ANALISIS TEGANGAN PADA SAMBUNGAN NOSEL MASUK DAN KELUAR BEJANA TEKAN REAKTOR DENGAN MEH

Anni Rahmat, dkk. ISSN 0216-3128 179 ANALISIS TEGANGAN PADA SAMBUNGAN NOSEL MASUK DAN KELUAR BEJANA TEKAN REAKTOR DENGAN MEH Anni Rahmat, Roziq Himawan Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, BATAN Gd. 80 Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang Tlp 021-7560912, Fax 021-7560913 E-mail: ar_298@yahoo.com ABSTRAK ANALISIS TEGANGAN PADA SAMBUNGAN NOSEL MASUK DAN KELUAR BEJANA TEKAN REAKTOR DENGAN METODE ELEMEN HINGGA. Analisis tegangan pada sambungan nosel masuk dan nosel keluar bejana tekan reaktor tipe PWR telah dilakukan menggunakan perangkat lunak Marc Mentat 2010 berbasis metode elemen hingga. Analisis dilakukan dalam rangka evaluasi desain teknologi keselamatan nuklir PLTN jenis PWR dari aspek desain sistem keselamatan. Sebagai langkah awal dalam evaluasi desain, pemodelan dilakukan dengan pemberian beban desain yaitu internal pressure 20 MPa temperatur operasi normal 300 O C dan pemodelan pada keadaan transien dengan temperatur 300 O C sampai dengan 600 O C. Dari hasil pemodelan didapatkan tegangan pada sambungan nosel masuk dan nosel keluar 93 MPa dan 54 MPa. Berdasarkan hasil yang didapat desain yang ada memenuhi integritas struktur dan aman sesuai dengan standar ASME III. Kata kunci : nosel masuk, outlet nosel, metode elemen hingga. ABSTRACT STRESS ANALYSIS IN JOINT OF INLET AND OUTLET NOZZLEREACTOR PRESSURE VESSEL USING FEM. Stress analysis have been calculated in joint of inlet and outlet nozzle of reactor pressure vessel type PWR using finite element method with Marc Mentat 2010 software. The purpose of this simulation is to evaluated design of inlet and outlet nozzle reactor pressure vessel type PWR in nuclear safety. As beginning step in design evaluation, modeling has been done in design pressure condition with internal pressure 20 MPa and operation temperature 300 O C then modeling in transient condition 300 O C until 600 O C. The result stress distribution in joint inlet and outlet nozzle are 93 MPa and 101 MPa. Beside of result calculation design of nozzle is safe. Keywords : inlet nozzle, outlet nozzle, finite element PENDAHULUAN N osel adalah salah satu komponen dari bejana tekan reaktor. Nosel berfungsi untuk saluran masuk dan keluar fluida pendingin yang terdapat pada sistem bejana tekan reaktor. Nosel dan bejana tekan reaktor disambung dengan pengelasan. Dari desain sambungan antara nosel dan bejana tekan reaktor daerah sambungan menjadi salah satu daerah yang lebih kritis dibandingkan dengan logam induk bejana tekan reaktor. Daerah kritis yang dimaksud adalah daerah dimana memiliki kekuatan relatif rendah dibanding dengan daerah yang lain. Sejak tahun 1978 isu keselamatan mengenai dampak bahaya tegangan panas yang terjadi pada bejana tekan reaktor terus mendapat perhatian [1]. Nosel yang memiliki bentuk diskontinyu akan mengakibatkan intensitas tegangan menjadi lebih tinggi di sekitar daerah diskontinyu dibanding area lain. Selain itu temperatur tinggi saat operasi PLTN akan membuat terjadinya tegangan panas pada beberapa bagian bejana tekan reaktor termasuk nosel masuk dan nosel keluar sehingga perlu untuk di evaluasi. Tegangan panas yang terjadi berkombinasi dengan tekanan sistem pada bejana tekan reaktor menyebabkan material nosel masuk dan nosel keluar menerima tegangan yang lebih besar. Oleh karena itu kajian tentang integritas struktur dari bejana nosel masuk dan nosel keluar perlu dikaji sehingga integritas struktur dari desain nosel masuk dan nosel keluar dapat tercapai. Untuk melakukan perhitungan tegangan panas akan digunakan metode elemen hingga dengan bantuan perangkat lunak Marc Mentat 2010. Analisis tegangan pada sambungan nosel masuk dan nosel keluar bejana tekan reaktor akan dievaluasi pengaruh temperatur operasi dan internal pressure terhadap desain struktur nosel masuk dan nosel keluar bejana tekan reaktor. Dari hasil yang didapatkan akan diketahui besarnya tegangan yang terjadi pada nosel masuk dan nosel keluar bejana tekan reaktor. TEORI Desain Berdasarkan Analisis Dalam melakukan evaluasi desain bejana tekan dan nosel parameter-parameter yang ada harus disesuaikan dengan standar ASME III. Pada standar ASME III terdapat batasan nilai yang diijinkan dari

180 ISSN 0216-3128 Anni Rahmat, dkk. tegangan yang bekerja pada setiap bagian untuk memenuhi integritas struktur dan keselamatan. Adapun batasan batasan nilai tersebut dapat dilihat pada tabel 1 di bawah ini. Tabel 1. Nilai batas maksimum tegangan [2] Jenis Primary Local Primary tegangan Membrane Membrane Stress Stress Simbol Pm Pl nilai 1,5 Sm 1,5Sm maksimum Nilai batas yang ada merupakan nilai maksimal yang diperbolehkan, apabila hasil perhitungan melebihi dari batasan yang diijinkan maka desain yang ada tidak memenuhi integritas struktur dan keselamatan. Tegangan Dalam bejana tekan reaktor beberapa bagian perlu dilakukan evaluasi tegangan tegangan yang bekerja pada bagian tersebut. Setiap bagian dari bejana tekan reaktor memiliki jenis tegangan yang berbeda untuk dianalisis. Bagian bagian dari bejana tekan reaktor yang perlu untuk dilakukan evaluasi diantaranya adalah dinding bejana tekan reaktor dan nosel, disamping itu masih ada tujuh bagian dari bejana tekan reaktor yang harus dilakukan hal serupa. Pada dinding bejana tekan reaktor dan nosel tegangan tegangan yang bekerja adalah sebagai berikut : Stress Intensity (Sm) Stress intensity adalah kombinasi dari suatu tegangan dimana besarnya adalah dua kali tegangan geser maksimum (dua kali tresca). Tresca merupakan metode analisis kegagalan dengan menggunakan teori tegangan maksimum. Stress intensity dihitung melalui selisih terbesar dari pricipal stress yang terjadi pada sistem yang ada seperti pada persamaan di bawah ini [2]. S 12= σ 1 σ 2 (1) S 23= σ 2 σ 3 (2) S 13= σ 1 σ 3 (3) dimana S adalah selisih principal stress pada orientasi direksi yang dikehendaki, σ adalah principal stress pada orientasi direksi yang dikehendaki. Stress intensity harus di hitung dalam setiap analisis tegangan karena menjadi tolak ukur suatu desain yang ada memenuhi integritas struktur dan dapat dinyatakan aman atau sebaliknya. Primary Membrane Stress (Pm) Primary stress adalah tegangan yang didapatkan dari beban-beban yang bekerja pada sistem sesuai dengan hukum kesetimbangan antara beban internal, beban eksternal dan momen. Walaupun resultan primary stress tidak dipengaruhi oleh beban- beban yang bekerja pada sistem secara global akan tetapi besarnya primary stress tetap dikorelasikan dengan teori kegagalan [2]. Jika primary stress yang ada melebihi 1.5 Sm maka dapat dikatakan sistem global yang ada telah mengalami kegagalan. Sedangkan primary membrane stress adalah bagian dari tegangan utama. Primary membrane stress merupakan tegangan yang bekerja pada permukaan dari sistem secara global akan tetapi besarnya sama halnya dengan tegangan utama yaitu dipengaruhi oleh beban beban yang bekerja pada sistem secara global. Pada nosel masuk dan nosel keluar beban- beban yang mempengaruhi besarnya tegangan membran utama adalah tegangan panas dan internal pressure Local Primary Membrane Stress (Pl) Local Primary Membrane Stress adalah primary membrane stress yang terjadi pada daerah tertentu karena pengaruh Local structural discontinuity (LSD). LSD adalah geometri atau material diskontinyu dimana keberadannya dapat mempengaruhi distribusi tegangan atau regangan pada bagian kecil pada suatu ketebalan dinding dan bersifat local pada area itu saja. Local primary membrane stress terjadi pada sambungan nosel dan dinding bejana tekan reaktor karena pengaruh geometri desain nosel dan bejana tekan reaktor. Besarnya local primary membrane stress sama halnya dengan primary membrane stress dipengaruhi oleh temperatur dan internal pressure disamping dipengaruhi juga oleh geometri yang ada. Tegangan Panas dan Internal Pressure Faktor yang mempengaruhi terjadinya tegangan yang bekerja pada dinding bejana dan nosel adalah tegangan panas. Tegangan panas adalah suatu tegangan yang terjadi dikarenakan pengaruh distribusi panas yang berbeda pada suatu daerah. Saat distribusi temperatur merambat dari satu titik ke titik yang lain maka akan ada daerah yang memiliki nilai temperatur lebih tinggi dan ada daerah lain memiliki temperatur lebih rendah. Perbedaan ini akan mengakibatkan terjadinya tegangan tarik dan tegangan tekan. Tegangan tarik terjadi pada daerah yang memiliki temperatur yang lebih rendah. Tegangan tarik ini berasal dari desakan space lattice material dengan temperatur lebih tinggi. Karena terdapat temperatur yang lebih tinggi maka akan terjadi ekspansi atom atom pada space lattice. Ekspansi ini akan medorong atom-atom pada daerah yang temperatur lebih rendah. Karena atom pada temperatur yang lebih rendah tidak mengalami ekspansi maka terjadinya himpitan sehingga atom pada daerah dengan tempeatur lebih rendah memberikan tegangan tarik pada atom yang memiliki temperatur lebih tinggi. Demikian pula pada atom yang memiliki temperatur lebih tinggi karena himpitan dengan atom pada daerah temperatur yang lebih rendah maka atom-atom yang ada menerima

Anni Rahmat, dkk. ISSN 0216-3128 181 tegangan tekan. Untuk lebih jelasnya dapat di lihat pada Gambar 1 di bawah ini. Gambar 1. Ekspansi atom karena pengaruh temperatur [1] Secara empiris besarnya tegangan panas yang terjadi pada nosel masuk dan nosel keluar dapat dihitung dengan persamaan [3] : σ = Eα( T ) t (4) Dimana σ adalah tegangan panas, σ thermal expansion bahan, E modulus elastis bahan, Dari empiris di atas peran yang dominan dalam perhitungan tegangan panas adalah eksentris propertis dan thermal ekspansion dari bahan. Sedangkan pengaruh internal pressure terhadap distribusi tegangan pada dinding bejana tekan reaktor dan nosel dapat menggunakan persamaan di bawah ini [4] : P = r 1 r r r 2 1 σ r 2 2 n in out r + r in out (5) dimana r in adalah jari jari dalam, r out adalah jari- jari luar, r n adalah jari jari yang akan dikehendaki, P adalah internal pressure, dan σ r adalah tegangan pada jari jari yang dikehendaki METODOLOGI Desain nosel masuk dan outlet nosel Pada pemodelan analisis tegangan sambungan nosel ini model geometri yang digunakan mengacu IAEA TECDOC 1556 halaman 33 [4]. Dimensi nosel masuk dan nosel keluar diturunkan dari perbandingan gambar yang terdapat pada IAEA TECDOC 1556 dengan jalan melakukan pengukuran menggunakan bantuan perangkat lunak. Geometri nosel masuk dan nosel keluar seperti terlihat pada Gambar 2 di bawah ini. Gambar 2. Geometri bejana tekan reaktor [4] nosel masuk dan nosel keluar terbuat dari material ferritik steel SA-508 grade 3 class 1. material properties nosel masuk dan nosel keluar seperti pada tabel 2 [4]. Tabel 2. Material Properties nosel masuk dan outlet nosel [1] Temperatur ( C ) 21 93 204 316 371 Modulus Elastis E (GPa) 191 186 179 173 169 Poisson Rasio (v) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Konduktivitas panas ( W/m K) 40.9 41.5 40.9 38.8 37.6 Panas Spesifik ( J/g K) 0.44 0.48 0.52 0.56 0.59 Koefisien Muai panas(1/k.10e6) 10.3 11.1 12.1 12.9 13.5

182 ISSN 0216-3128 Anni Rahmat, dkk. Model elemen hingga Desain nosel masuk dan nosel keluar yang ada di Gambar 2 dalam bentuk model geometri tiga dimensi. Bejana tekan reaktor tidak di gambar secara penuh akan tetapi dilakukan pemotongan geometri bejana tekan reaktor. Pemotongan geometri bejana tekan reaktor digantikan dengan boundary condition pada bagian preprocessor agar kapasitas memori hardware tidak terkuras dan bagian dari bejana tekan reaktor yang hilang dapat terwakili. Berdasarkan Gambar 2 dibuat geometri pada Marc Mentat 2010. Karena pada analisis ini terdapat gabungan antara analisis struktural dan analisa termal maka jenis elemen yang digunakan harus didefinisikan sebagai elemen struktur dan termal. Elemen yang digunakan dalam analisis ini adalah elemen tetra 4 dengan bentuk dasar berupa prisma segitiga. Elemen ini dipilih karena memiliki derajat kebebasan untuk temperatur dan displacement pada tiga arah. Dari pembuatan model ini pada nosel masuk akan terbentuk 10.083 element sedangkan pada nosel keluar akan terbentuk 12.251 elemen. Untuk mewakili bagian bejana tekan reaktor yang terpotong maka boundary condition diberikan pada area potongan yaitu berupa pengekangan ke arah normal area potong. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah ini. Model tiga dimensi berada pada koordinat sistem silinder karena untuk memberikan bentuk yang menyerupai bentuk nyata yang ada. Pada bagian preprocessor beban yang diberikan adalah internal pressure yaitu tekanan bejana tekan reaktor pada saat operasi desain sebesar 20 Mpa berupa face load. Face load diberikan pada seluruh permukaan bagian dalam dari potongan bejana tekan reaktor serta nosel masuk dan nosel keluar dengan arah tegak lurus dari permukaan elemen. Selain itu beban berupa temperatur operasi normal bejana tekan reaktor sebesar 300 O C juga diberikan pada permukaan bagian dalam dan temperature 25 O C diberikan pada permukaan bagian luar. Pembebanan ini bertujuan untuk melakukan ke kondisi aktual yang ada pada operasi PLTN. Sedangkan kondisi kedua adalah keadaan transien yaitu temperatur 300 O C - 600 O C dan pressure seperti kurva di bawah ini. Gambar 3. Model FEM nosel masuk dan nosel keluar [5] Gambar 4. Pembebanan pada nosel masuk dan nosel keluar [1]

Anni Rahmat, dkk. ISSN 0216-3128 183 Gambar 5. Distribusi tegangan pada nosel masuk pada kondisi normal HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan pada kondisi operasi normal maka akan didapatkan distribusi tegangan panas sebagai berikut. σ t = 300 5 200E9 10 dt 25 = 250 Mpa Dari perhitungan dengan menggunakan Marc Mentat tegangan panas yang didapat adalah 279 MPa. Dari perbandingan dengan kedua hasil perhitungan ini maka hasil perhitungan dengan Marc Mentat masih dapat diterima. Pada persamaan 5 di atas untuk kondisi desain sesuai dengan ASTM III maka didapatkan perhitungan sebagai berikut σ in r = 220 MPa Dari perhitungan menggunakan Marc Mentat pengaruh internal pressure memberikan dampak tegangan seperti terdapat pada Gambar 5, dimana tegangan maksimum terdapat pada bagian dalam yaitu 212 MPa. Dari kedua hasil perhitungan Marc Mentat maka dapat disimpulkan boundary conditions dan pembebanan yang ada dapat digunakan untuk analisis lebih lanjut. Dari beban kombinasi antara temperatur operasi dan internal pressure pada kondisi LOCA didapatkan hasil distribusi tegangan dan pricipal stress sebagai berikut Tegangan (Pa) 1,40E+08 1,20E+08 1,00E+08 8,00E+07 6,00E+07 4,00E+07 2,00E+07 0,00E+00 Gambar 6. tegangan pada sambungan nosel 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 waktu (detik) Teg.Nosel masuk Teg.Nosel keluar Intensitas tegangan sepanjang pembebanan Pada saat awal pembebanan tegangan mencapai puncaknya dikarenakan oleh faktor besarnya intensitas pembebanan internal saat terjadi loca seperti yang terlihat pada Gambar 4. Pola tegangan yang didapatkan sama halnya seperti pola tegangan yang diberikan pada model. Perbedaan yang terjadi hanya pada nilai intensitas tegangan yang terjadi pada sambungan. Hal ini dikarenakan pengaruh rasio diameter dalam dan diameter luar sesuai dengan persamaan 5. Gambar 7. Distribusi tegangan pada nosel masuk dan outlet nosel Dari hasil perhitungan Gambar 7 diketahui bahwa tegangan maksimal yang terjadi oulet nosel adalah 236 MPa dan pada nosel masuk 216 MPa. Letak tegangan maksimal nosel keluar sama dengan pada nosel masuk yaitu terletak pada bagian potongan bejana tekan reaktor. Sedangkan pada sambungan antara nosel dengan dinding bejana tekan reaktor besarnya tegangan berkisar 93 Mpa untuk nosel masuk dan 101 MPa untuk outlet nosel. Dari Pricipal stress yang ada dapat dihitung stress intensity yaitu sebesar 157 MPa. Untuk pola intensitas tegangan sama halnya dengan yang terjadi pada resultan tegangan pada Gambar 6. KESIMPULAN Tegangan Prinsipal 0,00E+00 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Waktu (detik) Besarnya stress intensity dipergunakan sebagai acuan untuk melakukan justifikasi apakah desain yang telah ada telah memenuhi persyaratan atau sebaliknya. Dari perhitungan yang telah dilakukan pada penelitian ini di dapatkan nilai membrane stress pada sambungan sebesar 93 MPa dan 54 MPa Tegangan (Pa) 2,50E+08 2,00E+08 1,50E+08 1,00E+08 5,00E+07 Teg.Prisipal1 NM Teg.Prinsipal 2 NM Teg.Prinsipal3 NM Teg.Prinsipal1 NK Teg.Prinsipal2 NK Teg.Prinsipal3 NK

184 ISSN 0216-3128 Anni Rahmat, dkk. untuknosel masuk dan nosel keluar. Mengacu pada ASME III maka distribusi tegangan yang terjadi masih dalam batas aman. DAFTAR PUSTAKA 1. JIN-SU KIM, Investigation on Constraint of Reactor Pressure Vessel Under Pressurized Thermal Shock, school of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan Korea,2002 2. ASME Section III, Rules For Construction of Nuclear Facility Components,USA 2007. 3. J.E Meyer, Structural Design Notes Topic Pressure Vessel Stress Analysis,1996 4. IAEA, Assessment and Management of Aging of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety: PWR Pressure Vessel, Austria, 2007 5. MSC Software, Marc UG,2010 TANYA JAWAB Sriyono Analisi tegangan pada material/nozzle mengikuti standar apa? Apakah terjadi perbedaan tegangan jika menggunakan material yang berbeda? Anni Rahmat AMSE section III sebagai acuan apakah nilai tegangan yang bekerja pada nozzle masih aman. Terjadi perbedaan karena dengan adanya perbedaan material akan merubah matrik kekakuan mengikuti empiris: Dimana adalah fungsi dari D