E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680 585/Akred/P2MI-LIPI/09 ...

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

558855/Akred/P2MI-LIPI/09/2014

Majalah Ilmiah

Pengkajian IndustriVolume 10 Nomor 3 : Desember 2016

TopikIndustri Teknologi Hankam dan Material

Diterbitkan oleh :Deputi Teknologi Industri Rancang Bangun & Rekayasa

Badan Pengkajian dan Penerapan TeknologiJakarta

MPI Vol. 10 No. 3 Hal. 149 - 218 Jakarta, Desember 2016 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680


Majalah Ilmiah

Pengkajian IndustriVolume 10 Nomor 3 : Desember 2016

TopikIndustri Teknologi Hankam dan Material

Diterbitkan oleh :Deputi Teknologi Industri Rancang Bangun & Rekayasa

Badan Pengkajian dan Penerapan TeknologiJakarta

MPI Vol. 10 No. 3 Hal. 149 - 218 Jakarta, Desember 2016 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680


MMaajjaallaahh IIllmmiiaahh PPeennggkkaajjiiaann IInndduussttrriiVolume 10 Nomor 3 : Desember 2016

Majalah Ilmiah Pengkajian Industri adalah wadah informasi bidang Pengkajian Industri berupahasil penelitian, studi kepustakaan maupun tulisan ilmiah terkait dalam bidang industri. Terbit

pertama kali pada tahun 1996 frekuensi terbit tiga kali setahun bulan April, Agustus dan Desember

Ketua Dewan Redaksi :

Dr. Ir. Rizqon Fajar, M.Sc (Tek. Bahan Bakar dan Pembakaran) (PTSPT)

Anggota :

Ir. Eko Syamsudin, M. Eng. (Teknik Mesin, Bid. Industri Hankam),(PTIPK)Ahmad Zaki, ST. MT. (Teknik Produksi, Bid. Industri Permesinan) (MEPPO)

Dr. Dipl.-Ing. Mulyadi Sinung, MT (Teknik Elektro, Bid. Sarana Transportasi) (PTSPT)Dr. Fariduzzaman, MSc., MT., APU (Teknik Aerodinamika, Bid. Industrial Aerodynamics) (B2TA3)Dr. Cuk Supriyadi Ali N., MEng., (Tek. Elektro, Bid. Sis. Stabilitas Ketenagaan dan Kendali) (PTIP)

Dr. Widjo Kongko, M.Eng. (Teknik Rekayasa Pantai, Bid. Industri Transportasi) (BTIDP)Ir. Soegeng Harjono, M.Sc (Teknik Perkapalan, Bid. Sistem Transportasi) (PTRIM)

Dr. Hari Setiapraja (Teknik Mesin, Bid. Industri Otomotif) (BTMP)Eka Febrianti, ST. MT. (Teknik Material, Bid. Industri) (B2TKS)

Ir. Arifin, M.Eng., (Teknologi Proses) (BTH)

MITRA BESTARI :

Dr. Ing.Ir,. H. Agus Suhartono Bidang Material BPPTDr. Ir. I Nyoman Jujur, M.Eng. Bidang Teknik Mesin BPPT

Dr, Ir. Myrna Ariati,MS Bidang Metalurgi dan Material, FT-UIProf. Ir. Wimpie Agoeng N. Aspar, MSCE., Ph.D. Bidang Teknik Sipil BPPT

Prof. Dr.Ir. Sulistijono, DEA Bidang Teknik Desain Material FTI-ITSDr. Maizirwan Mel, MSc. Bidang Bio Process Engineering IIUM Gombak-Kuala Lumpur

Alamat Redaksi/Penerbit :Deputi Bidang Teknologi Industri Rancang Bangun dan RekayasaGedung Teknologi II (251) Lantai 3, PUSPIPTEK Serpong, Tangerang Selatan (15314)Telepon : (021)75875944, ext. 1112, Fax.(021)75875938E-mail : [email protected]

M.P.I. Vol. 10, No. 3, Desember 2016

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih dan penghargaan disampaikan kepada para pakar yang telah diundang

sebagai Mitra Bestari/Penelaah oleh Majalah Pengkajian Industri dalam Volume 10, No. 3, Tahun

2016. Berikut ini daftar nama pakar yang berpartisipasi :

Nama

Derajat, Drs. (Bid. Flight Test Engineering)

Sulistijono, Prof.Dr.Ir. DEA.

(Bid. Teknik Material Desain)

Jamasri, Prof. Ir., Ph.D. (Bid. Teknik Material)

I Nyoman Jujur, Dr., M.Eng., Ir. (Bid. Teknik Mesin)

Myrna Ariati, MS., Dr.Ir. (Bid.

Metalurgi dan Material)

Alamat / Instansi Gedung Flight Test Center, PT.Dirgantara

Indonesia Jl.Pajajaran No. 154 Bandung

Rektor Institut Teknologi Kaltim Guru Besar pada Fakultas Teknik Universitas

Gajah Mada. Kampus UGM , jl.Grafika No.2, Bulak

Sumur Yogyakarta

Pusat Teknologi Material, BPPT, Ged.2 BPPT Lt.22 , Jl.M.H.Thamrin No 8, Jakarta 10340 Departemen Metalurgi dan Material, FTUI,Kampus

Baru UI Depok.

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680


SUSUNAN REDAKTUR PELAKSANA

Ketua Pelaksana : Ir. Endro Wahju Tjahjono

Wakil Ketua : Iwan Setiadi,MT

Sekretaris 1 : Dyah Kusuma Dewi, MT

Sekretaris 2 : Ihwan Haryono, Msi.

Bendahara : Era Restu Finalis,ST

Kopi Editor 1 : Dr. Eko Syamsuddin H.,M.Eng

Kopi Editor 2 : Ir. Soegeng Hardjono,MSc.

Seksi Percetakan 1 : Drs. Agus Krisnowo,MT

Seksi Percetakan 2 : Eka Febriyanti,ST

Seksi Distribusi 1 : Ir. Sayuti Syamsuar,MT

Seksi Distribusi 2 : Siti Yubaidah,MT

Seksi Korespondensi 1 : Linda Nuryanti,Skom

Seksi Korespondensi 2 : Mohammad Ivan,ST

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680


Kata Pengantar

Industri Teknologi Hankam dan Material merupakan dua kelompok besar industri yang berbasis teknologi yaitu industri Teknologi Hankam dan Industri material logam dan industri material non logam yang meliputi semua komponen yang terkait dengan pertahanan dan keamanan baik materialnya maupun komponen lainnya seperti keramik, polimer, dan komposit. Teknologi pada industri Hankam dan material selama ini terus dikembangkan melalui berbagai kegiatan penelitian dan perekayasaan. Banyak penelitian, kajian dan perekayasaan yang dilakukan oleh berbagai pihak, baik berupa lembaga maupun perorangan yang bertujuan untuk memperluas dan meningkatkan kemampuan material untuk dapat diaplikasikan dalam berbagai keperluan.

Terbitan Majalah Ilmiah Pengkajian Industri volume. 10 No. 3 Desember 2016 kali ini,

ditampilkan publikasi beberapa penelitian, kajian dan perekayasaan bidang hankam diantaranya

tentang Desain Karakteristik Kapal Markas untuk Operasi Pengamanan Perairan Perbatasan dan

Dukungan Penanganan Pasca Bencana Alam pada Masyarakat Pulau Terluar; Optimasi Desain Evaporator dan Kondenser untuk Sistem Pendingin Kabin Kendaraan dan Penentuan Temperatur

Operasional “Rod Hanger Tube Heater” Agar Mencapai Umur Operasi Desain

Pada terbitan ini juga ditampilkan topik terkait beberapa pengembangan dan analisis permasalahan pada industri material, seperti Potensi Pembentukan Kerak pada Instalasi Desalinasi Nuklir Med dengan Air Umpan dari Teluk Manggris; Efek Penambahan Cu terhadap Sifat Listrik Komposit Multi Walled Carbon Nanotubes-Cupper-Polyvinyl Alcohol (MWCNT-Cu-PVA); Pengaruh Peningkatan % Reduksi terhadap Penghalusan Butir dan Sifat Mekanik Paduan Cu-Zn 70/30 setelah Deformasi pada Suhu 400°C; Proses Pembuatan dan Pengujian Benda Uji Keramik untuk Bahan Baku Isolator Listrik Keramik Porselen; Fenomena Terjadinya Kerusakan pada Material Batang Piston; Pengaruh Proses Hot Rolling dan Kandungan Cerium pada Daya

Hantar Listrik Paduan AlZrCe sebagai Matrik Komposit Berpenguat Al2O3.

Redaksi selalu berusaha melakukan perbaikan-perbaikan dalam rangka meningkatkan

mutu Majalah Ilmiah Pengkajian Industri. Selanjutnya Redaksi berencana menerbitkan Vol. 11

No.1, bulan April 2017 dengan Topik ”Indutri Proses, Rekayasa dan Manufaktur”.Redaksi sangat

menghargai kritik dan saran yang membangun.

Redaksi Jakarta.

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680


Majalah Pengkajian Industri

• Potensi Pembentukan Kerak pada Instalasi Desalinasi Nuklir Med dengan Air Umpan dari Teluk ManggrisPotential of Scale Formation in Med Nuclear Desalination Plant with

Feed Water of Manggris Gulf (Siti Alimah, Djati H. Salimy)

• Efek Penambahan Cu terhadap Sifat Listrik Komposit Multi Walled Carbon Nanotubes-Cupper-Polyvinyl Alcohol ( MWCNT-Cu-PVA )Effect Of The Increasement Of Cu On The Electrical Properties

Of MWCNT-Cu-PVA Composite (P. Purwanto, Muflikah)

• Pengaruh Peningkatan % Reduksi terhadap Penghalusan Butir dan Sifat Mekanik Paduan Cu-Zn 70/30 setelah Deformasi pada Suhu 400°C. The Effect Of % Reduction Enhancement To Grain Refinement And Mechanical Properties Of Cu-Zn 70/30 Alloy After Deformation At 400°C (Eka Febriyanti, Amin Suhadi, Dedi Priadia, Rini Riastuti)

• Proses Pembuatan dan Pengujian Benda Uji Keramik untuk Bahan

Baku Isolator Listrik Keramik PorselenManufacturing And Testing Process Of Ceramic Specimens For Raw

Materials Of Electrical Isolator Porcelain Ceramic (Wahyu Garinas)

• Fenomena Terjadinya Kerusakan pada Material Batang PistonThe Phenomenon Of Damage To The Piston Rod Material (M. N.

Setia Nusa)

• Pengaruh Proses Hot Rolling dan Kandungan Cerium pada Daya Hantar Listrik Paduan AlZrCe sebagai Matrik Komposit Berpenguat

Al2O3, Effect of Hot Rolling Process and Cerium Content on Electrical

Conductivity of AlZrCe Alloy as Al2O3 Reinforcement Matrix Composite (Iwan Setyadi)

• Optimasi Desain Evaporator dan Kondenser untuk Sistem Pendingin Kabin KendaraanOptimized Design Of Evaporator And Condenser For Cooling System

Of Passenger Vehicle Cabin (IGA Uttariyani)

• Desain Karakteristik Kapal Markas untuk Operasi Pengamanan Perairan Perbatasan dan Dukungan Penanganan Pasca Bencana Alam pada Masyarakat Pulau Terluar.Design Characteristics of Markas Vessel for Securing the Border

Water and Emergency Support for Post Natural Disaster for the

Community on the Outer Most Island (Samudro, Abdul Kadir)

• Penentuan Temperatur Operasional “Rod Hanger Tube Heater” Agar Mencapai Umur Operasi DesainDetermination The Operating Temperature "Hanger Rod Of Heater

Tube" In Order To Achieve The Life Of Operation Design

(Hadi Sunandrio)

149 - 156

157 – 162

163 – 172

173 – 180

181 – 188

189 – 194

195 – 200

201 – 210

211 – 218

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680


POTENSI PEMBENTUKAN KERAK PADA INSTALASI

DESALINASI NUKLIR MED DENGAN AIR UMPAN DARI TELUK

MANGGRIS

POTENTIAL OF SCALE FORMATION IN MED NUCLEAR

DESALINATION PLANT WITH FEED WATER OF MANGGRIS

GULF

Siti Alimah dan Djati H.Salimy

Abstrak

Pada tahun 2025 diperkirakan terjadi defisit kebutuhan air bersih penduduk Pulau Bangka, dan jika diasumsi sekitar 30 % air bersih untuk penduduk dan fasilitas PLTN dipasok dari instalasi desalinasi MED (Multi-Effect Distillation) dengan energi panas nuklir, maka

kapasitas produksi 90.000 m3/hari. Salah satu permasalahan dalam instalasi desalinasi thermal adalah pembentukan kerak dalam permukaan perpindahan panas. Pembentukan kerak dalam instalasi desalinasi MED disebabkan oleh deposisi garam inorganik seperti kalsium karbonat, kalsium sulfat dan magnesium hidroksida. Kerak pada permukaan perpindahan panas dapat menurunkan laju perpindahan panas, yang akan berimplikasi pada penurunan kinerja dan efisiensi proses. Tujuan studi adalah menganalisis potensi pembentukan kerak dalam instalasi desalinasi MED, dengan air umpan dari Teluk Manggris. Metode yang digunakan adalah kajian literatur dan analisis berdasar perhitungan. Hasil studi menunjukkan bahwa terdapat potensi timbulnya kerak yang

disebabkan oleh CaSO4 yang diindikasikan dengan positifnya harga indeks pengerakan

(SI) sebesar 23,408. Potensi timbulnya kerak CaCO3 tidak ada, karena diperoleh harga LSI negatif dengan nilai -0,63. Namun air potensial bersifat korosif sehingga pertimbangan dalam pemilihan bahan alat perlu dilakukan. Selain itu juga terdapat potensi terbentuknya

kerak Mg(OH)2.

Kata Kunci : desalinasi nuklir, air bersih, kerak, MED, Teluk Manggris.

EFEK PENAMBAHAN Cu TERHADAP SIFAT LISTRIK

KOMPOSIT MULTI WALLED CARBON NANOTUBES-CUPPER-

POLYVINYL ALCOHOL (MWCNT-Cu-PVA)

EFECT OF Cu ADDED TO ELECTRICITY PROPERTIES MULTI

WALLED CARBON NANOTUBES-CUPPER-POLYVINYL

ALCOHOL COMPOSITE (MWCNT-Cu-PVA)

P. Purwanto dan Muflikah

Abstrak

Komposit MWCNT-Cu-PVA dibuat dengan mencampurkan serbuk MWCNT dan serbuk Cu dengan variasi konsentrasi Cu 1% dan 4% berat. Selanjutnya kedua bahan tersebut diadukdengan metode metalurgi serbuk selama 1 jam. Hasil pola difraksi sinar-X komposit MWCNT-Cu-PVA menunjukkan adanya puncak CNT dan Cu dengan pola sama. Spektroskopi Raman menunjukkan bahwa D band muncul pada 1310-1320 cm-1, puncak harmonik kedua G band muncul pada Raman shift 1605–1615 cm-1. Konduktivitas komposit MWCNT-Cu-PVA meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi, namun nilai kapasitasnya semakin menurun. Titik puncak kurva cole-cole plot pada komposit MWCNT-Cu-PVA, yang merupakan perbedaan titik dimana suatu bahan bekerja secara efektif pada frekuensi tertentu.

Kata Kunci : Karbon nanotube, Difraksi Sinar-X, Spektroskopi Raman, Konduktivitas

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680


PENGARUH PENINGKATAN % REDUKSI THD STRUKTUR

MIKRO DAN SIFAT MEKANIK PADUAN KUNINGAN Cu-Zn 70/30

SETELAH PROSES WARM ROLLING PADA SUHU 400°C

THE EFFECT OF % REDUCTION ENHANCEMENT TO

MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF Cu-

Zn BRASS 70/30 ALLOY WARM ROLLING AT 400°C

Eka Febriyantib, Amin Suhadib, Dedi Priadia, Rini Riastutia

Abstrak

Paduan Cu-Zn 70/30 banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri karena memiliki

sifat yang unggul dan belum ada penggantinya. Untuk memperoleh paduan Cu-Zn 70/30

dengan sifat mekanik yang lebih baik maka dilakukan riset baik modifikasi dari jenis material

yang sudah ada ataupun material baru agar sesuai dengan kebutuhan industri. Untuk

mengurangi biaya produksi, namun tetap menghasilkan sifat mekanik yang baik tanpa

penambahan paduan maka dikembangkan metode penghalusan butir. Salah satu alternatif

proses fabrikasi untuk mengoptimalkan sifat mekanik paduan Cu-Zn 70/30 yaitu dengan

metode warm rolling. Warm rolling yang dilakukan pada pelat paduan Cu-Zn 70/30

menggunakan % reduksi dari 29,03%, 34,4%, dan 38,16% pada suhu 400°C secara double

pass reversible. Hasil metalografi didapat ukuran butir yang semakin menurun sebesar 30,03

µm di bagian tepi dan 33,45 µm di bagian tengah pada % reduksi 38,16%. Hasil uji tarik

dengan % reduksi 38,16% menghasilkan nilai ultimate tensile strength (UTS) sebesar 478

MPa, yield strength (YS) sebesar 434 MPa, dan persentase elongasi sebesar 9%. Untuk

hasil uji kekerasan menghasilkan nilai kekerasan sebesar 135,8 HV di bagian tepi dan 128,4

HV di bagian tengah pada % reduksi 38,16%.

Kata Kunci : Paduan Cu-Zn 70/30, butir halus, sifat mekanis, warm roll

PROSES PEMBUATAN DAN PENGUJIAN BENDA UJI KERAMIK

UNTUK BAHAN BAKU ISOLATOR LISTRIK KERAMIK

PORSELEN

MANUFACTURING AND TESTING PROCESS OF CERAMIC

SPECIMENS FOR RAW MATERIALS OF ELECTRICAL

ISOLATOR PORCELAIN CERAMIC

Wahyu Garinas

Abstrak

Penelitian ini merupakan bagian dari kegiatan mencari bahan baku untuk pembuatan isolator keramik porselen. Bahan baku untuk pembuatan benda uji keramik sebagian besar menggunakan bahan baku lokal.Proses pengolahan bahan baku pada penelitian ini : pembuatan komposisi, pengolahan bahan dan pembuatan benda uji. Metode yang akan dilakukan dalam pengolahan ini yaitu proses pemisahan dengan cara basah dan kering.Untuk mengetahui kualitas kelistrikan dari bahan baku keramik maka dibuat benda uji dan dilakukan uji tegangan tembus listrik.Hasil uji terhadap benda uji ternyata semua benda uji masih belum memenuhi standar IEC maupun ASTM. Nilai hasil uji terhadap sampel sekitar (7,99 - 9,35) kV/mm dan semua sampel belum memenuhi standar yang direkomendasikan oleh PLN (9,85 kV/mm). Hasil uji tersebut menunjukkan bahwa sampel no. 5 dan 6 yang mendekati standar dari PLN. Perlu evaluasi terhadap komposisi , bahan dan proses pembuatan dari benda uji keramik.

Kata Kunci : Bahan mentah keramik (kaolin, felspar, ball clay,kuarsa), pengujian benda uji,

pengujian tegangan tembus, kualitas bahan keramik. E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680


FENOMENA TERJADINYA KERUSAKAN PADA MATERIAL

BATANG PISTON

THE PHENOMENON OF DAMAGE TO THE PISTON ROD

MATERIAL

M. N. Setia Nusa

Abstrak

Terjadi kerusakan dan pecah pada area bushing dan patah pada batang connecting rod. Dilakukan penelitian untuk mengetahui penyebab kerusakan tersebut dengan metode fractography, metalography, uji kekerasan dan uji komposisi kimia dan secara visual. Ditemukan indikasi kerusakan berawal pada dearah bushing dengan awal retak (initial crack) dan penjalaran retak (crack propagation) juga beberapa retak rambut, ini bentuk patah fatik dan menyebabkan patah pada batang connecting rod dengan ciri patah ulet (ductile fracture). Patah fatik akibat dari benturan halus yang berlangsung beberapa lama akibat dari rongga bushing yang longgar karena kurangnya pelumasan atau pelumasan yang kurang sempurna.

Kata kunci :Connecting Rod – Pelumasan – Longgar – Retak – Pecah

PENGARUH PROSES HOT ROLLING DAN KANDUNGAN CERIUM PADA DAYA HANTAR LISTRIK PADUAN AlZrCe SEBAGAI MATRIK

KOMPOSIT BERPENGUAT Al2O3

EFFECT OF HOT ROLLING PROCESS AND CERIUM CONTENT ON ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF AlZrCe

ALLOY FOR Al2O3 REINFORCEMENT MATRIX

COMPOSITE

Iwan Setyadi a, Suryadi a, Kirman b, Mirza Wibisono a

Abstrak

Sebagai upaya untuk mendapatkan material konduktor listrik, paduan alumunium-Cerium merupakan salah satu alternatif material yang dikembangkan sebagai paduan dasar untuk komposit bermatrik logam. Dalam manufaktur kawat konduktor, proses pengerolan panas merupakan bagian proses yang tidak terpisahkan untuk mereduksi penampang. Adapun fokus penelitian adalah mengamati pengaruh pengerolan panas terhadap paduan AlZrCe, dimana yang divariasikan adalah prosentase reduksi dan kandungan cerium dalam paduan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan prosentasi reduksi pengerolan panas dan kenaikan kandungan Cerium dalam paduan AlZrCe memberikan dampak peningkatan nilai konduktivitas listrik paduan AlZrCe. Hasil optimal yang diperoleh adalah 62,07% IACS, yang didapat dari master paduan AlZrCe dengan kandungan 0,3% Ce dan reduksi sebesar 67,5%. Hasil ini mendekati bahan EC (99,6% Al) yang memiliki konduktivitas listrik 63,4% IACS.

Kata kunci : paduan AlZrCe, pengerolan panas, prosentase reduksi, kandungan

Cerium, koduktivitas listrik, IACS.

E-ISSN 2541-1233

P-ISSN 1410-3680


OPTIMASI DESAIN EVAPORATOR DAN KONDENSER UNTUK

SISTEM PENDINGIN KABIN KENDARAAN

DESIGN OPTIMIZATION OF EVAPORATOR AND CONDENSER

FOR COOLING SYSTEM OF PASSENGER VEHICLE CABIN

I G A Uttariyani

Abstrak

Pada perancangan kondensor ataupun evaporator, efektifitas pertukaran panas merupakan bagian yang terpenting untuk meningkatkan kinerja dari peralatan penukar kalor. Pada kondensor jenis fin tube salah satu parameter perancangan yang paling penting untuk meningkatkan efektivitas pertukaran panas adalah urutan dan peletakkan tube-tube untuk mengalirkan refrigeran pada tube-tube kondensor. Circuit tube menentukan distribusi refrigeran melalui kondensor yang berdampak pada massa refrigeran, pertukaran panas, penurunan tekanan, dan temperatur pada setiap tube. Paper ini membahas mengenai pembuatan sirkuit refrigerant di dalam peralatan penukar panas, dan mensimulasikan temperature refrigerant, temperature udara maupun fraksi uap pada setiap tube untuk menghasilkan desain yang optimal dengan menggunakan perangkat lunak EVAP-COND. Berdasarkan hasil optimasi dari beberapa konfigurasi sirkuit tube refrigeran didapatkan desain evaporator dan kondensor yang paling optimal dengan kapasitas pelepasan panas 26 kW.

Kata kunci: Evaporator, Kondensor, Optimasi Desain, Susunan Tube

DESAIN KARAKTERISTIK KAPAL MARKAS UNTUK OPERASI

PENGAMANAN PERAIRAN PERBATASAN DAN DUKUNGAN

PENANGANAN PASCA BENCANA ALAM PADA MASYARAKAT

PULAU TERLUAR

CHARACTERISTICS DESIGN OF HEADQUARTERS SHIP FOR

BORDER PROTECTION OPERATION AND SUPPORT TO POST-

NATURAL DISASTER MANAGEMENT IN THE OUTLYING

ISLANDS COMMUNITY

Samudroa dan Abdul Kadirb

Abstrak

Ditinjau dari segi kedaulatan dan pertahanan-keamanan nasional, keberadaan pulau-pulau terluar di perairan perbatasan di bagian utara Sulawesi Utara mempunyai arti strategis bagi Indonesia dan layak untuk diamankan. Di sisi lain, wilayah geografis Sulawesi Utara dengan beberapa gunung berapi dan perairan terbuka menghadap ke samudra Pasifik, rawan terjadi bencana alam gempa dan Tsunami. Secara konseptual strategis perlu dikaji kebutuhan sarana dukung transportasi - kapal untuk pengamanan pulau-pulau terluar dan untuk kesiagaan penanganan bencana alam bagi masyarakat wilayah perairan perbatasan. Karenanya pada kajian ini dilakukan studi disain prototip kapal markas yang dilengkapi bulbous-bow untuk mampu beroperasi sesuai karakteristik pada perairan perbatasan bergelombang tinggi, serta berfungsi sebagai sarana dukung operasional patroli pengamanan perairan perbatasan dan penanganan pasca bencana alam. Desain kapal markas panjang 66 m dengan daya 2x155 HP, kecepatan dinas 12,5 Knot telah diuji model di laboratorium hidrodinamika untuk kemampuan ship powering, manuvering dan sea-keeping dengan hasil memenuhi ketentuan persyaratan IMO.

Kata Kunci : Desain kapal markas, pengamanan perairan perbatasan, bantuan pasca

bencana alam, bulbousbow, uji laboratorium hidrodinamika

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680


PENENTUAN TEMPERATUR OPERASIONAL “ROD HANGER

TUBE HEATER” AGAR MENCAPAI UMUR OPERASI DESAIN

DETERMINATION THE OPERATING TEMPERATURE

"HANGER ROD OF HEATER TUBE" IN ORDER TO

ACHIEVE THE LIFE OF OPERATION DESIGN

Hadi Sunandrio

Abstrak Rod Hanger Tube Heater yang sudah beroperasi sekitar ± 7 bulan akan tetapi belum dilengkapi dengan best practice berapa lama MTBF (Mean Time Between Failure) atau Life Time nya. Oleh karena itu dibutuhkan pengujian untuk mengetahui berapa sebenarnya Life Time dari Rod Hanger, yang nantinya akan menjadi acuan MTBF dari Rod Hanger tersebut.

Pada tulisan ini akan disajikan suatu hasil pengujian mulur (creep test) dari Rod Hanger, yang kemudian diekstrapolasi sehingga akan menghasilkan grafik LMP vs tegangan, yang merupakan kombinasi tiga parameter yaitu waktu (time to rupture), logaritma tegangan dan suhu operasi menjadi satu kurva yang disebut Kurva Master Larson-Miller Parameter (LMP Master Curve). Selanjutnya parameter ini dapat digunakan

untuk menghitung umur pakai Rod Hanger yang dioperasikan pada suhu tinggi, dengan

menggunakan persamaan Larson-Miller Parameter (LMP)

Kata kunci : Rod Hanger, Pengujian Mulur, Larson-Miller Parameter, Umur Pakai

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680

Potensi Pembentukan Kerak pada Instalasi Desalinasi Nuklir MED dengan Air Umpan dari Teluk Manggaris (Siti Alimah,Djati W.Salimy)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 149

POTENSI PEMBENTUKAN KERAK PADA INSTALASI DESALINASINUKLIR MED DENGAN AIR UMPAN DARI TELUK MANGGRIS

POTENTIAL OF SCALE FORMATION IN MED NUCLEARDESALINATION PLANT WITH FEED WATER OF MANGGRIS GULF

Siti Alimah dan Djati H.Salimy

Pusat Kajian Sistem Energi Nuklir (PKSEN) - BATANJl. Kuningan Barat, Mampang Prapatan, Jakarta, 12710 Telp/ Fax : (021) 5204243

E-mail : [email protected], [email protected]

Abstrak

Pada tahun 2025 diperkirakan terjadi defisit kebutuhan air bersih pendudukPulau Bangka, dan jika diasumsi sekitar 30 % air bersih untuk penduduk danfasilitas PLTN dipasok dari instalasi desalinasi MED (Multi-Effect Distillation)dengan energi panas nuklir, maka kapasitas produksi 90.000 m3/hari. Salah satupermasalahan dalam instalasi desalinasi thermal adalah pembentukan kerakdalam permukaan perpindahan panas. Pembentukan kerak dalam instalasidesalinasi MED disebabkan oleh deposisi garam inorganik seperti kalsiumkarbonat, kalsium sulfat dan magnesium hidroksida. Kerak pada permukaanperpindahan panas dapat menurunkan laju perpindahan panas, yang akanberimplikasi pada penurunan kinerja dan efisiensi proses. Tujuan studi adalahmenganalisis potensi pembentukan kerak dalam instalasi desalinasi MED,dengan air umpan dari Teluk Manggris. Metode yang digunakan adalah kajianliteratur dan analisis berdasar perhitungan. Hasil studi menunjukkan bahwaterdapat potensi timbulnya kerak yang disebabkan oleh CaSO4 yangdiindikasikan dengan positifnya harga indeks pengerakan (SI) sebesar 23,408.Potensi timbulnya kerak CaCO3 tidak ada, karena diperoleh harga LSI negatifdengan nilai -0,63. Namun air potensial bersifat korosif sehingga pertimbangandalam pemilihan bahan alat perlu dilakukan. Selain itu juga terdapat potensiterbentuknya kerak Mg(OH)2.

Kata Kunci : desalinasi nuklir, air bersih, kerak, MED, Teluk Manggris.

Abstract

At the year of 2025 is estimated suffer a deficit of the need of fresh water inBangka Island, and if assumed that the need of 30% fresh water of BangkaIsland peoples and for supporting NPP’s operation, can be supplied by nucleardesalination of MED (Multi-Effect Distillation) process, so the production capacity90,000 m3/day. One of the problems in thermal desalination installation is scaleformation in heat transfer surfaces. Scale formation in the MED desalination plantcaused by the deposition of inorganic salts such as calcium carbonate, calciumsulfate and magnesium hydroxide. The scale on the surface of the heat transfercan reduce the flow of heat transfer, which will have implications for the decline inthe performance and efficiency of the process. The purpose of the study was toanalyze the potential of scale formation in the MED desalination plant, that utilizethe feed water of Manggris Bay. The method used is literature assessment andanalysis based on the calculation. The result study shows that there is potentialfor scale caused by CaSO4 which is indicated by positive value (23.408) ofscaling index. There is no potential of scale formation caused by CaCO3,because resulted the negative value of LSI (-0.63). However water will bepotentially corrosive so that it becomes a consideration in equipment materialselection. In addition there are also the potential of the scale formation caused byMg(OH)2.

M.P.I. Vol.10, No 3, Desember 2016, (149 - 156)_________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233150 P-ISSN 1410-3680

Key Words : nuclear desalination, fresh water, scale, MED, Manggris Bay.

Diterima (recieved) : 15 Mei 2016, Direvisi (Revised) : 03 Oktober 2016, Disetujui(Accepted) : 27 November 2016

PENDAHULUAN

Dari studi yang telah dilakukan BATAN,Pulau Bangka di Provinsi Kepulauan BangkaBelitung (Babel) merupakan salah satu calontapak potensial PLTN di Indonesia1). Gunamemenuhi keperluan air pendingin reaktorPLTN, diperlukan air dengan spesifikasitertentu, diantaranya TDS (total padatanterlarut) sekitar 1 ppm2). Sementara itu airlaut dari Teluk Manggris di pulau Bangkamempunyai TDS 32804 ppm3), sehinggadiperlukan proses desalinasi untukpenyediaan air pendingin reaktor. Energipanas untuk proses desalinasi dapat berasaldari PLTN4).

Studi terdahulu menunjukkan bahwaPulau Bangka pada tahun 2025 diperkirakanakan mengalami defisit air bersih sebesar285.105 m3/hari3). Untuk memenuhikebutuhan air bersih sebagai pendukungoperasi PLTN 1000 MWe sebesar 2750 m3

/hari5), dan sekaligus menyumbangkebutuhan 30% air bersih untuk kehidupansehari-hari, maka kapasitas produksi airbersih instalasi desalinasi dengan energipanas nuklir adalah 90.000 m3/hari.

Teknologi desalinasi MED (Multiple-Effect Distillation) yang beroperasi padatemperatur rendah merupakan prosesdesalinasi thermal yang paling efisien saat inidan penggunaan TVC (Thermal VaporCompression) akan meningkatkan kinerjainstalasi desalinasi6,7). Kualitas air produkdesalinasi dengan proses MED dapatmencapai 1,960 ppm8). Guna memenuhikriteria air spesifikasi PLTN, maka air produkproses desalinasi selanjutnya dimurnikandengan penukar ion, dan untuk pendinginprimer kemudian ditambah boron (dalambentuk asam borat) yang berfungsi untukmenyerap netron sebagai kendali reaktivitas,lithium hidroksida dan hidrogen untukpengendalian pH dan penghambat terjadinyakorosi5).

Dalam instalasi desalinasi MED,pembentukan kerak pada permukaanperpindahan panas merupakan salah satuproblem yang dapat mengurangi efektivitasperpindahan panas sehingga menurunkankinerja instalasi dan efisiensi proses. Kerakdidefinisikan sebagai deposit kristalin yangkeras, yang terutama terdiri dari garam-garam inorganik, yang menempel padapermukaan perpindahan panas dan

memerlukan metode fisika dan atau kimiauntuk menghilangkannya9). Oleh karena itupembentukan kerak pada instalasi desalinasiMED perlu dikaji, sehingga dapat ditentukanjenis penanganan yang tepat untuk kendalikerak tersebut.

Pembentukan kerak dalam instalasidesalinasi MED disebabkan oleh deposisigaram inorganik seperti kalsium karbonat,kalsium sulfat dan magnesium hidroksidapada permukaan penukar panas10,11). Padapembentukan kerak kalsium sulfat, potensipembentukan kerak dapat diperkirakandengan menghitung Scaling Index (SI).Sedangkan potensi pembentukan kerakkalsium karbonat dapat diindasikan denganLangelier Saturation Index (LSI). Kerakmagnesium hidroksida dapat diperkirakandengan menghitung hasil kali konsentrasikomponen.

Tujuan penulisan makalah ini adalahmemperkirakan potensi pembentukan kerakdalam instalasi desalinasi MED, dengan airumpan dari Teluk Manggris, pulau Bangka.Hasil studi diharap dapat memberi masukanbagi pengambil kebijakan, gunamenyongsong pembangunan PLTN diIndonesia.

BAHAN DAN METODE

MetodeMetode yang digunakan dalam studi

adalah kajian literatur dan analisis denganmenghitung Scaling Index, LangelierSaturation Index dan hasil kali konsentrasikomponen. Dalam kajian ini, komponeninstalasi desalinasi MED yang akan di bahasadalah evaporator. Dalam proses desalinasiMED, uap mengalir ke dalam pipa-pipa (tube)horizontal di dalam tiap tahapan evaporatordan air laut disemprotkan ke sisi luar tube.Uap yang mengalir di dalam tube akanmengembun, dan melepaskan panaslatentnya ke lapisan film air laut yang terjadidi dinding sisi luar tube, sehingga lapisan filmair laut itu sebagian mendidih dan menguap,sedangkan sisanya jatuh ke dasar evaporatordan disebut brine (konsentrat garam), sepertiterlihat dalam Gambar 1. Kerak dapatterbentuk di luar tube sehingga perludianalisis potensi pembentukannya.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 151

BahanBahan yang dapat digunakan sebagai

tube adalah paduan Cu/Ni 90/10, AluminiumBrass, AlMgSi0.5 dan SS 1.4565. Perludilakukan kajian lebih lanjut untuk

menentukan jenis bahan yang tepat.

Potensi Pembentukan Kerak PadaInstalasi MED

Gambar 1.Skema Unit Instalasi Desalinasi MED7)

Kerak dalam instalasi desalinasi thermalseperti MED, merupakan salah satu faktoryang menurunkan kinerja. Untuk optimisasiproses operasi, maksimum temperatur brineadalah 70oC12), sehingga secara teoritiskerak bukan problem yang besar padadesalinasi temperatur rendah. Namun dalamprakteknya, jika berbagai faktor perawatantidak dilakukan, kerak dapat terjadi dalaminstalasi ini.

Pembentukan kerak dalam instalasidesalinasi MED disebabkan oleh deposisigaram inorganik seperti kalsium karbonat,kalsium sulfat dan magnesium hidroksida.Kelarutan garam-garam tersebut menurundengan peningkatan temperatur. Ketikabatas kelarutan senyawa tersebut terlampaui,maka kerak akan terbentuk. Pembentukankerak pada permukaan perpindahan panasakan mengurangi koeifisien perpindahanpanas keseluruhan. Selanjutnya efisiensimenurun dan produksi air akan menurun.

Dalam alat distilasi multi efek (MED)dengan horisontal tube falling filmevaporator, pengurangan atau pencegahan

kerak adalah sukar karena kerak dibentukpada sisi luar tube. Oleh karena itu metodepembersihan mekanik seperti sistempembersihan dengan bola bukan merupakanteknik kontrol kerak yang efektif untuk MED.Untuk menentukan teknik kontrol kerak yangefektif maka perlu diketahui potensipembentukan kerak.

Kerak CaSO4Kerak kalsium sulfat melekat keras, tidak

larut dalam asam mineral dan beberapapelarut umum lain. Kerak kalsium sulfatadalah hasil kristalisasi langsung gypsum(CaSO4.2H2O), hemihidrat (CaSO4.1/2H2O)dan anhidrat (CaSO4) dari air laut, ketikabatas kelarutan terlampaui. Hemihidrat(CaSO4.1/2H2O) adalah metastabil dandiendapkan ketika air diuapkan padatemperatur di atas 100oC. Fase laju transisidan temperatur dalam sistem kalsium sulfatlarutan diperlihatkan dalam Gambar 2. Diatas sekitar 42oC, anhidrat stabil dibentuk,dan di bawah temperatur ini gypsum jugastabil10).


E-ISSN 2541-1233152 P-ISSN 1410-3680

Gambar 2.Fase Laju Transisi dan Temperatur dalam Sistem Kalsium Sulfat Larutan13).

Di atas 98oC, bentuk hemihidrat lebih stabildaripada gypsum, tapi kurang stabil darianhidrat. Di atas 42oC, nukleasi dari anhidrat,tidak spontan. Pertamakali, hemihidrat akanterbentuk, dan selanjutnya ditransformasimenjadi anhidrat perlahan-lahan. Kristalgypsum adalah monoklinik, hemihidratheksagonal dan anhidrat orthorombik.

Kelarutan kalsium sulfat menurundengan peningkatan temperatur. Dalamlarutan garam yang mengandung ion-ionumum, kelarutan kalsium sulfat akanmenurun. Namun dalam larutan dengankonsentrasi garam tinggi, efeknya adalahkebalikan. Beberapa studi memperlihatkanbahwa kelarutan semua garam kalsium sulfatmeningkat dengan peningkatan konsentrasiNaCl, dan mencapai maksimum antara 2-3molal dan menurun pada tingkat garam lebihtinggi. Ion magnesiun cukup signifikanmempengaruhi kelarutan kalsium sulfatkarena muatan densitas tinggi. Gypsum lebihlarut dalam larutan magnesiumklorida,daripada dalam larutan NaCl.

Potensi pembentukan kerak kalsium sulfatdapat dihitung dengan persamaan berikut13):

Ksp

SOCaCaSOSI

]][[)(

24

2

4

dengan,

SI : Indeks pengerakan[Ca2+] : Konsentrasi molar Ca2+

[SO42-] : Konsentrasi molar SO42-

Ksp CaSO4 : 2 x 10-5 14)

Harga SI kurang dari 1 menandakan larutankurang jenuh, sehingga kerak CaSO4 tidakakan terbentuk. SI lebih dari 1 menandakanlarutan lewat jenuh, sehingga kerak akanterbentuk.

Kerak CaCO3 dan Mg(OH)2

Kerak alkali merupakan hasil interaksiantara produk dekomposisi dan hidrolisis dariion bikarbonat dalam air laut dengan ionkalsium dan magnesium, sehinggamenghasilkan CaCO3 dan Mg(OH)215). Padapemanasan air laut di atas temperatur 45oC,bikarbonat akan terdekomposisi yangreaksinya adalah sebagai berikut 16,17) :

2HCO3- = CO32- + H2O + CO2

Ini akan menyebabkan pengendapan CaCO3,ketika batas kelarutan terlampaui (K = 4,7 -akan 6,9 x 10-9)14), dengan reaksi sebagaiberikut :

Ca2+ + CO32- = CaCO3

Pada temperatur yang lebih tinggi (≥ 80oC),ion karbonat terhidrolisa menjadi OH- denganreaksi sebagai berikut :

CO32- + H2O = 2OH- + CO2

Ion hidroksil akan menyebabkanterbentuknya Mg(OH)2 yang tidak larut(K=8,9 x 10-12)15).

Mg2+ + 2OH = Mg(OH)2

Deposisi kalsium karbonat juga tergantungpH. Kisaran pH, dari distribusi jenis karbonatdalam air laut diperlihatkan dalam Gambar 3.Asam karbonat adalah dominan di bawah pH6, dan ion karbonat di atas pH 9. Di antarapH 6 dan 9, air mengandung ion bikarbonat.

Parameter lain yang mempengaruhipembentukan kerak adalah adanya gas-gasyang tidak terkondensasi yang disebabkanoleh kebocoran flange, man hole, nozel, danlain-lain, yang menjadi bagian operasievaporator, yang dapat menyebabkanpelepasan CO2 dari evaporasi. PelepasanCO2 dari evaporasi larutan garam, akanmempengaruhi konsentrasi ion-ion


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 153

bikarbonat, CO2, H+ dan OH-, sehingga mempengaruhi pembentukan kerak16).

Gambar 3.Distribusi Jenis Karbonat pada 25oC18).

Salah satu persamaan yang dapatmengindikasikan terbentuknya kerak CaCO3adalah Langelier Saturation Index (LSI). LSImerupakan indeks kualitatif yangmengindikasikan suatu larutan jenuh atautidak jenuh dengan CaCO319). LSI juga dapatmengindikasikan kecenderungankorosifitas20). LSI didefinisikan sebagai :

LSI = pH –pHsdengan,

pH : harga pH sebenarnyapHs : harga pH dari CaCO3 jenuh

pHs = pK2 – pKsp + pTA + p[Ca2+]dengan, :

K2 : Konstanta disosiasi ke dua asamkarbonat

Ksp : Konstanta kelarutan kalsiumkarbonat

TA : Total alkalinitas[Ca2+] : Konsentrasi kalsiump : negatif logaritme

Jika harga LSI negatif (pH < pHs), air tidakjenuh dengan CaCO3 dan air potensialkorosif, jika LSI < -0,521). Sebaliknya, jika LSIpositif (pH>pHs), air super jenuh denganCaCO3, dan air berpotensi membentuk kerak.Air jenuh mempunyai harga LSI nol (pH =pHs).

Selain pH, temperatur dan pelepasanCO2 (dalam kasus kerak alkali), faktor utamayang mempengaruhi pembentukan kerakadalah konsentrasi ion-ion HCO3-, totalalkalinitas, Ca2+ , Mg2+ dan SO42- yang adadalam air umpan. Pada studi ini akandianalisis potensi pembentukan kerak,

dengan air umpan dari Teluk Manggris,Pulau Bangka, yang hasil analisisnyadiperlihatkan pada Tabel 1.

Tabel 1.Hasil Analisis Air Laut Teluk Manggris1).

No. Parameter Satuan Hasil1.2.3.

4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

pHKonduktivitasTotal alkalinitas sbgCaCO3TDSPadatan tersuspensiKalsium (Ca)Magnesium (Mg)Sodium (Na)Potasium (K)Klorida (Cl)Sulfat (SO4)BikarbonatSiO2F

-µS/cmppm

ppmppmppmppmppmppmppmppmppmppmppm

6,8543,5

200,85

32804,0048,20

433,741938,63

10992,96327,87

16820,073898,92

244,601,34

ttd

HASIL DAN PEMBAHASAN

Sebagian besar evaporator MED untukdesalinasi air laut menggunakan prinsipseperti diperlihatkan dalam Gambar 4.Teknologi untuk mendispersikan danmenguapkan sebagian air laut di bagian luartube adalah teknologi yang paling umum22).Sistem distribusi yang bertugasmendistribusikan air umpan terletak padapuncak bundel tube horisontal. Air umpanmengalir dari tube row ke tube row, dansebagian diuapkan. Rasio air umpanberbanding distilat 3:1, yang maksudnya33,3% air umpan diuapkan. Problem utamadalam desain evaporator tersebut adalahmenjamin aliran yang cukup dari air umpan


E-ISSN 2541-1233154 P-ISSN 1410-3680

pada tube. Oleh karena itu, mengontrolpembentukan kerak di luar tube sangat

diperlukan, untuk menjaga aliran air umpan.

Gambar 4.Prinsip Kerja Horisontal Tube(Falling Film) Evaporator23).

Terdapat dua kemungkinan fenomenayang dapat menyebabkan pembentukankerak dalam falling film evaporator yaitukelarutan terbalik dari hardness salt dengantemperatur dan pengendapan garam padatube, ketika aliran air laut menurun sampai dibawah aliran desain minimum24).

Air laut adalah larutan elektrolitcampuran, dengan komposisi kimia yangbervariasi. Air laut mempunyai karakteristikdengan salinitas tinggi dan bervariasitergantung lokasi. Dari hasil analisis air lautyang diambil dari Teluk Manggris, pulauBangka, seperti terlihat dalam Tabel 1, akandianalisis kemungkinan pembentukan kerak.

Potensi pembentukan kerak CaSO4 dapatdianalisis sbb:

Ksp

SOCaCaSOSI

]][[)(

24

2

4

Kapasitas produk desalinasi 90.000m3/hari =3.750 m3/jam dan densitas air laut 1030kg/m3 25). Penguapan di evaporator diasumsi40% agar beban panas yang dibutuhkantidak terlalu besar sehingga menjaga alat,maka jumlah aliran air umpan:

jammjam

m/93753750 3

3

4100

Massa air laut yang dimasukkan keevaporator =jumlah aliran air umpan x densitas

jamkgm

kg

jam

m/965625010303750

3

3

Perhitungan massa tiap komponendiperlihatkan dalam Tabel 2.

Tabel 2.Massa Tiap Komponen

No. Parameter %

massaMassa,kg/jam

1 pH2 Konduktivitas

3Totalalkalinitas sbgCaCO3

0,0201 1.939,46

4 TDS 3,2804 316.763,63

5 Padatantersuspensi 0,0048 465,43

6 Kalsium (Ca) 0,0434 4.188,30

7 Magnesium(Mg) 0,1939 18.719,90

8 Sodium (Na) 1,0993 106.150,779 Potasium (K) 0,0328 3.165,9910 Klorida (Cl) 1,6820 162.418,8011 Sulfat (SO4) 0,3899 37.648,9512 Bikarbonat 0,0245 2.361,9213 SiO2 0,0001 12,9414 F15 H2O 96,5294 9.321.117,0Jumlah 100,000 9.656.250,0

408,2310.2

0418,00112,0]][[)(

5

24

2

4

Ksp

SOCaCaSOSI


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 155

Perhitungan konsentrasi tiap komponendiperlihatkan dalam Tabel 3.

Tabel 3.Konsentrasi Tiap Komponen

No Parameter Mol,kmol/jam

Konsentrasikmol/m3

1 pH2 Konduktivitas

3 Total alkalinitas sbgCaCO3

4 TDS5 Padatan tersuspensi6 Kalsium (Ca) 104,71 0,01127 Magnesium (Mg) 780,00 0,08328 Sodium (Na) 4.615,25 0,49239 Potasium (K) 81,18 0,0087

10 Klorida (Cl) 4.575,18 0,488011 Sulfat (SO4) 392,18 0,041812 Bikarbonat 38,72 0,004113 SiO2 0,22 0,000014 F -15 H2O 517.839,83

Karena SI > 1, maka larutan lewat jenuhsehingga kerak CaSO4 akan terbentuk.

Jika dilihat dari tingkat kejenuhan :[Ca2+].[SO42-] = 0,0112.0,0418 = 4,6722.10-4

Ksp CaSO4 = 2.10-5

Sehingga hasil kali konsentrasi > Ksp, makaterbukti juga kalau larutan lewat jenuh.

Potensi pembentukan kerak CaCO3diprediksi dengan menentukan nilai LSI.

Ca2+ + 2 HCO3- CaCO3 + CO2 + H2OK2 = 5,6 . 10 -11, maka pK2 = 10,25.Ksp= 3,8 . 10 -9 , maka pKsp = 8,42

TA = 200,85 ppm = 2,0085.10-4, makapTA=3,70[Ca2+]= 0,0112 kmol/m3 , maka p[Ca2+] = 1,95Sehingga :pHs = pK2 – pKsp + pTA + p[Ca2+]

= 10,25 – 8,42 + 3,70 + 1,95= 7,48

LSI = pH – pHs= 6,85 – 7,48= -0,63

Diperoleh LSI bernilai negatif (pH < pHs)maka air tidak jenuh dengan CaCO3 dan airpotensial korosi.

Potensi pembentukan kerak Mg(OH)2diprediksi dengan menentukan hasil kalikonsentrasi komponen.

Mg(OH)2 Mg2+ + 2 OH-

[Mg2+] = 0,0832 kmol/m3

[OH-] = 2 x [Mg2+] = 2 x 0,0832= 0,1664 kmol/m3

Hasil kali konsentrasi komponen :Q = [Mg2+] x [OH-]2 = (0,0832) x (0,1664)2

= 2,3037 . 10-3

Ksp Mg(OH)2 = 8,9 x 10-12

Karena Q > Ksp, maka Mg(OH)2 mengendap,sehingga potensial membentuk kerak.

SIMPULAN

Dari hasil analisis disimpulkan bahwadalam instalasi desalinasi nuklir proses MEDdengan air umpan dari Teluk Manggris,dengan kapasitas 90.000 m3/hari berpotensiterbentuk kerak. Hasil perhitunganmenunjukkan harga indeks pengerakanCaSO4 sebesar 23,408, yangmengindikasikan bahwa ada potensipembentukan kerak oleh CaSO4. Potensitimbulnya kerak CaCO3 tidak ada, karenadiperoleh harga LSI negatif dengan nilai-0,63. Namun air potensial bersifat korosifsehingga pertimbangan dalam pemilihanbahan alat perlu dilakukan. Selain itu jugaterdapat potensi terbentuknya kerak Mg(OH)2yang ditunjukkan oleh lebih besarnya hargahasil kali konsentrasi komponen dari padaKsp.


E-ISSN 2541-1233156 P-ISSN 1410-3680

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ir.Sriyana, MT., yang telah berkenan memberiarahan dan masukan dalam penulisanmakalah ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. HENI SUSIATI, dkk., Studi Rona AwalLingkungan Pada Tahap Pra-Survei diDua Daerah Interes Untuk PLTN di PulauBangka, Prosiding Seminar NasionalPengembangan Energi Nuklir IV, PPEN,BATAN, 2011.

2. ISHIGURE K, et. al., Hand Book Kimia AirReaktor, Corona –sha, Japan, 2000.

3. Erlan Dewita, dkk., Optimasi DesainDesalinasi Nuklir menggunakan KonsepZero Discharge Desalination (ZDD),Program Insentif Kegiatan RisetPeningkatan Kemampuan Peneliti danPerekayasa (PKPP) Litbang Iptek Tahun2012.

4. IAEA, Status of Design Concepts ofNuclear Desalination Plants, TECDOC-1326, IAEA, Vienna, November 2002.

5. Siti Alimah, Studi Proses DesalinasiUntuk PLTN Jenis PWR, PresentasiIlmiah di PPEN, BATAN, 28 Mei 2008.

6. Siti Alimah, dkk, Aspek Tekno-EkonomiPenggunaan TVC Pada Desalinasi MEDUntuk Pasokan Air Bersih PLTN,Prosiding Seminar Nasional ke-15Teknologi dan Keselamatan PLTN, sertaFasilitas Nuklir, 17 Oktober 2009.

7. I.S. Park, et.all., Design and Application ofThermal Vapor Compressor for Multi-Effect Desalination Plant, Desalination182, 21 Februari 2005

8. IAEA, Introduction of NuclearDesalination, Technical Reports SeriesNo.400, IAEA, Vienna, 2000.

9. Al-Shammiri M.A., et.all., Scaling Potentialof a Doha Beachwell at DifferentOperating Temperatures, Kuwait J.Science Engineering 35, 2008.

10.Wildebrant, C., Effect of ProcessParameters and Antiscalant on ScaleFormation in Horizontal Tube Falling FilmEvaporator, Desalination 204, 2007.

11.AL-HAMZAH, A.A., et.all., A ComparativeStudy of Novel AScale Inhibitors withCommercial Scale Inhibitor Used inSeawater Desalination, Desalination 359,2015.

12.Ophir A, et.all., Advanced MED Processfor Most Economical Sea WaterDesalination, Desalination 182, 2005.

13.Yuan Wang, Composite Fouling ofCalsium Sulfate and Calsium Carbonatein a Dynamic Seawater RO Unit, ThesisMaster of Science, Australia, December,2005.

14.http://www.wiredchemist.com/chemistry/data/solubility-product-constants, diakses,Juni 2015.

15.Sam El Din, A.M., et.all., Scale Formationin Flash Chamber of High TemperatureMSF Distiller, Desalination 177, 2005.

16.Siti Alimah, Fenomena Kerak DalamDesalinasi dengan MSF, JurnalPengembangan Energi Nuklir, Vol. 8,No.1, Juni 2006.

17.Suresh Patel, et.all, New Antifoulant forDeposit Kontrol in MSF and MED Plant,Desalination 124, 1999.

18.Al-Rawajfeh, A.A., CO2 Release inMultiple-Effect Distiller Controlled by MassTransfer With Chemical Reaction,Desalination 156, 2003.

19.Al-Rawajfeh, A.A, et all., Scaling inMultiple-Effect Distiller : The Role of CO2Release, Desalination 182,2005.

20.Faizur Rahman, et.all, Scale Formationand Control in Thermal DesalinationSystems, The Science and Technology ofIndustrial Water Treatment, February,2009.

21.https://smk3ae.wordpress.com/2008/07/15/korosifitas-kerak-dan-perhitungannya/,diakses Juni 2015.

22.Paul Schausberger, et.all., Heat Transferin Horizontal Falling Film Evaporators,IDA World Congress, November 7-12,2009.

23. Greffart, R., Effect of Scaling on Designand Operation of Thermal SeawaterDesalination Plants, Scaling Colour E.Doc, Jerman, September, 2002.

24.Budhiraja, P., et.all., Studies of ScaleFormation and Optimization of AntiscalantDosing in Multi-Effect ThermalDesalination Units, Desalination 220,2008.

25.Beicher, Robert J., Physics for Scientistsand Engineers, Orlando : SaundersCollege, 2000.

Efek Penambahan Cu t rhadap Sifat Listrik Komposit MultiWalled Carbon Nanotubes-Cupper-Polycinyl Alcohol (MWCNT-Cu-PVA) (P. Purwanto, Muflikah)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 157

EFEK PENAMBAHAN Cu TERHADAP SIFAT LISTRIK KOMPOSITMULTI WALLED CARBON NANOTUBES-CUPPER-POLYVINYL

ALCOHOL ( MWCNT-Cu-PVA )

EFECT OF Cu ADDED TO ELECTRICITY PROPERTIES MULTIWALLED CARBON NANOTUBES-CUPPER-POLYVINYL

ALCOHOL COMPOSITE ( MWCNT-Cu-PVA )

P. Purwanto a) dan Muflikah b)

a,b) Pusat Sains Dan Teknologi Bahan Maju – BATAN,Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang -15314

e-mail: [email protected] dan [email protected]

Abstrak

Komposit MWCNT-Cu-PVA dibuat dengan mencampurkan serbuk MWCNT danserbuk Cu dengan variasi konsentrasi Cu 1% dan 4% berat. Selanjutnya keduabahan tersebut diadukdengan metode metalurgi serbuk selama 1 jam. Hasil poladifraksi sinar-X komposit MWCNT-Cu-PVA menunjukkan adanya puncak CNTdan Cu dengan pola sama. Spektroskopi Raman menunjukkan bahwa D bandmuncul pada 1310-1320 cm-1, puncak harmonik kedua G band muncul padaRaman shift 1605–1615 cm-1. Konduktivitas komposit MWCNT-Cu-PVAmeningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi, namun nilai kapasitasnyasemakin menurun. Titik puncak kurva cole-cole plot pada komposit MWCNT-Cu-PVA, yang merupakan perbedaan titik dimana suatu bahan bekerja secara efektifpada frekuensi tertentu.

Kata Kunci : Karbon nanotube, Difraksi Sinar-X, Spektroskopi Raman,Konduktivitas

Abstract

The composite of MWCNT-Cu-PVA have been made from mixing MWCNT andCu powder with the variance of Cu concentration from 1% and 4% weight. Thecomposite was mixed for 1 hour with solid state reaction methode. The peaks ofX-Ray Diffraction of MWCNT-Cu-PVA indicated the same peak of MWCNT andCu. Spectroscopy Raman indicated that D band visssible at wave number 1310to 1320 cm-1 , peak of second harmonic G band at wave number 1605 to 1615cm-1was Raman shift. The result of electrical parameter using LCR instrumentindicated that conductivities value of MWCNT–Cu-PVA was increased with the theincreasing of concentration Cu (weight percent).The peak point of curve of cole-cole MWCNT-Cu-PVA composite indicated a effective point a materials forworking at certainly frequence.

Keywords : Carbon nanotube, X-Ray Diffraction, Raman Spectroscopy,Conductivitiy.

Diterima (recieved) : 19 Juli 2016, Direvisi (Revised) : 12 Oktober 2016, Disetujui(Accepted) : 28 November 2016


E-ISSN 2541-1233158 P-ISSN 1410-3680

PENDAHULUAN

Carbon nanotube (CNT) memilikiberbagai tipe diantaranya adalah SingleWalled Nanotube (SWCNT), yangmerupakan gulungan lembaran grafitdengan ukuran lebih pendek dan memilikistruktur satu dimensi. Bentuk lain dari CNTadalah Multi walled Carbon Nanotube(MWCNT) yang memiliki struktur lebih darisatu dimensi dan ukurannya pendek 1).

Bahan konduktor padatmempunyai sifat konduktivitas yangbergantung pada frekuensi dan suhu. Padasuhu tertentu suatu bahan konduktorpadat dapat mengalami cacat atau transisifasa 2-4). Nilai resistivitas listrik SWCNTadalah sekitar 10-6 ohm.cm, sedangkanuntuk MWCNT 3x10-5 ohm cm. Hal inimenunjukkan bahwa CNT adalahkonduktor yang memiliki nilai resistivitaslebih baik dari logam seperti Cu pada suhuruang. Adanya cacat atau pengotor yangterbentuk pada CNT menunjukkan nilaikonduktivitas yang lebih rendah dari padaCNT yang berstruktur bebas cacat 5,6).Lapisan tipis Carbon nanotube/copper(CNT/Cu) di buat dengan metodeelectrophoresis dan electroplating dandigunakan dalam aplikasi interconnection7). Pengaplikasian bahan nanokompositberbasis karbon untuk sensor dan sensorbiomedik 8) .

Pada penelitian ini dilakukanpengamatan terhadap bahan kompositMWCNT-Cu hasil reaksi padatan atausecara metalurgi serbuk. Pengamatankomposit MWCNT-Cu denganmenggunakan difraksi sinar-X danspektroskopi Raman serta dilakukanpengujian sifat listrik terhadap bahantersebut.

METODOLOGI PERCOBAAN

Bahan yang digunakan dalampenelitian ini adalah serbuk MWCNTkemurnian > 95 % merek ”cheap tube”,dan serbuk tembaga (Cu) produk Aldrichyang memiliki tingkat kemurnian 99,9%.Serbuk Cu dan MWCNT ditimbang dengankomposisi sebagai berikut: MWCNT(99%)-Cu(1%) dan MWCNT(96%)-Cu(4%). Berattotal masing-masing campuran serbukadalah 5 gram. Campuran serbuk inikemudian diproses dengan cara reaksipadatan atau metalurgi serbuk selama 1jam pada suhu ruang. Peralatan percobaansemua berada di Bidang Sains Bahan

Maju, PSTBM-BATAN. Campuran serbuk hasilproses metalurgi serbuk dikarakterisasidengan difraksi sinar-X dan Ramanspektroskopi serta sifat listrik diuji denganLCR-meter.

HASIL DAN DISKUSIDifraksi Sinar-X

Hasil identifikasi Pola difraksi sinar-Xmenunjukkan bahwa bahan kompositMWCNT-Cu yang dibuat melalui prosesmetalurgi serbuk berfasa majemuk denganstruktur MWCNT dan Cu seperti terlihat padaGambar 1. Komposit telah mengalami difusiyang ditunjukkan oleh turunnya intensitasdifraksi. Sedangkan pelebaran puncak difraksidapat dikaitkan dengan ukuran partikel ataubutiran, dimana puncak yang melebarmenunjukkan kehalusan butir atau sebaliknyaaikbat proses metalurgi serbuk 9).

Proses deformasi ini adanya partikelCu yang terdifusi kedalam MWCNT yangtentunya akan sangat berpengaruh pada sifatlistrik komposit MWCNT-Cu. Kenaikan sifatlistrik bahan akibat adanya cacat butiran yangdiharapkan terjadi pada setiap butiran agargerakan ion-ion mudah bergerak denganenergi aktivasi yang kecil. Dari pola difraksiada butiran yang mengalami cacat, sehinggakonduktivitas bahan diperkirakan dapatmeningkat. Peningkatan konduktivitas inidisebabkan adanya penambahan Cu ke dalamfasa MWCNT yang menyebabkan cacat padabutiran. Menurut P. Padma Kumar et al 10),cacat pada kristal akan menimbulkanmobilisasi ion di dalam kristal dan dapatmeningkatkan konduktivitas bahan.

Pola difraksi sinar-X dari kompositMWCNT-Cu, memperlihatkan adanyaperubahan pada intensitas seiring dengannaiknya konsentrasi Cu serta adanyapergeseran pada sudut difraksi dari bahankomposit tersebut. Untuk mengetahuipergeseran sudut difraksi, maka dilakukananalisis puncak difraksi sinar-X kompositMWCNT-Cu menggunakan programLorenztian. Dari analisis tersebut diperolehidentifikasi fasa seperti ditunjukkan padaTabel 1(a-c).


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 159

a

b

cd

10015 20 25 30 35 40 45 50 55 60

2 ( deg )

Inte

nsity

( a.

u )

CuCu

CC

C

Gambar 1.Pola difraksi komposit MWCNT-Cu-PVA.

a). MWCNT b). MWCNT-Cu4-PVAc).MWCNT-Cu-PVA d).PVA

Tabel 1a.Hasil analisis puncak-puncak difraksi

komposit MWCNT2θ I ( a..u ) rad

25,9652 1000 0,012842,8810 350 0,002253,5341 210 0,0015

Tabel 1b.Hasil analisis puncak-puncak difraksi

komposit MWCNT-Cu1-PVA.2θ ( º ) Int ( a.u ) 19,7674 875 0,018621,3234 638 0,000423,1150 493 0,005043,3738 434 0,000350,5190 199 0,0004

Tabel 1c.Hasil analisis puncak-puncak difraksi

komposit MWCNT-Cu4-PVA.2θ ( º ) Int ( a.u ) ( rad )19,7012 678 0,006821,4168 937 0,000323,7802 649 0,000143,5284 532 0,000250,6548 341 0,0003

Tabel 1d.Ukuran Butiran MWCNT-Cu-PVA

Sampel Ukuran Butiran (nm)MWCNT 5,96

MWCNT-Cu1-PVA 9,28MWCNT-Cu4-PVA 30,00

Dari Gambar 1, dilakukan analisisdengan program Lorenztian untuk menghitungsudut 2 theta dan lebar setengah puncak β(FWHM), yang hasilnya ditunjukkan padaTabel 1(a-c). Analisa dilakukan menggunakanpersamaan Williamson dan Hall 11) :

cos ) / = 0,9/D + (2.sin )/ (1)

dimana : adalah lebar setengah puncakdifraksi (FWHM) dalam (rad), sudut Bragg (o), panjang gelombang sinar-X ( °A), Dadalah ukuran butiran (nm) dan reganganbutiran. Dari data Tabel 1(a-c), hasilperhitungan ditunjukkan pada Tabel 1d,dimana tampak terlihat bahwa ukuran butirannaik seiring dengan naiknya konsentrasi Cu.Hal ini menunjukkkan terjadi difusi padaMWCNT-Cu-PVA. Terjadinya difusi padakomposit MWCNT-Cu-PVA ditunjukkandengan naiknya intensitas difraksi padakomposit MWCNT-Cu-PVA.

Raman SpektroskopiDalam analisis dengan spektroskopi

Raman dengan menggunakan laser power 10mV dan panjang gelombang 768 nm.

Gambar 2a, menunjukkan spektrumRaman PVA dan Gambar 2b dan 2c spektrumraman komposit MWCNT-Cu1-PVA danMWCNT-Cu4-PVA. Hasil analisis intensitaspuncak D band dan G band ditunjukkan padaTabel 2. Karakter penting dari hasil spektrumRaman adalah diperoleh spektrum yangmuncul dari sampel MWCNT yaitu munculnyapuncak utama D band dan G band 12).

Tabel 2.Intensitas Raman MWCNT-Cu-PVA

Cu (%) ID IG ID/IG1 0,01812 0,01116 1,62374 0,00834 0,00623 1,3387

Gambar 2b, spektrum Raman yangmenunjukkan puncak D band pada 1324,5 cm-

1, puncak harmonik kedua G band pada1604,5 cm-1 untuk komposit MWCNT-Cu1-PVA


E-ISSN 2541-1233160 P-ISSN 1410-3680

a

bc

0

0,05

1000 1250 1500 1750 2000

Raman shif ( cm-1 )

Inte

nsity

( a.

u )

Dba

G

Gambar 2.Raman Spektroskopi MWCNT-Cu-PVA.

a). PVA b). MWCNT-Cu1-PVA c).MWCNT-Cu4-PVA

Komposit MWCNT-Cu4-PVApuncak D band muncul pada 1322,5 cm-1,puncak harmonik kedua G band pada1607,2 cm-1, ditunjukkan pada Gambar 2c.Puncak D band diaktifkan pada urutanyang pertama dari proses hamburankarbon Sp2 melalui keberadaannya didalam vacancies, di batas butiran serbuk,atau cacat (defect) lainnya, yangmenurunkan kesimetrian kisi 13). Puncak Dband berasal dari gangguan di dalam Sp2karbon dan dapat juga muncul karenaadanya pengotor (impurities) atau distorsikisi pada karbon nanotube MWCNT. Olehkarena itu keberadaan puncak D bandmenunjukkan gangguan (kekacauan) didalam kerangka heksagonal MWCNT 14,15)

dalam hal ini adalah gangguan daridicampurkannya serbuk Cu ke dalamMWCNT. Nilai intensitas Ramanmengalami penurunan seiring dengansemakin besarnya nilai persen berat Cu didalam MWCNT, dengan kata lain semakinbesar kandungan pengotor yangmenimbulkan distorsi kisi pada kerangkaheksagonal MWCNT. Keberadaan puncakG band sendiri berhubungan denganmodus E2g 16) dari grafit berorientasi tinggidan menunjukkan adanya karbon kristalpada sampel MWCNT. Nilai intensitasRaman dari puncak G band juga menurunseiring dengan penurunan persen berat Cudi dalam MWCNT. Perbandingan nilaiintensitas puncak D band dan puncak Gband (ID/IG) yang ditampilkan pada Tabel 2di dalam gambar hasil Ramanmenunjukkan adanya penurunan seiringdengan bertambahnya persen berat Cu didalam MWCNT. Penurunan ( ID/IG)mengindikasikan turunnya derajat

kristalinitas pada sampel MWCNT dan naiknyatingkat pengotor dalam MWCNT.

Konduktivitas Listrik.Pengukuran konduktivitas listrik

dilakukan dengan menggunakan LCR meterHITESTER-3522-5 HIOKI. Perhitungankonduktivitas listrik Cu-MWCNT-PVAdilakukan memakai persamaan model yangdilakukan oleh W.K.Lee.et al 17) yaitu : = ofs,persamaan ini diubah menjadi bentuklogaritma yaitu :

log = log o + s.log f (2)

dimana: adalah konduktivitas (S/cm), fadalah frekuensi (Hz), faktor exponent power (0<s<1).

Pada Gambar 3, menunjukkan nilaikonduktivitas listrik MWCNT-Cu-PVA naikseiring dengan naiknya frekuensi dankonsentrasi Cu. Konduktivitas suatu bahanakan meningkat bila bahan tersebutmengalami suatu defect Frenkel atau Shoctky10).

-7,5

-7,0

-6,5

-6,0

-5,5

-2,0 0,0 2,0 4,0 6,0

Log f ( Hz )

Log

( S/

cm )

G1G4

Gambar 3.Konduktivitas komposit Cu-MWCNT-PVA

dengan variasi Cu. a). G1=Cu1-MWCNT-PVAb).G4= Cu4-MWCNT-PVA

Tabel 3.Konduktivitas MWCNT–Cu-PVA

Konsentrasi Cu( % )

Konduktivitas σo( S/cm )

I II

1 9,26 × 10-8 1,44×10-8

4 14,68 ×10-8 1,52×10-8

Tabel 4.Kapasitansi MWCNT–Cu-PVA

Konsentrasi Cu( % )

Kapasitansi( Farad )

I II


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 161

1 4,74 × 10-8 1,04 ×10-10

4 1,04 × 10-10 15,87×10-10

Perhitungan konduktivitaskomposit MWCNT-Cu-PVA dilakukandengan menggunakan persamaan (2).Hasil perhitungan konduktivitasditunjukkan pada Tabel 3, konduktivitaskomposit MWCNT-Cu1-PVA pada saatfrekuensi 0,01 Hz dengan nilai σo sekitar9,26 × 10-8 S/cm pada daerah frekuensi0,01 Hz sampai 900 Hz dankonduktivitas pada daerah frekuensi 1000Hz sampai 100 k.Hz nilai konduktivitas σosekitar 1,44×10-8 S/cm.

Sedangkan konduktivitas kompositMWCNT-Cu4-PVA pada saat frekuensi0,01 Hz dengan nilai σo sekitar 14,68 ×10-8

S/cm pada daerah frekuensi 0,01 Hzsampai 900 Hz dan konduktivitas padadaerah frekuensi 1000 Hz sampai 100 k.Hznilai konduktivitas σo sekitar 1,52×10-8

S/cm.Naiknya konduktivitas dikarenakan

adanya difusi Cu ke dalam MWCNT yangmenyebabkan bertambahnya jumlahpembawa muatan. Adanya difusi Cu kedalam MWCNT akan menurunkan energiaktivasi yang diperlukan elektron untukbergerak dari satu kisi ke kisi yang lain,sehingga pada akhirnya meningkatkanmobilitas ion positif sehingga konduktivitasakan meningkat 17). Peneliti lain telahmelakukan penelitian tentangkonduktivitas yang tergantung frekuensi,suhu, dan komposisi serta transformasifasa, pada suhu tertentu suatu bahanmengalami cacat atau transformasi fasa 6-

8,17), sehingga memberi pengaruhpeningkatan sifat listrik seperti konduktansidan lainnya.

-14,0

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0 0,0 2,0 4,0 6,0

Log f ( Hz )

Log

Cs

( F )

Cs1Cs4

Gambar 4.

Kapasitansi komposit MWCNT-Cu-PVAdengan variasi Cu. a). Cs1= MWCNT-Cu1-

PVA b).Cs4= MWCNT-Cu4-PVA.

Gambar 4, ditunjukkan kurva kapasitansiturun seiring dengan naik frekuensi dankapasitansi naik seiring naiknya konsentrasiCu.Kenaikan kapasitansi ini bertambahmuatan elektron pada Cu, tapi kapasitansiturun seiring dengan naik frekuensi, inidikarenakan daya untuk menyimpan muatanmencapai titik jenuh.

Kurva impedansi yang ditunjukkanpada Gambar 5 merupakan frekuensimaksimum Untuk komposit MWCNT-Cu1-PVA dan MWCNT-Cu4-PVA dengan besarfrekuensi f = 1/ (2 .R.C ). yangmengidenfikasikan titik maksimum suatubahan yang efektif bekerja pada frekuensitertentu. Kedua ujung kaki puncak pada kurvacole-cole plot menunjukkan kontak antarasampel dengan elektroda. Pada umumnya titikujung kedua kurva cole-cole plot berbeda nilaiimpedansinya.

0,0E+00

1,0E+06

2,0E+06

3,0E+06

-2,0E+05 3,8E+06 7,8E+06 1,2E+07

Z' (Ohm )

Z" (

Ohm

)

X1

X4

Gambar 5.Impedansi komposit MWCNT-Cu-PVA denganvariasi Cu. a). X1= MWCNT-Cu1-PVA b).X4=

MWCNT-Cu4-PVA

SIMPULAN

Dari hasil penelitian ini dapatdisimpulkan bahwa pola difraksi sinar-X padakomposit MWCNT-Cu-PVA dengankonsentrasi Cu berbeda, menunjukkan polayang sama untuk komposit MWCNT-Cu1-PVAdan MWCNT-Cu4-PVA. Ukuran butirankomposit naik seiring dengan naiknyakonsentrasi berat Cu. Spektrum RamanMWCNT-Cu-PVA menunjukkan nilaiintensitas G dan D band turun seiring dengankenaikan konsentrasi berat Cu. Hasil inimengindikasikan turunnya derajat kristalinitasMWCNT-Cu-PVA dan naiknya tingkatpengotor di dalam MWCNT-Cu-PVA.Konduktivitas komposit MWCNT-Cu-PVA naik


E-ISSN 2541-1233162 P-ISSN 1410-3680

sebanding dengan naiknya konsentrasiberat Cu dan naiknya frekuensi, sedangkankapasitansinya turun. Titik puncak kurvacole-cole plot pada komposit MWCNT-Cu-PVA, yang mengidenfikasikan titik efektifsuatu bahan bekerja pada frekuensitertentu adalah berbeda.UCAPAN TERIMA KASIH

Peneliti mengucapkan terima kasihtelah diperkenankan menggunakanperalatan yang ada di BSBM-PSTBMBATAN serta kepada staf BSBM yangtelah membantu dalam pembuatancuplikan dan staf BSBM yang lain.Peneliti mengucapkan terima kasih ataskerja sama proyek DIPA ”Penelitian danPengembangan Bahan GMR untukBiosensor” sampai selesai penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. V. Shanov, Y.Heung Yun, M.J. Schulz,”Synthesis and Characterization ofCarbon Nanotube Materials”, Journalof the University Of ChemicalTechnology and Metalurgy.41 (2006)377-390.

2. Yulkifli Zdieszynski, “ In Situ HighTemperature X-Ray DiffractionCharacterization on Silver Sulfide “,International Centre for DiffractionData”, (2011) 110-117.

3. S. Hull, “ Superionics : CrystalStructure and Conduction Prosesses”,Rep.Prog.Physics.67 (2004) 1233-1314.

4. Qingwen Li, Yuan Li, Xiefei Zhang, atall “ Structure Dependent ElectricalProperties of Carbon Nanotube Fibers”,Advance Materials.19 (2007) 3358-3363.

5. P.J.F. Harris,” Carbon NanotubeComposite”, International MaterialReview.49 (2004) 31-43.

6. P.Liu, D. Xu, Z. Li, B. Zhao, E.siu-WaiKong, Y.Zhang,” Fabrication ofCNTs/Cu composite thin film forinterconnects apllication”,Microelectronic Engineering 85, (2005)1984-1987.

7. N. Sinha, T.W. John, Yeow, “CarbonNanotube for Biomedical Application”,Transaction on Nanoboisciense. 4(2005) 1-16.

8. K.G. Williamson and Hall, “ X-Ray LineBroading From Filed Al and Wolfram”,Acta.Met, Vol.1 (1953) 22-31.

9. P. Padma Kumar and S. Yashonath,” IonicConduction in The Solid State”, Journal ofChemestry of Science. 118, No. 1 (2006)135-154.

10. K.N.R. Rehani, P.B. Joshi, K.N. Lad andA. Pratap, “ Crystallite Size Estimation ofElemental and Composite Silver NanoPowder Using XRD Principle”, Indian Journal of Pure Physics, Vol. 44, (2006)157-161.

11. Z.Gang. Zhao, L. Jie Ci, H. Ming Cheng,J.Bo Bai,” The Groth of MWCNT withDifferent Morphologies on Carbon Fibers”,Journal Carbon.43, (2005) 651-673.

12. E.F. Antunes, A.O. Lobo, E.J. Corat, V.J.Trava Airoldi, ”Influence of Diameter in theRaman Spectra of Aligned MMCNT”,Journal Carbon 45 (2007) 913-921.

13. S. Reich and C. Thomsen. RamanSpectroscopy of Graphite. PhilosophicalTransaction of the Royal Society ofLondon .A 362,(2004) 2271-2288.

14. C. Thomsen, S. Reich, and J.Maultzsch.Resonant Raman Spectroscopyof Nanotubes. Philosophical Transactionof the Royal Society of London .A362,(2004) 2337-2359

15. L.Bokobza and J. Zhang.2012.RamanSpectroscopy Characterization of MultiwallCarbon Nanotube and of composite.Polymer letter.6,(2012) 601-608.

16. W.K. Lee, J.F. Liu and A.S. Nowick,”Limiting Behavior of ac Conductivity inionically conducting Crystals and Glasses :A New Universality”, Physical Review.67(1991) 1559-1561.

17. , K.J. Parwanta, Ramli dan M. Djamal,”18. Pengukuan Magnetoresistansi Film Tipis

dan Hubungannya Dengan KetebalanLapisan Tipis Feromagnetik/Nonmagnetik, Jurnal Sains Materi Indonesia,Edisi Khusus Desember, (2009) 161-166.

19. T. Blanton, S. Misture, N. Dontula and S.

Pengaruh Peningkatan % Reduksi terhadap Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Paduan Kuningan Cu-Zn 70/30 SetelahProses Warm Rolling pada Suhu 4000C (Eka febriyanti, Amin Suhadi, Dedi Priadi, Rini Riastuti)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 163

PENGARUH PENINGKATAN % REDUKSI TERHADAP STRUKTURMIKRO DAN SIFAT MEKANIK PADUAN KUNINGAN Cu-Zn 70/30

SETELAH PROSES WARM ROLLING PADA SUHU 400°C

THE EFFECT OF % REDUCTION ENHANCEMENT TOMICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF Cu-Zn

BRASS 70/30 ALLOY WARM ROLLING AT 400°C

Eka Febriyantib, Amin Suhadib, Dedi Priadia, Rini Riastutia

aDepartemen Teknik Metalurgi dan Material, Universitas Indonesia, Depok, 16424bBalai Besar Teknologi Kekuatan Struktur, BPPT, Puspiptek Serpong, 15314

E-mail : [email protected], [email protected]@metal.ui.ac.id, [email protected]

Abstrak

Paduan Cu-Zn 70/30 banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industrikarena memiliki sifat yang unggul dan belum ada penggantinya. Untukmemperoleh paduan Cu-Zn 70/30 dengan sifat mekanik yang lebih baik makadilakukan riset baik modifikasi dari jenis material yang sudah ada ataupunmaterial baru agar sesuai dengan kebutuhan industri. Untuk mengurangi biayaproduksi, namun tetap menghasilkan sifat mekanik yang baik tanpa penambahanpaduan maka dikembangkan metode penghalusan butir. Salah satu alternatifproses fabrikasi untuk mengoptimalkan sifat mekanik paduan Cu-Zn 70/30 yaitudengan metode warm rolling. Warm rolling yang dilakukan pada pelat paduan Cu-Zn 70/30 menggunakan % reduksi dari 29,03%, 34,4%, dan 38,16% pada suhu400°C secara double pass reversible. Hasil metalografi didapat ukuran butir yangsemakin menurun sebesar 30,03 µm di bagian tepi dan 33,45 µm di bagiantengah pada % reduksi 38,16%. Hasil uji tarik dengan % reduksi 38,16%menghasilkan nilai ultimate tensile strength (UTS) sebesar 478 MPa, yieldstrength (YS) sebesar 434 MPa, dan persentase elongasi sebesar 9%. Untukhasil uji kekerasan menghasilkan nilai kekerasan sebesar 135,8 HV di bagian tepidan 128,4 HV di bagian tengah pada % reduksi 38,16%.

Kata Kunci : Paduan Cu-Zn 70/30, butir halus, sifat mekanis, warm roll

Abstract

Cu-Zn 70/30 alloys are widely used in many industrial products because of itssuperior characteristic and there is no substitute. To obtain Cu-Zn alloy materialwhose better mechanical properties then it is done research in the form of newmaterial or modification material from existing types of materials to appropriatewith industry necessary. To minimize production cost, but it still produce goodmechanical properties without the addition of alloy then it is developed grainrefinement method which refers to Hall-Petch law. One of fabrication processalternative to optimize the mechanical properties of Cu-Zn 70/30 alloy namelywarm rolling. Warm rolling is conducted to Cu-Zn 70/30 alloy in various reductionpercentage at a level of 29,03%; 34,4%, and 38,16% at 400°C by double passreversible method. By metallographic examination is obtained decreasing of grainsize of 30,03 μm at the edges and of 33,45 μm in the central part sample on38,16% deformation degree. Meanwhile, by tensile testing can be seen that Cu-Zn70/30 alloy material with 38,16% deformation degree produces ultimate tensilestrength (UTS) value of 478 MPa, yield strength (YS) value of 434 MPa, and

M.P.I. Vol.10, No 3, Desember 2016, (163 - 172)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233164 P-ISSN 1410-3680

elongation percentage value of 9%. The hardness value obtained approximatelyaround 135,8 HV to 128,4 HV in the edges to the middle part of material on38.16% % reduction.

Keywords : Cu-Zn 70/30 alloy, fine grain, mechanical properties, warm rolling

Diterima (recieved) : 21 Juli 2016, Direvisi (Revised) : 14 Oktober 2016, Disetujui(Accepted) : 25 November 2016

PENDAHULUAN

Saat ini, kuningan secara luas diterapkandalam berbagai aplikasi teknologi, dankuningan termasuk logam paling umum yangdigunakan dalam kelompok logam non-ferrous. Oleh karena sifat khususnya,kuningan banyak diaplikasikan untukberbagai bidang industri seperti diantaranyaindustri sipil, industri persenjataan, industripesawat terbang, bodi mesin, motor mobil,industri elektrik, bodi kapal, industri kimia, dllbahkan dalam produksi instrumen musik.

Untuk memperoleh material paduan Cu-Zn70/30 yang memiliki sifat mekanis yangoptimal dan ringan maka dilakukan risetdalam menghasilkan material baru ataupunmodifikasi dari jenis material yang sudah adaagar sesuai dengan kebutuhan industri. Untukmeminimalisir biaya produksi namun tetapmenghasilkan sifat mekanis yang baik tanpapenambahan paduan maka dikembangkanmetode penghalusan butir yang mengacupada hukum Hall-Petch. Dengan metodepenghalusan butir didapatkan sifat mekanismaterial yang tinggi terutama kekuatan luluhdan kekerasan[1].

Beberapa proses pengubahan bentuklogam konvensional seperti multi-pass canai,tempa, dan ekstrusi, menghasilkan produkdengan ketebalan yang paling tipis danketebalan paling kecil. Hal ini menyebabkanproduk tersebut tidak bisa digunakan untukaplikasi struktural[1]. Oleh karena itu, untukmenghasilkan logam bulk tanpa terjadiperubahan bentuk dan peningkatan biayaproduksi maka proses fabrikasi materialsemakin berkembang pesat yang mengarahpada metode penghalusan butir. Salah satualternatif proses fabrikasi yang berkembangyaitu proses pengubahan bentuk hangat(warm forming)[2].

Warm forming adalah salah satu metodeperlakuan terhadap material logam untukmenghasilkan mikrostruktur yang halus padamaterial logam dan paduannya dengan suhukerja berada di antara suhu pengerjaanpanas (hot forming) dan suhu pengerjaandingin (cold forming). Kisaran suhupengerjaan hangat berada pada rentang di

atas suhu ruang, namun lebih rendahdibandingkan suhu rekristalisasi. Berdasarkanrentang suhu operasi pengerjaan hangat,setelah terjadi deformasi plastis, materialsebagian mengalami pengerasanregangan/strain hardened dan sebagianmengalami rekristalisasi[2].

Pada proses pengerjaan hangat tidak lagidibutuhkan perlakuan panas lainnya. Selainmenghasilkan butir yang lebih halus, prosesini akan mengalami pembentukan sub-butir(subgrain) yang berukuran micrometermaupun sub-micrometer pada butir yangberukuran lebih besar atau kasar. Sebagaihasil pembentukan sub-butir, sifat mekanisdari material akan meningkat.

Jika dibandingkan dengan prosespengerjaan panas yang membutuhkan energipanas yang besar dan mahal, prosespengerjaan hangat ini dapat menghasilkanmaterial yang mendekati dimensi akhir yangdiinginkan. Sedangkan jika dibandingkandengan proses pengerjaan dingin, metodepengerjaan hangat membutuhkan gayadeformasi yang lebih rendah, memberikanrasio deformasi yang lebih besar,menghasilkan deformasi yang lebih seragamterhadap daerah transversal danmenghasilkan struktur mikro dengantegangan sisa yang lebih rendah[3].

Untuk paduan Cu-Zn 70/30, rentangpengerjaan warm forming berada pada suhu0,4 s/d 0,6 Tm (melting point) yaitu berkisarantara 382°C-573°C[4]. Pada diagram binerCu-Zn seperti yang terlihat pada Gambar 1menunjukkan bahwa pada kondisipemanasan di suhu 400°C paduan cartridgebrass (Cu-Zn 70/30) yang digunakan sebagaibahan dalam penelitian ini berada padarentang antara daerah stress relieve dandaerah rekristalisasi. Menurut Izumi Osamuyang melakukan penelitian pada kuninganalfa menunjukkkan bahwa tidak adaperubahan besar butir dari perlakuan anilpada suhu 150°C. Lalu pada suhu 250°Cterjadi perubahan struktur butir menjadipolygon, walaupun tempat pengintian baruterjadi pada area yang paling padatdislokasinya. Kemudian pertumbuhan butir


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 165

baru terjadi pada suhu 350oC di sekitarbidang geser kristal[5].

Gambar 1.Diagram Biner Cu-Zn[6]

Oleh karena fenomena pada paduankuningan alfa setelah pemanasan di suhu >350oC belum banyak diketahui makadilakukan penelitian ini yang bertujuan untukmempelajari hubungan antara penghalusanbutir (grain refinement) terhadap perubahansifat mekanis pada pelat paduan Cu-Zn 70/30yang dilakukan proses warm rolling di suhu400°C dengan metode double pass reversiblesebanyak 29,03%; 34,4%; dan 38,16%.

BAHAN DAN METODE

Sampel yang digunakan adalah paduanCu-Zn 70/30 dengan komposisi yangditampilkan pada Tabel 1.

Tabel 1.Komposisi Sampel Paduan Cu-Zn 70/30

Unsur Penelitian(wt%)

Target*(wt%)

Cu 69,5 69,5-72Zn 30,7 sisaFe 0,026 ~ max. 0,05Sn 0,0062 ~ max. 0,03Al < 0,002 ~ max. 0,03Ni - ~ max. 0,2As < 0,001 ~ max. 0,02Pb < 0,005 ~ max. 0,05Si < 0,005 ~ max. 0,01Mn 0,0052 ~ max. 0,04P < 0,003 ~ max. 0,05

Sb - ~ max. 0,01Bi - ~ max. 0,04

* Target : standard

Pengujian komposisi material paduan Cu-Zn70/30 dilakukan dengan menggunakan opticalemission spectroscopy (OES) di laboratorium.

Ukuran benda uji yang digunakan dalampenelitian ini adalah pelat berdimensi 100 mm x100 mm x 3,1 mm seperti yang ditampilkan padaGambar 2, lalu dihubungkan dengan kawattermokopel tipe K berdiameter 2 mm.Pengukuran temperatur menggunakan dataacquisition system yang dihubungkan denganperangkat komputer.

Gambar 2.Contoh Rangkaian Pengujian Canai Hangat

Proses deformasi warm rolling didahuluidengan pemanasan sampel pada dapurkarbolit dengan suhu 700oC selama 90 menit,yang kemudian dilanjutkan proses rolling padamesin rol kapasitas 20 tonF dengan parameterdeformasi rolling double pass reverse, secarabolak-balik berturut-turut sebanyak 29,03%;34,4%; dan 38,16% yang dilanjutkan denganpendinginan udara.

Penelitian ini diawali dengan pemanasanawal sampel dari suhu ruang ke suhu 700oCselama 30 menit lalu ditahan selama 90 menituntuk proses homogenisasi yang bertujuanuntuk menghasilkan ukuran butir yang lebihseragam. Kemudian dilanjutkan denganpendinginan dalam oven ke suhu ruang sepertiyang terlihat pada Gambar 3. Selanjutnyadilakukan pemanasan ke suhu 400oC denganwaktu 15 menit dan ditahan selama 15 menitlalu dilakukan warm rolling secara double passreversible dengan % reduksi 29,03%; 34,4%;dan 38,16% kemudian dilanjutkan denganpendinginan di udara, tahapan proses sepertiyang ditunjukkan pada Gambar 4.


E-ISSN 2541-1233166 P-ISSN 1410-3680

Gambar 3.Diagram Tahapan Homogenisasi di Suhu

700oC selama 90 Menit

Gambar 4.Diagram Tahapan Warm Rolling pada Suhu

400oC dengan Metode Double PassReversible

Pengamatan struktur mikro melalui prosesmetalografi berdasarkan standard ASTM E3-01[7]. Proses metalografi diawali denganpemotongan sampel sesuai denganpermukaan yang akan diamati. Kemudiandilanjutkan dengan proses mounting yaitumembingkai sampel kedalam resin dimanadaerah sampel yang akan diamati bedradapada permukaan. Selanjutnya dilakukanproses pengampalsan (grinding) danpemolesan. Proses selanjutnya adalahproses etsa yang bertujuan untukmemunculkan jejak batas butir pada benda ujidengan menggunakan zat etsa ferric kloridaatau 10% FeCl3 yang terdiri atas 10 gr FeCl3dan 100 ml alkohol 96%. Kemudian dilakukanpengamatan struktur mikro dan ukuran butirrata-rata menggunakan mikroskop optik.

Untuk mengetahui perubahan sifatmekanik dilakukan pengujian tarik danpengujian kekerasan. Pengujian tarikmenggunakan mesin uji tarik ServopulserShimadzu mengacu pada standar ASTME8[8]. Dari hasil uji tarik diperoleh datakekuatan tarik (UTS), kekuatan luluh (YS),dan nilai keuletan.

Kemudian dilakukan pengujian kekerasanmenggunakan metode Vicker’s denganmenggunakan standar ASTM E 92[9]. Karenaketebalan material benda uji yang tipis yaitusebesar ≤ 3,1 mm, maka dilakukan pengujianmetode kekerasan secara mikro untukmengetahui distribusi kekerasan baik dibagian tepi maupun di bagian tengah hasilwarm rolling.

Selanjutnya setelah dilakukan proseswarm rolling maka dilakukan pengukuran

tingkat deformasi melalui persamaan sebagaiberikut :

(1)dimana :

% deformasi = % reduksi, Ho = tebal awalbenda uji (mm), Hf = tebal akhir benda uji(mm). Sedangkan untuk menghitung besarregangan yang terjadi saat proses warmrolling maka digunakan persamaan berikut[10]:


Paduan Cu-Zn 70/30 yang digunakandalam penelitian ini adalah pelat yangsebelumnya telah mengalami proseshomogenisasi di suhu 700°C selama 90 menitseperti yang terlihat pada Gambar 5.

Gambar 5.Foto Mikrostruktur Sampel Paduan Cu-Zn

70/30 setelah Homogenisasi 700oC selama 90Menit. Etsa 10% FeCl3

Hasil pengukuran besar butir menunjukkanbahwa diameter butir rata-rata dari pelat yangdihomogenisasi mencapai 71,82 μm dengansuktur mikro paduan Cu-Zn 70/30 terdiri daributiran dengan twin berbentuk garis-garissejajar [11-13].

Gambar 6 menunjukkan hubungan antara% reduksi dengan laju regangan warm rollingpada material paduan Cu-Zn 70/30. Darigambar tersebut terlihat bahwa dengansemakin meningkatnya % reduksi hinggamencapai 38,16% menunjukkan tren positif

(2)

(3)(3)

(3)


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 167

terhadap peningkatan laju regangan hingga 9,4.

Gambar 6.Hubungan antara % reduksi dengan laju regangan warm rolling paduan Cu-Zn 70/30

Gambar 7 menunjukkan hubungan antaralaju regangan warm rolling pada materialpaduan Cu-Zn 70/30 dengan ukuran butir(micron). Dari gambar tersebut terlihat bahwa

dengan semakin meningkatnya laju reganganwarm rolling menyebabkan ukuran butir yangsemakin halus, baik di bagian tepi maupuntengah seperti yang terlihat pada Gambar 7.

Gambar 7.Hubungan antara ukuran butir (µm) dengan laju regangan warm rolling paduan Cu-Zn 70/30

Ukuran butir terkecil diperoleh di suhuwarm rolling 400°C dengan laju regangan 9,4.Hal tersebut dapat dilihat pada mikrostrukturbutir dari hasil perlakuan deformasi tersebutpada Gambar 8a dan 8b. Laju regangan yangsemakin tinggi dapat mempengaruhi jumlahinti atau kecepatan pengintian. Dari lajuregangan yang lebih tinggi akan didapatkanlebih banyak inti per satuan volume untukrekristalisasi sehingga didapatkan ukuranbutir yang lebih kecil [11,14-18]. Dengan semakin

besar laju regangan warm rolling makasemakin halus dan semakin kecil butir yangterbentuk seperti yang terlihat pada Gambar7.

Pada Gambar 8 menunjukkan bahwaukuran butir bagian tepi lebih halusdibandingkan bagian tengah. Hal tersebutdisebabkan karena nilai Δ rendah (Δmerupakan rasio ketebalan/diameter bendauji terhadap panjang kontak antara roller danbenda uji) sehingga menghasilkan regangan


E-ISSN 2541-1233168 P-ISSN 1410-3680

permukaan yang lebih tinggi dibandingkanbagian tengah. Perbedaan regangan antarabagian tepi dan tengah menghasilkan aliranyang tidak homogen sehingga ukuran butir dibagian tepi setelah rekristalisasi lebih halusdibandingkan bagian tengah[19].

Gambar 8.Foto mikrostruktur untuk paduan Cu-Zn 70/30

hasil hot roll pada T= 400 °C dengandeformasi 38,16% (a) Bagian tepi, (b) Bagian

tengah. Etsa : 10% FeCl3

Pada Gambar 9 menunjukkan bahwadengan semakin meningkatnya lajuregangan, maka kekerasan material paduanCu-Zn 70/30 baik di bagian tepi maupuntengah meningkat.

Gambar 9.Hubungan antara nilai kekerasan (HV)

dengan laju regangan hasil warm rollingpaduan Cu-Zn 70/30

Pengaruh ukuran butir rata-rata terhadapnilai kekerasan dapat dilihat pada Gambar 10.Hasil pengujian kekerasan menunjukkanbahwa dengan semakin besar ukuran butirrata-rata maka kekerasan bagian tepimaupun tengah menurun, namunpenurunannya tidak signifikan.

Gambar 10.Hubungan antara ukuran butir rata-rata, (μm)dan kekerasan mikro (HV) dari paduan Cu-Zn70/30 yang diproses warm rolling di suhu 400

°C

Perbedaan kekerasan yang tidaksignifikan disebabkan karena presentasereduksi actual masih di bawah persentasereduksi kritis, meskipun terjadi peningkatanlaju regangan warm rolling dan penurunanukuran butir akibat pemanasan adiabatik[19].

Selain itu, menurut Zainul Huda dan OoiSo Peng[20] yang melakukan canai dinginpada aluminum komersial murni kemudiandilanjutkan dengan anil menjelaskan bahwaterdapat hubungan kuat antara ukuran butirdari material yang terekristalisasi denganpresentase deformasi. Ketika peningkatan


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 169

presentase deformasi di bawah deformasikritis, ukuran butir meningkat lalu menurundengan meningkatnya persentase deformasidi atas deformasi kritis. Untuk deformasiringan (kurang dari deformasi kritis 30%)pada material yang terekristalisasi, ukuranbutir meningkat, dan kekerasan menurun.Sedangkan pada deformasi berat (di atasdeformasi kritis 30%) pada material yangterekristalisasi, ukuran butir berkurang, dankekerasan meningkat.

Kenaikan kekerasan versus peningkatanukuran butir berhubungan dengan densitasdislokasi yang semakin meningkat di dalambutir dan berdampak pada bertambahnya nilaikekerasan material karena batas butirsemakin meningkat dengan ukuran butir yangsemakin halus[21].

Setelah proses canai hangat melewatisuhu 400°C dengan laju regangan 7,7 makapeningkatan kekerasan pada paduan Cu-Zn70/30 dipengaruhi oleh pengerasan regangkarena proses rolling dan ukuran butir yangsemakin kecil (strengthening by grain sizereduction). Ukuran butir besar akanmenurunkan kekerasan seperti yang terlihatpada Gambar 10 hal ini dikarenakan dengansemakin besarnya d-1/2 maka ukuran butirnyasemakin halus yang menyebabkan batas butirakan semakin banyak[22].

Hal ini sesuai dengan pernyataanA.Najafi[22] yang menyatakan bahwa dengansemakin besarnya presentase deformasiaktual berarti laju regangan canai hangatyang terjadi semakin tinggi dan menghasilkanukuran butir yang semakin halus sehinggasemakin banyak dislokasi yang bertumpuk di

dalam butir dan menyebabkan terjadinyapeningkatan kekerasan dan kekuatanmaterial.

Ukuran butir yang besar menghasilkannilai kekerasan yang rendah. Hal inidikarenakan ukuran butir membesar makajumlah batas butir menurun. Batas butirmerupakan tempat dimana dislokasi berhentikarena batas butir mempunyai energi tertinggiuntuk memindahkan dislokasi. Oleh karenaitu, ketika batas butir menurun, makadislokasi mudah bergerak dan materialpaduan Cu-Zn 70/30 mudah untukberdeformasi yang artinya kekerasan akanturun. Namun, ketika ukuran butirnya lebihhalus maka dislokasi sulit untuk bergerak danmaterial sulit untuk berdeformasi karenabatas butirnya banyak. Hal ini menyebabkankekerasan material menjadi lebih tinggikarena energi yang diperlukan untuk prosesdeformasi menjadi lebih tinggi. Hal ini sesuaidengan penelitian yang dilakukan Suryadi,dkk[23-24] yang melakukan proses ECAP laludilanjutkan dengan anil pemanasan padapaduan Cu-Zn 70/30.

Dengan ukuran butir yang semakin haluspada laju regangan warm rolling yang lebihtinggi (Gambar 7), menghasilkan kekerasan(Gambar 10), kekuatan luluh (yield), dankekuatan tarik maksimum yang lebih tinggiseperti yang terlihat pada Gambar 11 dimanaukuran butir yang semakin halusmenunjukkan tren positif terhadappeningkatan kekuatan luluh dari materialbenda uji paduan Cu-Zn 70/30 hasil warmroll.

Gambar 11.Hubungan antara ukuran butir rata-rata (µm) dengan kekuatan tarik (MPa) dari paduan Cu-Zn

70/30 yang diproses warm rolling


E-ISSN 2541-1233170 P-ISSN 1410-3680

Pada Gambar 11 menunjukkan bahwadengan semakin meningkatnya ukuran butirmaka terjadi penurunan kekuatan tarikmaksimum (UTS). Selain itu, nilai UTSterendah tercapai ketika proses deformasiwarm rolling mencapai laju regangan 7,7. Halini berhubungan dengan ukuran butir yangsemakin meningkat dengan penurunan lajuregangan warm rolling seperti yang terlihatpada Gambar 7.

Gambar 11 menunjukkan bahwa dengansemakin besar ukuran butir maka semakinkecil kekuatan luluh. Hal ini sesuai denganPersamaan Hall-Patch yaitu dengan semakinmeningkatnya kehalusan butir atau d-1/2

semakin tinggi maka dapat meningkatkankekuatan yield material[10].

Material dengan butir yang halus (yangmemiliki butir kecil) lebih keras dan kuatdibandingkan material dengan butir kasar,karena butir halus memiliki area batas butirtotal yang lebih luas untuk menghalangipergerakan dislokasi sesuai denganPersamaan Hall-Patch[10].

dimana бy merupakan tegangan luluh, бomerupakan konstanta material untuktegangan awal selama pergerakan dislokasi(atau ketahanan kisi terhadap pergerakandislokasi), ky merupakan koefisien penguatan(a konstanta spesifik untuk masing-masingmaterial) dan d merupakan diameter butirrata-rata

Jadi, dapat disimpulkan bahwa dengansemakin meningkatnya ukuran butir makaberdampak pada menurunnya kekuatan luluhdan UTS dari material paduan Cu-Zn 70/30yang masing-masing mencapai 395,46 MPa

dan 435,84 MPa dengan semakinmeningkatnya laju regangan warm rollingseperti yang terlihat pada Gambar 11.

Namun, menurunnya nilai kekuatan baikkekuatan tarik maksimum maupun kekuatanluluh berbanding terbalik dengan persentaseelongasi dimana dengan ukuran butir yangsemakin besar maka persentase elongasinyasemakin tinggi, seperti yang terlihat padaGambar 12.

Nilai % elongasi yang dihasilkan daripengujian tarik berkaitan dengan keuletan(ductility) suatu material yaitu dengansemakin besarnya persentase elongasi makasecara otomatis keuletan benda uji paduanCu-Zn 70/30 juga meningkat. Gambar 12menunjukkan bahwa ukuran butir yangsemakin halus atau d-1/2 yang semakin besarmaka nilai kekuatan luluh (MPa) materialbenda uji paduan Cu-Zn 70/30 semakintinggi. Oleh karena kekuatan luluh berbandingterbalik dengan persentase elongasi sehinggaukuran butir yang semakin halus atau d-1/2

yang semakin besar maka persentaseelongasinya semakin rendah seperti yangterlihat pada Gambar 12.

Selain itu, pada % reduksi aktual sebesar29,03% terjadi pertumbuhan butir abnormalmelebihi ukuran butir akibat migrasi batasbutir[14] mencapai 82,9 mikron. Meskipunukuran butir melebihi kondisi awal, namunkeuletan nya masih lebih rendahdibandingkan kondisi awal karena benda ujitelah mengalami strain hardening akibatproses deformasi warm rolling. Sedangkan,pada reduksi actual sebesar 38,16%, olehkarena terjadi fenomena rekritalisasi sebagianyaitu timbulnya butir-butir baru di antara butir-butir lainnya seperti yang terlihat padaGambar 8 (lingkaran) maka % elongasinyameningkat menjadi 7% dibandingkan padareduksi actual 34,4% yaitu sebesar 6%.

(4)


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 171

Gambar 12.Hubungan antara ukuran butir rata-rata dengan % elongasi dari paduan Cu-Zn 70/30 yang

diproses warm rolling

SIMPULAN

Setelah warm rolling pada suhu 400°Cdengan reduksi 38% terjadi perubahanstruktur mikro dengan ukuran butir menurundari 41,57 μm menjadi 33,45 μm di bagiantengah dan 37,8 μm menjadi 30,03 μm dibagian tepi. Kekuatan tarik maksimummenurun dari 490 MPa menjadi 478 MPa dankekuatan luluh meningkat dari 402 MPamenjadi 434 MPa. Namun, nilai elongasimeningkat dari 6% menjadi 9%. Selain itu,nilai kekerasan meningkat dari 137,59 HVmenjadi 146,68 HV di bagian tengah danmeningkat dari 142,4 HV menjadi 155,39 HVdi bagian tepi.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasihkepada Kemenristekdikti yang memberikanbeasiswa sehingga penulis dapat melanjutkanpendidikan S2 DTMM FTUI dan melakukanpenelitian. Selain itu, penulis jugamengucapkan terima kasih kepadaDr.Barman Tambunan selaku Kepala B2TKSBPPT, Dr. Sri Harjanto selaku KepalaJurusan DTMM FTUI, dan Dr.Ing.H.AgusSuhartono selaku Kepala Bidang KajianMaterial B2TKS, untuk koordinasi danpemberian ijin dalam menggunakan alat ujilaboratorium.

DAFTAR PUSTAKA

1. Azushima, A., R.Kopp, A.Korkohen,D.Y.Yang, F.Micari, G.D.Lahoti, “SeverePlastic Deformation (SPD) Process forMetals,” CIRP Annuals ManufactureTechnology., Vol.57, hal. 716-735, 2008.(7->1)

2. S. Dobatkin, J. Zrnik, ”Ultrafine-GrainedLow Carbon Steels by Severe PlasticDeformation”, Metalurgija, vol. 47,hal.181-186, 2008 (8 -> 2)

3. G. H. Akbari, C. M. Sellars, “MicrostructuralDevelopment During Warm Rolling of IFSteel”, Acta Metallurgica, vol.45, issue 12,hal. 5047-5058, 1997 (9 -> 3)

4. Zuhal A. K, “Effect Of Annealing OnMechanical Properties Of Brass AlloyType C38500”, Diyala Journal ofEngineering Sciences, 2015 (2 -> 4)

5. Osamu, Izumi, “Research on TheStructure and The Low –TemperartureAnnealing Effect in Cold-Rolled α-Brass,,http://ci.nii.ac.jp/naid/110004637586/en/(10 -> 5)

6. Freudenberger, J., Kaumann, A., Klauß,H., Marr, T., Nenkov, K., Subramanya, V.and Schultz, L., “Studies onrecrystallization of single-phase copperalloys by resistance measurements”, ActaMaterialia, vol.58, hal. 2324-2329, 2010(3 -> 6)

7. ASTM E3. Standard Guide forPreparation for MetallographicSpecimens, 2003. (11->7)

8. ASTM E8, Standard Test Methods forTension Testing of Metallic Materials,2003. (12-> 8)


E-ISSN 2541-1233172 P-ISSN 1410-3680

9. ASTM E92, Standard Test Methods forVickers Hardness of Metallic Materials,2003 (13 -> 9)

10. Callister, W. D. Jr., An Introduction :Material Science and Engineering, JohnWiley & Son, Inc., hal.373, 2007 (3 -> 10)

11. Humpreys, F.J., dan M.Hatherly,Recrystallization and Related AnnealingPhenomena, Pergamon Press, 2004 (14-> 11)

12. Ozgowic, W., dkk, “The Microstructureand Mechanical Properties of The AlloyCu-Zn 70/30 after RecrstallizationAnnealing”, Journal of Achieve in Materialand Manufacturing (JAMME), Vol.40,Issue 1, hal.15-24, 2010 15 ->12)

13. L.J., Radovic, dkk., “The Influence ofThermomechanical Treatment onRecrystallization of Al Mg4,5Cu0,5 Alloy”,Metallurgija Journal of Metallurgy, hal.83-88, 2008 (16 -> 13)

14. Nestorovic S., Desimir Markovic, LjubicIvanic, “Influence of Degree ofDeformation in Rolling on AnnealHardening Effect of A Cast Copper Alloy,”Bulletin Material Science, vol. 26, no. 6.hal. 601–604, 2003 (17 -> 14)

15. C. Zheng, N. Xiao, “MicrostructurePrediction of The AusteniteRecrystallization During Multi-Pass SteelStrip Hot Rolling,” ComputationalMaterials Science, voll. 44. hal.507-514,2008 (18 -> 15)

16. Harold L.Walker, “Grain Size Produced byRecrystallization and Coalescene in ColdRolled Cartridge Brass,” Buletin SeriesNo. 359, University of Illinois., vol.43. no.21, 2000. (19 -> 16)

17. Charlie R.Brooks, “Heat Treatment.Structure and Properties of Non-FerrousAlloys,” ASM International, 2000 (20 ->17)

18. Verlinden, Berth, Julian Driver, IndradevSamadjar & Roger D.Doherty, Thermo-Mechanical Processed of MetallicMaterials, Pergamon Press Elsevier. Ltd,vol. 11, 2007. (21 -> 18)

19. William F.Hosford, Robert M.Caddell,Metal forming Mechanics and Metallurgy,Prentice Hall-Inc., 2009 (22->19)

20. Huda, Zainul, dan Ooi SooPeng,”Computation of Critical %Deformation and Its Effect on TheMicrostructure of Coomercial PurityAluminum”, Journal of Department ofMechanical Engineering University ofMalaya, 2002 (23 -> 20)

21. Liu, Y., dkk, “Effect of TMCP Parameterson Microstructure and Properties of Nb-TiMicroalloed Steel”, Iron and Steel Instituteof Japan Intl., vol.45, issue 6, hal.851-857, 2005

22. Najafi, A., “Effect of Delay Time onMicrostructural Evolution during WarmRolling of Ti-Nb-IF Steel”, JournalMaterial Science and Technology, vol.20,issue 1, 2004

23. Edwin Scott, Jr, ASA Materials MarkketDigest, hal.1-6, 2009 (26 -> 23)

24. Suryadi, Suryadi, R.A.M Napitupulu, DediPriadi, Amin Suhadi, E.S. Siradjh, “Effectof Equa Channel Angular Pressing andPost Heating on Microstructure andHardness of Cu-Zn 70-30,” Journal ofAdvanced Material Research., vol.789.hal.373-378, 2013 (27 -> 24)

Proses Pembuatan dan Pengujian Benda Uji Keramik untuk Bahan Baku Isolator Listrik Keramik Proselen (Wahyu garinas)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 173

PROSES PEMBUATAN DAN PENGUJIAN BENDA UJIKERAMIK UNTUK BAHAN BAKU ISOLATOR

LISTRIK KERAMIK PORSELEN

MANUFACTURING AND TESTING PROCESS OF CERAMICSPECIMENS FOR RAW MATERIALS OF ELECTRICAL

ISOLATOR PORCELAIN CERAMICWahyu Garinas

Peneliti Pusat Teknologi Pengembangan Sumberdaya Mineral (PTPSM )Deputi TPSA – Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT)

Gedung Geostech 820, Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, Banten, [email protected]

Abstrak

Penelitian ini merupakan bagian dari kegiatan mencari bahan baku untukpembuatan isolator keramik porselen. Bahan baku untuk pembuatan benda ujikeramik sebagian besar menggunakan bahan baku lokal.Proses pengolahanbahan baku pada penelitian ini : pembuatan komposisi, pengolahan bahan danpembuatan benda uji. Metode yang akan dilakukan dalam pengolahan ini yaituproses pemisahan dengan cara basah dan kering.Untuk mengetahui kualitaskelistrikan dari bahan baku keramik maka dibuat benda uji dan dilakukan ujitegangan tembus listrik.Hasil uji terhadap benda uji ternyata semua benda ujimasih belum memenuhi standar IEC maupun ASTM. Nilai hasil uji terhadapsampel sekitar (7,99 - 9,35) kV/mm dan semua sampel belum memenuhistandar yang direkomendasikan oleh PLN (9,85 kV/mm). Hasil uji tersebutmenunjukkan bahwa sampel no. 5 dan 6 yang mendekati standar dari PLN. Perluevaluasi terhadap komposisi , bahan dan proses pembuatan dari benda ujikeramik.

Kata Kunci : Bahan mentah keramik (kaolin, felspar, ball clay,kuarsa), pengujianbenda uji, pengujian tegangan tembus, kualitas bahan keramik.

Abstract

This study is part of the looking for raw materials for the manufacture of ceramicporcelain insulators.The raw material for the manufacture of ceramic testspecimens mostly using local raw materials.The processing of the raw material inthis study: preparing a composition, materials processing and manufacturing ofthe test object. The method will be done in this processing is the separationprocess by means of wet and dry.To know the the quality of the electrical ceramicraw materials then created of the test specimen and test the electrical PunctureVoltage.The test results of the test specimen it turns out all specimens still doesnot meet PLN (IEC and ASTM) standards.Value test results on samplesapproximately (7.99 to 9.35) kV / mm and all samples do not meet the standardsrecommended by PLN.The test results showed that the samples no. 5 and 6 arecloser to a standard of PLN.Needs to be evaluation of the composition, materialsand manufacturing process of ceramic test specimen.

Keywords : raw material ceramic, specimens test, puncture voltage test, ceramicmaterial quality.

Diterima (recieved) : 10 September 2016, Direvisi (Revised) : 25 Oktober 2016,Disetujui (Accepted) : 25 November 2016


E-ISSN 2541-1233174 P-ISSN 1410-3680

PENDAHULUAN

Meningkatnya kebutuhan listrik pada saatini tentunya akan menambah penggunaanyang berhubungan dengan peralatan listrik.Banyak sekali bahan penunjang danperalatan kelistrikan yang dibutuhkan. Banyaksekali jenisdan bahan serta kelengkapan yangdigunakan dalam sektor industri listrik. Bahanpendukung dan kelengkapan industrikelistrikan yang menunjang dan digunakancukup banyak misalnya isolator listrik. Salahsatu jenis isolator listrik yang banyak sekalidigunakan adalah isolator listrik keramik.Walaupun kita ketahui bahwa isolator listrikbanyak jenis bahan bakunya seperti isolatorgelas, polimer dan lain sebagainya.

Produksi isolator keramik listrik khususdigunakan untuk tegangan tinggi cukup sulituntuk mengetahui secara tepat demikian pulakebutuhannya. Dengan mendapatkan datajumlah jaringan dan kebutuhan isolator padasuatu jaringan tentunya kita akanmemperoleh data perkiraan isolatorterpasang dan pemakaiannya kedepan.Berdasarkan perhitungan secara umum makasudah jutaan isolator listrik terpasang yangmeliputi semua jenis isolator seperti rendahdan tinggi. Meningkatnya kebutuhanpenggunaan listrik setiap tahun makapenggunaan isolator listrik akan naiksignifikan sesuai dengan pembangunankelistrikan di Indonesia. Data dari PerusahaanLitrik Negara (PLN) bahwa elektrifikasi(daerah yang teraliri listrik) tahun 2010 yangbaru mencapai 67 persen, rasio elektrifikasinasional telah naik 20 persen. Menurut PLN,Dalam 5 tahun ke depan kebutuhan listrikakan tumbuh sebesar rata-rata 8,7 persen pertahun dan target rasio elektrifikasi sebesar 95persen pada akhir tahun 2019. 1)

Isolator listrik adalah bahan yang tidakbisa atau sulit melakukan perpindahanmuatan listrik. Bahan-bahan ini dipergunakandalam alat-alat elektronika sebagai isolator,atau penghambat mengalirnya arus listrik.Isolator berguna pula sebagai penopangbeban atau pemisah antara konduktor tanpamembuat adanya arus mengalir ke luar atauantara konduktor. Istilah ini jugadipergunakan untuk menamai alat yangdigunakan untuk menyangga kabel transmisilistrik pada tiang listrik.

Berdasarkan data potensi kebutuhan danrencana pembangunan kelistrikan tersebuttentunya penggunaan bahan aksesoriskelistrikan seperti isolator akan tetapdibutuhkan nantinya. Peluang untuk

mengoptimalkan aksesories kelistrikan sepertiisolator listrik terutama jenis keramikproduksi dalam negeri menjadi lebih besardan menjadi prioritas.

Penggunaan bahan keramik untukisolator listrik sudah dikenal sejak lama danbanyak pabrik telah didirikan. Selama ini kitatidak banyak yang tahu besar produksipenggunaan isolator listrik keramik terutamayang digunakan untuk tegangan tinggi.Apalagi produk isolator keramik denganbahan baku berasal dari dalam negeri selamaini belum ada data yang dapat meyakinkankita.

Bahan baku dalam negeri untuk keramikseperti kaolin, ball clay, felspar dan kuarsayang melimpah merupakan modal awal untukmengoptimalkan pemanfaatannya. Hal inimerupakan bagian awal dari rangkaianpanjang penelitian bahan keramik dalamnegeri untuk bahan isolator listrik keramik

Bahan baku keramik yang digunakandalam penelitian ini terpilih dari berasal dalamnegeri dan menggunakan peralatan danmetode pengolahan bahan umum biasadigunakan pada industri keramik. Teknologipengolahan yang digunakan merupakanteknologi umum dalam pembuatan keramikdan sering dipakai. Ada beberapa inovasidalam pengolahan bahan terutama dalammemperbaiki kualitas bahan baku. Misalnyadalam proses pengolahan bahan mentahditambahkan peralatan penangkap materialmengandung logam dengan saringan magnetdan memperketat pengawasan bahan sertaproses pencampuran. Penggunaan saringanmagnet ditujukan agar kandungan logampada bahan mentah akan dapat diminimalisir.Selanjutnya dilakukan proses pengolahanbasah, pencampuran bahan uji dan Tahapanakhir membuat serta mencetak dimensibenda uji sesuai kebutuhan penelitianlaboratorium kemudian dikeringkan untuk siapproses pembakaran.

Penelitian ini dilakukan untukmendapatkan data kualitas benda uji keramikdari pengujian kuat tembus listrik denganstandar badan isolator keramik. Secara tidaklangsung akan diketahui juga kualitas jugabahan baku keramik, komposisi, teknologiproses.

Oleh karena itu tahapan awal bahan bakukeramik yang akan diolah perlu upayaperbaikan kualitasnya. Untuk memberikangambaran kualitas isolator yang akan dibuatmaka komposisi yang dibuat disesuaikandengan kekuatan badan isolator keramik.Untuk itu maka dalam penelitian ini dibuatlahbenda uji keramik. Berdasarkan ketersediaan


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 175

alat uji kelistrikan dan standar yang ada makabentuk benda uji yang sepakati adalah bentuksilinder dan ketebalan yang bervariasi.

Benda uji badan keramik yang dibuatakan diuji yaitu dengan peralatan uji tegangantembus listrik. Dengan pengujian inidiharapkan dapat mengetahui kekuatanbadan keramik (kaolin, ball clay, felspar,kuarsa dan alumina) dengan komposisi yangdibuat terhadap kekuatan tembus aliran listriktegangan tinggi. Bentuk benda uji dan carapengujian yang direncanakan sesuai denganhasil diskusi dengan Perusahaan ListrikNegara (PLN) sesuai dengan kebutuhanstandar uji di laboratorium PLN. Adapunstandar uji yang dipersyaratkan PLN yaituberdasarkan standar InternationalElectrotechnical Commission (IEC) dan atauAmerican Standard Test Method (ASTM).

Hasil penelitian terhadap sampelmemperlihatkan bahwa benda uji yang dibuatmasih belum memenuhi standar dankesepakatan yang dipersyaratkan oleh PLN.Untuk itu masih diperlukan variasi komposisi,proses pengolahan dan pemilihan lokasibahan baku yang tepat untuk penelitian.

BAHAN DAN METODE

Keramik memiliki karakteristik yangmemungkinkannya digunakan untuk berbagaiaplikasi termasuk. Sifat-sifat keramikumumnya seperti : sifat mekanik, sifatthermal, sifat elektrik, sifat optik, sifat kimia,sifat fisik dan sifatnya dapat magnetik dannon-magnetik 2).

Sifat-sifat seperti kekerasan danketahanan panas dan listrik secara signifikanlebih tinggi keramik dari pada logam. Ukuranbutir mempunyai pengaruh besar terhadapkekuatan dan sifat-sifat keramik; ukuran butiryang halus (dikatakan keramik halus),semakin tinggi kekuatan dan ketangguhannya3).

Keramik memiliki karakteristik yangmemungkinkannya digunakan untuk berbagaiaplikasi termasuk : Kapasitas panas yang baik dankonduktivitas panas yang rendah. Tahan korosi. Sifat listriknya dapat insulator,semikonduktor, konduktor bahkansuperkonduktor Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik Keras dan kuat, namun rapuh.4).

Metode atau pendekatan yangdilakukan dalam pelaksanaan kajian iniadalah dengan melakukan

:1. Studi pendahuluan meliputi :pengumpulan data dari berbagai literatur,jurnal, artikel-artikel,standar pengujian dandata yang dipublikasi oleh lembagaperguruan tinggi atau institusi terkait misalnyaKementerian / Dinas Energi SumberdayaMineral, Balai Besar Keramik Bandung -Kementerian Perindustrian, Badan PusatStatistik dan lain-lain.

2. Pembuatan dan pengolahan bahan bakuuntuk pembuatan benda uji bahan keramikisolator. Kegiatan yang dilakukan dalampenelitian ini antara lain dengan persiapanbahan baku dan melakukan prosespengolahan dan pembuatan benda uji.

Persiapan bahan dimulai denganpemilihan bahan keramik (kaolin,felspar, ballclay, kuarsa, alumina) kemudian menentukankomposisi bahan uji dengan pertimbangansifat, kualitas yang selama ini diketahui. Padatahapan ini komposisi badan (bodi) benda ujiyang akan diteliti yaitu bodi keramik alumina.

Bahan baku dari lokal seperti kaolinberasal dari lokasi di Pulau Bangka danBelitung, ball clay yang digunakan berasaldari Kalimantan, felspar dari Sumatera Utara.Pada penelitian ini bahan baku yang masihdiimpor adalah alumina. Benda uji yangdibuat terdiri atas beragam komposisi danberbagai macam bentuk yang berbeda.

Proses pengolahan bahan ini dilakukanuntuk membuang mineral pengganggu sepertimineral pengotor yang ada di bahan bakukeramik.

Tahapan pengolahan bahan mentahmeliputi 5) :• Pemilihan bahan dan penimbangan bahanmentah keramik.• Dimasukkan dalam Penggiling.• Tambahkan air sehingga membentuksuspensi dengan 30-40 % kadar padatan.• Diaduk hingga rata sehingga bahantepung menjadi suspensi.• Disaring secara basah dengan ayakan100 mesh untuk menyaring kotoran danbahan organik.• Disaring dengan saringan magnet yaitumagnetik ferro filter.• Massa suspensi kemudian diendapkan.• Pengeringan bahan keramik terolahselama 24 jam.• Bahan keramik terolah di padatkandengan filter press.


E-ISSN 2541-1233176 P-ISSN 1410-3680

• Pencetakan benda Uji sesuai dengakebutuhan pengujian (kuat tembus, kuattekan dan kuat lentur (bengkok) .• Benda uji dikeringkan.• Proses akhir benda uji untuk pengujiankelistrikan (kuat tembus) dibakar.

Metode dipilih dalam pengolahan bahankeramik yaitu menggunakan prosespemisahan dengan cara basah dan kering.Bagan alir pengolahan bahan mentahkeramik seperti pada Gambar 1.

Gambar 1.Bagan Alir Proses Pembuatan Benda Uji

Bahan Keramik Listrik. 5).

Untuk keperluan uji kelistrikan maka telahdirencanakan untuk membuat benda uji yangdengan diamater lingkaran sekitar 30 – 40mm dan ketebalan 6 sampai 7 mm. Dimensibenda uji hasil proses pengolahan bahansesuai dengan yang direncanakan sepertipada gambar 2, berikut.

Gambar 2.Bentuk dan Dimensi Benda uji Bahan Baku

Isolator Keramik5).

3. Pengujian tegangan tembus kelistrikanuntuk benda uji dilakukan denganbekerjasama dengan Pusat PenyelidikanMasalah Kelistrikan (PPMK – PLN). Jenistegangan yang diuji pada suatu peralatantergantung tegangan kerja peralatan dan jenistegangan lebih yang mungkin dipikulperalatan tersebut.

Prosedur pengujian tegangan tinggitergantung pada kesepakatan antaraprodusen dan pemakai peralatan. Standarpengujian yang ada saat ini antara lain adalah: International Electrotechnical Commission(IEC), JIS (Jepang), VDE (Jerman), ASTM(Amerika Serikat) danlain sebagainya.

Peralatan yang dibutuhkan untukpengujian tegangan tinggi adalah : 4).

Pembangkitan tegangan tinggi yang terdiriatas : pembangkit tegangan tinggi AC,pembangkit tegangan tinggi DC, danpembangkit tegangan tinggi impuls. Alat ukur tegangan tinggi yang terdiri atasalat ukur tegangan tinggi DC, alat ukurtegangan tinggi AC, dan alat ukur tegangantinggi impuls. Alat pengukur sifat listrik dielektrik, antaralain alat ukur rugi – rugi dielektrik, alat ukurtahanan isolasi, alat ukur konduktivitas, danalat ukur peluahan parsial.

Pengujian tegangan tinggi dibutuhkanuntuk 5):

a) Untuk meneliti sifat – sifat listrik dielektrikyang baru ditemukan, sebagai usahadalam menemukan bahan isolasi yanglebih murah.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 177

b) Untuk verifikasi hasil rancangan isolasibaru, yaitu hasil rancangan yang telahdikurangi volume isolasinya.

c) Untuk memeriksa kualitas peralatansebelum dipasang, hal ini dilakukan untukmenghindarkan kerugian bagi pemakaiperalatan.

d) Untuk memeriksa kualitas peralatansetelah beroperasi dalam rangkamengurangi kerugian semasapemeliharaan.Pengujian tegangan tinggi dapat

dikelompokkan berdasarkan denganpengujian terhadap benda uji, yaitu : 6)

1) Pengujian tidak merusak , meliputi :(a) Pengukuran tahanan isolasi.Pengujian

dengan tegangan tinggi searah dilakukanhanya pada peralatan peralatan yangmempunyai kapasitansi besar.

(b) Pengukuran faktor rugi – rugi dielektrik.(c) Pengukuran korona.(d) Pemetaan medan elektrik.

2) Pengujian bersifat merusak, yaitu :(a) Pengujian ketahanan (Withstand Test)(b) Pengujian peluahan ( Discharge Test)(c) Pengujian kegagalan (Breakdown Test)

Ada tiga metode dalam memberikantegangan pengujian berdasarkan AmericanStandard Test Method (ASTM D-149) :1. Metode A : Pengujian Waktu Singkat(Short Time Test).

Pada metode pengujian waktu singkat,dielektrik diuji dengan tegangan yang naiksecara bertahap mulai dari nol, lalu naikdengan kecepatan tertentu, misalkan 100V/shingga terjadi tembus listrik pada bahandielektrik. Waktu yang dibutuhkan hinggaterjadinya tembus listrik haruslah antara 10sampai 20 sekon. Jika dengan kenaikantegangan tembus listrik terjadi bukan padainterval waktu 10 – 20 sekon, dicari varisikenaikan tegangan lain yeng membuattembus listrik dalam interval waktu tersebut.2. Metode B : Pengujian bertangga (Step- by-Step Test).

Tegangan pengujian dibuat sepertigambar dengan tegangan uji awal Nilaitegangan awal VS dipilih kurang lebih 50%dari perkiraan tegangan tembus atau hasilpengujian tegangan tembus waktu singkatyang telah dilakukan sebelumnya.Jikategangan pengujian awal yang dipilihmenyimpang dari nilai yang diberikan padatabel, maka tingkat kenaikan tegangan dibuatsebesar 10% dari tegangan awal yang

dianjurkan VS, tetapi tetap pada teganganawal yang dipilih.3. Metode C : Pengujian kenaikan teganganperlahan ( Slow Rate-of-Rise Test).Tegangan uji awal VS yang diberikan padabenda uji diambil dari hasil pengujian waktusingkat. Lalu tegangan dinaikkan perlahanhingga terjadi tembus listrik, dengan syaratbahwa waktu tembus harus lebih dari 120sekon. Apabila lebih dari satu spesimendielektrik yang diuji mengalami tembus listrikpada waktu kurang dari 120 sekon, makategangan mula dikurangi atau variasikenaikan tegangan diubah kedua – duanya.

Gambar 3.Susunan Elektroda Bola Secara Horisontal. 7).

Elektroda bola standar digunakan untukmengukur tegangan tinggi bolak-balik,tegangan tinggi searah, dan tegangan tinggiimpuls. Diameter elektroda bola terdiri atasbeberapa ukuran standar, antara lain: 2 cm,10 cm, 50 cm, bahkan ada yang berukuransampai 200 cm.8).

Elektroda yang digunakan dalampengujian terbuat dari kuningan, perungguatau stainless stell. Panjang celah antarakedua elektroda adalah 2,5 mm ± 0,05 mm.Tegangan uji dinaikkan dari nol dengan laju2,0 kV/s ± 0,2 kV/s hingga terjadi tembus.Elektroda ini mempunyai diameter 40, 50, dan60 mm dengan elektroda setengah boladiameter 50 mm disesuaikan standarisasi IEC156 dan diameter lainnya sebagaipembanding9).

Rangkaian pembangkitan tegangan AC adagambar 4 adalah rangkaian yang digunakanuntuk mengetahui uji tegangan tembus, tandalingkaran tempat objek uji. Rangkaian inidigunakan pada media isolasi udara maupunmedia isolasi minyak trafo.


E-ISSN 2541-1233178 P-ISSN 1410-3680

Gambar 4.Skema Pengujian Tegangan Tembus. 10)

Untuk gambaran peralatan pengujiantegangan tembus yang digunakanmenggunakan isolasi minyak dan dapatdigambarkan seperti gambar 5 berikut.

Gambar 5.Peralatan Elektroda Bola Secara Horisontal.

11)

Kekuatan Dielektrik berkaitan dengansifat elektris dan sifat kimia suatu bahanisolasi, ada beberapa persiapan yang harusdipenuhi agar suatu bahan dapatdikategorikan atau diterima sebagai bahanisolasi. Diantara sifat-sifat yang ada kekuatantegangan tembus suatu bahan isolasi menjadisifat yang pertama kali diperhatikan.Tegangan tembus merupakan sebuah ukurankekuatan bahan isolasi dalam menahan suatubeda tegangan 12).

Gambar 6.Peralatan Tegangan Tembus (Dielectricum

Test)13).

Pengujian tegangan tembus yangdilakukan PLN mengacu standar IEC 60156dan ASTM D-1816 dan ASTM D-877.Elektrode yang digunakan dalam pengujianini adalah elektrode bidang. Elektrode bidangini digunakan pada pengujian isolasi udara

maupun minyak trafo. Elektrode bidang initerbuat dari stainlees steel. Elektroda untukpengujian dibuat dari bahan alumunium yangberupa elektroda setengah bola, bola danbidang.

Pada pengukuran dengan susunanelektroda bola secara horizontal, biasanyadisusun dengan kedua bola simetris padategangan tinggi di atas permukaan tanah.Kedua bola yang digunakan harus memilikibentuk dan ukuran yang identik. Bentuksusunan elektroda bola secara horizontaldapat ditunjukkan pada gambar 2. Susunanhorisontal digunakan untuk diameter D < 50cm dengan rentang tegangan yang lebihrendah sedangkan untuk diameter yang lebihbesar digunakan susunan vertikal yangmengukur besar tegangan terhadap bumi.Tegangan yang akan diukur dilewatkanantara kedua sela bola dan jarak atau sela Sdiantara kedua bola tersebut memberikansuatu ukuran dari besarnya tegangan tembus.

4. Tahapan metode selanjutnya yaitumelakukan pembahasan dan membuatkesimpulan dari hasil analisis penelitian.5. Secara umum tujuan penelitian inidilakukan untuk mendapatkan data kualitasbenda uji keramik dari pengujian kuat tembuslistrik. Data ini merupakan bagian daripenelitian bahan mentah dalam negeri untukbahan baku pembuatan isolator listrikkeramik.


Hasil Proses Pembentukan DanPembuatan Benda Uji Untuk PengujianKelistrikan.

Produk benda uji bahan keramik listrikporselen yang menjadi tujuan penelitianmemerlukan bahan mentah yang sesuai ataumemenuhi persyaratan sebagai jenis badanporselen. Peranan bahan mentah keramikdalam pembuatan produk badan keramikporselen perlu ditinjau dari dua langkah yaitu :1) Bahan-bahan komposisi campuranperlu dibentuk menjadi badan porselen.2) Bahan campuran dirubah menjadiporselen melalui pembakaran, sementarabentuk tetap dipertahankan.

Oleh karena itu bahan untukpembuatan keramik jenis badan aluminaporselen yang memerlukan syarat tertentumisalnya untuk kuat tekan, ketahanan listrik,maka bahan baku keramik (kaoilin, felspar,kuarsa, ball clay) yang digunakan harusmemenuhi kondisi antara lain :


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 179

Bahan harus cocok untuk dapat mudahdibentuk.

Bahan harus dapat memenuhi syaratmisalnya kelistrikan dan mekanik.

Sesuai dengan kebutuhan standarsebagai benda uji maka prosespembuatannya telah melalui pemilihan bahandan modifikasi peralatan. Dalam prosespengolahan ini dilakukan penambahan alatsaringan magnet (electromagnet filter) yangberfungsi untuk menangkap material pengotoryang mengandung logam. Diharapkandengan alat ini proses pengolahan danpencampuran bahan nantinya akan dapatdiminimalisir bahan mentah keramik yangmengandung logam. Kandungan logamdalam bahan baku keramik tentunya akandiketahui dari hasil pengujian laboratoriumlainnya.

Hasil Pengujian Tegangan Tembus(Functure Voltage) Benda uji IsolatorListrik Porselen Alumina.

Sesuai dengan tujuan penelitian yangtelah direncanakan maka benda uji hasilproses pengolahan selanjutnya siap untuk diuji ketahanan listriknya dengan uji tegangantembus (Functure Voltage). Penentuandimensi benda uji masih belum sempurnamengingat berdasarkan standar IEC atauliteratur lainnya banyak bentuk benda uji.Untuk mempermudah pengujian makadimensi benda uji pada penelitian inidisepakati bentuk silinder.

Jumlah benda uji yang akan diuji sesuaidengan lokasi asal bahan baku kaolin yangberasal dari 15 lokasi di Pulau Bangka danBelitung. Masing–masing lokasi dibuat 10buah benda uji sehingga dalam penelitian inijumlah benda uji sekitar 150 benda uji. Hasilpengujian untuk setiap lokasi diambil rata-ratauntuk : ketebalan (mm), tegangan tembus(kV)dan rata-rata tegangan tembus benda uji(kV/mm) seperti pada tabel 1.

Tabel 1.Hasil Rata-Rata Tegangan Tembus Benda Uji

Bahan Isolator Listrik Keramik.14).

TandaSampel

Tebal(Mm) Rata-Rata

TeganganTembus (kV)Rata-Rata

TeganganTembus(kV/Mm)

Rata-RataA 6,85 ± 0,25 60,80 8,941 7,05 ±0,29 61,70 8,882 6,93 ± 0,44 57,90 8,583 6,86 ± 0,50 56,10 8,774 6,85 ± 0,40 52,40 8,195 7,04 ± 0,42 63,60 9,096 6,83 ± 0,42 58,90 9,358 6,73 ± 0,18 57,50 8,469 6,75 ± 0,40 56,40 8,6111 7,43 ± 60,70 7,99

0,1912 6,99 ± 0,23 57,70 8,4913 7,16 ± 0,82 59,60 8,9614 7,21 ± 0,42 55,30 8,3815 7,01 ± 0,37 57,00 8,7716 7,16 ± 0,26 63,30 8,38

Kekuatan dalam menahan tegangantembus ini memperlihatkan kualitas dariproses pembuatan, bahan baku, komposisidan parameter pengolahan bahan mineralyang ada untuk isolator. Selain itu hasill ujispesimen ini akan memberikan data kualitasbadan keramik yang nantinya akan menjadibahan baku untuk dibuat menjadi isolatorlistrik keramik dengan badan (bodi) alumina.

Hasil uji tegangan tembus dari bendauji bahan isolator listrik keramik sekitar ( 7,99– 9,35) kV/mm. Nilai pengujian ini masihdibawah standar persyaratan yangditentukan. Menurut PLN standar untukmemenuhi persyaratan bahan isolator listrikharus memiliki nilai uji tembus listrik sekitar9,85 kV/mm.

Dengan demikian hasil pengujianterhadap benda uji (spesimen) di atasternyata semua sampel spesimen dengankomposisi yang ada belum semuanyamemenuhi kriteria dan ketentuan standaryang ada.

SIMPULAN

Penelitian ini merupakan salah satubagian dari pengujian bahan baku dalamnegeri untuk pembuatan isolator listrikkeramik. Untuk mendapatkan kualitas badan(bodi) keramik tahap awal maka dilakukanproses pembuatan komposisi badan keramik.Untuk kebutuhan pengujian dan mengacukepada standar maka dibuatlah benda uji(spesimen). Bentuk spesimen yangdirencanakan yaitu berbentuk silider denganketebalan rata-rata 6 – 7 mm dan diametersekitar 30 – 40 mm. Dengan peralatan danacuan dari standar uji laboratorium PLN makadilakukan pengujian kuat tembus listrik. Uji inimerupakan bagian data awal sebagai bagiandari referensi untuk penelitian kekuatantembus listrik pada badan isolator listrik yangakan dibuat sesungguhnya. Hasil uji kuattembus listrik menunjukkan besarnyakekuatan spesimen dalam menahantegangan tembus listrik yang dialirkan kespesimen.

Hasil pengujian tegangan tembus (kuattembus) listrik sekitar 150 jumlah spesimenyang dibuat dari campuran bahan utamakeramik (kaolin , felspar, ball clay, kuarsa)


E-ISSN 2541-1233180 P-ISSN 1410-3680

sesuai dengan bahan baku dominan kaolindari 15 lokasi di Pulau Belitung ternyatahanya beberapa sampel yaitu No. 5(Tegangan tembus 9,09 kV/Mm) dan No. 6(Tegangan tembus 9,35 kV/mm) yang palingmendekati angka standar kriteria tegangantembus listrik standar PLN (TeganganTembus 9,85 kV/mm). Mengacu standartersebut maka perlu dilakukan evaluasiterhadap : bahan mentah dalam negeri untukpembuatan keramik (kaolin, felspar, kuarsadan ballclay), penentuan komposisi,pengolahan bahan baku dan prosespembentukan bahan uji untuk pengujian kuattembus kelistrikan.

SARAN

Secara umum proses persiapan bahanmasih belum optimal terutama peralatanpengolahan dan saringan magnet. Untukkeperluan penelitian selanjutnya perlumeningkatkan kualitas bahan mentahkeramik (kaolin, felspar, kuarsa dan ball clay)untuk bahan pembuatan isolator listrikkeramik.

UCAPAN TERIMA KASIH

Kami mengucapkan terima kasih kepadaDirektur Pusat Teknologi PengembaganSumberdaya Mineral BPPT , Bapak Ir. SafuanYuliadi, MT.dkk., Balai Besar KeramikBandung (BBK) atas bantuan untuk penelitiandan fasilitas pengujiannya dalam membantupenyelesaian pekerjaan pembuatan benda ujikeramik untuk bahan isolator Fuse Cut Outbodi keramik porselen.

DAFTAR PUSTAKA

1. http://www.suara.com/bisnis/2015/10/27/141531/rasio-elektrifikasi-indonesia-jelang-akhir -2015-capai-87-persen diaksestanggal 23 Maret 2016.

2. .........,https://fiqrotul.wordpress.com/2011/12/14/karakteristik-struktur-dan-sifat-keramik/ diakses tanggal 23 Maret 2015.

3. ..........,http://www.kimianet.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1100398016&2.diaksestanggal 5 April 2016.

4. Dermawan,T., Pengaruh Komposisi ResinTerhadap Sifat Elektrik Dan MekanikUntuk Bahan Isolator TeganganTinggi,Prosiding , STTN , Jogyakarta,2012.

5. Kurniady,P., Studi Tegangan FlashoverIsolator Berbahan Polimer Epoksi,TugasAkhir, Jurusan Elektro FT. UniversitasHasanuddin, Makassar, 2014.

6. Abdul, S., Perbandingan TeganganTembus Media Isolasi Udara Dan MediaIsolasi Minyak Trafo MenggunakanElektroda Bidang-Bidang ,Jurusan TeknikElektro, F.T., Universitas Diponegoro,Semarang, 2012.

7. Dermawan. T.,Pengaruh Komposisi ResinTerhadap Sifat Elektrik Dan MekanikUntuk Bahan Isolator Tegangan Tinggi,Prosiding, STTN , Jogyakarta, 2012.

8. Suyanto,M., Karakteristik PengujianMinyak Nabati Sebagai Alternatif IsolasiPengganti Minyak Transformator Distribusi20 KV, Prosiding Seminar, AKPRIND,Jogyakarta, 2014.

9. Krismiandaru. E, Syakur, A., Facta.,M UjiTegangan Tembus Arus Bolak-Balik PadaMinyak Jarak Sebagai Alternatif IsolasiCair, Universitas Diponegoro, Tugas Akhir,Semarang, 2013.

10. Zikra, R.,Laporan Program StudiPendidikan Teknik Elektro FPTK,Universitas Pendidikan Indonesia,Bandung, 2014.

11. Abdul,S., Uji Tegangan Tembus ArusBolak-Balik Pada Minyak Jarak sebagaiAlternatif Isolasi Teknik Elektro UniversitasDiponegoro, Semarang, 2006.

12. ............,http://ilmulistrik.com/pengujian-tega-ngan-tembus-minyak-isolasi-trafo.Html.diakses tanggal 6 April 2016.

13. PLN Pusdiklat, Instrumen dan PengukuranListrik, PLN Pusdiklat Duren Tiga, Jakarta,2010.

14. BPPT-RISTEK, Laporan PemanfaatanMineral Lokal Untuk Pembuatan IsolatorFuse Cut Out (FCO) – 2008, TPSM-BPPT,Jakarta, 2008.

Fenomena terjadinya Kerusakan pada material batang Piston (M.N.Setia Nusa)______________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 181

FENOMENA TERJADINYA KERUSAKAN PADA MATERIALBATANG PISTON

THE PHENOMENON OF DAMAGE TO THE PISTON RODMATERIALM. N. Setia Nusa

Peneliti Bidang Pengujian MaterialBalai Besar Teknologi Kekuatan dan Struktur-BPP Teknologi

e-mail: [email protected]

Abstrak

Terjadi kerusakan dan pecah pada area bushing dan patah pada batangconnecting rod. Dilakukan penelitian untuk mengetahui penyebab kerusakantersebut dengan metode fractography, metalography, uji kekerasan dan ujikomposisi kimia dan secara visual. Ditemukan indikasi kerusakan berawal padadearah bushing dengan awal retak (initial crack) dan penjalaran retak (crackpropagation) juga beberapa retak rambut, ini bentuk patah fatik dan menyebabkanpatah pada batang connecting rod dengan ciri patah ulet (ductile fracture). Patahfatik akibat dari benturan halus yang berlangsung beberapa lama akibat darirongga bushing yang longgar karena kurangnya pelumasan atau pelumasan yangkurang sempurna.

Kata kunci :Connecting Rod – Pelumasan – Longgar – Retak – Pecah

Abstract

An investigation is conducted to find the cause of failure on the con rod bymethods of fractography, metallography, hardness test, chemical composition andvisual examination. It is found an indication that the failure is initiated at bushingarea with an initial crack and crack propagation and also same microcrack, formedas fatique fracture, causing fracture of connecting rod with a characterstic ofductile fracture. Fatique fracture is caused by soft impact that lasting for long timedue to gap existence in the bushing caused by lock of lubrication or imperfectlubrication.

Keyword :Connecting Rod – Lubrication – Gap – Crack – Failure.

Diterima (recieved) : 1 April 2016, Direvisi (Revised) : 12 Oktober 2016, Disetujui(Accepted) : 28 November 2016

PENDAHULUANPenelitian dilakukan pada batang pistonatau connecting rod, karena beberapa kalikejadian atau rusaknya batang piston inipada saat kendaraan beroperasi, connectingrod ini adalah bagian dari Crankshaft atauporos engkol biasanya mekanik jugamenyebutnya kruk as, bagian pada mesinyang mengubah gerak vertikal/horizontal daripiston menjadi gerak rotasi (putaran) 10].Sebagai batang penyambung adalahconnecting rod atau con rod berfungsi untukmemindahkan gaya yang mendorong piston,dan piston memindahkan tekanan hasil

pembakaran campuran bahan bakar danudara melalui con rod ke crankshaft.Biasanya piston-piston dilengkapi dengantiga ring di sekelilingnya. Dua ring utamaadalah ring kompresi. Ring tersebutmenyekat celah diantara piston dan dindingsilinder. ring tersebut dirancang untukmencegah agar gas bertekanan tinggi dariproses pembakaran mengalir melewatipiston. Ring ketiga pada piston adalah ringoli yang berfungsi untuk mencegah olipelumas pada dinding-dinding silinder masukke ruang pembakaran1]. Ring piston yangtelah aus di kendaraan seringkali dapatterdeteksi melalui emisi gas buang yang


182 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

berasap. Permasalahan yang timbul yaitupada posisi tempat bearing yang kecil areabushing terjadi kerusakan/ pecah akibatterjadinya benturan halus beberapa lamadan gesekan sampai patah fatik danberdampak pada patahnya batangconnecting rod3]. Material Connecting Rodyang digunakan dengan spesifikasi JIS G4106 class S Mn 433.Kerusakan terhadap permukaan daripatahan/ fracture mengungkapkan bahwapenyebab kegagalan adalah beban danretak yang terlebih dahulu dimulai daribagian atas batang piston, titik inisiasikeretakan berada dibagian dasar kelima dariujung peretaka2].Sesuai dengan fungsi piston, maka pistonharus mempunyai beberapa persyaratanyaitu:−Tahan terhadap tekanan dan temperatur

yang tinggi terutama pada bagianpuncaknya yang terkena tekanan yangbesar saat piston melakukan kerja.

−Mempunyai berat jenis yang rendah,sehingga bobot piston menjadi ringan padasaat bekerja.

−Harus mempunyai koefisien muai yangrendah.

−Tahan terhadap kerusakan akibat gesekan,tidak bersifat korosif serta abrasif.

Oleh karena itu dengan dilakukannyapenelitian ini dan ditemukannya penyebabterjadinya kerusakan pada connecting rodatau batang piston tersebut, tentunya dapatdijadikan acuan untuk mencegah terjadinyakerusakan yang sama pada produk yangakan datang dan sekaligus meningkatkankualitas pada produk.

BAHAN DAN METODE

Adapun bahan dan data-data teknis dariconnecting rod adalah sebagai berikut :

No Komponen1 Component Connecting Rod2 Model 3516 TA3 Serial Number 025Z046014 Problem Date 9 Dec 20125 HM Problem 902856 Installed Date 21 Jun 20107 HM Installed 740778 Component Life 16208 Hrs

Gambar 1.Rangkaian Connecting Rod

Gambar 2.Connecting Rod yang di analisis pada

bushing (A) dan batang piston (B).

Pada gambar 1 merupakan connecting rodsecara utuh dalam kondisi terpasang denganrangkaian sistem kerjanya, sedangkan padagambar 2 merupakan connecting rod yangmengalami kerusakan dan yang menjadibahan dalam analisis kerusakannya, terjadikerusakan pada bushing (gambar 2 A) dankerusakan pada batang piston pada gambar2 B.

BA

1


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 183

Gambar 3.Patahan pada bushing no.1 & 2 merupakan patah akibat benturan yang berulang hingga

menimbulkan adanya retak-retak sebelum patah

Pada gambar 3 sub gambar 1 dan subgambar 2 memperlihatkan kerusakan yangterjadi pada daerah bushing, merupakanpatah akibat dari benturan yang berulang-ulang sehingga menimbulkan retak-retaksebelum patah. Sedangkan pada gambar 4

menunjukan ciri patahan dari bushing yangmemperlihatkan indikasi radial mark patahfatik pada permukaan patahannya sepertiyang terlihat pada pola patah pada gambar11.

Gambar 4.Permukaan patahan pada bushing yang memperlihatkan adanya radial mark patah fatik.

Pemeriksaan Visual dan makrofractografi

Pemeriksaan visualdilakukan untuk mengidentifikasi karakteristikkerusakan dan menentukan daerah awalpenyebab kerusakan yang nantinya dipilihuntuk pemeriksaan lebih mendalam, metodepemeriksaan visual ini dilakukan denganmengamati kondisi area yang rusak secaracermat dan didokumentasikan dengangambar menggunakan kamera.

Sedangkan pemeriksaan makrografimenggunakan mikroskop stereo untukmengidentifikasi awal kerusakan dipermukaan daerah yang rusak, sehinggaarea tersebut dapat diamati pada perbesaranyang lebih besar dibandingkan pemeriksaanvisual dan didapatkan informasi lebih jelasdengan perbesaran sampai dengan 25X.Pemeriksaan makrografi mengacu padastandard ASTM E 340-00.

METODE

Diagram tahapan penelitian yang dilakukanadalah seperti di bawah ini

1

Sisi Luar


184 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

Pemeriksaan metalografi merupakan suatumetode pemeriksaan yang dilakukan untukmengamati strukturmikro denganmenggunakan mikroskop optik pada areayang rusak lebih detail dan dianggapmewakili serta area sekitarnya untukdilakukan analisis kerusakan, pemeriksaanmetalografi dilakukan juga untuk memeriksakemungkinan adanya void, retak mikro,ataupun cacat mikro lainnya yang mungkinberpengaruh sebagai penyebabkerusakandan pecahnya kebocoranconnecting rod. Hasilnya laludidokumentasikan dengan kamera digital.Persiapan benda uji metalografi mengacupada standard ASTM E 3-01.Selanjutnya dilakukan proses mikro etsasampel uji yang mengacu pada standardASTM E 407-01 dimana larutan yangdigunakan adalah Nital2%.

Uji kekerasan dilakukan untukmengetahui perbedaan nilai kekerasan diarea yang dianggap normal dengan areasekitar patahan. Pengujian kekerasandilakukan dengan alat Frank finotest dengannilai kekerasan dalam skala Vickers dengan

metode yang digunakan indentasi Vickersmicrohardness mengacu pada ASTM E92.

Pengujian komposisi kimia materialConnecting rod untuk mengetahui unsuryang digunakan apakah sesuai atau tidakdengan spesifikasi yang dibutuhkan.Pemeriksaan komposisi kimia mengacu padastandard ASTM E 415-99a, denganmenggunakan Metorex Arc-Met 930SP.

HASIL DAN PEMBAHASANPemeriksaan VisualPada metal jalan sisi luar yangbersinggungan dengan conecting rodterdapat goresan-goresan cacat lokal /friction(gambar 6), sedangkan pada sisi dalamnyaditemukan perbesaan warna (gambar 5),kedua indikasi ini disebabkan oleh gesekan-gesekan kasar atau gesekan terjadi akibatpelumasan yang tidak sempurna[10].

Gambar 5.Cacat-cacat yang terdapat pada metal jalancrankshaft, terlihat perbesaan warna pada

sisi dalam.

Gambar 6.Sisi luar metal jalan yang bersinggungan

dengan conecting rod mengalami cacat lokal(friction).

Pemeriksaan visual dan makrografi padakomponen connecting rod yang mengalamikerusakan menunjukkan bahwa kerusakanberawal pada area bushing dan ditemukanadanya radial mark patah fatik[5] (gambar 4),dan terlihat patah akibat benturan yangberulang hingga menimbulkan adanya retak-retak sebelum patah (gambar 3).

Pemilihan Sampel

Pemotongan Sampel

Pemeriksaan

Metalografi

UjiKomposisi Kimia

UjiKekeras

an

Pemeriksaan

Fraktografi

Preparasi:Amplas &Polishing

PreparasiPolishing

Etsa

AnalisisHasil UjiKomposis

i Kimia

PemilihanHasil

(mikroskop)

Kesimpulan Penelitian

Pembahasan

Preparasi:

Amplas

AnalisisHasil

Fraktografi

AnalisisHasil

Metalografi

AnalisisHasil

K.Kimia

AnalisisHasil UjiKekerasa

n


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 185

Bentuk patahan di area bushing piston inidiawali dari permukaan luar (initial crack)dan diikuti penjalaran retak ke arahpermukaan dalam yang merupakan ciripatah statis (static fracture)[3].

Untuk mengetahui penyebab kerusakandidapat dari beberapa faktor[11].:- Kekerasan batang torak dan pena engkol- Kelonggaran antara batang engkol dan

bantalan pena engkol, lebih dari batasyang ditentukan.

- Tegangan tinggi dilokasi yang kritis.- Desain batang torak.- Kelangkaan minyak pelumas di bidang

luncur antar muka.

Gambar 7.Cacat/retak patah sisa pada sisi luar, terlihat

adanya deformasi struktur mikro akibatbeban bentur.

Pemeriksaan Mikrostruktur

Gambar 8.Patahan bushing yang memperlihatkan

adanya initial crack dari daerah tengah danke tepi dan diteruskan patah radial mark

secara bertahap.

Permukaan patahan pada batang pistonterlihat pada gambar 4 merupakan indikasidari patah akibat benturan. Sedangkankerusakan yang terjadi berbentuk fatik danterlihat alur patah radial mark seperti yangterlihat pada pola patah gambar 11 denganstruktur mikro berupa martensit halus(massive martensite) seperti yang terlihatpada Gambar 10 [8] di sekitar permukaan luarpatahan, juga terlihat adanya retak rambut(micro crack) dan deformasi plastik di area

patahan tidak terlihat cukup signifikan sepertiyang terlihat pada Gambar 11, kecualideformasi yang terjadi pada patahan di areabatang. Komponen telah mengalami prosesheat treatment karena struktur mikro yangterbentuk martensit halus[7]. Adanya prosestreatment juga terlihat dari hasil ujikekerasan di beberapa area patahan yangcendrung cukup merata yaitu antara 302–367HV.Pada gambar 9 struktur mikro sisi luar dangambar 10 struktur mikro bagian dalam,dimana strutur mikronya adalah martensitpengaruh temperatur tinggi dan ditemukanretak-retak.

Gambar 9.Strukturmikro bushing sisi luar, Etsa: Nital 2%

Gambar 10.Strukturmikro martensit sisi dalam bushingditemukan retak-retak (secondary crack).

Etsa Nital 2%

Tabel 1.Hasil Uji Komposisi Kimia Connecting Rod

JIS G 4106 Class S Mn 433Benda Uji Hasil / Result JIS G 4106

ClassSMn 433Kode Unsur Wt %

CONNECTINGROD

Fe 97.74S 0.010 0.030C 0.29 0.30 – 0.36Si 0.28 0.15-0.35Mn 1.38 1.20 – 1.50Cr 0.11Ni 0.021Mo 0.030Cu 0.035Al 0.044V 0.0029

Nb 0.0043Ti 0.044

Hasil komposisi kimia pada tabel 1memperlihatkan bahwa material connecting

50 µm

100 µm

100 µm

100µm

50 µm


186 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

rod yang diperiksa ternyata sesuai denganJIS G 4106 class SMn 433 denganmengacu pada standard utama sulfur,carbon, silicon dan mangan yangkesemuanya masuk dalam standardmaterial tersebut.

Tabel 2.Hasil Uji Kekerasan Connecting Rod

NO.HARDNESS VALUE (HV)

Sampelno.1

Sampelno.2

Sampelno.3

1 313 353 3672 321 341 2293 341 328 3454 302 345 3135 328 336 3366 332 345 328

Rata-rata 328 341 336

Hasil uji kekerasan connecting rod pada 3sampel uji dan masing-masing sampeldilakukan 6 titik pengujian kekerasanterdapat pada gambar 12. Dari hasilpengujian diperoleh nilai kekerasan berkisarantara 229 sampai dengan 367 HV, hasilyang di rekomendasikan dalam standard ujipada JIS G 4106 class S Mn 433 tidak ada,namun dari hasil ini bisa diambil kesimpulanbahwa kekerasan yang ada saat ini cukupmerata dan tidak ada nilai yang ekstrimsekali sehingga tidak perlu analisa khususdari hasil uji kekerasan ini.

Gambar 11 .Pola permukaan patah lelah dari berbagai beban.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 187

Gambar 12.Lokasi Uji Kekerasan (HV)

PEMBAHASAN

Gambar 13.Patahan batang piston akibat benturan.

Dari hasil pemeriksaan komposisi kimiamenunjukan bahwa Material yang digunakanadalah JIS G 4106 Class SMn 433 (Tabel.1),sesuai dengan material yangdirekomendasikan untuk connecting rod danpemeriksaan secara visual dan metalografididapat hasil struktur mikro martensit halus,juga terdapat retak rambut pada area patahfatik bushing[8]. Kerusakan berawal padaconnecting rod di area bushing (gambar 4)[5],dari bentuk permukaan patahan, patahandiawali dengan terbentuknya beberapa initialcrack yang membuat menjadi retak fatik(perambatan retak) yang cukup luas danhampir mencapai setengah dari penampangconnecting rod di bagian bushing(gambar.4), dan ditemukan dua areaperambatan patah lelah yang berbeda luas4].Terjadinya patah lelah dengan indikasitersebut disebabkan oleh spin ruang bushingyang berbenturan akibat keausan / gesekanyang cukup signifikan hingga membentukjarak antara bushing dengan permukaandiameter dalamnya (longgar), keausantersebut disebabkan oleh kurangnyalubrikasi atau pelumasan (gambar 5 dan 6).Setelah retak merambat cukup besar danpenampang sisa tidak dapat menahan beban/ load sehingga terjadi patahan akhir.Kegagalan tersebut diikuti oleh patah statikakibat benturan pada batang connecting rod.Bentuk patah lelah terlihat pada pengikatbatang engkol dan menunjukan indikasi yang

jelas bahwa adanya striasi “beach mark”patah lelah yang berawal dipuncak padasalah satu celah di sepanjang takikan ulir 2].Dari bentuk permukaan patahan merupakanciri dari patah getas (brittle fracture) danterlihat jelas bahwa retak/patah terjadi dimulai dari permukaan diameter luar menunjuke permukaan diameter dalam (gambar 4).Sedangkan, patahan di area batangconnecting rod (gambar 8) merupakan ciridari patah yang ulet (ductile fracture) 5].Dengan ditemukannya tahapan retak yaituawal retak (initial crack) dan penjalaran retak(crack propagation), beberapa retak rambut(micro crack) di area bushing piston, makaindikasi kerusakan komponen connecting roddimulai dari area bushing piston.10]

Terjadinya kerusakan awal di area bushingpiston diakibatkan permukaan diameterdalam mengalami keausan yang cukupsignifikan hingga membentuk jarak antarabushing dengan permukaan diameterdalamnya (longgar). Adanya kelonggaran diarea tersebut menimbukan benturan-benturan antara bushing dengan purmukaandiameter dalam sehingga menyebabkanretak-retakan di sekitar area benturan.

SIMPULAN

Dari hasil pemeriksaan dan pembahasandapat disimpulkan bahwa kerusakan berawalpada metal jalan ditemukan goresan-goresan pada sisi luar dan pebesaan warnapada sisi dalam akibat dari kurangnyapelumasan, sehingga diameter dalammengalami keausan dan menjadi longgar.Longgarnya diameter dalam akanmenimbukan benturan-benturan yang haluspada gerak piston di area bushing, sehinggamenyebabkan retak-retakan di sekitar areabenturan.Pada bushing ditemukan indikasi awal retak(initial crack) dan penjalaran retak (crackpropagation), beberapa retak rambut (microcrack)[7], sedangkan pada patahnya

•3

•4 •5 •6

•3

•2

•4 •5 •6

•1

•4 •5 •6

•1


188 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

komponen connecting rod, berawal padalokasi bushing berbentuk patah fatik yangber akibat patahnya bushing ini bedampakpada patahnya batang connecting rod yangmerupakan patah ulet.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih kami sampaikan kepadaRekan-rekan di B2TKS BPPT yang yangsangat membantu dalam kerjasamapengambilan data, terutama pengambilandata metalografi dan NDT yang tentunyamenjadi kunci dalam penelitian dan analisadari permasalahan ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. Dhole Vassant J “Prof.R.Kharde,Prof.U.N.Gujar. “Fracture SplitConnecting Rod for AutomativeEngines.“ International Journal ofEngineering Research and Developmentvol 4, November 2012.

2. Shaharash Khare, O.P.Singh,K.Bapanna Dora, C.Sasun, “SpallingInvestigation of Connecting Rod“Engineering Failure Analysis 19 – 2012

3. Ktari A, Hadar N, Ayedi HF, FatiqueFracture Expertiseof train engine crankshaft, Engineering Failure Analysis 2011.

4. S.Griza, F.Bertoni, G.Zanon, A.Reguly,T.R. Strohaecker. “Fatique in EngineConnecting Rod Due to Forming Laps”.Engineering Failure Analysis 16 - 2009

5. 5 Engineering Fatigue in engineconnecting rod bolt due to forming laps.2009 S. Griza *, F. Bertoni, G. Zanon, A.Reguly, T.R. Strohaecker

6. 6 Heintz P. Bloch Fred K Geitner,“Machinery Failure Analysis and

7. Troubleshooting” Gulf Publishing8. Company, Houston. Texas 19979. 7 Roger Rabb “Fatique Failure of a

Connecting Rod” Engineering FailureAnalysis vol 3 no 1, 1996

10. Mc Namara, J.F., O.Sullivan,RichardA. 1991. “Durability and Failure in11. Engineering Materials”. Proceeding of

the 5th Irish Fracture Conference.12. N. French, Metallurgical failures in

fossil fired boilers, tahun 1993Second Edition.

13. Arismunandar, Wiranto, Tsuda, Koichi.1997. Motor Diesel Putaran Tinggi.Jakarta: PT Pradnya Pratama.

14. Boetarta, 2000. Mengatasi MesinKerusaan Diesel. Jakarta:

15. Puspa Swara Daryanto ,1994. TeknikServis Mobil. Jakarta: Pt Reneka Cipta.

16. Dermana, danu.1999. Merawat danMemperbaiki Motor Diesel. Jakarta:Puspa Swara.

Pengaruh proses Hor Rolling dan Kandungan Cerium pada Daya Hantar Listrik Paduan AlZrCe Sebagai matrik KompositBerpenguat Al2O3(Iwan Setyadi, Suryadi, Kirman, Mirza Wibisono)______________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 189

PENGARUH PROSES HOT ROLLING DAN KANDUNGAN CERIUMPADA DAYA HANTAR LISTRIK PADUAN AlZrCe SEBAGAI

MATRIK KOMPOSIT BERPENGUAT Al2O3

EFFECT OF HOT ROLLING PROCESS AND CERIUM CONTENTON ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF AlZrCe ALLOY FOR Al2O3

REINFORCEMENT MATRIX COMPOSITE

Iwan Setyadi a, Suryadi a, Kirman b, Mirza Wibisono aa Pusat Teknologi Material – BPPT,

Gedung Teknologi 224 Lantai 1 Kawasan Puspiptek Serpong-Tangerange-mail : [email protected], [email protected], [email protected]

b B2TKS – BPPT, Gedung B2TKS, Kawasan Puspiptek Serpong-Tangerange-mail : [email protected]

Abstrak

Sebagai upaya untuk mendapatkan material konduktor listrik, paduanalumunium-Cerium merupakan salah satu alternatif material yang dikembangkansebagai paduan dasar untuk komposit bermatrik logam. Dalam manufakturkawat konduktor, proses pengerolan panas merupakan bagian proses yangtidak terpisahkan untuk mereduksi penampang. Adapun fokus penelitian adalahmengamati pengaruh pengerolan panas terhadap paduan AlZrCe, dimana yangdivariasikan adalah prosentase reduksi dan kandungan cerium dalam paduan.Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan prosentasi reduksi pengerolanpanas dan kenaikan kandungan Cerium dalam paduan AlZrCe memberikandampak peningkatan nilai konduktivitas listrik paduan AlZrCe. Hasil optimal yangdiperoleh adalah 62,07% IACS, yang didapat dari master paduan AlZrCedengan kandungan 0,3% Ce dan reduksi sebesar 67,5%. Hasil ini mendekatibahan EC (99,6% Al) yang memiliki konduktivitas listrik 63,4% IACS.

Kata kunci : paduan AlZrCe, pengerolan panas, prosentase reduksi,kandungan Cerium, koduktivitas listrik, IACS.

Abstract

In an effort to obtain an electrical conductor material, aluminum-cerium alloys isone alternative materials developed as a basis for metal matrix composites. Inmanufacturing the conductor wire, the hot rolling process is an integral part ofthe process in order to reduce cross-section. The focus of the research was toobserve the effect of the hot rolling of the alloy AlZrCe, where varied is thereduction process and the content of cerium in the alloy. The results showed thatan increase in the percentage of reduction of hot rolling and the increase in thealloy content of Cerium AlZrCe impact value increase electrical conductivityalloys AlZrCe. Optimal results are obtained 62.07% IACS, which is obtainedfrom the master alloy AlZrCe with Ce content of 0.3% and a reduction of 67.5%.This result approached the EC materials (99.6% Al) which has the electricalconductivity of 63.4% IACS.

Keywords : AlZrC alloy, hot rolling, the percentage of reduction,ceriumcontent, electrical conductivity, IACS.

Diterima (recieved) : 1 April 2016, Direvisi (Revised) : 12 Oktober 2016, Disetujui(Accepted) : 28 November 2016

M.P.I. Vol.10, No 3, Desember 2016, (189 - 194)_____________________________________________________________________________________________

190 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

Proses Peleburan

0,15% Ce

Proses Pengerolan Panas(%reduksi)

Pengujian /PengukuranDaya hantar listrik

Analisa Hasil

KESIMPULAN

Perancangan Material Balance (Peramuan) &Persipan Bahan Baku

0,3 % Ce 0,4 % Ce

PENDAHULUAN

Alumunium merupakan jenis logam yangmemiliki daya hantar listrik yang tinggidisamping bahan tembaga 1,2,3). Dalam haltertentu alumunium memiliki keunggulandimana berat jenisnya yang rendah lebihkurang sepertiga berat tembaga, tahankorosi dan mudah difabrikasi dengan prosesapapun 1,3), namun sifat elastisitas sangatrendah.

Untuk keperluan bahan konduktor,khususnya untuk bahan kawat listriktegangan tinggi, alumunium sudah banyakdigunakan. Diantaranya kawat listrik darialumunium berpenguat baja. Namun bahanini dilaporkan lebih berat dan adanyakecendrungan baja yang menjadipenguatnya bisa terkorosi.

Banyak alternatif material kawatdikembangkan dari bahan yang berbasispaduan alumunium, diantaranya paduanalumunium-cerium. Cerium yang merupakankelompok logam tanah jarang dianggapmampu meningkatkan kekuatan dan jugadapat meningkatkan daya hantar listrik4).Dari hasil penelitian yang pernah dilakukan5) diketahui bahwa kandungan Ce dalampaduan alumunium berkisar 0.11-0,5%.Bahkan penelitian paduan Al-Ce untukmatrik komposit juga sudah ada yangmelakukan 6, 7) .

Sebagai paduan, bahan baku Ceriumcukup banyak di Indonesia. Salah satunyaberasal dari pemurnian monasit, yangmerupakan tailing tambang timah di BangkaBelitung 8, 9).

Dalam tulisan ini fokus riset yangdikemukakan terkait proses pembentukan(metal forming) karena dalam prosespembuatan kawat akan terjadi prosesreduksi penampang yang biasanyadilakukan dengan proses rolling atauekstruksi 10). Adapun hal yang diteliti adalahkarakteristik dasar proses pengerolan panaspaduan Alumunium-Zircon-Cerium,bagaimana hubungan perubahanpresentase reduksi dan prosentasekandungan cerium dalam paduan terhadapkonduktivitas listriknya.

BAHAN DAN METODE

Metode yang digunakan pada penelitianini adalah metode eksperimental untukmendapatkan komposisi paduan seriumyang optimal pada paduan Al-Zr-Ce denganvariasi komposisi serium dan besar reduksi

proses hot rolling untuk mendapatkan dayahantar listrik yang baik. Pada Gambar 1dapat dilihat diagram alir yangmenggambarkan metode riset yangdilakukan.

Gambar 1.Diagram Alir Penelitian

a. Perancangan/Peramuan Bahan danPeleburan

Pada penelitian ini bahan baku yangdigunkan terdiri dari ingot aluminium murni(99,98%), master alloy AlCe-10 (serium10%) dan AlZr-5 (zirkonium 5%). Untukmendapatkan perkiraan jumlah bahan bakuyang akan dilebur sesuai dengan targetkomposisi paduan AlZrCe yang akan diteliti,maka terlebih dahulu dilakukan pembuatanmaterial balance. Komposisi paduan yangakan dibuat adalah paduan alumuniumdengan kandungan 0,12% Zr, sedangkankandungan Ce divariasikan masing-masing0,15; 0,3 dan 0,4% Ce. Hal ini mengacupada penelitian terdahulu 6) dengankandungan 0,15% Ce.

Peleburan dilakukan pada tungkupeleburan menggunakan krusibel denganpemanas burner. Logam cair hasilpeleburan dituang pada cetakan bilet, sepertidapat dilihat pada Gambar 2.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 191

Gambar 2.Proses Peleburan Paduan Al-Zr-Ce dan

penuangan pada cetakan.

b. Proses pengerolan panas

Setelah dihasilkan bilet dari hasilpengecoran, selanjutnya dilakukan simulasipercobaan hot rolling (pengerolan panas),dengan berbagai reduksi ketebalan.Sebelum proses hot rolling bilet hasilpengecoran dimasining menjadi slab ukurantebal berkisar 12 – 18 mm, dengan lebar 20mm, dan panjang 80 mm. Proses hot rollingdilakukan pada temperatur 450 ºC danreduksi ketebalan 30% - 70%. Sampeldipanaskan (reheating) sampai temperatur475 °C, lalu dirol pada temperatur 450 °Cdengan kecepatan rol konstan 50 rpm,dengan terlebih dahulu mengatur rol gapuntuk menentukan ketebalan akhir (besarreduksi) yang diinginkan. Pada Gambar 3dapat dilihat persipan sampel, prosesreheating dan proses pengerolan. Dari hasilpengukuran sampel sebelum dan setelahdirol dapat dihitung besar reduksipengerolan2)

%100% xt

ttr

o

fo (1)

dimana to adalah tebel sebelum dirol, dan tfadalah tebal setelah dirol.

Gambar 3.Percobaan hot rolling : (a) Sampel Uji (b),Pemanasan Sampel Dalam Furnace, dan

(c) Proses Pengerolan

c. Pengujian/Karakterisasi

Untuk melihat perubahan daya hantarlistrik, maka dilakukan pengukuran nilai

konduktivitas listrik dengan metode Eddycurrent. Pengukuran dilakukan pada sampelhasil pengecoran (billet), dan sampel setelahproses hot rolling dengan berbagai reduksiketebalan dan berbagai paduan serium,dengan terlebih dahulu dilakukan penguranpada aluminium komersial (Al 99,98%),seperti dapat dilihat pada Gambar 4. Untikkeperluan pengukuran dilakukan preparasipermukaan sampel dengan proses grinding.

Gambar 4.Uji Konduktivitas Listrik dengan Eddy

Current


HASIL PENELITIAN

Rancangan peramuan bahan

Hasil rancangan material balance(peramuan) paduan AlZrCe untuk targetkomposisi masing-masing 0,15; 0,3 dan0,4% Ce serta kandungan tetap 0,12% Zrdapat dilihat pada Tabel 1-3. Untuk paduandengan 0,15% Ce, pada peleburan 25 kgpaduan dibutuhkan aluminium murni(99,98%) 24,02 kg, AlCe-10 sebesar 2,45 kgdan AlZr-5 sebesar 1,48 kg (Tabel 1). Untukkomposisi Ce 0,3% dan 0,4% dapat dilihatpada Tabel 2 dan Tabel 3.

Dimensi Hasil Pengerolan PanasSetelah pengerolan panas dilakukan

pengukuran dimensi (tebal) sampel. Darihasil pengukuran tebal sampel dapatdihitung besar reduksi yang dialami masing-masing sampel, seperti dapat dilihat padaTabel 4. Pada tabel tersebut dapat diketahuibesar reduksi yang dihasilkan berkisar 30sampai 75%, dimana untuk mencapaiketebalan akhir sampel dirol panas sampaidengan 3 pas.


192 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

Hasil Uji Konduktivitas ListrikHasil pengukuran konduktivitas listrik

untuk masing-masing paduan Al-Zr-Ce baiksebelum dan sesudah proses pengerolan

dapat dilihat Tabel 5. Hasil pengukuranmengacu pada paduan EC (99,6 Al) yangbesarnya 63,4% IACS (The InternationalAnnealed Copper Standard)10.

Tabel 1.Rancangan Material Balance Paduan Al-Ce-Zr untuk 0,15 % Ce

JENIS

BAHAN Zr Ce Si Fe Cu Ti Zn Mg Al Ni Mn Zr Ce Si Fe Cu Ti Zn Mg Al Ni Mn1 Ingot Al 0.04 0.14 99.8 96.07 24.02 0.00 0.00 0.04 0.13 0.00 0.00 0.00 0.00 95.90 0.00 0.002 AlZr5 5.01 0.12 0.23 0.00 0.0 0.01 94.62 0 0.004 2.45 0.61 0.12 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 2.32 0.00 0.003 AlCe-10 9.96 0.04 0.17 0.008 0.007 0.004 89.805 0.006 1.48 0.37 0.00 0.15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.33 0.00 0.00

100.00 25.00 0.12 0.15 0.04 0.14 0.00 0.00 0.00 0.00 99.54 0.00 0.00Total

NoKOMPOSISI

% kgKOMPOSISI


JENIS


100.00 25.00 0.12 0.30 0.04 0.14 0.00 0.00 0.00 0.00 99.39 0.00 0.00Total

NoKOMPOSISI

% kgKOMPOSISI


JENIS


100.00 25.00 0.12 0.40 0.04 0.14 0.00 0.00 0.00 0.00 99.29 0.00 0.00Total

NoKOMPOSISI

% kgKOMPOSISI

Tabel 4.Dimensi master paduan Al-Zr-Ce Paduan Al-Ce-Zr Sebelum dan Sesudah Pengerolan Panas

dengan Reduksi 30-70%

No. Kandungan Ce (%)Paduan AlZrCe

Dimensi Awal Pas 1 Pas 2 Pas 3to t1 (r %) t2 (r %) t3 (r %)

1 0,15 11,85 7,78 34,35 6,13 48,27 4,31 63,632 0,30 13,68 9,52 30,38 6,23 54,44 4,44 67,533 0,40 17,73 11,80 33,43 6,25 64,74 4,30 75,74

Tabel 5Hasil Uji Konduktivitas Listrik Untuk Masing-Masing Paduan Al-Zr-Ce Baik Sebelum Dan

Sesudah Proses Pengerolan Panas

Kondisi Reduksi%

Nilaikonduktivitas

Listrik (%IACS)Al murni 0.0% 63.40AlZr Ce-Ce 0.15 0.0% 60.23AlZr Ce-Ce 0.15 HR1 34.3% 59.05AlZr Ce-Ce 0.15 HR2 48.3% 61.44AlZr Ce-Ce 0.15 HR3 63.6% 60.68AlZr Ce-Ce 0.30 0.0% 62.10AlZr Ce-Ce 0.3 HR1 33.4% 61.45AlZr Ce-Ce 0.3 HR3 67.5% 62.07AlZr Ce-Ce 0.4 0.0% 60.62AlZr Ce-Ce 0.4 HR2 64.7% 61.16AlZr Ce-Ce 0.4 HR3 75.7% 60.59

PEMBAHASAN

Analisa Kemampuan Reduksi ProsesPengerolan Panas

Dari hasil pengerolan panas yangdilakukan pada master paduan AlZrCedengan kandungan masing-masing 0,15;0,3; dan 0,4% Ce serta 0,12% Zr (Tabel 4)diketahui bahwa ketiga jenis paduan mampudireduksi sebesar 63-75,74%. Kemampuanreduksi terbesar terjadi pada paduan AlZrCedengan kandungan 0,4% Ce sebesar75,74% kemudian kandungan 0,3% Cesebesar 67,53% dan paling akhir kandungan0,15% Ce sebesar 63,63%. Secara visualseperti dapat dilihat pada Gambar 5menunjukkan paduan AlZrCe dapat dirol


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 193

panas dengan reduksi total mencapai 75%tanpa mengalimi kerusakan atau retak.

Gambar 5Foto Visual Hasil Pengerolan Pada Paduan

AlZrCeAnalisa Sifat Konduktivitas Listrik

Sebagai acuan dalam pengujiankonduktivitas listrik paduan AlZrCe adalahkonduktivitas aluminium murni EC (99,6% Al)yang besarnya 63,4% IACS (TheInternational Annealed Copper Standard)11).

Dari hasil pengujian konduktivitas listrikpaduan AlZrCe dalam kondisi as-cast ataureduksi 0% (Tabel 5 dan Gambar 6)diketahui penambahan unsur Ce sedikitmenurunkan konduktivitas panas.Penurunan terbesar terjadi pada kandungan0,15% Ce menjadi 60,23% IACS, kemudian0,4% Ce menjadi 60,63% IACS dan terakhir0,3% Ce menjadi 62,06% IACS.

Sebagai pembanding dari penelitansebelumnya, diketahui komposit matrikspaduan AlZrCe berpenguat partikel alumina(Al2O3) dengan kandungan 0,15% Ce hasilpengerolan dingin memiliki konduktivitaslistrik berkisar 56,3-62% IACS 5]. Artinyahasil proses pengerolan panas masterpaduan AlZrCe sudah dapat mencapai nilaikonduktivitas listrik seperti setelah prosesakhir (rol dingin), khususnya pada paduanAlZrCe dengan kandungan 0,3% Ce yangnilainya dapat mencapai 62,07% IACS.

Mengacu pada data hasil pengerolanpanas (Table 5 dan gambar 6) terlihatadanya fluktuasi turun naiknya konduktivitaslistrik karena kenaikan presentasi reduksi.

Gambar 6Grafik Hubungan Nilai Konduktivitas Listrik(%IACS) terhadap % Kandungan Ce dalam

paduan Al-Zr-Ce dan Besar ReduksiPengerolan Panas

Pada kadar 0,15 % dan 0,3% Ce justruterjadi penurunan konduktivitas listrik saatreduksi sekitar 33-35%, namun setelah itudengan bertambahnya reduksi konduktivitaslistrik naik kembali dan bahkan melebihiseperti sebelum direduksi. Peningkatankonduktivitas listrik maksimal justru terjadipada reduksi 48,3% untuk kadar Ce 0,15%,reduksi 67,05% untuk kadar Ce 0,3%.Sedangkan untuk kadar Ce 0,4% terjadipada reduksi 75,7%. Setelah itu terlihatpenurunan kembali konduktivitas. Informasiini tentu dapat menjadi pertimbangan dalampenentuan reduksi dalam memproduksikawat dengan ukuran tertentu sehinggakonduktivitas listriknya tidak menurun.Terjadinya fluktuasi ini diperkirakan karenareduksi yang dilakukan dalam kondisipengerolan panas, sehingga sebagian butirkristal hasil rol mengalami rekristalisasi.Berbeda dengan kondisi pengerolan dingindimana terjadi perubahan bentuk danorientasi butir kearah pengerolan akanmeningkatkan konduktivitas listrik6) apalagikalau reduksinya semakin besar.

Bila diamati dari kandungan Ce yangterdapat pada paduan AlZrCe, maka terlihatpeningkatan kandungan Ce sampai jumlahtertentu menaikkan konduktivitas listrik.Paduan AlZrCe dengan kandungan 0,3%Cememiliki konduktivitas tertinggi, namunkembali turun untuk kandungan 0,4% Ce.Hal ini sesuai dengan penelitian yangdilakukan oleh Pengfei, dkk.5) yangmelaporkan pengaruh kandungan Ce padarentang 0,05%-0,15% terhadap konduktivitaslistrik batang alumunium, dimanakonduktivitas listrik meningkat denganpenambahan Ce. Selain itu hasil penelitianKirman, dkk.7) menyatakan bahwa unsur Ceberperan membantu mengikat pengotor-pengotor dalam alumunium seperti Si danFe dalam fasa intermetalik, disamping jugasebagai penghalus butir2, 4, 6), sehingga dapatmeningkatkan konduktivitas terutama setelahpengerolan dingin. Sementara itu hasilpenelitian Chandrashekar, dkk.12)

menunjukkan dengan semakin halus ukuranbutir akan meningkatkan daya hantar listrikpaduan aluminium. Hal ini menunjukkandeformasi melalui proses pengerolan panasatau pengerolan dingin dengan reduksi yangsemakin besar akan menghasilkan strukturmikro dengan butir yang semakin halus,sehingga dapat meningkatkan daya hantarlistrik.


194 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

Dari Gambar 6 terlihat bahwa hasilkonduktivitas listrik optimal yang dapatdicapai terjadi pada master paduan AlZrCedengan kandungan 0,3% Ce yang telah dirolpanas dengan reduksi sebesar 67,5%. Besarkonduktivitas listrik yang diperoleh adalah62,07% IACS mendekati bahan EC (99,6%Al) yang memiliki konduktivitas listrik 63,4%IACS.

SIMPULAN

Paduan AlZrCe dapat dirol panas (hotrolling) tanpa mengalami kerusakan dengantotal reduksi penampang sebesar 63-75,74% dan memberi kontribusipeningkatkan konduktivitas listrik.Penambahan kandungan Ce baik padakondisi as-cat maupun hasil rol panasmenaikkan konduktivitas listrik. Kenaikan inimencapai puncak pada kandungan Ce 0,3%kemudian mengalami penurunan kembalipada kandungan 0,4% Ce (namun masihlebih tinggi dari kondisi 15% Ce. Hasilkonduktivitas listrik optimal yang diperolehterjadi pada master paduan AlZrCe dengankandungan 0,3% Ce yang telah dirol panasdengan reduksi sebesar 67,5% yang nilainya62,07% IACS mendekati bahan EC (99,6%Al) yang memiliki konduktivitas listrik 63,4%IACS.

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terimakasih disampaikan padateman teman di B2TKS-BPPT yang telahmembantu memfasilitasi beberapa pengujianterutama untuk pengujian konuktivitas listrik.

DAFTAR PUSTAKA

1) Pat L. Mangonon, Ph.D, “The Principlesof Materials Selection for EngineeringDesign”, Prentice Hall, Inc., USA, 2012.

2) William D. Callister, Fundamentals ofMaterials Science and Engineering, NewYork, John Wiley & Sons, Inc., 2012,

3) Serope Kalpakjian, ManufacturingEngineering & Techology, USA, PrenticeHall Inc., 2014

4) Pan, F., Edmond, D.V., Zhou S., andDing, P., Effect of Rare Earth Metals onElectrical Conductivity and MechanicalProperties of Commercial PurityAluminum, Material Science andTechnolog , Vol.10, (1994)

5) Li Pengfei, Wu Zhigang, Wang Yunli,Gao Xizhu, Wang Zaiyun,Li Zhiqiang,Effect Of Cerium On MechanicalPerformance And Electrical Conductivityof Aluminum Rod for Electrical Purpose,Journal of Rare Earth, Vol.24, Spec.Issue, (Dec. 2006), p. 355.

6) Kirman, M. Anne Zulfia, Sutopo,Bambang Suharno, Investigation OnMechanical Properties of AlZrCe-Al2O3

Nanocomposites Fabricated by StirCasting, IOP Conference Series:Material Science and Engineering 58(2014) 012009

7) Kirman, M; Maulana, Panji; Zulfia, Anne ,Characteristics of AlZrCe–Al2O3Nanocomposites Produced by StirCasting Method as an AlternativeMaterial for Electrical Applications,Advanced Science Letters, Volume 20,Numbers 10-12, October 2014, pp.2271-2274(4) 5 www.lme.com, LMESeptember 2015.

8) MV.Purwani, Prospek Pendirian PabrikPembuatan Logam Tanah JarangOksida dari Monasit. Presentasi di PusatTeknologi Akselerator dan Proses BahanTenaga Nuklir Nasional Yogyakarta.2013.

9) Faizal R, Hafni LN, Budi S, Sugeng W,Susilaningtyas, Pengolahan Monasit dariLimbah Penambangan Timah :Pemisahan Logam Tanah Jarang (RE)dari U dan Th. Prosiding PresentasiIlmiah Bahan Bakar Nuklir V P2TBDUdan P2BGN-BATAN Jakarta.2000

10) Sidney H. Avner, “Introduction toPhysical Metalurgy”, MC. Graw-Hill Inc.,2004.

11) Suhartono, Agus H., Analisa KehandalanMekanik Kabel Saluran Udara TeganganEkstra Tinggi, Jurnal Sains danTeknologi, Vol. 6 No 2. (Agustus 2004)p. 23-31.

12) Chandrashekar T., Muralidhara, M.K.,Kashyap, K.T, Rao, P.R., “Effect ofGrowth Restricting Factor on GrainRefinement of Aluminium Alloys,International Journal of AdvanceManufacturing Technology, 40, (2009),234-241.

Optimasi Desain Evaporator dan Kondenser untuk Sistem Pendingin Kabin Kendaraan (IGA Uttariyani)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 195

OPTIMASI DESAIN EVAPORATOR DAN KONDENSER UNTUKSISTEM PENDINGIN KABIN KENDARAAN

DESIGN OPTIMIZATION OF EVAPORATOR AND CONDENSERFOR COOLING SYSTEM OF PASSENGER VEHICLE CABIN

I G A Uttariyani

Komplek PUSPIPTEK Gd. 230 BT2MP– BPPT, Serpong, Tangerang Selatane-mail:[email protected]

Abstrak

Pada perancangan kondensor ataupun evaporator, efektifitas pertukaran panas merupakanbagian yang terpenting untuk meningkatkan kinerja dari peralatan penukar kalor. Padakondensor jenis fin tube salah satu parameter perancangan yang paling penting untukmeningkatkan efektivitas pertukaran panas adalah urutan dan peletakkan tube-tube untukmengalirkan refrigeran pada tube-tube kondensor. Circuit tube menentukan distribusirefrigeran melalui kondensor yang berdampak pada massa refrigeran, pertukaran panas,penurunan tekanan, dan temperatur pada setiap tube. Paper ini membahas mengenaipembuatan sirkuit refrigerant di dalam peralatan penukar panas, dan mensimulasikantemperature refrigerant, temperature udara maupun fraksi uap pada setiap tube untukmenghasilkan desain yang optimal dengan menggunakan perangkat lunak EVAP-COND.Berdasarkan hasil optimasi dari beberapa konfigurasi sirkuit tube refrigeran didapatkan desainevaporator dan kondensor yang paling optimal dengan kapasitas pelepasan panas 26 kW.

Kata kunci: Evaporator, Kondensor, Optimasi Desain, Susunan Tube

Abstract

Heat Exchanger effectiveness in designing the condenser or evaporator is an important partto improve the performance of the heat exchanger equipment. One of the most importantdesign parameter for improving the effectiveness of heat exchange in the fin tube condensertype is the order and arrangement tubes to drain the refrigerant in the condenser tubes.Circuit tube determines the distribution of refrigerant through the condenser which impact onthe masses refrigerants, heat exchangers, pressure drop, and temperature on each tube. Inthe paper, EVAP-COND software was used for creating refrigerant circuit in the heatexchanger equipment, and simulating the refrigerant temperature, air temperature and vaporfraction in each tube to produce the optimal design. The result showed that the most optimaldesign of evaporator and condenser for capacity of 26 kW heat release were obtained withmultiple circuit configurations tube evaporator and condenser refrigerant.

Key words : Evaporator, Condenser, Design Optimization, Circuit Tube


PENDAHULUAN

Tujuan utama sistem pengkondisian udaraadalah mempertahankan keadaan udara didalam ruang yang meliputi pengaturantemperatur, kelembaban relatif, kecepatansirkulasi udara maupun kualitas udara.Menjaga kenyamanan di dalam suatu ruanganatau kabin kendaraan atau alat transportasiadalah sangat sulit karena banyaknya variabel

yang sering kali berubah baik berupaperubahan jumlah penumpang, kondisi bukatutup pintu, kondisi laju kendaraan maupunperubahan kondisi luar kabin.Perhitungan beban pada kabin kendaranangkut penumpang terbagi ke dalam dua lokasiyaitu kabin depan dan kabin belakang, dimanasetiap beban pendingin pada masing-masingkabin diatasi oleh satu evaporator, sedangkankondensor harus mengatasi beban

M.P.I. Vol.10, No2,Agustus2016, (195- 200)

196 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

pendinginan dari dua evaporator. Ketikamelakukan perancangan pada sistempendingin, parameter penting yang diperlukanadalah melakukan estimasi beban pendinginyang meliputi beban metabolik penumpang,beban kebutuhan udara segar. Untuk dapatmelakukan estimasi beban pendingin,diperlukan survei secara mendalamKetika melakukan perancangan pada sistempendingin prosedur penting dan menjadi palingutama adalah dengan melakukan kalkulasiradiasi dan beban konduksi dari dinding1].Untuk mendapatkan estimasi beban pendingin,diperlukan survei secara mendalam agar dapatdilakukan analisis yang detil terhadap sumber-sumber beban pendinginan, sehingga dariestimasi tersebut dapat ditentukan jenisperalatan dan energi yang dipergunakan.Pada perancangan komponen sistempendingin evaporator dan kondensor, efektifitaspertukaran panas merupakan bagian yangterpenting untuk meningkatkan kinerja dariperalatan penukar kalor. Pada studi ini,perangkat lunak “Evap-Kond” dipergunakanuntuk membuat sirkuit refrigerant di dalamperalatan penukar panas dan mensimulasikantemperature refrigerant, temperature udaramaupun fraksi uap pada setiap tube untukmenghasilkan desain yang optimal. Tujuan darikegiatan ini untuk mendapatkan desain dari fin-tube evaporator dan kondensor yang palingoptimal dari beberapa konfigurasi sirkuitrefrigeran untuk kabin depan kendaraan angkutdengan daya termal 9 kW. Kegiatan inimerupakan kelanjutan dari kajian PerhitunganBeban Termal Pada Sistem PengkondisianUdara Kendaraan Militer PengangkutPersonel7]

Paper ini berisikan hasil kajian terkait desaindari fin-tube evaporator dan kondensor yangpaling optimal dari beberapa konfigurasi sirkuitrefrigeran untuk kabin depan kendaraan angkutdengan daya termal 9 kW.

TINJAUAN PUSTAKA

Evaporator dan kondensor merupakankomponen utama dalam sistem pengkondisianudara kendaraan angkut. Evaporator berfungsisebagai alat penyerap kalor dari lingkungan kerefrigerant, sehingga refrigerant akanmengalami perubahan fasa dari cair menjadiuap. Dalam proses pendinginan, padaumumnya temperatur permukaan bidangevaporator lebih rendah daripada titik embundari udara masuk. Apabila udara ruanganmenyentuh permukaan koil pendingin, uap air

dalam udara akan mengembun sehingga koilmenjadi basah2].Sedangkan kondensor mempunyai fungsisebagai komponen tempat terjadinyaperpindahan panas dari fluida refrigeran keudara luar. Pada sistem pengkondisian udarapada umumnya menggunakan tipe fin-tubeuntuk kondensor. Refrigeran mengalirsepanjang tube-tube, sedangkan udaradilewatkan melalui sirip-sirip di luar tube.Refrigeran keluar dari kompresor, masukkondensor dalam kondisi panas lanjut(superheated), dan keluar dari kondensordalam kondisi fluida subdingin (subcooled). Didalam kondensor proses perpindahan panasterbagi dalam tiga kondisi yaitu panas lanjut(super heated), kondisi uap basah (saturated)dan sub dingin (subcooled)2-3].Pada perancangan evaporator maupunkondensor, efektifitas pertukaran panasmerupakan bagian yang terpenting untukmeningkatkan kinerja dari peralatan penukarkalor. Pada kondensor jenis fin tube salah satuparameter perancangan yang paling pentinguntuk meningkatkan efektivitas pertukaranpanas adalah urutan dan peletakkan tube-tubeuntuk mengalirkan refrigeran pada tube-tubekondensor . Circuit tube menentukan distribusirefrigeran melalui kondensor yang berdampakpada massa refrigeran, pertukaran panas,penurunan tekanan, dan temperatur padasetiap tube. Circuit refrigerant pada umumnyaditentukan oleh matrik dan geometri yangmeliputi diameter tube, pengaturan jarak tubedan fin, dan luas permukaan perpindahanpanas4,5,8].Salah satu perangkat lunak untuk merancangperalatan penukar kalor fin tube yang dapatmensimulasikan konfigurasi dari sirkuit tubeadalah perangkat lunak ‘Evap Kond NIST”.Gambar 1.menunjukkan matrik dari peralatanpenukar panas fin tube yang di gunakan olehperangkat lunak “Evap Kond”. Konfigurasi daritube digambarkan pada sisi samping koilperalatan penukar kalor, pada garis lurusmemperlihatkan hubungan antar tube oleh Utube sedangkan pada garis putus-putushubungan terjadi pada sisi sebaliknya.Padasimulasi ini untuk masing-masing tubediberikan penomoran.Perangkat lunak ini memudahkan penggunauntuk membuat sirkuit refrigerant di dalamperalatan penukar panas, dan dapat digunakan untuk menghasilkan simulasitemperatur refrigerant, temperatur udaramaupun fraksi uap pada setiap tube.Hasil-hasilini dapat digunakan sebagai acuan pemakaiuntuk desain yang optimal.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 197

Gambar 1.Konfigurasi dari peralatan penukar kalordengan perangkat lunak “EVAP-KOND”

METODE PENELITIANPerhitungan evaporatorPerhitungan termal evaporator dilakukandengan menggunakan perangkat lunak yangdibuat khusus untuk simulasi evaporator padasistem pengkondisian udara. Langkah-langkahyang digunakan didalam desain evaporatormeliputi:

1. Penetapan parameter operasiParameter yang digunakan sebagaidata inputan dalam perancangan inimeliputi:

- Kondisi udara dengan Tinlet = 26,5ºC(evaporator)

- Kondisi udara luarTinlet = 35ºC, Toutlet = 40ºC

- Refrigeran yang digunakan : R-134aTemperatur saturasi = 5ºC,Tekanan kondensasi = 1492 kPaTemperatur inlet kondensor = 104ºC

- Daya fan : 100 W.2. Penentuan geometri evaporator

Matriks geometri evaporator yangdigunakan adalah sebagai berikut:

- Finned-tubepanjang = 500 mmOD = 10,21 mm, ID = 9,49 mm,tube-pitch = 25,4 mmdepth-row-pitch = 22 mm.

- Jumlah row = 5 dengan jumlah tubetiap row = 18 berdasarkan datageometri evaporator terpasang.

- Bahan tube : tembaga/copper danbahan fin : aluminium–flat (tebal = 0,33mm, pitch = 3.175 mm).

Selain data batasan seperti telahditunjukkan di paragraf sebelumnya,diperlukan lagi beberapa asumsi agarperhitungan termal dapat dilakukan.Asumsi-asumsi yang diambilmencakup:

- Tekanan udara inlet : 103 kPa.- Kelembaban udara di inlet : 75% RH.3. Penyusunan Konfigurasi Evaporator

Berdasarkan data-data di atas,disusunlah konfigurasi evaporator agarmemiliki dimensi yang sesuai proporsional.Menurut Ding, Dkk, jumlah baris dankoneksi tube, maka dicari konfigurasi yangdapat memenuhi kondisi operasi yang telahditentukan6]. Pada Gambar 2 menunjukkanmatrik geometri dan parameter-parameteryang digunakan di dalam merancangevaporator.

Gambar 2.Data masukkan untuk perancangan evaporator

Perhitungan kondensorMetode yang digunakan untuk mengoptimasidesain kondensor dengan membandingkanhasil simulasi dari beberapa hasil desainkondensor dengan berbagai konfigurasi circuittube refrigeran.Langkah-langkah yang digunakan didalammengoptimasi desain kondensor meliputi:

1. Penetapan parameter operasiParameter yang digunakan sebagaidata inputan dalam perancangan ininantinya digunakan untuk semuakonfigurasi desain yang meliputi:

- Kondisi udara dengan Tinlet = 35ºC- Refrigeran yang digunakan : R-134a

Tekanan kondensasi = 1492 kPaTemperatur inlet kondensor = 104ºC

- Daya fan : 100 W.2. Penentuan geometri kondensor

Matriks geometri kondensor yangdigunakan adalah sebagai berikut:

- Finned-tubepanjang = 600 mmOD = 10,21 mm, ID = 9,49 mm,


198 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

tube-pitch = 25,4 mmdepth-row-pitch = 22 mm.

- Jumlah row = 4 dengan jumlah tubetiap row = 22 (dari hasil trial & error)

- Bahan tube : tembaga/copper danbahan fin : aluminium–flat (tebal = 0,33mm, pitch = 2.54 mm).Selain data batasan seperti telah

ditunjukkan di point 1 dan 2, diperlukan lagibeberapa asumsi agar perhitungan termaldapat dilakukan. Asumsi-asumsi yangdiambil mencakup:- Tekanan udara inlet : 103 kPa.- Kelembaban udara di inlet : 75% RH.3. Penyusunan Konfigurasi Kondensor

Berdasarkan data-data di atas,disusunlah konfigurasi dan koneksitube. Gambar 3 menunjukkan matrikgeometri dan parameter-parameteryang digunakan di dalam merancangkondensor.

Gambar 3.Data masukkan untuk perancangan kondensor

4. Membandingkan hasil simulasiMembandingkan dari setiap hasilsimulasi desain kondensor untuk didapatkan nilai optimal dari desain yangmeliputi kapasitas pelepasan kalor,hasil simulasi distribusi temperatur danfraksi uap refrigeran, hasil simulasidistribusi temperatur udara.


Hasil Perhitungan dan simulasi Evaporator

Perhitungan termal dengan menggunakankonfigurasi sirkuit evaporator. Konfigurasisirkuit tersebut terdiri dari susunan jumlah baristube dan jumlah tube pada setiap barisnya,sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4.Konfigurasi dan sirkuit refrigerant perancangan

evaporator.

Hasil simulasi menunjukkan kemampuanevaporator pada kondisi temperature saturasirefrigerant 5ºC, sedangkan temperaturesuperheat keluar evaporator 6.35ºC.Temperatur udara masuk evaporator 26.5ºCdengan kelembaban relatif 75%. Tabel 1menunjukan hasil simulasi distribusi fraksi uapdan temperature refrigerant . Dimana hasilsimulasi pada temperatur udara keluarevaporator pada setiap sirkuit tube refrigerantadalah rata-rata 11.2ºC, dengan temperaturudara masuk evaporator sebesar 24ºC

Tabel 1.Hasil Simulasi temperatur dan fraksi massa

refrigerantTube Quality Temp

RefSubcooling

Ref.Mass Fract

73 1.00 11.2 6.2 0.05674 1.00 11.6 6.6 0.05675 1.00 11.3 6.3 0.05676 1.00 11.2 6.2 0.05677 1.00 11.2 6.2 0.05678 1.00 11.2 6.2 0.05679 1.00 11.2 6.2 0.05680 1.00 11.2 6.2 0.05681 1.00 11.2 6.2 0.05682 1.00 11.2 6.2 0.05683 1.00 11.2 6.2 0.05684 1.00 11.2 6.2 0.05685 1.00 11.2 6.2 0.05686 1.00 11.2 6.2 0.05687 1.00 11.2 6.2 0.05688 1.00 11.3 6.3 0.05689 1.00 11.2 6.2 0.05690 1.00 11.7 6.7 0.056

Sedangkan hasil perhitungan termalmenunjukkan kinerja sebagai berikut:

- Kapasitas total : 9,22 kW- Temperatur udara

keluar dari evaporator : 18,1 ºC- Flowrate refrigerant : 226,8 kg/jam- Temperatur refrigeran

keluar evaporator : 11,35 ºCsuperheat : 6,35 ºC


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 199

Sedangkan berat material evaporatorl- Tubes & return bends, copper : 4.7 kg- Fins, aluminum : 6.0 kg- Total mass : 10.8 kg

Hasil perhitungan dan simulasi kondensor

Gambar 5 menunjukkan beberapa konfigurasisirkuit kondensor dengan mengacu padajumlah tube sama yaitu 90 tube yang akan disimulasikan, dengan menggunakan data inputperhitungan termal evaporator.

a. Konfigurasi sirkuit 1

b. Konfigurasi sirkuit 2

c. Konfigurasi sirkuit 3Gambar 5.

Konfigurasi dan sirkuit tube refrigerantperancangan kondensor.

Hal yang menjadi perhatian pada perancangankondensor untuk dapat memenuhi kebutuhanpendinginan pada kendaraan adalahtemperature udara keluar dan kualitas fraksirefrigerant serta temperature keluar refrigerant.Tabel 2. Menunjukkan hasil simulasi kondensorpada 3 konfigurasi sirkuit. Berdasarkan fraksiuap, dimana hasil yang di dapatkanmenunjukkan fraksi uap pada sirkuit 1refrigeran keluar kondensor dalam kondisi uapbasah dengan fraksi uap bernilai 0,4.Sedangkan untuk sirkuit 2 dan sirkuit 3menunjukkan refrigerant keluar kondensor

terkondensasi sempurna sehingga berbentukrefrigeran cair.Sedangkan ditinjau dari distribusi temperaturrefrigerant pada setiap sirkuit. Besarnya nilaitemperature outlet kondensor pada konfigurasisirkuit 1 sebesar 55oC, untuk konfigurasi sirkuit2 temperatur refrigeran keluar kondensorsebesar 41oC sedangkan untuk konfigurasisirkuit 3 besarnya temperature refrigerantkeluar kondensor 38oC.Besarnya nilai temperature udara outletkondensor pada konfigurasi sirkuit 1 sebesar37oC, untuk konfigurasi sirkuit 2 temperaturudara keluar kondensor sebesar 38oCsedangkan untuk konfigurasi sirkuit 3 besarnyatemperature udara keluar kondensor 38oC.Berdasarkan hasil simulasi ketiga konfigurasidi ketahui bahwa nilai kapasitas pelepasankalor terbesar terdapat pada sirkuit 3, dengannilai kapasitas pelepasan kalor sebesar 26 kW.

Tabel 2.Data Hasil simulasi beberapa sirkuit

Parameter Sirkuit Sirkuit Sirkuit1 2 3

UdaraTemp in (oC) 35 35 35

Temp out (oC) 37 38 38Tekanan in (kPa) 101.32 101.32 101.32

RH (%) 75 75 75Flow rate (m3/min) 407.23 407.23 407.23

refrigeranTekanan in (kPa) 1492 1492 1492

Temp in (oC) 104 104 104Temp out (oC) 55 41 38Kualiats fraksi 0.42 0 0

subcooling (oC) 0 7.47 6.16Flow rate (kg/h) 403,2 403,2 403,2

Total kapasitas (kW) 16.30 24.82 26.01

SIMPULAN & REKOMENDASI

Berdasarkan hasil perhitungan, beban termalyang didapat telah memenuhi parameter-parameter yang telah ditetapkan. Sedangkanmatriks geometri alat penukar kalor untukevaporator kabin depan dengan kapasitas 9kW adalah sebagai berikut:- Finned-tube dengan panjang = 500 mm,- OD = 10,21 mm, ID = 9,49 mm,- tube-pitch = 25,4 mmdepth-row-pitch = 22 mm.- Jumlah row = 5


200 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

- Jumlah tube tiap row = 18- Bahan tube : tembaga/copper- bahan fin : aluminium–flat- tebal = 0,33 mm- pitch = 3.175 mm

Untuk kondensor, hasil simulasi menunjukkanbahwa kapasitas pelepasan kalor yang palingoptimal, terdapat pada sirkuit 3, dimanaperhitungan beban termal yang didapat telahmemenuhi parameter-parameter yang telahditetapkan dengan nilai kapasitas pelepas kalorsebesar 26 kW Sedangkan matriks geometrialat penukar kalor untuk kondensor yang akandigunakan didalam system pengkondisianudara pada kabin kendaraan angkut personiladalah sebagai berikut:- Finned-tube dengan panjang = 600 mm,- OD = 10,21 mm, ID = 9,49 mm,- tube-pitch = 25,4 mmdepth-row-pitch = 22 mm.- Jumlah row = 4- Jumlah tube tiap row = 22- Bahan tube : tembaga/copper- bahan fin : aluminium–flat- tebal = 0,33 mm- pitch = 3.175 mm

UCAPAN TERIMAKASIH

Saya ucapkan terimakasih kepada BT2MPBPPT yang telah memfasilitasi studi inisehingga berjalan lancar. Ucapan terimakasihjuga saya sampaikan kepada Bapak AchmadMaswan untuk kontribusinya dalam melakukansimulasi dan perhitungan untuk kajian ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. ASHRAE Handbook, ”HVAC Systems andEquipment”, American Society of Heating ,Refrigerating and Air ConditioningEngineers, Inc.,2012.

2. ASHRAE Handbook, ”HVACFundamental”, American Society ofHeating , Refrigerating and Air ConditioningEngineers, Inc.,2009

3. ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2007,Ventilation for Acceptable Indoor AirQuality. Atlanta: American SocietyofHeating, Refrigerating and Air-ConditioningEngineers, Inc.

4. Domanski, P.A. EVAP-COND - Simulationmodels for finned-tube heat exchangers,Version 3, 2008, National Institute ofStandards and Technology; Gaithersburg,MD, USA.

5. Domanski, P.A. David Yashar, KenKaufman Finned-Tube Heat ExchangerSimulation Program With RefrigerantCircuitry Optimization Capability,Miedzynarodowa Konferencja Chlodnicza,Poznan, 2008

6. W.K.Ding, J.F. Fan, Y.L.He, W.Q.Tao,Y.X.Zheng, Y.F.Gao, J.Song,” A GeneralSimulation Model For PerformancePrediction Of Plate Fin-and-Tube HeatExchanger With Complex CiecuitConfiguration’, Applied ThermalEngineering 31 (2011) 3106-3116

7. Ihwan Haryono, Achmad Maswan,“Perhitungan Beban Termal Pada SistemPengkondisian Udara Kendaraan MiliterPengangkut Personel”Mekanika Vol 11, UNS,2013

8. Cesare Maria Joppolo, Luca Molinaroli,Alberto Pasini,” Numerical Analysis of TheInfluence of Circuit Arrangement on a fin-and-tube Condenser Performance”, CaseStudies in Thermal Engineering 6 (2015)136-146

9. Piotr A. Domanski, David A. Yashar,Janusz Wojtusiak, “EVAP-COND -Simulation models for finned-tube heatexchangers with circuitry optimization” ,Version 4, 2016, National Institute ofStandards and Technology, USA

Desain Karakteristik Kapal Markas untuk Operasi Pengamanan Perairan Perbatasan dan Dukungan Penanganan PascaBencana Alam pada Masyarakat Pulau Terluar (Samudro, Abdul Kadir)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 201

DESAIN KARAKTERISTIK KAPAL MARKAS UNTUK OPERASIPENGAMANAN PERAIRAN PERBATASAN DAN DUKUNGAN

PENANGANAN PASCA BENCANA ALAM PADA MASYARAKATPULAU TERLUAR

CHARACTERISTICS DESIGN OF HEADQUARTERS SHIP FORBORDER PROTECTION OPERATION AND SUPPORT TO POST-

NATURAL DISASTER MANAGEMENT IN THE OUTLYING ISLANDSCOMMUNITY

Samudroa dan Abdul Kadirb

a Pusat Teknologi Industri Pertahanan dan Keamanan BPPTb Pusat Teknologi Industri dan Sistem Transportasi BPPT

[email protected], [email protected]

Abstrak

Ditinjau dari segi kedaulatan dan pertahanan-keamanan nasional, keberadaanpulau-pulau terluar di perairan perbatasan di bagian utara Sulawesi Utaramempunyai arti strategis bagi Indonesia dan layak untuk diamankan. Di sisi lain,wilayah geografis Sulawesi Utara dengan beberapa gunung berapi dan perairanterbuka menghadap ke samudra Pasifik, rawan terjadi bencana alam gempa danTsunami. Secara konseptual strategis perlu dikaji kebutuhan sarana dukungtransportasi - kapal untuk pengamanan pulau-pulau terluar dan untuk kesiagaanpenanganan bencana alam bagi masyarakat wilayah perairan perbatasan.Karenanya pada kajian ini dilakukan studi disain prototip kapal markas yangdilengkapi bulbous-bow untuk mampu beroperasi sesuai karakteristik padaperairan perbatasan bergelombang tinggi, serta berfungsi sebagai sarana dukungoperasional patroli pengamanan perairan perbatasan dan penanganan pascabencana alam. Desain kapal markas panjang 66 m dengan daya 2x155 HP,kecepatan dinas 12,5 Knot telah diuji model di laboratorium hidrodinamika untukkemampuan ship powering, manuvering dan sea-keeping dengan hasil memenuhiketentuan persyaratan IMO.

Kata Kunci : Desain kapal markas, pengamanan perairan perbatasan, bantuan pascabencana alam, bulbousbow, uji laboratorium hidrodinamika

Abstract

In terms of sovereignty and defense-security national, the existence of outerislands in the border at northern North Sulawesi has strategic significance forIndonesia and is worthed to keep. On the other hand, the geographical area ofNorth Sulawesi with several volcanoes and open waters facing the Pacific Oceansusceptible occurs earthquakes and Tsunami. In a strategic conceptual, need tobe reviewed transportation support facilities such as the ship for the security of theouter islands and for the alertness of handling natural disasters for the communityof border areas. Therefore, the study of a bulbous-bow headquarters shipprototype was designed adequate to operate compatible to the characteristics ofhigh wavy border waters, as well as to support the operational patrol of bordermarine security and post-disaster handling. The design of the ship's 66 mheadquarters with 2x155 HP power and the official speed of 12.5 Knot has beentested in the hydrodynamics laboratory model for ship powering, manuvering, andsea-keeping capabilities with results conform to requirements of IMO.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 202

Keywords: Headquarters ship design, border water security, post-aid Naturaldisaster, Bulbousbow,hydrodynamic laboratory test


PENDAHULUAN

Wilayah perairan perbatasan Indonesia yangluas berseberangan dengan 10 negaratetangga (Philipina, Malaysia, Singapura,Vietnam, Thailand, India, Australia, TimorLeste, Palau, Papua Nugini) serta memilikikurang lebih 92 pulau-pulau terluarmerupakan salah satu aspek strategisnasional. Ditinjau dari sisi kedaulatan NegaraKesatuan Republik Indonesia (NKRI), darisisi pertahanan dan keamanan nasional,pemanfaatan sumberdaya alam sertasebagai referensi penentuan landas kontinennegara, kedudukan pulau terluar merupakanwilayah teritorial terdepan yang harusdipertahankan1). Khususnya di wilayahperairan perbatasan bagian utara ProvinsiSulawesi Utara berbatasan dengan negaraPhilipina, disana terdapat pulau Marore danpulau Miangas yang terpencil menjadi salahsatu titik dasar batas wilayah Indonesia.Kondisi wilayah perairan perbatasan dibagian utara provinsi Sulawesi Utaramerupakan perairan yang terbukaberhubungan langsung dengan perairanSamudera Pasifik, menjadikan titik rawanterjadi bencana badai gelombangtinggi dan Tsunami, posisi strategis iniditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1.Lokasi P. Miangas dan P. Marore di Perairan

Terbuka Perbatasan

Perlu dipertimbangkan pula bahwa wilayahgeografi Indonesia yang dikelilingi gunungberapi aktif, menjadi wilayah pertemuan tigalempeng besar dunia, Lempeng Indo-Australia, Lempeng Eurasia, dan LempengPasifik berpotensi risiko rawan bencanagempa dan erupsi gunung berapi termasukwilayah Sulawesi Utara terlingkup dalamrangkaian gunung berapi Indonesia. Dengankondisi geografis seperti ini wilayah perairanperbatasan Sulawesi Utara memiliki potensibencana alam yang cukup tinggi, antara laingempa bumi, gunung meletus, badai tropismaupun tsunami, terutama dengan karakterserupa untuk kawasan pulau Miangas danpulau Marore. Dengan kondisi seperti ini,penempatan pos satuan pengamananperbatasan dan kehidupan masyarakat diwilayah pulau-pulau terluar ini juga seringmengalami kesulitan. Terlebih saat kondisicuaca ekstrem dan bencana terjadi, dukungantransportasi logistik secara reguler untuk pospengamanan perbatasan maupun untukmasyarakat menjadi salah satu kendalautama. Keterbatasan kapal laut pendukungsuplai logistik yang mampu beroperasi padacuaca ekstrem serta mahalnya biaya operasikapal yang menyimpulkan pemikiran yaituperlunya dilakukan perancangan kapaldengan karakteristik khusus untukmendukung tugas operasional tersebut. Olehkarena itu, implementasi konseptual rancangbangun Kapal Markas sebagai pendukungoperasional tugas patroli pengamanan jugaberfungsi sebagai kapal pendukung logistikmasyarakat dan penanganan pasca bencanaalam untuk perairan perbatasan pulau-pulauterluar perlu dipertimbangkan. Kapal harusdidisain sesuai karakteristik untuk beroperasidi perairan ekstrem perbatasan.

Analisa Kondisi PermasalahanKondisi perairan perbatasan

Wilayah perairan perbatasan di bagian utaraSulawesi Utara yang menghadap ke arahSamudera Pasifik merupakan perairanterbuka seperti yang terlihat pada Gambar 1.Rata-rata pada paruh tahun terjadiperbedaan intensitas gelombang yangmenyolok2).


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 203

Gambar 2a.Profil gelombang perairan utara Sulawesi

Utara – bulan Januari

Gambar 2b.Profil gelombang perairan utara Sulawesi

Utara – bulan Agustus

Pada bulan Januari-Pebruari intensitas arahgelombang dari perairan Samudra Pasifikmasuk ke wilayah perairan Indonesiamengarah ke barat daya perairan Sangir-Talaud. Umumnya kondisi perairan relatifagak tenang, meski memungkinkan terjadirata-rata ketinggian gelombang bisamencapai 2 – 3 meter mendekati daerahperairan Sulawesi Utara, sementara diperairan perbatasan disekitar pulau Maroredan pulau Mianggas sampai mencapaiketinggian 4 – 5 meter, sebagaimana terlihatpada Gambar 2a. Pada bulan Agustus-September kondisi perairan berubah lebihekstrim, intensitas arah gelombangmengarah ke Samudera Pasifik kearahutara-barat laut perairan Sangir-Talaud.Pada kondisi memasuki musim hujan, diperairan sekitar pulau Marore dan Miangastinggi gelombang mancapai 5 meter lebih.Karakteristik perairan di sini cenderungekstrim sebagaimana terlihat pada Gambar2b.

Bencana gunung berapi dan Tsunami diperairan perbatasanWilayah geografis perairan di bagian utaraSulawesi Utara terdapat beberapa bentukangunung berapi aktif yang berpotensimenimbulkan gempa bumi dan bencanatsunami3).

Tabel.1.Kejadian Tsunami di Perairan Sulawesi

Bagian Utara

Tahun Sumber Wilayah Korban

1976 M8,1 Earthquake

SWMindanau 4000

1918 M8,2 Earthquake

SWMindanau 102

1871 Volcano, earthquake

SulawesiSea 400

1856 Volcano SulawesiSea 100

Beberapa data kejadian gemp abumi yangmenimbulkan tsunami seperti pada Tabel 1.Dari hasil beberapa prediksi simulasiterjadinya gempa bumi akibat tubrukanataupun interseksi antar lempeng bumimaupun pertumbuhan gunung berapi diwilayah perairan bagian Utara SulawesiUtara tercatat bahwa potensi sumber gempaakan terjadi di daerah perairan dangkalkedalaman < 6000 m namum dapatmenimbulkan besaran gempa bumi sampaiM 7,8. Hal ini dapat menimbulkan ketinggianombak sampai dengan 4 m. Demikian jugadari hasil prediksi simulasi Tsunami yangterjadi di daerah garis pantai pulau pulau dibagian utara Sulawesi Utara ketinggianpermukaan perairan dapat mencapaiketinggian melebihi 10m3).


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 204

Karakteristik Desain Kapal Markas untukperairan perbatasanKapal Markas dirancang sesuai dengankarakteristik kondisi operasional kapal diperairan perbatasan utara Sulawesi Utara.Kapal mampu beroperasi pada kondisi tinggigelombang ekstrem dengan kemampuanolah gerak (ship maneuvring) dankehandalan (sea -keeping qualityperformance) yang memenuhi persyaratanIMO. Untuk mendukung efektifitaskemampuan daya gerak kapal diperairanbergelombang, di bagian haluan kapaldipasang bulbous bow untuk membantupengurangan hambatan gelombang padakapal.Kapasitas kapal dirancang mampu memuatkeperluan transportasi satuan pengamanandan perlengkapan satuan serta dukunganlogistik perlengkapan operasi untukpenanganan bantuan pasca bencana diwilayah pulau terluar. Kecepatan dan jarakjelajah kapal dirancang cukup mampuberoperasi dari pangkalan TNI-AL di kotaBitung untuk mencapai jangkauan jarakjelajah penanganan lokasi darurat terjauhdalam waktu tidak lebih dari 3 hari.Dalam perancangan Kapal Markas, kapalmempunyai 3 misi dasar/ peran utama, yaitu: (1) Kapal berperan sebagai kapalpendukung patroli reguler dalam wilayahperairan perbatasan, (2) Kapal menjadisarana transportasi satuan pengamanan danbantuan pengiriman logistik di wilayah pulauterluar perairan perbatasan, (3) Kapalmenjadi sarana transportasi bantu untukpenanganan pasca bencana alam padamasyarakat dengan peran sebagai poliklinikdarurat terapung pada satu wilayah pulauterluar perbatasan4).

BAHAN DAN METODE

Metodologi perancangan Kapal Markas untukpatroli pengamanan , transportasi rotasipasukan penjagaan dan dukunganpenanganan pasca bencana pada daerahperairan Utara Sulawesi melalui tahapan :

TAHAP (1) Kajian misi azasi fungsi dan kebutuhan

kapal markas multi guna Kajian batasan / konstrain faktor

geaografis daerah operasi kapal, kondisiperairan serta faktor geopolitis daerahperbatasan antar negara.

Kajian khusus kondisi operasionalperairan (Ombak, Arus laut)

TAHAP (2) Perancangan Konsep Kapal Markas

dilanjutkan dengan kajian syaratOperational requirement (Opsreq) danpenyusunaan spsifikasi teknis kapalMarkas (Spektek)

Kajian pada pradesain kapal melaluiperhitungan numerik

Kajian hasil pengujian hidrodinamikamodel kapal pada kolam uji (shippowering) dan pengujian numerikkemampuan olah gerak dan kehandalankapal (ship maneuvring, sea-keeping)

TAHAP (3) Kajian kemampuan teknis kapal Markas

serta membandingkan dengan kondisiperairan

Hasil akhir rekomendasi karakteristikdesain kapal yang memenuhi syarat

Gambar 3.Diagram Metodologi


Rancangan Kapal MarkasOptimasi lambung haluan dan Tenagapenggerak kapalRancangan dasar Kapal Markas untukmendukung patroli pertahanan dankeamanan pulau terluar perairan perbatasanserta untuk bantuan penanganan pascabencana alam pada masyarakat pulauterluar ditampilkan pada Gambar 4a Linesplan lambung kapal dan 4b General


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 205

arrangement Kapal Markas serta UkuranUtama kapal ditampilkan pada Tabel 2.

Gambar 4a.Lines Plan Kapal Markas

Gambar 4b.General Arrangement Kapal Markas.

Dalam rancangan dasar lambung kapaldiasumsikan kapal beroperasi di wilayahperairan tenang, sehingga bentuk haluantidak dilengkapi bulbousbow. Selain itu,kapal dirancang dengan sarat air rendah danlunas datar serta dilengkapi dengan pinturam-door. Hal ini untuk memudahkan kapalberoperasi di wilayah perairan dangkal sertamudah merapat di pantai pasir (beaching).

Tabel 2.Ukuran Utama Kapal Markas

Notasi Ukuran Utama Nilai Satuan

LOA Panjang totalkapal 73,66 m

LWL Panjang garis air 67,45 m

LPP Panjang bataskapal 66,76 m

B Lebar kapal 14,46 mH Tinggi geladak 8,45 mT Sarat air 2,50 m

Cb Koef. Bentuk 0,699Cp Koef. Prismatik 0,753

Cm Koef. Midship/tengah 0,928

Disp Volume /bobotkapal 1648 Ton

P Tenagapenggerak

2 x1500 HP

Vd Kecepatan dinas 12,5 Knot

Lambung utama kapal dibuat dari materialbaja serta dikombinasikan denganalumunium untuk bangunan atas. Hal iniuntuk lebih memperingan struktur badankapal namun tetap mempertahankan posisititik berat kapal rendah untuk meningkatkanperformansi stabilitas kapal. Bangunan ataskapal dirancang berkapasitas cukup untukakomodasi dan pengangkutan peralatanbantu satuan pengamanan maupundukungan penanganan bantuan pascabencana alam. Geladak bangunan atasdifungsikan sebagai ruang akomodasi 15awak kapal, 200 orang untuk rotasi satuanpengamanan, yang juga dapat difungsikanuntuk ruang rawat 30 paramedis/relawanserta disediakan 100 tempat tidur daruratuntuk pasien (pelayanan darurat kesehatanpasca bencana)5). Sistem tenaga penggerakkapal dirancang mampu menggerakan kapalberoperasi dengan kecepatan dinas 12,5Knot. Dengan menggunakan metodeperhitungan hambatan kapal secara statistikyang dikembangkan oleh Holtrop danJ.Mennem6), dengan persamaan :

RT = ½ .ρ. V2 . S. CT (Kg) (1)

dimana : RT = tahanan total kapal (Kg); CT =koefisien tahanan total; ρf = massa jenisfluida (kg/m2); V = kecepatan kapal (m/s) S =luas lambung basah kapal (m2)


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 206

Dapat dihitung daya efektif total mesinpenggerak kapal, diperoleh sebesar 2 x 1500HP. Kondisi daerah operasional kapal diwilayah perairan perbatasan cukup ekstremdengan sekala sea-state 3 s/d 5, maka untukekektifitas daya dorong sistem propulsi kapalguna mempertahankan kecepatan dinasrata-rata 12,5 knot, perlu ditambahkan padahaluan kapal bentuk bulbous bow yangoptimum.

Disain Bulbous-bow KapalPenggunaan bentuk bulbous-bow yangoptimum pada haluan kapal dapatmengurangi besar hambatan kapal karenaefek gelombang. Sehingga secara langsungakan mengoptimalkan kinerja sistem propulsikapal, yang pada akhirnya akan terkait eratdengan peningkatan efisiensi beaya bahanbakar pengoperasian kapal. PenggunaanCFD pada analisa rancangan bentuk bulbous-bow membantu evaluasi 3 tipe bulbous-bowyang paling optimal dalam mereduksi tahanankapal, sebagaimana pada Gambar 5a, 5b, 5cdan 5d. Pada gambar tersebut ditampilkandegradasi warna, pola aliran dan distribusitekanan fluida hidrodinamik pada bagianhaluan kapal pada kecepatan dinas 12,5knot7). Pada Gambar 5a. ditampilkan polaaliran dan distribusi tekanan fluida padabentuk haluan kapal tanpa dilengkapi denganbulbous-bow

Gambar.5a.Pola Aliran dan Distribusi Tekanan Fluida –

Kapal Non Bulbous-Bow

Pada Gambar 5b. ditampilkan pola aliran dandistribusi tekanan pada Bulbous-bow Tipe (1)pada bagian haluan model kapal.

Gambar.5b.

Pola aliran dan distribusi tekanan fluida -Bulbous-bow Tipe (1)

Pada Gambar 5c. ditampilkan pola aliran dandistribusi tekanan fluida pada bentuk Bulbous-bow Tipe (2) pada haluan kapal.

Gambar.5c.Pola aliran dan distribusi tekanan fluida –

Bulbous-bow Tipe (2)

Pada Gambar 5d. ditampilkan pola aliran dandistribusi tekanan pada Bulbous-bow Tipe (3)pada bagian haluan model kapal. Dariobservasi bentuk dan pola aliran serta distribusi tekanan pada bulbous kapal dapatdianalisa perbandingan tahanan gelombangyang terjadi di kapal.

Gambar.5d.Pola aliran dan Distribusi Tekanan Fluida –

Bulbous-Bow Tipe (3)

Tabel 3.Perbandingan Hambatan Kapal

Kec.(Knot)

Hambatan Kapal Markas (kN)

TanpaBB

BBTipe 1

BBTipe 2

BBTipe 3

12.5 82.315 77.390 71.899 80.821

%Reduksi 0 5,98 12,65 1,81

Pada Tabel 3 ditampilkan hasil evaluasisimulasi numerik CFD pada ke 3 bentuk tipebulbous-bow yang dipasang pada haluanKapal Markas. Tampak bahwa perbedaanbesaran tahanan kapal antar variasi bentukdesain bulbous-bow kapal dipengaruhi oleh


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 207

pola aliran dan kerapatan distribusi tekananfluida haluan kapal. Dari ke 3 tipe bulbous-bow yang dianalisa terlihat bentuk Bulbous-bow Tipe (2) yang paling optimal dalamreduksi hambatan total kapal, yakni sebesar12,65 % dibanding bentuk tipe bulbous-bowyang lain.

Kemampuan Olah Gerak KapalKemampuan kapal untuk dapat berolah gerakdan sandar di dermaga terbatas pulau kecil,maka kemampuan Turning circle sangatdiperlukan7). Kemamapuan kapal telah diujipada Lab. Hidrodinamika. Kapal pada kondisifull load dengan kecepatan dinas 12 knot diujimembelok ke kanan (starboard) pada sudutkemudi 350 dan membelok ke kiri (portside)pada sudut kemudi yang sama8). Hasilpengujian tersebut menunjukan bahwakemampuan olah gerak kapal cukupmemenuhi persyaratan IMO(9). Grafik hasil ujiolah gerak kapal ditampilkan pada Gambar 6adan 6b.

Gambar 6a.Model Lintasan Turning Circle SB, Vd = 12,

knot, α = 35 0

Pada kondisi pengujian gerak memutar kapalke kanan (starboard), rata-rata radius putarkapal relatif sama, diameter taktis (Tacticaldiameter) mencapai 161,56 m dengan rata-rata waktu tempuh melingkar T360 = 198 detik.

Gambar 6b.Model lintasan Turning circle PS, Vd = 12,

knot, α = 35 0

Pada kondisi pengujian gerak memutar kapalke kiri (portside), diameter taktis (Tacticaldiameter) mencapai 160,89 m dengan rata-rata waktu tempuh melingkar T360 = 197 detik.

Tabel 4.Hasil Pengujian Turning Circle

Rudder AnglePARAMETER 35 0 PS - 35 0 SB

Advance (m) 197,61 199,61Transverse (m) 60,08 60,75Tactical diameter (m) 160,89 161,56Turning diameter (m) 122,17 122,17

Advance/Lpp 2,96 2,99Transverse/Lpp 0,90 0,91Tactical diameter/Lpp 2,41 2,42Turning diameter/Lpp 1,83 1,83

Keseluruhan hasil pengujian simulasi Turningcircle kapal ditampilkan pada Tabel 5. Terlihatbahwa pada parameter rasio didapatAdvance/Lpp = 2,96 & 2,99 dan rasioTactical/Lpp = 2,41 & 2,42 kedua hasiltersebut telah memenuhi kriteria standar olahgerak (maneuver) yang disyaratkan olehIMO9).

Kemampuan Seakeeping kapalUntuk mengetahui pola karakteristikperformansi Kapal dan kinerja stabilitasdinamis kapal diatas gelombang laut padakecepatan dinas serta untuk menganalisakemungkinan masuknya air laut (deck


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 208

wetness) dari bagian bukaan (opening)diatas free deck (deck utama), maka perludilakukan pengujian seakeeping. Simulasipengujian ini menggunakan perangkat lunakShip motion dynamic. Dalam pengujian disinidianalisa parameter gerakan kapal yangsiknifikan dan paling dominan, yakni gerakanrolling, pitching dan heaving serta gerakanekstrim kapal yang menyebabkan kondisideck wetness.

Tabel 5.Karakteristik Gelombang untuk Uji

Seakeeping

TinggiGelombang

Period[m]

Arah[deg] Note

Siknif[m]

Maks[m]

1,27 2,36 5,63 90, 135,180

Moderate Seas

2,80 5,20 8,64 90, 135,180

Extreme

Seas

Karakteristik tinggi gelombang yangdigunakan dalam pengujian adalah kondisigelombang sea-state 3 dan 5 sebagaimanapada Tabel 5. Sedangkan spektrumgelombang yang digunakan adalah tipePierson-Moskowitz (P-M) (10), yangdiformulasikan sebagai berikut :

S A e B

( ) . . . 5 4

(2)

dimana : S() = spectral density of waveheights; = circular frequency (rad/sec); A =172.8 * (w1/3)2 * (T)-4; B= 691 * (T)-4;w1/3 = significant wave height (meter);T= average wave period (second)

Hasil analisa simulasi numerik pengujianberupa response amplitude operators(RAOs) yaitu rasio amplitude gelombang(wave amplitude) terhadap amplitudemasing-masing gerakan (motion amplitude)kapal (Rolling, Piching dan Heaving) padasetiap frekuensi gelombang untuk kondisisea-state 3 dan 5. Respon tersebutdirumuskan sebagai berikut :

dimana : Hu = response function of a signal

u; Ua(e) = amplitude of frequency e of

signal u; a(e) = amplitude of frequency e

of wave elevation ; Suu(e) = spectral

density of signal u; S(e) = spectral

density of wave elevation

Tampilan respon RAO berupa grafik,ditampilkan pada data terlampir. Dari hasilevaluasi pengujian simulasi sea-keepingdapat diresumekan kondisi gerakan kapal(Rolling, Piching dan Heaving) sebagaiberikut : Gerakan rotasi oleng Roll Motion :

Gerakan oleng dapat menimbulkan sudutdinamis yang besar diakibatkan energiatau gaya gelombang bahkan akanmenimbulkan eksitasi rolling motion yangekstrim pada kondisi frekuensi resonansi.Tampak bahwa pengaruh arah gelombangterhadap respon kapal cukup signifikan,yakni kondisi arah gelombang 90o (beamseas) pada sea-state 5, maksimumsignificant amplitude “roll motion” yangterjadi pada kapal sebesar 10.3 derajat(atau rms 5.02 derajat). Sedangkan responkapal pada arah gelombang 135 o (bowquartering seas ) dan 180o (head seas)adalah sangat kecil yaitu 0.00- 2.22 derajat(atau rms 0.00- 1.11 derajat) jikadibandingkan standar “SeakeepingPerformance Criteria” 1 ) adalah rms (rootmean square) max.: 9.6 derajat.

Gerakan rotasi angguk Pitch Motion :Gerakan tersebut sangat dominan terjadianggukan naik dan turunnya haluanmaupun buritan kapal. Gerakan tersebutsangat tergantung pada kondisigelombang, kecepatan kapal dan arahkapal terhadap gelombang. Hasilperhitungan memperlihatkan bahwamaximum significant amplitude “pitchmotion” terjadi pada kondisi gelombangSea-state 5 untuk arah gelombang 135 o

(bow quartering seas ) yakni sebesar 2.34derajat (atau rms 1.17 derajat). Sedangkanrespon kapal pada arah gelombang 180 o

(head seas ) dan 90 o (beam seas ) adalahrelative lebih kecil yaitu 1.78 dan 1.93derajat (atau rms 0.89 dan 0.96 derajat).Adapun standar “Seakeeping Performance

1) Principles of Naval Architecture:“Seakeeping Performance Criteria”.

e

euu

ea

eau S

SuH

(3)


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 209

Criteria adalah rms (root mean square)max.: 1.5 derajat.

Gerakan translasi vertikal Heave Motion:Gerakan vertikal naik dan turunnya badankapal yang berkaitan erat dengan pitchmotion. Maksimum Significant amplitude"heave motion" yang terjadi pada kapalyakni kondisi arah gelombang 90o (beamseas) pada sea-state 5, dimana maksimumsignificant amplitude yang terjadi padakapal sebesar 1.32 m (atau rms 0.66 m).Sedangkan respon kapal pada arahgelombang 135 o (bow quartering seas )adalah 1.206 m (atau rms 0.603 m), danrespon kapal pada arah gelombang 180 o

(head seas ) lebih kecil yakni 0.872 m (ataurms 0.436 m).

Kemampuan deck-weetnesDeck weetnes, masuknya air di atasgeladak (deck) dari bukaan (opening)akibat eksitasi gelombang yangmenyebabkan gerakan ekstrim kapal. Darihasil perhitungan gerakan ekstrim kapal:deck wetness pada kondisi gelombangseastate 3 dan 5 , terjadi kelimpahan/masuknya air pada geladak (deck) bilalevel air melewati freeboard efektif kapalatau bukaan pada lambung kapal. Padadesain Kapal Markas memiliki bukaanpada lambung (starboard – portside) kapaldengan ukuran tinggi 1.2 m, dengan jarakketinggian bukaan dari garis dasar(baseline) / keel 9.1 meter, seperti padaGambar 7. Hal ini menyebabkankemungkinan air laut masuk dari bukaanpada lambung kapal bila kapal mengalamisudut oleng (rolling) lebih besar dari 22 o

(Gambar 7). Dari hasil perhitungangerakan seakeeping kapal, khususnya saatgerakan rolling pada kondisi gelombangpaling ekstrim (seastate-5) dan arahgelombang 90 o (beam seas) hanya olengsebesar 10 o. Sedangkan sudut oleng yangmemungkinkan air dapat masuk melaluibukaan (opening) tersebut adalah oleng 22o, berarti kemungkinan air masuk melaluibukaan (opening) tidak terjadi. Hasilperhitungan terjadinya deck wetnessdisajikan dalam nilai probabilitas, Hal inimemperlihatkan bahwa terjadinya deckwetness pada kapal adalah 0 % padakondisi gerakan ekstrem kapa.

Gambar 7.Model Gerakan Ekstrem Kapal DanKelimpahan Geladak (Deckweetnes)

SIMPULAN

Dari hasil penelitian dapat disimpulkanbahwa rancang bangun kapal markas sangatdiperlukan guna difungsikan sebagai saranatransport dukungan pengamanan pulau-pulau terluar demi kedaulatan NKRI, melaluiangkutan rotasi petugas keamanan/ TNI.Oleh karena itu, pengoperasian KapalMarkas bersinergi untuk mendukung operasibantuan pasca bencana alam bagimasyarakat kepulauan terluar melaluiangkutan distribusi logistik, penyediaansarana poliklinik darurat terapungmaupun.sebagai markas komandooperasional darurat. Salah satunya denganmembuat kapal markas yang dirancangmampu beroeprasi sesui karakteristikwilayah perairan terluar pada kondisi ekstrimhingga seastate 5 dimana unjuk kerja desainKapal Markas telah teruji di LaboratoriumHidrodinamika dan memenuhi kriteria yangdisyaratkan oleh IMO

UCAPAN TERIMA KASIH

Kami mengucapkan terima kasih kepadaKemenristek Dikti yang memberikan programriset insentif Kemenristek TA 2010 – 2011serta Dislitbang TNI AL, Pusat PenangananBencana, dan Kementerian Kesehatan yangberperan sebagai narasumber. Selain itu,kami mengucapkan terima kasih kepadaBPPH BPPT – Surabaya untuk ujihidrodinamika model kapal di lakukan dikolam Towing Tank.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 210

DAFTAR PUSTAKA

1. Nazarudin, “Model penanganan pulauterluar berdasarkan konsep Prosperitydan Security Approach oleh TNI”, JurnalLitbang Pertahanan Indonesia – BalitbangKemhan, Vol. 15, No. 2, 2012

2. Peta data arah dan ketinggianGelombang Perairan Indonesia, BMKG,2009

3. Lovholt, F., Khun, D., Bungum H., HarbitzC.B., dan Glimsdal,S., “HistoricalTsunamis and Present Tsunami Hazardin Eastern Indonsia and the SouthPhilippines”, Journal of GeophysicalResearch, Vol. 117, B09310,doi:10.1029/2012JB009425, 2012.

4. Samudro, Abdul Kadir, “RancanganKonseptual Ganda Kapal Markas UntukPengamanan Pulau Pulau Terluar –Perairan Perbatasan NKRI (Tinjauanuntuk wilayah perairan pulau Marore danMiangas)”, Jurnal Warta PenelitianPerhubungan, Balitbang KementerianPerhubungan, Vol. 26, No. 1. 2014.

5. Kadir, A., Samudro, Waluyo,. Priatno,D.H, Akhirudin, M., Laporan RisetRancang Bangun Kapal Markas, PusatTeknologi Industri dan SistemTransportasi, BPPT, 2011.

6. Harvald, Sv.Aa, Tahanan dan PropulsiKapal, Airlangga University Press,Surabaya, 1992.

7. Jamaluddin A.dan Samudro, Analisa danEvakuasi Faktor Faktor yangMempengaruhi Karakteristik Olah Gerak(Maneuver) Kapal, Jurnal PerhubunganVol. No. , 2010.

8. Laboratorium Hidrodinamika Indonesia,Laporan Hasil Pengujian Turning Cicledan Sea-keeping Model Kapal Markas,UPT BPPH – BPPT, 2011.

9. International Maritime Organization(IMO), "Manoeuvrability of Ships andManouevring Standards", Sub -Committee on Ship Design andEquipment 36th session, Agenda item 4,24 February 1993.

10. Pierson, W.J. dan Moskowitz, L. , “Aproposed spectral form for fully developedwind seas based on similarity theory ofS.A. Kitaigorodskii”,

Penentuan Temperatur Operasional “Rod HangerTube Heater” Agar Mencapai Umur Operasi Desain (Hadi SUnandrio)________________________________________________________________________________________________

E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 211

PENENTUAN TEMPERATUR OPERASIONAL “ROD HANGERTUBE HEATER” AGAR MENCAPAI UMUR OPERASI DESAIN

DETERMINATION THE OPERATING TEMPERATURE "HANGERROD OF HEATER TUBE" IN ORDER TO ACHIEVE THE LIFE OF

OPERATION DESIGN

Hadi SunandrioBalai Besar Teknologi Kekuatan Struktur (B2TKS) - BPP TeknologiKawasan PUSPIPTEK - Setu - Tangerang Selatan 15314 - Banten

Telp. : 021-7560562 ext. 6054, Fax. : 021-7560903Email : [email protected]

AbstrakRod Hanger Tube Heater yang sudah beroperasi sekitar ± 7 bulan akan tetapibelum dilengkapi dengan best practice berapa lama MTBF (Mean Time BetweenFailure) atau Life Time nya. Oleh karena itu dibutuhkan pengujian untukmengetahui berapa sebenarnya Life Time dari Rod Hanger, yang nantinya akanmenjadi acuan MTBF dari Rod Hanger tersebut. Pada tulisan ini akan disajikansuatu hasil pengujian mulur (creep test) dari Rod Hanger, yang kemudiandiekstrapolasi sehingga akan menghasilkan grafik LMP vs tegangan, yangmerupakan kombinasi tiga parameter yaitu waktu (time to rupture), logaritmategangan dan suhu operasi menjadi satu kurva yang disebut Kurva MasterLarson-Miller Parameter (LMP Master Curve). Selanjutnya parameter ini dapatdigunakan untuk menghitung umur pakai Rod Hanger yang dioperasikan padasuhu tinggi, dengan menggunakan persamaan Larson-Miller Parameter (LMP)

Kata kunci : Rod Hanger, Pengujian Mulur, Larson-Miller Parameter, UmurPakai

Abstract

Rod Hanger of Tube Heater that has been operated for ± 7 months has not beencompleted with best practice of MTBF (Mean Time Between Failure) time or LifeTime. That is why it is needed to find out real life time of the rod hanger, that willbe used as the reference data of MTBF for the rod hanger. In this article itis presented the result of creep test of the rod hanger, which then extrapolated toobtain LMP vs Stess diagram as the combination of three parameters, i.e. time(time to rupture), logarithms of stress and operational temperature in a curvewhich is called Master Curve of Larson - Miller Parameter (LMP Master Curve).Further more, the parameter is used to calculated useful life of rod hanger forhigh temperature operation, with the equation of Larson - Miller Parameter.

Key words : Rod Hanger, Creep Test, Larson-Miller Parameter, Life Time

Diterima (recieved) : 12 November 2016, Direvisi (Revised) : 22 November 2016,Disetujui (Accepted) : 4 Desember 2016

PENDAHULUANRod Hanger Tube Heater yang

menggunakan material ASTM A 608 GradeHK 40 sudah beroperasi sekitar ± 7 bulanakan tetapi belum dilengkapi dengan best

practice berapa lama MTBF (Mean TimeBetween Failure) atau Life Time nya.

Oleh karena itu dibutuhkan pengujiandan pemeriksaan untuk mengetahui berapasebenarnya umur pakai (life time) dari RodHanger tersebut.

M.P.I. Vol.10, No2, Agustus2016, (211- 218)

212 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

Dalam mendisain suatu komponen yangberoperasi pada suhu tinggi umumnya umuroperasinya di disain 100.000 jam (11,57tahun) dan tentunya harus dioperasikandalam kondisi aman.1) 2)

Akan tetapi pada kenyataannya banyakkomponen yang mengalami rusak sebelumumur operasinya tercapai, sehinggamengakibatkan kerugian dan kecelakaanyang cukup besar.Oleh karena itu untuk mengantisipasi haltersebut, maka perhatian industriawan yangbergerak dalam bidang perminyakan ataupetrokimia, keamanan dan kelayakan operasiterhadap suatu peralatan atau komponen,berkembang kearah tinjauan terhadap umuroperasi disain agar mencapai 100.000 jam. 1)

2)

Untuk mengoptimalkan agar umur operasidesain mencapai 100.000 jam maka salahsatu komponen dari Tube Heater pada UnitPengolahan Minyak Mentah yaitu RodHanger perlu dilakukan pemeriksaan danpengujian, tentunya harus mengikuti tata carapengoperasian peralatan tersebut yang telahdicantumkan pada Standard OperationalProcedure (SOP). Tata cara ini harusdilaksanakan sebaik - baiknya, dan tentunyadengan dukungan alat kontrol suhu, tekanandan gaya yang benar dan akurat. 1) 2)

Kemudian untuk mengkaji dan mengetahuiumur operasi dari Rod Hanger Tube Heaterdibutuhkan suatu teknik yang sudah standardan diakui, agar hasil pengkajiannya lebihakurat dan terpercaya.Kerusakan akibat suhu tinggi dalam kurunwaktu yang cukup lama, tanpa adanyakesalahan pengoperasian (SOP), biasanyaterjadi akibat pengaruh creep atau mulur. 1) 2)

Rod Hanger Tube Heater akan terdeformasisecara kontinu dan perlahan-lahan dalamkurun waktu yang lama, apabila dibebanisecara tetap. Laju regangan creeptergantung pada waktu dan suhu sertapembebanan yang konstan.Proses kerusakan akibat creep terjadi padasuhu tinggi atau yang mendekati suhu cairsuatu bahan. Proses kerusakan creep padabahan biasanya terjadi pada suhu yangberada pada 0,4 ÷ 0,5 kali titik cair dalamderajat kelvin atau biasanya dinyatakan

dengan 0,4 ÷ 0,5 Tm dan terjadi akibatadanya peregangan butiran atau strukturpada suhu tinggi dalam waktu yang lamapada kondisi pembebanan konstan. 1) 2)

Jadi tujuan dilakukannya pemeriksaandan pengujian ini adalah untuk mengetahuikehandalan (reliability) dan memprediksiumur pakai dari Rod Hanger, yaitu meliputipemeriksaan metalografi (struktur mikro),komposisi kimia, uji kekerasan dan uji creep.Dari hasil pemeriksaan dan pengujiantersebut maka akan dapat diprediksi umurpakai (life time) dari material Rod Hanger,yang nantinya akan menjadi acuan berapalama MTBF (Mean Time Between Failure)atau Life Time dari Rod Hanger tersebut.

Gambar 1.Foto Unit Heater di salah satu

kilang pengolahan


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 213

Gambar 2.Latak dan susunan tube yang berada di dalam Heater serta lokasi dari Rod Hanger yang akan

dilakukan pemeriksaan dan pengujian.

Gambar 3.Letak dan susunan Rod Hanger terhadap

Tube Heater.

BAHAN DAN METODEBAHAN

Rod Hanger yang akan di prediksitemperatur operasinya agar mencapai umurdisain yaitu 100.000 jam menggunakanbahan / material ASTM A 608 Grade HK 40,dengan data pendukung sebagai berikut: Objek : Hanger Rod Material : HK 40 Diameter ( D ) : 50 mm = 5 cm Beban ( P) : 47000 N 4796 kg Tegangan () : 245 kg/cm2 24 MPa Bridge Wall Temperature Actual

Maksimum (Temp. Operasi) : 827 °C Temperature : 93 °C atau 1500 °F Allowable Stress Rod : 5.17 MPa (pada

793°C - ASME II).3)

Operating Pressure Tube Arrangement :190 kg/cm2

60

50

UKURAN DALAM MILIMETER

Rod Hanger

Tube Heater


214 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

METODEMetode penelitian ini datanya akan

dipergunakan untuk pengkajian danmemprediksi temperatur operasi Rod Hangeragar mencapai umur disain, meliputi:

Pemeriksaan Metalografi denganmenggunakan mikroskop optik “Metalloplan”(mengacu pada ASTM E 407) : Untukmengamati struktur makro dan mikro sertamengamati kemungkinan adanya cacat mikroyang tidak terdeteksi oleh alat lain.

Pemeriksaan Komposisi Kimiamenggunakan alat “OES Metorex Arc-Met930” (mengacu pada ASTM A 751) : Untukmeneliti kandungan elemen yang ada padamaterial dasar dari Rod Hanger.

Pengujian Kekerasan menggunakanalat “Frank Finotest” (mengacu pada SNI 19-0406) : Untuk mengevaluasi perubahan nilaikekerasan yang terjadi setelah beroperasi.

Pengujian Mulur (Stress Rupture Test /Creep Test) menggunakan mesin Creep:Untuk mendapatkan nilai kombinasi tigaparameter yaitu waktu (time to rupture),logaritma tegangan dan suhu operasi menjadisatu kurva yang disebut Kurva Master Larson- Miller Parameter (LMP Master Curve). Dariparameter tersebut nantinya akan dapatdigunakan untuk memprediksi temperaturoperasional Rod Hanger Tube Heater agarmencapai umur operasi 100.000 jam.4)

Gambar 4.Sampel Rod Hanger yang digunakan untuk

pemeriksaan struktur mikro, analisakomposisi kimia, uji kekerasan dan uji creep

.

Gambar 5.Dimensi benda uji berdasarkan standar mesin

uji creep 5)

Benda uji yang telah selesai dibuat,kemudian diuji dengan menggunakan mesinuji creep (lihat gambar 6), dengan jumlahbenda uji minimal 5 sample.

Pada saat pengujian, data yangdibutuhkan adalah suhu, dan bebanpengujian. Sebelum pembebanan dilakukan,benda uji harus dipanaskan hingga mencapaisuhu konstan selama 24 jam (sesuai standarASTM E139-70).5)

Gambar 6.Bentuk mesin uji creep yang ada di

B2TKS - BPPT

Untuk memprediksi umur operasi rodhanger tube heater, salah satu cara yangterbaik atau yang sering digunakan adalahdengan menggunakan persamaan “Larson -Miller” Parameter (LMP). Dari persamaan inidapat dengan mudah dihitung umur operasiRod Hanger tube heater, melalui kurvamaster LMP vs log. (tegangan).4)

LMP = (T 0C + 273) (C + log tr)10-3 (1)

Persamaan Larson - Miller Parameterdikembangkan berdasarkan penjabaran lebihlanjut dari persamaan laju tipe Arhenius, yangmenyatakan bahwa creep merupakan prosesaktivasi tunggal yang terjadi pada suhu antara0,4 ÷ 0,5 Tm. 1) 2)

Menurut Larson - Miller Konstanta Cmerupakan hasil penelitian menunjukkanbahwa nilai C berkisar antara 15 sampaidengan 30, tergantung pada jenis bahan yangdigunakan atau yang dipakai, danberdasarkan standar “API RecommendedPractice 530”, ditetapkan bahwa untuk bajaCarbon Steel nilai C = 20.4)

HASIL DAN PEMBAHASANHasil Pemeriksaan dan Pengujian

Adapun pemeriksaan dan pengujianyang dilakukan terhadap Rod Hangermeliputi: pemeriksaan metalografi (strukturmikro), pemeriksaan komposisi kimia, ujikekerasan dan uji creep. Data dari hasilpemeriksaan dan pengujian tersebut nantinyaakan dapat digunakan untuk mengidentifikasimaterial rod hanger, apakah telah sesuaidengan material ASTM A 608 Grade HK 40.


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 215

Sedangkan data dari hasil uji creep dapatdigunakan untuk memprediksi umur operasiRod Hanger agar mencapai 100.000 jam.

Hasil Pemeriksaan MetalografiPemeriksaan metalografi dilakukan

bertujuan untuk mengetahui kondisi strukturmikro material Rod Hanger.

Gambar 7.Struktur mikro potongan melintang Rod

Hanger berupa austenitik sebagai matriksutamanya. Etsa : Kalling’s Reagent.

Gambar 8.Perbesaran dari gambar 7.

Gambar 9.Perbesaran dari gambar 8.

Dari hasil pemeriksaan metalografi didapat struktur mikro berupa austenitiksebagai matriks dengan karbida menyerupaipulau-pulau tersebar (scattered island)hampir membentuk jaringan (network), lihatgambar 7 s/d 9.

Hasil Analisa Komposisi KimiaBerdasarkan hasil analisa komposisi

kimia terhadap material Rod Hanger telahmemenuhi standard material ASTM A 608Grade HK 40. Hasil analisa komposisi kimiadapat di lihat pada table 1 dibawah ini:

Tabel 1.Hasil Analisa Komposisi Kimia

Unsur Result( % wt )

Standard ASTM A608 Grade HK 40

C 0.367 0.35 - 0.45

Si 1.019 0.50 - 2.00

Mn 1.083 1.50 (max.)

Ni 20.683 19.00 - 22.00

Cr 24.716 23.00 - 27.00

Mo 0.295 0.50 (max.)

S 0.005 0.04 (max.)

P 0.019 0.04 (max.)

Sumber Data : Standard ASTM A 608,“Specification for Centrifugal Cast IronChromium Nickel High Alloy Tubing forPressure Application at High Temperatures”.6)

Hasil Uji KekerasanBerdasarkan hasil uji kekerasan

terhadap material Rod Hanger telahmemenuhi standard material ASTM A 608Grade HK 40. Hasil pengujian kekerasandapat di lihat pada table 2 dibawah ini:

Table 2.Hasil Pengujian Kekerasan

NoNilai

Kekerasandalam HV

Standard ASTMA 608 Grd. HK 40

1. 206

2. 199

3. 210 160 HV - 250 HV

4. 210

5. 206

Rata-rata = 206.2

200µm

100µm

50µm


216 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

Sumber Data : Standard ASTM A 608,“Specification for Centrifugal Cast IronChromium Nickel High Alloy Tubing forPressure Application at High Temperatures”.6)

Hasil Pengujian CreepHasil pengujian creep terhadap

material Rod Hanger dapat dilihat pada table3 dibawah ini:

Tabel 3.Hasil Uji Creep dan Perhitungan LMP

No Do( mm )

Temp( oC )

Tegangan( MPa ) LMP

1 2.88 450 421.78 15.32

2 3.10 500 323.70 16.263 3.13 550 280.79 16.754 3.14 600 192.64 17.425 3.17 650 132.28 18.18

Berdasarkan hasil pengujian creepyang disajikan pada table 3, kemudiandiekstrapolasi sehingga menghasilkan grafikLMP vs Tegangan, seperti ditunjukkan padagambar 10, yang merupakan kombinasi tigaparameter yaitu waktu (time to rupture),logaritma tegangan dan suhu operasi menjadisatu kurva yang disebut Kurva MasterLarson-Miller Parameter (LMP MasterCurve). 4)

Gambar 10.Grafik LMP vs Tegangan hasil pengujian creep Rod Hanger.

PEMBAHASANLarson-Miller Parameter, merupakan

suatu persamaan yang menghubungkanantara suhu operasi (T) dengan umur (time torupture = tr) dan secara empiris dikemukakanoleh Larson-Miller. Parameter ini dapatdigunakan untuk menghitung sisa umurmaterial yang dioperasikan pada suhu tinggidengan cara meng-ekstrapolasikan data hasilpengujian accelerated creep danmemotongkan data hasil perhitungantegangan nominal dalam master curve LMP.Proses ekstrapolasi pada kurva tersebutharus tetap dilakukan bila ingin menghitung

kemungkinan umur pakai suatu rod hangeryang dioperasikan pada suhu tinggi,mengingat bahwa umur disain suatu rodhanger adalah 100.000 jam pada tegangandisain yang telah ditentukan, dan pada saatpengujian dilakukan percepatan kerusakancreep (accelerated creep test), yaitu denganpembebanan atau pemberian tegangan yangjauh lebih besar dari tegangan disain dandiusahakan waktu pengujiannya sependekmungkin, tapi tetap representatif. 7)8)

Hasil ekstrapolasi ini kemudiandipotongkan dengan nilai tegangan nominalyang tercantum pada data teknik Rod Hangeradalah sebagai berikut :


E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680 217

Diketahui : Load (P) : 47000 N 4796 kg Diameter Rod (D) : 5 cm

Perhitungan stress yang terjadi adalah:9)

Pσ = ------ (2)

A

4796σ = ------------ = 244,4 kg/cm2 24 MPa

19,625Kemudian untuk menjamin keakuratan

perhitungan kemungkinan sisa umur,tegangan nominal design 24 MPa dikalikandengan faktor keamanan (safety factor)sebesar 1,6 dan hasilnya adalah 38,4 MPa.

Faktor ini merupakan akumulasi terjadinyafraksi umur (life fraction) akibat pengaruhkorosi, oksidasi, dan karburisasi yang akandialami oleh tube tersebut pada saatberoperasi. Akan tetapi faktor ini tidakmempunyai kontribusi dengan kesalahanoperasional, misalnya terjadi pendinginanyang sangat cepat pada saat di stop, adanyahot spot pada titik tertentu dalam heaterakibat kontrol yang kurang memadai, dan lajupemanasan yang sangat cepat pada saat distart-up. 10) 11)

Hasil perpotongan antara garistegangan dan grafik hasil pengujian kemudianditarik garis ke arah sumbu X (lihat Gambar10, Grafik PLM vs Tegangan), maka diketahuinilai PLM adalah :

Tabel 4.Perhitungan estimasi temperatur operasi Rod Hanger agar mencapai

umur disain 100.000 jam.(untuk tegangan aktual operasi)

No Temp.( °C )

Tegangan( MPa )

PLMPrediksi Umur

( Jam ) ( Bulan ) ( Tahun )

1 700 24.00 21.73 21,527,358.85 29,899.11 2,491.59

2 725 24.00 21.73 5,936,727.22 8,245.45 687.12

3 750 24.00 21.73 1,743,599.46 2,421.67 201.81

4 787 24.00 21.73 316,227.77 439.20 36.605 793 24.00 21.73 242,446.20 336.73 28.06

6 827 24.00 21.73 56,825.79 78.92 6.58

7 850 24.00 21.73 22,384.92 31.09 2.59

Tabel 5.Perhitungan estimasi temperatur operasi Rod Hanger agar mencapai

umur disain 100.000 jam (untuk tegangan dengan faktor keamanan 1,6)

No Temp.( °C )

Teganganx 1.6

( MPa )PLM

Prediksi Umur

( Jam ) ( Bulan ) ( Tahun )

1 700 38,40 21,20 6,141,630.14 8,530.04 710.84

2 725 38,40 21,20 1,387,664.79 1,927.31 160.61

3 750 38,40 21,20 528,886.72 734.56 61.21

4 787 38,40 21,20 100.000 138,89 11,57

5 793 38,40 21,20 77,166.65 107.18 8.93

6 827 38,40 21,20 18,738.17 26.03 2.17

7 850 38,40 21,20 7,551.02 10.49 ---

Dari hasil perhitungan pada tabel 5dapat diprediksi bahwa umur pakai (life time)dari Rod Hanger akan mencapai 100.000 jamdengan faktor keamanan (safety factor)

sebesar 1,6, bila dioperasikan pada teganganoperasi sebesar 38,4 MPa (391,57 kg/cm2)dan temperature operasi sebesar 787 C.Hasil perhitungan tersebut dapat digunakan


218 E-ISSN 2541-1233P-ISSN 1410-3680

sebagai acuan berapa lama MTBF (MeanTime Between Failure) atau Life Time dariRod Hanger.

SIMPULANBerdasarkan hasil penelitian terhadap

rod hanger, maka dapat diambil kesimpulansebagai berikut :

Struktur mikro Rod Hanger berupaaustenitik sebagai matriks dengan karbidamenyerupai pulau-pulau tersebar (scatteredisland) hampir membentuk jaringan (network).

Material Rod Hanger sesuai denganspesifikasi standard material ASTM A608Grade HK 40.

Perhitungan estimasi temperatur dantegangan operasi yang merupakan perkiraanumur pakai dari Rod Hanger dapat dilihatpada table 4 dan 5.

Sehingga dapat diprediksi bahwa umurpakai Rod Hanger akan mencapai 100.000jam bila dioperasikan pada tegangan 38,4MPa (391,57 kg/cm2) dan temperatur 787 C.

UCAPAN TERIMA KASIHPenulis mengucapkan terima kasih

kepada bapak Agus Suhartono yang telahmeluangkan waktunya untuk berdiskusi,memberikan kritik dan saran yang berkenandengan tulisan ini. Dan penulis juga tak lupamengucapkan terima kasih kepada bapakSutarjo, bapak Aswandi dan bapak Daudyang telah banyak membantu memberikandata - data hasil pengujian.

DAFTAR PUSTAKA1. R. Viswanathan, 2012, “Damage

Mechanisms and Life Assessment of High-

Temperature Components”, ASMInternational, Matals Park, Ohio.

2. J.M Bear, and A Akermad, 1998,“Probabilistic Remanent Life Assesment ofPlatformer Fired Heater Tubes”, FinalReport.

3. An Internatiol ASME Code Section II PartA, 2010, “Ferrous Material Specifications”,ASME Boiler and Pressure VesselCommittee on Materials, Three ParkAvenue, New York, 10016 USA.

4. API Recommended Practice 530, 2012,”Recomended Practice for Calculation ofHeater Tube Thickness in PetroleumRefineries”, Washington, D.C.

5. Annual Book of ASTM Standards Volume03.01 E 139, 2015, “Standard TestMethods of Conducting Creep, Creep-Rupture and Stress-Rupture Test ofMetallic Materials”, American Society forTesting and Materials, 1916 Race St,Philadelphia.

6. ASTM A 608 Grade HK 40 “CentrifugallyCast Iron Chromium Nickel High AlloyTubing for Pressure Application at HighTemperatures

7. Garofalo, Frank, 2000, “Fundamental ofCreep and Creep Rupter in Metal”,Macmillan, New York.

8. Japan Mech. Eng, Assc. 1999, "Tecniquefor Remaining Life Assessment", GihodoPublisher, Tokyo

9. George E. Dieter, 2000, "MechanicalMetallurgy", Mc. Graw-Hill Book Company,New York.

10.B.J Cane and John W., 1998, “RemainingLife Assesment Seminar”, ERATechonology Leatherhead-UK.

11.Haryadi, Mukson, 2010, “PenerapanMetoda RLA Terhadap Komponen Kritisdari Refinery / Petrochemical Plant”,Bimbingan Keahlian Teknik InspeksiLanjutan,.

AAttuurraann PPeennuulliissaann MMaakkaallaahh MM..PP..II.. ______________________________________________________________________________

ISSN 1410-3680

JUDUL MAKALAH UNTUK MAJALAH PENGKAJIAN INDUSTRI

(DALAM Bhs. INDONESIA & INGGRIS CENTER, HURUF Arial-14)

Sub Judul Ditulis Disini (Dari sini kebawah gunakan Arial12)

Nama Penulis (center, dari sini ke bawah Arial 10) Tempat & alamat bekerja, telepon/fax, e-mail.

Nabilaa, Farhan b,c a Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Kalbar, Jl.Kapuas no.6, Pontianak 78112.

e-mail : [email protected] b Laboratorium Teknologi Proses, Deputi Bidang TIRBR, BPPT. c Dosen Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Depok, Depok

e-mail : [email protected]

Abstract (Dalam bahasa Indonesia dan Inggris)

Disini anda diminta untuk menjelaskan hal yang telah dilakukan, hasil utama dan kesimpulan makalah saudara secara jelas dan singkat dalam bahasa Inggris. Jumlah kata tidak lebih dari 200 kata. (Jarak tulisan kesisi kiri 5 cm dan kesisi kanan 4,5cm, ditulis 1 spasi, italic) Abstrak ditulis dalam bahasa Indonesia & bahasa Inggris.

Kata kunci : Zeolit, Sedementasi. Dekantasi, Kalsinasi

PENDAHULUAN Format utama terdiri atas 2 kolom. Buka

page set-up dan diset : Top 1,1”, bottom 0,8”, inside 1,2”, outside 1”, gutter 0”, header 0,7” dan footer 0,5”. Serta jarak kolom 1 cm. Tulisan dalam Microsoft Word, 1 spasi. Tuliskanlah latar belakang, penjelasan mengenai penelitian terkait, yang telah lebih dahulu dipublikasikan.

Selain itu jelaskan hal-hal yang spesifik dan khusus dalam penelitian anda. Kutipan dari references atau daftar pustaka dibuat dengan tanda1), dengan 1 menunjukan nomor dalam daftar pustaka. Istilah dalam bahasa asing dan simbol matematika ditulis dengan huruf miring. BAHAN DAN METODE

Tabel, gambar dan rumus dibuat seperti contoh dibawah ini disertai dengan penjelasannya

Tabel 1. Data Analisis XRD Sampel Zeolit

2 θ d space (Ǻ) Intensity

21.68 22.00 23.02

4.10 4.04 5.03

846.667 1293.330

11053.330 Sumber Data : Hasil Olahan Data Penelitian

Gambar 4. Foto SEM Zeolit

ax2 +bx +c = 0 (1) Catatan : Tabel dan Gambar dapat juga dibuat memenuhi seluruh lebar halaman. HASIL DAN PEMBAHASAN

Judul Bab 3 ini dapat dipisahkan menjadi dua judul pasal, yaitu :

AAttuurraann PPeennuulliissaann NNaasskkaahh MM..PP..II.. ______________________________________________________________________________

ISSN 1410-3680

HASIL PENELITIAN PEMBAHASAN Dapat juga berisi sub-sub judul yang relevan dengan penelitian yang dilakukan. SIMPULAN

Simpulan (conclusion), hasil menyimpulkan berupa pendapat yang diperoleh setelah membahas sesuatu hal dalam bentuk narasi. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih berisi kepada siapa ucapan terimakasih disampaikan (sumber pendanaan) maupun instansi atau institusi yang membantu kelancaran penelitian.

DAFTAR PUSTAKA

Pengacuan pustaka 80% terbitan 10 tahun terakhir dan 80% berasal dari sumber acuan primer (jurnal).minimal 10 referensi. 1. Hens, S., Rosjidi, M., Proses Pemurnian

Zeolit Alam, Majalah Pengkajian Industri, , No. 21, 2003, p23.

2. Grobert P.S, W.S. Mortier, E.F. Vamsart and G. Schulz-Ekloff, Studies in Surface Science and Catalysis, Innovation in zeolite materials science, vol.37, Elsevier, Netherland, 2002.

3. ………, http: // www. mathey. ch/ fileadmin / user - upload / fichetechnique /EN/CuZn28.pdf, diakses Agustus 2009.

E-ISSN 2541-1233 P-ISSN 1410-3680 585/Akred/P2MI-LIPI/09 ...

Documents