Pengaruh Pelapisan MgZn Fosfat dalam Cat Organik Terhadap Laju Korosi pada Pipeline API-5L Grade-B

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 1 Pengaruh Pelapisan Fosfat dalam Cat Organik Terhadap Laju Korosi pada Pipeline API-5L Grade-B Az Zahra Faradita Sunandi, Prof. Dr. Ir Sulistijono, DEA Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia ssulistijono@mat-eng.its.ac.id Abstrak Pada umumnya, material yang digunakan pada sistem pipeline di lapangan minyak bumi dan gas alam adalah pipa baja karbon. Adapun perlindungan permukaan eksternal pipa pada pipeline terhadap korosi atmosferik yang terjadi di lapangan biasanya menggunakan coating berupa cat organik. Performa ketahanan korosi dari coating jenis ini dapat ditingkatkan dengan menggunakan conversion coating, salah satunya dengan zinc fosfat. Adapun variasi penambahan senyawa MgCO3 pada proses chemical bath zinc fosfat dilakukan untuk membentuk fosfat dengan tujuan menambah jumlah phosphophyllite dan hopeite yang terbentuk pada permukaan spesimen setelah proses coating. Pada hasil pengujian SEM, spesimen dengan coating fosfat tidak menunjukkan adanya penambahan pada jumlah phosphophyllite dan hopeite. Hasil EDX dan XRD menunjukkan bahwa proses imersi dengan metode chemical bath dapat menghasilkan phosphophyllite dan hopeite di semua spesimen. Akan tetapi, hasil pengujian untuk menentukan laju korosi pada semua spesimen menunjukkan bahwa spesimen dengan fosfat memiliki laju korosi yang paling rendah di antara semua jenis spesimen. Hasil ini berlaku untuk kedua jenis pengujian, yakni kurva Tafel Fit melalui polarisasi potesnsiodinamik dan pengujian weight loss. Kata kunci: Korosi pipa, coating, zinc phosphate, cat organik. Phosphophyllite I. PENDAHULUAN P IPELINE merupakan sebuah utilitas dalam sistem transportasi fluida untuk plant oil and gas. Penggunaan pipeline dapat diaplikasikan pada beberapa lingkungan, antara lain adalah above ground dan under ground [1]. Penempatan pipa pada beberapa lingkungan ini dapat menyebabkan kegagalan, salah satunya adalah korosi. Korosi yang terjadi pada pipeline biasanya disebabkan oleh interaksi pipa pada lingkungan, yang memicu terjadinya korosi atmosferik. Sedangkan pipa yang diletakkan di bawah tanah beresiko terserang korosi tanah yang diakibatkan beberapa parameter seperti aktifitas mikrobiologi dan resistivitas tanah [2] [3]. Perlindungan yang diberikan untuk permukaan eksternal pada pipa pipeline ini biasanya menggunakan cat organik yang terdiri dari beberapa layer. Namun penggunaan cat organik ini masih ada yang mengandung bahan-bahan yang tidak ramah lingkungan, seperti cat-cat yang berbasis oil [4]. Maka dari itu, salah satu alternatif yang dapat digunakan adalah menggunakan converion coating dengan phosphate. Penggunaan phosphate untuk conversion coating ini dapat meningkatkan ketahanan korosi pada permukaan pipa, karena mekanisme yang terjadi pada permukaan pipa adalah dengan mengubah permukaan substrat logam menjadi senyawa phosphophyllite, yakni senyawa antara Fe, Zn, dan asam fosfat, Zn 2Fe(PO 4) 2.4H 2O. Di sisi lain, penambahan senyawa magnesium karbonat pada larutan proses imersi chemical bath dapat meningkatkan jumlah phosphophyllite pada permukaan logam. Dengan adanya phosphophyllite ini, maka penetrasi dari lingkungan ke substrat logam dapat terhalangi karena senyawa ini berfungsi sebagai barrier protection [5]. Dalam penelitian kali ini, penggunaan serbuk zinc oxide dan magnesium karbonat diharapkan dapat meningkatkan jumlah phosphophyllite serta memberikan angka laju korosi yang rendah dibandingkan spesimen yang tidak dicoating. II. METODOLOGI PENELITIAN Peralatan yang digunakan pada penelitian ini antara lain, magnetic stirrer, mesin potensiostat, ph meter, termometer, AVOmeter, botol plastik, stopwatch, mesin polishing, beaker glass, hairdryer, scanning electron microscope, X-Rays diffraction, kertas amplas 200 hingga 800, mesin bor, timbangan digital, labu ukur, cawan dan kamera digital. Sedangkan bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain, baja API 5L Grade B, zinc oxide, magnesium karbonat, Larutan 3.5% NaCl, phosphoric acid, nitric acid, cat epoksi, dan aquades. Preparasi spesimen diawali dengan membuat sampel dari baja karbon API 5L grade B. Ada 2 jenis sampel yang digunakan, yakni sampel untuk uji potensiostat dan untuk uji weight loss. Spesimen yang diuntuk uji potensiostat dipreparasi berbentuk silinder dengan luas permukaan 1,5386 cm 2, sedangkan spesimen untuk uji weight loss berbentuk balok dengan luas permukaan 2,9844 cm 2. Untuk spesimen weight loss, cat organik yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan cat epoksi Jotun Jotamastic 80. Adapun untuk preparasi larutan zinc fosfat dan fosfat didasari dengan penggunaan variabel coating yakni spesimen dengan coating zinc fosfat, spesimen dengan fosfat, spesimen tanpa coating, spesimen dengan coating zinc fosfat dan epoksi serta spesimen dengan coating fosfat dan cat epoksi. Pada pengujian Tafel Fit dan weight loss penelitian ini menggunakan larutan NaCl sebesar 3.5%. serbuk NaCl yang

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 2 digunakan sebesar 35,24 gram yang kemudian dilarutkan kedalam 1000 ml aquades. Pengujian potensiostat dilakukan dengan metode tafel untuk mengetahui laju korosi [6]. Pengujian ini menggunakan 3 elektrode yaitu, grafit sebagai elektrode bantu, SCE (Saturated Calomel Electrode) sebagai elektrode reference, baja API 5L grade B sebagai elektrode kerja. permukaan spesimen yang telah dicoating fosfat dan zinc fosfat. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengujian untuk menemukan nilai laju korosi pada penelitian ini disajikan dalam bentuk kurva Tafel serta grafikgrafik hasil pengujian weight loss. Pengujian Tafel pada untuk spesimen tanpa coating, spesimen dengan coating fosfat dan spesimen dengan coating sznc fosfat dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 1. Skema Uji Potensiostat Metode Tafel Fit ini digunakan untuk mendapatkan nilai laju korosi pada baja API 5L Grade B yang telah dicoating fosfat dan zinc fosfat dan tanpa coating pada larutan NaCl 3.5%. Adapun parameter pengujian tafel yang digunakan bisa dilihat pada tabel dibawah ini Tabel 1. Parameter Pengujian Tafel Elektroda Kerja API 5L Grade B Equivalent Weight (g) Densitas (g/ml) 7.87 Luasan Terekspos (cm 2 ) Counter Electrode Grafit Reference Electrode SCE Scan Rate (V/s) Start Potential (V) -0.3 Finish Potential (V) 0.3 Pengujian laju korosi yang dilakukan selain polarisasi adalah pengujian weight loss. Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui tren pengurangan berat serta nilai laju korosi melalui metode perendaman spesimen pada larutan NaCl 3.5%. Sampel yang digunakan berukuran 1cmx1cmx0.3cm. Pengujian ini dilakukan selama 10 hari, dengan interval waktu 2 hari atau 48 jam, sehingga ada 5 tren yang akan muncul pada hasil pengujian weight loss. Pengujian untuk karakterisasi dari hasil coating menggunakan XRD, SEM dan EDX. Pengujian XRD dilakukan untuk mengamati senyawa yang terbentuk pada permukaan sampel. Alat yang digunakan adalah PANanalitycal. Karakterisasi ini dilakukan pada sampel yang telah dicoating fosfat dan zinc fosfat. Pengujian SEM dilakukan untuk mengamati morfologi permukaan sampel yang telah dicoating dengan fosfat dan zinc fosfat. Alat yang digunakan adalah mesin FEI Inspect S50. Pengujian EDX ini dilakukan untuk menganalisa komposisi kimia pada Gambar 3. Hasil Kurva Tafel pada spesimen coating dan tanpa coating Berdasarkan kurva polarisasi yang dibentuk dari pengujian Tafel, spesimen dengan coating fosfat menunjukkan nilai I corr yang paling rendah, yakni sebesar µa. pada Gambar 4.7, kurva spesimen fosfat ditunjukkan dengan kurva garis berwarna merah. Diikuti dengan kurva polarisasi milik spesimen dengan coating zinc fosfat, memiliki nilai I corr sebesar µa. Spesimen tanpa coating memiliki nilai I corr tertinggi, yakni sebesar µa. Dari ketiga nilai tersebut, dapat dikatakan bahwa spesimen dengan coating fosfat memiliki nilai laju korosi yang lebih rendah. Dari hasil Tafel Fit, didapatkan beberapa nilai seperti I corr, E corr, β a, β b dan corrosion rate. Nilai I corr menunjukkan kerapatan arus yang timbul akibat interaksi antarmuka spesimen dengan larutan NaCl 3.5%. Nilai E corr merupakan perbedaan potensial antara logam dan larutan NaCl 3.5%. Sedangkan nilai β a dan β b adalah kemiringan (slope) antara garis anodik dan garis katodik. Tabel 2. Hasil Pengujian Tafel pada Spesimen Fosfat, Zinc Fosfat, dan Coating Spesime n CR (mpy) E corr I corr (µa) βa βc Fosfat Zinc Fosfat Coating

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 3 Pada Tabel 2, harga I corr tertinggi terlihat pada spesimen dengan coating fosfat. Tingginya nilai I corr ini berpengaruh pada laju korosi yang dihitung berdasarkan persamaan Faraday. Nilai I corr milik spesimen dengan coating zinc fosfat menyusul dengan harga yang lebih besar yakni sebesar µa/cm 2. Lalu adapun nilai I corr milik spesimen tanpa coating sebesar µa /cm 2. Nilai I corr ini menunjukkan pengaruh coating pada spesimen, yakni menurunnya nilai I corr maka laju korosi pun semakin rendah. Dengan adanya coating, aktivitas oksidasi pada logam akan terhalang karena peranan dari phosphophyllite dan hopeite yang terbentuk pada permukaan spesimen yang membentuk barrier untuk menghindari logam dari penetrasi lingkungan, yakni larutan NaCl 3.5%. Nilai βa dan βc digunakan untuk menghitung laju korosi berdasarkan persamaan Butler-Volmer yang dilakukan oleh software dalam penentuan laju korosi menggunakan Tafel Fit. Pada hasil pengujian weight loss, spesimen dengan coating fosfat yang dipainting dengan cat epoksi menunjukkan grafik pengurangan berat yang paling rendah di antara semua spesimen. Pengujian ini menggunakan larutan NaCl 3.5% dan pada penelitian yang dilakukan oleh Jegannathan, dkk menyatakan bahwa perubahan warna dapat diobservasi pada perendaman selama 24 jam [7]. Meski kurva spesimen ini tidak berada jauh dengan kurva di atasnya, yakni kurva zinc fosfat dengan painting cat epoksi, hal ini menunjukkan bahwa fosfat berpengaruh pada pada pengurangan berat selama pengujian berlangsung. Mengacu pada peran coating fosfat yakni meningkatkan sifat adhesi pada cat organik, khususnya epoksi, maka ada kemungkinan bahwa ion magnesium fosfat dapat meningkatkan sifat adhesi antara fosfat dengan cat epoksi [8]. Demikian halnya dengan zinc fosfat yang dipainting dengan cat epoksi, laju pengurangan beratnya tidak berbeda jauh dengan spesimen yang dicoating dengan fosfat. pun akan semakin bertambah. Pada titik di interval kelima, yakni 240 jam, spesimen dengan coating fosfat berada di bawah spesimen coating zinc fosfat. Pengurangan berat yang paling besar dimiliki oleh spesimen tanpa coating. Dari hasil tren laju pengurangan berat selama pengujian weight loss, maka laju korosi dapat dicari dengan rumus penentuan laju korosi berdasarkan pengurangan berat. Dari persamaan tersebut, didapatkan data-data sebagai berikut: Tabel 3. Data Laju Korosi Hasil Pengujian Weight loss Spesimen Laju Korosi (mpy) 48 jam 96 jam 144 jam 192 jam 240 jam coating fosfat Zinc fosfat fosfat Zinc fosfat Rerata Laju Korosi (mpy) Pada Gambar 5, dibuat kurva laju oksidasi untuk mengetahui secara kualitatif dan kuantitatif pengurangan massa per satuan luas untuk beberapa interval yang telah ditentukan, yakni per 48 jam selama 10 hari (240 jam). Kurva ini digunakan untuk mengetahui konstanta laju oksidasi setiap spesimen, seperti yang tertera pada Tabel 4.5 Dapat dilihat bahwa setiap kurva memiliki karakteristik masing-masing, kurva milik spesimen dengan car epoksi memiliki tren pengurangan berat dari nilai negatif, yang dapat diartikan atau dianggap tidak terjadi korosi karena nilai pengurangan beratnya yang sangat kecil. Dari kurva ini, dengan menggunakan persamaan linear laju oksidasi maka dapat diketahui konstanta laju oksidasi. Gambar 4. Grafik Pengurangan Berat selama Pengujian Weight loss Untuk spesimen dengan coating fosfat, tampak pada kurva bahwa laju pengurangan berat spesimen ini berada di atas spesimen-spesimen dengan cat epoksi. Tidak berbeda jauh dengan spesimen coating zinc fosfat dan spesimen tanpa coating, laju pengurangannya dimulai dari titik yang hampir sama dengan spesimen fosfat. Pada interval kedua sampai keempat, ketiga spesimen sama-sama mengalami perubahan tren laju pengurangan berat. Seiring dengan bertambahnya periode perendaman, maka pengurangan berat Gambar 5. Grafik Laju Korosi pada Spesimen Pengujian Weight loss Pada Tabel 3, dapat dilihat bahwa nilai konstanta laju oksidasi dimiliki oleh spesimen dengan coating fosfat dan cat epoksi, diikuti dengan zinc fosfat dan cat epoksi.

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 4 Sedangkan untuk ketiga nilai lainnya pada spesimen tanpa cat epoksi tidak saling berbeda jauh. Dari sini dapat disimpulkan bahwa semakin kecil nilai konstanta laju oksidasinya maka laju korosinya juga semakin rendah. Tabel 3. Konstanta Laju Oksidasi Spesimen Zinc Fosf Fosfat Fosfat+ at Coating Zinc Fosfat Pada Gambar 6, terdapat hasil pengujian XRD pada spesimen fosfat dan zinc fosfat. Hasil XRD ini digunakan untuk menganalisa komposisi kimia yang terdapat pada permukaan spesimen baja karbon API-5L Grade B. memiliki angka yang sangat kecil, serupa dengan hasil EDX sebelumnya untuk spesimen dengan coating fosfat. Tidak berbeda jauh dengan hasil XRD pada spesimen fosfat, perbedaan pada hasil XRD untuk spesimen zinc fosfat adalah tidak adanya magnesium zinc fosfat hidrat. Pada kurva XRD terlihat jelas bahwa peak tertinggi dimiliki oleh phosphophyllite. Kemudian diikuti dengan peak kedua tertinggi, yakni Fe sebagai spesimen baja karbon API-5L Grade B. Pada peak ketiga tertinggi dimiliki oleh hopeite. Hasil analisa SEM menunjukkan phosphophyllite yang berbentuk needle-like dan hopeite yang berbentuk bola kecil berwarna putih [9]. Persebaran phosphophyllite yang ditunjukkan panah hitam dan hopeite yang ditunjukkan panah merah; pada permukaan spesimen fosfat tidak merata dikarenakan tidak banyaknya ion fosfat dari zinc fosfat dan magnesium fosfat yang berikatan dengan substrat logam Fe. Ion-ion fosfat yang tidak mampu untuk berikatan ini dapat disebabkan oleh dua hal. Sebab pertama adalah permukaan substrat logam yang tidak mengalami surface modification agar lapisan coating fosfat dapat terbentuk dengan sempurna. Alasan yang kedua adalah adanya ion magnesium fosfat yang terlarut dalam larutan fosfat untuk coating mempengaruhi performa dari ion fosfat untuk membentuk lapisan coating pada permukaan. Ion magnesium seharusnya dapat berpengaruh pada jumlah phosphophyllite dan hopeite karena dengan penambahan senyawa magnesium karbonat maka ion fosfat yang terbentuk dapat lebih banyak. Namun pada kenyataannya, jumlah phosphophyllite dan hopeite tidak tampak merata tersebar di permukaan spesimen. Gambar 6. Hasil pengujian XRD pada spesimen fosfat dan zinc fosfat a b c Pada hasil XRD spesimen fosfat ini, dari hasil analisis peak-peak pada grafik XRD dan pencocokan nilai peak terhadap PDF card, terlihat bahwa peak tertinggi merupakan peak milik phosphophyllite (Zn 2 Fe(PO 4 ) 2 4H 2 O), dengan reference code Untuk peak kedua tertinggi dimiliki oleh Fe sebagai substrat logam spesimen, yakni baja karbon API-5L Grade B. Reference code untuk Fe merujuk pada PDF card, yakni Peak ketiga tertinggi merupakan hopeite, dengan rumus kimia Zn 3 (PO 4 ) 2 4H 2 O. Untuk hopeite, reference code nya adalah Adapun peak terkecil dimiliki oleh magnesium zinc fosfat hidrat, dengan rumus kimia (Mg 0.62 Zn 0.38 ) Zn 2 (PO 4 ) 2.(H 2 O) 4 dan reference code Pada pengujian XRD, diketahui ternyata ion magnesium fosfat ini berikatan dengan ion zinc fosfat dan membentuk senyawa magnesium zinc fosfat hidrat. Jika ditilik pada literatur sebelumnya, ion magensium fosfat merupakan hasil reaksi dari magnesium karbonat dengan larutan asam nitric acid pada saat pembuatan dan proses imersi chemical bath. Hal ini semakin menegaskan bahwa magnesium fosfat yang terbentuk pada permukaan spesimen berjumlah sangat sedikit, seperti yang ditampilkan pada analisa morfologi melalui pengujian SEM dan EDX. Peak yang ditampilkan pada pengujian XRD untuk senyawa ini juga Gambar 7. Hasil Pengujian SEM pada Spesimen Fosfat perbesaran (a) 300x, (b) 1000x, (c) 2000x Pada spesimen yang dicoating dengan zinc fosfat, hasil pengujian SEM menunjukkan adanya phosphophyllite dan hopeite dengan jumlah yang banyak dari spesimen fosfat. Persebaran phosphophyllite dan hopeite pada permukaan spesimen terlihat merata. Pada Gambar 4.2 bagian a, jumlah phosphophyllite tampak penuh menutupi permukaan spesimen. Pada perbesaran 1000x, phosphophyllite terlihat lebih banyak dari spesimen dengan coating fosfat. Visual pada Gambar 8 bagian c menegaskan bahwa phosphophyllite yang terbentuk pada spesimen zinc fosfat lebih banyak dan tampak menumpuk satu sama lain. Berikut hasil pengujian SEM pada spesimen zinc fosfat ditunjukkan pada Gambar 8. Persebaran yang merata ini dikarenakan jumlah ion zinc fosfat yang terbentuk lebih banyak daripada jumlah ion zinc fosfat di spesimen fosfat. Tidak adanya penambahan ion-ion kation divalen di pra pembuatan larutan coating memberikan kesempatan pada zinc oxide untuk membentuk ion zinc fosfat yang lebih banyak. Ikatan yang terbentuk pada

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 5 substrat logam dengan ion zinc fosfat pun lebih banyak, sehingga terbentuklah senyawa phosphophyllite dan hopeite yang merata pada permukaan spesimen. Lapisan coating pun tampak menumpuk pada permukaan spesimen, hal tersebut menunjukkan bahwa ion fosfat dapat berikatan dengan baik pada substrat logam. a b c Gambar 8. Hasil Pengujian SEM pada Spesimen zinc fosfat perbesaran (a) 300x, (b) 1000x, (c) 2000x Pada spesimen dengan coating fosfat, hasil pengujian EDX menunjukkan adanya unsur Fe dengan dominasi %. Jumlah ini menunjukkan bahwa spesimen benar merupakan baja karbon. Hasil prosentase unsur-unsur yang lain diikuti dengan P sebesar %, Mg sebesar % dan Zn sebesar %, menunjukkan bahwa pada permukaan spesimen terdapat unsur pembentuk coating hasil perendaman dalam larutan chemical bath fosfat. Tidak berbeda jauh dengan spesimen fosfat sebelumnya, pada spesimen dengan coating zinc fosfat ini memiliki hasil pengujian EDX yang menunjukkan adanya unsur Fe dengan dominasi %. Jumlah ini menunjukkan bahwa spesimen merupakan baja karbon. untuk unsur-unsur yang lain masing-masing adalah P sebesar % dan Zn sebesar %. Hasil ini menunjukkan bahwa pada permukaan spesimen terdapat unsur pembentuk coating hasil perendaman dalam larutan chemical bath zinc fosfat. IV. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa 1. Laju korosi dari pengujian polarisasi dengan tafel fit masing-masing spesimen adalah mpy untuk fosfat, diikuti dengan spesimen zinc fosfat sebesar mpy dan spesimen tanpa coating sebesar mpy. Untuk pengujian weight loss, spesimen dengan coating fosfat memiliki nilai laju korosi mpy. Diikuti dengan spesimen zinc fosfat yang dipainting dengan epoksi memiliki nilai laju korosi sebesar mpy. Untuk spesimen fosfat, zinc fosfat, dan tanpa coating memiliki nilai laju korosi yang sama, yakni sebesar mpy. 2. Penambahan MgCO 3 tidak menambah jumlah phosphophyllite berdasarkan hasil analisa morfologi SEM. Gambar 9. Hasil pengujian EDX pada spesimen Fosfat DAFTAR PUSTAKA [1] Rafferty, K., Geothermal District Piping A Primer,. Geo-Heat Center, Klamath Falls, Oregon. [2] Antaki, George A Piping and Pipeline Engineering Design, Construction, Maintenance, Integrity, and Repair. Marcel Dekker, USA [3] DiPippo, Ronald Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact. Butterworth- Heineman, USA. [4] Jegannathan, S., T.S.N. Sankara Narayanan, K. Ravichandran, S. Rajeswari Formation of zinc phosphate coating by anodic electrochemical treatment. Surface & Coatings Technology 200 (2006) [5] Morks, M.F., N.F.Fahim, I.S.Cole Environmental phospate coating for corrosion prevention in CO2 pipelines. Materials Letters 94 (2013) [6] Morks, M.F., P. Corrigan, N. Birbilis, I.S. Cole A green Mn phosphate coating for steel pipelines transporting CO2 rich fluids. Surface & Coatings Technology 210 (2012) [7] Jegannathan, S., T.S.N. Sankara Narayanan, K. Ravichandran, S. Rajeswari Performance of zinc phosphate coatings obtained by cathodic electrochemical treatment in accelerated corrosion tests. Electrochimica Acta 51 (2005) [8] Valero, Greg Metal Finishing: Organic Finishing Guidebook. Elsevier [9] Chen, Ta-Tung., Shih-Tsung Ke, Yih-Ming Liu, Kung-Hsu Hou The Study on Optimizing the Zinc Phosphate Conversion Coating Process and Its Corrosion Resistance. Journal of C.C.I.T., Vol.34, No.2. Gambar 10. Hasil pengujian EDX pada spesimen Fosfat