PENGARUH VARIASI JARAK DAN SUDUT KONTAK SADDLE TERHADAP DISTRIBUSI TEGANGAN PADA BEJANA TEKAN HORIZONTAL

Transkripsi

1 ISSN : Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo PENGARUH VARIASI JARAK DAN SUDUT KONTAK SADDLE TERHADAP DISTRIBUSI TEGANGAN PADA BEJANA TEKAN HORIZONTAL Arief Mardiyanto, S. T., M.B.A.1), Dr. Rachmat A. Sriwijaya, S.T., M.T.2), dan Ir. JokoWaluyo, M.T., Ph.D.3) 1Fakultas Teknik, Universitas Gajah Mada, Yogyakarta (penulis 1) arif_surip@yahoo.co.id 2Fakultas Teknik, Universitas Gajah Mada, Yogyakarta (penulis 2) sriwijaya@gadjahmada.edu 3Fakultas Teknik, Universitas Gajah Mada, Yogyakarta (penulis3) jokowaluyo@ugm.ac.id Abstrak Peralatan mekanikal yang berupa bejana tekan horizontal banyak digunakan dalam proses produksi di industri minyak bumi, gas bumi, petrochemical, semen, dan pembangkit listrik. Prosedur disain bejana tekan horizontal untuk pressurized part yaitu shell dan head telah diatur dalam code ASME section VIII. Namun demikian, code ASME section VIII tersebut belum mengatur prosedur disain untuk non-pressurized part seperti saddle yang merupakan bagian tidak terpisahkan dari pressurized part. Kumar dkk. (2014) mempelajari distribusi tegangan pada bejana tekan horizontal dengan pendekatan matematika dan finite element analysis (FEA). Namun, penelitian tersebut tidak mempertimbangkan adanya pengaruh variasi jarak antara saddle dan sudut kontak antara saddle dengan shell terhadap distribusi tegangan bejana tekan. Penelitian saat ini bertujuan untuk mempelajari dua hal, yaitu pengaruh variasi jarak antar saddle, dan pengaruh sudut kontak antara saddle dengan shell terhadap distribusi tegangan pada bejana tekan horizontal. Metode finite element analysis (FEA) dengan software Abaqus dan pemodelan 3D menggunakan software Inventor digunakan dalam penelitian ini. Hasil penelitian ini dibandingkan capaian oleh Kumar dkk. Hasil penelitian ini menunjukkan dua hal penting yaitu: jarak antar saddle, dan sudut kontak antara saddle dengan shell berpengaruh terhadap distribusi tegangan dan besarnya nilai tegangan maksimum yang terjadi pada bejana tekan horizontal. Capaian penelitian ini sangat bermanfaat dalam meningkatkan keamanan disain bejana tekan horizontal. Kata kunci: bejana tekan horizontal, saddle, shell, finite element analysis. A. PENDAHULUAN Peralatan mekanikal yang digunakan dalam proses produksi di industri minyak dan gas bumi, petrochemical, semen, serta pembangkit listrik, terbagi menjadi peralatan rotating dan static. Peralatan static adalah peralatan mekanikal yang tidak digerakkan dengan motor, seperti bejana tekan, tangki, sistem perpipaan, heat exchanger, dll. Kehandalan peralatan static sangat diperlukan untuk mencegah terjadinya kegagalan pada peralatan itu sendiri maupun sistem dimana peralatan tersebut berada. Bejana tekan adalah wadah tertutup yang dirancang dapat menahan tekanan internal maupun eksternal, dimana temperatur fluida yang terdapat dalam bejana tekan berbeda dengan temperatur lingkungan. Komponen bejana tekan terbagi menjadi dua, yaitu pressurized parts (shell, head serta nozzle) dan non pressurized parts (lug, skirt, serta saddle). Berdasarkan posisi dari shell yang berbentuk silinder berongga, bejana tekan dapat dikategorikan menjadi bejana tekan horisontal dan vertikal. Perancangan bejana tekan horisontal harus mempertimbangkan tegangan yang terjadi pada dinding shell, head, dan nozzle, serta tegangan yang terjadi pada saddle sebagai penumpu bejana tekan horisontal. 29

2 5 Mei 2018 ISSN : Peningkatan Kualitas Sumber Daya Manusia (SDM) Melalui Revitalisasi Pendidikan VOKASI-KEJURUAN Prosedur desain bejana tekan horisontal sudah tertulis pada code ASME section VIII division 1 dan division 2, tetapi tidak spesifik dalam menyebutkan aturan desain untuk saddle bejana tekan horisontal. Saddle ini memiliki peran penting dalam menjaga keamanan dan kehandalan bejana takan horisontal pada saat beroperasi. Kajian dan penelitian yang mempelajari tegangan pada bejana tekan horisontal dengan variasi geometri saddle sudah banyak dilakukan, namun hasil penelitian menunjukkan perbedaan aturan desain saddle bejana tekan horisontal. Zick (1951) menganalisa tegangan pada bejana tekan horisontal dengan 2 buah saddle, baik secara eksperimen maupun analitikal yang mengikuti hasil penelitian Hartenberg dkk (1941). Hasil Penelitian Zick memperlihatkan rumusan perhitungan tegangan pada bejana tekan horisontal yang ditumpu oleh 2 buah saddle dengan variasi jarak saddle. El-Abbasi dkk (2001) mempelajari besarnya tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan variasi dimensi bejana tekan horisontal (radius, lebar, dan jarak saddle serta panjang wear plate) dengan metode three-dimensional finite element analysis (FEA) dan asumsi thick shell element. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pertambahan radius saddle sebesar 1% sampai 2% dapat menurunkan tegangan sampai sebesar 50%. Penambahan panjang wear plate sebesar 5-10 o dapat menurunkan tegangan sebesar 25-40%. Lebar saddle optimal didapatkan sebesar 1-2 meter dan jarak saddle optimal berkisar pada rasio jarak saddle dari tangent line dengan panjang shell (Lo/Lp) sama dengan 0,1 sampai 0, 15. Simulasi FEA juga dilakukan oleh Magnucki dkk (2003) dengan variasi geometri dan asumsi thin-walled bejana tekan silinder horisontal untuk mempelajari konsentrasi tegangan minimum. Hasil penelitian memperlihatkan rasio jarak saddle dengan panjang bejana tekan (s/l) yang optimal sebesar 14/15 (0,933), dimana posisi saddle lebih mendekati garis tengah dari bejana tekan horisontal. Hal ini dilakukan untuk mengurangi bending momen pada penampang tengah bejana tekan horisontal. Khan (2010) melakukan FEA dengan software ANSYS versi 11 untuk mempelajari distribusi tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal. Hasil penelitian menunjukkan bahwa area dengan tegangan maksimum terjadi di antara shell dengan ujung atas dari saddle, lebih tepatnya adalah wear plate. Nilai rasio jarak saddle dengan panjang bejana tekan horisontal (A/L) yang memberikan tegangan minimum pada bejana tekan dan saddle sama dengan 0,25. Adithya dan Patnaik (2013) mempelajari jarak optimal saddle dari tangent line dan pengaruh penggunaan stiffener ring dengan metode FEA (software ANSYS) pada bejana tekan horisontal dengan temperatur operasi 344 o C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jarak optimal saddle dari head tangent line baik yang menggunakan atau tanpa stiffener rings adalah kurang dari 0,25 kali panjang bejana tekan horisontal. Kumar dkk (2014) menghitung tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan dua metode, yaitu metode pendekatan matematika dan metode FEA (dengan software ANSYS). Hasil penelitian memperlihatkan bahwa daerah terjadinya tegangan maksimum adalah daerah antara shell dan saddle, dimana nilai tegangan hasil perhitungan dengan simulasi FEA lebih kecil dari pendekatan matematika. Oleh karenanya, diperlukan penelitian lebih lanjut tentang desain saddle bejana tekan horisontal untuk mendapatkan desain saddle yang optimal. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui distribusi tegangan (terutama nilai dan lokasi tegangan maksimum) yang terjadi pada saddle dan bejana tekan horisontal secara keseluruhan dengan variasi jarak saddle serta sudut kontak antara saddle dengan shell. 30

3 ISSN : Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo B. METODE Pada dasarnya tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal secara keseluruhan diakibatkan oleh tekanan internal, temperatur fluida yang bekerja di dalam bejana tekan, tekanan eksternal (seperti angin, gempa, salju, dll), berat keseluruhan bejana tekan dan tegangan akibat beban dari sistem perpipaan yang ada. Penelitian kali ini lebih fokus pada tegangan yang disebabkan oleh tekanan internal dan berat keseluruhan pada saat bejana tekan beroperasi, karena kedua hal ini merupakan faktor utama yang dapat menyebabkan tegangan maksimum yang terjadi pada bejana tekan horisontal. Penelitian ini juga menvariasikan dua variabel, yaitu jarak saddle (terlihat dari rasio A/L) dan sudut kontak antara saddle dengan shell (θ). Penelitian ini dimulai dengan identifikasi masalah pada perancangan bejana tekan horisontal, seperti yang disebutkan dalam sub bab sebelumnya bahwa selama ini belum ada aturan pasti dalam desain saddle bejana tekan horisontal terutama untuk penentuan variabel jarak dan sudut kontak saddle yang optimal. Langkah kedua penelitian kali ini adalah studi literatur terutama dari hasil penelitian sebelumnya. Penelitian ini melanjutkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Kumar dkk (2014) dengan metode FEA. Penelitian Kumar dkk menggunakan metode pendekatan matematika dan metode FEA dengan bantuan software Ansys, sedangkan dalam penelitian kali ini menggunakan metode FEA dengan software Abaqus. Pemodelan 3D penelitian ini menggunakan software Inventor dengan data yang sama dari penelitian Kumar dkk (dapat dilihat pada tabel 1). Tahapan selanjutnya adalah melakukan perbandingan hasil peneltian ini dengan penelitian yang dilakukan oleh Kumar dkk, dimana dalam penelitian Kumar dkk hanya menggunakan jarak saddle (A) sama dengan 203,2 mm atau dengan rasio A/L = 0,13 dan sudut kontak (θ) = 120 o. Langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi FEA dengan variasi jarak saddle dan sudut kontak untuk mempelajari distrubisi tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal secara keseluruhan. Variasi jarak saddle dapat dilihat dari rasio A/L, dimana dalam penelitian ini diambil rasio A/L sama dengan 0,13, 0,20, 0,25, dan 0,30, sedangkan variasi sudut kontak yang diambil adalah 120 o, 140 o, 160 o, dan 180 o. Dengan melakukan variasi terhadap 2 variabel tersebut diharapkan mendapatkan desain saddle yang optimal, karena kedua variabel tersebut merupakan faktor utama yang harus diperhatikan dalam desain saddle bejana tekan horisonmtal. Tabel 1. Dimensi bejana tekan horisontal No Deskripsi Nilai Satuan No Deskripsi Nilai Satuan 1 Vessel mean radius (Rm) mm 12 Rib thickness 16 mm 2 Panjang vessel (T/T) 1520 mm 13 Base plate thickness 16 mm 3 Jarak saddle dari tangent line (A) mm 14 Web thickness 16 mm 4 Lebar saddle (b) 176 mm 15 Tipe dari shell Cylindrical 5 Sudut kontak saddle (θ) 120 deg. 16 Tipe dari head Hemisperical 6 Tinggi saddle dari center line shell 716 mm 17 Tekanan internal 0.82 MPa 7 Inside depth of head (H) mm 18 Material shell, head, dan saddle SA 516 Gr.70 8 Tegangan ijin material shell 138 MPa 19 Modulus of elasticity 192 GPa 9 Tegangan ijin material head 138 MPa 20 Yield strength (σ y ) 260 MPa 10 Circ. Efficiency in plane of saddle (E) 1-21 Massa jenis material 7750 kg/m 3 11 Circ. Efficiency in plane at midspan (E) 1-22 Poisson ratio

4 Tegangan longitudinal (MPa) 5 Mei 2018 ISSN : Peningkatan Kualitas Sumber Daya Manusia (SDM) Melalui Revitalisasi Pendidikan VOKASI-KEJURUAN C. HASIL DAN PEMBAHASAN Bagian ini memberikan penjelasan tentang hasil simulasi FEA pada bejana tekan horisontal dengan variasi jarak saddle dan sudut kontak anatara saddle dengan shell, namun yang pertama kali disajikan adalah hasil perbandingan tegangan longitudinal yang terjadi pada saat bejana tekan horisontal beroperasi. Tabel 2 dan gambar 1 memperlihatkan perbandingan nilai tegangan longitudinal hasil metode analitikal, Ansys, dan Abaqus untuk 4 titik hitung. Titik hitung 1 merupakan tegangan longitudinal pada sisi tengah atas bejana tekan horisontal, titik hitung 2 merupakan tegangan longitudinal pada sisi tengah bawah bejana tekan horisontal, titik hitung 3 merupakan tegangan longitudinal pada sisi atas bejana tekan horisontal yang tepat di tengah saddle, dan titik hitung 4 merupakan tegangan longitudinal pada sisi bawah bejana tekan horisontal yang tepat di tengah saddle. Tabel 2. Perbandingan nilai tegangan longitudinal pada beberapa titik hitung dari hasil analitikal, Ansys, dan Abaqus Tegangan Hasil Hasil Hasil Titik ijin No. analitikal Ansys Abaqus hitung material MPa MPa MPa MPa 1 σ σ σ σ Titik hitung Hasil Analitikal Hasil ANSYS Hasil ABAQUS Gambar 1. Perbandingan nilai tegangan longitudinal pada beberapa titik hitung dari hasil analitikal, Ansys, dan Abaqus Gambar 1 memperlihatkan bahwa perhitungan tegangan longitudinal yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan tekanan internal sebesar 0,824 MPa dan gaya gravitasi arah Y dari hasil metode analitikal, metode FEA dengan software Ansys maupun Abaqus saling berdekatan atau berhimpitan pada kisaran nilai 10 MPa sampai 13 MPa. Metode FEA dengan software Abaqus memberikan hasil perhitungan tegangan longitudinal yang lebih mendekati 32

5 Tegangan Von-Mises (MPa) Tegangan von Mises Max. (MPa) ISSN : Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo hasil perhitungan dengan metode analitikal, apabila dibandingakan dengan software Ansys. Walaupun dari ketiga hasil perhitungan masih berada jauh di bawah tegangan ijin material yang digunakan, dimana tegangan ijin material yang dimaksud adalah sebesar 138 MPa. 28, , ,000 27, , , , ,000 26, Rasio A/L Gambar 2. Tegangan von Mises maksimum dengan rasio A/L Gambar 2 dan 3 memperlihatkan tegangan von Mises yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan variasi jarak saddle yang terlihat dari rasio A/L. Gambar 2 memperlihatkan bahwa dengan rasio A/L = 0,25 memberikan tegangan von Mises maksimum terkecil, yaitu sebesar 26,89 MPa. Hal iini menunjukkan bahwa untuk desain bejana tekan horisontal yang sesuai dengan data pada tabel 1 jarak optimal saddle adalah sebesar 380 mm dari tangent line (A/L = 0,25). Hasil penelitian ini sesuai dengan hail penelitian Khan (2010). Gambar 3 menunjukkan tegangan von Mises yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan peningkatan tekanan internal secara bertahap. Pada awal terkena tekanan internal (tekanan internal sebesar 0,08 dan 0,16 MPa) tegangan von Mises yang terjadi untuk rasio A/L = 0,25 memberikan tegangan von Mises yang lebih tinggi dari rasio A/L yang lain, tetapi untuk tekanan internal selanjutnya tegangan von Mises yang terjadi pada rasio A/L = 0,25 lebih kecil. Hal ini menunjukkan bahwa pada awal bejana tekan horisontal beroperasi, berat keseluruhan dari bejana tekan horisontal lebih berpengaruh terhadap tegangan yang terjadi pada bejana tekan Tekanan internal (MPa) A/L = 0.13 A/L = 0.20 A/L = 0.25 A/L = 0.30 Gambar 3. Tegangan von Mises dengan dengan variasi jarak saddle 33

6 Tegangan von Mises (MPa) Tegangan von Mises max. (MPa) 5 Mei 2018 ISSN : Peningkatan Kualitas Sumber Daya Manusia (SDM) Melalui Revitalisasi Pendidikan VOKASI-KEJURUAN Gambar 4 dan 5 memperlihatkan tegangan von Mises yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan variasi sudut kontak dan peningkatan tekanan internal secara bertahap. Gambar 4 menunjukkan bahwa dengan sudut kontak (θ) yang lebih besar dari 120 o maka terjadi peningkatan tegangan von Mises maksimum. Hal tersebut terlihat jelas dengan sudut kontak sebesar 180 o menimbulkan tegangan von Mises maksimum sebesar 33,9 MPa yang jauh diatas tegangan von Mises maksimum yang ditimbulkan dengan sudut kontak sebesar 120 o (28,3 MPa), maupun dengan sudut kotak sebesar 140 o (30,22 MPa), dan 160 o (31,58 MPa). Gambaran ini menunjukkan bahwa desain bejana tekan horisontal yang ada (sesuai tabel 1) dengan penambahan sudut kontak (θ) memberikan peningkatan konsentrasi tegangan pada daerah antara saddle dengan shell, sehingga tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal tersebut menjadi lebih besar. Gambar 5 memperlihatkan bahwa dengan peningkatan tekanan internal secara bertahap memberikan efek peningkatan tegangan von Mises pada bejana tekan horisontal yang bertahap juga terhadap variasi sudut kontak (θ) dengan rasio A/L yang sama, yaitu sebesar 0, Sudut kontak (degree) Gambar 4. Tegangan von Mises maksimum dengan sudut kontak (θ) Tekanan internal (MPa) 120 deg. 140 deg. 160 deg. 180 deg. Gambar 5. Tegangan von Mises dengan variasi sudut kontak (θ) 34

7 ISSN : Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo Gambar 6 sampai gambar 9 memperlihatkan distribusi tegangan von Mises yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan sudut kontak (θ) sebesar 120 o dan variasi rasio A/L mulai dari 0,13, 0,20, 0,25, dan 0,30. Gambar 6 dengan θ =120 o dan rasio A/L = 0,13 memperlihatkan ditribusi tegangan von Mises yang terjadi pada bejana tekan horisontal, dimana posisi tegangan von Mises maksimum terjadi pada daerah ujung saddle dengan shell bejana tekan atau lebih tepatnya terjadi pada ujung wear plate. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian Khan (2010) dan menunjukkan bahwa daerah tersebut merupakan daerah kritis yang harus menjadi perhatian pada saat bejana tekan horisontal beroperasi atau pada waktu dilakukan inspeksi. Gambar 7, 8, dan 9 juga memperlihatkan hal yang sama dengan gambar 6, dimana tegangan von Mises maksimum terjadi pada ujung wear plate dari saddle bejana tekan horisontal. Gambar 6. Distribusi tegangan von Mises dengan θ = 120 o dan A/L = 0,13 Gambar 7. Distribusi tegangan von Mises dengan θ = 120 o dan A/L = 0,20 35

8 5 Mei 2018 ISSN : Peningkatan Kualitas Sumber Daya Manusia (SDM) Melalui Revitalisasi Pendidikan VOKASI-KEJURUAN Gambar 8. Distribusi tegangan von Mises dengan θ = 120 o dan A/L = 0,25 Gambar 9. Distribusi tegangan von Mises dengan θ = 120 o dan A/L = 0,30 Gambar 10, 11, dan 12 memperlihatkan distribusi tegangan von Mises yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan rasio A/L = 0,13 dan variasi sudut kontak (θ) mulai dari 140 o, 160 o, dan 180 o. Gambar-gambar tersebut menunjukkan bahwa tegangan von Mises maksimum terjadi pada daerah ujung saddle dengan shell bejana tekan atau lebih tepatnya terjadi pada ujung wear plate. 36

9 ISSN : Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo Gambar 10. Distribusi tegangan von Mises dengan θ = 140 o dan A/L = 0,13 Gambar 11. Distribusi tegangan von Mises dengan θ = 160 o dan A/L = 0,13 Gambar 12. Distribusi tegangan von Mises dengan θ = 180 o dan A/L = 0,13 37

10 5 Mei 2018 ISSN : Peningkatan Kualitas Sumber Daya Manusia (SDM) Melalui Revitalisasi Pendidikan VOKASI-KEJURUAN D. KESIMPULAN Dari hasil dan pembahan diatas dapat diambil simpulan sebagai hasil penelitian yang mempelajari tentang distribusi tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal dengan variasi jarak saddle dan sudut kontak adalah; 1. Perbandingan nilai tegangan longitudinal pada beberapa titik hitung dari hasil analitikal, Ansys, maupun Abaqus menunjukkan bahwa hasil perhitungan tegangan longitudinal dengan metode FEA software Abaqus lebih mendekati perhitungan tegangan longitudinal dengan metode analitikal daripada metode FEA software Ansys. 2. Nilai tegangan von Mises maksimum untuk A/L = 0,13 dan θ = 120 o adalah sebesar 28,3 MPa dengan lokasi berada pada ujung wear plate dari saddle bejana tekan horisontal. Nilai tegangan von Mises maksimum untuk θ = 120 o dan A/L = 0,20, 0,25, dan 0,30 adalah 27,44 MPa, 26,89 MPa, dan 27,08 MPa dengan lokasi yang sama dengan konfigurasi A/L = 0,13 dan θ = 120 o. 3. Nilai tegangan von Mises maksimum untuk A/L = 0,13 dan θ = 140 o, 160 o, dan 180 o adalah 30,22 MPa, 31,58 MPa, dan 33,90 MPa, dimana lokasi tegangan von Mises maksimum berada pada ujung wear plate dari saddle bejana tekan horisontal. 4. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan desain bejana tekan horisontal yang ada (sesuai tabel 1) jarak saddle bejana tekan horisontal yang optimal adalah A = 380 mm dari tangent line (A/L = 0,25) dengan besar sudut kontak adalah θ = 120 o. E. REFERENSI Adithya M., and Patnaik M.M.M, 2013, Finite Element Analysis of Horizontal Reactor Pressure Vessel Supported on Saddles, ISSN: , International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology Vol. 2, Issue 7. ASME, 2010, ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II Materials, ASME Press, New York. El-Abbasi, N., Meguid, S.A., and Czekanski, A., 2001, Three-dimensional Finite Element Anlysis of Saddle Supported Pressure Vessels, International Journal of Mechanical Sciences 43: Khan, S., M.A., 2010, Stress Distribution in a Horizontal Pressure Vessel and the Saddle Supports, International Journal of Pressure Vessels and Piping 87: 239e244. Kumar, V., Kumar, N., Angra, S., and Sharma, P., 2014, Design of Saddle Support for Horizontal Pressure Vessel, International Journal of Mechanical Aerospace Industrial and Manufacturing Engineering Vol: 8, No: 12. Magnucki, K., Stasieewicz, P., and Szyc, W., 2003, Flexible Saddle Support of a Horizontal Cyclindrical Pressure Vessel, International Journal of Pressure Vessels and Piping 80: Zick, L.P., 1951, Stresses in large Horizontal Pressure vessel on Two Saddle Support, The Welding Journal Resarch Supplement. 38