MODEL LAJU KOROSI BAJA KARBON ST-37 DALAM LINGKUNGAN HIDROGEN SULFIDA

Transkripsi

1 MODEL LJU KOROSI BJ KRBON ST-37 DLM LINGKUNGN HIDROGEN SULFID gus Solehuin 1), Ratnaningsih E. Sarjono 2), Isiriayani Nurin 3), an Djoko H.Prajitno 4) 1) Jurusan Peniikan Teknik Mesin, FPTK UPI, 2) Jurusan Peniikan Kimia, BSTRK FMIP UPI, 3) Jurusan Teknik Kimia, FTI ITB, 4) PTNBR - BTN MODEL LJU KOROSI BJ KRBON ST-37 DLM LINGKUNGN HIDROGEN SULFID. Baja karbon an pauannya banyak igunakan paa instalasi lingkungan korosif. Korosi paa baja karbon apat iakibatkan oleh aanya ion hyrogen ari hyrogen sulfia yang terisosiasi paa temperatur yang relatif tinggi. Pengujian korosi ilakukan alam sebuah meia simulasi ari gelas kimia paa berbagai temperatur, waktu an ph. Laju korosi ipelajari alam larutan uji yang mempunyai rentang ph sebesar 3,5 6, waktu 2 10 jam an temperatur o C. Baja karbon yang igunakan sebagai bahan uji aalah ST-37. Berasarkan hasil percobaan menunjukkan bahwa laju korosi meningkat seiring engan meningkatnya waktu uji an temperatur an sebaliknya laju korosi menurun seiring engan meningkatnya ph. Laju korosi baja ST-37 beraa paa rentang 43,91 s/ 184,6 mpy. Baja ST-37 relatif kurang tahan korosi alam lingkungan sulfia. Moel laju korosi baja karbon alam lingkungan hirogen sulfia paa tekanan 1 atm an rentang tempertur o C aalah : 1,7 T Laju korosi (mpy) 3,69 H exp 6,06 Dimana konsentrasi ion H + alam ppm an temperatur alam kelvin. Hasil verifikasi menunjukkan bahwa laju korosi ari moel engan hasil percobaan perbeaannya 1,5 %. Kata kunci : baja karbon, laju korosi, hirogen sulfia BSTRCT CORROSION RTE MODEL OF ST-37 CRBON STEEL IN HYDROGEN SULFIDE ENVIRONMENT. Carbon steels an its alloys were mostly use on installations in corrosive environment. The corrosion of carbon steel was cause by hyrogen ion from hyrogen sulfia issociation uner occurre at relatively high temperature. Corrosion tests were conucte in simulation meia from chemical glass at several temperature, time an ph. Corrosion rates were Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

2 carrie out in the solution test with ph range an time range 2 10 hours at tempertur range o C. Carbon steels employe as specimen materials were ST-37. Base on the experimental results shown at the corrosion rate increase with the increasing temperature an time, an otherwise, corrosion rate ecrease with the increasing ph. The corrosion rate of ST-37 carbon steel was mpy. The corrosion resitance of ST-37 carbon is very low in hyrogen sulfia environment. The corrosion rate moel for carbon steel in hyrogen sulfia environment uner 1 atm pressure an tempertur range o C was foun to be : 1.7 T C orrosion rate(mpy) 3.69 H exp 6.06 here ion [H + ] concentration in ppm an temperature in Kelvin. Verification between equation moel an experiment result shown the result from computation an that from the experiment iffer slightly ± 1.5 %. Key wors : carbon steel, corrosion rate, hyrogen sulfie LTR BELKNG Baja karbon an pauannya banyak igunakan paa instalasi lingkungan korosif. Sebagai contoh paa instalasi prouksi minyak an gas (MIGS), spesi utama yang memicu terjainya serangan korosi aalah hirogen sulfia atau ion hiogren sulfia, karbon ioksia atau hirogen karbonat, an senyawa kloria. Diantara corroent tersebut yang paling bermasalah i inustri minyak an gas umumnya aalah serangan oleh hirogen sulfia atau ion hiogren sulfia. Keberaaan hirogen sulfia atau ion hiogren sulfia i alam lingkungan aqueous apat menyebabkan korosi paa pipa baja an menghasilkan enapan paat berupa besi sulfia atau ion yang larut an menyebabkan korosi merata (thinning) atau korosi sumuran (pitting). Beberapa usulan mengenai mekanisme korosi baja karbon alam lingkungan H 2 S terlarut atau hirogen sulfia, iantaranya Bolmer, Lofa an Batrakov. Bolmer berpenapat bahwa paa polarisasi katoik besi alam lingkungan H 2 S-NaHS buffers, terjai evolusi gas hirogen engan melalui reaksi (1) an (2) i atas. Reaksi tersebut mengikuti tahap-tahap sebagai berikut (Journal Corrosion NCE, Vol. 42, No.7, 1986) : HS - rs + e H + S 2- (1) Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

3 HS - + H + e = H 2 + S 2- (2) Mekanisme reaksi korosi paa baja yang iusulkan oleh Bolmer, menyatakan bahwa mekanisme korosi tersebut iawali engan terjainya reaksi reuksi gas H 2 S yang menghasilkan gas H 2 an ion HS -, kemuian HS - ireuksi menjai ion S 2- yang secara berurutan paa persamaan reaksi (1) an (2). Ion HS - yang terbentuk kemuian mengoksiasi logam besi an membentuk lapisan besi sulfia,, paa permukaan elektroa. Sebagian yang terbentuk akan ioksiasi lagi menjai lapisan 2, seperti paa persamaan reaksi (4) an (5). Lova an Batrakov menjelaskan bahwa kelarutan besi alam lingkungan H 2 S mengikuti reaksi sebagai berikut (Journal Corrosion NCE, Vol. 42, No.7, 1986) : Fe + HS - = (FeHS - )as (3) (FeHS - )as rs FeHS + + 2e (4) FeHS + = Fe 2+ + HS - (5) Terapat perbeaan antara mekanisme korosi sulfiisasi yang iusulkan Bolmer engan Lofa an Batrakov. Menurut Lofa an Batrakov menjelaskan bahwa ion HS - yang ihasilkan ari isosiasi H 2 S terlarut akan bereaksi engan logam besi membentuk senyawa ion kompleks negatif (FeHS - ) yang terasropsi paa permukaan logam besi. Kemuian senyawa kompleks tersebut teroksiasi engan mengikuti persamaan reaksi (9) menghasilkan senyawa kompleks positif (FeHS + ). Senyawa ion kompleks positif tersebut akan terisosiasi menjai ion Fe 2+ an HS -, sehingga membentuk prouk korosi atau 2 seperti paa persamaan reaksi (4) an (5). Disamping itu, terapat juga perbeaan ari keuanya yaitu paa tahap pengenali laju. Bolmer berpenapat bahwa tahap pengenali laju reaksi korosi sulfiisasi yaitu paa persamaan reaksi (6), seangkan Lofa an Batrakov paa persamaan reaksi (9). Selain Bolmer, Lofa an Batrakov, B.R.D. Gerus, 1974 menjelaskan bahwa mekanisme korosi sulfiisasi akibat gas H 2 S alam lingkungan NaCl atau netral aalah sebagai berikut: - Terjai reaksi isosiasi gas H 2 S alam larutan : H 2 S H + + HS - (11) HS - H + + S 2- (12) - Terjai reaksi oksiasi besi paa anoa : Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

4 Fe Fe e (13) Ion HS - an S 2- yang ihasilkan ari persamaan reaksi (11) an (12) kemuian bereaksi engan ion besi ari persamaan (13) membentuk besi sulfia engan reaksi sebagai berikut: Fe 2+ + S 2- (14) Fe 2+ + HS - + H + + 2e (15) Seangkan i katoa terjai reaksi evolusi hirogen : 2H + + 2e H 2 (16) Sehingga reaksi keseluruhan aalah : Fe + H 2 S + H 2 (17) Berasarkan persamaan reaksi-reaksi yang iusulkan Gerus apat isimpulkan bahwa mekanisme korosi hampir sepenapat engan Bolmer. Berasarkan uraian i atas bahwa lingkungan minyak an gas yang menganung gas H 2 S terlarut sangat rentan terhaap korosi material baja, khususnya bagian internal ari pipa baja tersebut, sehingga memerlukan aanya suatu moel laju untuk mempreiksi laju korosi. Moel tersebut ikembangkan ari persamaan rhenius, kemuian irumuskan moel matematis, selanjutnya melakukan percobaan empiris an iapat moel laju korosi baja karbon alam lingkungan hirogen sulfia. METODOLOGI PENELITIN Material pipa yang iteliti aalah baja karbon ST-37. Spesimen untuk laju korosi sulfiisasi mengacu paa STM G31. Tahapan penelitian aalah pertama stui literatur untuk mengkaji jurnal ilmiah yang berkaitan engan pengembangan moel laju korosi, kemuian ilanjutkan engan penurunan persamaan matematis laju korosi sehingga iapat moel laju korosi secara matematis. Berasarkan moel matematis tersebut ilakukan percobaan empiris untuk menentukan konstantakonstanta yang iinginkan sehingga iapat moel laju korosi empiris. Kemuian ilakukan percobaan untuk verifikasi terhaap moel laju korosi. Pemeriksaan morfologi permukaan spesimen ilakukan engan menggunakan mikroskop optik Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

5 HSIL DN PEMBHSN Komposisi Kimia an Sifat Mekanik Komposisi kimia spesimen ST-37 aalah C=0,09, Mn=0,46, P=0,004, S=0,04. Seangkan sifat mekanik untuk ST-37 aalah kekuatan luluh (YS) = 330 Mpa, kekuatan tarik ultimat (UTS) = 530 Mpa, kekerasan = 170,5 HV. Hasil Uji Korosi Berasarkan ata hasil percobaan apat ilihat bahwa rata-rata laju korosi ST-37 cenerung meningkat seiring engan meningkatanya temperatur an waktu, an rata rata laju korosi cenerung menurun seiring engan meningkatnya ph. Tabel 1. Hasil percobaan laju korosi ST-37 paa variasi temperatur Error! Not a vali link. Tabel 2. Hasil percobaan laju korosi ST-37 paa variasi waktu Error! Not a vali link. Tabel 3. Hasil percobaan laju korosi ST-37 paa variasi ph Error! Not a vali link. Keterangan : T = temperatur, t = waktu pengkorosian, o = berat awal sampel, t = berat akhir setelah pengkorosian, = luas permukaan sampel yang terkorosi, an CR = Corrosion Rate (laju korosi). Hasil Pemeriksaan Mikroskop Optik Lapisan prouk korosi Struktur mikro Gambar 1. Foto Struktur mikro Penampang Sampel ST-37 setelah perlakuan korosi : (a) T = 25 o C an (b) 65 o C, paa ph = 4,5 selama 6 jam. (Etsa Nital 3%, pembesaran 200 X) Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

6 Paa gambar 1 terlihat terapat lapisan prouk korosi yang menempel paa permukaan sampel. Lapisan prouk korosi paa sampel yang mengalami perlakuan korosi paa konisi T = 65 o C lebih tebal ibaning paa sampel yang mengalami perlakuan korosi paa T = 25 o C. Korosi sumuran terjai paa sampel yang mengalami perlakuan korosi paa konisi T = 65 o C. Mekanisme laju korosi Berasarkan hasil percobaan an iukung oleh para peneliti sebelumnya apat isimpulkan bahwa mekanisme korosi alam lingkungan hirogen sulfia imulai ari reaksi isosiasi H 2 S menjai ion H + an ion sulfia. Hal ini apat ilihat ari ata percobaan imana ph meningkat engan berkurangnya konsentrasi H 2 S yang terlarut. Rentang ph yang iperoleh engan variasi konsetrasi H 2 S aalah 3,5 s/ 6. Harga ph menurun selama percobaan imana ph awal larutan aalah 6,9. Besar laju korosi sampel baja ST-37 beraa paa rentang 43,91 s/ 184,6 mpy, seangkan laju korosi PI LX65 beraa paa rentang 0 s/ 26 mpy. Menurut Fontana (1986) menyatakan bahwa stanar pembaning ketahanan laju krosi (alam mpy) aalah ketahan korosi untuk baja ari bahan asar besi nikel ikatakan baik apabila laju korosinya beraa paa rentang 1 20 mpy, seangkan ketahanan korosi ikatakan buruk apabila laju korosinya beraa paa rentang lebih ari 50 mpy. Hasil penelitian ini apat isimpulkan bahwa sampel baja ST-37 relatif kurang tahan korosi aibaningkan engan PI LX65 alam lingkungan sulfia. Moel matematis laju korosi Penurunan moel matematis laju korosi alam lingkungan hirogen sulfia yang terlarut mengikuti persamaan reaksi (17). Menurut Levenspiel bahwa laju merupakan perubahan konsentrasi spesi i yang sebaning engan perubahan berat per satuan luas terhaap waktu. Maka persamaan laju korosi apat itulis sebagai berikut : Laju v t n (18) k H Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

7 (CR) (CR) Dimana v = laju korosi, n = ore reaksi, / = weight loss per satuan luas, an k = konstanta. Secara kinetika persamaan reaksi (18) apat itulis sebagai berikut : k k eq H k k 1 2 Diketahui persamaan Van t Hoff aalah : (ln k) (20), iintegralkan, maka iapat : RT k k 2 o e (21) T RT Persamaan (21) isubstitusikan kealam persamaan (18) menjai : (19) n laju korosi v ko H exp (20) t RT Persamaan (20) ini yang ijaikan moel matematis persamaan laju korosi. Persamaan (20) iubah kealam bentuk logaritma, maka iperoleh : log k2 nlog H (21) t 2,3RT tau apat itulis alam bentuk : Dimana k 2 = log k o. log k2 n ( ph) (22) t 2,3RT Untuk menentukan harga n an secara empiris ilakukan percobaan konisi : log n t (23) log ph 2,3R log t 1 T (24) T ph Harga n an iapat engan cara membuat grafik berasarkan ata percobaan, imana hasilnya sebagai berikut : y = x R 2 = Seminar 1.900Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV log ph y = x R 2 = (1/T)

8 Berasarkan hasil pengolahan ata nilai konstanta n = 1,7 an = 4,493 kkal/mol. Setelah menapatkan harga n an maka selanjutnya akan merumuskan moel laju korosi. Merumuskan persamaan moel laju imulai ari persamaan (20). mbil suatu persamaan manipulasi matematika : exp.exp R R 1 (25) Persamaan (20) ikalikan engan persamaan (4.14) menghasilkan bentuk sebagai berikut : O n 4 laju korosi ko H exp exp.exp t RT R R tau alam bentuk yang lain iapat : laju korosi t O 4 k o H n exp RT R.exp R (26) Persamaan (26) iseerhanakan menjai : O 4 n laju korosi v k H expc T (27) t Dimana : k ko exp (28) C (29) R R Harga k o iapat ari hasil olah ata sebesar 1584,89 kemuian isubstitusikan paa persamaan (4.18) paa konisi ph = 4, t = 6 jam an T = 25 o C. Harga k iapat 3,69 an C sebesar 6,06. Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

9 Laju Korosi (mpy) Moel 2 Hasil Percobaan Temperatur (C) Gambar 3. Kurva verifikasi laju korosi Berasarkan hasil pengolahan ata, maka moel laju korosi baja karbon alam lingkungan hirogen sulfia aalah sebagai berikut : 1,7 T Laju korosi (mpy) 3,69 H exp 6,06 (30) Dimana konsentrasi ion H + alam ppm an temperatur alam kelvin. Setelah moel laju korosi iperoleh selanjutnya ilakukan verifikasi yang bertujuan untuk mengetahui sejauhmana valiitas persamaan moel laju yang iperoleh. Hasil perbaningan antara ata ari moel laju engan ata hasil percobaan paa temperatur 40, 50, 60 an 70 o C aalah seperti paa gambar 3. Berasarkan gambar 3 iperoleh perbeaan laju korosi antara laju korosi ari moel engan laju korosi hasil percobaan yang relatif kecil sekitar 1,5 %, hal ini menunjukkan bahwa laju korosi baja karbon alam lingkungan hyrogen sulfia ipengaruhi oleh tempertur lingkungan. KESIMPULN Berasarkan hasil percobaan an pembahasan yang telah ilakukan apat iambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Laju korosi baja karbon paa lingkungan hirogen sulfia ipengaruhi oleh ph an tempertur. Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

10 2. Moel persamaan laju korosi baja karbon alam lingkungan hirogen sulfia paa tekanan 1 atm an rentang tempertur o C iperoleh : Laju korosi (mpy) 3,69 H 1,7 T exp 6,06 Dimana konsentrasi ion H + alam ppm an temperatur alam kelvin. 3. Hasil verifikasi menunjukkan bahwa laju korosi ari moel engan hasil percobaan perbeaannya 1,5 %. 4. Laju korosi sampel baja ST-37 beraa paa rentang 43,91 s/ 184,6 mpy paa lingkungan hirogen sulfia. 5. Sampel baja ST-37 relatif kurang tahan korosi paa lingkungan hirogen sulfia. Ucapan Terimakasih Ucapan terima kasih isampaikan kepaa Hibah Bersaing P 2 M DIKTI, Lembaga Penelitian Universitas Peniikan Inonesia, Fakultas Peniikan Teknologi an Kejuruan UPI, Jurusan Peniikan Teknik Mesin FPTK UPI, Lab. Korosi JPTM FPTK UPI an semua pihak yang telah membantu paa penelitian ini. DFTR PUSTK B.R.D. Gerus, 1974, Detection an Mitigation of weight loss corrosion in Sour gas gathering system, Shell Canaa Lt. Basuki, E.., an Martojo,., 2004, Ketahanan pipeline terhaap sulfie hyrogen (H 2 S), Proceeing of Inonesian Pipeline Technology 2004, ITB. Denny. Jones, 1992, Principles an Prevention of Corrosion, Macmillan Publishing Company, US. G.Sorell an B. Hoyt, 1956, Collection an Correlation of high temperature hyrogen sulfie corrosion ata, NCE Technical Committee Report, Publication 56-7, New York, US, : p.215t. G.I. Ogunele an.e. hite, 1986, Some Observation on The Corrosion of Carbon steel in Sour gas environment : Effect of H 2 S an H 2 S/CO 2 /CH 4 /C 3 H 8 mixtures, Journal Corrosion NCE, Vol.42, No.7. Mars. G. Fontana, 1986, Corrosion Engineering, Mc Graw Hill, NewYork. Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480

11 N.Srihar, kk, Effect of water an gas compositions on the internal corrosion of gas pipelines moeling an experiment stuies, Corrosion Journal, Vol. 57, No3. Peromo, J.J., et al., 2002, Carbon Dioxie an Hyrogen Sulfie Corrosion on PI 5L gra B an X52, Journal of Material Perpormance. V.Van, T V Toai, an V Son (2006), Stuy on corrosive ability of oil gas in Bacho (hite Tiger)-Vietnam to Carbon steel an protection of pipeline by inhibitors, Jurnal Korosi an Material, Vol. VI. No.4. ayan Gosio, kk, 2001, Pengembangan Pipa Baja lir Lasan Spiral PI 5L X-60 untuk Sour Service, Proceeing Seminar Ilmiah, ITB. Yui MS, 2004, Meningkatkan Mutu Operasional Pipeline yang Hanal, man, an Ekonomis, engan menggunakan Metoe RBI (Risk Base Inspection), Proceeing of Inonesian Pipeline Technology 2004, ITB. Seminar Nasional Kimia an Peniikan Kimia IV 480