Analisa Tegangan Pada Pipa Baja Karbon API 5L-GradeB Terhadap Laju Korosi Dalam Larutan NaCl dan Asam Asetat.
Nendi Suhendi Syafei 1 , Sri Suyaningsih 2 , Otong Nurhilal 3 , Febi Luthfiani 4 . 1,2,3,4 Departemen Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran Jalan Raya Bandung - Sumedang Km. 21 Jatinangor Kode Pos 45363 , telepon : 022-7796014. Hp. +62 82128152293. email : n.suhendi@phys.unpad.ac.id ; nsuhendi59@gmail.com
Abstrak – Efisiensi pemakaian energi untuk suatu kebutuhan harus dilakukan agar pemborosan energi dapat dihindarkan dengan  melakukan  pemilihan  dan  pemeliharaan  peralatan  logam.  Korosi  menjadi  permasalahan  utama  pada  industri minyak bumi dan gas karena dapat menghambat proses produksi. Korosi retak tegang ( SCC, Stress Corrosion Cracking ) adalah  peristiwa  pembentukan  dan  perambatan  retak  dalam  logam  yang  terjadi  secara  simultan  antara  tegangan  yang bekerja pada bahan dengan lingkungan yang korosif. Dalam penelitian ini digunakan rumah sampel dengan spesimen tiga titik pembebanan untuk melihat perilaku korosi retak tegang pada pipa baja karbon di lingkungan gas H 2 S kondisi jenuh CO 2 dalam  larutan  NaCl  dan  Asam  Asetat  .  Dalam  larutan  NaCl    tidak  terjadi  korosi  retak  tegang  ( crack )  pada  baja karbon  dengan  laju  korosi  minimum  0,071  mmpy  dan  laju  korosi  maksimum  0,092  mmpy.  Dalam  larutan  asam  asetat terjadi korosi retak tegang ( crack ) pada baja karbon dengan laju korosi 0,25 mmpy dan 0,29 mmpy. Kata kunci: SCC, spesimen tiga titik, retak tegang.
Abstract - The efficiency of energy use to a need to do so that energy wastage can be avoided by doing the selection and maintenance of metal equipment. Corrosion becomes a major issue in the oil and gas industry because it can inhibit the production  process.  Stress  corrosion  cracking  (SCC,  stress  corrosion  cracking)  is  an  incident  crack  formation  and propagation in metals that occur simultaneously between the stress acting in the material to a corrosive environment. This study  used  a  sample  home  with  three  specimen  loading  point  to  see  the  behavior  of  the  stress  corrosion  cracking  of carbon steel  pipe  in the H2S  gas  CO2 saturated NaCl solution and Acetic Acid. In NaCl solution does not occur stress corrosion cracking (crack) in carbon steel with a minimum of 0.071 mmpy corrosion rate and maximum corrosion rate of 0.092 mmpy. In a solution of acetic acid occurs stress corrosion cracking (crack) in carbon steel with a corrosion rate of 0.25 and 0.29 mmpy.
Keywords: SCC, specimens of three points, stress cracking.

## I.PENDAHULUAN.
Dalam  rangka  penyediaan  energi  nasional  bahwa terjadi  menurunnya  tingkat  produksi  minyak  bumi menjadi  permasalahan  yang  harus  diatasi.  Pada  sumur produksi di industri migas, saluran pipa buangan, maupun hasil  pengolahan    biasanya  mengandung  gas  H 2 S  dan CO 2 . Umumnya saluran migas mengeluarkan gas tersebut dengan  jumlah  relatif  besar  yang  dapat  menimbulkan korosi  dan  berperan  sebagai  faktor  korosi  internal.  Pada umumnya  keadaan  sumur  migas  di  Indonesia  telah digunakan  dalam  jangka  waktu  cukup  lama,  maka membutuhkan reinjeksi fluida untuk mendorong hidrokarbon yang terjebak pada reservoir dibawah lapisan bumi.  Akibatnya  tidak  hanya  hidrokarbon  yang  keluar tetapi  disertai    air,  H 2 S,  CO 2 dan  sejumlah  gas  penyerta bersifat  sangat  korosif  ( sweet  gas )  terhadap  pipa  baja karbon untuk menyalurkan  hidrokarbon.
Korosi yang disebabkan oleh sweet gas pada tekanan yang  tinggi  disebut  korosi  retak  tegang  (SCC),  dan termasuk  salah  satu    penyebab  kegagalan  pipa  berakhir pipa  pecah  yang  dijumpai  di  berbagai  industri  migas bahkan di pembangkit listrik lain seperti pada gambar (1). Korosi  tidak  dapat  dihindari    maka  agar  korosi  tidak terlalu  merugikan  diperlukan    upaya  pencegahan  untuk menekan    tingkat  laju  korosi  serendah  mungkin  serta umur  ketahanan    material  yang  lebih  lama.    Maka dilakukan  kajian  perilaku  korosi  retak  tegang  pada  pipa baja karbon dilingkungan sweet gas agar dapat diprediksi
pola penjalaran retak, sehingga akhirnya dapat memprediksi umur sisa dari pipa baja karbon.
Gambar 1. Kerusakan pipa akibat peristiwa korosi SCC.

## II. LANDASAN TEORI

## Korosi Retak Tegangan
Korosi  retak  tegang  terjadi  akibat  stress  yang  tinggi pada  media  korosif  secara  bersamaan.  Penyebab  terjadi korosi retak tegang yaitu pertama : material yang meliputi sifat  komposisi  kimia,  sifat  heat  treatment  pada  saat pembuatan,  mikrostruktur,  serta  kehalusan  permukaan material. Kedua :  lingkungan  korosif  yang  meliputi komposisi  kimia  fluida  (gas),  suhu  dan  laju  aliran. Ketiga :  tegangan  dan  regangan  meliputi  tegangan dipermukaan,  tegangan  pada  saat  fit-up  dan  tegangan residual  [1].  Peristiwa  korosi  retak  tegangan  (SCC) ditunjukkan seperti pada gambar (2).
Pipa  Baja  Karbon  adalah  paduan  besi  dan  karbon yang  mengandung  beberapa  unsur  lain  seperti  sulfur, pospor,  nickel  dan  mangan  serta  sejumlah  unsur  lainnya dalam  persentase  yang  sangat  kecil.  Baja  karbon  rentan terhadap  korosi,  yaitu  adanya  beban  internal  (tekanan fluida  dari  dalam  pipa  yang  memberikan  tegangan
Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi November 2015
terhadap  dinding  pipa),  atau  beban  eksternal  (beban konsentrasi  dibeberapa  tempat  tertentu  misalkan  pada sambungan/belokan dan disekitar katup ( valve )).
Gambar 2. Skema korosi retak tegangan (SCC)[2].
Pengaruh  lingkungan  terhadap  korosi  retak  tegang bahwa  lingkungan  kimiawi  bersifat  unik  terhadap  logam yang  digunakan,  misalnya  HCl  akan  cepat  merusak stainless  steel  tetapi  tidak  merusak  baja  karbon  dan paduan non ferrous lainnya. Sedangkan lingkungan yang mengandung  air, CO, CO 2 , H 2 S, dan NH 4 sangat  korosif terhadap baja karbon dan low alloy steel .
Lingkungan  yang  menyebabkan  korosi  retak  tegang dipengaruhi  oleh: (a).  Adanya  ion  agresif . Ion  agresif yang  merusak  logam  diantaranya  adalah  ion  klorida, sulfat  dan  nitrat.  (b).  Pengaruh  temperatur. Pada umumnya  kenaikkan  temperatur  akan  meningkatkan  laju korosi  karena  pada  temperatur tinggi  kelarutan zat kimia semakin  meningkat.  (c).Pengaruh  pH. Logam  memiliki laju  korosi  yang  berbeda  untuk  setiap  rentang  pH.  Pada semua  kondisi  pH  reaksi  anodik  akan  terjadi,    pH  4-10 bahwa oksida yang bersifat porous melindungi permukaan  dan  menjaga  pH  sekitar  9,5  dibawah  deposit oksida.  Pada  kondisi  ini  laju  korosi  konstan  dan  korosi disebabkan difusi oksigen  yang terlarut disekitar deposit, dan  permukaan  logam  dibawah  deposit  terjadi  reaksi katodik yaitu akibat O 2 yang mereduksi.
Pada  larutan  asam  dengan  pH  dibawah  7  oksida terlarut,  sehingga    korosi  akan  meningkat  dan menghasilkan  hidrogen. Pada pH diatas 10, reaksi korosi cenderung  membentuk  lapisan  pasivasi  dipermukaan logam, sedangkan air  yang  mengandung  ion  bikarbonat dan  klorida memberikan  laju  korosi yang  sangat tinggi pada pH disekitar 8 dan membentuk korosi pitting.
Laju Korosi di definisikan sebagai banyaknya logam yang  dilepas  tiap  satuan  waktu  pada  permukaan  tertentu [3],  satuannya  adalah    mil  per  year  (mpy).  Metode kehilangan  berat  adalah  perhitungan  laju  korosi  dengan mengukur  kekurangan  berat  [4]  akibat  korosi  yang terjadi, dan ditujukkan pada persamaan (1) :
(1)
dengan:
CR  =  Corrosion  Rate,  (laju  korosi)  (mpy),    mpy  =  mils per year (satu per seribu inchi per tahun), W = berat yang hilang (mg), D = massa jenis sampel (
), A = luas
sampel ( , T = waktu yang diperlukan (hour).
Hubungan  laju  korosi  dengan  ketahanan  korosinya (relative)  dikatagorikan  sebagai  kondisi  buruk,  kurang, cukup, baik, sangat baik dan sangat baik sekali [5].

## III. METODE PENELITIAN.
Metode  penelitian  dengan  pendekatan  kuantitatif  ini terdiri  dari:  (a).  Studi  Literatur;  (b)  persiapan  sampel (baja  karbon,  holder  spesimen  tiga  titik  pembebanan, agen korosi); (c) pelaksanaan percobaan di Laboratorium; (d)  pengukuran  laju  korosi  dan  morfologi  bahan;  (e) analisa data. Diagram alir penelitian, seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Diagram Alir Penelitian.

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN.

## Hasil Uji Komposisi Material Uji
Terlihat  pada  Tabel  1,  dan  hasil  uji  komposisi  baja karbon terdiri dari kandungan Ni sebesar 0,026 % dan Cr sebesar 0,015%. Hasil tersebut sesuai dengan dibandingkan baja karbon umumnya yang memiliki kadar Ni sekitar 0.02 % dan Cr sekitar 0.019%.
Kandungan Mn dapat meningkatkan kekuatan, kekerasan, kemampuan untuk dapat ditempa menyeluruh, ketahanan aus,  penguatan  pada  pembentukan  dingin,  tetapi menurunkan kemampuan serpih.
Hasil uji kandungan Mn sebesar 0.689 %, kandungan C  sebesar  0.137%.  Karbon  merupakan  unsur  pengeras besi  yang  efektif  dan  murah,  dan    umumnya  sebagian besar  baja  hanya  mengandung  karbon  dengan  sedikit unsur paduan lainnya.
Berdasarkan  kandungan  karbon  bahwa    pipa  API-5L-Gr B  termasuk  baja  yang  mengandung  karbon  kurang  dari 0,3%.
Disain alat uji korosi (1)
1. Pembuatan alat uji korosi
2. Preparasi  Baja karbon
(defleksi) dan pengondisian lingkungan korosi  (2)
Studi Literatur
Pemaparan baja karbon di lingkungan uji (3)
Uji komposisi bahan, uji korosi, uji metalografi  (4)
Analisa Data
Tabel  1. Hasil  Komposisi  Unsur  Sampel  Uji  Dengan Menggunakan Spektrometer ARL 3460.
No. Unsur/Elemen Nilai (%) No. Unsur Elemen Nilai (%) 1. Carbon (C) 0,13667 11. Walfram/Tungsen (W) 0,00234 2. Silikon (Si) 0,01096 12. Titanium (Ti) 0,00150 3. Sulfur (S) 0,01174 13. Tin (Sn) 0,00312 4. Phosphorus (P) 0,00419 14. Aluminium (Al) 0,02971 5. Manganese (Mn) 0,68884 15. Plumbun/Lead (Pb) 0,00048 6. Nickel (Ni) 0,02578 16. Amtimony (Sb) 0,00000 7. Chromium (Cr) 0,01510 17. Niobium (Nb) 0,00000 8. Molybdenum (Mo) 0,00510 18. Zirconium (Zr) 0,00000 9. Vanadium (V) 0,00391 19. Zinc (Zn) 0,00141 10. Copper (Cu) 0,04390 20. Ferro/Iron (Fe) 99,02020

## Hasil Uji Korosi Sampel
Perhitungan  laju  korosi  terhadap  variasi  tegangan dinyatakan  dalam  besarnya  defleksi  (y).  Hasil  uji  korosi sampel v ariasi tegangan dan waktu perendaman dalam Larutan NaCl 3,5%, H 2 S dan jenuh CO 2 ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel  2. Laju  Korosi  Variasi  Tegangan  dan  Waktu  dalam Larutan NaCl 3,5%, H 2 S dan jenuh CO 2 pada Suhu Ruang
No Sampel (cm) Waktu (jam) Berat Plat yang dikorosikan Selisih Berat (g) Laju Korosi (mmpy) Sebelum (g) sesudah (g) 1 A ; y=1,70 48 47.374 47.338 0.0356 0.071 2 B ; y=2,22 48 48.072 48.028 0.0439 0.087 3 C ; y=2,74 48 48.240 48.195 0.0451 0.090 4 A ; y=1,70 240 48.704 48.601 0.1026 0.082 5 B ; y=2,22 240 47.574 47.729 0.1157 0,092 6 C ; y=2,74 240 47.845 47.449 0.1248 0,099
Laju  korosi  sampel  yang  direndam  dalam  larutan  asam asetat  (CH 3 COOH),  gas  CO 2 dan  gas  H 2 S  selama  600 jam, yaitu seperti pada Tabel 3.
Tabel  2  dan  Gambar  4  menunjukkan  hasil  uji  retak tegang  (SCC)  belum  terjadi crack pada  sampel  dengan defleksi  terkecil  dan  waktu  rendam  terpendek,  yaitu sampel  A  (y=1,70  cm,  waktu  48  jam)  di  lingkungan  gas H 2 S  dan  CO 2 yang  dijenuhkan  dengan  larutan  NaCl dengan  laju  korosi  merata  0,071  mpy.  Sedangkan  untuk sampel dengan defleksi terbesar dan waktu terlama, yaitu sampel  C  (y=2,74  cm,  waktu  240  jam)  nilai  laju  korosi homogen  0,099  mpy.  Hal  ini  menunjukkan  ada kecenderungan  munculnya  crack  walupun  masih  sangat halus  dikarenakan  waktu  perendaman  yang  diberikan untuk  uji  korosi  tidak  lama,  dan  tegangan  yang diberikanpun sangatlah kecil. Tetapi hasil uji metalografi menunjukkan  sudah  adanya  aktifitas  korosi,  yaitu terkikisnya permukaan sampel oleh media korosif.
Tabel  3. Hasil  Laju Korosi Baja Karbon  Dalam Larutan Asam Asetat, Gas CO 2 Dan H 2 S Selama 600 Jam.[6]
Sedangkan Tabel 3 dan Gambar 5 menunjukkan hasil uji retak tegang (SCC) pada sampel D (y=2,70 cm, waktu 600  jam)  di  lingkungan  gas  H 2 S  dan  CO 2 yang dijenuhkan  dengan  larutan  Asam  Asetat  (CH 3 COOH) terjadi crack dengan  laju  korosi  0,040  mpy.  Sedangkan sampel dengan defleksi terbesar dan waktu terlama, yaitu sampel  C  (y=2,90  cm,  waktu  600  jam)  nilai  laju  korosi homogen  0,050  mpy  dimana  terlihat  retakan  cenderung putus.  Jadi,  semakin  besar  tegangan  yang  ditunjukkan dalam  variasi  defleksi  semakin  besar  laju  korosi homogen.

## a)                                            b)

## c)
Gambar  4 Hasil  mikrostruktur  perbesaran  50x  sampel  uji  di rendam  selama  240  jam  dalam  NaCl,  gas  H 2 S,  dan  CO 2 pada defleksi: a) 1,7 cm, b) 2,22 cm, dan c) 2,74 cm.

## a)                                          b)
Gambar 5 . Hasil uji metalografi baja karbon dengan perbesaran 5x  baja  karbon  yang  direndam  dalam  larutan  asam  asetat,  gas CO 2 dan  gas  H 2 S  selama  600  jam  (a)  sebelum  di  etsa;  (b) sesudah di etsa.[6]
Pembahasan  selanjutnya  diutamakan  pada  baja  karbon yang  direndam  dalam  larutan  asam  asetat,  gas  CO 2 dan gas H 2 S, hal ini disebabkan logam terjadi crack dan untuk mengetahui  hubungan  retak  tegang  terhadap  laju  korosi perlu  analisa  terhadap  hasil  uji  SEM-EDS,  seperti ditunjukkan pada Tabel 4.
Sampel Uji Defleksi (cm) Massa Sampel (gr) Selisih Massa (gr) Laju Korosi (mmpy) Sebelum Sesudah D 2,7 29,2307 29,096 0,134 0,04 E 2,9 29,0741 28,9243 0,1498 0,05
Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi November 2015
Tabel 4. Hasil Uji SEM Komposisi Unsur Logam Baja Karbon dalam larutan asam asetat, gas CO 2 dan gas H 2 S.[6]
Uji Komposisi Kimia (%) Unsur Sebelum diberi perlakuan Setelah diberi perlakuan asam asetat Unsur Pengotor Setelah diberi perlakuan asam asetat C 37,25 19,62 C 10,74 O 2,37 37,26 - - Si 0,13 0,08 SiO2 0,30 Fe 59,84 42,75 FeO 88,98
Kadar  besi  (Fe)  mengalami  penurunan  dari  59,84% menjadi  42,75%,  karena  terjadinya  pengikisan  akibat korosi yang terjadi dalam bentuk FeO sebesar 88,98%. Fe sebagai  unsur  utama  pada  baja  karbon  teroksidasi  di larutan asam asetat, gas CO 2 dan gas H 2 S.

## Hasil Uji Kekerasan
Uji  kekerasan  bertujuan  untuk  menunjukan  adanya indikasi  tegangan  dalam  yang  terjadi  pada  kontruksi. Parameter  fisis  yang  diukur  adalah  kekerasan  Rockwell (HRB)  yang  kemudian  dikonversi  ke  kekerasan  Brinnell (HB), dan selanjutnya dikonversi ke kekerasan tegangan. Pengujian sampel uji menggunakan pembebanan 150 Kg, penetrator  yang  digunakan  adalah  diamond  cone  dan hasil  pengujian  kekerasan  seperti  pada  Tabel  5.  Hasil tegangan  baja  karbon  sebesar  70.227  psi  yang  termasuk tinggi  karena  pada  daerah  tersebut  terjadi  peningkatan kekerasan  akibat  adanya  tegangan  yang  diberikan  dari hasil  defleksi  sebesar  2,7  cm  dan  2,9  cm.  Ketika  di  dua defleksi terjadi  pengerasan total, ini akan  mempengaruhi terhadap efek korosi yang terjadi, dan akan menimbulkan efek  korosi  yang  berbeda.  Sehingga  terjadi  peningkatan efek korosi dari sebelumnya.
Tabel 5 . Hasil Pengujian Kekerasan Baja Karbon
Titik HRB Rata- Rata (HRB) Rata- Rata (HB) σ (Psi) σ (Mpa) I 76
76,5 136 70.227 484,20 II 77 III 77 IV 76 V 76
Hasil perhitungan tegangan maksimum (σ) untuk setiap sampel baja karbon, dimana defleksi (y), tebal sampel (t), dan  panjang  sampel  (H)  diukur  langsung  ditunjukkan pada Tabel 6.
Tabel 7. menunjukkan j umlah nilai stress (σ) . Ketika y = 2,7 c m, nilai total jumlah stress (σ) adalah 641.424 psi sedangkan  y  =  2,9  cm  diperoleh  nilai  total  jumlah tegangan (σ) adalah sebesar 683.735 psi .
Tabel  6.  Hasil  Perhitungan  Tegangan  Maksimum  Dari Defleksi Sampel.[6]
Tabel  7. Jumlah  total  nilai  stress  dalam  satuan  psi  dengan variasi deflkesi 2,7 cm dan 2,9 cm.
Tegangan dan waktu perendaman sangat mempengaruhi laju korosi, terutama untuk SCC. Semakin besar  tegangan  yang  diberikan  dan  semakin  lama  waktu perendaman, maka laju korosi akan semakin besar. Selain itu,  elektrolit-elektrolit  dari  media  perendaman  akan mudah  masuk  dan  menimbulkan  serangan  korosi  pada permukaan dengan tegangan yang besar.

## V. KESIMPULAN
Pipa baja karbon yang direndam dalam larutan natrium klorida,  gas  CO 2 dan  gas  H 2 S  dengan  defleksi  1,7  cm, 2,22 cm, dan 2,74  cm  masing-masing selama 48  jam dan 240  jam  tidak  terjadi crack dengan  variasi  laju  korosi antara  0,071  mpy  -  0,099  mmpy.  Pipa  baja  karbon  yang direndam dalam larutan asam asetat, gas CO 2 dan gas H 2 S selama 600 jam dengan defleksi 2,7 cm dan 2,9 cm terjadi crack dengan laju korosi 0,040 mpy dan 0,05 mmpy. Jadi semakin  besar  tegangan  semakin  besar  laju  korosi homogen.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  pada  FMIPA  UNPAD  melalui DIPA  BLU  UNPAD  dan  Departemen  Fisika  UNPAD yang telah memberikan bantuan selama penelitian.

## PUSTAKA
[1] Alkazraji, Duraid. 2008. Pipeline Engineering. Cambridge England: Woodhead Publishing Limited.
[2] R  Winston  Revie,  Uhlig’s  Corrosion  Handbook  Thrid Edition,  The  Electrochemical  Society,  Inc.,  Jhon  Wiles  & Sons, Inc., Publication, 2011.
[3] M. G. Fontana. 1986. Corrosion Engineering . New York : McGraw-Hill.
[4] ASTM  G1  –  93. Standard  Terminology  and  Acronyms Relating to Corrosion .
[5] Callister,  D.  William.  2007. Materials  Science  an Engineering:  an  Intruduction  7 th ed .  United  States  of America: John Wiley & Sons, Inc.
[6] Febi  Luthfiani,  2015,  Analisis  Pengaruh  Gas  CO 2 Dan  H 2 S Terhadap  Laju  Korosi  Retak  Tegangan  Pada  Pipa    Baja Karbon  Dalam  Larutan  Asam  Asetat  Glasial  5%,  Skripsi, Program Studi Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran.
Sampel Uji t (m) y (m) H (m) σ (N/m 2 ) σ (ps i) D 0,00015 0,027 0,125 3,94 x 10 8 571.197 E 0,00015 0,029 0,125 4,23 x 10 8 613.508 No Tegangan di Notch Area (psi) σ1 (Psi), y = 2.7 cm σ2 (Psi), y = 2.9 cm Jumlah σ1 (Psi) Jumlah σ2 (Psi) 1 70.227 571.197 613.508 641.424 683.735