Pengaruh Temperatur pada Korosi Baja (Steel) dalam Larutan Elektrolit Mengandung Karbon Dioksida (CO 2 )

Transkripsi

1 Pengaruh Temperatur pada Korosi Baja (Steel) dalam Larutan Elektrolit Mengandung Karbon Dioksida (CO 2 ) Simon Sembiring Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung Abstract Studies of temperature influences of steel corrosion were performed in a carbon dioxide (CO 2 ) containing aqueous solution. The corrosion products (scales) forming on the steel surface were identified by x-ray diffraction (XRD) analysis as FeCO 3 and Fe 3 C. These compound were found to increase with increasing temperature. The weight loss increases with increasing exposure time, while the higher temperature of corrosion process was higher corrosion product on the steel surface. Keywords: Corrosion, x-ray Diffraction Pendahuluan Berbagai faktor dapat mempengaruhi terjadinya korosi, diantaranya lingkungan, campuran logam dll. Khususnya korosi pada besi di dalam larutan elektrolit yang mengandung karbon dioksida sudah banyak diteliti secara komprehensif. De Waard and Milliams (1975) menyimpulkan bahwa mekanisme korosi oleh karbon dioxida terjadi dengan cara katalis melalui reduksi asam karbonat (H 2 CO 3 ) dan reaksi-transfer muatan sebagai berikut 1. Anoda : 2CO 2 + 2H 2 O 2H 2 CO 3 (1) Katoda: HCO e H 2 +CO 3 (2) Fe CO 3 FeCO 3 (3) Hasil penelitian lain menunjukkan bahwa laju korosi meningkat dengan semakin meningkatnya konsentrasi ion bikarbonat 2,3. Beberapa persamaan sudah dikembangkan secara empiris hubungan antara laju korosi dengan tekanan partial CO 2, temperatur, dan ph larutan 4,5 yang dapat dituliskan dalam bentuk persamaan: Laju Korosi: (R) = C ph 1.33 P CO e -Q/kT (4) dengan, C = Konsentrasi, Q = energi aktivasi, T = suhu absolut, k = Konstanta Boltzman dan P CO2 CO 2. = Tekanan parsial Persamaan 4 memungkinkan keterlibatan variabel-variabel lain seperti laju aliran larutan, inhibitor, mikrostruktur baja. Untuk mengamati pengaruh salah satu variabel terhadap laju korosi, semua variabel lain dianggap konstan. Persamaan 4 hanya berlaku bila korosi dikontrol oleh produk korosi yang terjadi pada permukaan baja dalam keadaan stabil. Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa temperatur korosi yang berbeda menghasilkan reaksi anoda dan katoda berbeda 5. Hal ini sudah diamati bahwa Fe 3 C (iron carbide) bukan hasil dari proses korosi namun merupakan produk (scale) yang berasal dari baja sebagai katoda. Produk korosi yang dihasilkan oleh karbon dioksida adalah FeCO 3, yang kelarutannya menurun dengan turunnya temperatur dan meningkat dengan kenaikan tekanan CO 6 2. Tujuan penelitian ini dilakukan untuk memperoleh gambaran pengaruh temperatur tehadap korosi yang dapat dimodifikasi untuk meningkatkan ketahanan baja terhadap korosi dan pengaruhnya terhadap pembentukan produk korosi (scales) pada permukaan 2004 FMIPA Universitas Lampung 103

2 S. Sembiring, Pengaruh temperatur baja yang terkorosi oleh karbon dioksida (CO 2 ). Proses Korosi Metode Penelitian Bahan baja (steel) yang digunakan pada penelitian ini adalah baja dengan spesifikasi API X-52 (American Petroleum Institute) dengan kadar besi 99,99 % berat. Perlakuan panas dengan temperatur yang berbeda pada baja yang akan mengalami proses korosi dapat dilihat pada Tabel 1. Ukuran dimensi baja yang dipotong dengan electric discharge wire (EDW) adalah 20 mm panjang, 20 mm lebar dan 5 mm tebal. Sebelum proses korosi dilakukan maka terlebih dahulu permukaan baja digosok (polish) dengan kertas pasir ukuran 500 grit, kemudian dicuci dengan etanol dan dikeringkan. Baja siap untuk dipanaskan dalam furnace selama 2 jam. Baja yang telah mengalami pemanasan siap untuk dimasukkan ke dalam reaktor yang berisi larutan elektrolit dan karbon dioksida dengan volume total 500 ml dengan waktu korosi 10 jam, 20 jam, 30 jam dan 40 jam. Larutan elektrolit yang digunakan campuran 3% NaCl dan 100 mg/l H 2 CO 3. Penimbangan berat yang hilang dilakukan dengan menggunakan microbalance yang memiliki ketelitian ± 10-4 g. Karakterisasi Sampel baja yang telah mengalami proses korosi dikeluarkan dari wadah dan siap untuk dikarakterisasi untuk mengetahui struktur deposit yang terbentuk pada permukaan sampel. Karakterisasi korosi dilakukan dengan metode x-ray diffraction (XRD), a Siemens D500 diffraktometer dengan kondisi seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 1. Perlakuan Panas terhadap Baja Sampel Suhu Pemanasan ( C) Suhu Proses korosi ( C) Table 2. Kondisi Karakterisasi Pola Diffraksi dengan XRD Kategori Kondisi Instrumen Siemens D-500 Radiasi Cu-anode tube [type Fk60-04 CU] pada 40 kv and 30 ma, dengan panjang gelombang CuKα = Å, Optik Incident beam divergence = 1, Scatter slits divergence = 1 Soller slits divergence = 1 Detektor NaI detektor Waktu 2θ = Step size, 0.04 Pencacahan per step, 1detik FMIPA Universitas Lampung

3 Hasil dan Pembahasan Kehilangan berat (weight loss) baja untuk kondisi perlakuan panas meningkat dengan naiknya suhu pemanasan (Gambar 1a, 1b dan 2), mengindikasikan bahwa besi yang terlarut merupakan proses utama khususnya pada awal periode waktu proses korosi selama 10 jam. Hasil ini menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu pemanasan baja semakin menurun berat yang hilang. Pada periode waktu 20 jam berat yang hilang semakin meningkat akibat pengaruh dari mikrostruktur dengan terdeteksinya produk korosi FeCO 3 (Gambar 3). Pengamatan ini menyimpulkan secara tidak langsung bahwa FeCO 3 mengendap pada permukaan baja dalam keadaan belum jenuh sehingga tidak mampu sebagai pelindung terhadap korosi selanjutnya. Perbedaan kehilangan berat semakin berbeda nyata dimulai pada awal priode waktu 20 hingga 40 jam proses korosi, dan kehilangan berat semakin meningkat dengan naiknya temperatur proses korosi. (a) (b) Gambar 1. Kehilangan berat baja sebagai fungsi waktu pada temperatur proses korosi (a)30 C dan (b) 50 C FMIPA Universitas Lampung 105

4 S. Sembiring, Pengaruh temperatur Gambar 2. Kehilangan berat baja sebagai fungsi waktu pada temperatur proses korosi 60 C Gambar 3. XRD untuk baja yang terkorosi, CuKα = Å dengan temperatur proses korosi, 30 C, 50 C, 60 C dan 70 C. Dengan symbol F = Fe (besi), S = FeCO 3 (siderite), C = Fe 3 C (cementite) dan Ca = CaCO 3 (calcite) Gambar 3 menunjukkan hasil pola struktur diffraksi sinar-x yang terbentuk pada permukaan baja yang terkorosi dengan variasi temperatur proses korosi 30 0 C, 50 0 C, 60 0 C dan 70 0 C. Struktur dari produk korosi yang terdeteksi adalah besi (Fe), cementite (Fe 3 C), siderite (FeCO 3 ) dan calcite (CaCO 3 ). Struktur CaCO 3 terbentuk berasal dari larutan yang digunakan. FeCO 3 adalah produk korosi utama yang terjadi akibat interaksi ion Fe dengan ion CO - 3, sementara Fe 3 C akibat terlarutnya Fe dan berinteraksi dengan carbon (C) yang merupakan bahan campuran baja. Produk korosi FeCO 3 dan Fe 3 C meningkat dengan naiknya temperatur. Pengendapan FeCO 3 terjadi akibat konsentrasi ion Fe dan ion - CO 3 melebihi batas kejenuhan secara termodinamika. Hasil ekperimen ini menunjukkan bahwa pada temperatur yang lebih rendah, pengendapan memerlukan waktu yang lebih lama. Pengamatan ini didukung oleh hasil XRD, bahwa produk korosi FeCO 3 pada temperatur 30 C semakin rendah dan pada temperatur 70 C FeCO 3 semakin tinggi (Gambar 3) FMIPA Universitas Lampung

5 Kesimpulan Produk korosi yang terbentuk pada permukaan baja adalah FeCO 3 dan Fe 3 C. Produk korosi yang terbentuk pada permukaan baja meningkat dengan naiknya temperatur. Kehilangan berat meningkat dengan naiknya suhu pemanasan baja. Daftar Pustaka 1. De Waard, C. and Milliams, D.E Carbonic Acid Corrosion of Steel, Corrosion, 31, p Jasinski, R Corrosion of N80- Type Steel by CO 2 /Water Mixtures, Corrosion, 43, p Palacios, C.A. and Shadley, J.R Characteristics of Corrosion Scales on Steels in a CO 2 -Saturated NaCl Brine, Corrosion, 47, Ogundele, G.I. and White, W.E Some Observations on Corrosion of Carbon Steel in Aqueous Environments Containing Carbon Dioxide, Corrosion, 42, Ikeda, A., Ueda, M., Mukai, S., CO 2 Behavior of Carbon and Cr Steels, in Advances in CO 2 Corrosion, Vol 1, Houston, TX: NACE p Hausler, R.H Laboratory Investi-gations of the CO 2 Corrosion Mechanism as Applied to Hot Deep Gas Wells, Corrosion-85, Annual Conference and Corrosion Show - National Association of Corrosion Engineers. Paper 47 (17 pages) FMIPA Universitas Lampung 107