Tugas Akhir PENENTUAN WELDING SEQUENCE TERBAIK PADA PENGELASAN SAMBUNGAN-T PADA SISTEM PERPIPAAN KAPAL DENGAN MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA Disusun oleh : Awang Dwi Andika 4105 100 036 Dosen Pembimbing : Totok Yulianto ST, MT JURUSAN TEKNIK PERKAPALAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Latar Belakang Penggunaan sambungan sambungan las pada pipa banyak digunakan pada bidang perkapalan dan bangunan offshore. Aplikasi pengelasan pipa sambungan-t sangat banyak ditemukan pada sistem perpipaan kapal. Distribusi panas yang tidak merata, menyebabkan timbulnya deformasi dan Tegangan Sisa. Deformasi dan tegangan sisa yang terjadi mempengaruhi sifat dan kekuatan dari sambungan las. Usaha untuk mengatur dan meminimalisasi deformasi dan tegangan sisa harus mendapatkan perhatian utama. Salah satu cara untuk meminimalisasi deformasi dan tegangan sisa adalah menentukan welding sequence yang tepat.
Perumusan Masalah Bagaimana distribusi panas yang terjadi pada pengelasan sambungan-t pada sistem perpipaan? Bagaimana bentuk deformasi yang terjadi akibat distribusi panas yang tidak merata pada sambungan pipa tersebut? Berapa besar tegangan sisa yang ada setelah pipa mengalami pengelasan? Bagaimana meminimalisir terjadinya tegangan sisa dan deformasi pada sambungan-t pada sistem perpipaan?
Tujuan Mengetahui distribusi panas pada pengelasan sambungan-t pada pipa. Mengetahui bentuk deformasi yang terjadi akibat distribusi panas yang tidak merata pada pengelasan sambungan-t pada pipa. Mengetahui besar tegangan sisa yang ada di daerah pengelasan sambungan-t pada pipa. Mengetahui welding sequence/urutan pengelasan yang paling baik untuk meminimalisir deformasi dan tegangan sisa pada pengelasan samabungan-t pada pipa.
Batasan Masalah Bentuk sambungan adalah T-joint, jadi yang menjadi pembahasan disini adalah pengelasan melingkar / keliling pipa. Proses pengelasan yang digunakan SMAW (Shielding Metal Arc Welding) Spesifikasi Material yang digunakan adalah Carbon Steel Pipe A 106 Grade B Prosedur pengelasan berdasarkan WPS dari pihak galangan. Validasi yang digunakan adalah distribusi thermal (menggunakan thermocouple), dan deformasi (menggunakan dial gauge) yang didapat dari pengelasan pipa sambungan-t
Manfaat Adanya pemahaman terhadap pengaruh panas yang ditimbulkan akibat penjalaran pembebanan panas (pengelasan) yang dilakukan. Mengetahui hubungan antara distribusi panas, deformasi yang terbentuk dan tegangan sisa akibat pengelasan. Memperoleh welding sequence yang terbaik untuk meminimalisir deformasi dan tegangan sisa yang terjadi sehingga diperoleh hasil pengelasan yang paling baik.
TINJAUAN PUSTAKA Thermal Las Proses pengelasan dilakukan dengan cara melakukan pemanasan setempat atau lokal. Distribusi temperatur yang terjadi pada saat proses pemanasan maupun pendinginan tidak merata pada seluruh material. Ketidakmerataan distribusi temperatur inilah yang menjadi penyebab timbulnya deformasi dan tegangan pada struktur las. Untuk menyelesaikan berbagai persoalan dari deformasi tegangan sisa hasil pengelasan harus diketahui dahulu bagaimana distribusi dari temperatur yang dihasilkan terhadap material las.
Distribusi Panas Distribusi panas dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu : Sifat konduktifitas ( sifat mampu menghantar panas ) dari material kerja. Besarnya massa dari logam yang berada di sekeliling daerah las. Alur yang tersedia untuk proses konduksi panas. Teknik pengelasan yang dilakukan
Deformasi Deformasi disebabkan karena adanya proses pemuaian dan penyusutan yang tidak seragam/sama dari weld metal dan bagian base metal yang terkena pengaruh panas selama siklus pemanasan dan pendinginan dari proses pengelasan Pengerjaan pengelasan pada satu sisi (one side welding) akan menyebabkan semakin besar deformasi yang terjadi dibandingkan dengan pengerjaan pengelasan dua sisi (two side welding) Beberapa perubahan bentuk / deformasi, antara lain : Penyusutan melintang tegak lurus terhadap arah pengelasan Penyusutan memanjang sejajar arah pengelasan
Tegangan Sisa Pada proses pengelasan, bagian yang dilas mengalami pengembangan termal sedangkan bagian yang dingin tidak berubah sehingga terbentuk semacam penghalang pengembangan yang menyebabkan regangan. Regangan yang sifatnya tetap akan menyebabkan timbulnya tegangan pada material. Tegangan inilah yang disebut tegangan sisa (residual stress) Tegangan sisa dapat mempengaruhi tegangan patah getas dan kekuatan tekuk struktur las
Welding Sequence Salah satu cara untuk meminimalisir deformasi dan tegangan sisa adalah menentukan welding sequence yang tepat Ada 3 macam welding sequence yang biasa digunakan pada pengelasan sambungan-t pipa, antara lain : Welding Sequence Menerus Welding Sequence Simetri Welding Sequence Loncat
Skets Welding Sequence Variasi I Variasi II Variasi III
Metode Elemen Hingga Konsep dasar metode elemen hingga adalah diskritisasi yaitu pembagian suatu material menjadi elemen-elemen kecil (meshing) sehingga lebih memudahkan dalam melakukan perhitungan. Pembagian material menjadi elemen-elemen kecil dilakukan dengan bantuan software ANSYS.
Flowchart Metodologi Mulai Studi Literatur Material Properties PENGUJIAN Pengelasan Material Spesimen PEMODELAN Analisa Thermal (transient) Uji Hasil Pengelasan -Distribusi Thermal -Deformasi Analisa Struktural (statis) Data Hasil Pengujian Data Hasil Pemodelan Evaluasi dan Validasi Data Invalid Valid Pemodelan dengan Variasi Welding Sequence Analisa Hasil dan Pembahasan Penulisan Laporan Selesai
METODOLOGI 1. Pengujian : Tahap persiapan Tahap pengelasan Tahap pengukuran Perubahan suhu, dan deformasi. 2. Simulasi dengan Ansys 11.0 Penentuan Material Properties Penentuan Heat Flux Pemodelan (Thermal & Struktural). Validasi Hasil Pemodelan Untuk Setiap Variasi Welding Sequence.
Spesifikasi Material Pipa Utama ASTM A106 Grade B Out Side Diameter = 170 mm Wall Thickness = 10 mm Length of Pipe Speciment = 400 mm Pipa Cabang ASTM A106 Grade B Out Side Diameter = 90 mm Wall Thickness = 8 mm Length of Pipe Speciment = 300 mm
Parameter Pengelasan Besar arus listrik Kecepatan rata2 Tegangan listrik Jumlah Layer Proses Pengelasan Waktu Pendinginan Diameter Elektrode = 110 Ampere = 2.00 mm/s = 20 25 Volt = 3 Layer = SMAW = + 1.5 jam = 3.2 mm
Tahapan Pengujian
Pemodelan Thermal
Pemodelan Struktural
Pemodelan Modelling Meshing
Distribusi Panas Pemodelan Thermal
Perubahan Temperatur (Pengujian) 160 Validasi Suhu 140 120 Suhu (K) 100 80 60 40 20 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Waktu (detik) Suhu pengelasan
Validasi Thermal
Validasi Struktural Deformasi Axial pada Pipa Utama Deformasi Axial pada Pipa Cabang
HASIL ANALISA VARIASI 1 (Welding Sequence Menerus) (4) Finish Start (1) Arah Pengelasan (3) (2) Deformasi maksimal : 0.112 mm Deformasi maksimal : 0.125 mm
HASIL SOLVE STRUKTURAL ANSYS (Variasi 1-Welding Sequence Menerus) AXIAL STRESS CIRCUMFERENTIAL STRESS VON MISES STRESS
HASIL ANALISA VARIASI 2 (Welding Sequence Simetri) (3) Start 2 Start 1 (1) Arah Pengelasan (4) (2) Finish 2 Finish 1 Deformasi maksimal : 0.102 mm Deformasi maksimal : 0.120 mm
HASIL SOLVE STRUKTURAL ANSYS (Variasi 2-Welding Sequence Simetri) AXIAL STRESS CIRCUMFERENTIAL STRESS VON MISES STRESS
HASIL ANALISA VARIASI 3 (Welding Sequence Loncat) Start 4 Finish 2 (4) Finish 4 Start 1 (1) Finish 1 Start 3 Arah Pengelasan (2) (3) Start 2 Finish 3 Deformasi maksimal : 0.097 mm Deformasi maksimal : 0.117 mm
HASIL SOLVE STRUKTURAL ANSYS (Variasi 3-Welding Sequence Loncat) AXIAL STRESS CIRCUMFERENTIAL STRESS VON MISES STRESS
PERBANDINGAN HASIL ANALISA Axial Stress pada Pipa Utama Axial Stress pada Pipa Cabang 150 100 100 50 Tegangan (MPa) 50 0-50 -100-150 0 50 100 150 Variasi I Variasi II Variasi III Tegangan (MPa) 0-50 -100-150 -200-250 0 50 100 150 200 250 300 Variasi I Variasi II Variasi III -200-300 -250-350 Jarak dari weld toe (mm) Jarak dari weld toe (mm) AXIAL STRESS
PERBANDINGAN HASIL ANALISA Hoopvs Stress pada Pipa Cabang Hoop Stress pada Pipa Utama 0-100 0 50 100 150 200 250 300 0-50 0 50 100 150 Tegangan (MPa) -200-300 -400 Variasi I Variasi II Variasi III Tegangan (MPa) -100-150 -200-250 Variasi I Variasi II Variasi III -500-300 -600-350 Jarak dari weld toe (mm) Jarak dari weld toe (mm) CIRCUMFERENTIAL STRESS
PERBANDINGAN HASIL ANALISA Von Mishes pada Pipa Cabang Von Mises pada Pipa Utama 500 400 450 350 400 350 300 Tegangan (MPa) 300 250 200 150 100 Variasi I Variasi II Variasi III Tegangan (MPa) 250 200 150 100 Variasi I Variasi II Variasi III 50 50 0 0 50 100 150 200 250 300 Jarak dari weld toe (mm) 0 0 50 100 150 Jarak dari weld toe (mm) VON MISES STRESS
PERBANDINGAN HASIL ANALISA No Hasil Analisa Pada Pipa Utama Variasi I Variasi II Variasi III 1 Deformasi Axial Max 0.112 mm 0.102 mm 0.097 mm 2 Tegangan Axial Max -125 Mpa -115 Mpa -106 Mpa 3 Tegangan Circumferential Max -145 Mpa -128 Mpa -110 Mpa 4 Tegangan Von Mises Max 132 Mpa 108 Mpa 78 Mpa No Hasil Analisa Pada Pipa Cabang Variasi I Variasi II Variasi III 1 Deformasi Axial Max 0.125 mm 0.12 mm 0.117 mm 2 Tegangan Axial Max -140 Mpa -120 Mpa -112Mpa 3 Tegangan Circumferential Max -162 MPa -130 Mpa -120 Mpa 4 Tegangan Von Mises Max 144 Mpa 118 Mpa 86 Mpa
KESIMPULAN Tegangan sisa total yang ditunjukkan pada grafik tegangan Von Mishes terbesar berada pada variasi 1 sebesar 132 Mpa pada pipa utama dan 144 Mpa pada pipa cabang, sedangkan tegangan terkecil berada pada variasi 3 yaitu sebesar 78 MPa pada pipa utama dan 86 Mpa pada pipa cabang. Besarnya deformasi terbesar berada pada variasi 1 sebesar 0.112 mm pada pipa utama dan 0.125 mm pada pipa cabang, sedangkan deformasi terkecil berada pada variasi 3 sebesar 0.097 mm pada pipa utama dan 0.117 mm pada pipa cabang. Dilihat dari besar tegangan sisa total dan deformasi, dapat disimpulkan bahwa variasi 3 adalah yang paling baik karena memiliki tegangan sisa dan deformasi yang paling minimum Dari hasil analisa yang dilakukan pada tugas akhir ini, dapat disimpulkan bahwa welding sequence terbaik pada pengelasan pipa sambungan-t adalah welding sequence loncat.
TERIMA KASIH ATAS PERHATIANNYA