BAB III
BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai dengan bulan Mei 2012 di Laboratorium Bidang Bahan Industri Nuklir, Pusat Teknologi Bahan
Industri Nuklir (PTBIN) BATAN,
kawasan PUSPIPTEK, Serpong.
Bahan
Bahan penelitian adalah pipa digunakan sebagai bagian dari Primary Separator yang beroperasi pada temperatur 166 atau 167 oF (75 oC) dan tekanan 33 atau 34 psi (1 pound per
square inch = 6.894,75 Pascal). Pipa terbuat dari bahan logam, digunakan untuk mengalirkan minyak mentah. Permukaan luarnya dicat berwarna hijau. Jenis cairan (fluida) yang mengalir adalah
sour crude oil atau minyak mentah. Untuk menghilangkan scale/deposit digunakan
drilling fluids dan acidizing fluids yang mengandung HCl. Setelah sekian lama dipakai, pipa mengalami serangan korosi pada bagian dalam pipa, kemudian dilakukan proses drain dan refresh setiap
minggu. Pipa yang akan diamati
sudah terpotong secara longitudinal menjadi dua seperti tampak pada Gambar 3.1 berikut.
Gambar 3.1 Pipa Primary Separator yang mengalami korosi, camdig (0,5x)
Alat
Jangka Sorong Mikrometer Skrup Hand Saw
Mesin Potong, Buehler Samplmet 2 Abrasive Cutter
Cairan Resin dan Pengeras
Kertas Amplas (grit 100, 400, 800, 1500, 2000)
Pasta Alumina (1 dan 6 mikrometer)
Mesin Poles, MoPao 2D Grinder Polisher
Kamera Digital, BenQ DC E1230 12 Megapixel
Mikroskop Setereo, Karl Kolb Hund Wetzlar
Mikroskop Optik, Nikon SEM-EDS, Jeol JSM-6510LA OES, ARC-Spark Optical Emission
Spectrometer
XRD, Shimadzu XD-610
Gambar alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Lampiran 2. (Halaman 42)
Metode Penelitian
1. Pengumpulan data dan studi literatur
Langkah awal dari penelitian ini adalah studi literatur tentang baja, analisis kegagalan, dan korosi secara umum maupun korosi pada lingkungan minyak yang bersumber dari buku-buku dan internet.
2. Persiapan alat dan bahan
Preparasi sampel pipa dengan proses Metalografi :
-Cutting, pemotongan pipa menjadi sampel yang lebih kecil menggunakan hand saw dan mesin potong, agar lebih mudah dikarakterisasi. Pemotongan pipa secara transversal atau melintang dan longitudinal.
-Mounting, sampel dibingkai menggunakan resin dan pengerasnya agar tercetak bingkai sampel. Hal ini dilakukan agar sampel lebih mudah dipegang ketika melakukan proses Grinding dan Polishing.
-Grinding dan Polishing, permukaan yang akan diamati, diamplas dengan kertas amplas (dari bahan SiC) dari tingkat grit 100, 400, 800, 1500, 2000. Setiap kenaikan tingkat grit, arahnya diputar 90 derajat dan diamati apakah goresan yang terbentuk telah seragam. Kemudian dipoles dengan pasta alumina 1 dan 6 mikrometer.
-Etching, lapisan permukaan sampel direndam dalam larutan etching agar menghasilkan derajat kontras yang tepat antara berbagai konstituen dalam logam sehingga struktur mikro logam dapat diketahui.
Batas butir menjadi lebih mudah diamati. Larutan etching yang dipakai adalah nital 2%.
3. Karakterisasi
3.1 Pengamatan visual dilakukan terhadap sampel.
Pada tahap ini dilakukan pengamatan langsung pada sampel menggunakan mata. Selain itu, dilakukan juga pengukuran diameter menggunakan jangka sorong dan ketebalan pipa menggunakan mikormeter sekrup serta dokumentasi gambar dengan kamera digital.
Pengamatan langsung dengan mata dilakukan untuk melihat dan menganalisis adanya deposit korosi, lubang, goresan, dan penipisan pada pipa. Perbedaan warna pada sampel juga menunjukkan proses korosi yang terjadi pada pipa. Dengan pengamatan ini, pemilihan sampel dapat dilakukan dengan mempertimbangkan lokasi-lokasi yang tepat dari sampel pipa untuk selanjutnya dikarakterisasi.
Jangka sorong adalah alat yang digunakan untuk mengukur suatu benda dari sisi luar dengan cara diapit. Ketelitiannya dapat mencapai seperseratus milimeter. Terdiri dari dua bagian, yaitu bagian diam dan bagian bergerak. Bagian diam menunjukkan skala utamanya, dan bagian yang bergerak menunjukkan skala noniusnya.31
Mikrometer sekrup adalah alat yang digunakan untuk mengukur ketebalan suatu benda. Ketelitiannya dapat mencapa seperseratus milimeter. Terdiri dari dua bagian utama yaitu poros tetap yang memiliki skala utama
dan poros putar yang memiliki skala nonius.32
Kamera digital digunakan untuk memotret suatu objek benda dan menampilkan hasilnya dalam bentuk file gambar dalam format .jpeg. Kamera digital memiliki beberapa komponen, seperti Aperture, Shutter, Lensa, dan Sensor. Aperture sebagai celah masuknya cahaya, Shutter mengatur jumlah cahaya yang masuk, Lensa untuk mem-fokuskan gambar, dan Sensor untuk merekam gambar. Sensor pada kamera berupa charge coupled device (CCD) yang mengubah cahaya (photon) menjadi muatan listrik. Resolusi gambar dari kamera digital ditentukan dari jumlah pixel. Semakin besar nilai pixel berarti semakin semakin banyak jumlah photositenya sehingga gambar yang dihasilkan semakin tajam.33 3.2 Pengamatan makroskopik
dilaku-kan dengan menggunadilaku-kan mikros-kop stereo.
Mikroskop stereo merupakan jenis mikroskop yang hanya bisa digunakan untuk benda yang berukuran relatif besar. Mikros-kop stereo mempunyai perbesaran 7 hingga 30 kali. Benda yang diamati dengan mikroskop ini dapat terlihat secara tiga dimensi. Komponen utama mikroskop stereo hampir sama dengan mikroskop cahaya. Lensa terdiri atas lensa okuler dan lensa obyektif. Perbedaan antara mikroskop stereo dengan mikros-kop cahaya adalah: (1) ruang ketajaman lensa mikroskop stereo jauh lebih tinggi dibandingkan dengan mikroskop cahaya sehingga kita dapat melihat bentuk tiga dimensi benda yang
diamati. (2) sumber cahaya berasal dari atas sehingga obyek yang tebal dapat diamati. Perbesaran lensa okuler biasanya 10 kali, sedangkan lensa obyektif menggunakan sistem zoom dengan perbesaran antara 0,7 hingga 3 kali, sehingga perbesaran total obyek maksimal 30 kali. Pada bagian bawah mikroskop terdapat meja preparat. Pada daerah dekat lensa obyektif terdapat lampu yang dihubungkan dengan transformator. Pengatur fokus obyek terletak disamping tangkai mikroskop, sedangkan pengatur perbesaran terletak diatas pengatur fokus.34
3.3 Pengamatan mikroskopik menggunakan Mikroskop Optik.
Pengamatan dimulai dengan perbesaran yang kecil sekitar 100x dan dilanjutkan dengan meningkatkan perbesaran untuk mengamati karakteristik yang lebih jelas. Kebanyakan mikrostruktur dapat diamati dengan mikroskop optik dan diidentifikasikan berdasarkan karakteristik-karakteristiknya. Mikroskop Optik memiliki beberapa komponen yang penting, diantaranya adalah sistem penerangan (illumination system) yang terdiri atas lampu, lensa, filter, dan diafragma. Cahaya dari lampu dapat diatur intensitasnya untuk membentuk gambar yang cerah. Sumber cahaya pada mikroskop optik berupa lampu filamen-tungsten voltase rendah maupun lampu filamen tungsten-halogen. Intensitas cahaya diatur berdasarkan suplay tegangan.
Mikroskop memiliki dua buah lensa, yaitu lensa objektif dan lensa okuler. Lensa objektif membentuk bayangan primer
mikrostruktur dan merupakan komponen paling penting dalam mikroskop optik. Lensa objektif mengumpulkan cahaya sebanyak mungkin dari spesimen dan menggabungnya dengan cahaya untuk menghasilkan gambar. Lensa okuler (eyepiece) berfungsi membesarkan bayangan primer yang dihasilkan oleh lensa objektif.35 Dari lensa okuler ini, gambar langsung diteruskan menuju kamera.
Mikroskop Optik memanfaat-kan cahaya dari sumber cahaya yang melalui kondenser. Kemudian cahaya dipantulkan oleh cermin menuju objek. Cahaya yang dipantulkan oleh objek (sampel logam) diteruskan menuju lensa objektif dan kemudian lensa okuler sehingga tampak oleh kamera. Gambar 3.2 berikut menjelaskan penjalaran cahaya pada mikroskop optik.
Gambar 3.2 Prinsip kerja mikroskop optik35
3.4 Pengamatan dengan Scanning Electron Microscope (SEM).
Bayangan yang dihasilkan SEM memiliki karakteristik perbesaran yang jauh lebih tinggi
dibandingkan dengan Mikroskop Optik. Dalam mendapatkan gambar SEM, berkas elektron terfokus mengenai pada permukaan sampel padat. Pada instrumen analog, berkas elektron dipindai melalui seluruh sampel oleh kumparan scan. Pola pemindaian yang dihasilkan adalah serupa dengan yang digunakan dalam tabung sinar katoda (CRT) dari sebuah pesawat televisi di mana berkas elektron akan menyapu seluruh permukaan linear dalam arah x, kembali ke posisi awal , dan kemudian bergeser ke bawah dalam arah y dengan kenaikan standar. Proses ini diulangi hingga luasan tertentu dari permukaan sampel telah dipindai seluruhnya. Sinyal yang diterima dari permukaan akan disimpan dalam komputer, yang akan diubah menjadi sebuah gambar (image). Beberapa jenis sinyal yang terbentuk dari permukaan sampel adalah backscatered, secondary, dan Auger electron, sinar-X dari fluoresens foton, dan foton yang lain dengan berbagai energi. Pada instrumen SEM, backscatterd dan secondary electron digunakan untuk membentuk image.36
Sumber elektron berupa filamen tungsten. Elektron diakselerasi agar memiliki energi yang berkisar antara 1 hingga 30 keV. Sistem kondenser magnetik dan lensa objektif akan memperkecil ukuran titik (spot size) hingga diameter antara 2 hingga 10 nm ketika sampai di sampel. Sistem kondenser yang terdiri atas lebih dari satu lensa akan menghantarkan berkas elektron menuju lensa objektif, selanjutnya lensa objektif yang
akan menentukan ukuran berkas yang mengenai permukaan sampel. Pemindaian pada SEM dilakukan oleh dua pasang kumparan elektromagnetik yang terletak pada lensa objektif. Satu pasang menghantarkan berkas dalam arah sumbu-x, dan satu pasang yang lain dalam arah sumbu-y.
Terdapat dua interaksi padatan dengan berkas elektron yaitu interaksi elsastik yang mengubah lintasan elektron tanpa terjadi perubahan energi secara signifikan dan interaksi inelastik, yang menjadikan elektron mentransfer energinya (sebagian atau seluruhnya) ke padatan. Padatan yang tereksitasi akan mengemisikan secondary elec-tron, Auger electron, dan sinar-X. Ketika elektron menumbuk secara elastik dengan atom, terjadi perubahan arah elektron, tetapi kecepatannya tetap sehingga energi kinetiknya relatif konstan. Sudut pemantulan dari tumbukan tersebut berkisar antara 0o hingga 180o. Elektron yang terpental ini disebut dengan backscattered electron. Berkas backscattered electron ini memiliki diamater yang lebih besar. Ketika permukaan padat ditumbuk berkas elektron dengan energi beberapa keV, backscattered electron yang diemisikan oleh permukaan memiliki energi sebesar kurang dari 50 eV.
Secara umum, jumlah secondary electron lebih sedikit
dari backscattered electron. Secondary electron terbentuk dari hasil interaksi antara berkas elektron berenergi dengan elektron yang terikat di padatan, yang selanjutnya akan terjadi pelepasan pita konduksi elektron dengan beberapa eV energi. Secondary electron ini dapat dicegah agar tidak mencapai detektor dengan memberi bias negatif pada papan transduser.36 Gambar 3.3 berikut menunjukkan skema SEM.
Gambar 3.3 Skema Scanning Electron Microscope36 Electron gun Electronbeam Magnetic condenser lens Magnetic objective lens High voltage power supply
Scan coil controls
3.5 Karakterisasi komposisi kimia makro pada pipa dengan Optical Emission Spectrometry (OES).
Untuk sampel yang akan diuji menggunakan OES, sampel pipa hanya perlu dibersihkan hingga tampak bagian dasarnya. Hasil karakterisasi berupa persentase masing-masing unsur dalam sampel. Radiasi dari atom dan ion yang tereksitasi dapat diemisikan oleh sampel ketika dikenai electrical discharge, glow discharge, atau plasma. Karena sumber eksitasi ini memiliki energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan sumber nyala api (flame), unsur-unsur dari logam atau semi-logam (metalloid) dapat dideteksi dalam konsentrasi yang rendah, ter-masuk unsur-unsur refactory se-perti boron, tungsten, tentalum, dan niobium, dan beberapa unsur nonlogam dapat dideteksi seperti C, N, H, Cl, Br, dan I. Analisis padatan menggunakan sumber electrical dan glow discharge.37
Karena temperatur dari electrical discharge dan plasma jauh lebih tinggi dbiandingkan temperatur nyala api (flame), spektra emisi dari eksitasi non-flame menjadi sangat rumit. Spektra yang pertama adalah atomic emission spectra dari atom netral. Pada kondisi ini, sering terbentuk ion. Elektron kedua dari ion akan tereksitasi dan naik ke satu tingkat energi yang lebih tinggi. Dari tingkat ini, ion akan melepas dan mengemisikan foton. Level energi dari ion tidak sama dengan level energi atom, mereka membentuk garis emisi yang berbeda.
Prinsip kerja dari emission spectrometer dengan sumber
electrical discharge sebagai berikut. Sumber listrik akan membuat electrical discharge di ruang antara dua elektrode, yaitu sample electrode dan counter electrode. Sample electrode berupa logam, counter electrode berupa elektrode yang inert, seperti tungsten atau grafit. Bahan dari sample electrode dikenai discharge sehingga akan terjadi penguapan dan eksitasi. Atom yang tereksitasi akan mengemisikan radiasi, yang dideteksi dan dihitung oleh sistem detektor. Panjang gelombang dari garis emisi menunjukkan adanya unsur-unsur dan intensitas emisi pada setiap panjang gelombang tersebut menunjukkan jumlah setiap unsur yang ada.
Spectrograf adalah spectro-meter yang menggunakan film fotografi atau plat fotografi untuk mendeteksi dan merekam radiasi yang diemisikan. Spektrograf dikenalkan pada tahun 1930an dan digunakan sebagai instrumen dasar untuk analisis unsur, terutama dalam industri baja atau logam lain. Selanjutnya emisi radiasi berupa cahaya tersebut masuk ke polikromator agar mampu mendeteksi panjang gelombang dari UV hingga Visible (120-800 nm). Pada gambar, cahaya dari sampel yang tereksitasi dibawa menuju empat polikromator, setiap polikromator teroptimasi pada rentang panjang gelombang tertentu. Gambar berikut menunjukkan skema kerja dari perangkat OES.37
3.6 Karakterisasi komposisi kimia mikro pada produk korosi dengan Energy Dispersive Spectroscopy (EDS).
Image backscattered electron dari SEM memperlihatkan kontras dari permukaan sampel berdasarkan perbedaan nomor atom unsur dan distribusinya. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) mengidentifikasi unsur-unsur apa dan berapa proporsi relatif unsur-unsur tersebut pada permukaan sampel. Analisis EDS memanfaatkan terbentuknya spektrum sinar-X dari area yang dipindai oleh SEM. Hasil dari EDS berupa grafik sumbu-x dan sumbu-y. Sumbu-x menunjukkan jumlah sinar-X yang diterima dan diproses oleh detektor dan sumbu-y menunjukkan level energsumbu-y dari jumlah tersebut.38
Sinar-X yang dideteksi pada EDS adalah hasil interaksi nonelastik dari berkas elektron dengan atom pada permukaan sampel. Terdapat dua jenis sinar-X, yaitu sinar-X karakteristik dan Bremsstrahlung. Sinar-X karak-teristik dihasilkan ketika berkas elektron mengeluarkan elektron kulit terluar dari atom sampel. Bremsstrahlung dihasilkan ketika berkas elektron berinteraksi dengan inti atom pada sampel.
Proses terbentuknya sinar-X karakteristik dapat dijelaskan sebagai berikut. Adanya tempat yang kosong di kulit terdalam, K, terjadi karena berkas elektron energi tinggi mengenai elektron dari kulit tersebut, sehingga elektron atom terpental. Selanjutnya elektron dari kulit yang lebih tinggi mengisi kulit K tersebut. Perpindahan elektron tersebut mengemisikan sinar-X
karakteristik. Energi dari sinar-X ini adalah karakteristik khusus bagi atom pada permukaan sampel. Gambar 3.4 menunjukkan skema terjadinya sinar-X karakteristik.
Gambar 3.4 Sinar-X karakteristik karena berkas elektron38 Kemungkinan lain yang bisa terjadi, energi yang diemisikan dari perpindahan elektron tersebut ditransfer ke elektron yang lain, sehingga elektron tersebut juga ikut keluar dari lintasan. Elektron yang keluar ini disebut dengan Auger electron. Energi dari Auger electron, seperi sinar-X, adalah karakteristik khusus bagi atom pada permukaan sampel. Auger electron lebih sering terbentuk pada unsur dengan nomor atom rendah, sinar-X karakteristik lebih sering terbentuk pada unsur dengan nomor atom tinggi. Fenomena terbentuknya Auger electron dapat dilihat pada Gambar 3.5 berikut.
Gambar 3.5 Terbentuknya Auger electron38
Bremsstrahlung menunjukkan latar belakang (background) dari puncak grafik sinar-X karakteristik yang terganggu. Bremsstrahlung terbentuk ketika berkas elektron berinteraksi dengan medan listrik (coulomb) dari inti atom sampel. Ketika berinteraksi, berkas elektron kehilangan energi yang disebut dengan Bremsstrahlung. Distribusi energi yang lepas ini kontinu dan bukan karakteristik dari nomor atom unsur. semakin dekat berkas elektron (dari inti), semakin kuat interaksi antara berkas dengan medan listrik inti, dan semakin besar energi yang hilang dari berkas elektron, maka semakin besar energi foton sinar-X yang diemisikan. Probabilitas melesetnya berkas elektron dengan inti atom yang besar, akan memperkecil energi dari Bremsstrahlung.38
3.7 Identifikasi senyawa produk korosi dengan X-Ray Diffraction (XRD).
Ketika radiasi sinar-X melalui sampel, vektor elektrik dari radiasi berinteraksi dengan elektron dalam atom untuk membentuk hamburan. Pada saat sinar-X terhambur dari kristal, terjadi interferensi kosntruktif dan destruktif disebabkan oleh jarak antar pusat hamburan sama dengan orde dari panjang gelombang radiasi. Hasil dari fenomena ini adalah difraksi.39
Menurut hukum Bragg, ketika berkas sinar-X mengenai permukaan kristal pada sudut θ, sebagian dari berkas akan dihamburkan oleh lapisan atom di permukaan. Bagian yang tidak dihamburkan menembus ke lapisan kedua dari atom, kemudian terjadi lagi bagian yang dihamburkan, sebagian yang lain menembus lapisan ketiga, dan seterusnya. Kumpulan efek hamburan dari kristal ini merupakan difraksi dari berkas sinar-X, sebagaimana radiasi sinar tampak terdifraksi oleh kisi. Syarat terjadinya difraksi sinar-X adalah adanya ruang antar lapisan dari atom yang sesuai dengan panjang gelombang dari radiasi, dan pusat hamburan terdistribusi secara spasial dan teratur.
Berkas sinar yang tipis mengenai permukaan kristal pada sudut teta, timbul hamburan sebagai hasil dari interaksi radiasi dengan atom yang terletak di O, P, dan R. Dari Gambar 3.6 berikut, dapat dilihat berkas sinar-X yang mengenai atom.
Gambar 3.6 Sinar-X mengenai atom dan terpantul sebagian39
Jarak AP + PC = nλ, dimana n adalah bilangan bulat, λ adalah panjang gelombang, hamburan radiasi terletak pada garis OCD, dan kirstal akan memantulkan dariasi sinar-X.
AP = PC = d sin θ, dengan d adalah jarak kisi kristal. Interferensi konstruktif dari berkas terjadi pada sudut θ
nλ = 2d sin θ39
Berikut akan dijelaskan prinsip kerja instrumen X-Ray Diffractometer. Tabung sinar-X membentuk berkas sinar-X yang merupakan hasil dari tumbukan elektron pada logam tertentu seperti tungsten, khrom, tembaga, molibdenum, rhodium, scandium, perak, besi, dan kobalt. Elektron dihasilkan oleh rangkaian pemanas filamen. Rangkaian pemanas tersebut yang mengatur inentistas sinar-X atau panjang gelombangnya. Rangkaian tersebut diatur dengan suplai tenaga yang stabil. Gambar 3.7 adalah tabung sinar-X yang dimaksud.
Gambar 3.7 Tabung sinar-X40 Selanjutnya, sinar-X yang terbentuk akan di filter berdasarkan kebutuhan panjang gelombangnya dan melalui monokromator. Sinar-X selanjutnya akan diarahkan mengenai sampel yang berputar dengan kelajuan θo
per menit. Hasil difraksi dari sinar-X ini akan mengenai detektor yang berputar dengan kelajuan 2θo
per menit. Perangkat yang mengatur berputarnya sample holder dan detektor ini disebut dengan goniometer. Gambar 3.8 memperlihatkan adanya sudut θ sebagai sudut datang sinar dan 2θ sebagai sudut difraksi sinar. Gambar 3.9 menunjukkan skema instrumen X-Ray Diffractometer.
Gambar 3.8 Sinar-X mengenai sampel pada sudut θ41
Gambar 3.9 Skema instrumen XRD41 Dari detektor tersebut akan
didapatkan data berupa grafik yang menunjukkan sudut 2θ dan intensitas sinar-X yang terdifraksi. Setiap zat tertentu memiliki pola difraksi yang khas. Analisis kualitatif dari suatu zat tertentu dapat dilakukan dengan mengidentifikasi pola-pola tertentu dari hasil difraksinya. Pola difraksi merekam intensitas sinar-X sebagai fungsi dari sudut 2θ.42
4. Pengolahan dan Analisis Data Setelah sampel dikarakterisasi, semua data digabung dan dianalisis untuk mengetahui mekanisme korosi dan menentukan penyebab terjadinya korosi. Hasil identifikasi pola XRD akan
dianalisis secara manual dengan metode Hanawalt. Seluruh hasil analisis akan dibandingkan dengan beberapa referensi dan dapat disimpulkan penyebab korosi pada pipa.
Teknik pencarian hanawalt
digunakan untuk
mengidentifikasi fasa/bahan yang tidak diketahui dengan mengidentifikasi bentuk referensi yang mungkin dan kemudian membuat perbandingan langsung dari bentuk yang diobservasi degan bentuk referensi dari PDF (Powder Diffraction File).
Prosedur identifikasi fasa dari sampel mengikuti langkah sebagai berikut43:
1. Data eksperimen berupa nilai d disusun dengan urutan intensitas yang semakin kecil, 2. Sudut pantulan dengan
intensitas paling tinggi dicari dalam Indeks Hanawalt, 3. Jangkauan data dari indeks
hanawalt harus sesuai dengan data eksperimen. Pola-pola referensi yang mungkin (potensial) dikenali dengan
cara membandingkan enam refleksi terkuat yang terakhir sebagaimana terdaftar dengan pola eksperimen. Bentuk referensi yang mungkin cocok memiliki angka PDF.
4. Pola hasil eksperimen selanjutnya dibandingkan dengan pola referensi PDF yang lengkap. Identifikasi telah selesai jika pasangan pola referensi PDF tersebut sesuai dengan data hasil eksperimen.
