TUGAS AKHIR ANALISA TEGANGAN PADA KETEL UAP PABRIK TAHU BERDASARKAN STANDAR MEGYESY DENGAN BANTUAN
SOFTWARE CATIA
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Teknik Strata Satu Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oleh : SURATNO
NIM: D 200 000 015
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2009
HALAMAN PERSETUJUAN
Tugas Akhir ini telah diperiksa dan disetujui oleh Dosen Pembimbing I dan Dosen Pembimbing II untuk dipertahankan dihadapan Dewan Penguji Tugas Akhir Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Disusun dan disiapkan oleh : Nama
: Suratno
NIM
: D 200 000 015
JUDUL
: Analisa Tegangan Pada Ketel Uap Pabrik Tahu Berdasarkan
Standar Megyesy Dengan Bantuan
Software Catia
Pembimbing I
Pembimbing II
(Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT)
(Tri Widodo Besar Riyadi,ST,MSc)
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas Akhir dengan judul : “Analisa Tegangan Pada Ketel Uap Pabrik Tahu Berdasarkan Standar Megyesy Dengan Bantuan Software Catia” ini, telah disahkan oleh dewan penguji sebagai sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana S-1 Teknik Mesin di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta yang disusun oleh : Nama
: Suratno
NIM/NIRM
: D 200 000 015
Telah disahkan, pada
:
Hari
: ……………………….
Tanggal
: ………………………. Tim Penguji:
Penguji I : Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT.
(
)
Penguji II : Tri Widodo Besar Riyadi,ST, MSc.
(
)
Penguji III : Ir. Sartono Putro, MT.
(
)
Mengetahui, Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Ketua Jurusan Teknik Mesin
(Ir.H. Sri Widodo, MT.)
(Marwan Effendy,ST, MT.)
MOTTO
¾ “ Yaa Allah, lapangkanlah dadaku, dan mudahkanlah bagiku urusanku dan lepaskanlah kekakuan lidahku, supaya mereka mengerti perkataanku “ (Q.S. Thoha : 25-28 ) ¾ Hidup itu seperti roda yang berputar, kadang diatas dan kadang dibawah. Lupakanlah semua kegagalan masa lalumu, buka lembaran baru untuk kehidupan kamu yang baru. ¾ Lakukan apa yang bisa kamu lakukan hari ini, jangan pernah menunda pekerjaanmu karena itu akan menjadi sebuah beban yang berat bagimu.
HALAMAN PERSEMBAHAN
Tulisan ini kepersembahkan untuk : Kedua orang tuaku tercinta yang telah memberikan segenap kasih sayang dan do’a yang tiada henti-hentinya serta pengorbanan yang tulus dalam setiap langkahku. Bapak dan Ibu hanya ini yang dapat aku persembahkan dan masih banyak lagi yang belum bisa aku lakukan untuk membahagiakan bapak dan ibu, aku mohon maaf. Adikku tercinta dan keluarga besarku yag telah memberi semangat yang begitu besar bagiku. Titik Nur Khazanah yang telah banyak membantuku baik secara moril maupun materiil. Almamaterku Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji bagi Tuhan seru sekalian alam, Allah SWT, atas segala rahmat, taufiq dan hidayah-Nya. Shalawat serta salam semoga selalu dilimpahkan kepada nabi Muhammad SAW, yang telah menyampaikan risalah sucinya kepada seluruh umat manusia di muka bumi dan membawa mereka yang tersesat ke jalan yang diberkati oleh Allah SWT. Tugas Akhir ini berjudul “Analisa Tegangan Pada Ketel Uap Pabrik Tahu Berdasarkan Standar Megyesy Dengan Bantuan Software Catia” disusun untuk memenuhi sebagian dan syarat-syarat guna memperoleh gelar sarjana teknik pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik. Dengan adanya bimbingan, petunjuk, bantuan dan dorongan baik material dan spiritual, maka skripsi ini dapat penulis selesaikan. Sehubungan dengan hal tersebut, penyusun mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada : 1. Bapak Ir.H. Sri Widodo, MT selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Marwan Effendy,ST, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT sebagai Pembimbing I, atas bantuannya
dengan
memberikan
kemudahan
bimbingan
dan
keramahannya dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Sungguh semua perkataan bijak bapak sangat berarti besar dan tidak akan terlupakan oleh penulis.
4. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi,ST, MSc sebagai Pembimbing II, atas bimbingan, masukan, arahan dan dorongan semangat yang begitu besar kepada penulis sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan. Jasa-jasa bapak tidak akan terlupakan oleh penulis karena atas nasehat bapak penulis juga dapat mengetahui apa sebenarnya arti hidup ini bagi penulis. 5. Segenap
Dosen
Jurusan
Teknik
Mesin
Fakultas
Teknik
atas
keramahannya. 6. Segenap Staff dan Karyawan Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah banyak membantu penulis. 7. Keluarga besarku yang selalu membimbing dan mengingatkan untuk terus maju dan tidak kenal menyerah. 8. Teman-teman Teknik Mesin 2000: Momon, Eko, Hedy, Rohmad, Wahyudi (bebek), andri, Darmo, Wahyono, Yatno, Haris, dan semuanya yang tidak bisa disebutkan satu persatu terima kasih atas bantuan kalian selama ini. 9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, yang telah memberikan bantuan moral dan material sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Akhirnya, hanya kepada Allah jualah penyusun serahkan segalanya. Semoga kebaikan anda dicatat sebagai amal shaleh. Amin ya Rabb al-Alamin.
Surakarta,
Oktober 2005
Penulis
ABSTRAKSI
Perancangan bejana ketel uap dapat digunakan metode yang sederhana. Pada perancangan bejana ketel uap pada pabrik tahu ini digunakan metode Megyesy dengan bantuan Software Catia. Tujuan dari perancangan dengan metode ini adalah untuk menyederhanakan perancangan bejana dan menguji hasil perancangan dengan analisa tegangan secara simulatif. Pada metode Megyesy digunakan suatu rumus baku yang digunakan untuk menghitung ketebalan plat bejana berdasarkan tekanan, diameter, dan parameter lain pada ketel. Dari perhitungan tersebut kemudian digambarkan dan dianalisa tekanan yang terjadi pada ketel secara simulasi dengan program Catia. Dengan program ini dapat diketahui bagian mana saja pada ketel yang lemah atau belum memenuhi syarat keamanan dari standar yang ada. Dari perancangan dan perhitungan tebal dinding (shell) dan tutup (head), diketahui tebal tutup 0,16 inchi, dan tebal shell 0,16 inchi. Adapun head yang digunakan adalah tipe sphere. Data lain ukuran ketel diperoleh dari hasil survei, dimana dimensi bejana ketel uap sebagai berikut : diameter bejana bagian luar 1500 mm, panjang ketel 2000 mm, dan tekanan yang diijinkan 2 bar. Dengan menggunakan analisa dengan simulasi Catia maka tebal dinding dan head tersebut sudah aman pada tekanan yang digunakan. Kata kunci : “Bejana ketel uap”, “shell”, “head”, “catia”.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ................................................................................
i
HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................
ii
HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................
iii
MOTTO ...................................................................................................
iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ..............................................................
v
KATA PENGANTAR .............................................................................
vi
ABSTRAKSI ...........................................................................................
viii
DAFTAR ISI ............................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR ...............................................................................
xi
DAFTAR TABEL ....................................................................................
xii
LEMBAR SOAL.......................................................................................
xiii
BAB I
PENDAHULUAN ................................................................................1
1.1 Latar Belakang ......................................................................................1 1.2 Tujuan Perancangan ..............................................................................3 1.3 Manfaat Perancangan ............................................................................3 1.4 Batasan Masalah ....................................................................................4 1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ................................6
2.1 Tinjauan Pustaka ....................................................................................6 2.2 Landasan Teori .......................................................................................7 2.3 Flowchart Perhitungan .........................................................................18 BAB III METODOLOGI PERANCANGAN KETEL .................................21 3.1 Data Spesifik Ketel ……………………………………...…………...21 3.2 Perencanaan Head ……………………………………………………22 3.3 Perhitungan Shell …………………………………………………….23
3.4 Perhitungan Beban Gempa ...................................................................24 3.5 Pengelasan Pada Ketel .........................................................................26 3.6 Flowchart Perancangan ........................................................................29 BAB IV HASIL PERHITUNGAN SERTA ANALISA TEGANGAN PADA KETEL UAP ......................................................................................30 4.1 Hasil Perhitungan .................................................................................30 4.1.1 Perhitungan Dinding Ketel ..........................................................30 4.1.2 Perhitungan Tutup Ketel .............................................................30 4.1.3 Perhitungan Beban Gempa ..........................................................31 4.2 Hasil Simulasi Tegangan Pada Ketel Uap Dengan Software Catia .......31 BAB V
PENUTUP ...........................................................................................36
5.1 Kesimpulan ...........................................................................................36 5.2 Saran ......................................................................................................36
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
Gambar 2.1
Tegangan Normal pada suatu Segmen dari Bejana...........
9
Gambar 2.2
Tutup Bejana Tipe Sphere ................................................
12
Gambar 2.3
Tutup Bejana Tipe Ellipsoidal ........................................
12
Gambar 2.4
Tutup Bejana Tipe Cone ...................................................
12
Gambar 2.5
Dinding Ketel Uap ...........................................................
15
Gambar 2.6
Flowchart Perhitungan .....................................................
18
Gambar 3.1
Desain Ketel yang akan dibuat .........................................
21
Gambar 3.1
Head tipe sphere ..............................................................
22
Gambar 3.1
Shell Ketel Uap ................................................................
23
Gambar 3.1
Urutan Pengelasan pada Ketel .........................................
27
Gambar 3.1
Diagram Alir Perancangan ...............................................
29
Gambar 4.1
Tutup Bejana Ketel Uap dengan Catia ............................
32
Gambar 4.1
Dinding Bejana Ketel Uap dengan Catia .........................
33
Gambar 4.1
Bejana Ketel Uap dengan Catia .......................................
33
Gambar 4.1
Bejana Ketel Uap setelah diberi Tekanan ........................
34
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
Tabel 4.1
Hasil Perhitungan Dinding Ketel .....................................
30
Tabel 4.2
Hasil Perhitungan Tutup Ketel .........................................
30
Tabel 4.3
Hasil Perhitungan Beban Gempa .....................................
63
Tabel 4.4
Perhitungan Beban Angin ................................................
31
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pada masa sekarang ini, kemajuan ilmu dan teknologi berkembang sangat pesat. Para pengguna jasa teknologi dituntut perannya secara aktif untuk kritis terhadap perkembangan yang ada di depan mata. Perkembangan ini membuat semua manusia tidak lepas dari produk atau hasil teknologi. Pabrik yang menjadi garda depan manusia untuk memenuhi kebutuhan manusia tidak akan lepas dan mesin dan peralatan guna memperkecil tugas manusia dalam memenuhi kebutuhannya. Salah satu cara yang mulai banyak digunakan dalam dunia industri adalah menggunakan system komputasi numeric dengan memanfaatkan fasilitas perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software), hal ini dilakukan karena teknologi komputasi memberikan kemudahan dan fasilitas untuk memperoleh kualitas produk yang lebih baik dan proses produksi dengan biaya yang lebih rendah. Akan tetapi banyak peristiwa meledaknya steam boiler pada pabrik tahu yang tidak jarang hingga menelan korban jiwa mengindikasikan dengan kuat bahwa standar keamanan (safety standar) maupun piranti keamanan (safety measure) steam boiler di kebanyakan pabrik tahu masih sangat rendah. Ketiadaan safety system maupun safety measure yang memadai inilah yang menjadi sebab utama kecelakaan di tempat kerja. Atau bisa jadi
sebenarnya safety system atau measure telah ada dan memadai, namun tidak berjalan sebagai mana mestinya. Dalam hal ini perawatan pengujian berkala safety measure di tempat kerja berperan besar dalam kecelakaan di tempat kerja. Penyebab yang lain adalah kesalahan manusia (human error). Bisa jadi sebenarnya standar maupun piranti keamanan di tempat kerja telah ada dan memadai, namun karena kelalaian atau kurangnya kefahaman operator terhadap system yang ia hadapi berakibat pada kecelakaan kerja. Analisis kecelakaan (accident analysis) pada suatu kecelakaan di tempat kerja menjawab pertanyaan-pertanyaan mendasar : bagaimana kecelakaan itu terjadi, apa yang menyebabkan kecelakaan itu terjadi dan mengapa kecelakaan itu tidak bisa dihindari. Tidak jarang analisis kecelakaan pada suatu kecelakaan di tempat kerja tidak menemukan satupun kesalahan, baik pada system dan piranti keamanan yang ada (system keamanan sudah memadai, piranti keamanan berfungsi normal), maupun pada operatornya (operator tidak lalai dalam menjalankan alat). Pada kasus seperti ini pada akhimya didapati bahwa system keamanan yang selama ini umum dipakai dan dianggap telah memadai, ternyata tidak bisa mencegah terjadinya kecelakaan. System keamanan baru yang lebih handal biasanya kemudian direkomendasikan untuk mencegah kecelakaan serupa terulang kembali di masa yang akan datang. Atau, bisa jadi karena hebatnya akibat yang ditimbulkan oleh suatu kecelakaan, bukan hanya system keamanan baru
yang direkomendasikan, tetapi keseluruhan system produksi pada suatu pabriklah yang direkomendasikan untuk diganti. 1.2. Tujuan Perancangan Tujuan perancangan ini adalah sebagai berikut : Mengetahui, memahami serta mengaplikasikan rekayasa dan rancang bangun Steam boiler sehingga dapat dioperasikan dengan aman dan baik dengan menggunakan standar Megyesy dan referensi pendukung lainnya. Perancangan ini meliputi head, shell, beban-beban yang dialami bejana, dan instrumen pendukung bejana lainnya. 1.3. Manfaat Perancangan Adapun manfaat dari perancangan ini adalah sebagai berikut: 1. Manfaat secara teoritis adalah untuk menambah wawasan keilmuan terutama dalam hal perancangan dan pembuatan ketel uap (steam boiler) dan melakukan studi komparatif antara materi selama mengikuti perkuliahan dan realitas di lapangan. 2. Manfaat secara praktis adalah sebagai bahan pengetahuan dan wawasan bagi penulis, masyarakat bisa, instansi pemerintah dan swasta yang terkait dengan ketel uap (steam boiler) sehingga tidak salah pilih dalam pemakaiannya. 3. Sebagai salah satu syarat meraih gelar Sarjana Teknik Strata Satu (S-1) pada
Jurusan
Teknik
Muhammadiyah Surakarta.
Mesin
Fakultas
Teknik
Universitas
1.4. Batasan Masalah Karena banyaknya permasalahan yang dapat dikembangkan pada perancangan ini, maka untuk menghindari agar masalah tidak melebar, maka permasalahan hanya dibatasi pada bagian berikut : 1. Jenis dan fungsi ketel uap (steam boiler). 2. Pemakaian material ketel berdasarkan standarisasi. 3. Perancangan hanya dari segi mekanik pada bagian ketel, tidak termasuk perancangan sistem perpipaan dan instrument lainnya yang digunakan pada steam boiler seperti tutup, penyangga dan bahan bakar yang digunakan. 4. Perancangan steam boiler ini hanya berdasarkan pada standard Megyesy dan referensi pendukung lainnya yang terdapat dalam daftar pustaka. 5. Dalam rekayasa dan rancang bangun ini tidak meliputi sistem fabrikasi, kontrol kualitas dan pengujian pada steam boiler. 6. Mempertimbangkan kondisi yang terjadi di lapangan. 1.5. Sistematika Penulisan Untuk mempermudah pemahaman tentang isi dari tugas kesarjanaan ini maka penulis membagi laporan ini dalam lima bab sebagai berikut : BAB I
PENDAHULUAN Berisi tentang latar belakang, tujuan perancangan, manfaat perancangan, batasan masalah dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI Berisi tentang studi perancangan yang telah dilakukan sebelumnya. Selanjutnya mengemukakan tentang teori dasar yang menjelaskan jenis dan fungsi steam boiler, serta asesoris dan perlengkapan lainnya yang ada pada steam boiler. BAB III METODOLOGI PERANCANGAN Berisi tentang data yang diambil di lapangan dan dilanjutkan dengan formula perancangan yang akan digunakan dalam perancangan ketel uap (steam boiler). BAB IV PERHITUNGAN DAN PERANCANGAN Berisi tentang perhitungan dan perancangan pada ketel uap dan dilanjutkan dengan hasil perhitungan pada perancangan ketel uap (steam boiler). BAB V PENUTUP Berisi kesimpulan dan saran yang diuraikan dari hasil perancangan yang telah dilakukan. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka Tinjauan pustaka berisi tentang penelitian-penelitian sebelumnya yang menjadi acuan bagi peneliti selanjutnya untuk melakukan penelitian sejenis. Untuk penelitian yang menggunakan simulasi pada bejana tekan, Toni Wahyono S.A (2006) dalam penelitiannya yang berjudul "Perencanaan dan Simulasi pada Bejana Tekan Kriogenik Vertikal dengan bantuan Software Solid Work 2003" menyimpulkan bahwa besarnya faktor keamanan sangat mempengaruhi dalam perencanaan sebuah bejana tekan. Untuk itu diperlukan faktor keamanan yang tinggi dalam perencanaan bejana tekan. 2.2. Landasan Teori Steam boiler adalah alat untuk memproduksi steam. Steam sendiri banyak digunakan di industri dalam spectrum yang sangat luas, mulai dari media pemanas di industri kecil sederhana, hingga penggerak turbin pada unit pembangkit listrik raksasa berkapasitas puluhan megawatt. Menurut konstruksinya steam boiler dibedakan menjadi tiga macam yaitu: 1. Ketel Uap Lorong Api 2. Ketel Uap Pipa Api ( fire tube boiler )
3. Ketel Uap Pipa Air ( water tube boiler ) Pada fire tube boiler di dalam pipa-pipa (tube) yang berada dalam shell (tabung luar) mengalir gas panas hasil pembakaran untuk mendidihkan air yang berada di dalam shell. Sebaliknya pada water tube boiler, air dididihkan di dalam pipa-pipa yang berada di dalam ruang pembakaran (combution chamber) dimana panas hasil pembakaran ditransfer menuju pipa-pipa tersebut, baik secara radiasi maupun konveksi. Fire tube boiler biasa digunakan untuk memproduksi steam bertekanan rendah hingga sedang. Ini disebabkan konstruksinya yang sederhana. Sedangkan water tube boiler digunakan untuk steam bertekanan tinggi dan kapasitas besar. Hal ini cocok dengan konstruksinya dimana tube-tube yang berada di dalam combution chamber bisa diatur sedemikian rupa sehingga yang dihasilkan bisa di-superheat lebih lanjut di dalamnya. Tidak sebagaimana alat penukar panas lainnya, seperti shell and tube heat exchanger, steam boiler tidak memiliki standar desain maupun fabrikasi yang baku. Lebih-lebih steam boiler jenis fire tube boiler, dimana bahan bakar yang biasa digunakan sangat bervariasi, sehingga desain konstruksinya sangat tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan. Ketiadaan standar desain ini mengakibatkan orang biasa dengan mudah merancang dan membuat steam boiler sesuai dengan keinginan dan kebutuhannya. Disatu sisi hal ini bisa dilihat sebagai hal yang menguntungkan, sebab biaya pembuatan steam boiler bisa ditekan. Akan tetapi disisi lain, temyata kemudahan ini berakibat pada pengabaian aspek--
aspek safety operability dan control dart steam boiler tersebut akan dioperasikan. Karena fungsinya hanya sebagai pemanas pada proses pemasakan kedelai, maka steam pabrik tahu adalah steam bertekanan rendah. Kapasitas steam yang dibutuhkan pun juga sangat kecil jika dibandingkan kebutuhan steam diindustri kimia, lebih-lebih dinnit pembangkit listrik. Oleh karena itu semua steam boiler yang digunakan dipabrik tahu adalah jenis fire tube boiler. Menurut ASME Code Requirement, hanya material ulet, termasuk logam yang mampu las dengan baik yang dapat digunakan. Akan bemasalah jika menggunakan logam nonferrous sebagai bahan baku pembuatan ketel uap. Hal ini disebabkan logam nonferrous kurang peka terhadap kerapuhan (ulet) dan tidak tahan api. Kekuatan logam nonferrous berkurang ketika temperatur meningkat secara bertahap dibandingkan dengan logam ferrous.
Penelaahan kita mulai dengan meninjau suatu steam boiler jenis silindris
σL
σL
D
σc σc L
Gambar. 2.1. Tegangan normal yang terjadi pada suatu segmen dari bejana
Sebuah segmen dipisah tersendiri dari ketel ini dengan membuat dua bidang tegak lurus terhadap sumbu silinder dan sebuah bidang tambahan yang membujur melalui sumbu yang sama. Keadaan simetri akan meniadakan terjadinya tegangan geser dalam irisan. Tegangan yang terjadi adalah tegangan normal σ1 dan σ2 atau biasa disebut dengan tegangan utama pada ketel uap. Tegangan-tegangan ini jika dikalikan dengan masing-masing luas dimana mereka bekerja akan menjaga elemen silinder tersebut berada dalam kesetimbangan dalam melawan tekanan dalam. Tegangan normal (a,) atau. disebut juga tegangan pada arah circumferential bekerja pada arah melingkar dari bejana. pD 2t
σ1
=
P
= DLp
A
= 2tL.
......................(1)
dimana : p
= tekanan dalam pada ketel uap (psi atau Kpa)
P
= beban (1b)
D
= diameter dalam dari ketel uap (inchi atau mm)
L
= panjang ketel uap (inchi atau mm)
t
= ketebalan dari ketel uap (inchi atau mm)
A
= luas shell dari ketel uap (inchi2 atau mm)
Tegangan normal (σ2) atau tegangan pada arah longitudinal bekerja pada arah membujur dan ketel uap. (1)
Popov, E, P., 1996. Mekanika Teknik. Jakarta: Erlangga. Hal 319
pD 2t
σ1
=
P
= p.Atutup
P
= p×
A
= πDt
....................................
(2)
πD 4
Keterangan : p
= tekanan dalam pada ketel uap (psi atau Kpa)
P
= beban (lb)
D
= diameter dalam dari ketel uap (inchi atau mm)
T
= ketebalan dan ketel uap (inchi atau mm.)
Atutup = luas dari tutup (head) ketel uap (inchi2 atau mm2) A
= luas dari shell ketel uap (inchi2 atau mm)
Biasanya dalam perhitungan tegangan longitudinal lebih kecil dari tegangan circumferential. Keretakan atau cracking yang terjadi terdapat searah dengan tegangan keliling atau sirkumferensial. Dalam
perancangan
ketel
uap
lebih
diutamakan
untuk
memperhatikan tekanan dalam dari ketel tersebut. Ketel uap ini bekerja pada tekanan luar yang normal. Hal tersebut akan sangat berbeda dengan bejana tekan yang bekerja pada tekanan hampa udara maupun yang bekeria pada kedalaman tertentu seperti pada kapal selam. Pada ketel uap yang bekerja pada kapal selam, tekanan luar sangat menentukan ketebalan bejana karena
(2)
Ibid, hal 1.
tekanan luar dapat lebih tinggi atau lebih rendah dari tekanan udara normal (1 atm). Perancangan pada ketel uap berdasarkan standard Megyesse adalah : 1. Penutup (head) Pada tekanan internal yang tinggi, silinder dan tutup cenderung memuai. Ujung material akan mengalami penambahan panjang. Deformasi yang tidak sama akan mengakibatkan tegangan lentur dan geser pada sambungan. Antara ujung dari silinder dan penutup harus terdapat kontinuitas fisis. Karena pertimbangan ini ujung bejana dibuat melengkung. Terdapat dua cara untuk merancang penutup ketel uap dan ada beberapa tape penutup yang digunakan antara lain, yaitu : 1. Perhitungan menggunakan parameter bagian dalam ketel uap.
a.. Tipe Sphere dan Hemisphere
t R
Gambar. 2.2. Tutup Bejana Tipe Sphere
t
(3)
Ibid, hal 18.
=
PR +CA 2 SE − 0.2 P
....................... (3)
b. Tipe Ellipsoidal
t D
Gambar. 2.3. Tutup Bejana Tipe Ellipsoidal
t
=
PD 2.SE − 0.2 P
....................... (4)
c. Tipe Cone dan Conical
t D
Gambar. 2.4. Tutup Bejana Tipe Cone
t
=
PD 2 cos α ( SE − 0.6 P)
....................... (5)
Catatan : α ≤ 30°, jika lebih dari 30° maka ada perhitungan khusus. P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada ketel uap (psi atau Pa) S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa) E = efisiensi dari pengelasan R = jari-jari bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) (4) (5)
Ibid, hal 18. Ibid, hal 20.
D = diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) α = sudut puncak tutup ketel uap ( º ) L = diameter bagian dalam dari tutup tipe Torishperical (inchi atau mm) r
= jari-jari knuckle bagian dalam V (inchi atau mm)
t
= ketebalan tutup V (inchi atau mm)
M = faktor M dicari dari L/r d. Tipe Torispherical (ASME Flanged dan Dished Head)
r
L
t D
i. Jika L /r = 16 2 t =
3
0.885 PL SE − 0.1P
ii. Jika L /r < 16 2 t =
3
PLM 2 SE − 0.2 P
....................... (6)
2. Perhitungan menggunakan parameter bagian luar ketel uap. a. Tipe Sphere dan Hemisphere t
=
PR 2 SE + 0.8 P
b. Tipe Ellipsoidal
(6)
Ibid, hal 20.
t
=
PD 2 SE + 1.8 P
c. Tipe Cone dan Conical t
=
PD 2 cos α ( SE + 0.4 P )
.......................
Catatan : α ≤ 30°, jika lebih dari 30° maka ada perhitungan khusus. P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada ketel uap (psi atau Pa) S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa) E = efisiensi dari pengelasan R = jari-jan bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) D = diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) α = sudut puncak tutup ketel uap ( º ) L = diameter bagian dalam dari tutup tipe Torishperical (inchi atau mm) r
= jari-jari knuckle bagian dalam V (inchi atau mm)
t
= ketebalan tutup V (inchi atau mm)
M = faktor M dicari dari L/r d. Tipe Torispherical (ASME Flanged dan Dished Head) i. Jika L /r = 16 2 t =
3
0.885 PL SE + 0.8 P
ii. Jika L /r < 16 2
3
t =
PLM 2 SE + P( M − 0.2)
....................... (7)
2. Dinding Ketel Uap (Shell) Pada umumnya dinding shell berbentuk silinder atau bulat.
D
Gambar. 2.5. Dinding Bejana Tekan
Fabrikasi bejana bulat sangat sulit sehingga bejana silinder lebih banyak digunakan pada dunia industri. Badan bejana harus dilengkapi dengan penegak untuk mencegah terjadinya tegangan lebih atau distorsi yang berasal dari beban eksternal yang besar. Ada dua macam cara merancang ketebalan dinding ketel uap dengan menggunakan tekanan internal ketel uap, yaitu: a. Perhitungan menggunakan parameter bagian dalam ketel uap. t
=
PR +CA 2 SE − 0.6 P
P
=
tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada
....................... (8)
ketel uap (psi atau Pa) S
(7) (8)
=
nilai tegangan dari material (psi atau Pa)
Ibid, hal 24. Eugene F. Megyesy, (Seventh Edition) Pressure Vessel Handook. Tulsa: Pressure Vessel Handbook Publishing Inc, t.t, hal 18.
E
=
Efisiensi dari pengelasan
R
=
Jari jari bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)
D
=
Diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)
t
=
Ketebalan dinding ketel uap (inchi atau mm)
C.A.=
nilai korosi yang diijinkan (inchi atau mm)
b. Perhitungan menggunakan parameter bagian luar ketel uap. t
=
PR +CA 2 SE + 0.4 P
P
=
Tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada
....................... (9)
ketel uap (psi atau Pa) S
=
Nilai tegangan dari material (psi atau Pa)
E
=
Efisiensi dari pengelasan
R
=
Jari jari bagian luar ketel uap (inchi atau mm)
D
=
Diameter bagian luar ketel uap (inchi atau mm)
t
=
Ketebalan dinding ketel uap (inchi atau mm)
C.A =
nilai korosi yang diijinkan (inchi atau mm)
3. Beban Gempa Gempa adalah getaran yang disebabkan adanya gerakan berubah-ubah dari bumi. Gempa akan menyebabkan bejana tekan bergetar dan berguncang. Beban gempa digunakan untuk mengantisipasi adanya gerakan pada bumi yang akan berpengaruh pada kinerja ketel uap. Shear:
(9)
Eugene F. Megyesy, (Seventh Edition) Pressure Vessel Handook. Tulsa: Pressure Vessel Handbook Publishing Inc, t.t, hal 18.
V = ZIKCSW Momen:
2 L Ft .T + (V − Ft ) 3
M
=
Mx
X = M (pendekatan) L
C
= koefisien numerik (tidak boleh lebih dari 0.12) =
1 15 T
=
0.067 T
D
= Diameter luar ketel uap (ft atau mm)
E
= Efisiensi pengelasan
Ft
= Gaya gempa total pada bagian atas ketel uap (lb atau N) = 0.07 TV (Ft tidak boleh lebih dari 0.25 V) = 0 , jikaT < 0.7
L
= Panjang ketel
1
= koefisien penting occupancy (untuk ketel memakai 1.0)
K
= Faktor gaya horizontal (untuk bejana memakai 2.0)
M
= Momen maksimal (pada pondasi) (ft lb atau Nrnrn)
Mx
= Momen pada jarak X (ft lb atau Nmm)
R
= Jari-jari ketel uap (inchi atau mm)
2.4. Flowchart Perhitungan
Mulai
Survei lapangan di pabrik Tahu Klaten
Data Survei dari pabrik Tahu, Klaten adalah : Berat bersih = 100 kg Volume = 3500 liter Tekanan internal ketel = 2 bar D outer ketel = 1500 mm Panjang ketel = 2000 mm Max. operating temperature = 200 ºC Material = plat baja
A
A
Menghitung tebal Head PR t = +CA 2SE − 0.2 P Menghitung tebal shell PR t = +CA 2SE − 0.6 P Menghitung beban gempa Shear V = ZIKCSW Momen 2 L M = Ft .T + (V − Ft ) 3 X Mx = M (pendekatan) L C = koefisien numerik (tidak boleh lebih dari 0.12) 1 0.067 = = 15 T T
B
B
Rancangan Ketel Uap siap pakai
Selesai
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN KETEL
3.1. Data Spesifik Ketel
Untuk memudahkan dalam perancangan sebuah ketel, diperlukan gambaran dan data-data spesifik yang telah ada dari hasil survey di lapangan. Dalam perencanaan direncanakan ketel berbentuk spherical, seperti ketel pada pabrik tahu di Klaten. Adapun data spesifikasi dari ketel yang digunakan tersebut adalah sebagai berikut. -
Tekanan internal ketel (Pin)
= 2 bar
-
Diameter luar (Dout) ketel
= 1500 mm
-
Panjang ketel (L) ketel
= 2000 mm
-
Berat bersih (tara weight)
= 100 kg
-
Temperatur operasi maks. (Tmax) = 200 ºC
-
Volume ketel
= 3500 liter
-
Material
= plat baja
Ø 1500
2000
Gambar 3.1. Desain ketel yang akan dibuat
3.2. Perencanaan Head
Pada perencanaan ketel ini, akan digunakan bentuk head dengan tipe sphere.
t R
Gambar 3.2. Head tipe sphere
Material yang digunakan dalam pembuatan head adalah SA 240 tipe 304 (ASME hal 294). Berdasarkan standar Megyesy, maka untuk perhitungan ketebalan lapisan plat head adalah sebagai berikut : t
=
PR +CA 2SE − 0,2 P
dimana : P
= tekanan kerja = tekanan operasi + 30 psi atau 10% dari tekanan operasi. = (2 bar × 14,5038) psi + 30 psi = 59,0076 psi
R
= jari-jari luar = D/2 =
1500 2
= 750 mm = 29,5275 inchi
Berdasarkan standar Megyesy ukuran tebal yang digunakan adalah 30.0 inchi ( yang mendekati angka 29,5275 inchi) S
= stress value of material = 143 MPa (untuk SA 240 tipe 304) = 20740,434 psi
E
= joint efficiency = 1 (Megyesy, hal 142)
t
= tebal plat ketel =
59,0076 × 29,5275 + CA (2 × 20740,434 × 1) − 0,2 × 59,0076
= 0,042 + CA CA = corrosion allowable = 0,05 inchi t
= 0,092 inchi = 2,33 mm
Berdasarkan standar Megyesy ukuran tebal yang digunakan adalah 0,16 inchi ( yang mendekati angka 0,092 inchi) Jari –jari internal (R1) : R1
= R – t1 = 750 – 2,33 = 747,56 mm
3.3. Perhitungan Shell
Lapisan ketel menggunakan high alloy steel SA 240 tipe 304. Pada perhitungan tidak mempertimbangkan beban angin.
D
Gambar 3.3. Shell ketel uap
P
= tekanan operasi + 30 psi atau 10% dari tekanan operasi. = (2 bar × 14,5038) psi + 30 psi = 59,0076 psi
T
= 80 ºC
S
= 143 MPa = 1430 bar × 14,5038 psi = 20740,434 psi
E
= 1 (Megyesy, hal 142)
R
= 750 mm = 29,5275 inchi
CA = faktor korosi = 0,075 inchi t
=
PR + CA 2SE − 0.6 P
=
59,0076 × 29,5275 + 0,075 (2 × 20740,434 × 1) − (0,6 × 59,0076)
= 0,117 in = 2,98 mm Berdasarkan standar Megyesy ukuran tebal yang digunakan adalah 0,16 inchi ( yang mendekati angka 0,117 inchi)
3.4. Perhitungan Beban Gempa -
Berat ketel kosong Wk = 100 kg × 2,2046 lb = 220,46 lb
-
Berat ketel berisi fluida (oksigen) penuh W = 350 × 2,2046 lb = 771,61 lb
-
Berat ketel dalam satuan panjang w =
=
W H 771,61 6,562
= 117,588 lb/ft -
Periode Getaran 2
wD H T = 0,0000265 × × t D
dimana : H = 2000 mm = 6,562 ft D = 1,5 m = 4,921 ft w = 117,588 lb/ft t
=
0,013 ft
Maka periode getaran :
2
T = = -
117,588 × 4,921 6,562 0,0000265 × × 0,013 4,921
9,94 × 10-3 sec
Gaya geser akibat gempa (V) : V = ZlK (CS) W dimana : Z = Faktor gempa = 0,75 (untuk zone 3) I
= Efisiensi penting occupancy = 1
K = Faktor gaya horizontal = 2 C = Koefisien numerik =
0,067 T
= 0,67
S = Stress value of vessel material
= 1,5 jika T ≤ 2,5 sec W = 117,588 lb -
Maka, besar gaya geser total pada pondasi adalah : V = 0,75 × 1 × 2 × (0.67 × 1,5) × 117,588 (lb) = 117,264 lb = 53,190 kg
-
Gaya horizontal gempa pada puncak ketel (Ft) Ft = 0,07 TV
= 0,07 × 0,0094 × 117,264 = 0,0771 lb -
Momen maksimum gempa (M) M =
=
2 H Ft .H + (V − Ft ) 3 2 × 6,562 0,0771 × 6,562 + (117,264 − 0,0771) 3
= 39,5256 lb.ft
3.5. Pengelasan pada Ketel
Dalam konstruksi ketel, bagian yang menahan tekanan utama adalah ketel itu sendiri, karena itu bagian ini harus dibuat dari baja dengan mampu las dan kekuatan takik yang baik. Adapun prosedur pengelasan pada ketel adalah sebagai berikut: a) Proses pengelasan. Kecuali pada ketel yang besar, biasanya pengelasan ketel selalu dilakukan dengan tangan. Hal ini dipilih karena sukar untuk mendapatkan mesin las yang dapat melayani pengelasan dengan posisi yang berubah secara pelan-pelan. b) Bahan las. Pengelasan untuk bagian ketel harus memakai elektroda terbungkus jenis hidrogen rendah. Sedangkan untuk bagian lainnya dapat digunakan elektroda terbungkus jenis ilmenit.
Gambar 3.4. Urutan Pengelasan pada Ketel
c) Las pengikat. Sebelum pengelasan dilakukan, terhadap bagian-bagian yang akan dilas harus dilakukan pengikatan dulu dengan las ikat. Untuk menghindari pengerasan pada bagian kaki las, pelaksanaan las ikat harus dapat dilaksanakan tanpa ada pengulangan. d) Hal-hal yang perlu diperhatikan 1) Elektroda yang dipilih harus betul-betul sesuai. 2) Pengeringan dan penyimpanan elektroda yang telah dipilih harus betul-betul diperhatikan. 3) Pelaksanaan pemanasan mula dan akhir harus dilakukan dengan hatihati. 4) Masukan panas las harus dibatasi. 5) Pelaksanaan pengelasan harus diatur dan disesuaikan dengan keadaan cuaca. 6) Pengerasan kaki manik harus dihindari.
Pada umumnya pengelasan ketel harus dilakukan oleh juru las yang mempunyai ketrampilan sangat tinggi terutama bila ketel dibuat dari baja plat dengan kekuatan 60 kg/mm2 sampai 80 kg/mm2. Dalam hal ini kadang-kadang juru las yang akan dipekerjakan diharuskan memiliki suatu sertifikat. yang dikeluarkan oleh suatu badan asosiasi khusus. 3.6. Flow Chart Perancangan Mulai
Studi lapangan (survey)
Studi literatur Data Survei : • Tekanan Kerja • Berat Operasi • Material
Analisa data dengan standar Megyesy : − Material − Tebal Tangki − Tebal Tutup
Tidak aman
Analisa dan simulasi pada software Catia
Aman
Penyusunan laporan
Selesai
Gambar 3.5. Diagram Alir Perancangan
BAB IV HASIL PERHITUNGAN SERTA ANALISA TEGANGAN PADA KETEL UAP 4.1. Hasil Perhitungan 4.1.1. Perhitungan Dinding Ketel
Tabel 4.1. Hasil Perhitungan Dinding Ketel No 1.
Deskripsi Operating Pressure (tekanan operasi)
Notasi
Satuan
Hasil Perhitungan
P
psi
59,0076
0
2.
Suhu operasi bejana
T
C
200
3.
Efisiensi pengelasan
E
-
1
4.
Jari-jari dalam bejana
R
inch
30,0
5.
Tebal dinding bejana
t
inch
0,16
6.
Faktor korosi (CA)
-
inch
0,075
-
-
SA 240 tipe 304
7.
Material yang digunakan pada bejana
4.1.2. Perhitungan Tutup Ketel
Tabel 4.2. Hasil Perhitungan Tutup Ketel No 1.
Deskripsi Operating Pressure (tekanan operasi)
Notasi
Satuan
Hasil Perhitungan
P
psi
59,0076
0
2.
Suhu operasi bejana
T
C
200
3.
Efisiensi pengelasan
E
-
1
4.
Jari-jari dalam bejana
R
inch
30,0
5.
Tebal Tutup bejana
t
inch
0,16
6.
Faktor korosi (CA)
-
inch
0,075
-
-
SA 240 tipe 304
7.
Material yang digunakan pada bejana
4.1.3. Perhitungan Beban Gempa
Tabel 4.3. Hasil Perhitungan Beban Gempa No
Deskripsi
Notasi
Satuan
Hasil Perhitungan
Wk
kg
100
1.
Berat bejana kosong
2.
Panjang Ketel
L
mm
2000
3.
Gaya geser akibat gempa
V
kg
53,190
4.
Periode Getaran
T
Sec
9,94 x 10-3
5.
Efisiensi okupansi
I
-
1
6.
Faktor Gempa
t
-
0,75
Ft
lb
0,0771
M
lb.ft
39,5256
7. 8.
Gaya horizontal gempa pada puncak ketel Momen maksimum gempa
4.2. Hasil Simulasi Tegangan pada Ketel Uap dengan Soft Ware Catia
Pada soft ware Catia perhitungan distribusi faktor keamanan suatu desain adalah dengan menggunakan kriteria gaya ekuivalen (von misses stress). Kriteria tersebut menyatakan bahwa material yang dibentuk mulai luluh ketika von mises stress (gaya ekuivalen) mencapai kekuatan luluh material yang bersangkutan. Kekuatan luluh (yield strength) digambarkan sebagai material property. Pada soft ware Catia faktor keamanan dikalkulasikan
pada suatu titik dengan cara membagi kekuatan luluh dari material dengan gaya ekuivalen pada titik tersebut. Adapun penafsiran dari harga faktor keamanan (factor of safety) adalah sebagai berikut: 1. Faktor keamanan kurang dari 1,0. Mengindikasikan bahwa material pada lokasi tersebut telah luluh dan desain tidak aman.
2. Faktor keamanan sama dengan 1,0. Mengindikasikan bahwa material pada lokasi tersebut mulai luluh. 3. Faktor keamanan lebih dari 1,0. Mengindikasikan bahwa material pada lokasi tersebut tidak luluh (aman). 4. Material selanjutnya akan mulai luluh jika kita memberikan beban baru sebesar beban yang diberikan dikalikan dengan hasil dari faktor keamanan.
Gambar 4.1. Tutup Bejana Ketel Uap
Gambar 4.2. Dinding Bejana Ketel Uap
Gambar 4.3. Bejana Ketel Uap
Untuk mengetahui tingkat keamanan desain, terlebih dahulu pada material diberikan tekanan (P) yaitu sebesar 59,0076 psi (tekanan kerja).
Gambar 4.3. Tekanan dari Dalam Tangki
Setelah beban diberikan, maka catia akan mengkalkulasikan faktor keamanan dari material berdasarkan data-data input yang diberikan. Berdasarkan analisis tekanan, maka diperoleh data-data sebagai berikut: 1. Beban yang diberikan adalah sebesar 59,0076 psi. 2. Faktor keamanan (factor of safety) minimum hasil analisis adalah sebesar 1,8952 x 106.
3. Secara umum daerah kritis dari material akan mulai luluh jika kita memberikan beban baru sebesar tekanan yang telah diberikan dikalikan dengan faktor keamanan hasil analisis. 4. Dalam hal ini daerah kritis dari material akan mulai luluh jika kita memberikan tekanan baru sebesar (1,8952 x 106) x 59,0076 psi = 111,83 x 106 psi. Setelah hasil analisis tersebut, maka dapat diketahui
bahwa material bejana
(tangki) aman yaitu dengan besar faktor keamanan lebih dari 1,0.
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan
Dari perhitungan dan analisa tegangan pada ketel uap disimpulkan hal-hal sebagai berikut: 1. Pada mekanisme rancang bangun bejana ketel uap menggunakan standar Megyesy diperoleh ketebalan yang cukup sehingga bejana mampu menahan tekanan internal yang terjadi terutama pada bagian dinding dan tutup. 2. Formula yang digunakan cukup sederhana sehingga perhitungan lebih cepat dan mudah. 3. Program Catia dapat digunakan untuk mendesain dan menganalisa hasil bentuk bejana ketel pada pabrik tahu. 5.2. SARAN
1. Dalam pengoperasian ketel uap harus sesuai dengan ketentuan yang telah ditetapkan, khususnya untuk tekanan, suhu dan kapasitas ketel uap. Jika tidak sesuai dengan parameter yang diijinkan maka ketel uap akan mengalami kerusakan yang fatal atau meledak. 2. Dalam perancangan ketel uap harus menggunakan standarisasi tertentu, seperti ASME, JIS, ASTM dan standard lainnya. 3. Pengetesan ketel harus dilakukan oleh instansi terkait yang telah memiliki sertifikat untuk pengetesan ketel uap. 4. Ketel
uap
harus
pengoperasiannya.
dilakukan
pemeriksaan
secara
teratur
dalam
DAFTAR PUSTAKA
Megyesse, Eugene F., 1986, Pressure Vessel Hand Book, Tulsa: Pressure Vessel Hand Book Publishing. Popov, E, P., 1996. Mekanika Teknik, Jakarta: Erlangga Toni Wahyono S.A, 2006. Perencanaan dan Simulasi pada Bejana Tekan Kriogenik Vertikat dengan Bantuan Software Solid Work 2003 ( Skripsi Sarjana S-1 Teknik Mesin UMS )
LAMPIRAN
.
