Perlindungan Katod untuk perlindungan keluli kapal.

Disiar dalam majalah Dewan Kosmik Julai 2010

Perlindungan Katod untuk perlindungan keluli kapal.

Kapal adalah pengankutan klasik yang kekal hingga hari ini sama ada dibina menggunakan kayu, fiber atau keluli. Kakisan atau karat adalah musuh utama bagi kejuruteraan pembinaan kapal malah baik dari aspek penyelesaian penggantian penggunaan besi tempa yang berkarbon tinggi kepada keluli tahan karat dan besi karbon biasa perlitik, ataupun perlindungan karatan melalui pelbagai teknik lain.

Persoalan yang bermain diminta jurutera kapal untuk menetukan jenis perlindungan yang sesuai antaranya ialah apakah bentuk metod pelrindungan yang sesuai. Apakah metos yang paling menjimatkan pengeluar serta efisyen untuk kegunaan jangka panjang? JIka pengecatan diperlukan, apakah jenis cat, gred dan piawaian cat yang ingin digunakan? Jika menggunakan perlindungan jenis anod terkorban, berapa banyakkah anod yang ingin dipasang dan apakah bahan yang paling optimum digunakan.

Kakisan adalah satu gejala pengurangan gred sesuatu bahan secara semulajadi sama ada dengan faktor sekitar atau faktor teknikal yang disebabkan oleh manusia. Salah satu contoh kakisan yang utama di dalam dunia adalah karatan. Selaunya dalam kejuruteraan kakisan, istilah kakisan (corrosion) selalunya disamaertikan dengan karatan (rusting). Jadi dalam makalah ini istilah kakisan akan merujuk kepada karat sepertimana tanggapan umum. Kakisan adalah satu proses elektrokimia yang melibatkan arus elektrik sama ada dalam skala yang besar mahupun mikro. Perubahan logam apabila karat adalah melibatkan proses anodik iaitu proses pengurangan gred bahan yang tulen dan elok kepada bentuk bergred rendah iaitu logam karat melalui persamaan umum di bawah;

M → M⁺ + e-

Fe → Fe2⁺ + 2e-

Proses ini menghasilkan elektron bebas yang keluar darioada komposisi logam menuju ke permukaan logam yang menerima proses katodik. Jika ada dua logam yang didekatkan, kakisan hanya berlaku pada logam yang memiliki ciri elektronegatifan tinggi di mana logam tersebut lebih reaktif dan mudah mengeluarkan elektron. Katod pula adalah loga yang lebih stabil kerana menerima elektron daripada logam anod, dan ia telah terselamat daripada kakisan.

Daripada teori umum inilah muncul satu kaedah mengelakkan kakisan melalui perlindungan katodik iaitu menjadikan mana-mana bahagian yang ingin diselamatkan sebagai katod. Jika dalam sistem marin tentulah bahagian badan kapal akan diutamakan untuk diselamatkan daripada kakisan air laut. Maka bahagian ini perlu dijelmakan menjadi katod manakala bahagian tertentu pula dijadikan anod. Untuk mengelakkan seluruh bahagian kapal menajdi mangsa karat, maka anod diambil daripada bahan tambahan yang dipasang pada badan kapal untuk dikorbankan menjadi karat. Anod selalunya dipilih daripada bahan zink dan magnesium kerana lebih reaktif berbanding keluli kapal yang selalnya memiliki spesifikasi besi karbon biasa pearlitik dengan sedikit bahagian dengan besi tahan karat austenitik. Anod yang dipasang itu akan menderma elektron kepada badan kapal untuk menjadikan badan kapal, malah seluruh struktur kapal sebagai katod.

Pertama kali teknik perlindungan katod digunakan adalah pada sekitar tahun 1820an oleh Sir Humphrey Davy . Davy mengkaji bagaimana cara untuk menyelamatkan kuprum daripada karat. Apabila disambungkan dawai dengan zink yang lebih reaktif daripada kuprum ternyata kuprum tidak terkarat. Maka terciptalah sistem selamatkan logam iaitu perlindungan katod.

Pada 1936 Pertubuhan Perlindungan Katod Benua Tengah telah dibentuk untuk membincang dan memperhalusi teknik perlindungan katod ini. Pertubuhan ini kemudiannya menjadi ‘National Association of Corrosion Engineers’. Pada 1939 pula teknik ini digunakan untuk menyelamatkan paip-paip gas dan minyak di Bahrain.

Kerugian negara maju seperti Amerika Syarikat akibat karat dalam bidang perkapalan dan marin adalah dianggarkan sebanyak $2.7 billion setahun .Kos penyelenggaran dan pembaiki semula dianggarkan $0.8 billion setahun da jumlah ini kian bertambah dari tahun ke tahun.

Pembangunan pesat dalam sistem perlindungan katod ini dilakukan oleh pihak Amerika Syarikat untuk menyelamatkan pelantar minyak, sistem perpaipan serta dinding kapal. Menjelang perang dunia kedua, Amerika banyak mengaplikasikan sistem ini untuk memastikan keselamatan tentera marinnya. Kini piawaian yang digunakan untuk sistem perlindungan katod sebgai contoh adalah piawaian BS 7361 Bahagian 1 1991 'Perlindungan Katod bahagian 1 – Kod untuk aplikasi tanah dan marin' Institut Piawaian British, U.K.

Terdapat dua kaedah untuk menyelamatkan badan kapal melalui perlindungan katod ini iaitu melalui impressed current chatodic protection (ICCP) atau melalui kaedah sacrificial anodes atau pun anod terkorban melalui prinsip galvani.

Teknik ICCP

Sumber tenaga elektrik DC (arus terus) digunakan untuk mengeluarkan elektron. Hal ini mengantikan peranan anod untuk menderma elektron kepada bahagian yang ingin kita lindungi. Sumber elektrik tersebut akan disambung dengan menghubungkan katodnya kepada bahagian badan kapal, manakala anodnya disalurkan kepada bahan tertentu untuk menerima ion positif da bukannya untuk dijadikan korban kakisan.

Antara kompenen penting sistem ini ialah ;

i) Anod lengai yang tidak reaktif

ii) Sumber tenaga elektrik DC.

iii) Kurang rintangan antara anod dengan badan kapal.

Bahan-bahan yang sesuai untuk digunakan sebagai anod tidak terguna (non-consumable anodes) atau anod lengai untuk sistem ICCP ini perlulah memiliki ciri berikut iaitu;

a. tahap pengaliran elektrik yang baik.

b. Kadar karatan yang rendah. Tidak sesuai menggunakan magnesium dan zink kerana tidak ekonomi dan perlu kerap ditukar akibat kakisan padanya.

c. Ciri mekanikal yang baik iaitu tahan tegasan dan tekanan yang dikenakan padanya.

d. Mudah dibentuk untuk disesuaikan dengan kondisi badan kapal.

e. Rendah kos penyelenggaraan.

f. mampu menahan arus elektrik tinggi yang berterusan tanpa menerbitkan lapisan oksida pada permukaannya.

Anod pada sistem ICCP adalah berbentuk tiub dan rod solid. Bahan yang sesuai digunakan sebagai anod tidak terguna ialah bahan magnetik iaitu logam dengan struktur BCC ( kubus berpusat badan) , bahan berkorban seperti grafit, besi tinggi silikon(14-18% Si), Plumbum oksida, Aloi Plumbum, bahan logam plat seperti tantalum, niobium, titanium).

Contoh anod yang digunakan dalam perlindungan katod jenis ICCP untuk kapal.

Rajah dibawah menunjukkan contoh penggunaan kaedah ICCP untuk mengelak karatan pada tangki atau paip bawah tanah.

Arus terus dipasang dan disebarkan kepada badan kapal seluruhnya. Anod tidak terguna disambung kepada hujung positif manakala badan kapal disambung dengan hujung negatif untuk dijadikan katod. Sistem ICCP akan mengawal jumlah elektrik yang dugunakan agar tida melampau dan merosakkan bahan lain dalam struktur kapal dan menghasilkan pelrindunga karat yang lebih optimum. Sebenarnya sistem ICCP adalah sistem sekunder yang bersifat kecemasan. Kapal selalunya akan dicat dengan cat anti karat. Cat akan berfungsi sebagai penghalang keluli daripada bersentuhan dengan air laut yang kaya dengan natrium klorida serta mempasifkan permukaan keluli. Apabila cat tercalar, terhakis atau terkupas, barulah sistem ICCP akan mengedarkan arus elektrik ke seluruh kapal dan bahan anod.

Perlindungan melalui anod terkorban

Kaedah kedua untuk perlindungan katod adalah menggunakan teknik anod terkorban. Antara perkara penting dalam sistem ini ialah keperluan menyediakan

i) bahan anod terkorban.

ii) Pematerian berterusan kepada struktur yang ingin dilindungi atau terdapat penghubung konduktor antara anod dengan bahan yang ingin dilundungi.

iii) Tiada halangan penebat antara badan kapal dengan anod tersebut.

Metod ini menghendaki kita memilih bahan yang lebih reaktif untuk mengeluarkan elektron. Selalunya zink, aluminium dan magnesium digunakan kerana mampu mengelurakan elektron dalam keadaan berair.

Sebagai misalan Zink telah digunakan sebagai anod terkorbanuntuk perlindunga katod bahan-bahan marin sejak tahun 1824 lagi. Anod zink moden selalunya memiliki kandungan zink (99.99%) dialoikan dengan aluminium kadmium bersama beberapa bahan terhad seperti plumbum, besi kuprum. Reaksi kimia yang berlaku apabila anod ini dipasang pada kapal ialah;

Zn----------> Zn2⁺ + 2e-

Manakala pada keluli badan kapal pula;

Fe2+ + 2e- ---------> Fe (katod)

Contoh perlindungan katod jenis anod terkorban yang menggunakan zink.

Perlindungan katod jenis anod terkorban selalunya dipasang pada hujung belakang kapal kerana kakisan cat pada kapal kerap berlaku. Hal ini disebabkan putaran ombak kuat akibat pusingan kipas kapal yang berterusan. Di sinilah anod berperanan menggantikan cat untuk melindungi belakang kapal daripada terus berkarat. Propeler (kipas) kapal yang kerap menggunakan bahan bukan besi seperti kandungan kuprum yang tinggi menyebabkan kipas menjadi lebih katod berbanding hujung belakang badan kapal. Maka anod akan menyeimbangkan kecenderungan karat agar menumpu kepada anod terkorban yang dipasang tersebut.

Contoh satu set perlindungan katod jenis ICCP

Kelebihan penggunaan Perlindungan Katod berbanding teknik biasa seperti cat dan penggalvanian

Kelebihan utama menggunakan teknik perlindungan katod ialah ia boleh dipercayai untuk melindungi badan kapal secara terus menerus sama ada menggunakan anod terkorban mahupun ICCP. Ia juga meyakinkan jika cat pada kapal terguris atau calar.

Sistem ICCP dipilih juga kerana mampu melindungi kapasiti yang luas dan besar kerana para meter yang perlu diubah semasa mengubah saiz badan kapal hanyalah kapasiti aeus elektrik yang digunakan tanpa mengubah kedudukan anod dan pendawaian yang lain.

Dalam praktikal kejuruteraan marin, perlindungan ini juga menyakinkan untuk struktur marin yang tenggelam di dalam air masin yang cukup mudah menghasilkan karatan retak natrium.

Rekabentuk untuk sistem perlindungan yang moden memerlukan jurutera mengambil kira keperluan arus yang digunakan mengikut kapasiti kapal dan spessifikasi keluli badan kapal tersebut, kekuatan anod untuk menahan pembumian arus, kuantiti anod yang digunakan serta kedudukan yang paling sesuai untuk dipasang, pemeriksaan dan penyelenggaraan yang diperlukan.

Menurut James B. Bushman daripada Konsultan Kejuruteraan di Ohio Amerika Syarikat dalam tulisannya Rekabentuk Perlindungan Katod ICCP, terdapat juga kelemahan dan kekurangan jika menggunakan sistem perlindungan katod ini. Antaranya ialah penggunaan cas elektron secara melampau boleh mempercepatkan karatan pada struktur kapal yang mengandungi plumbum dan aluminum kerana persekitaran beralkali tercipta pada bahagian katod. Keadaan beralkali ini boleh menghakis sesetengah cat pada badan kapal. Evolusi hidrogen pada permukaan keluli yang berkekuatan tinggi boleh menyebabkab kerapuhan hidrogen yang semesstinya mengurangkan kekuatan keluli kapal. Kegagalan katastrofik (catastrophic) juhga boleh terjadi. Dari segi penyelenggaraan, ICCP kerap mengalami masalah kerosakan suis dan fius yang menyebabkan ketidakkawalan arus yang terlepas ke badan kapal. Serakan ion posistif juga kerap tersesat serta mengenai struktur kapal yang ingin dilindungi dan ia menyebabkan karatan boleh berlaku (stray current corrosion).

Namun begitu penyelesaian karatan pada kapal hanya mampu diselesaikan secara menyeluruh jika jurutera berjaya mengadunkan teknik pengecatan, penggalvanian, ICCP, anod terkorban serta penggunaan bahan keluli yang sesuai dengan kapasiti dan suhu perlayaran kapal tersebut. Walau apapun, bidang kejuruteraan kapal ini adalah satu bidang yang amat luas, malah kian berkemabang apabila dimajukan melalui perkongsian pintar antara negara maju dan negara membangun yang memiliki jenis air laut dan iklim yang berbeza.

Muhammad Nuruddin Bashah

nota: sila email saya untuk dapatkan edisi yang lengkap gambarajah