Jurusan Teknik Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

TUGAS AKHIR MN 091382 ANALISA PENGARUH VARIASI TANGGEM PADA PENGELASAN PIPA CARBON STEEL DENGAN METODE PENGELASAN SMAW DAN FCAW TERHADAP DEFORMASI DAN TEGANGAN SISA MENGGUNAKAN ANALISA PEMODELAN ANSYS Oleh: Mahfud - 4105 100 019 Dosen Pembimbing: Ir. Soeweify, M.Eng. Jurusan Teknik Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Latar Belakang Pengelasan banyak digunakan pada dunia industri maritim, meliputi: bidang struktur bangunan laut (offshore structures), baik struktur terpancang (fixed structure) maupun struktur terapung (floating structure) dan struktur pipa (pipeline structures) dalam setiap tahap pengerjaannya selalu terdapat proses pengelasan. Salah satu jenis pengelasan yang dipakai adalah pengelasan antar pipa.

Proses pengelasan menyebabkan pemanasan tinggi yang tidak merata pada bagian-bagian yang akan disambung, dimana area dari benda kerja yang dilas mengalami pemanasan hingga mencapai suhu lebur kemudian mengalami penurunan suhu secara bertahap. Pemanasan lokal dan laju pendinginan bertahap menyebabkan perubahan volumetric yang akhirnya menghasilkan penyebaran panas, deformasi dan tegangan sisa. Salah satu cara untuk meminimalisasi deformasi dan tegangan sisa yang terjadi adalah dengan pemasangan tanggem

Perumusan Masalah 1. Bagaimana deformasi yang terbentuk akibat pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem? 2. Bagaimana tegangan sisa yang terjadi setelah pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem? 3. Bagaimana variasi pemasangan tanggem yang efektif pada sambungan pipa yang menghasilkan deformasi terkecil?

Batasan Masalah 1. Material pipa: SA 106 grade B schedule 40 diameter 12 inches panjang 150 mm tebal 10 mm. 2. Material tanggem: plat carbon steel ukuran 200 x 75 x 12 mm 3. Proses Pengelasan: kombinasi SMAW dan FCAW. 4. Elektroda: E7016 untuk pengelasaan SMAW dan E71T-1 untuk pengelasan FCAW. 5. Variasi tanggem: pengelasan pipa tanpa tanggem, pengelasan pipa dengan 2 tanggem yang dipasang 180 0 antara satu sama lain, dan pengelasan pipa dengan 4 tanggem yang dipasang 90 0 antara satu sama lain.

6. Bentuk sambungan tumpul (Butt-Joint) dengan alur pengelasan searah. 7. Prosedur pengelasan berdasarkan WPS dari pihak galangan. 8. Analisa pemodelan menggunakan bantuan software ANSYS dan analisa yang digunakan yaitu: analisa thermal berupa perubahan temperatur terhadap waktu dan analisa struktur berupa deformasi dan tegangan sisa. 9. Validasi: hasil pengujian perubahan temperatur terhadap waktu (menggunakan thermocouple infrared), dan deformasi (menggunakan dial gauge) yang didapat dari pengelasan pipa.

Tujuan 1. Mengetahui deformasi yang terbentuk akibat pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem. 2. Mengetahui tegangan sisa yang terjadi setelah pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem. 3. Mengetahui variasi pemasangan tanggem yang efektif, yang memenuhi kriteria deformasi dan tegangan sisa yang diizinkan.

Manfaat Mengetahui seberapa besar pengaruh jumlah variasi tanggem terhadap deformasi dan tegangan sisa pada pengelasan pipa sehingga dapat ditentukan pengelasan terbaik yang menghasilakan deformasi dan tegangan sisa yang terkecil

Dasar Teori Tegangan Sisa Pada saat proses pengelasan, bagian material yang di las menerima panas pengelasan setempat dan selama proses berjalan suhunya berubah terus sehingga suhu tidak merata. Karena panas tersebut, maka pada bagian yang dilas terjadi pengembangan termal. Sedangkan bagian yang dingin tidak berubah sehingga terbentuk penghalang pengembangan yang mengakibatkan terjadinya peregangan. Di samping terjadi perubahan bentuk yang dengan sendirinya terjadi regangan, maka terjadi juga tegangan yang sifatnya tetap yang disebut tegangan sisa.

Pembentukan tegangan sisa (Wiryosumarto, 1996)

Distribusi Tegangan Sisa Distribusi tegangan sisa tergantung dari jenis dan bentuk lasan. Dalam sambungan las bentuk lingkaran, distribusi dalam arah sudut selalu simetris terhadap satu garis yang melalui pusat lingkaran dan sifat teganganya baik pada arah sudut ataupun radial selalu tarik. Distribusi tegangan sisa pada las melingkar pada pipa (Wiryosumarto, 1996)

Deformasi Deformasi merupakan perubahan pada material baik perubahan dimensi maupun struktur karena mendapat beban dari luar Faktor yang mempengaruhi terbentuknya deformasi las, yaitu: kelompok pertama yang sangat erat hubungannya dengan masukan panas pengelasan dan kelompok kedua yang disebabkan oleh adanya penahan atau penghalang pada sambungan las.

Metode Elemen Hingga Konsep dasar metode elemen hingga adalah diskritisasi yaitu pembagian suatu material menjadi elemen-elemen kecil sehingga lebih memudahkan dalam melakukan perhitungan. Pembagian material menjadi elemen-elemen kecil dilakukan dengan bantuan software ANSYS.

Metodologi Flowchart Penelitian Tugas Akhir

Pengujian Pengujian yang dilakukan pada penelitian tugas akhir ini terdiri dari 4 (empat) tahapan, yaitu: 1. Tahap persiapan. 2. Tahap pengukuran kondisi awal sebelum pengelasan. 3. Tahap pengelasan dan pengukuran temperatur suhu pengelasan. 4. Tahap pengukuran deformasi setelah pengelasan. Analisa Pemodelan ANSYS 1. Penentuan material properties 2. Penentuan heat flux 3. Pemodelan (Thermal & Struktural). 4. Validasi hasil 5. Pemodelan untuk setiap variasi posisi tanggem.

ANALISA DAN PEMBAHASAN Spesifikasi Material Dan Variasi Tanggem Diameter pipa Panjang pipa (LOA) Tebal pipa = 304.8 mm = 300 mm = 10.3 mm Variasi Tanggem: Pengelasan pipa tanpa tanggem Pengelasan pipa dengan2 tanggem dipasang 180 0 antara satu sama lain Pengelasan pipa dengan 4 tanggem dipasang 90 0 antara satu sama lain

Sambungan Pipa Variasi pemasangan tanggem

Parameter Pengelasan SMAW Tipe elektroda = E 7016 Diameter elektroda = 3.2 mm Besar arus listrik = 100 Ampere Kecepatan rata-rata = 60-150 mm/s Tegangan listrik = 20-30 Volt Waktu pendinginan = + 1 jam FCAW Tipe elektroda = E 71T - 1 Diameter elektroda = 1.2 mm Besar arus listrik = 150 Ampere Kecepatan rata-rata = 100-550 mm/s Tegangan listrik = 18-35 Volt Waktu pendinginan = +1 jam

Hasil Pengujian a. Distribusi panas pada satu titik pengamatan: Pengelasan pipa tanpa tanggem Pengelasan pipa 2 tanggem Pengelasan pipa 4 tanggem

b. Nilai Deformasi: Deformasi pengelasan pipa 12 inches tanpa tanggem

Deformasi pengelasan pipa 12 inches dengan 2 tanggem

Deformasi pengelasan pipa 12 inches 4 tanggem

Analisa Pemodelan ANSYS Flowchart analisa thermal

Flowchart analisa struktur

Model dan meshing pipa dengan variasi pemasangan tanggem

Hasil Analisa ANSYS a. Analisa Thermal Pengelasan pipa tanpa tanggem Pengelasan pipa 2 tanggem Pengelasan pipa 4 tanggem

b. Analisa Struktur Deformasi pipa 12 inches tanpa tanggem Deformasi pipa 12 inches dengan 2 tanggem

Deformasi pipa 12 inches dengan 4 tanggem

Validasi a. Validasi Distribusi Panas Pengelasan pipa tanpa tanggem Pengelasan pipa 2 tanggem Pengelasan pipa 4 tanggem

b. Validasi Deformasi VALIDASI DEFORMASI 0,25 VALIDASI DEFORMASI 0,2 Besar Deformasi (mm) 0,2 0,15 0,1 0,05 Pengujian ANSYS Besar Deformasi (mm) 0,15 0,1 0,05 Pengujian ANSYS 0-150 -100-50 0 50 100 150 Jarak dari Kampuh Las (mm) Pengelasan pipa tanpa tanggem 0-150 -100-50 0 50 100 150 Jarak Dari Kampuh Las (mm) Pengelasan pipa 2 tanggem Besar Deformasi (mm) VALIDASI DEFORMASI 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 Pengujian ANSYS 0-150 -100-50 0 50 100 150 Jarak Dari Kampuh Las (mm) Pengelasan pipa 4 tanggem

Hasil Analisa Pemodelan ANSYS Masing- Masing Variasi Rekap Nilai Deformasi

Rekap Nilai Tegangan Sisa

PENUTUP Kesimpulan 1. Dari hasil validasi distribusi panas dan deformasi antara pemodelan ANSYS dengan pengujian terlihat memiliki kecenderungan bentuk yang sama. Hal ini bisa dikatakan bahwa analisa pemodelan ANSYS telah valid 2. Semakin banyak tanggem yang digunakan maka deformasi yang terjadi semakin kecil dan tegangan sisa yang terjadi lebih merata tersebar pada daerah-daerah yang terpasang tanggem.

4.Dari hasil analisa dan pembahasan dapat diketahui bahwa pada variasi pengelasan pipa diameter 10 inches dengan 4 tanggem hasilnya masih belum memenuhi karena tegangan sisa maksimum yang terjadi pada carbon steel melebihi yield strengthnya, dimana σ max = 270 MPa > σ yield = 240 MPa. 5.Pemilihan posisi pemasangan tanggem terbaik dipilih berdasarkan tegangan sisa yang terjadi adalah yang paling kecil Berdasarkan hasil analisa dipilih variasi pengelasan pipa dengan 2 tanggem sebagai yang terbaik. Walaupun deformasi yang terjadi pada variasi ini sedikit lebih besar jika dibandingkan dengan variasi pengelasan pipa dengan 4 tanggem.

Saran 1. Material pipa yang digunakan pada penelitian ini sebelum dilakukan pengelasan mengalami proses pengerjaan, salah satunya adalah proses cutting yang menggunakan Oxy Acetylene Cutting, hal ini tentunya menghasilkan deformasi akibat panas yang ditimbulkan. Oleh karena itu mendapatkan hasil lebih sempurna disarankan untuk menambahkan bentuk deformasi yang sudah terjadi sebelum pengelasan pada model ANSYS. 2. Selain variasi tanggem, dilakukan juga analisa pemodelan ANSYS dengan variasi welding squence.

ATAS PERHATIANNYA TERIMA KASIH

Elemen Solid 70 Elemen thermal 3D 8 node mampu menghantarkan panas. Memiliki 8 node dengan satu derajat kebebasan temperatur pada setiap node. Elemen solid 70 cocok digunakan untuk analisa temperatur Dapat diaplikasikan untuk steady state dan transient thermal analisis. Spesifikasi elemen solid 70 Node : I, J, K, L, M, N, O, P Degrees of freedom: temperature Tipe pembebanan : Surface load = konveksi atau heat flux, dan radiasi. Body load = heat generation Fitur special : birth and death

Nilai Deformasi Pipa 12 inches Tanpa Tanggem (a) (b) (c) (a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.180 mm dan -0.155 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.169 mm dan -0.189 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.111 mm dan -0.109 mm.

Nilai Deformasi Pipa 12 inches Dengan 2 Tanggem (a) (b) (c) (a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.165 mm dan -0.147 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.056 mm dan -0.051 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.084 mm dan -0.084 mm.

Nilai Deformasi Pipa 10 inches Tanpa Tanggem (a) (b) (c) (a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.187 mm dan -0.130 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.162 mm dan -0.152 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.0938 mm dan -0.0939 mm.

Nilai Tegangan Sisa Pipa 12 inches (a) (b) (c) (a) Tegangan sisa maksimum sebesar 186 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.372669 MPa. (b) Tegangan sisa maksimum sebesar 79.9 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.039383 MPa. (c) Tegangan sisa maksimum sebesar 161 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.049158 MPa.

Nilai Tegangan Sisa Pipa 10 inches (a) (b) (c) (a) Tegangan sisa maksimum sebesar 172 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.377377MPa. (b) Tegangan sisa maksimum sebesar 74.9 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.091978MPa. (c) Tegangan sisa maksimum sebesar 270 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.091652 MPa.