Korosi pada Sistem Geothermal

Oleh Nur Abdillah Siddiq – Definisi korosi adalah kerusakan material oleh aksi kimia atau elektrokimia dari lingkungan sekitar. Efek korosi fluida geotermal pada permukaan logam tergantung dari komposisi kimia fluida tersebut dan material logam. Fluida geotermal memiliki rentang komposisi yang luas, dari fluida dengan kadar keasaman tinggi yang berisi sulfur dan asam halogen yang secara aktif mengkorosi banyak campuran  logam hingga air dengan kebasaan yang tinggi yang berisi kalsium dan logam-logam alkali tanah lainnya yang menyebabkan terjadinya scaling. Kerugian langsung akibat korosi berupa kehilangan material konstruksi, keselamatan kerja dan pencemaran lingkungan akibat produk korosi dalam bentuk senyawa yang mencemarkan lingkungan. Sedangkan kerugian tidak langsung, antara lain berupa penurunan kapasitas dan peningkatan biaya perawatan (preventive maintenance).

Laju korosi adalah kecepatan logam terurai pada lingkungan tertentu, laju korosi memiliki satuan mm/year atau mpy (mils per year). Laju korosi tergantung dari kondisi lingkungan dan kondisi logam yang terpapar ke lingkungan tersebut.

Dalam menghitung laju korosi, informasi yang harus dikumpulkan adalah sebagai berikut:

– Berat logam yang hilang

– Massa jenis logam

– Luas penampang

– Waktu

Rumus untuk menghitung laju korosi adalah sebagai berikut:

Rc = 87.6 x (W / DAT)

Keterangan :

Rc = laju korosi (mm/year)

W = berat yang hilang (mg)

D = massa jenis (g/cm3)

A = Luas penampang (cm2)

T = Lama logam terpapar (jam)

Jika diketahui ketebalan pipa yang terkorosi, maka laju korosi dapat ditentukan dengan rumus berikut:

Rc = L / Y

Keterangan :

Rc = laju korosi (mm/year)

L = ketebalan logam yang hilang/terkorosi (mm)

Y = lama logam terpapar (year)

Kontaminan dalam fluida geotermal ditambah dengan adanya oksigen maka akan secara drastis meningkatkan korosi permukaan dari banyak alloy. Serangan korosi pada baja berkurang ketika pH naik. Temperatur memiliki efek yang penting dalam laju korosi. Jika pH rendah dan korosi dikontrol oleh adanya ion hidrogen, kehilangan logam akan meningkat tajam dengan kenaikan temperatur.

Tipe-tipe korosi yang sering terjadi di sistem geotermal adalah sebagai berikut:

• Korosi seragam/thinning/erosi adalah korosi yang terjadi secara serentak diseluruh permukaan logam. Oleh karena itu pada logam yang mengalami korosi jenis ini akan terjadi pengurangan dimensi yang relatif besar per satuan waktu karena aliran fluida yang sangat cepat. Aliran tersebut merusak permukaan logam dan lapisan film pelindung. Dibeberapa referensi, thinning dan erosion dibedakan, namun ada yang menyamakan mekanisme thinning dan erosi seperti Farhang Honarvar (2013). Korosi thinning/erosi juga dapat terjadi karena efek-efek mekanik yang terjadi pada permukaan logam, misalnya pengausan, abrasi, dan gesekan. Logam yang mengalami korosi erosi akan menimbulkan bagian-bagian yang kasar dan tajam. Proses terjadinya korosi jenis ini secara umum adalah melalui beberapa tahap berikut :

1. Pada tahap pertama terjadi serangan oleh gelembung udara yang menempel di permukaan lapisan pelindung logam, karena adanya aliran turbulen yang melintas di atas permukaan logam tersebut.
2. Pada tahap kedua gelembung udara tersebut mengikis dan merusak lapisan pelindung.
3. Pada tahap ketiga, laju korosi semakin meningkat, karena lapisan pelindung telah hilang. Logam yang berada di bawah lapisan pelindung mulai terkorosi, sehingga membentuk cekungan, kemudian terjadi pembentukan kembali lapisan pelindung dan logam, menjadi tidak rata. Bila aliran terus mengalir, maka akan terjadi serangan kembali oleh gelembung udara yang terbawa aliran. Serangan ini akan mengikis dan merusak lapisan pelindung yang baru saja terbentuk, rusaknya lapisan pelindung tersebut akan mengakibatkan serangan lebih lanjut pada logam yang lebih dalam sampai membentuk cekungan.

• Pitting adalah merupakan korosi lokal yang terjadi pada permukaan yang terbuka akibat pecahnya lapisan pasif. Terjadinya korosi sumuran ini diawali dengan pembentukan lapisan pasif di permukaan bahan pada antar muka lapisan pasif dan elektrolit terjadi penurunan pH, sehingga terjadi pelarutan lapisan pasif secara perlahan-lahan dan menyebabkan lapisan pasif pecah dan terjadi korosi sumuran. Korosi sumuran ini sangat berbahaya karena lokasi terjadinya sangat kecil tetapi dalam, sehingga dapat menyebabkan peralatan atau struktur patah mendadak.
• Crevice corrosion adalah korosi lokal yang terjadi pada celah di antara dua komponen. Mekanisme tejadinya korosi celah ini diawali dengan terjadi korosi merata di luar dan di dalam celah, sehingga terjadi oksidasi logam dan reduksi oksigen. Apabila oksigen (O₂) di dalam celah telah habis sedangkan oksigen (O₂) di luar celah masih banyak, maka akibatnya permukaan logam yang berhubungan dengan bagian luar menjadi katode dan permukaan logam di dalam celah menjadi anode sehingga terbentuk celah yang terkorosi.korosi ini Tidak tampak dari luar dan sangat merusak konstruksi. Sering terjadi pada sambungan kurang kedap. Penyebabnya, lubang, gasket, lap joint, kotoran/endapan
• Stress Corrosion Cracking adalah bentuk korosi dimana material mengalami keretakan akibat pengaruh lingkungannya. Korosi retak tegang terjadi pada paduan logam yang mengalami tegangan tarik statis dilingkungan tertentu, seperti : baja tahan karat sangat rentan terhadap lingkungan klorida panas, tembaga rentan dilarutan ammonia dan baja karbon rentan terhadap nitrat. Korosi retak fatik terjadi akibat tegangan berulang dilingkungan korosif. Sedangkan korosi akibat pengaruh hidogen terjadi karena berlangsungnya difusi hidrogen kedalam kisi paduan.

Tipe lain dari korosi adalah korosi galvanik, dan korosi lainnya jarang terjadi di sistem geotermal.

Ketika terjadi kontak air geotermal dengan permukaan peralatan maka dua hal penting yang akan menjadi masalah adalah scaling dan korosi. Silika, kalsite, dan terkadang sulfid adalah sumber utama terbentuknya scale . Korosi yang terbentuk adalah sumber kedua bagi penyebab pembentukan scale. Kedua sumber tersebut sangat penting karena efek merugikan dari scale pada heat transfer dan efisiensi pumping.

Senyawa kimia dalam air yang paling berpengaruh terhadap korosi adalah ion hidrogen, ion klorida, hidrogen sulfida, karbon dioksida, oksigen, dan besi. Adapun penjelasannya sebagai berikut:

• Ion hidrogen. Laju korosi dari banyak material meningkat ketika pH menurun. Kerawanan baja terhadap stress corrosion cracking meningkat dengan kenaikan konsentrasi ion hidrogen (pH yang lebih rendah). Tipe utama dari korosi adalah pitting, crevice, dan stress corrosion cracking. Secara sederhananya semakin rendah pH maka semakin korosif air terhadap logam.
• Ion klorida. Ion ini menyebabkan kerusakan dari lapisan pasif. Korosi yang merata dapat meningkat dengan kenaikan konsentrasi klorida. Dapat diketahui bahwa 5-10 ppm dari ion klorida  pada temperatur lebih dari 50^oC sudah cukup untuk memenuhi persyarataran yang menyebabkan stress corroison cracking di stainless steel. Konsentrasi ion klorida yang tinggi menyebabkan peningkatan kelarutan dari besi pada air geotermal dengan membentuk larutan kompleks dengan ion ferric.
• Hidrogen sulfida. Efek paling akut dari serangan hidrogen sulfida adalah pada alloy Ni dan Cu. Efek dari hidrogen sulfida pada senyawa ion kurang dapat diprediksi. Kehadiran dari hidrogen sulfida di air geotermal, seperti kehadiran dari besi, mengindikasikan menurunnya kemampuan air dalam melarutkan besi.
• Karbon dioksida. Karbon dioksida adalah agen oksidasi menengah yang menyebabkan peningkatan korosi dari baja. bagaimanapun, efek utama dari karbon dioksida di sistem geotermal melibatkan parameter karbonat dan perubahan pH. Di larutan asam, karbon dioksida dapat mempercepat korosi seragam dari carbon steel. pH dari air geotermal dikontrol oleh karbon dioksida. Di lain pihak, bikarbonat dan karbonat dapat menunjukkan efek penghambat menengah. Pada temperatur lebih tinggi terbentuk lapisan besi karbonat yang stabil yang memperlambat laju korosi dibandingkan dengan nilai yang diprediksi. Asam karbonik juga menyediakan untuk alternatif katodik setengah reaksi dimana menghasilkan ion bikarbonat dan hidrogen.
• Oksigen ada pada konsentrasi rendah pada banyak air geotermal. Bersama-sama dengan ion klorida, oksigen dapat memulai stress corrosion cracking pada temperatur tertentu. Hanya sedikit ppb dari oksigen di air panas dibutuhkan untuk menyebabkan korosi lokal dan pitting.
• Besi yang larut. ketika pH dan potensial redoks (Eh) diplot pada diagram stabilitas besi, inforamasi tambahan berkaitan kapasitas air untuk mengkorosi atau melindungi permukaan besi dihasilkan. Jika parameter geotermal air di plot pada area ferrous ion korosi akan dihambat dengan produk oksidasi, dan scaling mungkin dapat terjadi.
• Temperatur Kenaikan temperatur adalah hal yang paling membahayakan dari sumur air dengan karbon dioksida dan pH rendah. Evolusi hidrogen meningkat dua kali untuk masing-masing kenaikan 10^oC di temperatur.

Scaling dapat dipengaruhi oleh korosi dari permukaan logam. Scale kalsium karbonat terkadang diendapkan secara sengaja untuk menyediakan perlindungan terhadap korosi. Yang lebih sering terjadi adalah scale mempercepat laju korosi. Endapan scale iron sulfida secara umum menyebabkan permasalahan korosi yang parah. Iron sulfida adalah katodik terhadap besi, menciptakan kondisi galvanik yang menyebabkan pitting yang parah.

Proses korosi dan scaling adalah proses yang kompleks dan berhubungan. Untuk alasan inilah, tidak ada test satu-satunya atau indeks yang sangat cocok untuk dijadikan indikator untuk kedua proses ini. Jika air geotermal telah jenuh atau supersaturated karena kalsit, scaling kalsit akan terjadi dengan laju korosi yang menengah. Nilai pH dapat digunakan untuk indikator semikuantitatif dari serangan korosi, juga indikator kecenderungan air untuk menyebabkan scaling dari pada korosi. Air dengan pH dibawah 6.5 lebih korosif terhadap logam. Air ditas pH 7.5 memberikan efek korosi tingkat menengah ke logam. Scaling bisa saja terjadi di pH yang tinggi, terutama di permukaan logam.

Air yang jenuh dengan kalsium karbonat cenderung untuk mengendapkan scale yang mungkin dapat memproteksi melawan korosi. Derajat saturasi dari kalsit adalah indeks berguna dalam menganalisa potensi korosi dan scaling. Indeks saturasi Langelier dipertimbangkan untuk menjadi tools kualitatif tambahan yang esensial dan mendukung yang akan menghasilkan nilai positif untuk air yang korosif. Indeks stabilitas yang diusulkan oleh Ryznar  adalah indikator yang lebih kuantitatif. Tetapi indeks Ryznar dan indikasi lainnya berdasarkan kejenuhan kalsit tidak digunakan untuk memprediksi terjadinya  korosi (tidak ada hubungan yang berarti antara korosi dan indeks Ryznar).

Sumber:

• Rizky Ayu Trisnaningtyas. 2012. Analisa Desain Sistem Impressed Current Cathodic Protection (ICCP) pada Offshore Pipeline milik JOB Pertamina-Petrochina East Java. Jurusan Teknik Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
• Douglas P. Riemer. 2005. A Mathematical Model For the Cathodic Protection of Tank Bottoms. Jurnal Corrosion Science hal. 849-868.
• Power Generation University. Cathodic Protection for Power Plant Piping- Protecting People and the Environment.
• Subir K. Sanyal. 2005. Classification Of Geothermal System – A Possible Scheme. Thirtieth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University. California
• Per Olav Gartland. 2004. Internal Corrosion Of Dry Gas Pipelines During Upsets. Paper No. 04199 NACE.
• Kevin Rafferty. 1999. SCALING IN GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS. U.S. Department of Energy Idaho Operations Office

Baca lebih lanjut  Permasalahan Utama dalam Sistem Geotermal-Scaling

Bacaan lebih lanjut Potensi Geothermal dan Kemandirian Energi Indonesia