Daftar isi Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
Rekayasa
Perangkat
ISSN 1693-3346
Nuklir
EV ALUASI TEGANGAN PADA NOSEL TANGKI PEMBANGKIT UAP PL TN DENGAN PROGRAM ANSYS Utaya-Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir -BAT AN B.Bandriyana- Pusat Teknologu Bahan Industri - BATAN ABSTRAK EVALUASI PLTN
OENGAN
tegangan
TEGANGAN PROGRAM
PAOA NOSEL ANSYS.
Studi
TANGKI
tentang
dalam nose I PLTN tipe PWR dilakukan
PEMBANGKIT
pemodelan
untuk evaluasi
UAP
dan perhitungan dan pengembangan
desain komponen mekanik sistem PLTN. Untuk model perhitungan diambil material nosel dari baja SA 516-70 dengan modulus elastisita Perhitungan
dilakukan
menggunakan
2. 10
1\
MPa dan angka
dengan pemodelan 3 dimensi berdasarkan
program ANSYS. Oistribusi tegangan menunjukkan
Poisson 0,296.
metode elemen hingga harga tegangan total
pada nosel berkisar antara 100 sampai dengan 700 MPa. Konsentrasi tegangan terjadi pada sambungan
antara nosel dan tangki pada permukaan
maksimum
sekitarO 706 MPa dan pergeseran
persyaratan
desain. Evaluasi dan pengembangan
bagian dalam
maksimum
dengan tegangan
sebesar 2,36 mm memenuhi
desain untuk komponen dapat dilakukan
lebih teliti berdasarkan tegangan lokal maksimum.
Kata kunci : tegangan , nosel, ANSYS
ABSTRACT STRESS EVALUATION NUCLEAR
ON NOZLE OF
STEAM GENERATOR
FOR THE
POWER PLANT USING THE ANSYS PROGRAM. Study on modeling and
calculation of stress was performed
in the nozle of steam generator of the PWR-nuclear
power plant. The material of nozle was steel SA 516-70 with the modulus elasticity of 2. 101\
MPa and the Poisson ratio of 0,296.
The calculation was done by the finite element
method using the 3 dimension modeling of ANSYS 5.4. program. The stress distribution showed the stress on nozzle was 100 to 700 MPa. The stress concentration at the junction
was occurred
of the nozzle and vessel in the inner surface with the maximum stress
arround of 706 MPa and the maximum displacement
121
of 2,36 mm met with the design
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
requirement.
Rekayasa
Perangkat
ISSN 1693-3346
Nuklir
Evaluation and development of the component design could be done more
accurately by based on the maximum local stress. Key words:
residual stress, welding, Tee junction, finite element
Disampaikan
pad a Pertemuan
IImiah Nasional Rekayasa
Perangkat Nuklir 2007, Pusat
Rekayasa Perangkat Nuklir-BA TAN, 20 Nopember 2007.
PENDAHULUAN Nosel merupakan PLTN yang berfungsi disambungkan nosel ini
komponen penting dalam tangki pembangkit sebagai
penyambung
tangki
dengan
secara mati pada tangki dengan menggunakan
merupakan
tangki pembangkit.
uap pada sistem
sistem pemipaan.
Nosel
sambungan las. Sambungan
titik kritis yang menjadi dasar perhitungan
struktur dan kekuatan
Beberapa program komputer secara khusus dibuat untuk mengevaluasi
kekuatan nosel secara praktis, misalnya dalam program PV ELITE. Untuk perhitungan desain bisa juga digunakan metode dan rumusan dari ASME VIII tentang desain bejana tekan dan komponen
nuklir. Program perhitungan dalam
mengambil
ban yak asumsi
mengurangi
tingkat
dan menghasilkan
ketelitian
PV ELITE dilakukan dengan
nilai tegangan
hasil perhitungan.
Rumusan
secara global sehingga
ASME juga menghasilkan
tegangan secara global dengan berbagai perhitungan parameter yang cukup rumit dan lama untuk mengevaluasi desain. Untuk dikembangkan
meningkatkan
ketelitian
metode perhitungan
dalam desain
yang berdasarkan
nosel dewasa
ini telah ban yak
teori elemen hingga. Dasar dari
metode elemen hingga adalah membagi benda kerja menjadi elemen-elemen
kecil yang
jumlahnya
berhingga dan dapat menghitung reaksi akibat beban pada kondisi batas yang
diberikan.
Ide ini sangat membantu ketika perhitungan
analitis diferensial
sangat susah
dilakukan karena berbagai faktor, misal karena geometri, variasi beban, dan waktunya
yang simultan.
Dari elemen-elemen
persamaan matrik yang bisa diselesaikan
terse but dapat disusun. persamaan-
secara numerik dan
hasilnya menjadi jawaban
dari beban pada kondisi beban yang diberikan pada benda kerja tersebut. Salah satu basis
122
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
Rekayasa
Perangkat
ISSN 1693-3346
Nuklir
perhitungan dengan metode elemen hingga adalah program komputer ANSYS yang bisa digunakan
untuk evaluasi berbagai model desain mekanik, termal maupun model aliran
fluida. Permasalahan
yang perlu diperhatikan dalam penggunaan program ANSYS adalah
penyiapan data masukan (input) untuk menggambarkan
geometri benda serta asumsi untuk
menentukan
beban dan syarat batas sesuai dengan teori perhitungan
Penggunaan
program
ini dapat
menghasilkan
distribusi
tegangan
elemen hingga. dalam
komponen
sehingga diperoleh hasil yang teliti dengan meninjau tegangan lokal maksimum. Makalah ini menguraikan suatu studi untuk evaluasi kekuatan desain nosel dengan menghitung dan menganalisis
distribusi tegangan yang terjadi dalam nose I menggunakan
program ANSYS. Hasil perhitungan dan analisis diharapkan
untuk menjadi dasar dalam
evaluasi tegangan nosel khususnya dalam teknik dan metode komputasi sehingga dapat dikembangkan masukan
untuk evaluasi
desain peralatan
nose!. Dengan
yang teruji maka evaluasi dan pengembangan
diperolehnya
program
desain akan mudah dilakukan
dengan model perhitungan dan simulasi.
METODE
DAN T AT A KERJA
Perhitungan
dengan program Metode
ANSYS
perhitungan
tegangan
dengan program ANSYS sebagai berikut[l],
dilakukan
berdasarkan
langkah
perhitungan
[2] :
1. IDEALISASI PROBLEM Analisis untuk pemodelan dilakukan dengan model 3 dimensi untuk nosel dan bagian atas tangki pembangit
uap pad a
kondisi steady state. Basis data material,
geometri/ ukuran dan sistem desain serta data operasi untuk penentuan pembebanan diambil dengan mengacu pada data teknik sistem pembangkit uap PLTN tipe reaktor bertekananan
(PWR). Data-data untuk perhitungan ditentukan sebagai berikut:
123
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
Geometri dan ukuran
Rekayasa
Perangkat
ISSN 1693-3346
Nuklir
[3],[4]
• Diameter tangki pembangkit uap,
0 = 200
em
• Nosel berupa pipa dengan diameter luar, d = 25 em • Tebal tangki, t = 2,5 em • Tebal pipa nosel, tn = 3 em • Panjang nosel, L = 30 em
Data material[S] • Material untuk nosel,
baja SA 516-70 dengan data dan sifat mekanik :
• Modulus elastisitas, E = 2 x
lOll
MPa,
• Angka Poisson, v = 0,296
Parameter operasi
[3],[4]
• Tekanan uap primer pad a tutup tangki atas , p = 17 MPa • Suhu operasi pada tangki dan nose I, T = 147°e
2. PREPROCESSING Dalam tahap ini dilakukan proses pembuatan model geometri 3 dimensi, pemasukan sifat-sifat material dengan data seperti pada idealisasi dan pemilihan tipe elemen, Langkah selanjutnya membuat mesh untuk membagi model kedalam elemen hingga. Untuk elemen dipilih tipe elemen untuk struktur dalam analisa 3 dimensi, yaitu 3 dimensional 4-node tetrahedral structural solid atau disebut
SOLID92[6]. Meshing
dilakukan dengan eara otomatis dan membagi komponen tangki bagian atas dan nose I dalam bentuk elemen yang semakin mengeeil pada ujung sambungan nosel dan tangki dengan jumlah elemen sebanyak 378 elemen.
Geometri tangki tutup bagian atas dan
nose I dengan hasil mesh dari model ditunjukkan dalam gambar I.
124
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
Rekayasa
Perangkat
Nuklir
ISSN 1693-3346
Gambar 1. Geometri dan meshing dari model tutup tangki dan nose I
3. PENYELESAIAN
untuk
(SOLUTION)
Langkah ini berisikan pemberian
syarat batas dan pemberian beban berupa tekanan
tangki kemudian
persamaan
menyelesaikan
aljabar
dengan program ANSYS .
Untuk beban dalam perhitungan ini hanya diambil beban mekanik berupa tekanan sebesar 17 MPa pada. bagian dalam tangki dan nosel. Untuk syarat batas dalam perhitungan diambil
kondisi sambungan sebagai titik tetap sehingga terjadi distribusi tegangan akibat
pengaruh tekanan.
4. POST PROCESSING Dalam proses ini dilakukan pengambilan data-data penting dari hasil perhitungan untuk keperluan analisis. Data hasil perhitungan berupa distribusi tegangan total dan distribusi pergerakan total dari model.
125
ISSN 1693-3346
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Serpong, 20 Nopember 2007
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan dengan program ANSYS menunjukkan
pola distribusi tegangan
total (von mises), dan distribusi pergeseran total seperti yang disajikan dalam Gambar dan 3. .A.N3YS 5.'1
APR
9 2006
12:22:39 NODAL SOLUTION STEP-1 SUE
-1
TIME-l SEQV
(AVG)
Powe["Gt"aphic~ [FACET-l J..VRES-Mat DMX -2.266
SMN -29.751 SKX -7059 _
D o D D D 1!:2!!1
IE'!!]
_
29.751 810.798 1592 2373 315q 3935
n16 5q97
6278
7059
Gambar 2. Oistribusi tegangan total pada tangki dan nose I ANSYS 5.4 APR 9 2006
12: 23: 12 NODAL SOLUTION
STEP-! SUB -1 TIME-! USUH R5Y5-Q
(A.VG)
PoverGre.phice EFACET-! AVRES-I'!at. DHX -2.266 5HX -2.266
_
0
C:J
.25175 .503501 .755251 1.007
c::J
1.511
_
2.014 2.266
ER!J
c:J ~ CJ c::J
1.259 1.762
Gambar 3. Oistribusi pergeseran total pad a tangki dan nosel
126
2
Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
Gambar
2 menunjukkan
Rekayasa
Perangkat
ISSN 1693-3346
Nuklir
distribusi tegangan pada nosel dan tangki bagian atas
ditampilkan dalam posisi utuh. Selain distribusi tegangan dapat diamati besarnya distribusi pergeseran (displacement) Berdasarkan
total seperti disajikan dalam Gambar 3.
pola distribusi tegangan dan pergeseran tersebut dapat diamati posisi
titik (node) dan harga tegangan serta pergeseran maksimum yang terjadi pada nosel dan tangki. Pola distribusi tegangan pada Gambar 2 menunjukkan
harga tegangan pada daerah
tangki cukup rendah berkisar antara 30 sampai 800 Kg/mm2
atau sekitar 3-80 MPa,
sedangkan pada daerah nosel tegangan yang terjadi berkisar antara lOOO sampai dengan 7000 Kg/mm2 atau sekitar 100 - 700 MPa. Tegangan maksimum sekitar 706 MPa terjadi pada sambungan tangki dan nosel dan beberapa titik pada ujung nosel merupakan titik kritis dari desain. Dari hasil perhitungan sebesar
17 MPa dengan
diperoleh
hasil tegangan
berdasarkan
perumusan tegangan akibat tekanan dinding
rum us umum untuk tegangan rata-rata
sebesar 340 MPa.
keliling Validasi
secara konvensional dengan menggunakan
rumusan dasar tegangan pada tangki dengan perhitungan menggunakn standar ASME VIII bisa memberikan evaluasi batas kekuatan desain dengan memberikan
faktor rasio tegangan
maupun pengaruh momen. Dalam penelitian ini belum dilakukan validasi terhadap hasil perhitungan dari standar ASME. Untuk desain secara konvensional tegangan
elastis
perhitungan
batas tegangan
bahan yang untuk baja ini berada
ijin bisa digunakan dibawah
di sekitar
400 MPa. Dari hasil
dengan ANSYS diperoleh tegangan maksimum diatas batas kekuatan bahan
meskipun masih berada dibawah tegangan maksimum yang diijinkan bahan sekitar 750 MPa. Secara konvensional
tegangan masih dibawah tegangan ijin desain. Dari hasil ini
diketahui bahwa desain masih aman terhadap tegangan nosel tetapi pada titik tertentu pada tegangan lokal maksimum perlu mendapat perhatian karena sudah mendekati batas aman desain. Berdasar data dari pola distribusi pergeseran pad a Gambar 3, besarnya pergeseran maksimum sekitar 2,3 mm terjadi pada daerah ujung nosel yang juga merupakan
daerah
tegangan tinggi. Titik dengan tegangan dan regangan tinggi akan merupakan titik kritis untuk kerusakan
fatik atau creep j ika dioperasikan
pembangkit
ini suhu operasi
uap
maksimum
terjadinya kerusakan creep. 127
pada suhu tinggi.
350°C
belum
Pada operasi
memberikan
pengaruh
Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
Dengan modeling dicapai
untuk perhitungan
efektif dengan
Perangkat
ISSN 1693-3346
Nuklir
ini dapat dievaluasi batas tegangan dan regangan kritis yang
dan dapat didesain
Modeling
Rekayasa
menghasilkan
ulang jika melebihi
persyaratan
tegangan akan membantu perhitungan
desain yang ditentukan.
dan menjadi alat evaluasi yang
yang lebih teliti karena tidak menganggap
tegangan
merata
keseluruh
bagian komponen.
perhatian
dalam
modeling
ini adalah
Masalah
ketelitian
hasil.
utama yang perlu mendapat Ketelitian
hasil akan sangat
dipengaruhi oleh langkah dalam mengambil model, asumsi data dan ketelitian modeling. Verifikasi
hasil perhitungan
dalam modeling
ini belum dilakukan
dengan teliti baik
dibandingkan dengan hasil perhitungan program ataupun hasil eksperimen. Pengembangan
perhitungan
nosel untuk memperoleh
dapat dilakukan
hasil perhitungan
untuk berbagai
model dan ukuran
yang teliti. Dengan mengubah data dan input
file akan dengan mudah diketahui hasil tegangan maksimum dan daerah kritis yang terjadi. Penggambaran mempermudah pengembangan
geometri menggunakan pembuatan
gambar
program AUTOCAD
sebagai
masukan
atau SOLID WORK untuk
program
perlu dilakukan
untuk
komputasi.
KESIMPULAN Distribusi tegangan dihitung menggunakan
dalam nosel pada tangki pembangkit
uap suatu PLTN dapat
metoda elemen hingga. Bagian kritis dengan tegangan maksimum
sebesar 706 MPa terjadi pada sambungan
antara pipa
dan nosel dengan pergeseran
maksimum 2,36 mm masih berada dalam batas aman tegangan maksimum bahan. elemen hingga menggunakan
program ANSYS dapat memberikan
simulasi untuk analisis
dan desain nose I dengan baik dengan mengubah data berupa input file.
128
Metode
Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Serpong, 20 Nopember 2007
UCAP AN TERIMA
Rekayasa
Perangkat
Nuklir
ISSN 1693-3346
KASIH
Diucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Sunardi Dipl. Ing. staf Bidang Bahan Industri Nuklir PTBIN-BA TAN yang ban yak membantu dalam simulasi dan pemodelan.
DAFT AR PUST AKA 1. Anonim, "ANSYS
Structural Analysis Guide," ANSYS, Inc., 1994.
2. SAEED MOA YENI, " Finite Element Analysis",
Prentice Hall, New Jersey, 1999,
USA 3. Anonim,
AP600
Plant Design
Criteria,
GW-GI-OOI
RevA-Westinghouse
Energy
Center, 1994. 4. EUGENE CAMP, "Three-dimensional
Finite Element and Three-dimensional
Photo
elastic Experiment Stress Analysis of PWR Steam Generator", Structural Mechanics in Reactor Technology", 5. SHACKELFORD,
Atomic Energy Society of Japan, 1991. J.
F,
WILLIAM
ALEXANDER,
"Materials
Engineering Hand Book," CRC Press, Inc., 1994. 6. FRANK STASSA, "Applied Finite Element Analysis for Engineers", CBS Collage Publishing.
129
Science
and
