1545-ssulistijono-mat-eng-8.contoh desain iccp doc

PROF. DR. IR. SULISTIJONO, DEA T. Material & Metalurgi FTI‐ITS [email protected]

1

DESAIN SISTEM PROTEKSI KATODIK ARUS PAKSA (ICCP) UNTUK PIPA AIR DIDALAM TANAH

Tulisan ini akan membahas tentang dasar perencanaan teknis rancang bangun sistem proteksi katodik arus paksa untuk jaringan pipa air. Jaringan pipa yang hendak diproteksi merupakan pipa tunggal berdiameter 28 inchi dengan panjang keseluruhan 54.9 km. Sebagian dari panjang pipa tersebut ditanam dalam tanah sedangkan sisanya ditempatkan di atas permukaan tanah. Sesuai dengan tujuan perencanaan sistem proteksi katodik, hanya panjang pipa yang ditanam dalam tanah yang hendak dilindungi dari kerusakan akibat korosi. Berdasarkan gambar perencanaan jaringan pipa, panjang pipa dalam tanah kurang lebih 29.676 km. Sistem proteksi katodik yang hendak diaplikasikan adalah metode arus paksa (impressed current cathodic protection). 4.1 Pengumpulan Data Kriteria desain Umur desain : 20 tahun Faktor keamanan untuk arus perlindungan : 25 % Tingkat proteksi (instant off) terhadap elektrode referens Cu/CuSO4 Limit positif : -950 mV Limit negatif : -1200 mV Standar perancangan Desain sistem proteksi katodik arus paksa mengikuti standar : a) ISO 15589-1:2003 Petroleum and Natural Gas Industries – Cathodic Protection Of Pipeline

Transporatation Systems. Part 1 : On-land Pipelines. b) NACE Standards :

- NACE Standard RP-0169-2002 Control Of External Corrosion Of Underground or Submerged Metallic Piping System,

- NACE Standard RP-0572-2001 Design, Installation, Operation, and Maintanance of Impressed Current Deep Groundbeds,

- NACE Standard RP-0286-97 Electrical Isolation Of Cathodically Protected Pipelines - A.W. Peabody, Control of Pipeline Corrosion, NACE International The Corrosion Society

c) BS 7361 Part 1 Cathodic Protection. Part 1 : Code Of Practice For Marine and Land Application. Data Struktur yang akan Diproteksi Material pipa : Baja karbon rendah Pipe specification : Spiral pipe welding

API 5L Grade B Panjang pipa keseluruhan : 54.9 km = 54,000 m Panjang pipa dalam tanah : 29.676 km = 29,676 m Diameter luar : 28 inchi = 0.7112 m Tahanan jenis baja : 2.2 x 10-7 Ohm-m Tebal dinding : 0.00635 m Kedalaman pipa dari permukaan tanah : 1.5 m

Tabel 4.1 Komposisi Kimia Baja API 5L Grade B C

(max)

Mn (max)

P (max)

S (max)

Ti (max)

V (max)

Ni (max)

0.22 % 1.20 % 0.025 % 0.015 % 0.04 % ≤ 0.15 % ≤ 0.15 %

Sumber : Specification for Line Pipe American Petroleum Institute, 2004


2

Data Lapis Lindung Material lapis lindung : Densopol 60 HT, Densoclad 50,

coaltar enamel Coating spesification : Hot-Applied Coating of Coaltar

Enamel Temperatur kerja : 25˚C Tingkat kerusakan : 5 % per tahun

Gambar 4.1 Proses pelapisan coaltar enamel

Metode utama untuk mengurangi korosi pada pipa bawah tanah adalah penggunaan lapis lindung (coating) dan instalasi sistem proteksi katodik. Kombinasi terbaik antara lapis lindung berkualitas dan proteksi katodik mengurangi biaya perlindungan pipa.Coaltar enamel merupakan salah satu jenis lapis lindung anorganik yang digunakan sebagai sarana proteksi terhadap korosi pada bagian luar pipa bawah tanah serta macam-macam struktur baja dan beton. Lapis lindung ini dihasilkan dari proses pemasakan batu bara. Pada proses pemanasan hingga temperatur 1100˚C, batu bara akan terurai menjadi kokas dan gas. Hasil kondensasi dari gas itulah disebut coaltar, yang memiliki kandungan karbon rendah. Coaltar memiliki sifat yang keras, tangguh, dan tahan terhadap abrasi sehingga mampu digunakan selama lebih dari delapan puluh tahun. Selain tahan terhadap cathodic disbondment dan lingkungan asam juga memiliki adhesi yang baik terhadap baja. Kali pertama diaplikasikan, perlindungan terbesar diberikan oleh coaltar enamel sedangkan arus proteksi katodik menyediakan perlindungan terhadap cacat atau kerusakan yang ada pada lapis lindung. Sejalan dengan perkembangan waktu, coaltar enamel akan mengalami penurunan kualitas secara kimia dan mekanis. Oleh sebab itu terjadi peningkatan baik jumlah cacat maupun arus yang diperlukan untuk melindungi luasan kecil dari pipa baja yang terekspos. Tingkat kerusakan tergantung kualitas lapis lindung dan kondisi lingkungan, yang dinyatakan dalam per sen per tahun. Pipa ini memiliki tingkat kerusakan lapis lindung sebesar lima per sen per tahun, maka jangka waktu proteksi yang mampu diberikan oleh coaltar enamel paling lama bertahan selama dua puluh tahun. Setelah melewati ambang waktu tersebut, permukaan pipa merupakan struktur yang telanjang tanpa lapis lindung. Artinya, sistem proteksi yang terpasang harus memiliki cadangan cukup untuk meyediakan arus ekstra. Sistem proteksi katodik arus paksa mampu mengakomodasi kebutuhan ini. Tegangan keluaran dari transformer rectifier dapat dinaikkan untuk menyediakan arus yang diperlukan. Kelemahan coaltar enamel adalah rentan terhadap sinar ultraviolet sehingga tidak cocok dijadikan pelindung korosi untuk lingkungan terbuka. Pada pipa ini pengunaannya dikombinasikan dengan protective wrappers Densopol 60 HT dan Densoclad 50. Disamping itu, proses produksi coaltar enamel menghasilkan asap dengan berat jenis tinggi yang mengancam kesehatan lingkungan. Oleh karena itu penggunaannya di masa depan diharapkan tidak meningkat, seiring dengan semakin diterimanya Fusion-Bonded Epoxy (FBE), extruded polyolefin dan jenis lapis lindung yang lain.

Pada gambar di atas ditunjukkan proses pelapisan coaltar dengan pemanasan awal mencapai temperatur 175 – 245˚C sehingga coaltar bersifat viskos.


3

4.1.5 Data tanah Survei tahanan jenis tanah merupakan langkah awal sebelum memasuki tahap rancang bangun

sistem proteksi katodik. Pengukuran yang konvensional dijalankan menggunakan suatu sumber arus, misalnya baterai, instrumen DC ammeter, dan voltmeter. Akan tetapi, sejak tahun 1981 tersedia instrumen khusus untuk mempersingkat waktu pengukuran dengan cara yang lebih nyaman. Pada pelaksanaan di lapangan digunakan soil resistance meter seperti yang ditunjukkan gambar 3.1. Nilai tahanan yang terukur dalam satuan Ohm, dapat langsung dibaca pada jarum penunjuk di layar. Instrumen ini dapat mengukur nilai tahanan antara 0.01 Ohm sampai 11 x 105 Ohm tergantung skala pengali yang dipilih. Prinsip kerja alat ini adalah memberikan suplai arus AC pada pin-pin terluar dan secara simultan mengukur penurunan tegangan di antara pin-pin bagian dalam akibat timbulnya tahanan pada elektrolit. Arus bolak-balik (AC) digunakan untuk mengurangi pengaruh arus liar (stray current) serta mengatasi masalah polarisasi yang timbul pada pin-pin baja (apabila pengukuran menggunakan arus searah).

Survei tahanan jenis tanah dilaksanakan sesuai standar ASTM G 57-78 atau IEEE Standard 81 yang dikenal sebagai Wenner Four-Pins Method pada akhir Desember 2006 di dua lokasi yaitu Unit Booster Pump, Lamongan (untuk SR 01 dan SR 02) dan lingkungan pabrik PT. Petrokimia Gresik (untuk SR 03). Dibanding metode Two-Terminals, metode Wenner mampu mengukur sejumlah besar sample tanah dengan tingkat lapisan tanah makin dalam.

Adapun tujuan pelaksanaan survei resistivitas tanah ini adalah : a. Menentukan nilai tahanan jenis tanah pada lokasi pemasangan anoda groundbed sehingga dapat

diperoleh total hambatan serendah mungkin, b. Menentukan besar densitas arus yang diperlukan pada perhitungan total arus proteksi.

Proses pengukuran mensyaratkan lokasi survei berupa tanah datar yang cukup lapang. Pada tiap lokasi dilakukan tiga kali pengukuran dengan variasi jarak antar pin 5 feet (≈ 1.5 meter); 10 feet (≈ 3meter); 20 feet (≈ 6 meter). Jarak lokasi pengukuran satu dengan yang lain minimal terpisah sejauh 50 feet (15.24 meter).

Nilai tahanan jenis dihitung sesuai rumus berikut :

ρ = 2.π.a.R dengan: ρ = tahanan jenis tanah (Ohm-cm) a = jarak antar pin (cm) R = hambatan yang terukur (Ohm) ρ = 3.14159

Hasil pengukuran dipaparkan pada tabel di bawah ini :

Pengukuran Tahanan Jenis Tanah Metode Wenner Lokasi

Tes Jarak

Antar Pin (meter)

Tahanan (ohm)

Tahanan Jenis Tanah

(ohm-cm)

Kondisi Keadaan Tanah

SR 01

1.5 3 6

0.713 0.242 0.062

672.125 455.938 235.047

Tanah liat Coklat Berumput dan lembab

SR 02

1.5 3 6

0.674 0.219 0.068

635.700 412.805 256.354

Tanah liat Coklat Berumput dan lembab

SR 03

1.5 3 6

0.339 0.104 0.035

319.909 196.152 132.410

Tanah liat Coklat kekuningan Lembab


4

Metode analisa di atas kurang sempurna, karena lapisan tanah mempunyai ketebalan yang berbeda-beda, sehingga total konduktifitas tanah di bawah berbeda dibandingkan dengan konduktifitas tanah pada permukaan. Hal ini dapat dikoreksi dengan metode Barnes :

Tahanan Jenis Tanah Metode Barnes Kemudian pada tiap lokasi pengukuran, dihitung harga rata-rata tahanan jenis tanah menggunakan rumus :

a.SRa + b.SRb + c.SRc banyak pengukuran

dengan : ρrata-rata = tahanan jenis tanah rata-rata (Ohm-cm) a = faktor empiris pengukuran pertama b = faktor empiris pengukuran kedua c = faktor empiris pengukuran ketiga SRa = tahanan jenis tanah pengukuran pertama (Ohm-cm) SRb = tahanan jenis tanah pengukuran kedua (Ohm-cm) SRc = tahanan jenis tanah pengukuran ketiga (Ohm-cm) Hasil perhitungan di atas ditabulasikan dalam bentuk berikut ini :

Tahanan Jenis Tanah Rata-rata

Lokasi Tes Spasi Pin (m)

Faktor Empiris Tahanan Jenis Tanah Barnes (Ohm-cm)

Tahanan Jenis Tanah Rata-rata (Ohm-cm)

SR 01

1.5 3 6

942.5 1885

3769.9

672.125 344.641 158.569

997.842

SR 02

1.5 3 6

942.5 1885

3769.9

635.700 304.975 186.064

994.952

SR 03

1.5 3 6

942.5 1885

3769.9

319.909 141.439 99.937

501.388

Hasil survei di atas mengindikasikan terjadinya penurunan tahanan jenis tanah di area Lamongan

dan Gresik terhadap pertambahan jarak antar pin. Dengan demikian, pada lapisan tanah yang semakin dalam aktifitas korosi semakin meningkat. Korosi merupakan suatu fenomena elektrokimia, maka tahanan

ρ rata-rata =


5

= 996.397 Ohm-cm

jenis tanah yang rendah menghasilkan tahanan sirkuit yang rendah pula sehingga sel korosi mampu menghantarkan aliran arus korosi lebih mudah, akibatnya laju korosi dipercepat.

Akan tetapi, tahanan jenis tanah merupakan faktor kunci dalam menentukan lokasi instalasi anoda groundbed. Hal ini dimaksudkan untuk memperoleh nilai tahanan total serendah mungkin agar arus keluaran dari anoda memerlukan sedikit daya. Semakin besar tahanan jenis tanah menunjukkan bahwa tahanan total yang dihasilkan juga bertambah tinggi, dengan demikian nilai tegangan dorong untuk mengatasi sel korosi semakin bertambah besar. Meningkatnya kapasitas tegangan dari transformer rectifier bermakna meningkatnya biaya operasional.

Di seluruh dunia, tahanan jenis tanah bervariasi terhadap perubahan musim tak terkecuali di Lamongan dan Gresik. Tahanan jenis tanah banyak ditentukan oleh kandungan elektrolitnya, yang terdiri atas kelembaban, mineral dan garam-garam terlarut, serta temperatur. Oleh karena tahanan jenis tanah terkait secara langsung dengan kandungan uap air dan temperatur, masuk akal untuk mengasumsikan terjadinya variasi hambatan sistem pentanahan (grounding) terhadap perubahan musim dalam satu tahunnya. Agar sistem pentanahan berjalan efektif sepanjang waktu, sebaiknya konstruksi anoda groundbed dilakukan hingga kedalaman tertentu di bawah permukan tanah, sebab kandungan uap dan temperatur menjadi lebih stabil pada tanah yang lebih dalam.

Dari data tahanan jenis tanah yang diperoleh pada lokasi pemasangan groundbed, juga dapat ditentukan nilai densitas arus yang diperlukan untuk melindungi pipa yang terpendam dalam tanah. Secara umum, range tahanan jenis tanah yang dapat diterima berkisar pada nilai minimal 10 Ohm-cm dan maksimal 500.000 Ohm-cm.

997.842 +994.952 2

501.388 Ohm-cm Menurut tabel 2.4 yang bersumber dari British Standard 7361, kedua nilai tahanan jenis tanah di

atas mengindikasikan tipe tanah sangat korosif dengan densitas arus yang diperlukan untuk melindungi pipa sebesar 20 mA/m2

Pada bab-bab berikutnya dapat diketahui densitas arus merupakan parameter perancangan yang fundamental terhadap perhitungan selanjutnya, terutama berpengaruh pada jumlah anoda yang dibutuhkan, panjang dan diameter kolom backfill. Luas permukaan yang diproteksi Pada pipa yang terpendam dalam tanah, luas permukaan yang hendak dilindungi adalah luas permukaan pipa yang kontak langsung dengan tanah. Perhitungan luas permukaan luar dapat diperoleh dengan melibatkan diameter luar dan keseluruhan panjang pipa yang dipendam yaitu sepanjang 29,676 meter menggunakan rumus berikut : SA = π x OD x L………………...… (3.1)

Dengan : OD = diameter luar pipa (m) L = panjang pipa (m) π = 3.14159 SA = luas permukaan yang diproteksi (m²) Luas permukaan yang dilindungi adalah :

SA = π x 0.7112 x 29,67 = 66,305.107 m²

ρ rata-rata Lamongan =

ρ rata-rata Gresik =


6

RL = =

RL = = 1.57 x 10-5 Ohms/m

RT = =

x (1+0.25) = 165.763 A

Kebutuhan arus proteksi Arus perlindungan total yang diperlukan untuk melindungi pipa dihitung sesuai rumus berikut: SA x CD x CB 1000 …………………... (3.2) Dengan : It = total arus yang diperlukan untuk melindungi pipa (A) SA = luas permukaan yang diproteksi (m²) CD = densitas arus pada temperatur kerja (mA/m²) CB = tingkat kerusakan lapis lindung SF1 = faktor keamanan yang diijinkan untuk arus perlindungan

66,305.107 x 20x 0.1 1000

Dalam sistem proteksi katodik arus paksa, densitas arus merupakan fungsi dari nilai tahanan jenis tanah rata-rata hasil pengukuran. Nilai tersebut disesuaikan dengan tingkat kekorosifan tanah yang dilalui pipa. Tipe tanah ini selanjutnya menentukan densitas arus yang dibutuhkan untuk mempolarisasikan pipa pada suatu nilai potensial perlindungan. Nilai ini dapat dilihat pada tabel 2.4 Hubungan Tahanan Jenis Tanah dengan Korosifitas. Faktor keamanan turut dilibatkan dalam perhitungan untuk memberikan penyesuaian terhadap penambahan luas permukaan karena adanya suaian (fitting), lengkungan (bending) dan lain sebagainya. Dalam perencanaan, lapis lindung diasumsikan mengalami penurunan kualitas selama masa pakainya. Pada kasus ini, tingkat kerusakannya lima per sen per tahun. Dihitung dua tahun setelah instalasi sistem proteksi katodik terdahulu, maka nilai kerusakan atau kemunduran kualitas dari lapis lindung diasumsikan sebesar sepuluh per sen. 4.2.3 Pengecekan kebutuhan arus

Pada aplikasi proteksi katodik, pengaruh potensial pipa terhadap tanah yang paling besar dapat dijumpai pada drainage point. Pengaruh ini akan semakin menurun atau melemah apabila terjadi pertambahan jarak dari drainage point. Dengan demikian potensial pipa dari tempat pemasangan rectifier menuju titik tengah pipa akan semakin membesar. Konstanta attenuasi digunakan untuk menentukan panjang maksimal pipa yang dapat dilindungi akibat posisi penempatan transformer rectifier. tahanan jenis baja ρS luas penampang pipa π x t x (OD-t)…. (3.3) Dengan : RL = tahanan bujur pipa (Ohms/m) ρS = tahanan jenis baja (Ohm-m) t = tebal pipa minimal besarnya 0.00635 m OD = diameter luar pipa (m) 2.2 x 10-7 π x 0.00635 x (0.7112-0.00635) resistansi lapis lindung Rc luas permukaan pipa per unit panjang A Dengan : RT = tahanan lintang pipa (Ohms/m) Rc = resistansi lapis lindung, diasumsikan setelah 20 tahun nilainya 30 kOhm.m²

I = x (1 + SF1)

It =


7

RT = = 13,427.02 Ohms/m

A = luas permukaan pipa per unit panjang (m²/m) = π x OD x L = π x 0.7112 = 2.23 m²/m L 30.000 2.23 Konstanta attenuasi α = (RL / RT) 0.5…………………….(3.5) = (1.57 x 10-5/13,427.02) 0.5

= 3.41 x 10-5 ∆Ex = EMIN - ENAT…………………………………………. (3.6)

Dengan : EMIN = batas bawah potensial yang memenuhi kriteria

proteksi (-0.95 V) ENAT = potensial alamiah (korosi) baja dalam tanah

(-0.5 V) ∆Ex = pergeseran potensial pada ujung pipa ∆Ex = -0.95 – (-0.5) = -0.45 V ∆Ed = Ed – ENAT…………………………………………... (3.7) Dengan : ∆Ed = potensial geser negatif pada drainage point Ed = potensial geser pada drainage point akibat

aplikasi arus proteksi ∆Ed = -1.2 – (-0.5) = -0.7 V Cosh (α x Lm) = ∆Ed / ∆Ex………………………………. (3.8) = 29,634.66 meter Berdasarkan hasil perhitungan di atas, arus perlindungan akan mencapai kedua ujung pipa baik yang ada di Babat maupun Gresik sejauh 29,634.66 meter tanpa menyebabkan terjadinya potensial berlebih pada drainage point yang dapat menyebabkan kerusakan pada lapis lindung. 4.3 Anoda Impressed Current

Pada sistem proteksi ini, tipe penanaman anoda groundbed yang digunakan adalah point deep well, dengan kedalaman total empat puluh meter. Bagian-bagian berikut menggambarkan secara detail anoda impressed current yang digunakan. 4.3.1 Tipe anoda Sejak awal proses perencanaan telah ditetapkan bahwa anoda yang digunakan berbentuk seperti pipa (tubular) jenis Mixed Metal Oxide Titanium Substrate dengan spesifikasi sebagai berikut : Material : Mixed Metal Oxide (MMO) coated Titanium Substrat : Titanium (ASTM B338 Grade I / Grade II) Tipe : SAP® Linear Distributed Anodes Aplikasi : untuk tanah


8

Bentuk : tubular Dimensi : panjang = 1 m diameter luar = 0.0254 m tebal = 0.001 m Berat : 0.30 kg/m (± 0.070 kg/m tanpa kabel) Masa pakai : 30 tahun Tahanan jenis listrik : 6 x 10-5 Ohm-cm Laju konsumsi : 1 mg/ampere-tahun Tebal lapis lindung : ≥ 14 gram/m2

Selain anoda MMO, anoda grafit dan anoda besi silikon tinggi (14-18% Si) dapat digunakan pada proteksi katodik metode arus paksa untuk struktur yang terpendam dalam tanah. Dalam kesempatan ini anoda yang digunakan berupa pipa (tube) titanium yang diberi lapisan mixed metal oxide. Mixed metal oxide merupakan pelapis dari kristalin yang mampu menghantarkan listrik secara sempurna dan berperan sebagai penggerak titanium agar menjalankan fungsinya sebagai anoda.

Mixed metal oxide memiliki laju konsumsi yang sangat rendah, yang terukur dalam satuan milligram per ampere-tahun. Dengan laju konsumsi yang sangat rendah, dimensinya hampir tetap konstan selama masa pakainya. Bahkan apabila tidak melebihi kapasitas keluaran arus maksimalnya, dapat digolongkan sebagai anoda inert. Selain itu secara konsisten mampu menyediakan tahanan yang rendah.

Baik saat beroperasi di tanah, air tawar, lumpur maupun air laut, lapisan mixed metal oxide menunjukkan kestabilan yang sangat tinggi terhadap zat kimia bahkan tahan pada lingkungan dengan pH sangat rendah. Tidak seperti anoda impressed current lainnya, lapisan mixed metal oxide tidak rusak akibat terbentuknya klorin.

Pada metode arus paksa, anoda tidak dipilih dari logam dengan potensial elektrode (emf) lebih negatif dari logam yang dilindungi, tetapi justru dipilih dari logam mulia. Meskipun potensial elektrode titanium lebih besar daripada pipa baja, elektron tetap mengalir dari anoda menuju pipa karena dipaksa oleh arus searah (DC) yang diperoleh dari transformer rectifier. Dengan demikian suatu struktur yang memiliki luasan besar dapat dilindungi oleh sebuah anoda tunggal dan karena tegangan dorong yang dimiliki tinggi, anoda dapat ditempatkan jauh dari struktur.

Gambar 4.2 Anoda mixed metal oxide tubular

4.3.2 Jumlah Anoda Yang Diperlukan Kuantitas anoda yang diperlukan dapat dihitung berdasarkan arus keluaran maksimal anoda (Io)

sesuai rumus berikut : Io = SA x ID

Dengan : ID = densitas arus anoda (A/m²) SA = luas permukaan anoda (m²) log Y = 3.3 – log ID…………….... (3.9) dengan : Y = umur proteksi yang direncanakan (tahun) ID = densitas arus anoda (A/m²) Maka dengan umur perencanaan selama dua puluh tahun, densitas arus maksimal dari anoda yang diperbolehkan sebesar :


9

= 20.823 ≈ 21 buah

log 20 = 3.3 – log ID ID = 10 (3.3 – log 20) ID = 99.763 A/ m² Dengan demikian arus keluaran maksimal dari satu buah anoda sebesar : Io = SA x ID ………………………………………………. (3.10) = (0.314 x 0.0254 x 1) x 99.763 = 7.961 A Jumlah minimal anoda yang diperlukan (Qmin) dihitung dengan mempertimbangkan arus keluaran maksimal anoda dengan umur perencanaan selama dua puluh tahun.

It Io ……………………………........................(3.11)

Dengan : It = total arus yang diperlukan untuk melindungi pipa (A) Io = arus keluaran dari masing-masing anoda (A)

165.763 7.961

Dengan tingkat kerusakan lapis lindung sebesar lima per sen per tahun, maka jumlah anoda yang digunakan adalah : Q = Qmin x (1 + SF2)……………………………………….. (3.12) = 10.411 x (1+ 0.15) = 23.946 ≈ 24 buah SF2 = 15 % umumnya digunakan pada perhitungan jumlah anoda untuk mengantisipasi terjadinya perubahan tahanan karena tahanan jenis tanah pada lokasi anoda groundbed juga mengalami perubahan karena pergantian musim.

Anoda-anoda tersebut akan ditanam secara vertikal dalam tiga deep well groundbed dengan jumlah yang sama. Jadi, pada Unit Booster Pump di Lamongan terdapat dua buah deep well groundbed dimana masing-masing mengandung delapan buah anoda di dalamnya. Sedangkan, sebuah anoda groundbed lagi diusulkan untuk diletakkan di area Gresik pada lingkungan pabrik.

Adanya tiga lokasi penanaman anoda groundbed menyebabkan arus perlindungan yang dibutuhkan dibagi pada masing-masing lokasi penanaman anoda. Dengan demikian harga arus perlindungan dari masing-masing transformer rectifier (TR) adalah :

• Pada lokasi TR 01 (di Lamongan) I1 = ⅔ x 165.763 A = 110.509 A

• Pada lokasi TR 02 (di Gresik) I2 = ⅓ x 165.763 A = 55.254 A

4.3.3 Perencanaan lokasi anoda groundbed Dengan mempertimbangkan faktor-faktor yang telah disebutkan di atas, maka perencanaan lokasi anoda groundbed memerlukan pemetaan lokasi yang lengkap mengenai rute yang dilalui pipa sekaligus keterangan tentang kondisi di sekelilingnya. Berdasarkan pemikiran yang masak, maka anoda groundbed ditempatkan pada Unit Booster Pump, Lamongan dengan pertimbangan : a. Tersedianya suplai energi listrik yang stabil dan memadai dari Unit Booster Pump. b. Lokasi penempatan yang strategis karena berada di pertengahan antara Babat dan Gresik, aman

(dijaga oleh petugas keamanan) sekaligus dekat dengan jalan raya. c. Tidak perlu menempatkan anoda groundbed terlalu jauh dari struktur yang dilindungi sehingga range

perubahan potensial yang terjadi tidak terlalu besar.

Qmin =

Qmin =


10

= 6.922 A/anoda

d. Meskipun tahanan jenis tanah pada kawasan unit booster pump belum tentu yang paling rendah anoda groundbed tetap dipasang pada lokasi tersebut berdasarkan pertimbangan ekonomi bahwa pemasangan pada lokasi yang lain akan membebani PT. Petrokimia untuk melakukan pembebasan lahan sekaligus membangun fasilitas yang diperlukan. Apabila hal ini dilaksanakan biaya yang dihabiskan jauh lebih mahal.

Sedangkan pemilihan penempatan groundbed di area Gresik, didasarkan pada faktor-faktor berikut ini : a. Sebagian besar panjang pipa yang terpendam dalam tanah berada di sebelah timur Lamongan atau

kawasan yang padat penduduk. Dengan demikian tahanan jenis tanah di kawasan tersebut dapat dipastikan sangat korosif, bahkan melebihi tanah yang berada di kawasan unit booster pump. Oleh sebab itu untuk lebih menjamin distribusi arus proteksi, perlu ditempatkan sebuah anoda groundbed sekaligus transformer rectifier di lingkungan pabrik.

b. Ketersediaan pasokan energi listrik dan pengawasan keamanan di lingkungan pabrik terhadap komponen anoda groundbed dan transformer rectifier tidak perlu diragukan.

4.3.4 Pengecekan jumlah anoda Pengecekan dapat dilakukan dengan cara membandingkan suplai arus per unit anoda terhadap arus keluaran maksimal anoda yang diijinkan, yang telah diperoleh dari hasil perhitungan pada sub bab sebelumnya.

It 165.763 Q 24

Pengecekan dilakukan dengan cara membandingkan luas aktif permukaan anoda yang menyentuh tanah dengan luasan anoda minimal yang diperbolehkan pada jangka waktu proteksi.

J ID……………………………………………(3.14)

Dengan : SAmin = luas permukaan anoda minimal (m²) J = suplai arus per unit anoda (A/anoda) ID = densitas arus anoda (A/m²)

6.922 99.763

Luasan aktif anoda = π x La x da ……………………….... (3.13) = π x 1 x 0.0254 = 0.079 m²

Kedua hasil di atas dibandingkan SA : SAmin 0.079 > 0.069 Hasil perbandingan menunjukkan luas permukaan anoda yang diperbolehkan lebih kecil terhadap luasan aktif anoda yang menyentuh tanah. Dapat disimpulkan tipe dan ukuran anoda MMO tubular dari pabrikan SAP memadai dalam menyuplai arus yang dibutuhkan untuk memproteksi pipa dari ancaman korosi. 4.4 Tahanan Sirkuit DC Hambatan total sirkuit DC pada sistem proteksi katodik merupakan jumlah dari ketiga komponen berikut :

• Tahanan anoda terhadap backfill • Tahanan backfill (groundbed) dengan anoda (groundbed) terhadap tanah • Tahanan kabel DC

J = =

SAmin =

SAmin = = 0.069 m²


11

Ra = ρb 8La

2 π La da

ln - 1

Ra = 0.1 2 x π x 1 0.0254

ln - 1 8 x 1 = 0.092 ohm

Bagian-bagian berikut akan menunjukkan perhitungan dari masing-masing nilai resistansi di atas. 4.4.1. Tahanan anoda relatif terhadap backfill

Vertical deep well groundbed digunakan apabila tahanan jenis tanah pada permukaan sangat tinggi. Pada tipe ini digunakan casing dari baja untuk mencegah runtuhnya tanah galian. Sejumlah anoda diikatkan pada pipa PVC dan ditempatkan di dalam casing. Spasi yang tersisa antar anoda diisi dengan backfill, dalam hal ini digunakan calcined petroleum cokebreeze. Casing baja akan terkonsumsi apabila groundbed bekeja. Pipa yang mulai terserang korosi menjadikan anoda dan backfill aktif. Walaupun deep well groundbed mampu mendistribusikan arus dengan baik, akan tetapi biaya konstruksinya mahal karena perlu dilakukan pengeboran. Diperlukan perencanan yang hati-hati sebab kegagalan pada anoda tidak mudah diperbaiki. Biasanya diperlukan pengangkatan dan penggantian anoda dengan yang baru. Lubang diameter deep well groundbed minimal 8 inchi (20 cm). Penggunaan diameter yang lebih besar direkomendasikan untuk arus yang lebih tinggi. Meskipun diameter yang lebih kecil bisa digunakan, akan tetapi praktek perancangan dan pemasangannya memerlukan pengawasan yang ketat. Panjang kolom backfill merupakan variabel yang sensitif terhadap tahanan groundbed.

Tabel 4.5 Parameter Vertical Deep well Groundbed Parameter Dimensi Diameter groundbed 8.625 inchi = 0.219 m Inactive length 12 m Total active length 28 m Panjang keseluruhan groundbed 40 m

Active length merupakan bagian dari panjang groundbed yang diisi dengan backfill dimana juga terdapat delapan buah anoda pada masing-masing groundbed dengan jarak tertentu antar anoda yang seragam. Adapun spesifikasi dari backfill adalah sebagai berikut : Tipe : SAP calcined petroleum coke-breeze Aplikasi : untuk tanah Tahanan jenis : 10 Ohm-cm Ukuran butir : 0.25 – 1 mm Berat : 35 kg / kantong Komposisi kimia : % ash = 0.2 % volatile = 0.3 % fixed carbon = 99.2 Silikon = 170 ppm Besi = 85 ppm Rumus Dwight digunakan untuk memperkirakan nilai hambatan dari sebuah anoda tubular relatif terhadap backfill. ………. (3.15) dengan : Ra = tahanan anoda relatif terhadap backfill (Ohm) ρb = tahanan jenis backfill, 0.1 Ohm-m La = panjang anoda (m) da = diameter anoda (m)


12

fa =

2 La ln (0.656 Na)

- 1 8La

1 + Sa

ln da

fa =

2 x 1 ln (0.656 x 8)

- 1 8 x 1

1 + 2.74

ln 0.0254

= 1.210

Rb = ρs 8Lb

2 π Lb db

ln - 1

Rb = 9.964

2 π x 28 0.219 ln - 1 8 x 28 = 0.394 Ω

Rb = 5 2 π x 28 0.219

ln - 1 8 x 28 = 0.197 Ω

Karena pada groundbed terdapat lebih dari satu anoda yang terhubung secara paralel maka faktor interferensi (koefisien interaksi antar anoda) dapat dihitung dengan rumus berikut : ………… (3.16) Dengan : fa = faktor interferensi antar anoda dalam deep well groundbed La = panjang anoda (m) da = diameter anoda (m) Sa = jarak dari ujung ke ujung antara dua anoda yang berurutan (m) Na = jumlah anoda dalam deep well groundbed 4.4.2 Tahanan backfill relatif terhadap tanah Pada sistem proteksi katodik ini, backfill yang ditempatkan di sekitar anoda adalah coal coke breeze. Sebagaimana fungsi yang melekat pada backfill, terjadi perpindahan arus dari anode melalui tanah. Adapun spesifikasi dari backfill adalah sebagai berikut : Tahanan backfill dapat dihitung sesuai rumus Dwight berikut ini : ……… (3.17) Dengan : Rb = tahanan backfill relatif terhadap tanah (Ohm) ρs = tahanan jenis tanah (Ohm-m) Lb = panjang kolom backfill (active length dari

deepwell groundbed) db = diameter kolom backfill (m) Tahanan kolom backfill relatif terhadap tanah : Untuk area Gresik


13

Rgb = R a N a

f a + Rb

fgb =

2 Lb ln (0.656 Ngb)

- 1 8Lb

1 + Sgb

ln db

Rgbt = R gb N gb

f gb x

Tahanan keseluruhan dari deep well groundbed tunggal : ………………... (3.18) Dengan : Ra = tahanan anoda relatif terhadap backfill (Ohm) fa = faktor interferensi antar anoda Rb = tahanan kolom backfill relatif terhadap tanah

(Ohm) Na = jumlah anoda dalam kolom backfill Rgb = tahanan menyeluruh dari deep well

groundbed tunggal terhadap tanah Faktor interferensi yang timbul antara dua groundbed yang terhubung secara paralel dihitung dengan cara berikut : ………… (3.19) Dengan : fgb = faktor interferensi dari deep well groundbed Lb = panjang kolom backfill (m) da = diameter kolom backfill (m)

Sa = jarak dari ujung ke ujung antara dua anoda yang berurutan (m)

Ngb = jumlah deep well groundbed Tahanan total dari kedua deep well groundbed adalah : ……………….…. (3.20) Dengan : Rgb = tahanan menyeluruh dari deepwell groundbed

tunggal relatif terhadap tanah fgb = faktor interferensi dari deepwell groundbed Ngb = jumlah deepwell groundbed Rgbt = tahanan total dari deepwell groundbed relatif

terhadap tanah


14

Rgb = 0.092 X 1.210 + 0.394 = 0.408 Ohm

8

fgb =

2 x 28 ln (0.656 x 2)

- 1 8 x 28

1 + 126.67

ln 0.219

= 1.017

Rgbt = 0.408 x 2

1.017 = 0.207 ohm

Rgb = 0.092 X 1.210 + 0.197 = 0.211 Ohm

8 0.211

1 = 0.211 ohm Rgbt =

Dengan demikian tahanan tunggal dari deep well groundbed relatif terhadap tanah adalah : Maka total tahanan kolom backfill relatif terhadap tanah dari dua buah deep well groundbed yang ada di Lamongan adalah : Sedangkan untuk area Gresik yang hanya terdiri atas sebuah deep well groundbed, tahanan total groundbed terhadap tanah tidak terpengaruh oleh faktor interferensi 4.4.3 Tahanan Kabel DC

Kabel DC dengan insulasi NYFGbY digunakan baik sebagai kabel positif dan negatif. Susunan kabel terdiri atas sehelai konduktor tembaga yang diisolasi PVC dengan pelindung baja galvanis. Bagian paling luar kabel ditutup dengan PVC. Ukuran kabel adalah 2c x 16 mm². Kabel positif digunakan untuk menghubungkan transformer rectifier terhadap positive junction box. Di lapangan, positive junction box dapat dengan mudah ditemukan tepat di samping anoda groundbed. Masing-masing groundbed memiliki satu buah unit positive junction box. Sebaliknya kabel negatif dipakai untuk menghubungkan transformer rectifier menuju pipa yang hendak dilindungi. Jenis kabel lain berukuran 1c x 50 mm² dengan isolasi XLPE/PVC. Salah satu ujung anoda akan tersambung dengan kabel ini. Kabel dari tiap-tiap anoda dipasang secara langsung pada positive junction box, fungsinya mempermudah pengecekan arus keluaran anoda secara individual dari masing-masing groundbed. Oleh karena itu, pada sisi dalam unit positive junction box terdapat delapan deret kabel dari tiap-tiap anoda yang ditanam secara vertikal dalam groundbed.

Tabel 4.6 Parameter Kabel

No. Tipe Kabel Ukuran Kabel

Current Rating (Amp)

Hambatan Kabel pada

Temperatur 90˚C

(Ohm/meter) 1. NYY 1c x 50

mm² 145 *0.000493

2. NYFGbY 2c x 16 mm²

115 *0.001466 (masing-masing

inti)


15

= 0.014 Ohm

= = 0.062 Ohm

= = 0.160 Ohm

* Keterangan lebih lanjut dapat dilihat pada lampiran E dan H

Lc x Re N x c ………………………………………(3.21)

Dengan : Rcable = tahanan kabel (Ohm) Lc = panjang kabel (m) N = jumlah kabel yang diparalel Re = tahanan spesifik kabel (Ohm/m) C = jumlah inti kabel 4.4.4 Tahanan Kabel Anoda

Maksimal panjang kabel anoda yang menuju positive junction box sebesar 218.8 meter. Rincian dari masing-masing panjang kabel dapat dilihat pada lampiran. Maka, tahanan total kabel anoda dari masing-masing groundbed adalah :

218.8 x 0.000493 8 x 1

4.4.5 Tahanan Kabel dari PJB Menuju TR Kabel dari masing-masing positive junction box (PJB) menuju transformer rectifier (TR) diperkirakan sepanjang dua ratus meter. Akan tetapi, panjang sebenarnya baru dapat ditentukan setelah dilaksanakan survei tahap akhir.

150 x 0.001466 2 x 2

Untuk area Gresik

100 x 0.001466 1 x 2

Tahanan dari sirkuit kabel positif merupakan jumlah dari tahanan kabel anoda dan tahanan kabel dari PJB menuju TR. Karena terdapat dua unit PJB yang terpasang secara paralel, maka tahanan total dari kabel positif pada area Lamongan adalah :

Rtail + RPJB-TR 0.013 + 0.110 2 2

Sedangkan untuk area Gresik yang hanya memiliki sebuah PJB :

Rtail + RPJB-TR 0.013 + 0.147 1 1

Tahanan total sirkuit positif R pos = Rgbt + R kabel, pos ...…………………………..(3.23) = 0.207 + 0.062 = 0.269 Ohm Untuk area Gresik R pos = 0.211 + 0.160 = 0.371 Ohm

Rc =

Rtail =

R PJB-TR = = 0.110 Ohm

R kabel, pos =

R PJB-TR = = 0.147 Ohm

R kabel, pos =


16

4.4.6 Tahanan Total Sirkuit DC Tahanan total (tahanan loop) sirkuit keluaran DC harus dihitung agar dapat dipastikan besar tegangan keluaran DC yang diperlukan dari rectifier. Tahanan total merupakan jumlah tahanan sirkuit positif dan tahanan sirkuit negatif. Rt = Rpos + Rneg …………………………………………..(3.24) Sambungan kabel negatif menuju pipa menggunakan las thermit (cadweld) yang diletakkan dalam ruangan unit booster pump di Lamongan, dekat dengan lokasi rectifier. Panjang kabel negatif dari TR menuju pipa dapat diabaikan apabila dibandingkan terhadap panjang kabel positif. Oleh karena itu, tahanan total sirkuit DC adalah : Untuk area Lamongan Rt = Rpos = 0.269 Ohm Untuk area Gresik Rt = Rpos = 0.371 Ohm 4.5 Nilai Tegangan DC Transformer Rectifier Nilai tegangan DC total dari sumber tenaga untuk mencapai arus keluaran DC yang diperlukan pada sistem proteksi dihitung berdasar persamaan berikut : VDC = [ (It x Rt) x (1+SF3) ] + Bemf …………….…………..(3.25) Dengan : VDC = tegangan keluaran DC yang diperlukan (volt) It = arus total yang diperlukan (Ampere) Rt = tahanan total DC (Ohm) N = TR total yang digunakan Bemf = tegangan balik 2 V SF3 = faktor keamanan yang diijinkan pada rectifier,

20 % Untuk area Lamongan VDC = [ (110.509 x 0.269) x (1+0.2) ] + 2 = 37.686 V ≈ 48 V Untuk area Gresik VDC = [ (55.254 x 0.371) x (1+0.2) ] + 2 = 26.590 V ≈ 48 V Dengan mempertimbangkan kemungkinan terjadinya penurunan tegangan dan penambahan tahanan sirkuit di masa depan, maka transformer rectifier yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut: Untuk area Lamongan Tegangan keluaran DC : 48 Volt Arus keluaran DC : 120 Ampere Untuk area Gresik Tegangan keluaran DC : 48 Volt Arus keluaran DC : 100 Ampere


17

4.6 Daya AC Yang Diperlukan Untuk Transformer Rectifier Perhitungan di bawah ini digunakan untuk memperkirakan masukan suplai daya arus AC yang diperlukan oleh satu buah unit transformer rectifier 220 VAC, single phase, 50 Hz

IDC x VDC VAC x eff x √3 …………………………….(3.26)

Dengan : IAC = arus input AC VAC = tegangan input AC IDC = arus keluaran DC VDC = tegangan keluaran DC eff = efisiensi transformer rectifier Masukan arus AC maksimal

(120 x 48) (220 x 80 % x √3)

Kapasitas transformer rectifier pada sistem proteksi katodik ini adalah: PAC = IAC x EAC x √3 …………………………….……..(3.27) = 17.714 x 220 x √3 = 7.2 kVA Untuk area Gresik

(100 x 48) (220 x 80 % x √3)

PAC = IAC x EAC x √3 = 6.594 x 220 x √3 = 6 kVA 4.7 Transformer rectifier

Gambar 4.3 Transformer rectifier

Pada perancangan ulang diperlukan dua buah transformer rectifier yang ditempatkan pada lokasi booster pump, Lamongan dan area pabrik di Gresik. Rectifier ini menggunakan elemen penyearah dari silikon (silicon controlled rectifier) berpendingin minyak (oil cooled) yang dipasang di atas alas beton. Transformer rectifier dilengkapi dengan sensor over temperature device yang akan memutus masukan arus AC dalam kabinet rectifier apabila temperaturnya mencapai nilai yang tidak aman. Kabinet rectifier terbuat dari baja galvanis yang dicat bubuk epoxy.

IAC =

IAC = = 18.895 Ampere

IAC = = 15.746 Ampere

≈ 19 Ampere

≈ 16 Ampere


18

4.8 Positive junction box Positive junction box atau anode distribution box akan ditempatkan di luar ruangan pada daerah yang tidak berisiko di sekitar lubang beton deepwell groundbed. Penutup positive junction box terbuat dari GRP – Composite dengan tebal enam milimeter. Dimensi panjang, lebar, dan tinggi dari positive junction box kurang lebih 350 mm x 350 mm x 200 mm dan dilengkapi sebuah bus bar tembaga.

Gambar 4.4 Bagian dalam positive junction box

Peralatan ini digunakan untuk mengakhiri masing-masing ujung kabel anoda agar dapat disatukan menjadi satu kabel sebelum dihubungkan dengan kutub positif transformer rectifier. Pada gambar di atas terdapat enam terminal kabel dari masing-masing anoda dengan luas penampang kabel 50 mm2. Tujuan penggunaan dari kotak ini adalah menyediakan fasilitas untuk memeriksa arus keluaran dari masing-masing anoda menggunakan ammeter clamp, sehingga dapat dideteksi apabila ada salah satu anoda yang tidak bekerja.

Gambar 4.5 Pemeriksaan arus keluaran dari anoda Positive junction box akan dipasang pada suatu penyangga baja. Penyangga ini ditempelkan pada alas beton supaya tidak mudah roboh di dekat (biasanya persis di sebelah) lubang beton anoda groundbed.

Gambar 4.6 Positive junction box dan deepwell groundbed

Positive Junction Box

Anoda Ground bed

Positive junction box


19

Gambar 4.7 Test point

4.9 Test point


20


21

1545-ssulistijono-mat-eng-8.contoh desain iccp doc

Documents