian luar sumuran, permukaan tetap terlindungi secara
katodik.
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
5
Gambar 2.1. Reaksi elektrokimia yang berlangsung ketika sumuran terinisiasi pada inklusi sulfide
pada baja karbon
2.2. Pengaruh Kelarutan Oksigen
Umumnya oksigen tidak terdapat pada kedalaman lebih dari 100 meter,
sehingga pada daerah tersebut tidak ada pengaruh oksigen pada proses korosi [4].
Akan tetapi oksigen dapat mempengaruhi korosi internal bila terdapat
kontaminasi dengan udara luar (atmosfer). Oksigen merupakan oksidator kuat
yang mengakibatkan potensial korosi logam pada lingkungan air atau fluida yang
mengandung oksigen terlarut meningkat. Kelarutan oksigen didalam air
merupakan faktor yang menentukan laju korosi. Dalam penelitian yang dilakukan
oleh Ismail, dkk. [5] Terlihat bahwa keberadaan oksigen mempengaruhi laju korosi
dari suatu material. Dan pengaruhnya untuk setiap larutan berbeda-beda.
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
6
Gambar 2.2. Pengaruh kelarutan oksigen terhadap laju korosi [5]
Untuk material baja, pemanasan diatas temperatur ruang akan
meningkatkan laju korosi, meskipun kelarutan oksigen menurun. Diatas 80°C, laju
korosi akan menurun pada open system dimana oksigen dapat keluar menuju
udara bebas. Tidak seperti closed system dimana oksigen tidak dapat berpindah
meskipun temperatur terus meningkat, seperti yang terjadi pada boiler[4].
Digambarkan pada gambar 2.3.
Gambar 2.3. Pengaruh temperatur terhadap laju korosi pada Fe didalam larutan air yang
mengandung oksigen [4]
Kelarutan oksigen dipengaruhi oleh kadar klorida dimana kelarutan
optimal terjadi pada konsentrasi 3,5% Cl- . dengan demikian laju korosi
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
7
maksimum terjadi pada konsentrasi ion klorida tersebut. Hal ini ditunjukkan pada
Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Pengaruh kadar ion Cl- terhadap kelarutan oksigen
2.3. Polarisasi siklik
Pengujian polarisasi siklik [6] dilakukan dengan tujuan mengetahui terjadi
atau tidaknya pitting pada material. Kurva yang dihasilkan akan membentuk arah
yang berlawanan (reverse) pada titik tertentu, dan akan bergerak dalam arah
berkebalikan hingga membentuk suatu loop tertutup pada potensial yang lebih
aktif dan arus akan menurun hingga angka minimal. Hasil yang didapat dari plot
tersebut dinamakan dengan kurva polarisasi siklik ditunjukkan pada gambar. 2.5.
Gambar 2.5. Proses Korosi menunjukkan plot polarisasi siklik [2]
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
8
Dari diagram hasil polarisasi siklik didapati tiga wilayah yang
dikategorikan sebagai berikut[2]:
(1) Wilayah 1: wilayah ini merepresentasikan imunitas dari pitting dan pada
potensial yang lebih negatif dari Epp (protection potential) pitting
diekspektasikan tidak terjadi
(2) Wilayah 2: pada wilayah ini, pitting yang baru tidak terinisiasi, tetapi
pits yang terbentuk pada wilayah 3 akan berpropagasi. Sehingga wilayah
ini disebut wilayah propagasi.
(3) Wilayah 3: pada wilayah ini, pits terinisiasi dan berpropagasi pada dan
diatas potensial tertentu, yang disebut dengan breakdown, atau critical
pitting potential (Ep).
Potensial korosi adalah potensial dimana laju oksidasi setara dengan laju
reduksi. Yaitu potensial dimana logam yang terkorosi berlangsung pada kondisi
tertentu terkait dengan waktu, suhu, aerasi, kecepatan, dsb. Jika nilai dari pitting
potential (Ep) lebih positif dibandingkan potensial korosi (Ec), ketahanan dari
logam terhadap pitting akan tinggi. Meskipun nilai ini hanya menjadi acuan untuk
memahami parameter korosi.
gambar 2.6. Kurva Siklik Perbandingan kehadiran Cl- [4]
Pengaruh konsentrasi ..., Muhammad Faisal Rendi, FT UI, 2016
9
Gambar 2.6 menunjukkan penampakan grafik polarisasi siklik dengan
perbandingan kehadiran Cl-. Terlihat adanya arus balik pada kurva tersebut.