BAB IV PERHITUNGAN ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Perhitungan Bejana Tekan Seperti yang diuraikan pada BAB II, bahwa bejana tekan yang dimaksud dalam penyusunan tugas akhir ini adalah suatu tabung tertutup berbentuk silinder yang digunakan sebagai penampungan tekanan baik tekanan internal maupun tekanan eksternal, tekanan ini dapat diperoleh dari sumber eksternal atau dari penggunaan panas yang berasal dari sumber tak langsung maupun sumber sembarang dari sumber-sumber lainnya. Pada Bab IV ini akan di uraikan metode perhitungan untuk ketebalan dinding, ketebalan kepala bejana tekan, ketebalan manhole dan ketebalan-kebetalan dan rating nosel-nosel yang merupakan bagianbagian dari bejana tekan. 4.2 Dimensi Bejana Tekan Dalam menentukan dimensi atau ukuran dari suatu bejana tekan, maka akan dibahas mengenai rumus-rumus yang berkaitan dalam menentukan ukuran atau dimensi dalam merencanakan suatu bejana tekan yaitu kapasitas, diameter, panjang, tebal dinding dan tebal dinding kepala bejana tekan dari suatu bejana tekan, yang perlu mempengaruhi kapasitas atau daya tampung dari bejana yang dicermati dan dianalisa sedemikian rupa, sehingga tidak terjadi kondisi-kondisi buruk yang tidak diinginkan harus diantisipasi dalam perencanaan sebelum bejana tekan tersebut ditentukan dimensianya untuk menampung kapasitas produksi yang telah ditentukan didalam tahap perhitungan atau perencanaan. Didalam kreteria perencanaan bejana tekan ini ditentukan kreteria perencanaan sbb: 1. Jenis Bejana Tekan : Separator 3-Phase 2. Kapasitas Produksi V : 2000 bbl 3. Diameter Di : 4600 mm 4. Panjang (T/T) L : 14000 mm 5. Tekanan Perencanaan Pd : 45 Bar / 4.5 MPa 6. Tekanan Operasi Po : 31 bar / 3.1 MPa 7. Max. Tekanan test Pi : 65.5 bar / 6.55 MPa 8. Temperatur Perencanaan t : 185 0 F (85 0 C) 9. Temperatur Operasi ti : 156 0 F (69 0 C)
10. Corrosion Allowance C : 6 mm 10. Jenis Material yang digunakan : - Sheel : ASTM A516 Gr.70 (Max. 490 kg/mm 2 ) - Kepala bejana tekan : ASTM A516 Gr.70 - Man Hole : ASTM A105 - Nozzles (Flanges) : ASTM A105 - Pipes : API A5L Gr.B 4.2.1 Kapasitas Bejana Kapasitas atau volume produksi yang didapat ditampung secara terus menerus oleh bejana dengan di asumsikan terlebih dahulu diameter dan panjang bejana dengan rumus sbb: V 250 M 3 ~ 1575 bbl Dimana : V Kapasitas (M 3 ) 4.2.2 Panjang Bejana Panjang bejana tekan dapat dihitung berdasarkan asumsi atau perkiraan waktu aliran gas yang masuk sampai gas keluar, dengan waktu yang sama untuk besarnya butiran cairan dengan ukuran diameter (Dp), jatuh dari atas bejana tekan ke
permukaan cairan, sehingga untuk panjang separator bisa dicari dan diameter ini berfungsi untuk mengurangi kecepatan. Dimana : L Panjang Bejana tekan gas masuk - gas keluar ( mm) Qa Aliran Gas Vt Terminal Velocity (m/det) Dv Diameter Bejana tekan ( mm ) Gambar 3.1 Separator Gas Inlet dan Outlet (7 4.2.3 Ketebalan dinding (Shell) Ketebalan badan dinding bejana yang mengalami tekanan internal tidak boleh lebih tipis dari pada nilai yang dihitung dari rumus berikut ini, disamping itu provisi harus dibuat untuk setiap beban lain, jika beban itu diperkirakan terjadi, untuk menghitung ketabalan dinding badan bejana maka dapat digunakan rumus berikut ini: (7 Gas Liquid Separator Design, Section 7 Halaman 7-8
t 66 mm t t + C.A. 66 + 6 72 mm Dimana : P Tekanan Perencanaan or MAWP ( MPa ) S Stress value of shell material ( kg/mm 2 ) E Joint effisiency D Inside radius (mm) t Wall thickness (mm) C. A Corrosion allowance (mm ) t Gambar 3.2 Separator menghitung ketebalan Dinding (shell) (8 4.2.4 Ketebalan dinding kepala bejana tekan Ketebalan dinding kepala bejana tekan berbentuk setengah lingkaran (Spherre dan Hemispherical Head) dapat kita cari dengan rumus sebagai berikut: (8 The American of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 19
Gambar 3.3 Ketebalan dinding kepala bejana tekan (9 t 34 mm t t + C.A. 34 + 6 40 mm 4.2.5 Letak posisi saddle Untuk bejana tekan jenis Separator untuk mendudukan posisi separator agar supaya kedudukannya simbang, kuat dan permanent, maka digunakan dua penyangga (saddle). Untuk merencanakan penyangga supaya lebih hemat dari segi material maka tidak usah menggunakan plat pengaku (stiffener ring) bila tidak di perlukan. Bila separator cukup besar maka letak penyangga harus dekat dengan kepala bejana tekan. Penyangga bila menggunakan plat pengaku maka minimum di anjurkan menggunakan ASME adalah 120 0 terkecuali separator kecil menggunakan standar G-6. A minimum 0.2 x L...(8) (9 The American of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 19
Gambar 3.4 Posisi penyangga bejana tekan (saddle) (10 4.2.6 Ketebalan manhole Ketebalan dinding manhole yang diinginkan dapat diketahui dengan menggunakan rumus sebagai berikut : x Rn + C, (mm)...(9) - D Diameter luar manhole 600 mm - Diameter dalam manhole 590 mm, Rn 295 mm - C Korosi yang diizinkan 3 mm - Trn Ketebalan dinding Manhole Minimum ketebalan yang dihitung adalah: 16 mm (10 The Amirican of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 79
Jadi standard flanges & pipa yang ada dipasaran, yang akan digunakan adalah 24 Schedule 40 (ketebalan dinding pipa adalah 17,5 mm). Maka berdasarkan perhitungan diatas untuk ketebalan dinding manhole yang digunakan 24 Schedule 40 cukup aman untuk digunakan. Gambar 3.5 Manhole pada bejana tekan bertekanan (11 4.2.7 Perhitungan kekuatan sambungan las Perhitungan sambungan pengelasan berdasarkan tegangan boleh dengan anggapan bahwa hubungan antara tegangan dengan regangan mengikuti hukum Hooke dengan syarat bahwa tegangan terbesar yang terjadi tidak melebihi tegangan yang diizinkan. Tegangan...(10) L 2 x D 1 Dimana : F Beban (Kg) Ao Luas penampang (mm 2 ) Tegangan tarik ( kg/mm 2 ) l 2 Panjang daerah pengelasan ( cm ) L 2 Panjang keliling diameter vesel ( cm ) D 1 Diameter vesel ( cm ) (11 The Amirican of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 89
Untuk mengetahui kekuatan las pada dinding bejana tekan tersebut maka hasil dari perhitungan L2 l 2 maka las tersebut mampu menahan tekanan yang diakibatkan oleh bejana tekan tersebut. Dinding bejana tekan tw th 3 3 Gambar 3.6 pengelasan dinding vesel (12 Bahan dinding yang di gunakan ASTM A516 Grade 70 Tegangan tarik Izin adalah 71,000 Psi (490 kg/mm2). 490 kg/mm 2 Faktor keamanan V 2 Jadi: Tegangan tarik ijin adalah : t...(11) 245 kg/mm 2 Tabel 3.1 Ketebalan plat pada bejana tekan RENFORCING PAD THICKNESS THICK. MIN. PIPE NOZZLE NOZZLE 20 REINF. PAD SIZE NOZZLE 24 REINF. PAD SIZE T t3 L W L W 4 4 1170 1400 1370 1650 5 5 1170 1400 1370 1650 6 6 1170 1400 1370 1650 (12 The Amirican of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 129
8 6 1160 1390 1365 1640 10 6 1155 1380 1360 1625 12 6 1150 1370 1355 1615 15 6 1145 1360 1350 1600 Tabel 3.2. Bagian-bagian pada manhole (lobang orang) DIA. EYE DAVIT E F G H J 20 145 530 310 332 620 24 196 581 361 380 671 Tabel 3.3 Tutup Manhole FLANGES DIA. Of FLANGE JOINT DIA.. N OUTSIDE FACE THICKNES DRILLING DIAMETER t1 t2 C B D 20 24 18 27 572 632 539 24 28 20 28 672 732 641 Tabel standart untuk konstruksi (13 2.3 Analisa Data Berdasarkan perhitungan-perhitungan yang dilakukan pada bab III didapatkan datadata perhitungan ukuran dan ketebalan dari suatu bejana tekan, yang dapat digunakan sebagai analisa didalam penelitian ini, dengan data-data sebagai berikut : Data dari Bejana tekan yang dianalisa sebagai berikut: Internal diameter Bejana tekan Di 4600 mm Panjang ( T/T ) Li 14000 mm Ketebalan Plat tp 72 mm Tekanan Perencanaan Pd 45 bar / 4.5 MPa Tekanan kerja Po 31 bar / 3,1 MPa Max. Tekanan test Pi 65.5 bar / 6.55 MPa (13 Equipment Standard of Construction Indolatex Halaman 3 ~ 7
Suhu Perencanaan t 185 0 F (85 0 C) Suhu kerja ti 156 0 F (69 0 C) Ketebalan kepala bejana tekan th 40 mm Corrasion Allowance C 6 mm Material Specification S ASTM A516 Gr.70 490 N/mm 2 Faktor keamanan V 2 2.3.1 Analisa perhitungan kekuatan dinding bejana tekan Menganalisa perhitungan kekutan dinding bejana tekan akibat gaya-gaya yang bekerja pada dinding bejana tekan perlu dianalisa kasus-kasus yang terjadi seperti : - Kekuatan dinding bejana tekan terhadap kemungkinan belah - Kekuatan dinding bejana tekan terhadap kemungkinan putus - Kekutan dinding bejana tekan akibat tegangan melingkar (circumferential) - Kekuatan dinding bejana tekan akibat tegangan memanjang (longitudinal) - Kekuatan dinding bejana tekan akibat pertambahan panjang (expansi) 2.3.2 Analisa gaya yang membelah dinding Bejana tekan ( P ) Hal ini perlu dibahas karena dengan adanya tekanan akibat dari dalam bejana tekan maka kalau kasus ini tidak dianalisa maka kemungkinan akan terjadi bejana tekan pecah seperti tertera pada gambar 4.1 P DINDING VESSEL t t DINDING VESSEL
P Gambar 4.1 Gaya yang membelah dinding bejana tekan (14 - Gaya yang membelah dinding bejana tekan ( P ): P Li x Di x Pi...(12) 14.000 mm x 4.600 mm x 6.55 N/mm 2 430.859.000 N - Gaya sebesar (P) ditahan oleh dinding bejana tekan, luas irisan (A 1 ) adalah: (15 A 1 2 x Li x t + 2 x tp ( Di + 2 tp )...(13) 2 x 14.000 mm x 72 mm + 2 x 72 (4.600 mm + 2 x 72 mm) 2.742.336 mm 2 - Dengan terjadinya tegangan di dalam dinding bejana tekan sebesar t maka : A 1 x t Li x Di x Pi...(14) 430.859.000 N t 2.742.336 mm 2 t 157.12 N / mm 2 Berdasarkan analisa dengan data yang ada pada vesel tersebut diatas maka hasil yang diperoleh : t t karena tegangan yang terjadi di dalam vesel tersebut lebih kecil di bandingkan dengan tegangan ijin maka bejana tekan dinyatakan aman. (14 The Amirican of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 192 (15 Analysis & Design of Process Equipment, Barbeton, Ohio, September 1983, Hal 174~176
2.3.3 Analisa kekuatan plat kemungkinan belah (tb) tb Di tb Gambar 4.2 Ketebalan plat kemungkinan belah tb...(15) 0,0465 m 46.4 mm Berdasarkan analisa yang ada pada bejana tekan dari data tersebut di atas maka hasil yang diperoleh : tb tp karena dari hasil analisa yang didapat bahwa ketebalan dinding yang telah disediakan (tp) lebih tebal dibandingkan dengan ketebalan plat kemungkinan belah (tb), maka dinding tersebut mampu menahan tekanan yang ada pada bejana tekan tersebut dan di nyatakan aman. 2.3.4 Analisa gaya yang mengakibatkan plat putus (P): Karena adanya gaya yang ada dalam bejana tekan yang arahnya searah dengan arah posisinya bejana tekan (longitudinal), maka akan menimbulkan suatu gaya yang cenderung mengakibatkan bejana tekan putus. Untuk menghindari dalam kasus ini
maka perlu adanya analisa yang sangat teliti guna untuk menghindari putusnya bejana tekan tersebut. P P Gambar 4.3 Gaya yang memutus dinding bejana tekan (16 - Dalam kasus yang mengakibatkan putusnya plat dapat kita cari dengan rumus seperti dibawah ini : P...(16) 65.5 x 108.854.614,7 N - Gaya tersebut akan ditahan oleh kepala dinding seluas (A 2 )...(17) A 2 583.079,6 mm 2 - Dengan terjadinya tegangan di dalam dinding kepala bejana tekan sebesar t maka : A 2 x t P...(18) t...(19) (16 The Amirican of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 195
t 186.7 N / mm 2 Berdasarkan analisa dengan data yang ada pada bejana tekan tersebut diatas maka hasil yang diperoleh : t t karena tegangan yang terjadi di dalam bejana tekan tersebut lebih kecil di bandingkan dengan tegangan ijin maka bejana tekan dinyatakan aman. 2.3.5 Analisa kekuatan plat kemungkinan putus (tp): th D Gambar 4.4 Ketebalan plat kemunginan putus th...(20) th 0.030745 m th 30.745 mm Berdasarkan analisa yang ada pada bejana tekan dari data tersebut di atas maka hasil yang diperoleh : th tp dari hasil analisa yang didapat bahwa ketebalan dinding yang telah disediakan (tp) lebih tebal dibandingkan dengan ketebalan plat kemungkinan putus
(th), maka dinding tersebut mampu menahan tekanan yang ada pada bejana tekan tersebut dan di nyatakan aman. 2.3.6 Analisa tegangan memanjang atau searah bejana tekan (longitudinal) yang terjadi pada Bejana bertekanan Karena adanya gaya yang ada dalam bejana tekan yang arahnya searah dengan arah posisinya bejana tekan (longitudinal), maka akan menimbulkan suatu tegangan. Untuk menghindari dalam kasus ini maka perlu adanya analisa yang sangat teliti guna untuk mengetahui tegangan di dalam bejana tekan tersebut. S 1 Gambar 4.5 Tegangan S 1 (longitudinal) yang terjadi pada dinding bejana tekan (17 Dalam kasus yang mengakibatkan putusnya plat dapat kita cari dengan rumus seperti dibawah ini : S 1...(21) S 1 104.618.055,6 N / m 2 (17 The Amirican of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 15
t S 1 t dari hasil analisa yang didapat bahwa tegangan longitudinal (S 1 ), yang terjadi pada dinding lebih kecil dibanding dengan tegangan ijin maka dinding tersebut mampu menahan tegangan yang ada pada bejana tekan tersebut dan di nyatakan aman. 2.3.7 Analisa tegangan melingkar atau searah diameter bejana tekan (circumferential) yang terjadi pada bejana tekan bertekanan: Karena adanya gaya yang ada dalam bejana tekan yang arahnya melingkar dengan diameter bejana tekan (circumferential), maka akan menimbulkan suatu tegangan. Untuk menghindari dalam kasus ini maka perlu adanya analisa yang sangat teliti guna untuk mengetahui tegangan di dalam bejana tekan tersebut. S 2 Gambar 4.6 Tegangan S 2 (Circumferential) yang terjadi pada dinding bejana tekan (18 - Dalam kasus yang mengakibatkan putusnya plat dapat kita cari dengan rumus seperti dibawah ini : S 2...(22) S 2 S 2 209.236.111,2 N / m 2 (18 The Amirican of Mechanical Engineers, ASME Sections VIII Devisi 1, 1989 Hal. 15
t S 2 t dari hasil analisa yang didapat bahwa tegangan circumferential (S 2 ), yang terjadi pada dinding lebih kecil dibanding dengan tegangan ijin maka dinding tersebut mampu menahan tegangan yang ada pada bejana tekan tersebut dan di nyatakan aman. 2.3.8 Analisa pertambahan panjang (expansion) yang terjadi pada bejana tekan Gambar 4.7 Pertambahan panjang (Expansion) yang terjadi pada bejana tekan (19 Dimana sebelum kita mencari pertambahan panjang ini kita harus terlebih dahulu mengetahui beberapa angka atau konstanta yang diperlukan yaitu : Konstanta ( K ), Stell, mild 0.00117 Temperature t 1 32 0 C - Dalam kasus ini yang mengakibatkan terjadinya pertambahan panjang (Expansion) dapat kita cari dengan rumus seperti dibawah ini : L...(23) L 0,00285246 m L 2,85246 mm (19 American Institute of Steel Constr.I East Wacker Drive Cicago Hal. 6-6
Karena adanya temperature didalam bejana tekan ini maka akan menimbulkan pemuaian pada bejana tekan, sehingga bejana tekan akan mengalami pertambahan panjang, dan tujuan dari analisa kasus ini adalah guna untuk mengatisipasi akan terjadinya tengangan didalam bejana tekan itu sendiri. Untuk menghindari terjadinya tegangan ini maka didalam menentukan tipe atau bentuk dari penyangga bejana tekan (saddle) sangat penting dan harus mutlak ditentukan, yaitu fix dan sliding. 2.4 Hasil analisa kekuatan Dinding Bejana bertekan : Diambil dari perhitungan pada bab pembahasan, dengan data yang digunakan adalah tekanan pengujian maksimal, maka dapat dianalisa perhitungan tersebut sebagai berikut: 1. Berdasarkan analaisa pada point 4.3.2 dengan data-data yang ada pada bejana tekan diatas maka hasil yang diperoleh : Gaya yang membelah dinding bejana tekan (P), dengan terjadinya tegangan tarik ( t) didalam bejana tekan maka t t, maka bejana tekan dinyatakan aman dari kemungkinan belah. 2. Berdasarkan analisa ketebalan keakutan plat kemungkinan belah pada point 4.3.3 hasil analisa diperoleh : Ketebalan dinding yang tersedia (tp) lebih tebal dibandingkan dengan ketebalan plat kemungkinan belah (tb), tp tb maka ketebalan dinding bejana tekan mampu menahan tekanan, ketebalan plat yang disediakan bejana tekan dinyatakan aman. 3. Berdasarkan analisa gaya yang ditahan terhadap kepala bejana tekan yang mengakibatkan kemungkinan plat putus pada point 4.3.4 hasil analisa diperoleh : Tegangan yang terjadi didalam kepala bejana tekan t t, maka tegangan yang terjadi didalam kepala bejana tekan lebih kecil dibandingkan dengan tegangan yang diizinkan, maka bejana tekan dinyatakan aman. 4. Berdasarkan analisa kekuatan plat kemungkinan putus (th) pada point 4.3.5 hasil analisa diperoleh : Ketebalan dinding bejana tekan yang tersedia (tp) lebih tebal dibandingkan dengan ketebalan plat pada saat kemungkinan putus (th), th tp maka dinding bejana tekan dinyatakan aman.
Berdasarkan analisa tegangan memanjang (S 1 ) atau searah bejana tekan (longitudinal) yang terjadi pada point 4.3 hasil analisa diperoleh :Tegangan longitudinal yang terjadi pada dinding lebih kecil dibanding dengan tegangan yang diizinkan, t S 1 t maka bejana tekan mampu menahan tegangan longitudinal, maka bejana tekan dinyatakan aman. 5. Berdasarkan analisa tegangan melingkar (S 2 ) atau tegangan keliling yang terjadi didalam bejana tekan (circumferential) yang terjadi pada point 4.4 hasil analisa diperoleh : Tegangan melingkar (S 2 ) atau tegangan circumferential didalam bejana tekan lebih kecil dari tegangan izin, t S 2 t, maka bejana tekan mampu menahan tegangan circumferential, maka bejana tekan dinyatakan aman. 6. Berdasarkan analisa yang terjadi akibat pertambahan panjang dinding bejana tekan, pada point 4.5 maka hasil yang diperoleh: Karena adanya temperatur yang tinggi didalam bejana tekan tersebut maka bejana tekan mengalami expansion sebesar ( L), karena penyangga bejana tekan (saddle) dibuat dengan dua tipe yaitu fix dan sliding maka bila terjadi pertambahan panjang bejana tekan tersebut dapat diantisipasi dalam keadaan aman.