Perancangan Sistem Proteksi Katodik Metode Anoda Korban Pada Perpipaan Bawah Tanah
Pengertian Korosi
Material logam yang biasa dijumpai sehari-hari berasal dari proses pembentukan dari bijihnya. Bijih logam digabungkan satu sama lain sehingga membentuk material logam yang memiliki energi yang tinggi. Bijih-bijih tersebut biasanya berupa oksida logam seperti hematit (Fe2O3) untuk besi atau bauksit (Al2O3.H2O) untuk aluminium. Menurut salah satu prinsip termodinamika, sebuah material selalu mengarah pada keadaan energi yang paling rendah. Begitu juga pada material logam, kebanyakan logam tidak stabil secara termodinamik dan cenderung akan mencari keadaan energi yang lebih rendah, yang berupa oksida atau beberapa senyawa lainnya. Proses yang melibatkan perubahan logam ke arah oksida dengan energi rendah disebut korosi.
Beberapa pendapat menjelaskan mengenai definisi korosi, namun pada umumnya korosi dapat diartikan sebagai proses degradasi logam yang diakibatkan oleh reaksi dengan lingkungannya.
Dalam bahasa sehari-hari, korosi disebut perkaratan. Contoh korosi yang paling lazim adalah perkaratan besi. Korosi dibagi menjadi tiga jenis, yaitu sebagai berikut.
1. Korosi basah, yaitu proses korosi yang terjadi pada lingkungan berair.
2. Korosi dalam larutan garam.
3. Korosi kering, biasanya terjadi pada suhu tinggi.
Elektrokimia Korosi
Elektrokimia merupakan reaksi kimia yang melibatkan adanya transfer elektron antara elektroda positif (anoda) dan elektroda negatif (katoda).
Proses korosi merupakan reaksi elektrokimia yang terjadi pada material logam. Reaksi korosi melibatkan proses pelepasan elektron (oksidasi) dari logam [persamaan (1)] dan proses penerimaan elektron oleh beberapa reaksi reduksi, seperti reduksi oksigen atau air [persamaan (2) dan (3), secara berurutan].
2Fe → 2Fe2+ + 2e- (1)
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (2)
2H2O + 2e- → H2 + 2OH‑ (3)
Pada proses korosi, reaksi oksidasi sering disebut sebagai reaksi anodik dan reaksi reduksi disebut sebagai reaksi katodik. Reaksi oksidasi menyebabkan hilangnya struktur logam, dengan diikuti pelepasan elektron yang selanjutnya diterima oleh reaksi reduksi untuk mempertahankan kenetralan muatan. Apabila terdapat muatan negatif dalam jumlah besar diantara logam dan elektrolit, proses korosi dapat dicegah.
Reaksi elektrokimia (oksidasi dan reduksi) mengacu pada reaksi setengah sel. Kedua reaksi tersebut dapat terjadi pada daerah yang sama atau terpisah. Reaksi elektrokimia yang terjadi pada daerah terpisah disebut sebagai sel korosi diferensial. Skema sel korosi diferensial dapat dilihat pada Gambar A. Bagian logam yang mengalami oksidasi disebut sebagai anoda atau bagian anodik. Pada bagian ini, arus listrik searah (diartikan sebagai aliran muatan positif) mengalir dari permukaan logam menuju elektrolit disertai dengan pelepasan ion logam. Arus ini mengalir dalam elektrolit ke bagian oksigen, air, atau beberapa jenis lainnya mengalami reduksi. Bagian ini biasa disebut sebagai katoda atau bagian katodik. Berikut adalah empat komponen penting dari sel korosi diferensial.
a. Anoda
Anoda merupakan bagian yang melepaskan elektron (oksidasi).
b. Katoda
Katoda merupakan bagian yang menerima elektron (reduksi).
c. Penghantar listrik
Penghantar listrik dapat berupa konduktor yang dapat menghubungkan arus listrik antara anoda dan katoda.
d. Elektrolit
Elektrolit merupakan media yang dapat menghantarkan arus listrik, misalnya air dan tanah.
Gambar A. Skema Sel Korosi Diferensial.
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Korosi dalam tanah yang dialami saluran pipa dan struktur lainnya sering disebabkan oleh sel korosi diferensial. Sel korosi diferensial meliputi sel aerasi diferensial yang melibatkan perbedaan jumlah konsentrasi oksigen dalam tanah. Sel tersebut dihasilkan oleh perbedaan alami pada permukaan pipa atau zat kimia dalam tanah. Korosi galvanik merupakan salah satu bentuk sel korosi diferensial yang terjadi karena dua logam berbeda terhubungkan secara elektrik dan ditempatkan di lingkungan korosif.
Metode Penanggulangan Korosi
Berikut adalah lima metode penanggulangan korosi yang biasa dilakukan.
1) Pemilihan material yang tepat
Pemilihan material disesuaikan dengan biaya, ketersediaan, dan karakteristik material.
2) Perancangan material yang tahan terhadap lingkungan tertentu
Perancangan material meliputi penambahan unsur paduan, pemurnian, perlakuan panas, dan pendinginan
3) Pengubahan lingkungan yang korosif
Pengubahan lingkungan dapat dilakukan dengan penambahan inhibitor ke dalam media korosi sehingga dapat menghambat reaksi anodik dan katodik.
4) Pemutusan interaksi antara material dengan lingkungan
Pemutusan interaksi antara material dengan lingkungan dapat dilakukan dengan penambahan lapisan pada pipa sebagai isolator atau biasa disebut coating.
5) Pengubahan potensial logam dengan metode proteksi katodik dan anodik
Pemilihan metode penanggulangan korosi biasanya dipertimbangkan berdasarkan beberapa aspek, yang meliputi aspek ekonomi, kualitas, lingkungan dan keamanan proteksi. Dua atau lebih dari kelima metode tersebut biasanya digunakan secara bersamaan. Hal tersebut dilakukan untuk memperoleh proteksi yang lebih baik.
Sistem Proteksi Katodik
Sistem proteksi katodik banyak digunakan untuk memproteksi struktur baja yang berada di dalam tanah dan lingkungan air laut, dan sedikit digunakan (pada kondisi tertentu) untuk penempatan baja dalam air tawar.
Dalam banyak kasus, penerapan proteksi katodik sering dikombinasikan dengan coating. Tujuannya adalah untuk melindungi baja pada saat coating mengalami kerusakan.
Pada saat ini, penerapan sistem proteksi katodik telah meningkat secara cepat dengan banyaknya penerapan di area eksplorasi serta produksi minyak dan gas yang berada di offshore. Metode proteksi ini merupakan metode yang paling banyak digunakan untuk memproteksi bagian material yang terendam oleh air, terutama air laut.
Prinsip utama sistem proteksi katodik adalah menekan arus eksternal ke dalam material sehingga potensial material turun ke daerah imun. Dengan kata lain, material yang digunakan sebagai katoda dalam sel elektrokimia terpolarisasi secara katodik seperti yang digambarkan pada kurva E – log I dalam Gambar B.
Gambar B. Prinsip Proteksi Katodik Anoda Korban Berdasarkan Diagram Evans
Sumber : Teknik Pengendalian Korosi
Berdasarkan Gambar B. terlihat bahwa i0 katoda lebih rendah daripada iA yang dimiliki oleh anoda korban. Dengan adanya arus eksternal yang dialirkan dari anoda ke katoda, katoda menjadi terproteksi dan rapat arus korosi katoda menjadi lebih rendah daripada i0, yaitu ikor. Arus eksternal dapat dihasilkan dengan dua cara yang berbeda, yaitu:
a) menggunakan logam yang kurang mulia dalam bentuk anoda korban yang dihubungkan dengan konduktor logam pada struktur yang dilindungi,
b) menggunakan sumber arus eksternal, biasanya sebuah rectifier. Sebuah elektroda referensi dapat digunakan untuk mengontrol rectifier.
Sistem Proteksi Katodik Metode Anoda Korban
Proteksi katodik metode anoda korban dapat dilakukan dengan menghubungkan anoda korban terhadap material yang akan diproteksi. Material yang akan diproteksi diatur agar berperan sebagai katoda dalam suatu sel korosi dan pasangan yang dihubungkan adalah logam lain yang memiliki potensial yang lebih negatif sehingga berperan sebagai anoda. Elektron akan mengalir dari anoda ke katoda melalui kabel penghubung sehingga terjadi penerimaan elektron di katoda. Dengan adanya penerimaan elektron tersebut, katoda mengalami reaksi reduksi dan terproteksi dari proses korosi.
Gambar C. Proteksi Katodik Metode Anoda Korban
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Berikut adalah kelebihan penerapan sistem proteksi katodik metode anoda korban.
1. Pemasangan relatif mudah dan murah.
2. Tidak membutuhkan sumber energi listrik dari luar.
3. Distribusi arus merata.
4. Cocok untuk daerah berstruktur padat.
5. Tidak membutuhkan biaya operasional.
6. Perawatan mudah.
7. Resiko overprotection rendah.
Namun, metode ini juga mempunyai beberapa kekurangan sebagai berikut.
1. Keluaran arus terbatas.
2. Tidak efektif bila resistivitas elektrolit tinggi.
3. Tidak cocok untuk struktur besar yang perlu arus proteksi besar.
Sistem proteksi katodik anoda korban biasanya diterapkan pada perlindungan tangki dalam tanah, jaringan pipa dalam tanah, jaringan kabel listrik dan komunikasi dalam tanah, tangki air panas dan struktur kapal laut.
Dalam perancangan sistem proteksi katodik metode anoda korban, terdapat tiga kriteria yang ditetapkan oleh NACE (National Association of Corrosion Engineers), yaitu:
1. -850mV terhadap proteksi katodik yang diaplikasikan,
2. -850mV potensial polarisasi terhadap CSE,
3. polarisasi minimum 100mV.
Anoda Korban
Jenis Anoda Korban dan Karakteristiknya
Penentuan material yang digunakan sebagai anoda korban dilakukan berdasarkan kemampuan material tersebut dalam menurunkan potensial logam yang diproteksi mencapai daerah imun dengan cara membanjiri struktur dengan arus searah melalui lingkungan. Faktor lainnya yaitu biayanya murah, mampu dibentuk sesuai ukuran, dan dapat terkorosi secara merata. Anoda korban yang biasa digunakan adalah magnesium (Mg), seng (Zn), dan aluminium (Al).
Pemakaian anoda Mg digunakan untuk lingkungan yang mempunyai resistivitas tinggi. Hal ini disebabkan pada lingkungan ini diperlukan anoda yang tinggi keluaran arus per satuan berat dan potensial elektrodanya sangat negatif. Anoda Mg banyak digunakan untuk memproteksi pipa dalam tanah.
Pemakaian anoda Al banyak digunakan di lingkungan air laut dan harganya relatif murah dibandingkan anoda lain.
Anoda Zn merupakan anoda korban yang paling banyak digunakan di lingkungan air laut dan mempunyai efisiensi yang tinggi.
Tabel A. Jenis Anoda dengan Resistivitas Lingkungan
| Anoda | Resistivitas Lingkungan (ohm/cm) |
| Aluminium (Al) | < 150 |
| Seng (Zn) | 150 - 500 |
| Magnesium (Mg) | > 500 |
Sumber : Teknik Pengendalian Korosi
Tabel B. Karakteristik Anoda Korban
| Jenis Anoda | Massa Jenis (kg/dm3) | Potensial (Volt/CSE) | Tegangan Dorong (Volt) | Kapasitas (AH/Kg) | Efisiensi (%) |
| Al | 1,7 | 1 – 1,7 | 0,6 – 0,8 | 2700 | 50 |
| Zn | 7,5 | 1,05 | 0,25 | 780 | 95 |
| Mg | 2,7 | 1,10 | 0,25 | 1230 | 95 |
Sumber : Teknik Pengendalian Korosi
Backfill Anoda Korban
Pemakaian anoda korban yang diterapkan untuk proteksi katodik di dalam tanah perlu mengggunakan pembungkus yang disebut backfill. Backfill merupakan kantung kecil yang berisi campuran material dengan komposisi 75% gypsum, 20% bentonit, dan 5% natrium sulfat. Campuran ini menghasilkan resistivitas 50 ohm.cm apabila campuran dijenuhkan dengan air. Backfill ini berfungsi untuk:
· memberikan lingkungan yang merata, sehingga keluaran (output) arus anoda dapat diperkirakan tetap,
· menurunkan resistivitas dari fasa anoda dengan tanah,
· mencegah kontak langsung antara anoda dengan tanah.
Metode Survey dan Teknik Evaluasi
Berbagai metode dan teknik pengujian dapat digunakan pada jaringan pipa bawah tanah selama survey lapangan.
Pengumpulan Data
Sebelum memulai survey lapangan, pengumpulan data mengenai pipa yang akan diproteksi harus dilakukan. Hal ini dapat memberikan data penting mengenai kondisi korosi dan perencanaan proteksi.
Berikut adalah beberapa hal yang harus diperhitungkan sebelum merencanakan dan memulai survey lapangan.
· Bahan pipa: baja (termasuk tingkatan baja), besi cor, besi tempa, dan lain-lain.
· Apakah permukaannya dilapisi coating atau tidak? Jika dilapisi, apa bahan pelapis dan spesifikasi pelapisan yang digunakan?
· Apakah terdapat kebocoran pada coating? Jika ya, informasi tentang lokasi dan tanggal terjadinya kebocoran sangatlah penting.
· Diameter pipa dan ketebalan dinding.
· Penentuan lokasi pemasangan testbox untuk tujuan uji korosi.
· Apakah yang digunakan kawat yang dilas, atau skrup mekanis?
· Rute peta jaringan pipa dalam tanah yang rinci sehingga dapat memberikan data yang dibutuhkan sebanyak mungkin.
· Lokasi yang memungkinkan terdapat sumber-sumber arus menyimpang buatan manusia (seperti sistem transportasi listrik DC atau operasi pertambangan) yang dapat mempengaruhi jaringan pipa yang diteliti.
Survey Resistivitas Tanah
Indikasi mengenai kecenderungan arus yang mengalir dapat diketahui dengan penentuan resistivitas tanah. Tanah dengan resistivitas yang tinggi dapat memberikan banyak aliran arus. Penentuan resistivitas tanah dengan sering sangatlah penting ketika membuat sebuah survey yang detail mengenai perpipaan. Selain dalam menafsirkan seberapa parahnya daerah korosif, profil resistivitas tanah juga sangat membantu selanjutnya dalam pemilihan tempat untuk instalasi proteksi katodik.
Tabel C. Hubungan Resistivitas dengan Tingkat Korosivitas Tanah
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Perhitungan Proteksi Katodik Metode Anoda Korban
Perhitungan Luas Permukaan Pipa
A = p D L
| Keterangan : | A = luas permukaan pipa (m2) D = diameter pipa (m) L = panjang pipa (m) |
Pemilihan Kebutuhan Arus Proteksi
Tabel D. Desain Rapat Arus untuk Pipa Besi dengan Coating dalam Tanah dengan Suhu Operasi kurang dari 30oC
 Coating Pipa | Rapat Arus i (mA/m2) | ||
| 10 tahun Umur Proteksi | 20 tahun Umur Proteksi | 30 tahun Umur Proteksi | |
| Asphalt/coal-tar enamel, Cold-applied tape | 0,4 | 0,6 | 0,8 |
| Fusion –bonded epoxy, Liquid epoxy | 0,4 | 0,6 | 0,9 |
| 3-layer epoxy-PE, 3-layer epoxy-PE | 0,08 | 0,1 | 0,4 |
Sumber : Aplikasi Proteksi Katodik
Perhitungan Keperluan Arus Proteksi Total
I = i . A
| Keterangan : | I = arus proteksi total (A) i = rapat arus proteksi (mA/m2) A = luas permukaan pipa (m2) |
Penentuan Umur Proteksi
Umumnya, umur proteksi dalam rancangan adalah 10-20 tahun.
Perhitungan Berat Anoda Total (Wt)
Wt = ( I. Umurproteksi. 8760)/μ.C)
| Keterangan : | I = arus proteksi total (A) μ = faktor utilitas :80% = 0.8 C = kapasitas : 1230 AH/Kg |
Pemilihan Ukuran Anoda
Tabel E. Ukuran Anoda Magnesium (Corrpo Companies Inc.)
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Perhitungan Tahanan Anoda
| Keterangan : | Rh = tahanan anoda horizontal ρ = resistivitas tanah L = panjang anoda D = diameter anoda  |
Perhitungan Keluaran Arus Anoda
Ia = (E A – E M) / RA
| Keterangan : | E A = Potensial anoda E M = Potensial struktur atau potensial proteksi) RA = tahanan anoda |
Perancangan Instalasi Anoda Korban
Instalasi sistem proteksi anoda korban lebih sederhana dibandingkan dengan sistem proteksi arus paksa. Proses instalasi anoda korban melibatkan penguburan sebuah anoda paket tunggal di daerah saluran pipa, seperti yang terlihat pada Gambar D.
Gambar D. Instalasi Paket Anoda Tunggal
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Paket anoda magnesium 17-lb, 20 lb, atau 32-lb dapat digunakan untuk jenis aplikasi di dalam tanah dengan resistivitas tinggi, sedangkan anoda seng dapat digunakan untuk resistivitas rendah. Untuk umur proteksi yang lebih lama, dibutuhkan berat anoda yang lebih besar.
Ketika beberapa anoda magnesium atau seng harus dipasang pada satu lokasi, biasanya pada pipa ter-coating, anoda dapat dihubungkan ke kawat header. Kawat header harus dibawa ke testbox untuk pemantauan dan pengukuran potensial proteksi secara periodik. Hal ini diilustrasikan oleh Gambar E.
Gambar E. Instalasi Paket Anoda Gabungan
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Anoda-anoda yang dipasang harus ditempatkan dalam susuan garis lurus untuk ketahanan pemasangan. Posisi anoda dapat tegak lurus terhadap pipa, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar E., atau sejajar dengan pipa. Jarak penempatan anoda magnesium gabungan minimal harus 15 kaki dari pipa sedangkan untuk seng, jarak ini dapat dikurangi sampai 5 kaki untuk kinerja optimal atau lebih dekat jika terdapat sedikit ruang.
Jika area tempat pemasangan anoda sangat terbatas, anoda dapat ditempatkan dalam lubang di samping pipa dengan lubang yang cukup dalam sehingga dapat memberikan jarak yang sesuai antara pipa dan anoda. Hal ini diilustrasikan pada Gambar F.
Gambar F. Instalasi Paket Anoda di bawah Pipa
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Untuk penempatan anoda gabungan dengan jenis instalasi ini diperlukan lubang yang sangat dalam. Kedalaman yang disarankan adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar F. Hal ini dibenarkan oleh fakta bahwa dengan anoda yang lebih dalam ke bumi (dengan resistivitas tanah baik) efek gradien potensial pada pipa dapat menjadi kurang kuat dibandingkan dengan anoda yang lebih dekat ke permukaan bumi dan pada jarak lateral yang sebanding dari pipa. Keuntungan lain dari jenis instalasi ini adalah bahwa anoda yang ditempatkan secara dalam dapat menghasilkan output arus yang merata, terkait dengan kelembaban tanah. Selain itu, instalasi jenis ini dapat melindungi anoda dari kerusakan akibat penggalian permukaan tanah untuk tujuan lain.
Tiga ilustrasi sebelumnya membahas mengenai penggunaan anoda paket dimana setiap anoda dan material backfillnya dipasang sebagai satu kesatuan. Baik anoda seng maupun magnesium sebagian tersedia dalam bentuk tanpa backfill. Untuk pemasangan anoda dan backfill didalam sebuah lubang dapat ditunjukkan pada Gambar G.
Gambar G. Instalasi Anoda dengan Backfill Terpisah
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Anoda dan backfill yang dipasang secara terpisah lebih sering digunakan untuk instalasi anoda ganda daripada untuk instalasi anoda tunggal. Keuntungan dari jenis instalasi ini adalah bahwa backfill yang dipasang secara terpisah dan dipadatkan di sekitar anoda, benar-benar mengisi semua rongga di lubang anoda. Hal ini meminimalkan kemungkinan backfill menjauh dari anoda dan mengurangi efektivitas jangka panjang dari anoda. Kemungkinan ini lebih besar jika anoda paket digunakan, karena ketika wadah backfill memburuk, backfill akan masuk ke dalam rongga yang tanpa sadar mungkin telah tertinggal di sekitar atau di bawah paket.
Pada resistivitas tanah tertentu, anoda korban perlu dipasang secara horizontal untuk kinerja yang efektif. Baik anoda paket maupun anoda terpisah dan backfill dapat diinstal. Ketika menempatkan anoda paket secara horizontal di sebuah parit, haruslah hati-hati ketika melakukan backfilling untuk memastikan bahwa tanah benar-benar mengelilingi anoda paket, sehingga tidak ada ruang kosong. Tanah yang ada kemudian dapat digunakan untuk mengurug backfill pada lubang tersebut (setelah membuat semua koneksi timah anoda dan mengisolasinya).
Testbox untuk beberapa lokasi anoda dapat dipasang seperti ditunjukkan pada Gambar H.. Beberapa terminal pada testbox dibutuhkan untuk mengukur arus dari anoda (menggunakan millivoltmeter seperti yang ditunjukkan) tanpa mengganggu sirkuit. Terminal tes pipa dan anoda dapat dipasang terpisah, seperti yang ditunjukkan dalam gambar, memungkinkan untuk mengukur potensial pipa secara akurat.
Gambar H. Instalasi Testbox
Sumber : Peabody’s Control of Pipeline Corrosion, 2001
Pada instalasi anoda korban, semua kabel yang terhubung ke anoda harus dilindungi. Ini berarti bahwa jika ada tembaga yang terbuka, tidak akan menimbulkan korosi dan menyebabkan pemutusan kawat.
