perencanaan dan analisa tegangan pressure vessel

PERENCANAAN DAN ANALISA TEGANGAN PRESSURE VESSEL

VERTICAL TYPE DISTILLATION COLUMN DENGAN

MENGGUNAKAN SOFTWARE INVENTOR 2015

Fahrurrozi

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram

Jl. Majapahit No.62 Mataram, Nusa Tenggara Barat, 83125

E-mail : [email protected]

Abstrak

Pressure vessel vertical type Distillation Colomn direncanakan berdasarkan code

ASME (The American Society Of Mechanical Engineering) VIII Div 1 untuk mencari

ketebalan minimum pressure vessel type distillation column yang beroperasi pada tahun

2017 di PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap, Jawa Tengah. Penelitian ini

dimulai dengan pengambilan data sheet dan data lapangan di PT. Pertamina (Persero)

Refinery Unit IV Cilacap, Jawa Tengah. Fasilitas Sulfur Recovery Unit (SRU), selanjutnya

memperhitungkan ketebalan minimum berdasarkan ASME VIII Div 1, pemodelan

gambar 3D dan simulasi mengunakan software autodesk inventor 2015. Hasilnya

didapatkan ketebalan minimum yaitu head 13,66 mm, shell 13,69 mm, dan Skirt 3,47 mm.

Dengan mempertimbangkan bahan di pasaran material SA-516 Gr 70 maka head dan shell

menggunakan ketebalan 14 mm sedangkan skirt menggunakan ketebalan 5 mm. Hasil

tegangan pada tekanan 0.217 MPa diperoleh tegangan vone Mises 0,249 MPa; selanjutnya

pada tekanan 0.197 MPa diperoleh tegangan vone Mises 0,226 MPa; dan pada tekanan 0,196

diperoleh tegangan vone Mises 0,225 MPa; serta pada tekanan 0.195 MPa diperoleh

tegangan vone Mises 0,224 MPa. Material head dan shell mempunyai yield strength

sebesar 260 MPa, dengan demikian, dapat dikatakan aman karena tidak melebihi yield

strength material berdasarkan teori kegagalan energi distorsi.

Kata kunci : Distilaion Colomn, Pressure Vessel, ASME VIII divisi 1, analisa tegangan,

autodesk inventor,

PENDAHULUAN

PT. Pertamina (Persero) Refinery

Unit IV Cilacap merupakan salah satu dari 7

jajaran Refinery Unit di tanah air, yang

memiliki kapasitas produksi terbesar yakni

348.000 barrel/hari, dan terlengkap

fasilitasnya. Kilang ini bernilai strategis

karena memasok 34% kebutuhan BBM

nasional atau 60% kebutuhan BBM di Pulau

Jawa. (PT.Pertamina Reviney Unit IV).

Salah satu alat bantu suatu proses

pengolahan minyak pada PT. Pertamina

Refinery Unit IV Cilacap adalah distillation

column yang merupakan tabung (vessel)

bertekanan dan pada temperatur tertentu yang

berfungsi memisahkan kandungan pada acid

gas (gas alam yang bersifat asam) yang

mengandung CO2 (karbondioksida) dan H2S

(hidrogen sulfida) sehingga menjadi

beberapa produk dengan metode distilation

diantaranya; bahan baku pembuatan gas LPG

(liquefied petroleum gas) berbentuk gas dan

cair murni untuk bahan baku pembuatan

bahan kimia obat-obatan.

Tabung (vessel) bertekanan yang

digunakan harus mampu menahan tekanan

yang terjadi pada saat operasi baik tekanan

dari internal maupun external sehingga tidak

menyebabkan tabung (vessel) bertekanan

rusak. Tabung (vessel) bertekanan banyak

masalah-masalah yang dialami terkait dengan

tabung (vessel) bertekanan yaitu kebocoran,

ledakan, tidak sesuai dengan operasi, distorsi

dan keluaran produk tidak sesuai harapan,

maka analisa tegangan sangat penting

dilakukan yang bertujuan untuk mengetahui

tegangan terjadinya pada bejana tekan

tersebut.

Dalam perencanan tabung bertekanan

pemilihan material direkomendasikan

mengunakan sfesifikasi material SA 516

grade 70 karena sfesifikasi material tersebut

yeld strength sampai 260 Mpa, sehigga

mampu menahan beban tekan yang terjadi

akibat operasi pengelolahan acid gas di PT.

Pertamina (Persero) Refinery Unit IV

Cilacap. (Section Head Project Engineering,

2016).

Analisa kegagalan adalah suatu

kegiatan yang bertujuan untuk mengetahui

penyebab terjadinya kerusakan. Secara

keseluruhan jenis kegagalan pada material

dapat terbentuk seperti fatigue, keausan

(wear), korosi, patah (fracture), impact dan

lainnya. Kegagalan terjadi karena beberapa

faktor yaitu beban statik, sehingga seiring

timbulnya tegangan akibat beban yang

melebihi yield strength. Dan pada dasarnya

kegagalan dapat terjadi dikarenakan besaran

akibat kondisi operasi sifat kritis material

(Kurniawan, 2014).

Tegangan-tegangan yang terjadi pada

bejana tekan dapat dianalisa dengan software

karena bejana tekan merupakan benda 3

dimensi sehingga titik-titik analisa yang

harus dilakukan banyak. Untuk

mempermudah analisis dan mendapatkan

hasil yang lebih akurat maka dalam

penelitian digunakan sebuah software yang

bisa digunakan untuk menganalisis tegangan.

Saat ini software yang digunakan secara

umum di pasaran dalam menganalisis elemen

hingga antara lain ANSYS, CATIA, UGS,

Solid Work, Pro Enginer, Autodesk Inventor

(Kapustova, 2010).

Dari sekian banyak software untuk

melakukan analisis tegangan maka dalam

penelitian ini akan digunakan Autodesk

Inventor untuk menganalisis tegangan pada

bejana tekan (pressure vessel) karena

Autodesk Inventor memiliki tool yang lebih

lengkap dibandingkan software yang lain,

material yang lebih lengkap, proses

penggambaran 3D lebih cepat dan dapat

menggunakan software elemen hingga lain

dalam Autodesk Inventor. Menganalisis

bejana tekan (pressure vessel) pada Autodesk

Inventor, maka bejana tekan (pressure

vessel) harus direncanakan dan digambar

terlebih dahulu sesuai dengan dimensi yang

tertera di data sheet. Setelah proses

penggambaran selesai dikerjakan maka

analisis tegangan akan dilakukan dengan

menggunakan tool stress analisis pada

Autodesk Inventor.

TINJAUAN PUSTAKA

Pressure vessel dikenai berbagai

beban yang memberikan intensitas tegangan

yang berbeda dalam komponen pressure

vessel . Nilai tegangan adalah fungsi dari

sifat beban, geometri, dan konstruksi

komponen pressure vessel.[10]

.Bejana tekan dirancang berdasarkan

code tertentu yang memberikan persamaan

dan aturan untuk keamanan pada komponen

utama bejana tekan.[4]

Pressure vessel dirancang sesuai

dengan code ASME VIII Divisi 1, dirancang

dengan aturan dan tidak memerlukan

evaluasi rinci dari semua tegangan.

Perancang harus memilih kombinasi beban

untuk desain yang aman dan ekonomis,

sehingga dalam mendesain bejana tekan

perancang harus memahami beberapa tipe

mengenai tegangan dan pembebanan.[11]

Perancangan bejana tekan vertikal

dengan variasi pembebanan pada nozzle. Dari

simulasi pembebanan eksentris didapat

bahwa penambahan variasi beban dari bejana

tekan dapat meningkatkan rasio tegangan

dari nozzle dan reinforcement pad. [7]

Perancangan bejana tekan horizontal

dengan variasi pembebanan pada nozzle. Dari

simulasi pelepasan support didapat bahwa

penambahan variasi beban dari bejana tekan

dapat meningkatkan rasio tegangan dari

nozzle dan reinforcement pad.[8]

Perancangan bejana tekan horisontal

berbasis code ASME VIII Div 2. Dari hasil

perancangan didapat bahwa bejana tekan

divisi 2 mempunyai daerah perancangan

yang berbeda dengan divisi 1 dan 3

didasarkan pada tekanan dan

temperaturnya.[9]

Mengangkat materi mengenai

bejana tekan vertikal separator dengan

variasi tekanan dan beban eksentris.[12]

METODE PENELITIAN

Diagram Alir Penelitian

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

Prosedur Penelitian

Desain Percobaan

Tegangan yang terjadi pada bejana

tekan setelah dilakukan simulasi

menggunakan software autodesk inventor

adalah sebagai berikut :

1. Tegangan von mises

2. First principal stress

3. Third principal stress

4. Tegangan arah sumbu X

5. Tegangan arah sumbu Y

6. Tegangan arah sumbu Z

7. Tegangan geser bidang XY

8. Tegangan geser bidang XZ

9. Tegangan geser bidang YZ

Alur Simulasi Kekuatan Terhadap Variasi

Tekanan

1. Part dan assembly dalam bentuk 3D (tiga

dimensi)

Gambar 2. Part dan assembly 3D

2. Masuk Ke Tool Stress Analysis Inventor

Gambar 3. Tool Stress Analysis

3. Membuat Simulasi Baru

Gambar 4. Simulasi Baru

4. Pemberian Material Simulasi

Gambar 5. Pemberian Material Simulasi

5. Penentuan Fixed Area

.

Gambar 6. Penentuan Fixed Area

6. Pemberian Beban Tekanan Internal

Gambar 7. Pemberian Beban Tekan Internal

7. Pemberikasaan Contacts (sambungan)

Gambar 8. Pemberikasaan Contacts

8. Mesh View

Gambar 9. Mesh View

9. Running Stress Analysis

Gambar 10. Running Stress Analysis

Arah Pembacaan Tegangan Pada Bejana

Tekan Software Inventor 2015

Sebelum melakukan analisis tegangan

terhadap variasi tekanan, terlebih dahulu

ditetepkan arah dari model 3D bejana tekan

agar mempermudah dalam membaca

tegangan yang terjadi. Arah dari model 3D

bejana tekan didapatkan dari arah acuan pada

software autodesk inventor. Arah acuan

bejana tekan dalam model 3D dapat dilihat

pada gambar 3.11. Sumbu Z positif pada

model 3D bejana tekan mengarah ke atas

atau sumbu vertikal pada arah proyeksi

bejana tekan sesungguhnya.

Gambar 11 Arah Acuan Dari Model 3d

Bejana Tekan

Setelah arah acuan pada model 3D

didapatkan, maka arah tegangan yang terjadi

dapat ditetapkan. Untuk mempermudah

dalam pembacaan tegangan nantinya, arah

dari tegangan dapat dinyatakan sebagai

berikut :

(a) (b)

Gambar 12 (a) Principal Planes, (b)

Principal Planes Stress (Collins, 1992)

Untuk benda yang berbentuk silinder

seperti pada shell, arah tegangan yang terjadi

dapat digambarkan dalam bentuk potongan

dari silinder tersebut. Untukmempermudah

dalam pembacaan, arah principal stress pada

shell bentuk silinder dapat digambarkan

sebagai berikut :

Gambar 14 Principal Stress Pada Shell

Bentuk Silinder (Collins, 1992)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis Kekuatan Bejana Tekan

Terhadap Simulasi Tekanan

Dalam penelitian ini dilakukan

analisis kekuatan bejana tekan terhadap

variasi tekanan. Tekanan pada bejana tekan

menyebabkan tegangan pada shell dan head.

Tegangan pada shell meliputi tegangan

sirkumferensial dan tegangan longitudinal.

Tegangan pada head selain tegangan terdapat

dua tegangan tersebut juga terdapat tegangan

radial.

1. Titik Tinjauan Simulasi Tekanan

Analisis kekuatan bejana tekan

terhadap variasi tekanan didasarkan pada

tegangan maksimum yang terjadi pada bejana

tekan tersebut saat menerima tekanan

internal. Pada titik itulah nantinya peneliti

melakukan analisis pada semua variasi

tekanan yang dikenai pada bejana tekan

apakah tegangan yang terjadi melebihi atau

tidak tegangan yang diijinkan. Setelah

melakukan pengamatan dan simulasi,

didapat bahwa untuk masing-masing

tegangan yang terjadi, titik maksimum

yang terjadi pada bejana tekan berbeda-

beda. Titik maksimum saat menerima

beban tekanan internal dapat dilihat pada

gambar 15 sampai dengan 23.

Gambar 15 Titik Tinjaan Tegangan vone

Mises Stress

Gambar 16 Titik Tinjauan First Principal

Stress

Gambar 17 Titik Tinjauan Third Principal

Stress

Gambar 18 Titik Tinjauan Tegangan Arah

Sumbu X


Sumbu Y


Sumbu Z

Gambar 21 Titik Tinjauan Tegangan Geser

XY


XZ


YZ

2. Besar Tegangan Yang Terjadi Pada

Simulasi Tekanan

Setelah melakukan analsisis,

selanjutnya adalah mencatat besarnya

tegangan yang terjadi untuk masing-masing

tegangan pada tiap titik tinjauan yang telah

ditentukan. Besarnya tegangan yang terjadi

adalah sebagai berikut

Tabel 1 Tegangan yang terjadi pada simulasi

variasi tekanan

N

o

Tekanan

(MPa)

Vone

Mises

Stress

(MPa)

1st

Principal

Stress

(MPa)

3rd

Principal

Stress

(MPa)

Teganan

Arah

Sumbu X

(MPa)

1 0.217 0.249 0.167 0.034 0.068

2 0.197 0.226 0.152 0.031 0.062

3 0.196 0.225 0.151 0.031 0.062

4 0.195 0.224 0.150 0.031 0.061

Tegangan

Geser

Arah

XY

(MPa)

Tegangan

Geser

Arah

XZ

(MPa)

Tegangan

Arah

Sumbu Y

(MPa)

Tegangan

Geser

Arah

YZ

(MPa)

Teganan

Arah

Sumbu

Z

(MPa)

0.084 0.078 0.088 0.069 0.147

0.077 0.071 0.080 0.062 0.134

0.076 0.070 0.079 0.062 0.133

0.076 0.070 0.079 0.062 0.133

Berdasarkan Tabel 1 besarnya tegangan

maksimum yang terjadi pada bejana tekan

dapat dibuat grafik sebagai berikut :

Gambar 24 Grafik Hubungan Tekanan

Dengan Vone Mises Stress


Dengan 1st Principal Stress


Dengan 3rd Principal Stress


Dengan Tegangan Arah Sumbu X


Dengan Tegangan Arah Sumbu Y


Dengan Tegangan Arah Sumbu Z


Dengan Tegangan Geser Bidang XY


Dengan Tegangan Geser Bidang XZ


Dengan Tegangan Geser Bidang YZ

3. Pembahasan

Berdasarkan hasil simulasi

menggunakan Autodesk Inventor pada

pressure vessel dapat terlihat distribusi

tegangan Vone Mises, 1st Principal Stress,

3rd Principal Stress, arah sumbu X, arah

sumbu Y arah sumbu Z, Tegangan Geser

Bidang XY, Tegangan Geser Bidang XZ dan

Tegangan Geser Bidang YZ yang terlihat

pada gambar 4.2 sampai dengan 4.10 yang

diambil pada tegangan maksimum pressure

vessel. Dan dapat dilihat dari grafik 4.12

sampai dengan garfik 4.19 grafik hubungan

antara tekanan dengan Vone Mises, 1st

Principal Stress, 3rd Principal Stress, arah

sumbu X, arah sumbu Y arah sumbu Z,

Tegangan Geser Bidang XY, Tegangan

Geser Bidang XZ dan Tegangan Geser

Bidang YZ terlihat tegangan paling tinggi

pada tekanan 0,217 MPa, selanjutnya

menurun pada tekanan 0,197 MPa,

selanjutnya 0,196 MPa dan 0,195 MPa. jadi

semakin besar tekanan yang diberikan maka

semakin besar pula tegangan yang terjadi

pada pressure vessel distillation colomn

tersebut.

Dari Tabel 1, dapat dilihat tergantung

arahnya. Selanjutnya dari tabel hasil

pengamatan dapat dilakukan analisis

kegagalan untuk mengetahui pada tekanan

berapa bejana tekan tersebut dapat

dinyatakan gagal. Teori kegagalan pada

penelitian ini menggunakan teori energi

distorsi, dimana suatu benda multiaksial

dinyatakan gagal apabila tegangan vone

Mises yang terjadi melebihi tegangan yang

diijinan saat pengujian spesimen dengan

material yang sama. Pada saat simulasi, titik

tinjauan tegangan vone Mises berada pada

head. Head menggunakan bahan SA-516

Gr 70 dengan maximum yield strength

sebesar 260 MPa. Hubungan antara

tekanan, tegangan vone Mises yang terjadi

dan yield strength dari material SA-516 Gr

70 dapat dinyatakan dengan grafik berikut :

Gambar 33 Grafik Hubungan Tekanan,

Tegangan Vone Mises Dan Tegangan Yang

Dijinkan.

Dari Studi simulasi tekanan dengan

menggunakan autodesk inventor 2015

dilakukan pada pressure vessel distillation

colomn berdasarkan data tekanan di lapangan

diperoleh hasil tegangan yaitu pada tekanan

0.217 MPa diperoleh tegangan vone Mises

0,249 MPa, selanjutnya pada tekanan 0.197

MPa diperoleh tegangan vone Mises 0,226

MPa, dan 0,196 diperoleh tegangan vone

Mises 0,225 MPa, yang terakhir pada tekanan

0.195 MPa diperoleh tegangan vone Mises

0,224 MPa. Tegangan yang terbesar terjadi

pada head yaitu di sekitar garis tangen yang

ditunjukan pada gambar 4.2 sampai dengan

4.10. Dari Gambar 4.20 material SA 516 gr

70 head dan shell mempunyai yield strength

sebesar 260 MPa, jika untuk faktor keamanan

untuk pressure vessel vertical type

distillation colomn pada lampiran 1 sebesar

15 maka tegangan yang diijikan untuk

pressure vessel vertical type distillation

colomn sebesar 17,3 MPa. dengan demikian,

dapat dikatakan aman karena tidak melebihi

tegangan yang diijikan material sesuai

dengan teori kegagalan energi distorsi yaitu

kegagalan diprediksi terjadi pada keadaan

tegangan multiaksial bilamana energi distorsi

per unit volume sama atau lebih besar dari

energi distorsi per unit volume pada saat

terjadinya kegagalan dalam pengujian

tegangan uniaksial sederhana terhadap

pressure vessel dari material yang sama.

KESIMPULAN

Dari hasil perencanaan dan analisa

tegangan pressure vessel vertical type

distillation colomn dengan menggunakan

software autodesk inventor 2015, secara garis

besar terdapat beberapa poin penting

diantaranya adalah sebagai berikut.

1. Pada penelitian ini digunakan panduan

rumus dari ASME (The American Society

Of Mechanical Engineering) untuk

menghitung ketebalan head, shell dan

skirt, didapatkan hasil perhitungan

ketebalan minimum yaitu head 13,66 mm

berbentuk ellipsoidal, shell 13,69 mm, dan

Skirt 3,47 mm. Dengan melihat

ketersediaan bahan di pasaran untuk

material SA-516 Gr 70 maka head dan

shell menggunakan ketebalan 14 mm serta

skirt menggunakan ketebalan 5 mm.

2. Pemodelan 3D sesuai dimensi, dan studi

simulasi tekanan dengan software

autodesk inventor 2015 didapatkan hasil

tegangan yaitu pada tekanan 0.217 MPa

diperoleh tegangan vone Mises 0,249

MPa, selanjutnya pada tekanan 0.197 MPa


MPa, dan pada tekanan 0,196 MPa


MPa, serta pada tekanan 0.195 MPa


MPa. Tegangan yang terbesar terjadi pada

head yaitu di sekitar garis tangen,

material head dan shell pada pressure

vessel mempunyai faktor keamanan

sebesar 15 maka tegangan yang diijikan

untuk pressure vessel vertical type

distillation colomn sebesar 17,3 MPa.

DAFTAR PUSTAKA

[1] ASME, 2004, ASME Boiler and Pressure

Vessel Code Section VIII Division 1,

Rules for Construction of Pressure

Vessel, ASME Press, New York.

[2] ASME, 1998, ASME B16.5, Pipe Flanges

and Flanged Fitting NPS ½ Through

NPS 24,, ASME Press, New York.

[3] ASME, 2010, ASME Boiler and Pressure

Vessel Code Section II Materials,

ASME Press, New York

[4] Bednar, 1986, Pressure Vessel

Design Handbook, Krieger Publishing

Company, Florida.

[5] Budynas, Richard G., 1999, Advanced

Strength and Applied Stress Analysis,

McGraw-Hill, Singapore.

[6] Collins, Jack.A., 1992, Failure of

Materials in Mechanical Design, A

Wiley-Interscience Publication, New

York

[7] Fathoni, Jundan Rais, 2013, Perancangan

Bejana Tekan Vertikal dan Simulasi

Pembebanan pada Nozzle (Studi

Kasus Separator Unit Karaha PT.

Pertamina Geothermal Energy),

Jurusan Teknik Mesin dan Industri

UGM, Yogyakarta.

[8] Hutagaol, Eko, 2013, Perancangan

Bejana Tekan Horisontal dengan

Variasi Pembebanan pada Nozzle

(Studi Kasus Perancangan Slug

Cacther di Jalur Perpipaan Gas

Semarang-Gresik), Jurusan Teknik

Mesin dan Industri UGM,

Yogyakarta.

[9] Kurniawan, Deni Aditya, 2014,

Perancangan Bejana Tekan Horisontal

Berbasis Code ASME VIII Divisi 2

(Studi Kasus Test Separator Field

Peciko 3, Total E&P Indonesia),


UGM, Yogyakarta.

[10] Megyesy, Eugene F., 1997, Pressure

Vessel Handbook 10th

Edition,

Pressure Vessel Publishing Inc.,

Tulsa.

[11] Moss, D.R., 2004, Pressure Vessel

Design Manual 3rd

Edition, Gulf

Professional Publishing.

[12] Widodo, Median Ari, 2014, Analisis

Tegangan Bejana Tekan Vertikal

Berbasis Code Asme VIII Div 1

Menggunakan Autodesk Inventor,


UGM, Yogyakarta

perencanaan dan analisa tegangan pressure vessel

Documents