Dosen: Ir. Abdul Wahid, MT.
Kriteria Desain Vessel Mata Kuliah: Perancangan Alat dan Proses
2 Program Studi Teknologi Bioproses Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik – Universitas Indonesia Depok 2014
Bentuk Bejana
Analisis Tegangan (Stress Analysis) • ANALISIS TEGANGAN adalah penentuan hubungan antara gaya eksternal yang diterapkan pada bejana dan tegangannya • Seorang perancang harus benar-benar memperhatikan: – Jenis beban, dan – Bagaimana beban itu berhubungan dengan bejana secara keseluruhan • Apakah efeknya lama atau singkat? • Lokal atau menyeluruh?
3 Faktor Penting • Bagaimana tegangan-tegangan ini dipahami dan digabungkan: – Apakah berpengaruh secara signifikan terhadap keselamatan bejana – Berapakah tegangan maksimum yang diijinkan Ditentukan oleh: 1. Teori kekuatan/kegagalan yang digunakan 2. Jenis dan kategori beban 3. Tegangan yang ada pada bejana
Membrane Stress Analysis • Ketebalan dinding bejana adalah kecil sehingga dianggap sebagai “membrane” • Tegangan yang ada pada bejana juga disebut “membrane stress” • Ada tiga tegangan: 1. Tegangan longitudinal/meridional (x) 2. Tegangan circumferential/latidudinal () 3. Tegangan radial (r)
KEGAGALAN (FAILURE)
Kegagalan Kriteria desain vessel/ bejana berhubungan dengan beberapa peristiwa yang menyebabkan kegagalan pada perancangan alat khususnya vessel/ bejana.
Adapun penyebab kegagalan suatu vessel/ bejana adalah sebagai berikut:
Excessive elastic deformation Elastic instability Plastic instability Brittle rupture Creep Corrosion
1. Excessive Elastic Deformation Deformasi elastis adalah perubahan yang terjadi ketika sebuah material diberikan beban, dimana ketika beban itu dilepas, material itu akan kembali ke bentuk semula. Pada bejana, hal ini bisa disebabkan oleh beban si bejana itu sendiri, tekanan fluida masuk, gaya angin, dll
Jenis beban yang diujicobakan untuk mendesain bejana : tensile, compressive, shear, bending dan torsion
P f a
P f a
Modulus Elastisitas
Modulus elastis ini merupakan parameter yang bisa digunakan untuk melihat ketahanan material terhadap deformasi elastis.
Merupakan perbandingan antara beban dan regangan yang terjadi pada suatu material
f
E
Berikut ini beberapa nilai stress dan strain dari beberapa bahan:
Elastic Bending Pembengkokan suatu material memiliki hubungan proporsional dengan modulus elastis & momen inersia suatu material.
Dengan kata lain, besarnya gaya yang menyebabkan bengkoknya material bernilai sama/ proporsional terhadap nilai modulus elastisitas dan momen inersianya
2. Elastic Instability
Contoh : pembengkokan tabung silinder di bawah tekanan luar sebagai hasil dari operasi vakum. Merupakan fenomena yang terjadi pada struktur yang memiliki kekerasan yang lemah ketika ia dikenai perlakuan kompresi, pembengkokan, torsi atau gabungan kondisi pembebanan. Bentuk dari material pada fenomena ini menjadi berubah dikarenakan kekakuan material yang tidak mencukupi
Elastic Instability
Column Instability Tipe paling sederhana dari instablitas yang terjadi pada kolom disebabkan oleh tekanan aksial dan tekanan end loaded
Persamaan untuk kolom:
3. Plastic Instability Hubungan Stress-strain Kurva yang digunakan untuk menentukan tekanan maksimum peralatan agar masih dalam batas elastisitas materialnya agar tidak terjadi perubahan bentuk yang terjadi karena melewati yield point
Biasanya tensile test dilakuan sabagai dasar menentukan tekanan yang diizinkan .
Plastic Instability Kurva Hubungan Stress-strain
Plastic Instability
Allowable Stress Ditentukan oleh beberapa faktor yaitu: • Akurasi dimana load dapat dihitung • Besar takanan dari load • Kehomogenan material • Bahaya jika terjadi kegagalan • Fatigue • Korosi
Satu alasan mengapa ultimate strength digunakan sebagai kriteria untuk nilai allowable stress kurangnya area yang alastis untuk material yang rapuh
4. Brittle Rupture Penggunaan dari bahan besi baja yang kuat tetapi memiliki kelenturan yang kurang memungkinkan yang disebabkan karena adanya kerusakan (patah).
Disebabkan tegangan yang berlebihan pada suhu biasa (ambient) atau suhu rendah (sub freezing temp). Low alloy steel (2¼ % Cr, 1 % Mo) sangat sensitif terhadap temper embrittlement. Temper embrittlement adalah hilangnya keuletan/ ductility dan notch/ material, karena post weld heat treatment atau suhu kerja yang tinggi di atas 700 °F (370°C). Jika tidak terjadi korosi maka kerusakan biasanya disebabkan oleh 2 faktor, yaitu: • kepatahan karena perubahan bentuk (ductile rupture) • kepatahan karena bahan yang rapuh (brittle rupture)
Brittle Rupture • Notch Brittleness Besi baja yang lembut biasanya memiliki keuletan yang tinggi, tetapi material seperti ini dapat patah tanpa ada tanda-tanda plastic strain karena adanya retakan atau notch. Ini yang disebut dengan notch brittlenes.
Brittle Rupture • Repeated Cycling Loading – Kerusakan yang terjadi karena fatigue yang disebabkan oleh tekanan yang terjadi berulang-ulang .
Brittle Rupture Adapun faktor lain penyebab brittle rupture
• Difusi hidrogen ke dalam besi baja pada tekanan dan temperatur yang tinggi akibat disosiasi atom hidrogen menjadi monoatomik hidrogen • Hidrogen bereaksi dengan C menjadi metan menyebabkan keretakan • Tidak bersifat permanen karena ketika alat tersebut dimatikan untuk beberapa waktu maka hidrogen akan berdifusi keluar
Creep Test
5. Creep Dilakukan untuk mempelajari creep characteristics dari sebuah material
Sebuah tensile-test dilakuan pada axial-loads yang konstan pada temperatur yang konstan dalam sebuah elektrik furnace
Laju pada saat sempel memanjang dicatat sebagai fungsi tehadap temperatur dan terhadap load
Lama waktu pengujian tergantung terhadap kondisi yang diberikan dan terhadap jenis material yang diuji, ada yang berlangsung hanya beberapa jam sampai beberapa bulan
Creep • Creep Rupture Test – Test yang digunakan hampir sama dengan creep test tetapi load yang digunakan jauh lebih besar maka menghasilkan creep rate yang lebih besar pula
Creep Test dan Creep Rupture Test
Korosi
Korosi pada alat tergantung kepada material yag digunakan
Ketika material yang digunakan dapat menghasilkan lapisan tipis sebagai hasil oksidasi yang dapat melindungi material dari proses korosi yang berkelanjutan maka alat tersebut dapat bertahan untuk waktu yang lama
Dengan pertimbangan yang matang dalam memilih material dan meningkatkan kondisi operasi maka korosi dapat dikurangi bahkan hampir ditiadakan.
Korosi • Uniform Corrosion – Tipe dari korosi ini terjadi pada larutan asam (biasanya yang mengandung oksigen), pada air dangan kandungan oksigen dan karbon dioksida yang tinggi, dan pada larutan yang memilki pelarut dari lapisan pelindung hasil korosi itu sendiri (misalnya amonium hidroksida yag dapat melarutkan lapisan hasil korosi dari copper alloy)
Korosi • Impingement Attack – Pada kondisi operasi normal daerah tertentu mungkin terekspos pada media yang bersirkulasi dan memiliki kecepatan alir yang besar, korosi yang dikarenakan oleh hal ini disebut impingement attack.
Korosi • Concentration Cell Attack – Korosi dapat terjadi karena perbedaan aerasi yang disebabkan oleh konsentrasi sel pada permukaan metal, pada kondisi operasi tertentu. – Retakan, lapisan yang tidak sempurna, dapat memerangkap liquid yang dapat menyebabkan perbedan konsentrasi dari garam, ion, atau gas pada media sirkulasi.
Korosi • Galvanic-cell Attack – Ketika metal dan alloy yang tidak sama dikontakkan pada medium dengan konduktivitas tinggi maka terjadi proses galvanik. – Dari galvanic series dapat diperkirakan kecenderungan dari metal atau alloy untuk membentuk galvanic cell dan dapat diperkirakan arah dari galvanic action
Korosi • Stress Corrosion – Sebagai hasil dari tekanan dan korosi yang terusmenerus maka suatu alat dapat menjadi rusak karena patah. – Ketika tekanan dikenakan dari luar maka patahannya sering disebut dengan stress corrosion crack
BEBAN (LOADINGS)
Kategori dan Jenis Beban • Kategori beban – Beban umum (general loads) – Beban local (local loads)
• Jenis beban – Beban tunak/statik (steady loads) – Beban tak-tunak/dinamik (non-steady loads)
Kategori Beban General Loads • Applied more or less continuously across a vessel section 1. Pressure loads-Internal or external pressure (design, operating, hydrotest and hydrostatic head of liquid). 2. Moment loads-Due to wind, seismic, erection, transportation. 3. Compressive/tensile loads-Due to dead weight, installed equipment, ladders, platforms, piping, and vessel contents. 4. Thermal loads-Hot box design of skirthead attachment
Local Loads • Due to reactions from supports, internals, attached piping, attached equipment, i.e., platforms, mixers, etc. 1. Radial load-Inward or outward. 2. Shear load-Longitudinal or circumferential. 3. Torsional load. 4. Tangential load. 5. Moment load-Longitudinal or circumferential. 6. Thermal load
Jenis Beban • 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Steady load Long-term duration, continuous. Internal/external pressure. Dead weight. Vessel contents. Loadings due to attached piping and equipment. Loadings to and from vessel supports. Thermal loads. Wind loads
• 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Non-steady load Short-term duration; variable Shop and field hydrotests. Earthquake. Erection. Transportation. Upset, emergency. Thermal loads. Start up, shut down
TEGANGAN (STRESS)
Jenis Tegangan secara Umum 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Tensile Compressive Shear Bending Bearing Axial Discontinuity Membrane Principal
10. Thermal 11. Tangential 12. Load induced 13. Strain induced 14. Circumferential 15. Longitudinal 16. Radial 17. Normal
Klasifikasi Tegangan • Primary stress – General: • Primary general membrane stress, Pm • Primary general bending stress, Pb
– Primary local stress, PL
• Secondary stress – Secondary membrane stress, Qm – Secondary bending stress, Qb
• Peak stress, F
Kategori Tegangan
DISAIN BEJANA BERTEKANAN DIDASARKAN PADA TEKANAN EKSTERNAL
Cylindrical Shells: Open-ended Cylinder
Cylindrical Shells: Long Tubes and Cylindrical Vessel
Cylindrical Shells: With Stiffening Rings
Figure 13.13
Vessel Heads
Minimum Thickness
Design of vessels using equation 13.59 is not in accordance with the ASME BPV Code, and hence can be used only for initial estimates
1. 2. 3. 4. 5.
Pressure; Dead weight of vessel and contents; Wind; Earthquake (seismic); External loads imposed by piping and attached equipment.
DESIGN OF VESSELS SUBJECT TO COMBINED LOADING
Stresses in a cylindrical shell under combined loading
Primary Stresses
Primary Stresses
Primary Stresses
Principal Stresses
Allowable Stress Intensity • The maximum intensity of stress allowed will depend on the particular theory of failure adopted in the design method (see Section 13.3.2). The maximum shearstress theory is normally used for pressure vessel design. • Using this criterion, the maximum stress intensity at any point is taken for design purposes as the numerically greatest value of the following:
Compressive Stresses and Elastic Stability • A column design must be checked toensure that the maximum value of the resultant axial stress does not exceed the critical value at which buckling will occur. • For a curved plate subjected to an axial compressive load, the critical buckling stress c is given by (see Timoshenko, 1936)
For steels at ambient temperature EY = 200,000 N/mm2 , and equation 13.71 with a factor of safety of 12 gives
Weight Loads 1. The vessel shell; 2. The vessel fittings: manways, nozzles; 3. Internal fittings: plates (plus the fluid on the plates); heating and cooling coils; 4. External fittings: ladders, platforms, piping; 5. Auxiliary equipment that is not self-supported; condensers, agitators; 6. Insulation; 7. The weight of liquid to fill the vessel. The vessel will be filled with water for the hydraulic pressure test and may fill with process liquid due to misoperation
Weight Loads
Weight Loads
Wind Loads (Tall Vessels) Where x is the distance measured from the free end and W is the load per unit length (Newtons per meter run)
Wind Loads (Tall Vessels) • The bending moment at the column base caused by a concentrated load is given by
Wind Loads (Tall Vessels): Dynamic Wind Pressure
Earthquake Loading • The movement of the earth’s surface during an earthquake produces horizontal shear forces on tall, self-supported vessels, the magnitude of which increases from the base upward. • The total shear force on the vessel will be given by
The term (ae/g) is called the seismic constant, Ce, and is a functionof thenatural period of vibration of the vessel and the severity of the earthquake
Eccentric Loads (Tall Vessels)
Contoh 13.2 • Make a preliminary estimate of the plate thickness required for the distillation column specified here: – – – – – – –
Height, between tangent lines: 50m Diameter: 2m Hemispherical head Skirt support, height: 3m 100 sieve plates, equally spaced Insulation, mineral wool: 75mm thick Material of construction, stainless steel, maximum allowable stress: 135N/mm2 at design temperature 200 oC – Operating pressure 10 bar (absolute) – Vessel to be fully radiographed (joint efficiency 1) – Process service Gasoline debutanizer.
Solusi
•
Brownell & Young, EH., “Process Equipment Design”, John Wiley & Sons Inc, New York, 1959. • Towler, G. and Sinnott, R. 2008. Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design. Elsevier • Moss, Dennis. 2004. Pressure Vessel Design Manual. Third Edition. Elsevier
