Tugas Akhir
PENENTUAN WELDING SEQUENCE TERBAIK PADA PENGELASAN SAMBUNGAN-T PADA SISTEM PERPIPAAN KAPAL DENGAN MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA Disusun oleh : Awang Dwi Andika 4105 100 036 Dosen Pembimbing : Totok Yulianto ST, MT JURUSAN TEKNIK PERKAPALAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Latar Belakang
Penggunaan sambungan sambungan las pada pipa banyak digunakan pada bidang perkapalan dan bangunan offshore.
Aplikasi “pengelasan pipa sambungan-T” sangat banyak ditemukan pada sistem perpipaan kapal.
Distribusi panas yang tidak merata, menyebabkan timbulnya deformasi dan Tegangan Sisa.
Deformasi dan tegangan sisa yang terjadi mempengaruhi sifat dan kekuatan dari sambungan las.
Usaha untuk mengatur dan meminimalisasi deformasi dan tegangan sisa harus mendapatkan perhatian utama.
Salah satu cara untuk meminimalisasi deformasi dan tegangan sisa adalah menentukan welding sequence yang tepat.
Perumusan Masalah
Bagaimana distribusi panas yang terjadi pada pengelasan sambungan-T pada sistem perpipaan ?
Bagaimana bentuk deformasi yang terjadi akibat distribusi panas yang tidak merata pada sambungan pipa tersebut?
Berapa besar tegangan sisa yang ada setelah pipa mengalami pengelasan?
Bagaimana meminimalisir terjadinya tegangan sisa dan deformasi pada sambungan-T pada sistem perpipaan?
Tujuan
Mengetahui distribusi panas pada pengelasan sambungan-T pada pipa.
Mengetahui bentuk deformasi yang terjadi akibat distribusi panas yang tidak merata pada pengelasan sambungan-T pada pipa.
Mengetahui besar tegangan sisa yang ada di daerah pengelasan sambungan-T pada pipa.
Mengetahui welding sequence/urutan pengelasan yang paling baik untuk meminimalisir deformasi dan tegangan sisa pada pengelasan samabungan-T pada pipa.
Batasan Masalah
Bentuk sambungan adalah T-joint, jadi yang menjadi pembahasan disini adalah pengelasan melingkar / keliling pipa.
Proses pengelasan yang digunakan SMAW (Shielding Metal Arc Welding)
Spesifikasi Material yang digunakan adalah Carbon Steel Pipe A 106 Grade B
Prosedur pengelasan berdasarkan WPS dari pihak galangan.
Validasi yang digunakan adalah distribusi thermal (menggunakan thermocouple), dan deformasi (menggunakan dial gauge) yang didapat dari pengelasan pipa sambungan-T
Manfaat
Adanya pemahaman terhadap pengaruh panas yang ditimbulkan akibat penjalaran pembebanan panas (pengelasan) yang dilakukan.
Mengetahui hubungan antara distribusi panas, deformasi yang terbentuk dan tegangan sisa akibat pengelasan.
Memperoleh welding sequence yang terbaik untuk meminimalisir deformasi dan tegangan sisa yang terjadi sehingga diperoleh hasil pengelasan yang paling baik.
TINJAUAN PUSTAKA Thermal Las
Proses pengelasan dilakukan dengan cara melakukan pemanasan setempat atau lokal.
Distribusi temperatur yang terjadi pada saat proses pemanasan maupun pendinginan tidak merata pada seluruh material.
Ketidakmerataan distribusi temperatur inilah yang menjadi penyebab timbulnya deformasi dan tegangan pada struktur las.
Untuk menyelesaikan berbagai persoalan dari deformasi tegangan sisa hasil pengelasan harus diketahui dahulu bagaimana distribusi dari temperatur yang dihasilkan terhadap material las.
Distribusi Panas Distribusi panas dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu :
Sifat konduktifitas ( sifat mampu menghantar panas ) dari material kerja.
Besarnya massa dari logam yang berada di sekeliling daerah las.
Alur yang tersedia untuk proses konduksi panas.
Teknik pengelasan yang dilakukan
Deformasi
Deformasi disebabkan karena adanya proses pemuaian dan penyusutan yang tidak seragam/sama dari weld metal dan bagian base metal yang terkena pengaruh panas selama siklus pemanasan dan pendinginan dari proses pengelasan
Pengerjaan pengelasan pada satu sisi (one side welding) akan menyebabkan semakin besar deformasi yang terjadi dibandingkan dengan pengerjaan pengelasan dua sisi (two side welding)
Beberapa perubahan bentuk / deformasi, antara lain : Penyusutan melintang tegak lurus terhadap arah pengelasan Penyusutan memanjang sejajar arah pengelasan
Tegangan Sisa
Pada proses pengelasan, bagian yang dilas mengalami pengembangan termal sedangkan bagian yang dingin tidak berubah sehingga terbentuk semacam penghalang pengembangan yang menyebabkan regangan.
Regangan yang sifatnya tetap akan menyebabkan timbulnya tegangan pada material. Tegangan inilah yang disebut tegangan sisa (residual stress)
Tegangan sisa dapat mempengaruhi tegangan patah getas dan kekuatan tekuk struktur las
Welding Sequence
Salah satu cara untuk meminimalisir deformasi dan tegangan sisa adalah menentukan welding sequence yang tepat
Ada 3 macam welding sequence yang biasa digunakan pada pengelasan sambungan-T pipa, antara lain : Welding Sequence Menerus Welding Sequence Simetri Welding Sequence Loncat
Skets Welding Sequence Variasi I
Variasi II
Variasi III
Metode Elemen Hingga
Konsep dasar metode elemen hingga adalah diskritisasi yaitu pembagian suatu material menjadi elemen-elemen kecil (meshing) sehingga lebih memudahkan dalam melakukan perhitungan.
Pembagian material menjadi elemen-elemen kecil dilakukan dengan bantuan software ANSYS.
Flowchart Metodologi
Mulai
Studi Literatur Material Properties
PENGUJIAN
PEMODELAN
Pengelasan Material Spesimen
Analisa Thermal (transient) Analisa Struktural (statis)
Uji Hasil Pengelasan -Distribusi Thermal -Deformasi
Data Hasil Pengujian
Data Hasil Pemodelan
Evaluasi dan Validasi Data Valid Pemodelan dengan Variasi Welding Sequence Analisa Hasil dan Pembahasan Penulisan Laporan Selesai
Invalid
METODOLOGI 1.
Pengujian :
2.
Tahap persiapan Tahap pengelasan Tahap pengukuran Perubahan suhu, dan deformasi.
Simulasi dengan Ansys 11.0
Penentuan Material Properties Penentuan Heat Flux Pemodelan (Thermal & Struktural). Validasi Hasil Pemodelan Untuk Setiap Variasi Welding Sequence.
Spesifikasi Material
Pipa Utama ◦ ASTM A106 Grade B ◦ Out Side Diameter = 170 mm ◦ Wall Thickness = 10 mm ◦ Length of Pipe Speciment = 400 mm
Pipa Cabang ◦ ASTM A106 Grade B ◦ Out Side Diameter = 90 mm ◦ Wall Thickness = 8 mm ◦ Length of Pipe Speciment = 300 mm
Parameter Pengelasan Besar arus listrik Kecepatan rata2 Tegangan listrik Jumlah Layer Proses Pengelasan Waktu Pendinginan Diameter Elektrode
= = = = = = =
110 Ampere 2.00 mm/s 20 – 25 Volt 3 Layer SMAW + 1.5 jam 3.2 mm
Tahapan Pengujian
Pemodelan Thermal
Pemodelan Struktural
Pemodelan
Modelling
Meshing
Distribusi Panas Pemodelan Thermal
Perubahan Temperatur (Pengujian) Validasi Suhu 160 140
Suhu (K)
120 100 80 60 40 20 0 0
1000
2000
3000 Waktu (detik)
Suhu pengelasan
4000
5000
6000
Validasi Thermal
Validasi Struktural Deformasi Axial pada Pipa Utama
Deformasi Axial pada Pipa Cabang
HASIL ANALISA VARIASI 1 (Welding Sequence Menerus)
Finish (4)
(3)
Start (1)
Arah Pengelasan
(2)
Deformasi maksimal : 0.112 mm
Deformasi maksimal : 0.125 mm
HASIL SOLVE STRUKTURAL ANSYS (Variasi 1-Welding Sequence Menerus)
AXIAL STRESS
CIRCUMFERENTIAL STRESS VON MISES STRESS
HASIL ANALISA VARIASI 2 (Welding Sequence Simetri)
(3)
Start 2
Start 1
(1)
Arah Pengelasan
(4)
(2)
Finish 2 Finish 1
Deformasi maksimal : 0.102 mm
Deformasi maksimal : 0.120 mm
HASIL SOLVE STRUKTURAL ANSYS (Variasi 2-Welding Sequence Simetri)
AXIAL STRESS
CIRCUMFERENTIAL STRESS VON MISES STRESS
HASIL ANALISA VARIASI 3 (Welding Sequence Loncat)
(4)
Finish 4 Start 1
(1) Arah Pengelasan
Start 4
Finish 1
Finish 2
Start 3
(2)
(3) Start 2 Finish 3
Deformasi maksimal : 0.097 mm
Deformasi maksimal : 0.117 mm
HASIL SOLVE STRUKTURAL ANSYS (Variasi 3-Welding Sequence Loncat)
AXIAL STRESS
CIRCUMFERENTIAL STRESS VON MISES STRESS
PERBANDINGAN HASIL ANALISA Axial Stress pada Pipa Utama
Axial Stress pada Pipa Cabang
150
100
100
50 0
0 0
50
100
150
-50
Variasi I
-100
Variasi II
-150
Variasi III
Tegangan (MPa)
Tegangan (MPa)
50
-50
0
50
100
150
200
250
300
-100 -150
Variasi I
-200
Variasi II Variasi III
-250
-200
-300
-250
-350
Jarak dari weld toe (mm)
Jarak dari weld toe (mm)
AXIAL STRESS
PERBANDINGAN HASIL ANALISA Hoopvs Stress pada Pipa Cabang
Hoop Stress pada Pipa Utama
0
0 0
50
100
150
200
250
300
0
-200
Variasi I
-300
Variasi II -400
Variasi III
-500
Tegangan (MPa)
Tegangan (MPa)
50
100
150
-50
-100
-100 -150
Variasi I Variasi II
-200
Variasi III
-250 -300
-600
-350
Jarak dari weld toe (mm)
Jarak dari weld toe (mm)
CIRCUMFERENTIAL STRESS
PERBANDINGAN HASIL ANALISA Von Mises pada Pipa Utama
Von Mishes pada Pipa Cabang 500
400
450
350
400
300
300 250
Variasi I
200
Variasi II
150
Variasi III
100
Tegangan (MPa)
Tegangan (MPa)
350
250 200
Variasi I
150
Variasi II Variasi III
100 50
50 0
0 0
50
100
150
200
250
300
0
Jarak dari weld toe (mm)
VON MISES STRESS
50
100
150
Jarak dari weld toe (mm)
PERBANDINGAN HASIL ANALISA No
Hasil Analisa
1 2 3 4
Deformasi Axial Max Tegangan Axial Max Tegangan Circumferential Max Tegangan Von Mises Max
No
Hasil Analisa
1 2 3 4
Deformasi Axial Max Tegangan Axial Max Tegangan Circumferential Max Tegangan Von Mises Max
Pada Pipa Utama Variasi I Variasi II Variasi III 0.112 mm 0.102 mm 0.097 mm -125 Mpa -115 Mpa -106 Mpa -145 Mpa -128 Mpa -110 Mpa 132 Mpa 108 Mpa 78 Mpa
Pada Pipa Cabang Variasi I Variasi II Variasi III 0.125 mm 0.12 mm 0.117 mm -140 Mpa -120 Mpa -112Mpa -162 MPa -130 Mpa -120 Mpa 144 Mpa 118 Mpa 86 Mpa
KESIMPULAN
Tegangan sisa total yang ditunjukkan pada grafik tegangan Von Mishes terbesar berada pada variasi 1 sebesar 132 Mpa pada pipa utama dan 144 Mpa pada pipa cabang, sedangkan tegangan terkecil berada pada variasi 3 yaitu sebesar 78 MPa pada pipa utama dan 86 Mpa pada pipa cabang.
Besarnya deformasi terbesar berada pada variasi 1 sebesar 0.112 mm pada pipa utama dan 0.125 mm pada pipa cabang, sedangkan deformasi terkecil berada pada variasi 3 sebesar 0.097 mm pada pipa utama dan 0.117 mm pada pipa cabang.
Dilihat dari besar tegangan sisa total dan deformasi, dapat disimpulkan bahwa variasi 3 adalah yang paling baik karena memiliki tegangan sisa dan deformasi yang paling minimum
Dari hasil analisa yang dilakukan pada tugas akhir ini, dapat disimpulkan bahwa welding sequence terbaik pada pengelasan pipa sambungan-T adalah welding sequence loncat.
TERIMA KASIH ATAS PERHATIANNYA
