Analisis Thermal Fatigue pada Nozzle Bejana Tekan Tipe Crack Gas Drier Darmanto Progam Magister Teknik Mesin Universitas Brawijaya Email: darmanto_sm@ymail.com/darmanto@gmail.com Abstract One of the most critical component in a pressure vessel is the nozzle because it is very sensitive to thermal fatigue. The fatigue life of a top head nozzle of crack gas drier is calculted based on ASME NB 3216.1 module during fluctuative temperature cycle. The life of ten locations at the nozzle are caculated using two dimensions axisymmetric model. ABAQUS and ANSYS are used to analyze thermal fatigue. The life calculation result of the ten locations is infinite. Keywords: nozzle, thermal fatigue, ASME PENDAHULUAN Pressure vessel (bejana tekan) merupakan salah satu peralatan yang sering digunakan dalam pembangkit istrik atau indusri kimia. Salah satu tipe bejana tekan yang digunakan untuk proses pengeringan adalah crack gas drier. Crack gas drier dan sistem perpipaan dihubungkan dengan nozzle. Selama operasi berlangsung, gas melewati nozzle dengan temperatur yang berfluktuasi secara berulang. Fluktuasi temperature tersebut mengakibatkan beban termal (thermal load) pada nozzle [1][2]. Nozzle merupakan salah satu bagian penting dari bejana tekan karena sangat sensitif terhadap beban termal [3]. Adanya beban termal yang berlangsung secara siklus, akan mengakibatkan kegagalan pada struktur yang dikenal sebagai thermal fatigue [2]. Oleh karena itu, penting dilakukan analisis kegagalan (fatigue analysis) yang disebabkan oleh beban termal untuk memperkirakan umur dari nozzle tersebut. Mevada dkk [4] melakukan simulasi fluktuasi temperatur dan tekanan terhadap nozzle dan kepala bejana tekan bagian atas. Hasil simulasi menunjukkan bahwa temperatur nozzle lebih tingi dibandingkan dengan temperatur bejana tekan [4]. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis kegagalan pada nozzle dari crack gas drier yang mengalami beban termal sesuai dengan pedoman ASME NB- 3216.1. Umur dari sepuluh lokasi pada nozzle akan ditentukan dengan menghitung tegangan prinsipal dari sepuluh lokasi tersebut. METODE Analisis dilakukan dengan melakukan pemodelan dua dimensi secara aksisimetris. Analisis dimulai dengan analisis termal untuk menenetukan profil temperatur dari nozzle. Setelah itu, analisis tegangan dilakukan untuk mengevaluasi tegangan akibat fluktuasi temperatur. Kedua analisis ini dijalankan dengan menggunakan software ABAQUS. Software ANSYS
digunakan untuk menentukan umur nozzle akibat thermal fatigue dengan menghitung terlebih dahulu tegangan prinsipal dari sepuluh lokasi tersebut. Tegangan prinsipal digunakan untuk menentukan tegangan geser maksimum. Tegangan geser maksimum dari sepuluh lokasi tersebut berfungsi sebagai tegangan alternating (alternating stress). (6) (7) Perhitungan Tegangan Prinsipal dan Tegangan Alternating Tegangan prinsipal merupakan akar dari persamaan kubik yang ditentukan dari komponen tegangan. Persamaan kubik dari komponen tegangan adalah [5], (8) (9) (1) di mana σ adalah tegangan prinsipal yang akan memiliki tiga akar, yaitu σ 1, σ 2, dan σ 3. Tegangan prisipal dihitung dengan persamaan berikut. (2) Ketiga tegangan prinsipal kemudian diurutkan mulai dari tertinggi sampai dengan terendah. Kehadiran retak fatigue sangat berhubungan dengan slip sepanjang bidang tegangan maksimum. Oleh karena itu, tegangan alternating dihitung dengan menentukan tegangan geser maksimum [5], yaitu (10) (11) (3) (12) dengan, (4) (5) Model Elemen Hingga Bagian dari crack gas drier terdiri atas bejana tekan itu sendiri dan nozzle, seperti dalam Gambar 1. Bagian yang ditandai dengan garis merah adalah nozzle yang dianalisis. Perhitungan desain didasarkan pada ASME Section VIII Division I [4].
Sifat-Sifat Material Bejana tekan dan nozzle terbuat dari material SA516 Grade 70. Sifat-sifat material SA516 Grade 70 ditampilkan dalam Tabel 1 [4][6][7]. Tabel 1. Sifat-sifat material SA516 Grade 70 Sifat Material Modulus elastisitas, E (N/mm 2 ) Nilai 190000 Gambar 1. Bagian crack gas drier [4] Rasio Poisson, v 0,3 Density, ρ (kg/mm 3 ) 1,373 x 10-5 Model aksisimetris ditampilkan dalam Gambar 2. Elemen 3-node linear axisymmetric heat transfer triangle (DCAX3) digunakan dalam analisis termal, sedangkan elemen 3-node linear axisymmetric triangle element (CAX3) digunakan dalam analisis tegangan. Jumlah mesh dari model adalah 2262 elemen. Koefisien ekspansi termal, α (/ C) Konduktivitas termal, k (W/mm C) Panas spesifik, c (J/kg C) 7,1 x 10-6 0,0533 494 Kondisi Batas Pada analisis termal, kondisi batas adalah kondisi temperatur (T) yang beroperasi pada nozzle dan koefisien pindah panas (h) dari gas yang melewati nozzle. Nozzle mengalami fluktuasi temperatur berkisar antara 15 C sampai dengan 220 C yang terdiri dari proses adsorbsi dan regenerasi. Kondisi temperatur dan koefisien pindah panas masing-masing ditampilkan dalam Gambar 3, Gambar 4 [4], dan Tabel 2. Gambar 2. Model nozzle 2D-aksisimetris
20520 220 1,954 x 10-3 31320 15 2,823 x 10-4 Analisis termal digunakan sebagai beban termal dalam analisis tegangan. Bagian atas nozzle dibiarkan bebas tanpa tumpuan. Bagian bawah dari nozzle dibatasi dengan x = 0 dan y = 0. Gambar 5 menunjukkan kondisi batas dari analisis tegangan Gambar 3. Kondisi koefisien pindah panas Gambar 4. Kondisi temperatur Gambar 5. Kondisi batas untuk analisis tegangan Tabel 2. Kondisi Ta dan ha Waktu, t (detik) Temperatur, T ( C) Koefisien Pindah Panas, h (W/mm 2 C ) 1 15 3,027 x 10-4 1800 80 7,977 x 10-5 6120 220 1,954 x 10-3 Perhitungan Umur Nozzle Perhitungan umur sepuluh lokasi pada nozzle dilakukan sesuai dengan pedoman ASME NB 3216.1. Pedoman tersebut menyatakan bahwa dalam perhitungan umur fatigue, arah dari tegangan prinsipal adalah konstan [8]. Sepuluh lokasi tersebut ditampilkan dalam Gambar 6. Kurva tegangan siklus sesuai dengan ASME Division II seperti dalam Gambar 7 [9].
Temperatur seluruh nozzle mencapai nilai tertinggi yaitu 219,89 C saat temperatur gas mencapai 220 C. Saat proses berakhir, temperatur nozzle turun sampai berkisar antara 15 C hingga 18 C. Gambar 6. Lokasi untuk perhitungan umur fatigue (a) (b) Gambar 8. Profil temperatur (a) t = 23,4 jam (b) t = 47,4 jam Analisis Tegangan Gambar 7. Kurva tegangan siklus untuk material SA516 Grade 70 [9] HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Termal Gambar 8(a) adalah profil temperatur nozzle pada saat t = 23,4 jam dimana temperatur gas mencapai 220 C dan dan Gambar 8(b) adalah profil temperatur saat proses berakhir dengan temperatur gas 15 C. Temperatur nozzle meningkat seiring dengan peningkatan temperatur gas yang melewati nozzle bagian dalam. Gambar 9(a) merupakan profil tegangan dari nozzle pada t = 23,4 jam saat temperatur gas mencapai 220 C. Pada waktu tersebut, tegangan termal mencapai nilai tertinggi yaitu 726 N/mm 2. Gambar 9(b) adalah profil tegangan dari nozzle pada saat akhir proses, di mana temperatur gas turun hingga 15 C. Tegangan tertinggi berkisar pada nilai 10 N/mm 2. Hasil simulasi menunjukkan bahwa penigkatan tegangan termal berbanding lurus dengan peningkatan temperatur nozzle. Hasil ini konsisten secara teoritis [2].
Teganagn, σ (N/mm 2 ) 0 1281 2641 4001 5361 6421 7101 7781 8461 9141 9821 10501 11181 11861 12541 13221 13901 14581 15261 15941 16621 17301 17981 18661 19341 20021 Tegangan, σ (N/mm 2 ) 0 1281 2641 4001 5361 6421 7101 7781 8461 9141 9821 10501 11181 11861 12541 13221 13901 14581 15261 15941 16621 17301 17981 18661 19341 20021 S11 S22 S33 S12 250 200 150 100 50 0-50 -100-150 -200-250 Waktu operasi, t (detik) Gambar 10. Komponen tegangan untuk lokasi H (a) (b) 200 100 S11 S22 S33 S12 Gambar 9. Profil tegangan (a) t = 23,4 jam (b) t = 47,4 jam Perhitungan tegangan prinsipal dari sepuluh lokasi dilakukan untuk menentukan umur dari sepuluh lokasi tersebut. Untuk menghitung tegangan prinsipal, maka penting untuk mengetahui komponen tegangan dari masing-masing lokasi selama operasi. Model dua dimensi aksisimetris dalam ABAQUS hanya menampilkan S11, S22, S33, dan S12 [10]. Gambar 10 dan Gambar 11 adalah komponen tegangan untuk lokasi H dan J. Gambar 10 dan Gambar 11 menunjukkan bahwa semakin meningkat temperatur nozzle, komponen tegangan juga semakin besar. Komponen tegangan S33 memiliki peningkatan yang semakin besar. Tanda posistif menandakan tegangan tarik dan negatif menandakan tegangan tekan pada lokasi tersebut. 0-100 -200-300 -400-500 Waktu operasi, t (detik) Gambar 11. Komponen tegangan untuk lokasi J Perhitungan Umur Nozzle Hasil dari perhitungn umur dari sepuluh lokasi pada nozzle ditampilkan dalam Tabel 3. Lokasi bagian bawah menunjukkan tegangan alternating yang lebih tinggi. Adanya reaksi tumpuan terhadap beban termal mengakibatkan peningkatan komponen tegangan yang sangat tinggi di lokasi yang berdekatan dengan tumpuan. Hal ini mengakibatkan tegangan alternating yang dekat dengan tumpuan menjadi lebih tinggi jika dibandingkan dengan lokasi yang jauh dari tumpuan, misalnya G, H, I, dan J. Bagian atas yang dibiarkan bebas tanpa adanya tumpuan pada ujung nozzle mengakibatkan tegangan alternating yang kecil. Hasil perhitungan umur akibat thermal fatigue dari sepuluh lokasi pada nozzle adalah infinite. Hal ini berarti kegagalan
akibat beban termal pada sepuluh lokasi tersebut akan terjadi pada siklus yang panjang. Hal ini bisa disebabkan oleh tegangan alternating yang beroperasi di bawah batas kegagalan (endurance limit). Tabel 3. Umur sepuluh lokasi LOKASI TEGANGAN ALTERNATING (N/mm 2 ) UMUR (CYCLES) A 5,171 Infinite B 6,14 Infinite C 12,62 Infinite D 12,13 Infinite E 53,84 Infinite F 76,2 Infinite G 100,36 Infinite H 124,69 Infinite I 206,03 Infinite J 139,13 Infinite KESIMPULAN Perhitungan umur dari sepuluh lokasi yang diinvestigasi dari nozzle crack gas drier dilakukan berdasarkan panduan ASME NB 3216.1. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa kegagalan pada sepuluh lokasi tersebut akan terjadi pada siklus yang panjang (infinite). DAFTAR PUSTAKA [1] Mevada D D., Patel K B., Patel N A., 2012, A Review on Transient Thermal Analysis for Top Head Nozzle of Crack Gas Drier by Finite Element Method, International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), Vol. 2, No. 2, 339-345. [2] Moss, Denish R., 2004, Pressure Vessel Design Manual, 3 rd Edition, Gulf Professional Publishing, Burlington. [3] Meza I. S., Gómez L. H. H., Sosa G. U., Fernández J. A. B., Cruz E. A. M., Pineda J. M. S., and Sánchez A. T. V., 2007, Thermal Fatigue Analysis of an Emergency Core Cooling System Nozzle of a BWR Reactor, by Finite Element Method, Cientifica, Vol. 11, No. 3, 113-119. [4] Mevada D D., Patel K B., Chavda B M., 2012, Transient Thermal Analysis For Top Head Nozzle of Crack Gas Drier by Finite Element Method, International Journal of Advanced Engineering Research and Studies (IJAERS), Vol. 1, No. 3, 192-195. [5] ---, 2011, Stress-Based Fatigue Monitoring, Methodology for Fatigue Monitoring of Class 1 Nuclear Components in a Reactor Water Environment, Electric Power Research Institute (EPRI), Palo Alto. [6] Mateen, S. A., and Rao, N. A. N., 2011, Structural and Thermal Analysis of Condenser by Using Finite Element Analysis, International Journal of Mathematical Sciences, Technology and Humanities, Vol. 4, 37-52. [7] Adkins H.E. Jr., Cuta J.M., Koeppel B.J Guzman A.D., Bajwa C.S., 2006, Spent Fuel Transportation Package Response to the Baltimore Tunnel Fire Scenario, U.S. Nuclear Regulatory Commission Report, U.S. Nuclear Regulatory Commission (USNRC), Washington, D.C. [8] ----, 1998, Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Division-1, Subsection NB Class
1 Components, The American Society of Mechanical Engineers, New York. [9] ----, 1998, Rules for Construction of Pressure Vessel ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Division-2, The American Society of Mechanical Engineers, New York. [10] ----, 2011, ABAQUS User s Manual V6.11, Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence.