SISTEM PROTEKSI KATODIK PENYEBAB HIDROGEN EMBRITTLEMENT

Salah satu penyebab serangan hydrogen dan menyebabkan terjadinya perapuhan sebuah logam (embrittlement) adalah adanya system proteksi katodik sedangkan pipa yang tertanam dalam tanah atau pipa offshore wajib dilindungi oleh system proteksi katodik.

Sistem proteksi katodik adalah metode perlindungan logam dari korosi dengan cara menghilangkan beda potensial pada struktur mikroskopis logam dengan jalan membanjiri logam dengan electron. Dengan kata lain menjadikan sifat anoda pada sebuah  logam hilang dan menjadikan seluruh permukaan logam menjadi katoda.

Seperti yang sudah kita ketahui bahwa korosi dapat terjadi karena adanya sel korosi yaitu suatu sel yang terdiri dari 4 faktor :

  1. Logam yang menjadi anoda
  2. Logam yang menjadi Katoda
  3. Adanya larutan elektrolit
  4. Adanya konduktor listrik

Katoda adalah logam yang relatif lebih mulia, yang permukaannya menjadi tempat berlangsungnya reaksi reduksi. Anoda adalah logam yang relatif lebih aktif, yang menjadi pemasok elektron bagi reaksi reduksi,sehingga terkorosi. Konduktor adalah sarana untuk transfer elektron dari anoda kekatoda. Elektrolit adalah media yang mengandung zat-zat yang korosif seperti H+ dan O­2 yang cenderung terreduksi, disamping menjadi tempat bagi zat lain yang dapat mengakselerasi korosi seperti Cl.

Jika salah satu faktor tersebut tidak ada, maka korosi tidak akan terjadi. Proses terjadinya korosi digambarkan sebagai berikut :

Gambar 1. Sel Korosi

Dua buah logam yang mempunyai potensial elektroda berbeda akan membuat dua kutub. Potensial yang lebih rendah akan menjadi kutub anoda dan potensial yang lebih tinggi menjadi kutub katoda. Ketika dua buah elektroda ini dihubungkan dalam larutan elektrolit yang sama, maka akan terjadi proses elektrokimia yaitu elektron mengalir dari anoda menuju katoda melalui konduktor listrik.dan bersamaan dengan itu terjadi alitran arus dari katoda ke anoda melalui elektrolit dan terjadi aliran arus secara tertutup yang berlangsung terus menerus yang akibatnya anoda tempat keluarnya arus menjadi terkorosi. Pada permukaan katoda elektron akan berikatan dengan ion H+ untuk menjadi netral sebagai H2 dan elektron yang terlepas di permukaan anoda akan membuat ion-ion logam menjadi tidak stabil sehingga melarut kedalam larutan elektrolit. Proses terlepasnya ion logam inilah yang dinamakan korosi.

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Pada anoda :

                   Fe     à      Fe2+  +       2e

Pada katoda : Elektron dari anoda mengadakan migrasi ke daerah katoda melalui metal dan bereaksi dengan berbagai cara yang tergantung pada pH dan adanya oksigen

                   2 H+    +       2e    à      H2 (gas)

                   2 H+  +       ½ O2 +       2e    à      H2O

                   H2O   +       ½ O2 +       2e    à      2 OH

Ion-ion hidroksil dari katoda ini dan ion-ion fero dari anoda membentuk :

Fe2+  +       2 OH à      Fe(OH)2

4 Fe(OH)2  +       O2     +       2H2O à      4 Fe(OH)3

Dimana 4 Fe(OH)3 ini adalah 2 Fe2O3.6H2O dinamakan korosi.

Reaksi pembentukan hydrogen pada lapisan film dipermukaan pipa yang diberlakukan sebagai katoda dapat menjadi pemicu embrittlement jika terdapat atom hydrogen yang masuk kedalam struktur logamnya. Atom hydrogen (H+) yang bereaksi akan membentuk hydrogen dan keluar ke lingkungan.

Gambar 2. Proses gas Hidrogen Keluar

Standard ISO 15589-1 2003 menyatakan bahwa system proteksi katodik diharapkan mampu menurunkan corrosion rate dibawah 0,01 mm per tahun atau jika sebuah pipa mempunyai ketebalan sebesar 7 mm maka pipa tersebut dapat bertahan hingga lebih dari 700 tahun.

Namun disisi lain system proteksi katodik yang terpasang dapat menimbulkan serangan hydrogen yang dapat menjadikan pipa crack. Karena itu perlu diterapkan suatu peraturan yang cukup ketat terhadap kriteria dari potensial proteksi katodik sebagai pemicu terbesar timbulnya gas hydrogen akibat reaksi elektrokimia di permukaan pipa. Semakin besar nilai potensial proteksi yang diterapkan maka akan semakin cepat pembentukan gas hydrogen dipermukaan pipa yang mengakibatkan permukaan pipa menjadi panas dan menjadikan coating menggelembung kemudian rusak dan menjadikan pipa menjadi rapuh.

Banyak sekali penelitian yang bertujuan untuk mencari nilai potensial proteksi katodik yang sesuai agar tidak menyebabkan timbulnya serangan hydrogen.

Standard ISO 15589-1 menyebutkan bahwa nilai potensial proteksi yang sangat negative dapat menjadi pemicu adanya hydrogen embrittlement dan kerusakan coating. Karena itu nilai potensial proteksi katodik tidak boleh lebih dari nilai -1200 mV (Off Potensial) jika diukur dengan elektroda standard CSE.

NACE RP 0169 tidak menyatakan nilai over voltage secara langsung, namun dalam precautions note nya disebutkan  bahwa potensial polarisasi yang dapat menimbulkan reaksi pembentukan hydrogen berlebih harus dihindari untuk menghindari kerusakan coating dan serangan hydrogen.

Dalam sebuah jurnal yang diterbitkan oleh electrochemical sains yang meneliti pengaruh potensial proteksi katodik terhadap kekerasan mikrostruktur sebuah baja menghasilkan suatu kesimpulan bahwa ketika suatu baja berjenis Q235 tidak dialiri arus proteksi katodik maka nilai kekerasan mikrostrukturnya adalah 160 – 170 MPa, nilai kekerasan pada -900 mV SCE (Standard Calomel Electrode) mulai naik dan relative constant pada -1000 sampai dengan -1200 mV SCE. Nilai kekerasan mikrostruktur turun drastis pada nilai melebihi dari -1200 mV bahkan turun dibawah nilai kekerasan baja saat tidak terproteksi katodik.

Penelitian tersebut menyatakan  bahwa hydrogen mulai terbentuk pada potensial -1050 mV SCE. Pada nilai antara -1000 mV sampai dengan -1100 mV menunjukkan tingkat kekerasan naik dengan jelas menandakan bahwa mulai terjadi perapuhan material secara intensif. Untuk nilai lebih negative dari -1100 mV reaksi pembentukan gas hydrogen berlangsung dengan sangat banyak dan cepat dan saat itu mulai terjadi difusi atom hydrogen kedalam struktur logam. Untuk nilai yang lebih negative dari -1200 mV SCE kekerasan mikrostruktural drop secara signifikan, dalam penelitian tersebut juga terlihat gelembung-gelembung hydrogen yang sangat banyak muncul dari permukaan logam. Atom hydrogen masuk kedalam struktur logam karena adanya electrochemical force yang mengakibatkan kemerosotan kualitas bahan suatu logam.

Berdasarkan penelitian tersebut diketahui bahwa nilai potensial proteksi katodik untuk logam jenis Q235 tidak boleh lebih dari -1100 mV SCE. Q235 adalah suatu jenis baja yang ekivalent dengan ASTM A36 Mild Steel Plate dengan spesifikasi sebagai berikut :

Mengacu pada standard NACE RP 0169 dimana untuk nilai potensial -850 mV CSE (copper sulphate electrode) adalah sama dengan -780 SCE (Saturated Calomel Electrode) maka ada selisih -70 mV antara CSE dan SCE. Berarti nilai – 1100 mV SCE pada penelitian tersebut adalah sama dengan -1170 mV CSE.

Seperti yang kita ketahui bersama bahwa standard nilai potensial proteksi katodik berdasarkan Instruksi Kerja Pengoperasian dan pemeliharaan sistem proteksi katodik di PGN adalah dari -850 mV hingga -2000 mV. Nilai tersebut sudah melebihi batas atas yang disyaratkan oleh standard ISO 15589-1 dan jurnal hasil penelitian yang diterbitkan oleh electrochemical science. Karena itu penetapan batas nilai potensial proteksi katodik di PGn sudah seharusnya dikaji ulang demi menjaga pipa lebih handal dan dapat berumur lebih panjang.

Referensi

  1. NACE Standard RP-0169 “ Control Of External Corrosion on Underground or submerged Metallic Piping system”, 2002
  2. ISO 15589-1 “Petroleum and Natural Gas Industries – Cathodic Protection of pipelines- Transportation system”, 2003
  3. Barlian Kahuripan, “Modul I Corrosion Control Course”, PGN 2009
  4. Barlian Kahuripan, “Hydrogen Embrittlement Pada Pipa Baja, PGN 2014
  5. E Probet and JJ. Rollinson, “Hydrogen Embrittlement of High Tensile Strenght During Chemical and Electrochemical processing”, Electrochemical and Metal Finishing, 1961
  6. Zhi Ming Gao et all., “EIS Characteristic under Cathodic Protection and Effect of Applied cathodic Potential on surface microhardness of Q235 Steel”, International Journal Of Electrochemical Science2013 www.electrochemsci.org