ANALISA TERBENTUKNYA TEGANGAN SISA DAN DEFORMASI PADA PENGELASAN PIPA BEDA JENIS MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA Moh. Zaed Morna S*, Ir. Budie Santosa, M.T.** * Mahasiswa Jurusan Teknik Perkapalan ** Staf Pengajar Jurusan Teknik Perkapalan Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Sukolilo Surabaya (60111) Telp. : 085730431341 Email : noc_g@yahoo.com ABSTRAK Proses pengelasan sambungan pipa pada industri perkapalan adalah salah satu bagian yang sangat penting. Pemanasan lokal pada pipa hingga temperatur lebur dan proses pendinginan yang cepat dapat menghasilkan tegangan sisa akibat adanya distribusi panas yang tidak merata. Tegangan akibat panas lasan ini dapat menyebabkan deformasi dan akan berpengaruh pada proses pengerjaan selanjutnya. Untuk itu perlu untuk melakukan pemodelan dengan metode elemen hingga untuk mengetahui perilaku deformasi dan tegangan sisa yang terjadi pada proses pengelasan pipa. Pada penelitian ini dilakukan simulasi pengelasan sambungan pipa beda jenis dengan tipe sambungan butt-joint. Pipa yang digunakan adalah Stainless Steel 304L dan Carbon Steel A36 dengan filler metal 309L Filler Wire. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software ANSYS 11 dengan membandingkan variasi posisi pemasangan tanggem dan akan dipilih hasil yang paling baik. Dari simulasi didapatkan hasil yang terbaik terdapat pada variasi pemasangan empat buah tanggem dengan jarak antar tanggem 90 0 yang menghasilkan tegangan sisa maksimum pada stainless steel sebesar 210.84 MPa dan pada carbon steel sebesar 33.2 MPa. Sedangkan deformasi total maksimum yang terjadi pada stainless steel sebesar 2.35 mm dan pada carbon steel sebesar 2.19 mm. Kata Kunci : pipa beda jenis, stainless steel 304L, carbon steel A36, 309L filler metal, deformasi, tegangan sisa, pemasangan tanggem. Pada sistem perpipaan yang bekerja pada 1. PENDAHULUAN temperatur dan tekanan yang tinggi Penggunaan teknik pengelasan sampai seringkali diperlukan penyambungan pipapipa yang mempunyai perbedaan material saat ini memiliki peranan yang sangat penting dalam bidang konstruksi. Salah satu propertis dan sifat fisiknya. Sebagai contoh jenis pengelasan yang dipakai adalah pada kapal yang memiliki boiler, sistem pengelasan antar pipa yang sering digunakan perpipaan pada boiler kapal tersebut pada bidang perkapalan, offshore structure, seringkali merupakan penyambungan pipa konstruksi jembatan, pressure vessel, boiler beda jenis. Perbedaan sifat dari pipa-pipa ini serta berbagai macam pipa saluran dan sistem akan menyebabkan distribusi tegangan sisa perpipaan lainnya. hasil pengelasan menjadi tidak merata untuk Di antara elemen elemen pipa serta setiap jenis material pipa yang dilas. Adanya simpul-simpul penyambungan pipa hampir tegangan sisa yang tidak merata ini dapat semuanya dilakukan dengan pengelasan, menyebabkan distorsi pada hasil lasan yang maka sudah barang tentu salah satu masalah berpengaruh pada proses pengerjaan yang sangat penting dan dapat menentukan selanjutnya. sifat dan kekuatan sambungan las adalah Untuk itulah perlu dilakukan simulasi adanya tegangan sisa yang terjadi baik elemen hingga (finite element) pada hasil selama proses lasan ataupun sejak material proses pengelasan pipa beda jenis diproses / akibat pengerjaan mesin pada menggunakan sambungan tumpul (but-joint) material tersebut. atau tepatnya pengelasan melingkar/keliling pipa. Selain itu juga dirasa perlu dilakukan analisa untuk mengetahui distribusi
tegangan sisa dan distorsi. Simulasi yang akan dilakukan adalah dengan membandingkan variasi posisi pemasangan tanggem dan akan dipilih hasil yang paling baik. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Termal Las Pada proses pengelasan perubahan temperatur pada daerah yang mengalami kontak langsung dengan busur las berlangsung dengan sangat cepat sehingga menciptakan perbedaan temperatur dengan daerah di dekatnya. Segera setelah perbedaan temperatur terjadi panas mulai mengalir ke sekitar daerah pengelasan yang mempunyai temperatur lebih rendah sehingga terjadi distribusi panas ke daerah sekitar alur las. Distribusi temperatur yang terjadi pada saat proses pemanasan maupun pendinginan tidak merata pada seluruh material. Distribusi yang tidak merata ini terjadi baik dalam hal tempatnya pada material maupun bila ditinjau dari segi waktu terjadinya. Ketidakmerataan distribusi temperatur inilah yang menjadi penyebab timbulnya deformasi pada struktur las. Sehingga untuk dapat menyelesaikan berbagai persoalan dari tegangan dan deformasi hasil pengelasan harus diketahui dahulu bagaimana distribusi dari temperatur yang dihasilkan terhadap material las. 2.2 Tegangan Sisa Tegangan yang muncul pada material selama proses pengerjaan biasa disebut tegangan dalam, tegangan sisa atau tegangan yang terjebak dalam material, proses pengerjaan ini bisa berupa proses pemotongan, bending maupun pengelasan. Tegangan dalam atau tegangan sisa adalah tegangan yang bekerja pada material meskipun tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut dan tegangan ini bersifat tetap selama tidak ada proses stress relieving. Tegangan sisa yang terjadi karena pengelasan ini dibagi dalam 2 kelompok, yaitu : Pertama adalah tegangan sisa oleh karena adanya Dimensi pipa yang digunakan untuk pemodelan pengelasan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : Diameter luar pipa = 203 mm halangan dalam yang terjadi karena pemanasan dan pendinginan setempat pada bagian kontruksi yang bebas dan kedua adalah tegangan sisa oleh adanya halangan luar, yang terjadi karena perubahan bentuk dan penyusutan dari konstruksi. Tegangan sisa dan perubahan bentuk yang terjadi sangat mempengaruhi sifat dan kekuatan dari sambungan, karena itu usaha untuk mengatur dan mengurangi tegangan sisa dan perubahan bentuk harus mendapatkan perhatian utama. 2.3 Deformasi Pada Pengelasan Faktor-faktor yang mempengaruhi deformasi selama pengelasan dapat dibagi dua. Yang pertama sangat erat hubungannya dengan masukan panas pengelasan antara lain tegangan listrik, arus listrik, kecepatan pengelasan, tebal material, ukuran dan jenis elektroda. Faktor yang kedua disebabkan adanya penahan atau penghalang pada sambungan las antara lain bentuk, ukuran serta susunan dari batang-batang penahan (stopper) dan welding sequence atau urutan pengelasan. 2.4 Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga merupakan metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dalam bidang rekayasa seperti geometri, pembebanan dan sifat-sifat dari material yang sangat rumit. Hal ini sulit diselesaikan dengan solusi analisa matematis. Pendekatan metode element hingga adalah menggunakan informasi-informasi pada titik simpul (node). Dalam proses penentuan titik simpul yang di sebut dengan pendeskritan (discretization), suatu sistem di bagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil, kemudian penyelesaian masalah dilakukan pada bagian-bagian tersebut dan selanjutnya digabung kembali sehingga diperoleh solusi secara menyeluruh. 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Data Ukuran Material Panjang pipa (LOA) = 350 mm Tebal pipa = 8.8 mm
Gambar 1. Dimensi model pipa 3.2 Data Parameter Pengelasan Jenis pengelasan yang digunakan pada penelitian ini adalah SMAW (Shielded Metal Arc Welding). Data parameter pengelasan yang lebih spesifik adalah sebagai berikut : Kecepatan pengelasan = 5 mm/detik Kuat arus = 180 A Voltage = 24 V Efisiensi pengelasan = 85% Diameter elektroda = 2.6 mm 3.3 Simulasi Pengelasan Pada program ANSYS 11.0 simulasi pengelasan dilakukan dengan dua tahap. Tahap pertama adalah pemodelan termal dimana input yang digunakan berhubungan dengan suhu pengelasan seperti thermal properties material dan heat flux. Sedangkan tahap kedua adalah pemodelan struktural dimana input yang digunakan berhubungan dengan mechanical properties material seperti modulus elastisitas dan poisson s ratio. A1 q 1 = q e A f dimana, Q = heat input bersih ή = efisiensi pengelasan U = voltase I = kuat arus A f = luas area pembebanan b = lebar kampuh v = kecepatan pengelasan t = waktu pengelasan per elemen A e = luas penampang elektroda D = diameter elektroda A 1 = luas satu elemen p = panjang satu elemen l = lebar satu elemen q 1 = heat flux dari hasil perhitungan diperoleh besarnya heat flux untuk masing-masing layer adalah Layer 1 = 1,59 x 10 8 Watt/ m 2 Layer 2 = 1,51 x 10 8 Watt/ m 2 Layer 3 = 2,03 x 10 8 Watt/ m 2 4.2 Validasi Model Pemodelan pada penelitian ini akan divalidasi dengan hasil penelitian S. Nadimi. Tujuan dari validasi ini adalah untuk melihat apakah model dalam penelitian ini sudah benar (valid) atau belum, model dikatakan sudah valid bila hasilnya mendekati hasil dari penelitian S. Nadimi. Ada dua hal yang digunakan sebagai validasi yaitu kurva hoop stress dan kurva axial stress. 200 150 4. PEMODELAN ANSYS 4.1 Perhitungan Heat Flux Untuk perhitungan heat flux digunakan beberapa persamaan sebagai berikut : Stress (MPa) 100 50 0-0.03-0.02-0.01 0 0.01 0.02 0.03-50 -100 ANSYS Tugas Akhir Penelitian S. Nadimi Q = ή U I A f = b x v x t 1 2 A e = π D 4 A 1 = p x l Q q e = A e -150-200 Jarak dari Weld Center (m) Gambar 2. Kurva Hoop Stress
300 Variasi 1 (pemasangan tanggem 180º) 200 100 Stress (MPa) 0-0.03-0.02-0.01 0 0.01 0.02 0.03-100 ANSYS Tugas Akhir Penelitian S. Nadimi -200-300 -400 Jarak dari Weld Center (m) Gambar 3. Kurva Axial Stress Dari kedua kurva tersebut terlihat bahwa hasil dari penelitian memiliki trend yang sama dengan hasil S. Nadimi, selain itu nilainya juga tidak terlalu besar perbedaannya. Maka dapat disimpulkan bahwa pemodelan dalam penelitian ini sudah benar. Gambar 5. Tegangan sisa variasi tanggem 180º 4.3 Pemodelan Dengan Variasi Tanggem Setelah pemodelan dinyatakan benar (valid) maka pemodelan dilanjutkan dengan pemberian tanggem (stopper) pada model dengan variasi posisi pemasangan tanggem. Variasi yang digunakan adalah posisi pemasangan tanggem dengan jarak antar tanggem 180º, 120º, 90º. Kemudian untuk tiap variasi tersebut didapatkan tegangan sisa dan deformasi yang terjadi akibat proses pengelasan. Gambar 6. Deformasi variasi tanggem 180º Variasi 2 (pemasangan tanggem 120º) Gambar 4. Variasi pemasangan tanggem Gambar 7. Tegangan sisa variasi tanggem 120º
kearah manapun karena tanggem berfungsi sebagai penegar yang mengikat kedua pipa agar tidak bergerak ketika dilas. Selain itu dari gambar-gambar diatas juga terlihat pola penyebaran deformasi cenderung terjadi pada daerah yang tidak terpasang tanggem, hal ini terjadi karena pada waktu pengelasan daerah tersebut tidak ada yang menahan ketika terjadi deformasi. Gambar 8. Deformasi variasi tanggem 120º Variasi 3 (pemasangan tanggem 90º) 5. ANALISIS HASIL PEMODELAN ANSYS Hasil tegangan sisa dan deformasi dari tiap variasi pemasangan tanggem ditunjukkan dalam bentuk tabel sebagai berikut : Tabel 1. Deformasi kearah tiap sumbu Variasi Tanggem Stainless Steel Carbon Steel Deformasi UX (+/-) 3.18 mm (+/-) 2.91 mm 180 o Deformasi UY (+/-) 2.82 mm (+/-) 0.965 mm Deformasi UZ (+) 3.13 mm (-) 0.212 Deformasi UX (+/-) 2.38 mm (+/-) 2.14 mm 120 o Deformasi UY (-) 2.62 mm (-) 2.33 mm Deformasi UZ (+) 2.18 mm (-) 0.29 mm Deformasi UX (+/-) 1.68 mm (+/-) 1.45 mm 90 o Deformasi UY (+/-) 1.62 mm (+/-) 1.48 mm Deformasi UZ (+) 1.77 mm (-) 0.308 mm Gambar 9. Tegangan sisa variasi tanggem 90º Tabel 2. Deformasi Total dan Tegangan sisa Variasi Tanggem Stainless Steel Carbon Steel 180 o Tegangan Sisa (Max) 260.91 MPa 48.3 MPa Deformasi Total (Max) 3.35 mm 3.08 mm 120 o Tegangan Sisa (Max) 234.79 MPa 37.5 MPa Deformasi Total (Max) 2,71 mm 2.49 mm 90 o Tegangan Sisa (Max) 210,84 MPa 33.2 MPa Deformasi Total (Max) 2.35 mm 2.19 mm Gambar 10. Deformasi variasi tanggem 90º Dari gambar-gambar di atas terlihat bahwa tegangan sisa yang terjadi pada tiap variasi terkonsentrasi pada daerah-daerah disekitar tanggem, hal ini terjadi karena daerah tersebut diasumsikan tidak bergerak Dari tabel di atas terlihat bahwa tegangan sisa pada carbon steel yang terjadi tiap variasi tidak melebihi nilai yield strengthnya yaitu sebesar 369 MPa. Akan tetapi pada variasi pertama (180 o ), besarnya tegangan sisa maksimum yang terjadi ternyata melebihi nilai yield strength dari stainless steel, dimana tegangan sisa yang terjadi sebesar 260,91 MPa dan nilai yield dari stainless steel adalah sebesar 246 MPa. Pada variasi kedua dan ketiga (120 o dan 90 o ), tegangan sisa yang terjadi tidak melebihi nilai yield strength dari stainless steel.
Selain tegangan sisa, deformasi total maksimum untuk tiap variasi juga terdapat pada material stainlesss steel, walaupun perbedaan besarnya tidak terlalu signifikan. Hal ini terjadi karena pada material stainless steel daerah yang terdapat tumpuan hanya disekitar tanggem, berbeda dengan material carbon steel dimana selain daerah sekitar tanggem ujung pipa carbon steel juga diberi tumpuan sesuai asumsi bahwa waktu pengelasan posisi pipa ditegakkan dengan pipa carbon steel berada di bawah. Inilah yang menyebabkan kenapa pada tiap variasi deformasi pada stainless steel selalu lebih besar dibandingkan pada carbon steel, karena pada stainless steel daerah yang menahan struktur ketika mengalami perubahan bentuk (deformasi) lebih sedikit dibandingkan dengan carbon steel. Dimana tegangan sisa maksimum yang terjadi pada stainless steel sebesar 210,84 MPa dan pada carbon steel sebesar 33,2 MPa. Sedangkan deformasi total yang terjadi pada stainless steel sebesar 2,35 mm dan pada carbon steel sebesar 2,19 mm. 6. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil pemodelan dan analisis penelitian ini maka dapat diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Bahwa semakin banyak tanggem yang digunakan maka deformasi yang terjadi semakin kecil dan tegangan sisa yang terjadi lebih merata tersebar pada daerahdaerah yang terpasang tanggem. 2. Dari hasil analisa dan pembahasan dapat diketahui bahwa pada variasi 1 untuk pemasangan dua buah tanggem dengan jarak antar tanggem 180 0, hasilnya masih belum memenuhi karena tegangan sisa maksimum yang terjadi pada stainless steel melebihi yield strengthnya, dimana σ max = 260,91 MPa > σ yield = 246 MPa. 3. Pada variasi 2 dan 3 hasilnya memenuhi karena tegangan sisa maksimum yang terjadi tidak melebihi yield strength kedua material baik stainless steel maupun carbon steel, selain itu perbedaan deformasi yang terjadi dari kedua variasi tersebut tidak terlalu besar. 4. Pemilihan posisi pemasangan tanggem terbaik dipilih berdasarkan tegangan sisa yang terjadi adalah yang paling kecil baik pada material stainless steel maupun carbon steel. Berdasarkan hasil analisa dipilih variasi 3 sebagai yang terbaik karena nilai tegangan sisa pada stainless steel dan carbon steel paling kecil dibandingkan dengan variasi 1 dan 2.
7. DAFTAR PUSTAKA Amarna, L. 1988. Pengaruh Residual Stress Pada Pengelasan Pipa. Tugas Akhir. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. ANSYS 11 Documentation, ANSYS Theory Reference Bandriyana, B. 2006. Perhitungan Distribusi Tegangan Sisa Dalam Pengelasan Sambungan T Pada Sistem Pemipaan. Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir. Batan Dike J.J, Ortega A.R, Cadden C.H. 1998, Finite Element Modelling and Validation of Residual Stress in 304L Girth Welds. Sandia National Laboratories. Livemore. Gourd, L.M. 1980. Principles of Welding Technology. Edward Arnold Ltd. London Mohr, William C, Michaleris, Panagiotis, T.Kirk, Mark 1996. An Improved Treatment of Residual Stress in Flaw Assesment of Pipes and Pressure Vessels Fabricated from ferritic Stells. edison Welding Institute. Colombus. Nadimi, S., Khoushehmehr, R.J., Rohani, B., dan Mostafapour, A. 2008. Investigation and Analysis of Weld Induced Residual Stresses in Two Dissimilar Pipes by Finite Element Modelling. Journal of Applied Sciences 8, 6:1014-1020. Pilipenko, A. 2001. Computer simulation of residual stress and distortion of thick plates in multi-electrode submerged arc welding_their mitigation techniques. Thesis. Department of Machine Design and Materials Technology Norwegian University of Science and Technology N-7491 Trondheim. Norway. Purwanto, S. 2007. Analisa Distorsi, Tegangan Sisa, dan Distribusi Panas Dengan Metode Elemen Hingga Pada Pengelasan Sambungan Pipa. Tugas Akhir. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya.. Rampaul, Hoobasar. 2003. Pipe Welding Procedures. Industrial Press. New York. Wiryosumarto, H dan Okumura, T 1996. Teknologi Pengelasan Logam. Pradnya Paramita. Jakarta.