TUGAS AKHIR – MN 091382 ANALISA PENGARUH VARIASI TANGGEM PADA PENGELASAN PIPA CARBON STEEL DENGAN METODE PENGELASAN SMAW DAN FCAW TERHADAP DEFORMASI DAN TEGANGAN SISA MENGGUNAKAN ANALISA PEMODELAN ANSYS Oleh: Mahfud - 4105 100 019 Dosen Pembimbing: Ir. Soeweify, M.Eng.
Jurusan Teknik Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Latar Belakang Pengelasan banyak digunakan pada dunia industri maritim, meliputi: bidang struktur bangunan laut (offshore structures), baik struktur terpancang (fixed structure) maupun struktur terapung (floating structure) dan struktur pipa (pipeline structures) dalam setiap tahap pengerjaannya selalu terdapat proses pengelasan. Salah satu jenis pengelasan yang dipakai adalah pengelasan antar pipa.
Proses pengelasan menyebabkan pemanasan tinggi yang tidak merata pada bagian-bagian yang akan disambung, dimana area dari benda kerja yang dilas mengalami pemanasan hingga mencapai suhu lebur kemudian mengalami penurunan suhu secara bertahap. Pemanasan lokal dan laju pendinginan bertahap menyebabkan perubahan volumetric yang akhirnya menghasilkan penyebaran panas, deformasi dan tegangan sisa. Salah satu cara untuk meminimalisasi deformasi dan tegangan sisa yang terjadi adalah dengan pemasangan tanggem
Perumusan Masalah 1. Bagaimana deformasi yang terbentuk akibat pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem? 2. Bagaimana tegangan sisa yang terjadi setelah pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem? 3. Bagaimana variasi pemasangan tanggem yang efektif pada sambungan pipa yang menghasilkan deformasi terkecil?
Batasan Masalah 1. Material pipa: SA 106 grade B schedule 40 diameter 12 inches panjang 150 mm tebal 10 mm. 2. Material tanggem: plat carbon steel ukuran 200 x 75 x 12 mm 3. Proses Pengelasan: kombinasi SMAW dan FCAW. 4. Elektroda: E7016 untuk pengelasaan SMAW dan E71T-1 untuk pengelasan FCAW. 5. Variasi tanggem: pengelasan pipa tanpa tanggem, pengelasan pipa dengan 2 tanggem yang dipasang 1800 antara satu sama lain, dan pengelasan pipa dengan 4 tanggem yang dipasang 900 antara satu sama lain.
6. Bentuk sambungan tumpul (Butt-Joint) dengan alur pengelasan searah. 7. Prosedur pengelasan berdasarkan WPS dari pihak galangan. 8. Analisa pemodelan menggunakan bantuan software ANSYS dan analisa yang digunakan yaitu: analisa thermal berupa perubahan temperatur terhadap waktu dan analisa struktur berupa deformasi dan tegangan sisa. 9. Validasi: hasil pengujian perubahan temperatur terhadap waktu (menggunakan thermocouple infrared), dan deformasi (menggunakan dial gauge) yang didapat dari pengelasan pipa.
Tujuan 1. Mengetahui deformasi yang terbentuk akibat pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem. 2. Mengetahui tegangan sisa yang terjadi setelah pengelasan pada sambungan pipa dengan mevariasikan pemasangan tanggem. 3. Mengetahui variasi pemasangan tanggem yang efektif, yang memenuhi kriteria deformasi dan tegangan sisa yang diizinkan.
Manfaat Mengetahui seberapa besar pengaruh jumlah variasi tanggem terhadap deformasi dan tegangan sisa pada pengelasan pipa sehingga dapat ditentukan pengelasan terbaik yang menghasilakan deformasi dan tegangan sisa yang terkecil
Dasar Teori Tegangan Sisa Pada saat proses pengelasan, bagian material yang di las menerima panas pengelasan setempat dan selama proses berjalan suhunya berubah terus sehingga suhu tidak merata. Karena panas tersebut, maka pada bagian yang dilas terjadi pengembangan termal. Sedangkan bagian yang dingin tidak berubah sehingga terbentuk penghalang pengembangan yang mengakibatkan terjadinya peregangan. Di samping terjadi perubahan bentuk yang dengan sendirinya terjadi regangan, maka terjadi juga tegangan yang sifatnya tetap yang disebut tegangan sisa.
Pembentukan tegangan sisa (Wiryosumarto, 1996)
Distribusi Tegangan Sisa Distribusi tegangan sisa tergantung dari jenis dan bentuk lasan. Dalam sambungan las bentuk lingkaran, distribusi dalam arah sudut selalu simetris terhadap satu garis yang melalui pusat lingkaran dan sifat teganganya baik pada arah sudut ataupun radial selalu tarik.
Distribusi tegangan sisa pada las melingkar pada pipa (Wiryosumarto, 1996)
Deformasi Deformasi merupakan perubahan pada material baik perubahan dimensi maupun struktur karena mendapat beban dari luar Faktor yang mempengaruhi terbentuknya deformasi las, yaitu: kelompok pertama yang sangat erat hubungannya dengan masukan panas pengelasan dan kelompok kedua yang disebabkan oleh adanya penahan atau penghalang pada sambungan las.
Metode Elemen Hingga Konsep dasar metode elemen hingga adalah diskritisasi yaitu pembagian suatu material menjadi elemen-elemen kecil sehingga lebih memudahkan dalam melakukan perhitungan. Pembagian material menjadi elemen-elemen kecil dilakukan dengan bantuan software ANSYS.
Metodologi
Flowchart Penelitian Tugas Akhir
Pengujian
Pengujian yang dilakukan pada penelitian tugas akhir ini terdiri dari 4 (empat) tahapan, yaitu: 1. Tahap persiapan. 2. Tahap pengukuran kondisi awal sebelum pengelasan. 3. Tahap pengelasan dan pengukuran temperatur suhu pengelasan. 4. Tahap pengukuran deformasi setelah pengelasan. Analisa Pemodelan ANSYS 1. Penentuan material properties 2. Penentuan heat flux 3. Pemodelan (Thermal & Struktural). 4. Validasi hasil 5. Pemodelan untuk setiap variasi posisi tanggem.
ANALISA DAN PEMBAHASAN Spesifikasi Material Dan Variasi Tanggem • • • •
Diameter pipa = 304.8 mm Panjang pipa (LOA) = 300 mm Tebal pipa = 10.3 mm Variasi Tanggem: Pengelasan pipa tanpa tanggem Pengelasan pipa dengan2 tanggem dipasang 1800 antara satu sama lain Pengelasan pipa dengan 4 tanggem dipasang 900 antara satu sama lain
Sambungan Pipa
Variasi pemasangan tanggem
Parameter Pengelasan • SMAW
Tipe elektroda Diameter elektroda Besar arus listrik Kecepatan rata-rata Tegangan listrik Waktu pendinginan • FCAW Tipe elektroda Diameter elektroda Besar arus listrik Kecepatan rata-rata Tegangan listrik Waktu pendinginan
= E 7016 = 3.2 mm = 100 Ampere = 60 - 150 mm/s = 20 - 30 Volt = + 1 jam = E 71T - 1 = 1.2 mm = 150 Ampere = 100 - 550 mm/s = 18 - 35 Volt = +1 jam
Hasil Pengujian a. Distribusi panas pada satu titik pengamatan:
Pengelasan pipa tanpa tanggem
Pengelasan pipa 2 tanggem
Pengelasan pipa 4 tanggem
b. Nilai Deformasi:
Deformasi pengelasan pipa 12 inches tanpa tanggem
Deformasi pengelasan pipa 12 inches dengan 2 tanggem
Deformasi pengelasan pipa 12 inches 4 tanggem
Analisa
Pemodelan ANSYS
Flowchart analisa thermal
Flowchart analisa struktur
Model dan meshing pipa dengan variasi pemasangan tanggem
Hasil Analisa ANSYS a. Analisa Thermal
Pengelasan pipa tanpa tanggem
Pengelasan pipa 2 tanggem
Pengelasan pipa 4 tanggem
b. Analisa Struktur
Deformasi pipa 12 inches tanpa tanggem
Deformasi pipa 12 inches dengan 2 tanggem
Deformasi pipa 12 inches dengan 4 tanggem
Validasi a. Validasi Distribusi Panas
Pengelasan pipa tanpa tanggem
Pengelasan pipa 2 tanggem
Pengelasan pipa 4 tanggem
b. Validasi Deformasi VALIDASI DEFORMASI
VALIDASI DEFORMASI 0,2
0,2 0,15 0,1
Pengujian ANSYS
0,05
Besar Deformasi (mm)
Besar Deformasi (mm)
0,25
0,15 0,1 0,05
-100
-50
ANSYS
0
0 -150
Pengujian
0
50
100
150
-150
-100
Jarak dari Kampuh Las (mm)
-50
0
50
100
150
Jarak Dari Kampuh Las (mm)
Pengelasan pipa tanpa tanggem
Pengelasan pipa 2 tanggem
VALIDASI DEFORMASI Besar Deformasi (mm)
0,1 0,08 0,06 0,04
Pengujian ANSYS
0,02 0
-150
-100
-50
0
50
100
150
Jarak Dari Kampuh Las (mm)
Pengelasan pipa 4 tanggem
Hasil Analisa Pemodelan ANSYS MasingMasing Variasi Rekap Nilai Deformasi
Rekap Nilai Tegangan Sisa
PENUTUP Kesimpulan 1. Dari hasil validasi distribusi panas dan deformasi antara pemodelan ANSYS dengan pengujian terlihat memiliki kecenderungan bentuk yang sama. Hal ini bisa dikatakan bahwa analisa pemodelan ANSYS telah valid 2. Semakin banyak tanggem yang digunakan maka deformasi yang terjadi semakin kecil dan tegangan sisa yang terjadi lebih merata tersebar pada daerah-daerah yang terpasang tanggem.
4.Dari hasil analisa dan pembahasan dapat diketahui bahwa pada variasi pengelasan pipa diameter 10 inches dengan 4 tanggem hasilnya masih belum memenuhi karena tegangan sisa maksimum yang terjadi pada carbon steel melebihi yield strengthnya, dimana σmax = 270 MPa > σyield = 240 MPa. 5.Pemilihan posisi pemasangan tanggem terbaik dipilih berdasarkan tegangan sisa yang terjadi adalah yang paling kecil Berdasarkan hasil analisa dipilih variasi pengelasan pipa dengan 2 tanggem sebagai yang terbaik. Walaupun deformasi yang terjadi pada variasi ini sedikit lebih besar jika dibandingkan dengan variasi pengelasan pipa dengan 4 tanggem.
Saran 1. Material pipa yang digunakan pada penelitian ini sebelum dilakukan pengelasan mengalami proses pengerjaan, salah satunya adalah proses cutting yang menggunakan Oxy Acetylene Cutting, hal ini tentunya menghasilkan deformasi akibat panas yang ditimbulkan. Oleh karena itu mendapatkan hasil lebih sempurna disarankan untuk menambahkan bentuk deformasi yang sudah terjadi sebelum pengelasan pada model ANSYS. 2. Selain variasi tanggem, dilakukan juga analisa pemodelan ANSYS dengan variasi welding squence.
ATAS PERHATIANNYA TERIMA KASIH
Elemen Solid 70 • Elemen thermal 3D 8 node mampu menghantarkan panas. • Memiliki 8 node dengan satu derajat kebebasan temperatur pada setiap node. • Elemen solid 70 cocok digunakan untuk analisa temperatur • Dapat diaplikasikan untuk steady state dan transient thermal analisis. • Spesifikasi elemen solid 70 • Node : I, J, K, L, M, N, O, P Degrees of freedom: temperature Tipe pembebanan : Surface load = konveksi atau heat flux, dan radiasi. Body load = heat generation Fitur special : birth and death
Nilai Deformasi Pipa 12 inches Tanpa Tanggem
(a)
(b)
(c)
(a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.180 mm dan -0.155 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.169 mm dan -0.189 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.111 mm dan -0.109 mm.
Nilai Deformasi Pipa 12 inches Dengan 2 Tanggem
(a)
(b)
(c)
(a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.165 mm dan -0.147 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.056 mm dan -0.051 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.084 mm dan -0.084 mm.
Nilai Deformasi Pipa 12 inches Dengan 4 Tanggem
(a)
(b)
(c)
(a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.0984 mm dan -0.0780 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.1 mm dan -0.1 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.0680 mm dan -0.0676 mm.
Nilai Deformasi Pipa 10 inches Tanpa Tanggem
(a)
(b)
(c)
(a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.187 mm dan -0.130 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.162 mm dan -0.152 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.0938 mm dan -0.0939 mm.
Nilai Deformasi Pipa 10 inches Dengan 2 Tanggem
(a)
(b)
(c)
(a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.151 mm dan -0.195 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.0710 mm dan -0.0744 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.0783 mm dan -0.0783 mm.
Nilai Deformasi Pipa 10 inches Dengan 4 Tanggem
(a)
(b)
(c)
(a) Deformasi maksimum ke arah sumbu X sebesar +0.136 mm dan -0.121 mm. (b) Deformasi maksimum ke arah sumbu Y sebesar +0.129 mm dan -0.138 mm. (c) Deformasi maksimum ke arah sumbu Z sebesar +0.0959 mm dan -0.0959 mm.
Nilai Tegangan Sisa Pipa 12 inches
(a)
(b)
(c)
(a) Tegangan sisa maksimum sebesar 186 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.372669 MPa. (b) Tegangan sisa maksimum sebesar 79.9 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.039383 MPa. (c) Tegangan sisa maksimum sebesar 161 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.049158 MPa.
Nilai Tegangan Sisa Pipa 10 inches
(a)
(b)
(c)
(a) Tegangan sisa maksimum sebesar 172 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.377377MPa. (b) Tegangan sisa maksimum sebesar 74.9 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.091978MPa. (c) Tegangan sisa maksimum sebesar 270 MPa dan untuk tegangan sisa minimum sebesar 0.091652 MPa.
