PENGARUH PH LINGKUNGAN TERHADAP PERILAKU KOROSI STAINLESS STEEL AISI 304 DAN AISI 316

(1)

PENGARUH PH LINGKUNGAN TERHADAP PERILAKU

KOROSI STAINLESS STEEL AISI 304 DAN AISI 316

(2)

LOGO

Ujian Tugas Akhir

PENGARUH PH LINGKUNGAN TERHADAP PERILAKU KOROSI STAINLESS STEEL AISI 304 DAN AISI 316 Oleh : Hendra Adi Prasetya NRP. 2706 100 042 Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir.

Sulistijono, DEA Dr. Hosta Ardhyananta, ST, M.Sc

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri - ITS

Contents

1. Pendahuluan

2. Tinjauan Pustaka 3. Metodologi Penelitian 4. Hasil dan Pembahasan

5. Kesimpulan dan Saran

Latar Belakang

PERUBAHAN PH LINGKUNGAN

MEDIA ASAM ASETAT DAN AMONIA

KOROSI DAN PEMILIHAN MATERIAL

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

PENGARUH PH LINGKUNGAN TERHADAP PERILAKU KOROSI STAINLESS STEEL AISI 304 DAN AISI 316

Perumusan Masalah PERILAKU AKTIF-PASIF

Bagaimana perilaku aktif-pasif AISI 304 dan 316 pada berbagai pH lingkungan asam asetat dan amonia

LAJU KOROSI

Bagaimana laju korosi AISI 304 dan 316 akibat pengaruh pH lingkungan asam asetat dan amonia

PRODUK KOROSI

Bagaimana produk korosi AISI 304 dan 316 akibat pengaruh pH lingkungan asam asetat dan amonia

Batasan Masalah

1

(3)

Material yang digunakan dianggap homogen

Konsentrasi oksigen dalam masing-masing larutan dianggap sama dan konstan

3 Pengujian dilakukan dalam temperatur ruangan dan tekanan standar

Tujuan Penelitian  Mempelajari perilaku aktif-pasif stainless steel AISI 304 dan AISI 316 pada berbagai pH lingkungan asam asetat dan amonia.  Mempelajari laju korosi stainless steel AISI 304 dan AISI 316 akibat pengaruh pH lingkungan asam asetat dan amonia.  Mempelajari produk korosi stainless steel AISI 304 dan AISI 316 akibat pengaruh pH lingkungan asam asetat dan amonia.

Manfaat Penelitian dapat memperkaya kajian tentang perilaku korosi stainless steel terutama austenitic stainless steel tipe AISI 304 dan AISI 316 sebagai alternatif pemilihan material pada berbagai lingkungan terutama lingkungan bervariasi tingkat keasaman/pH.

Sistematika Penulisan Tinjauan Pustaka

II

Pendahuluan

I

III

Metodologi

Laporan Tugas Akhir

Kesimpulan dan Saran

V

IV

Hasil dan Pembahasan

Korosi Elektrokimia 



Korosi didefinisikan sebagai perusakan atau penurunan kualitas material karena bereaksi dengan lingkungannya (Fontana, 1986). Proses korosi pada umumnya sering berupa reaksi elektrokimia

(4)

(Uhlig, 1985).

Gambar 2.1 Sel korosi basah sederhana (Trethewey, 1991)

 

Korosi yang terjadi akibat reaksi elektrokimia, melibatkan dua reaksi, yaitu reaksi oksidasi dan reaksi reduksi. Korosi elektrokimia atau korosi basah dapat terjadi jika terpenuhi empat komponen penting (Trethewey, 1991) yaitu :  Adanya reaksi anoda  Adanya reaksi katoda  Hantaran ion melalui elektrolit  Hantaran elektron melalui logam

Pengaruh Lingkungan Terhadap Laju Korosi  Pengaruh Konsentrasi Elektrolit 

Konsentrasi media korosif berpengaruh terhadap laju korosi bergantung dari jenis media tersebut dan jenis logam yang berada di media tersebut. Laju Korosi

Ni dalam NaOH 18Cr-8Ni dalam HNO3

A 18Cr-8Ni dan Fe dalam H2SO4

B

2

1 Konsentrasi Media

Gambar 2.2 Pengaruh konsentrasi media korosi terhadap laju korosi (Fontana, 1986). JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

Pengaruh pH  Pengaruh pH terhadap korosi baja bergantung pada komposisi logam, tegangan, konsentrasi O2, dan tipe asam yang mengontrol pH.  Dalam larutan basa kuat, reaksi korosi dalam kondisi anodic-controlled.  Dalam larutan basa lemah atau netral, laju korosi dalam kondisi

cathodic-controlled.  Dalam lingkungan pH asam, korosi dalam kondisi anodic-controlled dan

komposisi logam mempengaruhi laju korosi secara ekstensif.  Tipe asam dalam larutan menentukan pH dimana laju korosi meningkat pesat seiring dengan reaksi evolusi hidrogen.

Pengaruh pH Rata rata penetrasi Spesifik-Inches/ Year/Year/mlO2/Liter

0,009 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 Awal evolusi H2 0,003 + 0,002 + + 0,001

(5)

+ + ++ + 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 pH

Gambar 2.3 Hubungan pH dengan korosi baja karbon rendah (Uhlig, 1985).

Pengaruh Temperatur  Secara umum kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan laju korosi, biasanya tiap kenaikan 100 C laju reaksi meningkat hampir dua kali lipat.  Perlu dicatat bahwa penurunan temperatur dibawah titik embun (dew point) menyebabkan udara menjadi jenuh uap air sehingga memungkinkan terjadinya titik embun pada permukaan logam dan terjadi korosi lokal.  Sebaliknya tidak jarang pula pemanasan ruangan digunakan untuk mengurangi kelembaban, selama temperatur tidak menjadi sebab utama korosi untuk kondisi yang ada, karena temperatur bisa berakibat kenaikan laju korosi (Sulistijono, 1999).

Pengaruh Laju Aliran Elektrolit  Secara umum laju korosi meningkat seiring dengan kenaikan kecepatan media korosif kecuali untuk beberapa kondisi media korosif yang dikontrol oleh polarisasi aktivasi (media korosi yang spesies aktifnya tinggi) (Sulistijono, 1999). Fe dalam H2SO4 pekat C

(6)

Laju Korosi

Fe dalam H2SO4 encer 18Cr-8Ni dalam H2SO4

B

A Fe dalam H2O + O2

1

Kecepatan

2

Gambar 2.4 Hubungan kecepatan media korosi dengan laju korosi (Fontana, 1986)

Pengaruh Oksigen dan Agen Pengoksidasi 

Ketika agen pengoksidasi ditambahkan pada suatu lingkungan korosif dan terdapat logam non pasif, maka laju korosi meningkat.

Gambar 2.5 Pengaruh konsentrasi oksigen dan agen pengoksidasi pada logam aktif-pasif (Fontana, 1986)

Pengaruh Oksigen dan Agen Pengoksidasi  Mula-mula, logam M terkorosi di daerah aktif, ditandai di titik A. Kemudian konsentrasi agen pengoksidasi meningkat dari 1 ke 3, laju korosi juga

meningkat dari A ke C.  Pada daerah ini (kurva 1 sampai dengan kurva 3), logam M berperilaku seperti logam non-pasif dimana laju korosi menngkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi agen pengoksidasi. Pada konsentrasi 4 (kurva 4) terjadi perubahan yang cepat pada potensial korosi yaitu dari titik D (aktif) ke titik G (pasif). Hal ini mengikuti Teori Potensial Campuran yaitu keadaan setimbang ditentukan oleh perpotongan antara oksidasi total dan laju reduksi.  Peningkatan konsentrasi agen pengoksidasi dari 4 ke 5, menunjukkan logam berada pada daerah pasif dan laju korosinya rendah (konstan).  Peningkatan konsentrasi selanjutnya menyebabkan perpotongan dengan daerah transpasif sehingga laju korosi meningkat seiring meningkatnya konsentrasi agen pengoksidasi, seperti pada kurva 6 dan 7.

Bentuk-Bentuk Korosi  Korosi Merata (Uniform Corrosion) 

Korosi merata merupakan korosi yang paling banyak terjadi pada logam dan jenis korosi yang kurang berbahaya karena terjadi hanya pada permukaan saja sehingga menyebabkan pengurangan ketebalan logam tersebut.

 Korosi Sumuran (Pitting Corrosion)  

(7)

tersembunyi karena cenderung terjadi di bawah deposit dan di dalam celah.

 Korosi Celah (Crevice Corrosion)  

Korosi ini terjadi pada celah sempit antara 5-100 µm pada logam yang berada di media korosif. Perbedaan konsentrasi O2, dimana pada celah kekurangan oksigen sehingga reaksi katodik terhalang akibatnya celah kelebihan ion positif logam yang segera dinetralisir oleh ion negatif seperti klorida.

 Korosi Batas Butir (Intergranular Corrosion)  

Korosi ini terjadi pada batas butir kristal logam (grain boundary). Korosi ini biasa terjadi pada proses pengelasan, penggunaan temperatur tinggi dan lingkungan korosif.

Polarisasi  Polarisasi adalah penyimpangan potensial dari nilai potensial korosi bebas. Besar polarisasi dinyatakan dengan satuan overvoltage (η).  Polarisasi merupakan parameter korosi yang sangat penting sehingga memungkinkan kita membuat pernyataan-pernyataan mengenai laju korosi (Trethewey, 1991).  Polarisasi aktivasi adalah reaksi elektrokimia yang dikendalikan oleh salah satu tahap siklus reaksi elektrokimia yang terjadi pada interface logam dan elektrolit.  Polarisasi

konsentrasi adalah reaksi elektrokimia yang dikendalikan oleh proses difusi ion dalam elektrolit.

Pasivasi  Pasivasi adalah hilangnya reaktifitas kimia yang dialami oleh logam atau paduan tertentu pada lingkungan oksidator sedang sampai kuat (Fontana, 1986).  Terdapat lapisan film tipis dan transparan di permukaan logam.  Contoh logam yang memiliki sifat pasivasi adalah stainless steel, nikel dan sejumlah paduannya, titanium dan paduannya, serta aluminium dan paduannya.

Potential

Log Current Density Gambar 2.6 Kurva polarisasi E/Log i untuk penggambaran daerah aktif-pasif (www.corrosion-doctor.org) JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

Hubungan Polarisasi dan Pasivasi  Kurva polarisasi digunakan untuk menggambarkan fenomena pasivasi logam.

Potential

Log Current Density Gambar 2.6 Kurva polarisasi E/Log i untuk penggambaran daerah aktif-pasif (www.corrosion-doctor.org)

Hubungan Polarisasi dan Laju Korosi  Perbedaan potensial antara katoda dan anoda sangat penting untuk menggambarkan terjadinya korosi. Tetapi hal ini belum dapat menggambarkan laju korosi sebenarnya.  Laju korosi dalam kurva polarisasi dinyatakan dengan adanya Ecorr dan Icorr. Ecorr dan Icorr tidak bisa langsung didapatkan dalam kurva polarisasi.  Tafel Analysis yaitu ekstrapolasi garis lurus pada daerah katodik dan anodik sehingga bertemu pada suatu titik.

(8)

Gambar 2.8 Classic Tafel Analysis (www.gamry.com) JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

Hubungan Polarisasi dan Laju Korosi  Perhitungan laju korosi dari Icorr dalam kurva polarisasi dihitung dengan cara (ASTM G102, 1999)

(2.11) dimana CR K1 Icorr ρ EW

: = = = = =

CR 

K1. I corr .EW



Laju Korosi (mm/yr) untuk Icorr (μA/Cm2) 3.27 x 10-3 mm g/μA Cm Rapat arus saat Ecorr (exchange current density) density (g/cm3) Equivalent Weight

Perilaku Aktif-Pasif  Pasivasi dari suatu logam atau paduan menunjukkan perilaku khusus pada penambahan polarisasi anodik, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.8.  Pada potensial

karakteristik yang rendah dalam larutan asam teraerasi, laju korosi yang terukur dengan rapat arus anodik yang tinggi akan meningkat sejalan dengan bertambahnya potensial pada daerah aktif.  Diatas Epp lapisan pasif menjadi stabil, laju korosi berkurang, di daerah pasif diperkirakan 106 kali lebih rendah daripada didaerah aktif pada Ic (Jones, 1996).  Apabila lapisan film berada pada potensial yang lebih tinggi maka lapisan akan pecah/rusak dan laju korosi bertambah.

Lingkungan Air  Surat Keputusan (SK) Menteri Negara Lingkungan Hidup No. 42 tahun 1996 tentang baku mutu limbah cair bagi kegiatan minyak dan gas serta panas bumi Baku mutu air limbah kegiatan eksplorasi dan produksi minyak dan gas serta panas bumi Parameter

Kadar maksimum (mg/L) Darat Laut COD 300

-Minyak dan Lemak

(9)

75 Sulfida (sebagai H2S) 1 -Amonia (Sebagai NH3) 10 -Phenol Total 2 -Temperatur 45oC

-pH JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

6.0-9.0

Stainless Steel  Stainless steel (baja tahan karat) adalah baja paduan dengan kadar paduan tinggi (high alloy steel), dengan sifat istimewa yaitu tahan terhadap korosi di lingkungan air (aqueos media) dimana terdapat zat organik dan zat mineral yang agresif.  Sifat tahan karat diperoleh dari lapisan oksida (terutama krom) yang sangat stabil yang melekat pada permukaan dan melindungi baja terhadap lingkungan yang korosif.  Menurut Strukturnya, baja tahan karat dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu: 1. Baja tahan karat Martensitik (Martensitic Stainless Steel) 2. Baja tahan karat Ferritic (Ferritic Stainless Steel) 3. Baja tahan karat Austenitic (Austenitic Stainless Steel)

AISI 304 dan 316  Stainless steel AISI 304 dan AISI 316 termasuk pada kategori austenitic stainless steel.  Kelompok baja ini memiliki sifat shock resistant yang tinggi, dan juga sulit di machining.  Sifat tahan korosinya paling baik diantara ketiga jenis baja tahan karat.  Kekuatan pada temperatur tinggi dan scalling resistant sangat baik. Material

Cr

Mo

(10)

C Mn Si P S AISI 316 16,48 2,1 10,70 0,045 1,40 0,51 0,021 0,012 AISI 304 18,85 -9,47 0,055 1,42 0,53 0,017 0,010

Diagram Alir Penelitian Mulai Preparasi Spesimen, Larutan Elektrolit dan Peralatan

(11)

Pemasangan kabel dan mounting spesimen dengan resin Spesimen digosok dengan kertas abrasif grade 200 sampai 1200

Uji Potensiostat

Uji Mikroskop Optis

Uji X-Ray Diffraction

Data

Analisis Data

Kesimpulan

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS Selesai

Proses Preparasi SPESIMEN 1. 2.

3.

Pemotongan Pemasangan kabel dan mounting Polishing

LARUTAN 1. 2.

Campuran asam asetat dan amonia pH 4; 5; 5,5; 6; 7; 8; 8,5; 9 dan 10

Pengujian 1. Polarisasi Potensiodinamik 2.Mikroskop Optik 3. XRD

Hail dan Pembahasan

1. Perilakuaktif-pasif 2. Laju Korosi 3. Produk korosi

Peralatan                  

Jangka sorong dan penggaris Kertas gosok grid 200, 400, 800, 1000 dan 1200 Gergaji besi Gelas ukur Cetakan moulding Tang Palu Kompor listrik Multimeter Ruang Asam Sendok berbahan dasar plastik Solder Pipet pH meter Kamera Digital Peralatan Pengujian Mikroskop Optik Peralatan Pengujian XRD (X-Ray Diffraction) Peralatan pengujian polarisasi potensiodinamik.

Bahan  Material Spesimen yang digunakan adalah stainless steel AISI 304 dan AISI 316 berbentuk silinder berdiameter 12mm dengan ketebalan ± 5mm.  Elektrolit Larutan elektrolit yang digunakan adalah asam asetat dan amonia dengan komposisi tertentu sehingga dihasilkan larutan elektrolit dengan pH sebesar 4; 5; 5,5; 6; 7; 8; 8,5; 9 dan 10.  Resin, katalis dan grease untuk pembuatan moulding  Kabel tembaga  Aquades  Aquades, bubuk agar-agar dan padatan KCl untuk pembuatan jembatan garam.

(12)

Pengujian Polarisasi Potensiodinamik  Elektroda Kerja

Material Cr Mo Ni C Mn Si P S AISI 316 16,48 2,1 10,70 0,045 1,40 0,51 0,021 0,012 AISI 304 18,85 -9,47 0,055 1,42

(13)

0,53 0,017 0,010 Stainless Steel Density (g/cm3) Equivalent Weight AISI Element/Oxidation State 304 Fe/2, Cr/3, Ni/2 7,9 25,12 316

Fe/2, Cr/3, Ni/2, Mo/3

8,0

25,50

Polarisasi Potensiodinamik  Elektroda Bantu

 Elektroda Acuan

Polarisasi Potensiodinamik 1 1 2 3 3 4 5

(14)

6

2

Polarisasi Potensiodinamik AISI Parameter

304 316 Initial E (V) - 0,5 - 0,5 Final E (V) 0,5 0,5 Scan Rate (mV/s) 1,67 1,67 Density (g/cm3) 7,9 8 Equivalent Weight 25,12 25,5 Sample Period (s) 5 5 Sample Area (cm2) 1,13

(15)

1,13

Mikroskop Optik dan XRD

Polarisasi Potensiodinamik 

Kurva Polarisasi Potensiodinamik AISI 304



Kurva Polarisasi Potensiodinamik AISI316

 Kecenderungan yang terdapat pada kedua kurva di atas : pH bertambah - kurva bergeser ke kiri, berarti besar arus yang terbaca oleh potensiostat semakin kecil dengan perubahan potensial yang sama. Hal ini akan berpengaruh pula pada besar laju korosi yang didapatkan menggunakan persamaan 2.11 dengan masukan data Icorr dari kurva polarisasi potensiodinamik.

Laju Korosi 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001 11 10 9 8 7 6 5 4 pH

3

Laju Korosi (mm/yr)

1

(16)

Laju korosi semakin tinggi dengan menurunnya pH.



Laju korosi AISI 304 lebih tinggi dibandingkan AISI 316

AISI 304 AISI 316

Kinetika Korosi - Semakin besar arus yang mengalir maka aliran elektron semakin besar.

K

A

- Semakin rendah pH maka H+ yang terdapat dalam larutan elektrolit semakin banyak.

e- ee-H+ ee-H+ ee-H+ H+ H+ H+

- Maka evolusi hidrogen akan semakin banyak terjadi sehingga pad anoda akan semakin terkorosi.

Mikroskop Optik Pinggir Tengah AISI 304 Pinggir Tengah AISI 316 Korosi Sumuran

-Korosi yang terbentuk adalah korosi merata dan korosi sumuran. - Korosi yang terjadi pada AISI 304 relatif lebih banyak dibandingkan AISI 316 JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

(17)

X-Ray Diffraction : Ni-Cr-Fe

counts

: (Fe,Ni)

2θ : 43,57381: 50,72970; dan 74,61647 : 44, 57179: 64,65752: dan 82,15807 JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

Kesimpulan 1. Daerah pasivasi stainless steel AISI 316 lebih lebar dibanding AISI 304 untuk semua pH larutan asam asetat dan ammonia, yang berarti pasivasi AISI 316 lebih baik. 2. Laju korosi AISI 304 lebih cepat dibanding AISI 316 pada berbagai pH dan didapatkan laju korosi tertinggi adalah AISI 304 dalam larutan asam asetat dan ammonia pada pH 4 dengan nilai 0,052 mm/yr, sedangkan laju korosi terendah adalah pada AISI 316 pada pH 10 dengan nilai 0,00000131 mm/yr. 3. Produk korosi yang dihasilkan banyak tersebar di daerah bagian pinggir logam, baik AISI 304 dan AISI 316. Bentuk korosi yangterjadi adalah korosi sumuran (pitting corrosion) dan korosi merata.

Saran 1. Perlu dilakukannya pengujian imersi untuk menentukan laju korosi dengan metoda weight loss sebagai pembanding. 2. Perlu dilakukannya pengujian imersi dalam waktu yang cukup untuk pengujian XRD mengetahui produk korosi yang terbentuk JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI FTI -ITS

Daftar PUstaka 

American Standard Testing and Material G 1 – 03 Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens.



American Standard Testing and Material G 102-89 Standard Practice for Calculation of Corrosion Rates and Related Information from Electrochemical Measurements.



Azzerri, N., Mancia, F., Tamba, A. 1982. “ Electrochemical Prediction of Corrosion Behaviour of Stainless Steels in Chloride-Containing Water”. Corrosion Science 22, 7: 675-687.



Chandler, Kenneth A. 1985. Marine and Offshore Corrosion. London : Butterworths.



Degremont Company. 1979. Water Treatment Handbook, 5th edition. New York : John Wiley & Sons, Inc.



Fontana, Mars G. 1986. Corrosion Engineering, 3rd edition. Singapore : McGraw Hill International Edition.

(18)



Halimatuddahliana. 2003. Pencegahan Korosi dan Scale pada Proses Produksi Minyak Bumi. Medan : Universitas Sumatera Utara.



Jones, Denny. 1996. Principle and Prevention of Corrosion. New York : Macmillan Publishing Company.



Kelly, Robert G. and Scully, John R. 2003. Electrochemical Techniques in Corrosion Science and Engineering. New York : Marcel Dekker, Inc.



Marcus, P and Oudar, J. 1995. Corroion Mechanism in Theory and Practice. New York : Marcel Dekker, Inc.



Roberge, Pierre R. 2007. Corrosion Inspection and Monitoring. New Jersey : JohnWiley & Sons, Inc.



Schweitzer, Philip A. 1987. What Every Engineer Should Know About Corrosion. New York and Bassel : Marcel Dekker, Inc.



Shreir, R. A. 1995. Corrosion Metal/Environmental Reactions. Oxford : Butterworth Heinemann, Ltd.



Stainless Steel Org. October 2009. Aplication of Stainless Steel AISI 304 in the World,



Suherman, Wahid. 1999. Ilmu Logam II. Surabaya : Fakultas Teknologi Industri, ITS.



Sulistijono. 1999. Diktat Kuliah Korosi. Surabaya : Fakultas Teknologi Industri, ITS.

(19)

Talbot, David E. J. 2007. Corrosion Science & Technology, 2nd edition. United States Of America : CRC Press Taylor&Francis Group.



Trethewey, K.R dan J.Chamberlain.1996. Corrosion for Science and Engineering. 2nd edition. UK: Harlow: Longman.



Uhlig, Herbert H. 1985. Corrosion and Corrosion Control. New York: John Wiley & Sons.



Widharto, Sri. 2001. Karat dan Pencegahannya. Jakarta : PT. Pradnya Paramita.

  

Yang, Lietai. 2008. Techniques For Corrosion Monitoring. Cambridge : Woodhead Publishing Limited. Zhang, G. A. and Cheng, Y. F. 2009. “Corrosion of X65 steel in CO 2-saturated oilfield formation water in the absence and presence of acetic acid”. Elsevier. 51, 1589-1595.

www.corrosion-doctors.org www.gamry.com

www.themegallery.com

LOGO

(20)