0032: Kemas A. Zaini Thosin dkk. MT-1 PELAPISAN ALLOY BERBASIS NIKEL PADA SUBSTRAT CARBON STEEL UNTUK SISTEM PEMIPAAN PADA PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI PANAS BUMI Kemas A. Zaini Thosin 1,, Eni Sugarti 1, Fredina Destyorini 1, dan Heru Santoso 2 1 Pusat Penelitian Fisika LIPI Gedung 442, Kawasan PUSPIPTEK, Tangerang Selatan 15314 Telepon (021) 7560570 2 Balai Pengembangan Teknologi Polimer-BPPT e-mail: kema001@lipi.go.id Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Korosi merupakan masalah yang banyak dihadapi dalam penggunaan material logam di berbagai bidang industri. Salah satu upaya untuk melindungi logam dari serangan korosi yaitu dengan melapisi permukaan logam dengan material yang memiliki ketahanan korosi yang tinggi contohnya paduan logam NiCo. Pada penelitian ini telah dilakukan pelapisan paduan NiCo pada komponen pipa baja karbon berupa elbow, tee dan potongan pipa. Pelapisan dilakukan dengan menggunakan metode elektroplating dan sebagian dilakukan proses perlakuan panas (heat treatment). Pada percobaan ini selain mengamati pengaruh pelapisan NiCo juga mengamati pengaruh proses perlakuan panas terhadap daya tahan korosi. Uji korosi dalam uap asam HCl memberikan bahwa lapisan NiCo berhasil melindungi substrat baja dari serangan korosi uap asam. Perlakuan panas memberi pengaruh mengurangi daya tahan korosi. Analisa mikrostruktur menggunakan SEM juga terlihat bahwa substrat yang telah dilapisi NiCo tidak mengalami kerusakan dan terlindungi dengan baik dari reaksi lingkungan HCl, sedangkan substrat baja tanpa lapisan mengalami kerusakan dan pengikisan akibat korosi. Kata Kunci: Pipa baja, korosi, tahan korosi, elektroplating, heat treatment I. PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki kandungan sumber daya alam kandungan panas bumi yang mencapai 40% kandungan di dunia. Oleh karena itu, pengembangan pembangkit tenaga listrik dari panas bumi (geothermal) sebagai sumber energi menjadi kebutuhan pengembangan energi utama di Indonesia. [1] Pada pembangkit tenaga listrik panas bumi, transfer panas dilakukan dengan menyuntikkan air ke perut bumi yang mengandung panas bumi (magma), yang kemudian gas yang terbentuk dari penguapan air tersebut di kumpulkan untuk memutar turbin. Untuk mengalirkan gas-gas yang berasal dari perut bumi, diperlukan pemipaan yang sangat panjang dibandingkan dengan pemipaan pembangkit listrik tipe lain. Gas yang keluar pada umumnya mengandung gas-gas korosif yang merusak material pipa dan turbin. Korosi merupakan permasalahan yang hampir selalu menyerang logam. Korosi dapat disebabkan oleh bermacammacam faktor, salah satunya adalah karena oksidasi. Oksidasi paling mudah terjadi ketika logam berada pada lingkungan bertemperatur tinggi. [2] Oleh karena itu, upaya meningkatkan ketahanan korosi dan oksidasi pada baja komersil menjadi sangat penting. Dalam penelitian ini dilakukan percobaan pelapisan bahan tahan korosi dan oksidasi berbasis NiCo pada komponen pemipaan berupa potongan pipa, elbow dan tee konektor seperti tampak pada ilustrasi GAMBAR 1. II. METODOLOGI A. Elektroplating NiCo Proses pelapisan dilakukan dua tahap. Tahap pertama Ni Strike electroplating dilakukan dengan rapat arus sebesar 500 ma/cm 2 selama 30 detik pada temperatur ruang. Tahap ke dua NiCo (Watts) 20 ma/cm 2 pada temperatur 50 C selama 120 detik keduanya dilaksanakan di dalam ruang asam. Susunan katoda-anoda diilustrasikan pada GAM- BAR 1. Katoda yang digunakan adalah katoda tunggal yang ditempatkan di pusat sampel pipa dan katoda ganda. Anoda substrat sasaran berupa komponen
MT-2 0032: Kemas A. Zaini Thosin dkk. GAMBAR 1: Ilustrasi penempatan Anoda di pusat kompenen pemipaan pada proses deposisi elektroplating untuk pelapisan bagian dalam pipa pemipaan yang telah diikat dengan kawat nikel. Selama proses electroplating, larutan elektrolit tetap diaduk dengan magnetic stirrer untuk menjaga homogenitas larutan dan menciptakan agitasi yang berfungsi membantu pembentukan lapisan dengan ketebalan seragam. Proses ini dilakukan dalam wadah tertutup untuk menghindari penguapan larutan. Setelah dua jam proses electroplating, sampel diangkat, dikeringkan, dan ditimbang. Dengan adanya selisih antara massa sampel sesudah dan sebelum electroplating, maka menurut Lowenheim ketebalan lapisan nikel yang terbentuk dapat dihitung melalui berikut: [3] T = W ρa di mana, T adalah tebal lapisan yang terbentuk (cm), W adalah massa lapisan yang terbentuk (massa akhirmassa awal), ρ adalah massa jenis logam pelapis (g/cm 3 ), dan A adalah luas permukaan sampel (cm 2 ). B. Uji Korosi Uap Asam HCl Uji korosi dengan uap asam pada penelitian ini dilakukan pada temperatur 80 C dengan total lama penguapan asam selama 44 jam. Sampel pipa berbentuk elbow, silinder dan tee dirangkai seperti pada GAMBAR 2. Kemudian sampel berbentuk plat persegi ditempatkan pada tempat sampel. Dilanjutkan dengan menaikkan suhu pada larutan penguapan asam dari temperatur ruang hingga mencapai 80 C. (1) GAMBAR 2: Rangkaian pipa untuk Uji Penguapan Asam III. HASIL DAN PEMBAHASAN GAMBAR 3 menampilkan kondisi sampel bentuk elbow, silinder dan tee sebelum dan sesudah pelapisan. Hasil lapisan tampak berwarna abu-abu terang, lapisan merata ke permukaan sampel yaitu ke seluruh permukaan luar dan seluruh permukaan bagian dalam pipa. Lapisan pada bagian dalam ini sangat penting, karena bagian dalam ini nantinya akan dilewati oleh bahan- bahan gas, cairan dan campuran gas dan cairan yang mengandung zat-zat kimia. A. Uji Korosi Uap Asam Uji korosi metode uap asam dilakukan dengan merangkai pipa bentuk elbow, silinder dan tee seperti pada GAMBAR 4. Disiapkan dalam 4 macam sampel yaitu sampel komponen pipa baja tanpa lapisan NiCo, sampel dengan lapisan NiCo, dengan lapisan NiCo telah diheat treatment 800 C selama 1 jam, dan komponen pipa stainless steel sebagai pembanding. Kemudian dalam rangkaian pipa tersebut dialirkan uap asam HCl selama 44 jam dan diamati perubahan yang terjadi pada masing-masing sampel. Hasil uji korosi dapat dilihat pada GAMBAR 5a untuk sebelum proses korosi dan GAMBAR 5b untuk setelah proses korosi. Terlihat bahwa komponen pipa baja (Fe) tanpa lapisan NiCo yang
0032: Kemas A. Zaini Thosin dkk. MT-3 ditunjukkan dengan tanda panah mengalami perubahan warna pada permukaan luarnya. Warna komponen pipa yang awalnya hampir sama dengan komponen pipa yang lainnya (warna baja), setelah proses korosi selama 44 jam berubah warna menjadi cokelat kehitaman atau warna karat. Sedangkan komponen pipa yang lainnya (dengan lapisan pelindung NiCo dan stainless steel) belum menunjukkan perubahan warna permukaan yang berarti. Hal ini dapat kita simpulkan bahwa lapisan NiCo dapat melindungi permukaan pipa dari serangan korosi yang diakibatkan oleh agresifitas ion Cl dari uap asam HCl yang dialirkan melalui permukaan dalam pipa, sehingga pipa dengan lapisan NiCo terbukti lebih tahan korosi dibanding pipa tanpa lapisan NiCo. Analisis secara makro juga dilakukan pada permukaan bagian dalam pipa. Foto makro permukaan bagian dalam pipa untuk masing-masing komponen pipa dapat dilihat pada GAMBAR 6. Pada gambar tersebut terlihat bahwa agresifitas ion Cl yang dibawa dalam aliran uap asam telah mengkorosi dan merusak permukaan bagian dalam pipa. Efek korosi ini paling terlihat jelas pada komponen pipa baja tanpa lapisan pelindung. Karat yang berwarna merah kecoklatan muncul dalam jumlah yang lebih banyak pada pipa baja dibanding dengan pipa yang telah terlapisi lapisan NiCo. Pipa baja mengalami kerusakan paling parah diantara pipa yang lainnya. Dari gambar tersebut terlihat bahwa lapisan NiCo mampu melindungi pipa baja dari serangan korosi ion Cl dalam proses pengujian korosi uap asam selama 44 jam. GAMBAR 3: Komponen pipa, elbow dan tee sebelum dan sesudah plating GAMBAR 4: Rangkaian pipa uji uap asam GAMBAR 5: Rangkaian pipa sebelum dan setelah proses uji korosi uap asam selama 44 jam B. Pengaruh Proses Heat Treatment Proses heat treatment pada teknik pelapisan bertujuan untuk mempemudah proses difusi antara substrat dan lapisan yang dideposisikan sehingga dihasilkan suatu sitem lapisan yang kuat terikat pada substratnya. Karena temperatur proses akan memberikan pengaruh terhadap laju difusi. Dengan meningkatnya temperatur pemanasan akan meningkatkan pula koefisien difusi sehingga terjadi inter-difusi antar atom-atom substrat dan lapisan. Pengaruh proses heat treatment pada sistem lapisan Fe/NiCo diamati dari bentuk mikrostruktur menggunakan SEM. Pengamatan dilakukan pada permukaan
MT-4 0032: Kemas A. Zaini Thosin dkk. GAMBAR 7: Mikrostruktur permukaan sampel Fe/NiCo, dan Fe/NiCo-heat treatment GAMBAR 8: Mikrostruktur penampang lintang Fe/NiCo, dan Fe/NiCo-heat treatment GAMBAR 6: Kondisi bagian dalam elbow sebelum dan sesudah uji korosi uap asam dan penampang lintang sampel yang disajikan pada GAMBAR 7 dan GAMBAR 8. Pada GAMBAR 7 memperlihatkan mikrostruktur permukaan sistem lapisan Fe/NiCo, terlihat bahwa sebelum dilakukan heat treatment (GAMBAR 7a) struktur permukaan sampel terlihat lebih tajam dan ukuran butir sampel masih sangat besar. Setelah melewati proses heat treatmen (GAMBAR 7b) ukuran butir sampel terlihat lebih homogen dan terlihat juga pembentukan batas butir sebagai akibat dari pemadatan/densifikasi antar patikel karena pengaruh temperatur. Terbentuknya batas butir ini dapat memperkuat ikatan antar partikelnya. Pengamatan mikrostruktur pada penampang lintang sistem lapisan FeNiCo disajikan pada GAMBAR 8. Pada sampel sebelum proses heat treatmen (GAMBAR 8a), lapisan NiCo terlihat hanya menempel di atas permukaan substrat Fe dan belum terikat dengan kuat. Pengaruh temperatur pada proses heat treatment menyebabkan terjadinya difusi lapisan NiCo ke dalam daerah Fe dan arah sebaliknya yaitu difusi Fe ke daerah lapisan NiCo. Hal ini dapat dilihat pada GAMBAR 8b, lapisan NiCo yang berwarna abu-abu terang membentuk gelombang bergerigi yang masuk ke daerah Fe. Pro- ses difusi antar unsur ini membentuk ikatan antara substrat dan lapisan NiCo semakin kuat. C. Hasil Pengujian Korosi Uap Asam Kemampuan lapisan NiCo memproteksi substrat Fe pada pipa setelah proses korosi juga diamati secara mikroskopi menggunakan SEM-EDS. Setiap sampel pipa untuk masing-masing perlakuan diwakili oleh satu sampel plat ukuran 20 mm 20 mm 2 mm. Pengamatan dilakukan pada bagian permukaan dan penampang lintangnya untuk melihat seberapa jauh kerusakan yang dialami masing-masing sampel akibat proses korosi pada temperatur 80 C dan korosi pada temperatur 650 C. Sampel yang disiapkan yaitu sampel substrat besi tanpa lapisan yang telah melewati uji korosi uap asam selama 44 jam pada temperatur 80 C dan pada temperatur 650 C. Sampel lainnya yaitu substrat Fe yang dilapisi lapisan NiCo (Fe/NiCo) dan sampel substrat Fe yang dilapisi NiCo dan lebih dahulu diheat treatment pada temperatur 800 C (Fe/NiCoheat treatment). Untuk sampel Fe/NiCo dan Fe/NiCoheat treatment disiapkan masing-masing 3 perlakuan yaitu as-deposited, setelah uji korosi uap asam pada temperatur 80 C, dan setelah korosi pada temperatur 650 C. Hasil foto SEM penampang lintang masingmasing sampel disajikan pada GAMBAR 9, GAMBAR 10, dan GAMBAR 11. Pada substrat Fe tanpa lapisan pelindung NiCo (GAMBAR 9) terlihat bahwa ion Cl dari uap asam langsung mengkorosi substrat Fe. Tidak adanya lapisan pelindung pada permukaan substrat Fe mengakibatkan
0032: Kemas A. Zaini Thosin dkk. MT-5 GAMBAR 9: Mikrostruktur penampang melintang sampel baja setelah uji korosi uap asam, setelah uji korosi uap asam pada temperatur 650 C kerusakan dan menghasilkan produk korosi pada permukaan substrat saat proses korosi pada temperatur 80 C (GAMBAR 9a). (c) GAMBAR 11: Mikrostruktur penampang melintang dan profil konsentrasi sampel Fe/NiCo-heat treatment as-deposited, setelah uji korosi uap asam pada temperatur 80 C, (c) setelah korosi pada temperatur 650 C (c) GAMBAR 10: Mikrostruktur penampang melintang dan profil konsentrasi sampel Fe/NiCo as-deposited, setelah uji korosi uap asam pada temperatur 80 C, (c) setelah korosi pada temperatur 650 C Sedangkan saat proses korosi pada temperatur tinggi (GAMBAR 10b) substrat Fe mengalami internal corrosion, proses korosi tidak hanya merusak permukaan substrat tetapi juga di bawah permukaan substrat. Kerusakan pada permukaan substrat yang diakibatkan oleh proses korosi pada temperatur 80 C menyebabkan adanya celah yang dapat dilalui ion Cl. Ion Cl ini kemudian masuk jauh ke dalam substrat dan merusak bagian dalam substrat. Peristiwa internal corrosion ini ditandai dengan ditemukannya produk korosi di bagian dalam substrat. Sedangkan pada permukaan substrat ditemukan lapisan oksida Fe (oxide scale) yang sifatnya tidak protektif dan tidak melekat pada permukaan substrat. Oxide scale tebentuk sebagai akibat dari pengaruh korosi pada temperatur 650 C, unsur Fe bereaksi dengan oksigen dan membentuk oksida nonprotektif. Untuk mengetahui produk korosi apa saja yang terbentuk pada sampel Fe, maka dilakukan analisis unsur kimia menggunakan EDS. Data EDS sampel Fe disajikan pada GAMBAR 12. Data EDS menunjukkan bahwa oxide scale permukaan substrat terdiri dari oksida Fe. Sedangkan
MT-6 pada daerah internal corrosion selain unsur Fe juga ditemukan unsur-unsur seperti C, O, Al, dan S. Unsurunsur tersebut merupakan unsur yang terkandung dalam carbon steel tipe rendah (low carbon steel), seperti yang dicantumkan pada TABEL 1. GAMBAR 12: Data EDS sampel substrat Fe tanpa lapisan NiCo setelah proses korosi pada temperatur 650 C. TABEL 1: Hasil analisa EDS, unsur kimia produk korosi pada temperature 650 C Bentuk struktur mikro substrat yang telah dilapisi NiCo baik yang tidak diheat treatment maupun yang sudah diheat treatment 800 C dapat dilihat pada GAM- BAR 8 dan GAMBAR 9. Sistem lapisan yang terbentuk terdiri dari 2 layer : yaitu lapisan pertama terdiri atas lapisan deposisi dari NiCo dan lapisan kedua terdiri dari substrat Fe. Setelah proses korosi yang dilakukan pada kedua jenis sampel, terlihat bahwa substrat Fe terlindungi dengan baik oleh lapisan NiCo. Lapisan NiCo yang merupakan material tahan korosi mampu mencegah agresifitas ion Cl dari uap asam untuk bereaksi secara langsung dengan substrat Fe, sehingga kerusakan pipa carbon steel dapat diperlambat. Efek perlakuan heat treatment juga terlihat pada GAMBAR 8a dan GAM- BAR 9a, lapisan NiCo yang awalnya hanya menempel di atas permukaan substrat Fe dengan adanya perlakuan panas saat proses heat treatment menyebabkan adanya difusi lapisan NiCo ke dalam daerah Fe dan arah sebaliknya sehingga ikatan antara substrat dan lapisan NiCo 0032: Kemas A. Zaini Thosin dkk. semakin kuat. Namun sesuai dengan hasil pengujian korosi uap asam, Fe/NiCo-heat treatment tidak memiliki kemampuan yang lebih baik dari Fe/NiCo dalam mempertahankan lapisan NiCo karena proses difusi Fe yang dialami pada Fe/NiCo-heat treatment sebelum pengujian membuat Fe yang telah berdifusi ke daerah lapisan NiCo terkorosi terlebih dahulu dan membuat korosi dalam pada lapisan NiCo. Sehingga serangan ion Cl yang seharusnya menyerang lapisan NiCo yang lebih tahan korosi maka secara langsung juga menyerang dan bereaksi dengan Fe yang telah berdifusi ke lapisan atas. Hal ini menyebabkan lapisan NiCo yang terdifusi oleh Fe mengalami korosi yang lebih cepat. IV. KESIMPULAN Kegiatan penelitian ini telah berhasil menerapkan teknik pelapisan elektroplating NiCo dan heat treatment pada komponen pipa lainnya yaitu bentuk silinder dan tee. Dengan desain penempatan elektroda yang tepat, lapisan NiCo dapat terdeposisi pada bagian dalam komponen pipa bentuk elbow, silinder, dan tee. Berdasarkan analisis makro dan mikro terhadap hasil pengujian korosi uap asam yang dilakukan pada semua sampel pipa yang dirangkai dalam satu rangkaian tertentu membuktikan bahwa lapisan NiCo mampu melindungi pipa baja komersil dari serangan korosi dalam lingkungan asam baik itu korosi pada temperatur rendah (80 C) maupun pada temperatur tinggi (650 C). Dengan demikian ketahanan korosi pipa carbon steel meningkat dan umur pakai material tersebut bertambah lama. DAFTAR PUSTAKA [1] Pusat Data Sumber Daya Energi dn Mineral, Kemen ESDM RI, 2007. [2] Roberge, Pierre R. 2008. Corrosion Engineering Principle adn Practice. USA: McFraw Hill Comp. Inc. [3] Tang, Peter T. 2008. Utilising Electrochemical Deposition for Micro Manufaturing. Cardiff University, Cardiff, U.K., Whitles Publishing. [4] Sudiro, Toto, dkk. 2007. Pelapisan Thermal Barrier Coating (TBC) NiAl pada Paduan Logam Berbasis Co. Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 3, No. 2, Hal. 070202-1 s.d. 070202-4. [5] Young, David. 2008. High Temperature Oxydation adn Corrosion of Metals, (Elsevier Corrosion Sciences Vol. I) Oxford, U.K.: Elsevier.