HIDROGEN EMBRITTLEMENT PADA PIPA BAJA

Pipa gas  terbuat dari baja karbon dengan spesifikasi mengacu pada standard API 5L dengan jenis grade B, X42 atau X65. Standard tersebut mengatur dua spesifikasi produk yaitu produk specification Level 1 dan 2 (PSL 1 dan PSL 2). PSL 2 mempunyai perbedaan dengan PSL 1 dari segi carbon equivalent, Notch Toughness, Batas luluh (yield Strenght) Maksimum dan kuat tarik (tensile strength) maksimum. PSL 2 lebih ketat dalam persyaratan pengujian. Berikut perbedaan antara PSL 1 dan PSL 2 :

Gambar 1. Tabel Perbedaan PSL 1 dan PSL 2

Hal penting dari perbedaan antara PSL 1 dan PSL 2 adalah kadar karbon dari pipa tersebut. Semakin besar kadar karbon suatu baja maka baja tersebut makin keras dan makin tahan korosi, tapi keuletannya sedikit berkurang.

Baja karbon (Carbon Steel) adalah paduan antara besi (Fe) dan carbon ( C ) dimana besi sebagai unsur dasar dan Carbon sebagai unsur paduan utamanya. Dalam sebuah baja, unsur carbon berkisar antara 0.2 % hingga 1.7 % selain unsur-unsur lain seperti mangan, silicon, chromium, vanadium dan unsur lainnya. Penambahan unsur carbon menjadi salah satu metode untuk mendapatkan sifat – sifat mekanis yang berbeda-beda. Berikut merupakan tabel API 5L untuk komposisi kimiawi dalam sebuah pipa baja PSL 2.

Gambar 2. Tabel Komposisi Kimia Pipa PSL 2

Berdasarkan kandungan karbon, baja dibagi menjadi 3 jenis :

  1. Baja karbon rendah

Baja karbon rendah mempunyai kandungan karbon kurang dari 0,3 % C.

Kelebihan baja karbon rendah :

  • murah diproduksi dibanding baja karbon lainnya,
  • mudah di machining dan dilas,
  • keuletan sangat tinggi
  • Tahan Aus

kelemahannya  adalah dari sisi kekerasan tergolong rendah.

  1. Baja karbon Menengah

Baja karbon menengah mempunyai kandungan karbon 0.3 – 0.6 % C. Baja karbon menengah memiliki kekerasan yang lebih tinggi, tidak mudah di machining  atau dilas, mempunyai kuat tarik dan batas regang yang tinggi serta dapat dikeraskan (di Quenching) dengan baik.

  1. Baja karbon Tinggi

Baja karbon tinggi mempunyai kandungan karbon 0.6 – 17 % C. Baja ini memiliki sifat tahan panas yang tinggi, kekerasan yang tinggi, kekuatan tarik yang tinggi namun mempunyai keuletan yang rendah.

Dilihat dari komposisi kimiawi pada tabel 2b, Pipa API 5L grade B PSL 2 tersebut termasuk pipa baja jenis karbon rendah. Baja karbon rendah ini lunak dan kekuatannya lemah namun keuletannya sangat baik sehingga mudah untuk dimachining atau dilas. Umumnya baja karbon rendah memiliki ketahanan korosi yang rendah.

Kerusakan sebuah logam yang ditimbulkan oleh hydrogen disebut hydrogen embrittlement. Salah satu jenis hydrogen embrittlement yang ditimbulkan oleh masuknya atom hydrogen kedalam logam disebut juga Hidrogen Induced Cracking (HIC) . Di dalam material logam, atom-atom hidrogen ini bergabung menjadi molekul (H­2­­) dan menyebabkan terjadinya regangan lokal yang hebat. Jika baja cukup ductil maka kemungkinan dapat bertahan terhadap regangan lokal ini. Namun jika baja getas dan keras, maka akan terjadi retak-retak halus, yang kemudian menjadi besar dan mengakibatkan kegagalan materil. Kerusakan akibat hydrogen ini menyerang semua jenis logam namun sangat berpengaruh besar pada baja dengan kekerasan tinggi.

Masuknya atom hydrogen ke dalam logam akan menyebabkan ductilitas baja dan kekuatan tariknya menurun, perubahan sifat mekanis, dan yang paling menakutkan adalah kegagalan getas (brittle failure) oleh HIC karena dapat terjadi keretakan pipa skala besar tanpa adanya deformasi plastis ataupun elastic terlebih dahulu dan dapat terjadi secara tiba-tiba.

Gambar 3. Hydrogen Induced Cracking (HIC)

Karena itulah adanya hydrogen dalam sebuah permukaan logam harus bisa dikurangi sekecil mungkin. Sumber atom hydrogen ini bisa berasal dari proses elektrokimia seperti proteksi katodik, elektroplatting maupun factor lingkungan seperti adanya H2S,aktivitas bakteri anaerob (Sulphate Reducing Bacteria)  Hidrogen dalam atmosfer maupun jenis zat kimia lainnya. Selain dari pada itu pemilihan jenis material logam juga sangat berpengaruh untuk mengatasi serangan hydrogen ini. Baja Alloy dengan kekerasan tinggi, nickel dan titanium alloy adalah logam yang paling rentan terhadap serangan hydrogen, Baja dengan nilai ultimate Tensile Strenght (UTS) dibawah 1000 MPa (~145,000 psi) termasuk baja yang rentan terhadap serangan hydrogen. Pipa gas mengacu pada standard API 5L mempunyai nilai UTS dibawah 1000 MPa.

Gambar 4. Tabel Tensile Streght untuk PSL 2

Proteksi katodik adalah metode perlindungan logam terhadap korosi, sehingga tidak mungkin pipa yang terpasang dibawah tanah tidak dilindungi dengan proteksi katodik, namun proteksi katodik juga menjadi salah satu penyebab serangan hydrogen pada pipa baja. Karena itulah kriteria proteksi katodik harus lebih diperhatikan.

Serangan hydrogen dapat juga didapatkan dari pengelasan busur (arc welding) dimana hydrogen timbul akibat adanya kelembaban  pada coating elektroda las. Untuk meminimalisir hal ini maka digunakan low hydrogen elektroda dalam pengelasan High strength steel dan perlakukan pre-post heating sangat dibutuhkan untuk mengeluarkan atom hydrogen yang masuk kedalam struktur logam sebelum merusak.

 Mekanisme terjadinya hydrogen embrittlement bermacam-macam, beberapa diantaranya terjadi pada material khusus dan lainnya berlaku umum untuk semua material. Mekanisme tersebut antara lain :

  1. Dislocation Locking (Hidrogen terjebak)

Pada mekanisme ini, atom hydrogen dalam logam terdilokasi, untuk mengurangi beban tegangan maka atom tersebut harus bergerak ke daerah  lain dalam logam, namun atom tersebut tidak bisa bergerak jauh karena mendapat desakan dari atom hydrogen lain yang masuk ke daerah dislokasi sehingga atom terjebak. Adanya atom yang terjebak inilah yang disebut dengan embrittlement

Gambar 5. DIslocation Locking Atom Hidrogen

2. Precipitate Crack Nucleation ( Retak endapan)

Baja dan paduan aluminium (Aluminium Alloy) biasanya mengandung campuran yang digunakan untuk merubah sifat mekanis logam, atau untuk menangkap kelebihan sulfur yang bermigrasi ke batas butir dan menyebabkan kerusakan. Namun campuran tersebut menjadikan logam tidak seragam. Interface antara dua unsur tersebut dapat menjadi  tempat berkumpulnya hydrogen dan menyebabkan embrittlement

3. Hydride Formation (Pembentukan gas Hidrogen)

Mekanisme ini berlaku untuk logam yang mempunyai kelarutan hydrogen rendah ketika logam terebut berada dalam fase liquidnya. Ketika batas kelarutannya tercapai maka hydrogen mulai membentuk fase hidrida dalam logam yang rapuh dan mulai kerusakan (brittle). Titanium beserta logam paduannya merupakan jenis logam yang mengalami mekanisme ini dikarenakan mempunyai kelarutan hydrogen yang rendah.

4. Grain Boundary Decohesion (Kegagalan batas butir)

Mekanisme ini menyebabkan kegagalan batas butir terutama untuk baja berkekuatan tinggi. Batas butir menjadi tempat terbanyak atom hydrogennya dibandingkan tempat lain dalam logam, adanya atom hydrogen mengganggu ikatan antar atom pada logam sehingga atom logam bisa berikatan dengan atom hydrogen. Ikatan yang lemah antar atom tersebut dapat menyebabkan embrittlement.

Gambar 6. Kegagalan Batas Butir

Berdasarkan 4 jenis mekanisme diatas, jelas bahwa pergerakan atom hydrogen pada lapisan oksida dipermukaan logam menjadi penting. Atom hydrogen yang terbentuk pada lapisan film tersebut sebisa mungkin tidak terakumulasi dan dapat keluar dengan mudah ke lingkungan. Jika atom hydrogen tersebut berdifusi masuk kedalam logam dan berkumpul pada batas butir, dapat mengakibatkan embrittlement atau cracking.

Gambar 7, Terbentuknya gas Hidrogen dan Difusi Hidrogen

Referensi :

  1. API 5L “Specification For Line Pipe”, 2004
  2. Cyntia Anindita, “Studi Ketahanan Serangan Hidrogen Pada Baja Bebas Interstisi (IF Steels) Yang Mengalami Canai Hangat Multipass reversible pada 650 oC”, Skripsi Teknik Metalurgi UI, 2012
  3. Roy Johnsen, “Hydrogen embrittlement Of Carbon Steel and Stainless Steel”, Qatar Petroleum, 2012
  4. David Jones, “Hydrogen Embrittlement of Subsea Structures”, 2013
  5. http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_embrittlement
  6. http://itsmonblog.blogspot.com/2014/11/hydrogenembrittlement.html