UNIVERSITAS MERCU BUANA

ANALISA PERBAIKAN MISCHWERK HRT 30000 REAKTOR PUTARAN HORISONTAL DENGAN METODE OVERLAY

TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Universitas Mercu Buana

Oleh

Rio Sunarko 0130311-064

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS MERCU BUANA 2007

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA PERBAIKAN MISCHWERK HRT 30000 REAKTOR PUTARAN HORISONTAL DENGAN METODE OVERLAY

Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Dalam Meraih Gelar Sarjana Teknik (S1) Pada Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana

Pembimbing Tugas Akhir

Ir. Ruli Nutranta, M. Eng.

i

ABSTRAK Tanggal 12 Maret 2002 salah satu agitator yang dimiliki PT Risjad Brasali mengalami kerusakan cukup serius yaitu retak pada poros agitator ± 3/4 dari diameter poros dan diperkirakan dapat menyebabkan poros tersebut patah pada saat penggunaannya. Fungsi dari agitator tersebut adalah mengaduk bahan-bahan kimia yang sangat korosif. Bahan-bahan kimia tersebut antara lain IPA, Monochlora Acetid Acid, Sodium Hydroxyde, dan Hydrogen Peroxide yang berupa gel. Perusahaan tersebut menghendaki perbaikan pada poros agitator tersebut sehingga bisa digunakan kembali. Dalam tugas akhir ini, permasalahan yang diangkat meliputi: 1. Kondisi kerja dan komposisi material agitator maupun extension shaft. 2. Analisa distribusi stress pada daerah transisi antara lengan pengaduk dengan poros agitator dengan Finite Element Method MSC/NASTRAN untuk mengetahui besarnya nilai stress yang terjadi 3. Proses

pengelasan

extension

shaft,

meliputi

parameter

pengelasan, proses pengelasan, dan perlakuan terhadap hasil lasan. Metode perbaikan yang dipakai adalah memotong poros agitator pada daerah retakan. Kemudian bagian yang dipotong tersebut diganti dengan poros baru dengan material yang sama dan disambungkan ke poros utamanya. Dari perhitungan yang dilakukan didapat nilai masukan panas (Heat Input) sebesar 0.77 kJ/mm (maksimum HI = 1.5 kJ/mm). Sedangkan stress yang terjadi pada area antara lengan pengaduk dengan poros agitator sebesar 204.5 Mpa (maksimal stress = 220 Mpa). Untuk meningkatkan angka keamanan (Safety Factor) pada area tersebut di buat chamfer sebesar 10 mm didapat angka keamanan 1.75.

viii

DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAAN…………………………………………………….. i LEMBAR PERSETUJUAN…………………………………………………….. ii PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR………………………………….iii KATA PENGANTAR…………………………………………………………….. iv DAFTAR ISI………………………………………………………………………. vi ABSTRAK………………………………………………………………………… viii DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………… ix DAFTAR TABEL………………………………………………………………… x NOTASI…………………………………………………………………………… xi DAFTAR ISTILAH……………………………………………………………….. xii BAB I PENDAHULUAN………………………………………………………… 1 1.1 Latar Belakang Masalah ………………………………………………1 1.2 Tujuan & Manfaat Penulisan………………………………………… 2 1.3 Ruang Lingkup Masalah……………………………………… …….. 2 1.4 Metode Penulisan…………………………………………………….. 3 1.5 Sistematika Penulisan………………………………………………… 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA…………………………………………………. 5 2.1. Sifat Mampu Las Baja Tahan Karat Austenittik……………………. 5 2.2. Weld Overlay……………………………………………………………7 2.3. Submerged Arc Welding……………………………………………… 9 2.4. Persentase Pencairan Pada Proses Pengelasan…………………..11 2.5. Teori Analisa Elemen Tak Hingga……………………………………13 2.5.1

Definisi Analisa Elemen Tak Hingga ………………………. 13

BAB III DATA PENGAMATAN………………………………………………….17 3.1. Benda Kerja……………………………………………………………. 17 3.1.1. Kondisi Kerja & Material Benda Kerja………………………. 17 3.1.2 Kerusakan Pada Poros Agitator…………………………….. 19 3.2. Proses Pengelasan…………………………………………………… 22 vi

3.2.1. Material Poros Sambungan………………………………….. 22 3.2.2. Parameter Proses Pengelasan Poros Sambungan……….. 23 3.3. Prosedure pemrograman Finite Element Analysis menggunakan MSC visualNastran 4D………………………………25 BAB IV ANALISA……………………………………………………………….. 33 4.1. Material Benda Kerja & Poros Sambungan…………………………33 4.1.1. Material Benda Kerja………………………………………… 33 4.1.2. Material Extension Shaft………………………………….

35

4.2. Proses Pengelasan…………………………………………………… 37 4.2.1. Perhitungan Prosentase Pencairan Pada Logam Lasan… 37 4.2.2. Prediksi Mikrostruktur Pada Logam Lasan………………… 40 4.2.3. Prediksi Komposisi Kimia Hasil Lasan……………………… 43 4.2.4. Masukan Panas………………………………………………. 45 4.2.5. Perlakuan Terhadap Hasil Lasan…………………………… 47 4.3. Analisa Distribusi Stress Pada Poros Agitator………………….….48 4.3.1. Analisa Beban & Perhitungan Pada Poros………………… 48 4.3.2. Hasil Finite Element Analysis……………………………….. 51 4.3.3. Analisa Strees Pada Daerah Transisi antara Lengan Pengaduk Dengan Poros Agitator………………………….. 52 BAB V KESIMPULAN………………………………………………………….. 57 DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………. 60 LAMPIRAN……………………………………………………………………… 61

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1.

Komposisi kimia AISI 904L

19

Tabel 3.2.

Komposisi kimia AISI 316L

23

Tabel 4.1.

Material yang sesuai dengan AISI 904L

36

Tabel 4.2.

Diagram Schaeffler pengelasan

41

Tabel 4.3.

Komposisi kimia hasil pengelasan

44

Tabel 4.4.

Data Teknik dari Agitator

52

Tabel 4.5.

Perbandingan radius terhadap gaya geser

53

Tabel 4.6.

Perbandingan radius terhadap faktor keamanan

55

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1.

Skema Weld Overlay

8

Gambar 2.2.

Contoh gambar 2-D dimodelkan di komputer

14

Gambar 2.3.

Contoh gambar 3-D dimodelkan di komputer

15

Gambar 2.4.

Contoh gambar dari Mesh

16

Gambar 3.1.

Dimensional Agitator

18

Gambar 3.2.

Foto Agitator

19

Gambar 3.3.

Posisi retak pada poros agitator

20

Gambar 3.4.

Letak retak pada agitator

21

Gambar 3.5.

Alur retak pada agitator

21

Gambar 3.6.

Dimensi poros sambungan

23

Gambar 3.7.. Pengelasan overlay poros sambungan

25

Gambar 3.8.

Ikon MSC visualNastran 4D

26

Gambar 3.9.

Tampilan File Menu

26

Gambar 3.10. Tampilan Properties

27

Gambar 3.11. Tampilan Display Setting

27

Gambar 3.12. Tampilan Properties FEA.

28

Gambar 3.13. Model setelah proses Meshing

28

Gambar 3.14. Gaya yang ditambahkan pada Model.

29

Gambar 3.15. Tampilan Force Properties.

30

Gambar 3.16. Tombol Solve FEA

31

Gambar 3.17. Kontur Von Misses

32

Gambar 4.1.

Komponen gaya pada tiap blade

49

Gambar 4.2.

Radius terjadinya gaya

49

Gambar 4.3.

Beban yang diterima tiap lengan

50

Gambar 4.4.

Kontur Von Misses

51

Gambar 4.5.

Kontur Von Misses yang diperbesar

51

Gambar 4.6.

Dimensi chamfer

56

ix

DAFTAR ISTILAH Agitator

= Mesin pengaduk bahan-bahan kimia.

Base metal

= Logam induk.

Blending

= Proses penghalusan permukaan hasil lasan.

Dressing

= Proses penghalusan permukaan hasil lasan.

Extension Shaft

= Poros penyambung.

Fully austenite

= Kondisi logam hasil lasan yang 100% berfase austenit.

Heat Affected Zone

= Area disekeliling pengelasan yang memiliki kekerasan lebih tinggi daripada logam induk.

Heat input

= Masukkan panas pada proses pengelasan.

Hot cracking

= Retak panas.

Intergranullar attack

= Retak yang terjadi pada batas butir akibat kekurangan Cr.

Liquation crack

= Retak yang terjadi akibat adanya fasa cair bersuhu rendah pada batas butir didalam kristal..

Mesh

= Kumpulan dari nodes yang membentuk jarring-jaring.

Nodes

= Titik-titik yang terletak pada sudut dan tengah dari model

Non Destructive Test

= Metode inspeksi logam untuk mengetahui indikasi retak.

Passivation

= Pembentukan lapisan oksida pada permukaan lasan.

Pickling

= Passivation dengan cara memberi lapisan kimia.

Plant Shutdown

= Penghentian proses produksi.

Sensitasi

= Pembentukan karbida pada suhu tinggi.

Solidification crack

= Retak yang terjadi akibat adanya fasa cair bersuhu rendah pada hasil lasan.

Strip filler

= Logam pengisi yang berbentuk plat.

Submerged Arc Welding

= Pengelasan dimana busur listrik dilindungi oleh fluks.

Weld overlay

= Salah satu metode pengelasan dengan cara memberi lapisan logam pada base metal.

xii

DAFTAR NOTASI

Simbol

Keterangan

Satuan

A

Diameter

mm

D

Luas area pengelasan

In2

d

diameter Filler

In

di

Diameter Dalam Stub Shaft

mm

do

Diameter Luar Stub Shaft

mm

FA

Gaya searah dengan sumbu poros

KN

FT

Gaya tegak lurus dengan sumbu poros

KN

HI

Masukan panas

KJ/mm

I

Kuat Arus

A

Kts

Konstanta

-

L

Panjang Electrode

In

MR

Kecepatan rata-rata pencairan Elektrode

lb/min

N

Daya Normal

kW

n

Rpm

rpm

r

Radius terjadinya gaya

m

S

Kecepatan Las

inch/min

SF

Faktor keamanan

-

T

Torsi maksimal dari motor

Nm

V

Tegangan

V

σu

Tegangan Maksimal Agitator

MPa

σy

Tegangan Mulur Agitator

MPa

ζ

Gaya geser

MPa

%dilution

Persentase pencairan

%

xi

BAB I PENDAHULUAN

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah Kerusakan

pada

komponen-komponen

teknis

pada

suatu

perusahaan akan menyebabkan penghentian produksi (plant shutdown) yang berarti kerugian bagi perusahaan. Oleh karena itu harus segera diambil tindakan terhadap komponen yang mengalami kerusakan tersebut. Tindakan tersebut bisa berupa penggantian dengan komponen yang baru atau perbaikan komponen yang mengalami kerusakan tersebut. Apabila komponen tersebut bisa diperbaiki, maka biaya yang harus dikeluarkan akan lebih sedikit dibandingkan dengan penggantian dengan komponen baru. Tetapi, proses perbaikan tersebut harus benarbenar diperhitungkan karena bisa mempengaruhi umur kerja komponen tersebut selanjutnya. Komponen berputar berupa agitator yang dimiliki PT. Risjad Brasali mengalami kerusakan. Kerusakan tersebut berupa retak (crack) pada bagian porosnya yang bisa menyebabkan poros tersebut patah pada saat penggunaannya. Perusahaan tersebut menghendaki perbaikan pada poros agitatornya tersebut sehingga bisa digunakan kembali. Proses perbaikan tersebut diserahkan kepada PT. Sulzer Hickham Indonesia.

Tugas Akhir

1

BAB I PENDAHULUAN

Pada saat proses perbaikannya, diputuskan untuk memotong poros agitator pada bagian daerah retakan. Kemudian bagian yang dipotong tersebut diganti dengan poros baru dengan material yang sama dan disambungkan ke poros utamanya.

1.2. Tujuan Dan Manfaat Penulisan Tujuan penulisan dengan topik ini adalah: mengetahui proses pengelasan weld overlay pada proses perbaikan yang dilakukan pada agitator yang mengalami keretakan Mengetahui analisa pemilihan proses perbaikan suatu komponen Mengetahui proses-proses perbaikan yang dilakukan

1.3. Ruang Lingkup Masalah Pada kesempatan ini penulis membahas proses pengelasan overlay poros sambungan yang dilakukan oleh PT Sulzer Hickham Indonesia sebagai bagian pada proses perbaikan sebuah agitator milik PT Risjad Brasali yang mengalami kerusakan.

Tugas Akhir

2

BAB I PENDAHULUAN

1.4. Metode Penulisan Dalam penulisan tugas akhir ini, usaha yang dilakukan penulis : Pengamatan langsung, dengan cara datang secara langsung ke lokasi tempat perbaikan Diskusi dengan sumber yang terlibat dalam proses perbaikan Tinjauan pustaka, penulis mencari dan mempelajari buku referensi atau melalui penelusuran internet untuk mendapatkan data-data yang berhubungan dengan proses perbaikan.

1.5. Sistematika Penulisan Agar lebih terarah dan memudahkan, maka penulisan laporan ini dibagi atas beberapa bab sebagai berikut : BAB I

PENDAHULUAN berisi latar belakang, tujuan dan manfaat, batasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA berisi mengenai hal-hal dasar yang berhubungan dengan proses pengelasan yang dilakukan

BAB III

DATA PENGAMATAN berisi mengenai data-data yang didapat dari hasil pengamatan secara langsung ke lapangan

Tugas Akhir

3

BAB I PENDAHULUAN

BAB IV

ANALISIS berisi mengenai analisis terhadap proses yang dilakukan,mencakup analisis distribusi stress dan finite element analisis

BAB V

KESIMPULAN kesimpulan

DAN

dan

SARAN

saran

yang

berisi didapat

mengenai setelah

melakukan analisa

Tugas Akhir

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA


2.1. Sifat Mampu Las Baja Tahan Karat Austenitik Baja tahan karat austenitik umumnya mengandung 16-26% krom (Cr)

dan

8-22%

nikel

(Ni).

Kandungan

unsur

utama

ini

akan

mempertahankan fasa austenit pada suhu kamar. Baja ini merupakan baja tahan karat yang paling mudah untuk dilas (mampu lasnya tinggi). Akibat sifat fisiknya, jenis baja ini memiliki sifat las yang berbeda dibandingkan baja tahan karat jenis feritik, martensitik, ataupun duplex. Sebagai contoh, besar konduktivitas termal baja austenit sekitar setengah dari baja feritik. Oleh karena itu masukan panas pengelasan untuk menghasilkan penetrasi yang sama akan lebih kecil. Pada sisi lain, kofisien termal ekspansi baja austenitik lebih tinggi 30-40% dibandingkan baja feritik, yang akan meningkatkan distorsi dan tegangan sisa yang muncul saat pengelasan. Yang harus menjadi perhatian pada proses pengelasan baja tahan karat austenitik adalah kerentanannya terhadap solification dan liquation cracking. Material ini bisa ditingkatkan ketahanannya terhadap retak panas dengan mengatur komposisi dan mengatur mikrostruktur sehingga bisa menghasilkan logam las yang mengandung lebih dari 3%

Tugas Akhir

5


fasa ferit. Keberadaan ferit akan melarutkan pengotor yang bisa menghasilkan segregasi dan interdendritic cracking. Untuk mengurangi kerentanan terhadap retak panas, maka keberadaan unsur-unsur pembentuk senyawa bertemperatur cair rendah harus dijaga tetap minimum. Unsur-unsur tersebut antara lain fosfor (P), sulfur (S), boron (B), selenium (Se), niobium (Nb), titanium (Ti), dan silikon (Si). Penambahan unsur oksigen dan nitrogen bisa mengurangi pembentukan senyawa bertemperatur cair rendah. Tetapi keberadaan oksigen dan nitrogen bisa menyebabkan porositas pada hasil pengelasan. Mangan (Mn) sering digunakan untuk mengikat sulfur dan silikon sehingga tidak membentuk senyawa bertemperatur cair rendah. Untuk memperkirakan kandungan ferit pada baja tahan karat dapat menggunakan tiga metode di bawah ini. Pengukuran dengan peralatan seperti Magna Gauge, yang secara prinsip mengukur kekuatan magnetik material Penghitungan

komposisi

kimia

dengan

menggunakan

diagram

Schaeffler, Delong, dan Welding Research Council (WRC) Pengamatan struktur mikro Parameter pengelasan, pangaruh temperatur, dan ukuran, bentuk, serta orientasi dari fasa ferit akan mempengaruhi hasil pengukuran.

Tugas Akhir

6


2.2. Weld Overlay Dibandingkan dengan baja karbon atau baja paduan rendah, umumnya baja tahan karat lebih mahal karena banyaknya unsur paduan yang terdapat di dalamnya, ataupun terdapat unsur-unsur dalam jumlah kecil yang memang mahal harganya. Dalam banyak kasus, ketahanan korosi hanya dibutuhkan komponen pada bagian permukaannya saja. Sehingga tidak menjadi masalah apabila komponen tersebut terbuat dari baja

karbon

atau

baja

paduan

rendah,

yang

penting

adalah

permukaannya terdapat lapisan tahan karat. Proses pelapisan material dengan paduan tahan karat bisa mengurangi penggunaan paduan tahan karat solid hingga 80 %. Proses pelapisan baja karbon dan baja paduan rendah dapat dilakukan dengan beberapa cara, antara lain roll bonding, explosive bonding, weld overlaying dan “wallpapering”. Weld overlay merupakan salah satu proses pelapisan yang dilakukan dengan jalan pengelasan yang memberi lapisan weld metal pada komponen sehingga terdapat lapisan tahan korosi pada komponen tersebut. Ketebalan lapisan tersebut adalah sekitar 3 mm atau lebih. Material pelapisnya biasanya adalah baja tahan karat austenitik atau paduan nikel, kadang juga digunakan paduan tembaga. Proses

weld

overlay

banyak

dilakukan

dengan

proses

pengelasan SAW (Submerged Arc Welding), kadang menggunakan SMAW, TIG, MIG, plasma arc, ataupun electroslag welding. Filler metal

Tugas Akhir

7


yang digunakan bisa berupa kawat terbungkus ataupun kawat tanpa bungkus, bahkan bisa menggunakan strip filler. Teknik weld overlay merupakan cara yang sempurna untuk memberikan sifat baru yang tidak dimiliki oleh base metal. Teknik ini digunakan untuk melapisi base metal yang murah atau kualitasnya rendah dengan material yang mahal sehingga komponen tersebut tidak seluruhnya terbuat dari material yang mahal. Skema weld overlay secara umum :

Gambar 2.1 Skema Weld Overlay

Yang harus diperhatikan dalam teknik weld overlay adalah ketebalan dari lapisan weld metal. Hal lain yang harus diperhatikan juga adalah posisi pengelasan, karena beberapa metoda pengelasan memiliki keterbatasan pada posisi pengelasannya. Sebagai contoh adalah SAW hanya bisa digunakan pada posisi horizontal. Untuk proses yang menghasilkan weld metal yang lebar dan lambat membeku, maka posisi vertikal atau overhead sulit atau bahkan mustahil untuk dilakukan.

Tugas Akhir

8


Hal penting lainnya adalah mikrostruktur dari logam lasan yang dipengaruhi oleh parameter pengelasan. Apabila parameter tersebut diubah, maka mikrostruktur yang dihasilkan juga berubah dan sifatnya pun berubah.

2.3. Submerged Arc Welding Submerged Arc Welding adalah proses pengelasan busur listrik dimana busur listrik tersebut dilindungi oleh butiran flux sehingga tidak dipengaruhi oleh atmosfer lingkungan. Panas yang dihasilkan dalam proses pengelasan berasal dari busur listrik antara elektroda berupa kawat lasan dan benda kerja. Kelebihan dari proses SAW adalah : Busurnya

dilindungi

flux

sehingga

mengurangi

kilatan,

percikan, dan asap dari busur Arus yang tinggi sehingga meningkatkan penetrasi hasil lasan Memungkinkan untuk laju pengendapan dan laju kawat yang tinggi Biaya untuk satu satuan panjang sambungan relatif rendah Flux mampu menghilangkan unsur pengotor seperti oksigen, nitogren, dan sulfur dari hasil lasan Bisa menghasilkan hasil lasan dengan kadar hidrogen yang rendah

Tugas Akhir

9


Perlindungan

oleh

flux

sangat

substansial

dan

tidak

dipengaruhi oleh angin. Lain halnya pada pengelasan TIG dan MIG Flux yang digunakan bisa didaur ulang sesuai dengan prosedur Kekurangan dari SAW adalah :

Biaya awal untuk pencatu daya, alat kontrol, wire feeder, dan flux-handling tinggi

Sambungan harus diletakkan secara datar atau horizontal agar flux bisa digunakan

Slag yang dihasilkan harus dihilangkan sebelum dilakukan proses pengelasan berikutnya

Karena membutuhkan masukan panas yang tinggi, proses ini digunakan untuk mengelas pelat dengan ketebalan lebih dari 6,4 mm

Proses SAW ini yang paling banyak dilakukan untuk melakukan weld overlay. Hal ini disebabkan karena bisa menghasilkan hasil lasan yang lebar dalam waktu yang cepat. Proses pengelasan ini bisa diatur dengan penggunaan kawat las tunggal (single wire) atau lebih (multiple wire) ataupun pelat (strip). Proses SAW umumnya menggunakan arus bolak-balik

(alternating current), tapi terkadang arus searah (direct

current) bisa digunakan.

Tugas Akhir

10


Kawat las tunggal umumnya yang sering dipakai pada proses weld overlay yang terbatas daerah lasnya atau yang terbatas masukan panasnya (heat input). Diameter kawat las biasanya berukuran 1,6 hingga 4,8 mm. Kawat dengan diameter kecil dengan proses osilasi digunakan untuk menghasilkan pencairan (dilution) yang kecil, untuk menghasilkan manik las yang lebar (hingga 25 mm), dan untuk menghasilkan batas manik las yang seragam.

2.4. Persentase Pencairan Pada Proses Pengelasan Untuk pengontrolan komposisi kimia dari hasil lasan bisa dilihat dari

persentase

dilution

(pencairan).

Persentase

pencairan

membandingkan antara banyaknya base metal yang mencair dan logam pengisi yang mencair. Yang membedakan antara pengelasan suatu sambungan dengan pengendapan logam melalui proses pengelasan overlay adalah area dari pencairan. Untuk proses overlay, persentase pencairan dihitung dengan cara jumlah base metal yang mencair (x) dibagi dengan total pencairan base metal dan filler metal (x+y). Perhitungannya berdasarkan rumus berikut. %dilution

=x/(x+y)

Pada proses overlay baja tahan karat harus diperhatikanpengaruh persentase pencairan logam pengisi dengan base metal terhadap keseimbangan komposisi dan metalurgi, seperti kadar ferit yang tepat

Tugas Akhir

11


untuk mengurangi kerentanan terhadap retak, kehadiran martensit padahasil lasan dan sebagainya. Secara

umum

parameter-parameter

yang

mempengaruhi

persentase pencairan pada suatu proses pengelasan adalah sebagai berikut.

Kuat Arus, semakin tinggi arus, semakin tinggi pencairan

Polaritas. DCEN menghasilkan pecairan yang lebih kecil dibanding

DCEP.

Arus

bolak-balik

menghasilkan

pencairan di antaranya.

Ukuran elektroda. Semakin kecil elektroda, dengan ampere yang kecil akan menghasilkan pencairan yang kecil

Kecepatan Las. Semakin tinggi kecepatan las akan menghasilkan pencairan yang semakin banyak

Osilasi. Semakin lebar osilasi elektroda akan mengurangi pencairan

Tugas Akhir

Posisi pengelasan.

Pelindung busur las

Filler metal tambahan

12


2.5. Teori Analisa Elemen Tak Hingga (Finite Element Analysis) Metode Elemen Tak Hingga (FEA) pertama kali dikembangkan pada tahun 1943 oleh R. Courant, dengan menggunakan metode Ritz untuk menghitung getaran yang terjadi di suat mesin. Tahun 1956 sebuah tulisan berjudul “Stiffness and Deflection of Complex Structures” di terbitkan oleh M. J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, and L. J. Topp mendefinisikan lebih luas mengenai analisa elemen tak hingga. Awal tahun 70-an, penggunaan Analisa Elemen Tak Hingga (FEA) terbatas hanya pada industri pesawat terbang, otomotif, militer , dan industri nuklir karena mahalnya perangkat komputer. Sejak menurunnya biaya perakitan dan kemajuan pesat teknologi komputer, FEA telah dikembangkan sampai tahap ketelitian hasil yang tinggi. Sekarang sebuah komputer yang sangat canggih dapat melakukan perhitungan dan menampilkan hasil yang sangat akurat untuk semua parameter yang dimasukan.

2.5.1. Definisi Analisa Elemen Tak Hingga (FEA) FEA adalah teknik simulasi komputer yang menggunakan Metode Elemen Tak Hingga untuk melakukan perhitungan persamaan parsial maupun diferensial suatu desain atau konstruksi. Terdiri dari rancangan atau material yang di modelkan di komputer, kemudian disimulasikan sesuai dengan kondisi yang diinginkan. Analisa Elemen Tak Hingga digunakan baik pada rancangan produk baru atau rancangan yang sudah

Tugas Akhir

13


ada yang ingin diperbaiki lagi. Kita dapat melakukan verifikasi sebuah rancangan dengan metode ini untuk mengetahui apakah rancangan tersebut dapat berfungsi sesuai spesifikasi yang diinginkan sebelum dilakukan proses fabrikasi. Umumnya ada 2 type analisis yang digunakan pada dunia industri : 1. 2-D model Untuk 2-D model memerlukan spesifikasi komputer yang standar. Model ini keakuratan hasil perhitungannya masih di bawah 3-D model.

Gambar 2.2. Contoh gambar 2-D dimodelkan di komputer

Tugas Akhir

14


2. 3-D model 3-D modeling memiliki keakuratan hasil penghitungan yang tinggi sehingga memerlukan spesifikasi komputer yang lebih tinggi daripada 2-D model. Berikut ini contoh gambar untuk 2-D dan 3-D model :

Gambar 2.3. Contoh gambar 3-D yang dimodelkan di komputer

FEA menggunakan sistem titik yang kompleks yang disebut “nodes”. Nodes biasanya terletak pada sudut maupun ditengah garis sisi dari model. Kumpulan nodes tersebut dihubungkan dengan garis yang akan membentuk jaring yang disebut “mesh”.

Tugas Akhir

15


Gambar 2.4. Contoh gambar dari Mesh

Mesh diprogram dengan cara memasukan parameter-parameter yang berisi sifat material dan struktur dari desain yang akan kita simulasi. Mesh akan menunjukan reaksi dari struktur jika mendapat beban dengan nilai tertentu. Nodes memiliki kepadatan tertentu tergantung pada antisipasi level stress untuk area tertentu. Area yang menerima stress yang cukup tinggi biasanya memiliki kepadatan nodes yang tinggi dibanding area yang menerima stress kecil.

Tugas Akhir

16

BAB III DATA PENGAMATAN


3.1. Benda Kerja 3.1.1. Kondisi Kerja Dan Material Komponen yang diperbaiki adalah sebuah agitator milik PT Risjad Brasali. Komponen ini berfungsi sebagai pengaduk bahan-bahan kimia berupa gel pada perusahaan tersebut. Berikut data umum mengenai agitator tersebut : Nama

: Mischwerk Mixing Tool HRT 30000

Pemilik

: PT Risjad Brasali

Putaran (max)

: 33 rpm

Daya

: 400 kW

Torsi (max)

: 230000 Nm

Temperatur Kerja (max) : 70o C Proses pengadukan tersebut melibatkan :

• Iso Proparol Alkohol (IPA) • Monochlora Acetic Acid • Sodium Hydroxyde • Hydrogen Peroxide

Tugas Akhir

17


Poros agitator ini memiliki 16 lengan pengaduk yeng berfungsi mengaduk bahan kimia tersebut di atas. Lengan tersebut memiliki sudut 25o dari porosnya. Dimensi dan geometri dari agitator bisa dilihat pada gambar di bawah berikut.

Gambar 3.1. Dimensional Agitator

Tugas Akhir

18


Gambar 3.2. Foto dari Agitator

Agitator ini terbuat dari baja tahan karat dengan kelas AISI 904L. Komposisi kimia kelas ini bisa dilihat dari tabel berikut: Grade Min Max

C 0.02

Mn 2.00

Si 1.0

P -

S -

904L 0.045 0.035

Cr 19.0

Mo 4.0

Ni 23.0

Cu 1.0

23.0

5.0

28.0

2.0

Tabel 3.1 Komposisi Kimia AISI 904L

3.1.2. Kerusakan Poros Agitator Poros agitator mengalami retak yang melingkar sepanjang ¾ keliling porosnya. Retak ini mengakibatkan perubahan dimensi pada

Tugas Akhir

19


porosnya sehingga 2 buah lengan pengaduknya mengenai permukaan dalam dari rumah reaktor (reactor housing). Akibatnya pada rumah tersebut terdapat cacat goresan yang cukup besar. Letak retakan pada poros agitator berada pada dekat lengan no. 7. Gambar serta posisi retak dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 3.3. Posisi retak pada poros Agitator

Untuk lebih jelas dari kondisi kerusakan pada poros Agitator dapat dilihat dari beberapa foto dibawah ini.

Tugas Akhir

20


Gambar 3.4 Letak Retak Pada Agitator

Gambar 3.5 Alur Retak Pada Agitator

Tugas Akhir

21


Dari hasil analisa kegagalan terhadap poros agitator ini disebutkan bahwa penyebab keretakan tersebut adalah adanya retak mikro (microcrack) pada hasil pengelasan lengan pengaduk ke porosnya. Retak tersebut bermula dari terbentuknya solidification crack, yang disebabkan adanya fasa-fasa bertemperatur cair rendah pada hasil lasan. Akibatnya pada saat pendinginan dan penyusutan terjadi, retak semakin panjang dan berubah menjadi retak makro (macrocrack). Pengamatan pada HAZ (Heat Affected Zone) menunjukkan adanya microcrack yang dikenal dengan liquation crack atau HAZ crack. Retak ini juga terjadi akibat adanya fasa bertemperatur cair rendah pada batas butir di dalam kristal. Retak ini bisa berkembang dengan adanya deformasi plastik pada sambungan las. Kedua retak di atas, solidification crack dan liquation crack, dikenal sebagai retak panas (hot cracking).

3.2. Proses Pengelasan 3.2.1. Poros Sambungan Pada proses perbaikan agitator digunakan poros sambungan sebagai penyambung antara dua bagian poros agitator yang dipotong untuk menghilangkan bagian retaknya. Poros sambungan tersebut terbuat dari material yang berbeda dengan material agitator kemudian di-overlay dengan material yang sama dengan agitator tersebut.

Tugas Akhir

22


Base metal dari poros sambungan tersebut terbuat dari kelas AISI 316L. Komposisi kimia dari kelas ini bisa dilihat dari tabel berikut. Grade min 316L max

C -

Mn -

Si -

P -

S -

Cr 16.0

Mo 2.0

Ni 11.0

N -

0.030

2.00

0.75

0.045

0.030

18.0

3.0

14.0

0.1

Tabel 3.2 Komposisi Kimia Kelas AISI 316L

Extension shaft ini akan disambung dengan dua bagian poros agitator yang telah dipotong. Dimensi dari extension shaft bisa dilihat dari gambar berikut.

Gambar 3.6 Dimensi Poros Sambungan

3.2.2. Parameter Proses Pengelasan Poros Sambungan Proses

pengelasan

weod

overlay

poros

sambungan

menggunakan proses pengelasan SAW (Submerged Arc Welding) untuk menghasilkan manik las yang lebar dalam waktu yang cepat. Proses SAW pada overlaying poros sambungan harus menggunakan filler metal yang

Tugas Akhir

23


sesuai dengan material dari poros agitator, AISI 904L, dengan harapan permukaan poros agitator nantinya akan sama seluruhnya. Filler metal yang digunakan adalah ER 385 yang banyak digunakan untuk mengelas AISI 904L. Parameter pengelasan SAW yang digunakan adalah sebagai berikut. 1. Wire Diameter

: 1,6 mm

2. Surface Speed

: 21 ipm

3. Arus listrik

: 220 A

4. Strike Tegangan

: 29 V

Wire Speed

: 77 ipm

5. Weld Time Tegangan

: 31 V

Wire Speed

: 155 ipm

6. Axial Travel Speed : 7 ipm 7. Lama Pengelasan : 206 dt/rotasi 8. Jumlah Lapisan

Tugas Akhir

: 6 lapisan

24


Berikut adalah gambar pelaksanaan overlay poros sambungan.

Gambar 3.7 Pengelasan Overlay poros sambungan

3.3. Prosedure pemrograman Finite Element Analysis menggunakan MSC visualNastran 4D Analisa stress dilakukan bertujuan untuk mengetahui distribusi stress sepanjang poros. Langkah ini dilakukan untuk mencari data posisi stress tertinggi yang mengakibatkan poros retak. Analisa stress dilakukan menggunakan Finite Element Method CAE MSC visualNastran 4D dimana rotor dikonstruksi ulang tiap bagianya yang terdiri dari Plate Element dan Rigid Element. Rigid Element dibuat untuk mengetahui beban yang diterima oleh tiap-tiap blade. Agitator yang dimodelkan dengan FEA terdiri dari 9,366 element dan 9,287 nodes.

Tugas Akhir

25


1) Buka visualNastran 4D (vN4D). Dari Start Menu pilih : All Programs, MSC.visualNastran Desktop, MSC.visualNastran 4D.

Gambar 3.7 ikon MSC visualNastran 4D

2) Import gambar yang akan disimulasi. Dari File menu pilih open dan klik file yang akan di import. Pada ikon Specify length pilih satuan yang dipakai (In atau mm). Klik Open.

Gambar 3.8 Tampilan File Menu

3) Verifikasi Model. Klik kanan pada model dan pilih Properties. Pilih tab Geometry. Masukkan dimensi dari model. Width, Length dan Height.

Tugas Akhir

26


Gambar 3.9 Tampilan Properties 4) Setting Units. Dari menu World pilih Display Settings. Pada tab Display Settings klik tab Units. Dari Unit System klik ke bawah, pilih satuan unit yang akan dipakai, misalkan English(slugs).

Gambar 3.10 Tampilan Display Setting 5) Proses Meshing pada model. Klik kanan pada objek model and pilih Properties. Klik tab FEA dan klik Include in FEA pada checkbox. Klik tab Mesh, tunggu beberapa menit

Tugas Akhir

27


sampai komputer menampilkan gambar mesh di layar, kemudian klik Show mesh checkbox.

Gambar 3.11 Tampilan Properties. Untuk mendapatkan tampilan mesh yang akurat dapat mensettingnya dengan cara klik tab Default mesh size masukkan 0.125 dan klik Apply. Klik Mesh dan tunggu sampai muncul kembali tampilan mesh di layar.

Gambar 3.12 Model setelah proses Meshing.

Tugas Akhir

28


5) Pemilihan Material. Klik kanan pada objek dan pilih Properties kemudian klik tab Materials. Klik kursor ke bawah untuk menetukan material yang diinginkan. Jika tidak terdapat jenis material yang diinginkan dapat menambahkan material pada daftar yang ada, dengan cara klik Material Library atau Create Material. 6) Menambahkan Load pada Model.

Dari menu Insert klik Force (atau klik icon

). Klik pada model,

kemudian klik tiap-tiap lengan dari model tempat terjadinya gaya.

Gambar 3.13 Gaya yang ditambahkan pada Model. Klik kanan pada panah , kemudian pilih Properties. Dibawah tab Appearance klik Name dan ketik Left Force. Dibawah tab Structural

Tugas Akhir

29


Load ubah koordinat X, Y, and Z to 0, 100, dan 0. Ulangi prosedur diatas sampai 8 kali (ada 8 lengan yang arah gayanya ke kiri).

Gambar 3.14 Tampilan Force Properties. Selanjut ulangi lagi prosedur diatas untuk gaya ke kanan. Klik kanan pada panah , kemudian pilih Properties. Dibawah tab Appearance klik Name dan ketik Right Force. Dibawah tab Structural Load ubah koordinat X, Y, and Z to 0, 100, dan 0. Ulangi prosedur diatas sampai 8 kali (ada 8 lengan yang arah gayanya ke kanan). 7) Run Stress Finite Element Analysis. Untuk melakukan proses FEA solver, klik tombol Solve FEA. Komputer akan melakukan penghitung stress yang akan terjadi pada model, tingkat stress pada tiap bagian dari model dibedakan dengan warna yang

Tugas Akhir

30


berbeda. Sedangkan untuk mengetahui nilai stress yang terjadi klik World, kemudian pilih Display Settings, FEA Display, and Contour Data. Pada layar sebelaah kanan pilih Stress kemudian ubah dari von Mises ke MAX_PRINCIPAL.

Gambar 3.15 Tombol Solve FEA.

Tugas Akhir

31


Gambar 3.16 Kontur Von Misses.

Tugas Akhir

32

BAB IV ANALISIS

BAB IV ANALISIS

4.1. Material Benda Kerja & Extension Shaft 4.1.1 Material Benda Kerja Benda kerja adalah agitator yang berfungsi mengaduk bahanbahan kimia yang bersifat korosif. Bahan-bahan kimia tersebut antara lain IPA, Monochlora Acetic Acid, Sodium Hydroxyde, dan Hydrogen Peroxide berupa gel. Agitator ini terbuat dari AISI 904L yang memiliki kandungan kimia seperti pada tabel 3.1. Material ini merupakan non-stabilised low carbon austenitic stainless steel. Non stabilised berarti material ini tidak mengandung unsur-unsur penstabil yang bisa mencegah terjadinya sensitisasi pada baja tahan karat. Baja tahan karat ataupun baja paduan tinggi umumnya rentan terhadap fenomena sensitisasi. Fenomena ini terjadi pada saat temperatur benda mencapai 400o – 850o C. Pada rentang temperatur tersebut, unsur Cromium (Cr) akan bereaksi dengan karbon (C) membentuk karbida. Reaksinya sebagai berikut.

Cr + C Æ CrxOy Reaksi ini banyak terjadi di batas butir austenit. Pada batas butir akan kekurangan cromium (Cr depletion) akibatnya Fe akan mudah teroksidasi

Tugas Akhir

33

BAB IV ANALISIS

oleh oksigen sehingga menimbulkan karat pada batas butir (intergranular attack). Dengan penggunaan kelas “L” (low carbon), fenomena ini bisa dikurangi, karena karbon yang maksimum dikandung adalah 0,03%, sehingga kemungkinan karbida krom terbentuk adalah kecil. Cara lainnya adalah dengan adanya unsur-unsur penstabil yang akan membentuk karbida pada rentang temperatur tersebut sehingga karbida Cr tidak terbentuk. Untuk penstabil pada baja tahan karat antara lain titanium (Ti) dan niobium (Nb). Material AISI 904L merupakan salah satu jenis stainless steel yang memiliki kadar karbon rendah (kelas “L”), sehingga walaupun merupakan non-stabilised stainless steel (tidak mengandung unsur penstabil), tetapi kelas ini tidak begitu rentan terhadap intergranular attack. Berdasarkan kompisisi kimianya pada tabel 3.1, kelas 904L ini memilki kelebihan tertentu antara lain, kandungan nikel (Ni) yang tinggi akan

meningkatkan

ketahanan

terhadap

SCC

(Stress

Corrosion

Cracking). Molybdenum (Mo) akan meningkatkan ketahanan terhadap pitting dan crevice corrosion. Adanya kandungan tembaga (Cu) akan meningkatkan ketahanan terhadap sulphuric acid dan reducing acid lainnya.

Tugas Akhir

34

BAB IV ANALISIS

Dengan kelebihannya tersebut, maka kelas 904L ini sesuai dengan kondisi kerja agitator yang berhubungan dengan bahan-bahan kimia yang merupakan medium korosi.

4.1.2 Material Extension Shaft Extension shaft merupakan poros pengganti bagian agitator yang dipotong untuk menghilangkan bagian retaknya. Extension shaft ini jelas harus memiliki sifat yang sama dengan poros agitator. Artinya extension shaft ini harus terbuat dari AISI 904L. Apabila digunakan poros penyambung dari 904L maka akan dibutuhkan biaya yang tidak sedikit, karena kelas ini mahal harganya akibat banyaknya kandungan nikel dan molybdenum. Untuk mengurangi biaya, digunakan poros yang terbuat material lain yang kualitasnya lebih rendah dibandingkan dengan 904L. Untuk mencapai sifat permukaan yang sama dengan poros agitator, material ini selanjutnya dilapisi dengan 904L dengan proses weld overlay. Hal ini bisa dilakukan karena penggunaan ketahanan karat dari agitator ini hanya pada bagian permukaan luarnya saja. Bagian luar ini yang berhubungan dengan medium korosi. Bagian dalam dari poros agitator tidak berhibungan dengan medium apapun, sehingga tidak membutuhkan ketahanan korosi yang tinggi. Pada proses pemilihan material base metal untuk proses weld overlay extension shaft diperhitungkan kemungkinan adanya gel-gel

Tugas Akhir

35

BAB IV ANALISIS

bersifat korosif yang masuk ke dalam poros agitator. Hal ini benar terjadi yaitu saat penerimaan agitator, terlihat bekas-bekas gel pada permukaan dalam poros agitator. Kemungkinan masuknya gel ini harusnya sangat kecil, bahkan mustahil, karena apabila gel tersebut masuk, berarti terjadi retak pada permukaan poros agitator. Untuk mencegah kemungkinan terjadinya korosi pada permukaan dalam extension shaft apabila terjadi keretakan lagi, maka untuk base metalnya dibutuhkan material yang yang memiliki ketahanan korosi yang cukup bagus dan mendekati kemampuan dari kelas AISI 904L. Jenis baja tahan karat yeng memiliki sifat mirip dengan 904L dapat dilihat dari tabel berikut.

Grade 316L

Karakteristik Lebih murah, tetapi ketahan korosinya lebih rendah. Digunakan bila kebutuhan akan ketahanan terhadap pitting dan

6Mo crevice corrosion meningkat Sangat mirip dengan 904L. Dengan 2205 didapatkan kekuatan 2205

mekanik yang lebih tinggi dan harganya lebih murah dibanding 904L. 2205 tidak cocok untuk temperatur kerja di atas 300o C.

Super

Digunakan apabila dibutuhkan ketahan korosi dan kekuatan

Duplex

mekanik yang lebih tinggi. Tabel 4.1 Material yang Sesuai Dengan AISI 904L

Tugas Akhir

36

BAB IV ANALISIS

Dari 4 material yang memiliki sifat mirip dengan 904L, kelas 316L yang memiliki harga paling murah. Komposisi kimia kelas ini bisa dilihat pada tabel 3.2. Kelas ini termasuk baja tahan karat austenitik dan memiliki kadar krom dan nikel yang cukup untuk ketahanan korosi. Kelas ini juga mengandung molybdenum yang berfungsi mencegah pitting corrosion. Dibandingkan dengan kelas 904L, 316L jauh lebih murah. Harga untuk 904L solid dua kali lipat dari harga 316L. Oleh karena itu kemudian dipilih AISI 316L. 316L termasuk kelas “L” (low carbon) dengan kadar karbon maksimum 0,03%. Hal ini memberi keuntungan karena akan mengurangi kerentanan hasil pengelasan terhadap fenomena sensitisasi. Terlebih logam pengisi nantinya merupakan material 904L yang juga low carbon sehingga kadar karbon pada logam las yang dihasilkan akan rendah.

4 .2. Proses Weld Overlay 4.2.1. Perhitungan Persentase Pencairan Pada Logam Lasan Untuk menghitung persentase pencairan pada pengelasan, bisa dilakukan pengujian struktur makro. Pengujian ini dilakukan dengan cara melakukan etsa makro terhadap benda kerja yang sudah dilas. Setelah dietsa, akan terlihat jelas batas pencairan dan batas daerah HAZ (Heat Affected Zone). Kemudian dihitung luas daerah masing-masing.

Tugas Akhir

37

BAB IV ANALISIS

Pada proses pengelasan overlay agitator ini, tidak dilakukan pengujian makro terhadap hasil lasan. Penulis dalam melakukan penghitungan persentase pencairan menggunakan rumus yang biasa digunakan untuk proses pengelasan SAW. Berikut ini data-data yang didapat di lapangan untuk melakukan perhitungan : Arus Pengelasan (I) = 220 A Diameter Kawat (d) = 1/16 in Electrode stickout (L) = 1,5 in Kecepatan Las (S)

= 21 ipm

Rumus ini hanya memasukkan parameter arus dan diameter kawat serta kecepatan lasan dalam perhitungannya. Rumus tersebut adalah sebagai berikut. Untuk kecepatan pencairan elektrode (MR) :

I ⎡ 2 − 7 ⎛ IL ⎞ MR = ⎢0.35 + d + 2.08 × 10 ⎜ 2 ⎟ 1000 ⎢⎣ ⎝d ⎠

1.22

⎤ ⎥ ⎥⎦

= 220/1000[0.35+1/162+2.08x10-7(220x1.5/1/162] MR = 0.125 lb/min Dimana: MR = Electrode Melting Rate (lb/min) I

= Kuat Arus Pengelasan (A)

d

= diameter kawat (in)

L

= electrode stickout (in)

Tugas Akhir

38

BAB IV ANALISIS

Luasan pengelasan (A):

A=

I 1.55 10 3.95 S 0.903

A = 2201.55/(103.95x210.903) A = 0.0307 in2 Dimana: A = Area of Weld Bead (in2) I = Kuat Arus Pengelasan (A) S = Kecepatan Las (ipm) Persentase pencairan :

% dilution = 100 −

353MR AS

= 100-(353x0.125)/(0.0307x21) = 32 % Dimana A

= Area of Weld Bead (in2)

% dilution

= persentase pencairan

S

= Kecepatan Las (ipm)

MR

= Electrode Melting Rate (lb/min)

Jadi pada pengelasan overlay extension shaft agitator terjadi pencairan base metal sebanyak 32 % dari total hasil lasan.

Tugas Akhir

39

BAB IV ANALISIS

4.2.2. Prediksi Mikrostruktur Pada Logam Lasan Pada proses pengelasan weld overlay extension shaft, bisa diperkirakan fasa-fasa yang terdapat pada mikrostrukturnya. Perkiraan fasa pada hasil pengelasan menggunakan parameter-parameter atau prosedur

pengelasan.

Dalam

memperkirakan

fasa

tersebut,

bisa

menggunakan diagram Schaeffler yang memperhitungkan komposisi kimia dari base metal dan filler metal serta proses pengelasan yang digunakan. Penghitungan komposisi kimia menggunakan rumus di bawah ini. Nieq = %Ni + 30 x %C + 0,5 x %Mn Creq = %Cr + %Mo + 1,5 x %Si + 0,5 % Nb Base metal yang digunakan dalam proses pengelasan adalah AISI 316L dengan komposisi kimia 0.03C—2.00Mn—1.00Si—16-18Cr—1014Ni—0.045P—0.03S—2-3Mo. Dan filler metal yang digunakan adalah ER 385 dengan komposisi kimia

0.025C—1.0-2.5Mn—0.5Si—19.5-

21.5Cr—24-26Ni—0.02P—0.03S—4.2-5.2Mo—1.2-2.0Cu Dengan menggunakan tersebut di atas maka dapat dihitung Nieq dan Creq dari base metal dan filler metal. Nieq (316L)

= 14,4

Creq (316L)

= 20,6

Nieq (ER 385) = 27,1 Creq (ER 385) = 27 Hasil perhitungan tersebut kemudian diplotkan pada diagram Schaeffler untuk menentukan fasa pada hasil lasan.

Tugas Akhir

40

BAB IV ANALISIS

ER 385 32% dilution

316L

Tabel 4.2 Diagram Schaeffler Pengelasan

Titik yang menunjukkan fasa hasil pengelasan terletak pada garis yang menghubungkan base metal dan filler metal. Posisinya tergantung dari besar persentase dilution yang terjadi saat pengelasan. Sebagian besar garis penghubung terletak pada daerah 100% austenit.

Jadi

dapat

diperkirakan

bahwa

hasil

pengelasan

akan

mempunyai fasa fully austenitic. Fasa ferit bisa muncul apabila persentase dilution di atas 70%. Proses pengelasan yang dilakukan adalah weld overlay yang berarti dilakukan pengelasan berlapis. Banyaknya lapisan logam lasan adalah sebanyak 6 lapis. Perkiraan fasa hasil lasan untuk pengelasan

Tugas Akhir

41

BAB IV ANALISIS

yang berlapis dilakukan dengan menghubungkan garis antara filler metal dengan titik hasil lasan sebelumnya. Titik tersebut semakin banyak lapisan akan semakin mendekati titik filler metal yang berarti semakin memasuki daerah 100% austenit.

Hal ini semakin menguatkan perkiraan yang

dilakukan bahwa hasil lasan weld overlay material 316L dengan logam pengisi ER 385 akan menghasilkan logam lasan yang berfasa 100% austenit. Dengan menggunakan hasil perhitungan persentase pencairan di atas yaitu terjadi 32% pencairan. Akan didapat titik yang berada daerah fully austenitic. Pada diagram Schaeffler, titik tersebut ditunjukkan oleh tanda panah. Hasil pengujian kemampuan megnetiknya menunjukkan bahwa lapisan logam lasan sama sekali tidak terpengaruh oleh magnet. Demikian juga dengan poros utamanya yang terbuat dari AISI 904L yang fully austenitic. Hasil pengujian magnetik semakin menguatkan dugaan bahwa hasil lasan merupakan fully austenitic. Karena dari diagram fasa Fe-Fe3C, fasa austenit berada di atas garis Curie yang berarti bersifat non-magnetik. Fasa austenit bisa bersifat non-magnetik apabila seluruh fasanya adalah austenit (fully austenitic), tidak ada fasa ferit atau yang lainnya.

Tugas Akhir

42

BAB IV ANALISIS

4.2.3. Prediksi Komposisi Kimia Hasil Lasan Error! Bookmark not defined.Komposisi kimia dari hasil suatu hasil lasan bisa diketahui dengan menguji hasil lasan tersebut dengan menggunakan teknik spektroskopi massa. Pada proses pengelasan overlay agitator, penulis hanya memprediksi komposisi kima hasil pengelasan dengan menggunakn data-data yang ada. Proses

prediksi

komposisi

kimia

ini

menggunakan

hasil

perhitungan persentase pencairan (% dilution). Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut. %w Y = XA %w YA + XB %w YB %w Y = persen berat unsur Y di hasil lasan %w YA = persen berat unsur Y di base metal %w YB = persen berat unsur Y di filler metal XA

= fraksi mol base metal di hasil lasan

XB

= fraksi mol filler metal di hasil lasan

XA + XB = 1 Dengan menggunakan persentase pencairan (% dilution) proses pengelasan sebesar 32%, dan memperhitungkan jumlah layer yang dihasilkan, didapat hasil sebagai berikut.

Tugas Akhir

43

BAB IV ANALISIS

C Mn P S Si Cr Ni Mo Ni Cu

316L 0.03 2 0.045 0.03 0.75 17 12.5 2.5 0.1 -

904L 0.02 2 0.045 0.035 1 21 25.5 4.5 1.5

Layer 1 Layer 2 0.0232 0.021 2 2 0.045 0.045 0.0334 0.0344 0.92 0.974 19.72 20.59 21.34 24.16 3.86 4.29 0.032 0.01 1.08 0.73

Layer 3 Layer 4 Layer 5 Layer 6 0.0203 0.0201 0.02 0.02 2 2 2 2 0.045 0.045 0.045 0.045 0.0348 0.0349 0.0349 0.0349 0.991 0.997 0.999 0.999 20.87 20.95 20.98 20.99 25.07 25.36 25.45 25.48 4.43 4.47 4.49 4.49 0.0032 0.001 0.00032 0.0001 0.496 0.373 0.229 0.155

Tabel 4.3 Komposisi Kimia Hasil Pengelasan

Penghitungan ini menggunakan asumsi bahwa proses pengelasan berjalan dengan sempurna dan tidak ada pengotor-pengotor pada permukaan benda kerja yang dapat mempengaruhi komposisi kima hasil lasan.

Pengotor tersebut misalnya adanya minyak atau oli pada

permukaan benda kerja akibatnya akan mempengaruhi kandungan sulfur (S) dan fosfor (P).

Adanya peningkatan unsur-unsur pengotor akan

meningkatkan kerentanan hasil lasan terhadap retak. Apabila asumsi yang digunakan benar, maka bisa dilihat bahwa hasil pengelasan overlay akan menghasilkan hasil lasan yang memiliki komposisi mendekati kelas 904L. Hal ini berarti pada komposisi kimia permukaan paling luar extension shaft sama dengan komposisi kimia dari shaft agitator. Dengan hal ini diharapkan extension shaft akan memiliki sifat dan karakteristik yang sama dengan poros utamanya.

Tugas Akhir

44

BAB IV ANALISIS

4.2.4. Masukan Panas Proses pengelasan baja tahan karat austenitik sangat rentan terhadap retak panas. Cacat ini bisa dihindari dengan adanya kandungan ferit pada hasil lasannya, minimal 3% volume. Pada proses pengelasan overlay extension shaft, keberadaan ferit sulit dimunculkan, walaupun dengan perubahan parameter pengelasan. Hal ini bisa dilihat dari diagram Schaeffler. Posisi base metal dan filler metal pada diagram tersebut menunjukkan hasil lasan tidak mengandung ferit, semuanya austenit. Kondisi fully austenit ini jelas menghasilkan hasil lasan yang sangat rentan terhadap retak panas. Untuk

menghindari

terjadinya

retak

panas,

pada

proses

pengelasan yang menghasilkan fasa fully austenitic, digunakan masukan panas yang serendah mungkin. Masukan panas yang rendah ditujukan untuk mengurangi terbentuknya senyawa-senyawa yang bertemperatur cair rendah. Dengan masukan panas yang kecil, pengkasaran butir-butir austenit akan bisa dikurangi. Apabila ukuran butir austenit meningkat, kecenderungan terjadinya retak panas akan meningkat, karena fasa bertemperatur cair rendah akan lebih mudah terakumulasi pada butir yang membesar. Pada saat proses pengelasan overlay, diusahakan agar masukan panas yang dihasilkan selama proses pengelasan kecil. Oleh karena itu digunakan parameter pengelasan dengan nilai yang minimal dari yang

Tugas Akhir

45

BAB IV ANALISIS

direkomendasikan

dari

produsen

filler

metal.

Parameter

yang

direkomendasikan adalah sebagai berikut. Kuat Arus

= 210-250 A

Voltase

= 29-32 V

Kec. Las

= 20-30 ipm

Heat Input max

= 1,5 kJ/mm

Masukan panas (heat input) dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut. HI =

60 V I v

HI

= Heat input (J/in)

V

= voltase (V)

I

= kuat arus (A)

v

= kecepatan Las (ipm)

Dengan menghitung parameter pengelasan yang digunakan, yaitu Kuat Arus

= 220 A

Voltase

= 31V

Kec. Las

= 21 ipm

dapat diketahui bahwa masukan panas selama proses pengelasan overlay adalah sebesar : HI

= 60x220x31/21 = 194856 J/in = 0.77 kJ/mm

Tugas Akhir

46

BAB IV ANALISIS

Besar masukan panas yang terjadi di bawah batas maksimal yang direkomendasikan, sehingga kerentanan terhadap retak panas bisa dikurangi. Hasil pengujian NDT (Non Destuctive Test) dengan metode ultra sonic menunjukkan bahwa pada hasil lasan tidak terjadi keretakan, sehingga bisa disimpulkan bahwa masukan panas yang dihasilkan sudah sesuai dengan keinginan untuk mencegah retak.

4.2.5. Perlakuan Terhadap hasil Lasan Ketahanan korosi dari baja tahan karat dimulai dengan reaksi antara permukaan baja dengan oksigen, membentuk lapisan tipis sebagai pelindung dari karat. Lapisan ini adalah lapisan oksida, sering disebut dengan lapisan pasif, dan proses pembentukannya disebut dengan passivation. Korosi bisa muncul pada baja tahan karat apabila laipsan tipis oksida ini rusak, terganggu, atau kekurangan krom (Cr depletion). Hal ini bisa terjadi setelah baja ini berada pada temperatur yang tinggi, salah satu contohnya adalah saat pengelasan. Untuk memperbaiki lapisan oksida yang rusak setelah pengelasan bisa dilakukan dengan 2 cara yaitu secara mekanik dan secara kimia. Cara mekanik menggunakan gerinda untuk menghilangkan lapisan yang rusak dan memperbaiki permukaan hasil lasan, karena lapisan oksida akan semakin bagus dan kontinyu apabila permukaannya halus. Cara

Tugas Akhir

47

BAB IV ANALISIS

kimia menggunakan asam untuk menghilangkan kerak, slag, dan pengotor lainnya. Cara ini desebut dengan pickling. Setelah dilakukan pembersihan dari kotoran, untuk membangun kembali lapisan oksida (proses passivation), bisa hanya dengan cara dibiarkan di udara bebas ataupun dengan menggunakan asam untuk meningkatkan laju terbentuknya lapisan oksida. Pada proses pengelasan agitator ini, setelah dilas dilakukan proses dressing dan blending untuk menghaluskan permukaan las, kemudian dilanjutkan dengan proses pickling dengen menggunakan gel selama 1 jam. Kemudian hasil lasan dibiarkan di udara bebas untuk membentuk lapisan oksidanya secara otomatis.

4.3. Analisa Stress Pada Lengan Pengaduk Dan Poros Agitator Dengan Finite Element Method 4.3.1. Analisa Beban dan Perhitungan pada Poros Diandaikan bahwa beban yang terjadi pada poros adalah Beban Statik.Besarnya beban yang terjadi pada poros sebanding dengan beban torsi maksimal pada motor yaitu 230.000 Nm. Gaya torsi tersebut kemudian dikonversikan menjadi gaya normal pada tiap blade seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Tugas Akhir

48

BAB IV ANALISIS

Gambar 4.1. Komponen gaya pada tiap blade

Gambar 4.2. Radius dimana terjadinya gaya

Dari gambar 3.1. kita dapat menghitung besarnya gaya FT sebagai berikut:

dimana: FT

= Gaya tegak lurus dengan sumbu poros (kN)

T

= Torsi maksimal dari motor (Nm)

r

= Radius terjadinya gaya (m)

Sedangkan untuk gaya axial pada blade:

Tugas Akhir

49

BAB IV ANALISIS

dimana: FA

= Gaya searah dengan sumbu poros (kN)

FT

= Gaya tegak lurus dengan sumbu poros (kN)

Dan resultan gayanya adalah:

Gambar 3.3 dibawah ini menunjukan beban yang diterima oleh tiap lengan setelah dilakukan analisa dengan Finite Element Analysis

Gambar 4.3. Beban yang diterima oleh tiap lengan

Pada gambar 3.3 menunjukan bahwa gaya pada 8 blade dikiri dengan 8 blade dikanan berbeda. Hal ini disebabkan ole perbedaan orientasi tiap blade.

Tugas Akhir

50

BAB IV ANALISIS

4.3.2. Hasil Finite Elemen Analisis Dari FEA menunjukan bahwa area stres tertinggi terjadi pada area transisi pada tiap lengan. Gambar 3.4 menunjukan kontur VON MISSES

Gambar 4.4. Kontur Von Misses

Pada kontur Von Misses terlihat bahwa stress maksimum sebesar 204.5 Mpa terjadi pada area transisi pada tiap lengan.

Gambar 4.5. Kontur Von Misses yang diperbesar

Tugas Akhir

51

BAB IV ANALISIS

Material rotor adalah DIN I 4359 yang kurang lebih sama dengan AISI 904L (super austenite stainless steel). AISI 904L mempunyai batas tegangan mulur sebesar 220 Mpa sehingga di dapat faktor keamanan Von Misses untuk batas mulur nya sebesar 1.08. Selama beroperasi normal rotor hanya menerima beban sebesar 72,344 Nm ( berdasarkan informasi customer). Sehingga pada perhitungan gaya torsi yang dipakai adalah 72,344 Nm bukan 230,000Nm, didapatkan faktor keamanan menjadi 3,4. Dilihat dari hasil perhitungan ini menunjukan bahwa tidak ada kesalahan desain pada lengan pengaduk dan poros yang menyebabkan kerusakan.

4.3.3. Analisa Stress pada Daerah Transisi antara Lengan Pengaduk dengan Poros Agitator Data Teknik: No

Data Teknik

Nilai

1

Torsi Maksimal Motor (Tm)

230,000 Nm

2

Daya Normal (N)

250 kW

3

Rpm (n)

33 rpm

4

Diameter (D)

550 mm

5

Diameter Luar Stub Shaft (do)

300 mm

6

Diameter Dalam Stub Shaft (di)

280 mm

7

Tegangan Maksimal Agitator (σu)

490 MPa

8

Tegangan Mulur Agitator (σy)

220 Mpa

Tabel 4.4 Data Teknik dari Agitator Dari data-data diatas kita dapat menghitung besarnya stress yang terjadi pada sambungan lengan dengan poros agitator.

Tugas Akhir

52

BAB IV ANALISIS

Beban torsi ( berdasarkan beban operasional)

Nominal stress pada gaya geser :

Besarnya nilai gaya geser ditentukan dengan diagram di bawah berikut :

Tabel 4.5. diagram perbandingan radius terhadap gaya geser

Jika radius, r = 4 mm maka : •

D/d = 1.83

•

r/d = 0.013

•

Besarnya konsentrasi stress dari grafik, Kts = 2.8

Tugas Akhir

53

BAB IV ANALISIS

•

Stress akibat gaya geser yang terjadi adalah :

•

Faktor keamanan :

Jika radius, r = 6mm, maka : •

D/d = 1.83

•

r/d = 0.02

•


•


•

Faktor keamanan:

Jika radius, r = 10 mm, maka : •

D/d = 1.83

•

r/d = 0.033

•


•


•

Faktor keamanan:

Tugas Akhir

54

BAB IV ANALISIS

Diagram dibawah ini menunjukan perbandingan antarafaktor keamanan dengan radius :

Gambar 4.6. Tabel perbandingan radius terhadap faktor keamanan

Pengembangan pada area kritis ini dibutuhkan untuk mengurangi level stress pada sambungan lengan dengan poros dengan cara memperbesar radius atau chamfer, tapi perbesarannya tetap mengacu pada area yang ada. Penambahan chamfer 10 mm pada sambungan dapat meningkatkan faktor keamanan diatas 1.0 ( faktor keamanan untuk r 10 mm = 1.15). Untuk

meningkatkan nilai faktor keamanan yang maksimal

direkomendasikan dengan cara penambahan chamfer daripada radius. Karena resultan faktor keamanan dan area gaya geser yang lebih besar untuk nilai besarnya ketinggian pengelasan yang sama.

Tugas Akhir

55

BAB IV ANALISIS

Gambar 4.6. Dimensi dari chamfer

Detail dari kalkulasi untuk chamfer : Stress akibat gaya geser yang terjadi adalah :

Untuk h = 10 mm, maka :

Faktor keamanan :

Tugas Akhir

56

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN


Kesimpulan yang bisa diambil setelah proses perbaikan yang dilakukan oleh PT Sulzer Hickham Indonesia adalah sebagai berikut: 1.

Proses overlay merupakan salah satu cara untuk meminimalisir biaya produksi dari suatu baja tahan karat. Hal ini bisa diterapkan apabila ketahanan karat yang dibutuhkan hanya pada salah satu sisi komponen. Sifat ketahanan karat tersebut diberikan dengan jalan memberikan atau mengendapkan lapisan tahan karat dengan spesifikasi tertentu pada salah satu sisinya dengan proses pengelasan.

2.

Pada proses pengelasan overlay agitator, hasil lasan akan memiliki struktur mikro dengan fasa 100% austenit. Fasa ini sangat rentan terhadap retak panas. Penggunaan masukan panas yang terbatas sangat cocok untuk menghindari retak panas, karena dengan masukan panas yang kecil, diharapkan tidak terjadi pengkasaran butir yang bisa menjadi tempat terakumulasinya fasa bertemperatur cair rendah penyebab terjadinya retak panas. Pada proses yang sudah dilakukan didapat masukan panas sebesar 0.77 kJ/mm, jauh dibawah batas maksimal yang diijinkan yaitu Heat Input max

Tugas Akhir

=

1,5

57


kJ/mm. Sehingga setelah dilakukan pengecekan NDT dengan ultrasonic tidak ditemukan indikasi retak panas. 3.

Perlakuan

setelah

melakukan

blending

proses dan

pengelasan dressing

untuk

selesai

adalah

menghaluskan

permukaan las kemudian dilanjutkan deng proses pickling yaitu dengan melapisi permukaan las dengan gel dan dibiarkan selama 1 jam. Tujuannya adalah menghilangkan kerak, slag dan pengotor lainnya yang dapat menyebabkan korosi pada hasil lasan. 4.

Stress yang terjadi pada daerah transisi antara lengan dengan poros agitator adalah 204.5 Mpa. Walapun masih dibawah batas tegangan mulur maksimal untuk material AISI 904L yaitu 220 Mpa dan faktor keamanan Von Misses untuk batas mulur tersebut sebesar 1.08 maka untuk meningkatkan faktor keamanan yang lebih maksimal dilakukan pembuatan chamfer pada daerah transisi tersebut sebesar h=10 mm dan didapat faktor keamanan = 1.75. Saran yang diajukan adalah :

1.

Apabila tidak dibutuhkan keberadaan hasil pengelasan berfasa fully austenitic, maka pengelasan bisa dilakukan dengan menggunakan perpaduan base metal dan filler metal yang menghasilkan kandungan ferit pada baja tahan karat austenitik untuk menghindari terjadinya fenomena retak panas.

Tugas Akhir

58


2.

Agar dilakukan pengujian lebih detail terhadap hasil lasan secara tepat untuk memberikan keyakinan terhadap proses yang dilakukan, misal melakukan pengamatan struktur mikro dari hasil lasan untuk mengetahui komposisi yang lebih pasti.

3.

Perlu diperhatikan juga untuk penambah chamfer/radius pada area transisi antara sambungan lengan dengan poros agitator. Karena dilihat dari hasil perhitungan menunjukkan nilai chamfer/radius dapat menambah nilai keamanan dari desain.

Tugas Akhir

59

Daftar Pustaka

DAFTAR PUSTAKA

1. American Society for Material, ASM Handbook, vol. 1, American Society for Material, 1995. 2. American Society for Material, ASM Handbook, vol. 6, American Society for Material, 1995. 3. American Welding Society, Welding Handbook, Vol.1, American Welding Society, Edisi 8,1998. 4. Erich Folkhard, Welding Metallurgy of Stainless Steel, John Wiley & Sons, New York, 1990. 5. R. M. Brick and R. B. Gordon, Structure and Properties of Engineering Material, Edisi 4, McGraw Hill, 1977. 6. V. B. John, Introduction to Engineering Material, Edisi 2, Macmillan Publisihng Company, 1983.

Tugas Akhir

60

UNIVERSITAS MERCU BUANA

Recommend Documents