Proses Pengukuran Resistivitas Tanah [PDF]

Citation preview

BAB II PENGUKURAN RESISTIVITAS TANAH 2.1



Tujuan 1. Mengetahui cara pengukuran resisitivitas tanah. 2. Mengetahui dan memahami tingkat korosivias beberapa jenis tanah. 3. Mengetahui pengaruh berbagai jenis tanah terhadap laju korosi pada baja dalam lingkungan tanah.



2.2



Teori Dasar Korosivitas tanah dapat didefinisikan sebagai kemampuan tanah untuk merusak



logam terhadap permukaan logam yang diukur melalui laju korosi. Laju korosi pada permukaan pipa logam yang berada di dalam tanah tentunya tidak seragam. Untuk memantau lingkungan pipa di bawah tanah tersebut guna menganalisis korosi yang terjadi, perlu dilakukan pemantauan terhadap lingkungan pipa di bawah tanah. Salah satu parameter lingkungan bawah tanah adalah resistivitas tanah. Dengan mengetahui hubungan resistivitas tanah dengan laju korosi, tentunya bisa dilakukan pemantauan lingkungan tanpa harus menggali tanah terlebih dahulu. Karena itu perlu diketahui hubungan antara resistivitas tanah dengan laju korosi yang menyebabkan terjadinya korosi pada logam. Pengaruh lingkungan bawah tanah terhadap korosi memiliki rentang yang bervariasi. Hal ini terjadi karena jenis dan morfologi tanah setiap wilayah berbedabeda sebagai contoh tanah berpasir, lumpur, lempung batuan dan campuran. Dalam keadaan atau kondisi tertentu akan sangat berpengaruh pada tingkat korosifitasnya. Kondisi lingkungan tanah yang ekstrim juga akan menambah kecenderungan terjadinya korosi. Korosi pada tanah merupakan fenomena yang kompleks dengan berbagai variabel yang terkait. Variasi sifat fisik dan karakteristik tanah adalah faktor utama penyebab korosi pada struktur yang terpendam [13].



6



Tabel 2.1 Rating korosivitas tanah [13]



Korosi pipa bawah tanah merupakan sebuah fenomena yang kompleks, dengan berbagai variabel yang saling terkait. Reaksi kimia yang terjadi melibatkan hampir setiap elemen yang berada pada tanah tersebut banyak diantaranya yang belum diketahui secara tuntas. Variasi sifat dan karakteristik tanah merupakan faktor utama penyebab korosi pada struktur yang terpendam [20]. Material konstruksi umum yang berkenaan dengan korosi di lingkungan tanah adalah baja karbon dan paduannya. Material ini sebahagian besar digunakan untuk pipa distribusi air maupun gas ditanam dalam tanah dengan tingkat elevasi yang berbeda. Parameter yang umum digunakan untuk mengevaluasi potensi korosi tanah adalah resistivitas, pH, kadar sulfat, kadar klorida, potensi redoks dan kadar sulfida. Tanah biasanya memiliki kisaran pH 5-8. Tanah yang lebih asam mewakili risiko korosi yang serius terhadap bahan struktural umum seperti baja, besi cor dan lapisan seng [7, 17]. Pada sektor minyak dan gas terdapat jaringan pipa dibawah tanah yang harus sangat diperhatikan karena memiliki peranan yang penting dalam proses produksi maupun distribusi. Pipa onshore umumnya didesain supaya dapat beroperasi 10 tahun hingga 40 tahun. Namun korosi merupakan penyebab utama kegagalan material yang dapat menurunkan kualitas material akibat interaksi dengan lingkungan sekitar sehingga mempercepat umur operasi [5].



7



Material baja karbon digunakan untuk pipa distribusi air baku (raw water) yang ditanam dalam tanah dengan tingkat elevasi yang berbeda. Parameter yang umum digunakan untuk mengevaluasi potensi korosi tanah adalah resistivitas, pH, kadar sulfat, kadar klorida, potensi redoks dan kadar sulfida. Tanah biasanya memiliki kisaran pH 5-8. Tanah yang lebih asam mewakili risiko korosi yang serius terhadap bahan struktural umum seperti baja, besi cor dan lapisan seng. Tanah adalah kumpulan mineral, bahan organik, air, dan gas (kebanyakan udara). Tanah ini dibentuk oleh gabungan aksi cuaca angin dan air, dan juga peluruhan organik. Proporsi mineral dan bahan organik lainnya sangat bervariasi dalam jenis tanah yang berbeda. Misalnya, humus memiliki kandungan bahan organik yang sangat tinggi, dimana kandungan organik pasir pantai praktis nol. Sifat dan karakteristik tanah jelas bervariasi sebagai fungsi kedalaman [7]. Tanah tersusun melalui proses pencampuran dari hasil penghancuran batuan secara fisik yang selanjutnya akan diubah oleh cuaca (clastic sediments), endapan kimia material dari larutan (nonclastic sediments) dan unsur organic



[17]



. Oleh sebab



itu, tanah di suatu daerah tidak memiliki karakteristik yang sama dengan daerah lainnya sebab faktor pembentuk tanah tersebut berbeda. Proteksi katodik adalah suatu teknik penanggulangan korosi komponen baja khususnya pipa baja yang berada dalam lingkungan air atau didalam tanah yang. terjadinya proses aliran elektron dari anoda ke katoda. Pada struktur baja di dalam elektrolit harus ditahan dengan memberikan aliran arus listrik melalui suatu anoda lain. Dengan menghubungkan anoda lain (anoda korban) dan struktur baja (katoda) yang dilindungi (diproteksi), yang mula-mula struktur baja (katoda sebelum diproteksi) arus yang keluar dari anoda ke katoda akan ditahan oleh arus anoda korban yang potensial lebih tinggi. Tanah yang memiliki sifat sulit mengalirkan air memiliki sifat korosif yang paling tinggi sedangkan tanah yang mampu mengalirkan air dengan baik memiliki sifat korosif yang kecil. Misalnya saja, tanah di daerah pantai memiliki kandungan unsur organik (humus) yang hampir tidak ada akan besar resistivitas yang berbeda dengan



8



tanah yang terdapat di daerah hutan dimana tanah tersebut banyak mengandung unsur organik (humus) [17,19]. Karakteristik tanah juga memiliki perbedaan jika dilihat dari kedalamannya. Dibawah ini akan diberikan sebuah ilustrasi pipa yang tertanam dalam tanah dengan sebagian pipa berada pada daerah unsaturated dan bagian lainnya pada daerah water saturated :



Gambar 2.1 Ilustrasi pipa yang tertanam dalam tanah[18]



Sifat dan karakteristik dari tanah juga dapat disamakan sebagai fungsi dari kedalaman. Pengkarakteristikan tanah berdasarkan bagian ketinggian secara vertikal dikenal sebagai profil tanah, dan pengelompokan berdasarkan perbedaan lapisan tanah dikenal dengan horizon tanah. Klasifikasi tanah berdasarkan horizon tanah dibagi ke dalam beberapa kelas [19] : 1.



A. Surface soil (biasanya berwarna gelap karena mengandung unsur organik)



2.



O. Organic horizon (pengendapan sisa-sisa tanaman yang membusuk)



3.



E. Eluviation horizon (berwarna terang)



4.



B. accumulation horizon (kaya dengan oksida logam)



5.



C. Parent material (daerah batuan yang luas)



9



Beberapa faktor penting yang dapat mempengaruhi laju korosi dari tanah atau penigkatan sifat korosifitas pada tanah, faktor-faktor itu antara lain kandungan uap air atau kelembaban (moisture), pH tanah, derajat aerasi, resistivitas, potensial redoks dan aktivitas mikrobiologi [19].



Gambar 2.2 Hubungan beberapa faktor terhadap laju korosi dalam tanah[19]



1.



Kandungan uap air atau kelembaban (Moisture) Air, dalam bentuk larutan maupun gas merupakan syarat dasar untuk reaksi



elektrokimia pada proses korosi, dimana tanah dibedakan menjadi dua daerah yaitu daerah saturated dan daerah unsaturated yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. Dimana daerah itu mewakili pergerakan air dari daerah yang basah (saturated) ke daerah yang kering (unsaturated) dengan gaya gravitasi. Walaupun secara teori air selalu bergerak dari tampat yang tinggi menuju tempat yang rendah, namun di dalam tanah dapat terjadi



10



sebaliknya. Air yang terdapat pada tanah basah yang berada di bawah dapat bergerak menuju tanah kering yang posisinya di atas tanah basah melalui gaya kapileritas [19]. Pada daerah saturated, aliran air bergantung pada besarnya pori-pori tanah dan penyebarannya, tekstur tanah, struktur tanah, dan kandungan unsur organik dalam tanah tersebut. Pergerakan air dari satu daerah ke daerah lainnya dapat terjadi melalui beberapa cara yaitu dengan gravitasi, gaya kapileritas, tekanan osmosis dan interaksi elektrostatik antar partikel tanah. Air merupakan elektrolit yang memicu reaksi elektrokimia sehingga menyebabkan korosi. Perbedaan tersebut disebabkan oleh aliran air jenuh dan tidak jenuh pada tanah yang berhubungan dengan pergerakan air dari daerah yang basah menuju daerah yang kering. Kejenuhan air tergantung dari ukuran dan distribusi pori, tekstur, struktur, dan bahan organik [19]. Korosi pada tanah atau soil corrosion adalah jenis korosi aqueous dengan mekanisme elektrokimia. Namun kondisi pada tanah dapat menggeser atmosferik menjadi keadaan terbenam (immersed) tergantung dari kepadatan tanah dan kadar kristal air (moisture content). Walaupun mekanismenya merupakan elektrokimia, banyak karakteristik tanah yang akan meningkatkan korosifitas seperti hujan, iklim maupun reaksi pada tanah tersebut. Pada tanah, air dibutuhkan untuk ionisasi untuk oksidasi pada permukaan logam. Air juga dibutuhkan untuk ionisasi elektrolit tanah, untuk melengkapi sirkulasi aliran arus pada aktivitas korosi. Dengan demikian, air mempunyai pengaruh dalam terjadinya korosi pada tanah [21]. Kelembaban tanah sangat penting terhadap mekanisme korosi, contohnya tanah yang mengandung pasir kering akan lebih tahan korosi dibandingkan tanah yang mengandung tanah liat basah. Daerah dengan kelembaban yang tinggi dapat menyababkan nilai resistivitas suatu tanah akan menurun sehingga daerah tersebut memiliki tingkat korosi yang tinggi. Hal ini disebabkan uap air adalah salah satu pemicu atau media elektrolit dalam peristiwa korosi.



11



2.



Derajat Aerasi Oksigen bebas yang terdapat dalam tanah juga berpengaruh terhadap proses



korosi, sebab oksigen ini akan berkombinasi dengan ion logam dan mebentuk oksida, hidroksida ataupun garam logam [8]. Dalam tanah, konsentrasi oksigen akan menurun dengan bertambahnya kedalaman tanah tersebut. Oleh sebab itu, konsentrasi oksigen pada daerah saturated akan berbeda dengan konsentrasi oksigen pada daerah unsaturated. Pada tanah netral atau tanah yang banyak mengandung unsur alkalin, konsentrasi oksigen merupakan faktor yang sangat penting terhadap laju korosi di dalam tanah, karena berperan dalam reaksi katodik. Perbedaan kadar Oksigen tersebut dapat menimbulkan perbedaan potensial dan menyebabkan terjadinya arus yang dapat meningkatkan laju korosi. Logam yang berada pada lingkungan yang kaya oksigen akan teroksidasi dengan lebih cepat dari logam yang berada pada lingkungan yang kelarutan oksigennya lebih rendah. Hal ini terjadi karena keberadaan kelarutan oksigen yang tinggi akan bertindak sebagai stimulan untuk terjadinya reaksi reduksi, dengan menerapkan prinsip kesetimbangan reaksi, maka laju oksidasi juga meningkat, akibatnya reaksi korosi menjadi lebih cepat terjadi dibandingkan dengan logam yang tercelup didalam larutan yang konsentrasi oksigennya rendah. Walaupun demikian kehadiran mikroba (seperti sulfate reducing bacteria), dapat meningkatkan laju korosi walaupun berada pada kondisi dengan konsentrasi oksigen yang rendah (kondisi anaerob). Aerasi pada tanah secara langsung berhubungan dengan ruang pori dan kandungan air sebab ruang pori pada tanah dapat mengandung air maupun gas. Tanah bertekstur halus dengan kandungan tanah liat yang tinggi memiliki patikel yang lebih padat dan memiliki kapasitas pori untuk difusi gas yang lebih sedikit dibandingkan tanah jenis pasir [21]. 3.



pH Proses korosi logam sangat dipengaruhi pH. Setiap logam memiliki



kecenderungan korosi pada setiap tingkat keasaman lingkungan (pH) yang berbeda untuk beda potensial tertentu. Pada logam Fe untuk pH rendah yaitu dalam kondisi



12



asam, logam akan berada dalam kondisi immun atau jika dalam beda potensial yang tinggi akan menjadi ion Fe2+ dan ion Fe3+ dimana berada dalam daerah aktif. Untuk pH netral (~7) maka logam Fe akan berada dalam daerah immun serta pada lapisan pasif dalam bentuk Fe2O3 dan Fe3O4 dimana lapisan pasif bertindak sebagai pelindung oksidasi selanjutnya. Sedangkan untuk pH yang tinggi atau dalam kondisi basa maka Fe akan berada dalam daerah immun, korosif (HFeO2-) dan terbentuk lapisan pasif Fe2O3. Hal ini dapat ditunjukkan bahwa laju korsi semakin lambat karena adanya lapisan pasif. Seperti yang telah dijelaskan di atas bahwa pH pada tanah merupakan faktor penting karena didalam tanah mengandung nutrisi seperti Nitrogen (N), Potassium (K), dan Phosphorus (P) yang dibutuhkan tumbuhan untuk berkembang. Jika pH tanah di bawah 5,5 maka tumbuhan dapat membentuk Nitrogen dalam bentuk nitrat. Sedangkan Phosphorus terbentuk pada pH tanah antara 6 dan 7 [22]. Keasaman tanah menjadi bagian dari terbentuknya asam karbonat dari karbon dioksida akibat aktivitas biologi dan air. Selain itu, keasaman tanah juga disebabkan oleh perubahan cuaca, jenis mineral tanah, hilangnya kebasaan atau elemen asli akibat leaching, terbentuknya keasaman organik dan inorganik akibat aktivitas mikrobiologi, pengeluaran akar, polusi terhadap tanah khususnya limbah industry [22]. 4.



Resistivitas Resistivitas merupakan faktor penting yang mempengaruhi laju korosi terutama



pada media tanah. Pada tanah dengan nilai resistivitas yang tinggi, maka tingkat korosifitas dari tanah tersebut akan rendah dan sebaliknya pada tanah yang resistivitasnya rendah, maka tingkat korosifitas tanahnya tinggi. Penurunan nilai resistivitas dipengaruhi oleh kandungan uap air atau kelembaban dari tanah dan mineral-mineral seperti Ca dan Mg yang terkandung di dalam tanah [18]. 5.



Potensial Redoks Potensial redoks tanah merupakan potensial dari reaksi oksidasi-reduksi dari zat-



zat kimia yang terlarut di dalam tanah. Reaksi oksidasi-reduksi tersebut dapat terjadi dalam tanah karena tanah memiliki kandungan air yang cukup tinggi, kandungan garam



13



dan kandungan asam atau basa yang terlarut di dalam tanah. selain itu bakteri pereduksi seperti Sulfate Bacteria Reducing (SBR) juga mempengaruhi tingkat redoks tanah. Dibawah ini merupakan tingkat korosifitas tanah berdasarkan potensial redoks dengan menggunakan elektroda referensi Standard Hidrogen Electrode (SHE) : Table 2.2 Tingkat korosifitas tanah berdasarkan potensial redoks[11]



6.



Aktifitas Microbiologically Induced Corrosion (MIC) Microbiologically Induced Corrosion dapat diartikan sebagai korosi yang



diakibatkan karena kehadiran dan aktifitas dari mikroorganisme dalam proses metabolismenya (produk hasil metabolisme). Khususnya Sulphate Reducting Bacteria (SRB), dimana terjadi dibawah kondisi anaerob. Pada SRB, produk hasil metabolismenya mengandung ion sulphide, yang akan bereaksi dengan permukaan logam yang akan mengakibatkan terjadinya korosi. Bakteri ini memiliki kondisi lingkungan tertentu yang menyebabkan bakteri ini aktif, yaitu pada pH sekitar 6 sampai 8 dengan temperature 20 oC hingga 30 oC dengan lingkungan tanah yang memiliki besar resistivitas 500 sampai 20.000 Ω-cm [11].



14



2.3



Metodologi Praktikum



2.3.1 Skema Proses Siapkan alat dan bahan Tentukan lokasi area tanah yang akan diukur



Pemasangan pins pada tanah



Koneksikan pins dengan konektor merah



Setting switch ke salah satu posisi resistansi



Tekan tombol test untuk menyalakan



Amati dan catat besaran resistansi



Tekan tombol test untuk menghentikan



Pembersihan Peralatan



Analisa dan Pembahasan Kesimpulan Gambar 2.3 Skema proses pengukuran resistivitas tanah



15



2.3.2 Penjelasan Skema Proses 1.



Siapkan alat dan bahan yang dibutuhkan dalam proses praktikum.



2.



Tentukanlah lokasi area tanah yang akan di ukur, dengan panjang area pengukuran ± 5m, pasang batas safety line unuk keamanan.



3.



Memasangkan pins pada tanah dengan variasi jarak 1,2, dan 3 meter pada satu titik pengukuran.



4.



koneksikanlah pins dengan kabel konektor merah ke soket VΩ (C) dan hijau ke COM (E) pada alat resistivity meter digital.



5.



Lakukan setting switch ke salah satu posisi resitansi (20Ω, 200Ω, 2000Ω) lalu lakukan setting pengaturan nol (zero)



6.



Menekan tommbol test, ikon lambing (ϟ) akan menyala dan ada sinyal suara.



7.



Amatilah dan catat besaran resistansi yang ditunjukkan pada layar.



8.



Lalu tekan tombol test untuk menghentikan pengukuran.



9.



Setelah itu bersihkan peralatan yang telah selesai digunakan dan kembalikan alat pada meja laboratorium yang ditentukan asistensi.



10. Lakukan analisa dan amati proses yang telah terjadi. 11. Lalu tariklah kesimpulan pada pratikum tersebut.



16



2.3.3 Gambar Proses



Proses injeksi pins ke dalam tanah



Proses pengaturan alat



A



17



A



Proses pembacaan alat ukur Gambar 2.4 Proses pengukuran resistivitas tanah



2.5



Alat dan Bahan



2.4.1 Alat 1.



Cangkul



: 1 buah



2.



Sekop



: 1 buah



3.



Parang



: 1 buah



4.



Pins



: 3 buah



18



2.4.2 Bahan



2.5



1.



Area tanah



: secukupnya



2.



Aqua dm



: secukupnya



3.



Tissue



: secukupnya



Pengumpulan dan Pengolahan Data



2.5.1 Pengumpulan Data Tabel 2.3 Data pengukuran resistivitas tanah



No



Jarak Pins/



Area



R



P



a (cm)



tanah/



(Ω)



(Ω-cm)



Keterangan



P (m) a. 1



100



300



317



199.076



Posisi resistansi



b.



Tingkat korosivitas



a.



Posisi resistansi



2



150



450



535



503.970 b. Tingkat korosivitas a.



Posisi resistansi



3



200



600



140



175.840 b. Tingkat korosivitas



19



2.5.2



Pengolahan Data



Diketahui = a1 =100 cm, a2 =150 cm, a3 = 200 cm, R1 = 317 Ω, R2 = 535 Ω, R3 =140 Ω Ditanya



: a. ρ1,2,3=? b. ρrata−rata=?



Jawab



ρ =2xπxaxR a.



ρ 1 = 2 x 3,14 x 100 x 317 = 199.076 Ω.cm ρ 2 = 2 x 3,14 x 150 x 535 = 503.979 Ω.cm ρ 3 = 2 x 3,14 x 200 x 140 = 175.840 Ω.cm



b.



ρ rata – rata = =



2.6



𝜌1 + 𝜌2 + 𝜌3 3 199.076 + 503.979 + 175.840 3



= 292.965 Ω.cm



Analisa dan Pembahasan Pada bab ini membahas tentang resistivitas tanah yang akan merupakan factor



pentng dalam aplikasi pada pembahasan bab berikutnya dimana proses ini dilakukan pada area tanah yang sudah ditentukan sebelumnya. Pengujian dilakukan menggunakan tiga pin yang ditancapkan pada permukaan tanah yang dihubungkan dengan sumber arus listrik. Saat sumber listrik dihubungkan (V), arus (I) akan mengalir di antara rangkaian pin yang terpasang melalui elektroda tanah (sebagai media elektrolit) yang ditimbulkan oleh medan listrik di antara rangkaian pin tersebut. Tujuan dilakukannya pemasangan pin pada jarak yang sudah ditentukan adalah agar mengetahui adanya perbedaan nilai resistivitas tanah sehingga dapat ditentukan nilai resistivitas tanah rata-rata. Perbedaan nilai resistivitas tanah tanah dapat



20



disebabkan beberapa faktor seperti homogenitas tanah, kandungan mineral logam, kandungan aquifer (misalnya: air, minyak, dan gas), porositas, permeabilitas, suhu, dan umur geologi tanah. Faktor-faktor ini menunjukkan ketika dilakukan pengukuran maka yang terukur adalah nilai resistivitas kombinasi dari berbagai jenis tanah. Hal ini mengakibatkan nilai yang diukur disetiap titik memiliki nilai yang berbeda Nilai resistivitas tanah ini didapat dengan mengukur perbedaan tagangan yang dibagi dengan arus yang mengalir di dalam tanah yang kemudian hasil ini akan dikalikan faktor geometrik dan jarak antar pin sehingga diperoleh nilai resistivias tanah. Hasil dari pengujian kali diperoleh pada jarak a1 (100 cm) nilai ρ 1 adalah 199.076 Ω.cm, a2 (150 cm) nilai ρ 2 adalah 503.979 Ω.cm, a2 (200 cm) nilai ρ 3 adalah 175.840 Ω.cm dan nilai ρ rata – rata adalah 292.965 Ω.cm. Pada tanah dengan nilai resistivitas yang tinggi, maka tingkat korosifitas dari tanah tersebut akan rendah dan sebaliknya pada tanah yang resistivitasnya rendah, maka tingkat korosifitas tanahnya akan menjadi tinggi.



2.7



Kesimpulan dan Saran



2.7.1 Kesimpulan 1. Pemasangan pin pada jarak yang berbeda dilakukan untuk mengetahui adanya perbedaan nilai resistivitas tanah dan mengetahui nilai resistivitas rata-rata. 2. Perbedaan nilai resistivitas tanah tanah dapat disebabkan beberapa faktor seperti homogenitas tanah, kandungan mineral logam, kandungan aquifer (misalnya: air, minyak, dan gas), porositas, permeabilitas, suhu, dan umur geologi tanah. 3. Dari hasil pengujian diperoleh pada jarak a1 (100 cm) nilai ρ 1 adalah 199.076 Ω.cm, a2 (150 cm) nilai ρ 2 adalah 503.979 Ω.cm, a2 (200 cm) nilai ρ 3 adalah 175.840 Ω.cm dan nilai ρ rata – rata adalah 292.965 Ω.cm.



21



4. Tanah pada jarak a1 merupakan tanah yang mempunyai tingkat korosif paling tinggi jika dibandingkan dengan jarak tanah yang lain karena mempunya nilai soil resistivity paling rendah, sedangkan tingkat korosif paling rendah jika dibandingkan dengan jarak tanah yang lain adalah pada jarak tanah a2 karena mempunyai soil resistivity paling tinggi.



2.7.2 Saran -



22