Konstruksi dan Pengetahuan Bahan Boiler
Oleh: Ir. Sugeng Isdwiyanudi, MT.
Di dalam pengoperasian ketel uap, terdapat bagianbagian yang harus menahan tekanan yang ditimbulkan oleh uap yang bertekanan. Bagian-bagian ini harus diamati secara tepat agar dapat menerima beban tekanan cukup kuat. Kekuatan bahan harus diperhitungkan sesuai dengan kondisi operasi yang akan berlangsung, untuk itu penilaian bahan yang akan digunakan harus benarbenar diteliti untuk memberikan informasi yang akurat serta perangkat peralatan pengaman yang menjamin bahwa ketel uap tersebut bekerja pada kondisi yang telah diperhitungk diperhitungkan. an.
Di dalam pengoperasian ketel uap, terdapat bagianbagian yang harus menahan tekanan yang ditimbulkan oleh uap yang bertekanan. Bagian-bagian ini harus diamati secara tepat agar dapat menerima beban tekanan cukup kuat. Kekuatan bahan harus diperhitungkan sesuai dengan kondisi operasi yang akan berlangsung, untuk itu penilaian bahan yang akan digunakan harus benarbenar diteliti untuk memberikan informasi yang akurat serta perangkat peralatan pengaman yang menjamin bahwa ketel uap tersebut bekerja pada kondisi yang telah diperhitungk diperhitungkan. an.
Secara umum, gaya yang bekerja pada “batang” dibedakan menjadi:
Gaya normal yaitu gaya yang bekerja dengan arah tegak lurus dengan penampang batang
Gaya tangensial yaitu gaya yang bekerja dengan arah sejajar dengan penampang batang
Gaya yang bekerja merata pada seluruh luas penampang, disebut TEGANGAN (STRESS ). Gaya; F (Newton) Tegangan; (N/mm ) Luas penampang; A (mm 2 ) 2
Gaya normal Tegangan utama; Gaya tangensial Tegangan geser;
Gaya Normal 1. Tegangan Tarik
F
F
σt
F A
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan tarik; σ t (N/mm2)
F = gaya; Newton (N) A = Luas penampang; mm2
Luas penampang lingkaran; A = r2 Luas penampang segi empat; A = p
; r = jari-jari (mm)
2. Tegangan Tekan F
F
σc
F A
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan tekan; σ c (N/mm2)
F = gaya; Newton (N) A = Luas penampang; mm2
Luas penampang lingkaran; A = r2 Luas penampang segi empat; A = p
; r = jari-jari (mm)
3. Tegangan Bengkok F
A
C
B
L1
R A
L2 R B
L3
σb
d
Mb
Mb = momen bengkok; N mm Wb = momen tahanan bengkok; mm3
Wb Wb
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan bengkok; 2 σ b (N/mm )
π
32
d3
h
b
1 Wb b h2 6
Gaya Tangensial 1. Tegangan Geser Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan geser; s (N/mm2) F τ
s
F A
F = gaya; Newton (N) A = Luas penampang; mm2
Luas penampang lingkaran; A = r2 Luas penampang segi empat; A = p
; r = jari-jari (mm)
2. Tegangan Puntir n, F
A
τ
p
d
Mp
Mp = momen puntir; N mm Wp = momen tahanan puntir; mm3
Wp Wp
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan puntir; p (N/mm2)
B
π
16
d
3
h
b
1 1 2 Wp b h h b2 6 6
Tegangan Kombinasi 1. Antara Gaya Tarik dan Gaya Tarik σ eq
σ t,1 σ t,2
2. Antara Gaya Tarik dan Gaya Bengkok σ eq
σ t σb
3. Antara Gaya Tarik/Gaya Bengkok dan Gaya Tekan σ eq
σ t σ c atau
σ eq
σb σ c
4. Antara Gaya Normal dan Gaya Tangensial i. Tegangan normal kombinasi; 2
σ τ2 2 2 σ
σ eq
σ eq
ii. Tegangan geser kombinasi;
eq
2
τ
eq
σ τ2 2
Catatan: • σ diganti dengan σt, atau σb, atau –σc • diganti dengan s atau p
5. Antara Gaya Geser dan Gaya Geser τ
eq
τ
2 s,1
2
τ s,2 τ s,1 τ s,2 cos
6. Antara Gaya Geser dan Gaya Puntir τ
eq
τ
2 s
2
τp τ s
τ
p
cos
α
α
Dalam perancangan bahwa: Tegangan (yang terjadi) Kekuatan ijin
σ τ
σ
τ
σ
τ
σ bahan
v τ
bahan
v
0,5 x σ bahan v
= kekuatan utama ijin; N/mm2 2 τ = kekuatan geser ijin; N/mm σbahan = kekuatan normal bahan; N/mm2 bahan = kekuatan geser bahan; N/mm 2
σ
v = faktor keamanan, tergantung kondisi beban
Setiap bahan (material) mempunyai kekuatan bahan yang tergantung dari jenis bahan (diperoleh dari tabel referensi).
Faktor keamanan tergantung kondisi beban (ringan, menengah, kejut), umur komponen, dsb. (diperoleh dari tabel referensi).
Tegangan pada dinding ketel uap
tegangan kearah memanjang dinding (tegangan longitudinal); l
r
dari
t
tegangan kearah keliling (tegangan tangensial); t tegangan radial yang diakibatkan oleh tekanan dalam;
Tegangan kearah memanjang dari dalam badan tabung (tegangan longitudinal);
Asumsi gaya tekanan ditahan merata sepanjang tabung, maka:
F = 0 l 2 r 1 t – p r 2 = 0 σ bahan
v
l =
p r 1 2t
=
p d1 4t
p = tekanan kerja; N/mm2 r 1 = radius dalam tabung; mm t = tebal tabung; mm
Tegangan sejajar radius tabung (tegangan radial); r r p
Untuk dinding yang tipis (D 1/t > 20), tegangan radial kecil, sehingga dianggap nol.
Tegangan kearah keliling (tegangan tangensial); t t
t
t
F = 0 t 2 t L – p 2 r 1 L = 0 σ bahan
v
t =
p r 1 t
=
p d1 2t
p = tekanan kerja; N/mm2 r 1 = radius dalam tabung; mm t = tebal tabung; mm
Diameter dalam tabung (d1)
Tebal plat (t)
< 900 mm
6 mm
900 < 1.350 mm
7,5 mm
1.350 < 1.800 m
9 mm
> 1.800 m
12 mm
Tekanan kerja boiler diklasifikasi sbb.: • • • •
Tekanan rendah: p < 20 bar Tekanan sedang: 20 bar < p < 50 bar Tekanan tinggi: 50 bar < p < 200 bar Tekanan sangat tinggi: p > 200 bar 1 bar = 1 atm = 1 kg/cm2 = 10-4 kg/mm2 = 105 N/m2 = 0,1 N/mm2 = 105 Pa = 14,7 psi
Kemampuan
Memiliki sifat yang istimewa sesuai dengan penggunaannya
Ukuran dan bentuk
Memiliki keuntungan dengan kekuatan yang sesuai
Efisien dan ekonomis
Dapat mempersingkat teknik pembuatan
Kekuatan Pengolahan Penyambungan (Pengelasan, Pengelingan)
Kualitas
Bentuk
Teknik pembuatan, susunan kimiawi, struktur mikro, sifat mekanik
Plat lembaran, material cetakan, pipa, batang
Ukuran
Panjang, diameter, ketebalan
Komposisi kimiawi
Struktur mikro
Teknik pembuatan, susunan kimiawi, struktur mikro, sifat mekanik
Plat lembaran, material cetakan, pipa, batang
Sifat: mekanik, fisik, dan kimiawi
Beberapa Jenis Standar • • • • • • • • •
AISI : American Iron and Steel Institute SAE : Society Automotive Engineers ISO : International Organization for Standardization JIS : Japan International Standard ASME : American Society of Mechanical Engineer ASTM : American Society for Testing Materials API : American Petroleum Institute DIN : Deutsches Institut fur Normung SNI : Standar Nasional Indonesia
Bahan untuk plat Boiler harus baik karena disamping harus menahan tekanan yang tinggi juga harus tahan pada suhu yang tinggi, serta mudah dikerjakan (dibentuk). Umumnya menggunakan baja karbon rendah atau baja paduan rendah.
Baja karbon • Baja Karbon Rendah
: 0,1 s.d 0,25 % C
• Baja Karbon Menengah : 0,25 s.d 0,55 % C • Baja Karbon Tinggi
: 0,55 s.d 1,0 % C
• Baja Karbon Sangat Tinggi : 1,25 s.d 2,0 % C
Baja Karbon Rendah
Baja karbon rendah, memiliki karbon antara 0,10 s.d 0,25 % C dan mengandung manganese s.d 1,5 %
Secara umum bentuk produk berupa pelat hasil pengerolan dingin kondisi annealling. Klasifikasi baja ini termasuk dalam AISI 1016 , 1018, 1019.
Penggunaan pelat karbon rendah ini bervariasi mulai dari produk stamping, forging, tabung dan pelat untuk boiler.
Baja Karbon Menengah
Baja karbon menengah, memiliki karbon antara 0,3 s.d 0,6 % C dan kandungan manganese 0,60 s.d 1,65 %. Baja ini dapat ditingkatkan kekuatannya melalui proses heat treatment (quenching, tempering). Klasifikasi baja ini termasuk dalam AISI 1030, 1040, dan 1050. Penggunaan baja karbon menengah bervariasi mulai dari poros, kopling, gear.
Baja Karbon Tinggi
Baja Karbon Tinggi memiliki karbon anatara 0,6 s.d 1,0 % C dan juga manganese antara 0,3 s.d 0,90 %,
Klasifikasi baja ini termasuk AISI 1060, 1080, 1095.
Penggunaan jenis baja karbon tinggi bervariasi mulai dari pegas, dan kawat kekuatan tinggi.
Baja Karbon Paduan Rendah • Ketahanan korosi rendah oksidanya tidak protektif (FeO, Fe2O3 ,Fe3O4) • Ketahanan korosi akan meningkat dengan adanya pembentuk lapisan pasif (Cr 2O3, Al2O3) • Semakin besar kandungan unsur pemadu seperti: 2-3 % Cu, Cr, Ni ketahanan korosi akan semakin baik. • Untuk lingkungan yang agresif digunakan jumlah pemadu yang lebih besar.
• Penambahan Cu > 0,3 % memperbaiki ketahanan dan menaikkan potensial baja • Fosfor < 0,1 % & Cu akan memperbaiki ketahanan terhadap korosi • Cr, memperbaiki ketahanan korosi dengan menaikkan potensial baja • Ni dan Si dalam jumlah kecil akan memperbaiki ketahanan terhadap korosi.
Bahan Pipa
Water tube boilers : - Generating tube - Super heater tube - Economizer tube - Circulator tube - Furnace wall tubes Fire tube boiler - Boiler flues - Super heater - Feed water heater
Seamless Low Carbon Steel for Boiler Tube
Stainless Steel Pipe for Boiler
Baja Tahan Karat Baja tahan karat atau lebih dikenal dengan Stainless Steel adalah senyawa besi yang mengandung setidaknya 10,5% Kromium untuk mencegah proses korosi (pengkaratan logam). Kemampuan tahan karat diperoleh dari terbentuknya lapisan film oksida Kromium, dimana lapisan oksida ini menghalangi proses oksidasi besi (Fero).
Klasifikasi Baja Tahan Karat 1. 12-14% Kromium (Cr); sifat mekanik bajanya sangat tergantung dari kandungan unsur karbon (C). 2. Baja dengan pengerasan lanjut, 10-12% Kromium (Cr), 0.12% Karbon (C) dengan sedikit tambahan unsur-unsur Mo, V, Nb, Ni dengan kekuatan tekanan mencapai 927 MPa dipergunakan untuk bilah turbin gas. 3. Baja Kromium tinggi, 17%Cr, 2,5% Ni. Memiliki ketahanan korosi yang sangat tinggi. Dipergunakan untuk poros pompa, katup dan fitting yang bekerja pada tekanan dan temperatur tinggi tetapi tidak cocok untuk kondisi asam.
Besi cor secara umum disebut dengan logam paduan dengan kandungan karbon 2,1 %. Dalam keadaan lainnya besi cor mengandung % karbon antara 3,0 dan 4,5 % dan terdapat unsur-unsur lainnya. Suhu cair besi cor ini sekitar 1.150 s.d 1.300oC lebih rendah dari baja. Sementite yang terbentuk dalam besi cor terurai dalam bentuk ferrite dan grafit dengan reaksi, sbb: Fe3 C 3 Fe ( α ) + C (grafit)
1. Besi Cor Kelabu (Gray Cast Iron) Besi cor kelabu memiliki unsur karbon antara 2,5 s.d 4,0 % dan Si antara 1,0 s.d 3,0 %. Grafitnya berbentuk seperti benang, dengan matrik ferit atau perlit dan tergantung pendinginannya. Besi cor ini banyak digunakan karena sifat mekaniknya mampu mesin yang baik, ketahanan terhadap aus, mampu menahan getaran.
2.
Besi Cor Nodular (Ductile Cast Iron)
Besi cor nodular memiliki grafit bulat atau spheroidal grafit, hasil dari penambahan magnesium atau cerium sebelum dilakukan casting.
Sifat mekanik (kekuatan dan keuletannya) cukup baik.
Struktur mikro besi cor nodular terdiri grafit bulat dengan matrik ferit dan grafit bulat dengan matrik perlit, hal ini tergantung dari laju pendinginannya.
3.
Besi Cor Putih
Besi cor putih memiliki kandungan Si > 1,0 % dan dengan laju pendinginan cepat, dengan matrik Fe3C (sementit) atau sangat keras.
Besi cor putih memiliki kekuatan tekan dan ketahanan aus yang tinggi, tapi juga bersifat getas.
4.
Besi Cor Mampu Tempa (Malleable Cast Iron)
Besi cor putih memiliki bentuk grafit yang tidak teratur.
Kadang-kadang disebut besi cor tempering, karena diperoleh dari proses tempering pada suhu 800 900oC dengan waktu yang sangat lama.
Dilihat dari struktur mikronya, bentuk grafit menyerupai bunga rose, oleh sebab itu disebut juga besi cor bergrafit rossete dengan matrik ferit atau perlit yang tergantung laju pendinginannya.
Tabel Kekuatan Tarik Bahan DIN, Deutsches Institut fur Nurmong Material
Kekuatan Tarik (N/mm 2)
Baja (St) 50
500
Baja (St) 70
500 s.d 700
Baja (St) 90
700 s.d 900
Baja paduan 25 Cr Mo 4
700 s.d 900
Baja paduan 42 Cr Mo 4
900 s.d 1100
Stainless steel X 22 Cr Ni 17
800 s.d 1000
Stainless steel X 5 Cr Ni 18
500 s.d 700
Baja cor GS 40
500
Tabel Kekuatan Tarik Bahan JIS, Japanese International Standards Material Materia l
Kekuatan Kekuata n Tarik (N/mm 2)
Baja karbon JIS G 4051 - S30C
480 s.d 550
- S35C
520 s.d 580
- S45C
550 s.d 620
Baja karbon JIS G 3108 - SGD A
350 s.d 650
- SGD B
460 s.d 770
Baja khrom - SCr3
90
- SCr4
95
- Scr5
100
Tabel Kekuatan Tarik Bahan SAE, Society Automotive Engineers for Testing Testing Materials ASTM, American Society for Material
Kekuatan Tarik (MPa)
SAE G2500
173
SAE G4000
276
ASTM A536 (60-40-18)
414
ASTM A536 (100-70-03)
690
ASTM A536 (32510)
345
Copper Nickel
372
Tin bronze
310
Aluminum bronze bronze 1 MPa = 10 N/mm2
586
Tabel Faktor Keamanan Material
Kondisi pembebanan Statis
Berulang Berganti
Kejut
Metal rapuh
4
6
10
15
Metal yang lunak
5
6
9
15
Baja kenyal
3
5
8
13
Baja cor
3
5
8
15
Timah
6
8
12
18
Tabel Faktor Keamanan Kondisi pembebanan Material
Steady load
Live load
Shock load
5 to 6
8 to 12
16 to 20
Wrought iron
4
7
10 to 15
Steel
4
8
12 to 16
Soft material and alloy
6
9
15
Leather
9
12
15
Timber
7
10 to 15
20
Cast iron
σ bahan
v
l
σ bahan
p d1
v
4t
Menghitung tebal plat; t
Memilih bahan plat; bahan
Memeriksa kemampuan bahan
σ bahan
p d1
v
4t
Contoh: 1. Menentukan tebal plat; t Tekanan; p =
Diameter dalam; d1 =
2
2 N/mm
20 bar
1,500 mm
Faktor keamanan; v = Bahan yang digunakan =
8 Live load; v = 8 (dari tabel) Baja karbon JIS G 3108, SGD B
Kekuatan tarik bahan; bahan =
Tebal plat; t
t
2
770 N/mm 7.8 mm
p d1 v 4 bahan
Jadi, tebal plat yang digunakan adalah 8 mm
(dari tabel)
Contoh 1: Diketahui: - Tekanan kerja; p = 2 N/mm2 20 bar - Diameter dalam dinding; d1 = 1.500 mm - Bahan yang digunakan = Baja karbon JIS G 3108, SGD B - Kondisi pembebanan = Live load Ditanya: tebal dinding plat; t = … ? Jawab: Dari tabel diperoleh: - Kekuatan bahan JIS G 3108, SGD B; bahan = 770 N/mm2 - Faktor keamanan live load; v = 8 maka, Jadi, tebal dinding plat yang digunakan adalah 8 mm
Contoh: 2. Menentukan/memilih bahan Tekanan; p =
2
Diameter dalam; d1 =
2 N/mm
bahan
20 bar
1,500 mm
Faktor keamanan; v = Tebal; t = Kekuatan bahan; bahan
8 Live load; v = 8 (dari tabel) 9 mm 666.7 N/mm
2
p d1 v 4t
jadi, bahan yang digunakan adalah Baja Karbon JIS G 3108, SGD B, kekuatan tarik 460 s.d 770 N/mm
2
Contoh 2: Diketahui: - Tekanan kerja; p = 2 N/mm2 20 bar - Diameter dalam dinding; d1 = 1.500 mm - Kondisi pembebanan = Live load Ditanya: Bahan dinding plat; bahan = … ? Jawab: Dari tabel diperoleh: - Faktor keamanan live load; v = 8 maka,
Jadi, bahan dinding plat yang digunakan adalah Baja Karbon JIS G 3108, SGD B
Contoh: 3. Memeriksa kemampuan bahan Tekanan; p =
Diameter dalam; d1 =
2
2 N/mm
20 bar
1,500 mm
Tebal; t = Bahan yang digunakan =
9 mm Baja karbon JIS G 3108, SGD B
Kekuatan tarik bahan; bahan = Faktor keamanan; v =
2
770 N/mm (dari tabel) 8 Live load; v = 8 (dari tabel)
Pemeriksaan kemampuan bahan:
bahan v
p d1
96.25
83.33
4t
Jadi, bahan yang digunakan/dipilih ( Baja Karbon JIS G 3108, SGD B) memenuhi syarat pemakaian.
Contoh 3: Diketahui: - Tekanan kerja; p = 2 N/mm2 20 bar - Diameter dalam dinding; d1 = 1.500 mm - Tebal plat; t = 9 mm - Bahan yang digunakan = Baja karbon JIS G 3108, SGD B - Kondisi pembebanan = Live load Ditanya: kemampuan bahan yang digunakan = … ? Jawab: Dari tabel diperoleh: - Kekuatan bahan JIS G 3108, SGD B; bahan = 770 N/mm2 - Faktor keamanan live load; v = 8 maka, Jadi, bahan yang digunakan (Baja karbon JIS G 3108,
Latihan: 1. Ketel uap dirancang dengan tekanan kerja 2,5 N/mm2 (25 bar). Diameter dalam dindingnya 2 m. Hitung tebal plat dinding ketel uap yang digunakan, bila bahan yang digunakan ASTM A536 (100-70-03) dengan kondisi beban live load. 2. Ketel uap dirancang dengan tekanan kerja 2 bar. Diameter dalam dindingnya berdiameter 1.000 mm dan tebalnya 7,5 mm. Rancang bahan dinding ketel uap yang digunakan, bila kondisi beban live load.
Latihan: 3. Ketel uap dirancang dengan tekanan kerja 30 bar. Diameter dalam dindingnya 2.500 mm dan tebalnya 12 mm. Bahan dinding ketel uap adalah DIN St 90 dengan kondisi beban live load. Apakah kondisi tersebut memenuhi syarat pemakaian.
1. Standar diameter dalam; D i
t p Di
k
= = = = =
tebal plat minimum; mm tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm 2 diameter dalam badan atau dome; mm kekuatan tarik material; kg/mm 2 rasio tegangan tarik yang diijinkan terhadap kekuatan tarik yaitu 1/4 = efisiensi minimum pada kondisi sambungan memanjang atau ada lubang bersambungan = nilai yang ditetapkan mengikuti temperatur uap = konstanta allowance korosi 1 mm untuk p < 28 kg/cm 2 2
Tabel Nilai “k” untuk jenis baja Temperatur; oC Nilai “k” Territe steel Austenit steel
< 480
510
535
565
590
> 620
0,4
0,5
0,7
0,7
0,7
0,7
0,4
0,4
0,4
0,4
0,5
0,7
2. Standar diameter luar; Do Cocok untuk temperatur < 480 oC dan diameter luar < 60 mm t p Do
k
= = = = =
tebal plat minimum; mm tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm 2 diameter luar badan atau dome; mm kekuatan tarik material; kg/mm 2 rasio tegangan tarik yang diijinkan terhadap kekuatan tarik yaitu 1/4 = efisiensi minimum pada kondisi sambungan memanjang atau ada lubang bersambungan = nilai yang ditetapkan mempertimbangkan creep rupture pada temperatur tinggi k = 0,4 = konstanta 1 mm untuk p < 28 kg/cm 2 2
3. Bila ketebalan plat > ½ jari-jari dalam dan temperatur uap < 374 oC
t = tebal plat (pipa) minimum; mm R = badan ketel uap atau jari-jari dalam; mm Z
= konstanta dihitung dengan rumus:
p
= tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm 2 = kekuatan tarik material; kg/mm2 = rasio tegangan tarik yang diijinkan terhadap kekuatan tarik yaitu 1/4 = efisiensi minimum pada kondisi sambungan memanjang atau ada lubang bersambungan
Pembuatan dinding boiler dilakukan dengan proses pengerolan (rolling) pengerjaan panas
Proses Pengerolan (Rolling) yaitu proses pembuatan benda kerja (logam) dengan cara memberikan gaya luar sampai terjadi deformasi (perubahan bentuk) plastik. Pengerjaan panas (hot wor ki ng ) yaitu proses pembentukan logam yang dilakukan pada daerah temperatur rekristalisasi logam yang diproses.
Temperatur rekristalisasi yaitu temperatur pada saat terjadinya inti butir baru, sekitar 0,4 s.d 0,5 dari temperatur cair dalam derajat Kelvin.
Dalam proses deformasi pada temperatur rekristalisasi terjadi peristiwa pelunakan yang terus menerus, sehingga deformasi yang diberikan kepada benda kerja dapat relatif besar.
Proses pengerolan menggunakan dua buah rol dengan diameter yang sama, dan logam yang akan dibentuk diberi gaya tekan dari luar, dan jenis proses pengerolan yang lain.
1. End plate bentuk piring atau setengah bola, tidak mempunyai lubang yang memerlukan penguat
t p R
= = = = =
tebal minimum plat penutup; mm tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm 2 jari-jari sisi dalam pada bagian pusat plat; mm kekuatan tarik material; kg/mm 2 rasio tegangan tarik yang diijinkan terhadap kekuatan tarik yaitu 1/4 = efisiensi minimum pada kondisi sambungan memanjang atau ada lubang bersambungan = konstanta allowance korosi 1 mm untuk p < 28 kg/cm 2
W = koefisien yang berkaitan dengan bentuk Bentuk setengah bola; W = 1 Bila bentuknya lengkung, dihitung dengan rumus:
r
= jari-jari dalam sudut bulatan plat penutup bentuk piring; mm
2. End plate bentuk setengah elip, tidak mempunyai lubang yang memerlukan penguat
t p D
= = = = =
tebal minimum plat penutup; mm tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm 2 diameter panjang pada sisi dalam plat penutup ½ elip; mm kekuatan tarik material; kg/mm 2 rasio tegangan tarik yang diijinkan terhadap kekuatan tarik yaitu 1/4 = efisiensi minimum pada kondisi sambungan memanjang atau ada lubang bersambungan = konstanta allowance korosi 1 mm untuk p < 28 kg/cm 2
V = koefisien yang berkaitan dengan bentuk ½ elip, dihitung dengan rumus:
h
= ½ diameter pendek (breadh) pada sisi dalam plat penutup; mm
Untuk kebutuhan pipa boiler, dapat dilakukan perancangan (perhitungan tegangan dan kekuatan, dan pemilihan bahan) seperti pada kebutuhan dinding plat.
Sifat mekanik • Kekuatan (strength): ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkan atau merusak suatu bahan • Kekuatan luluh (yield strength): kekuatan bahan terhadap deformasi awal • Kekuatan tarik (tensile strength): kekuatan maksimun yang dapat menerima beban. • Keuletan (ductility): berhubungan dengan besar regangan sebelum patah • Kekerasan (hardness): ketahanan bahan terhadap penetrasi pada permukaannya
• Ketangguhan (toughness): jumlah energi yang mampu diserap bahan sampai terjadi patah • Mulur (creep): deformasi (perubahan bentuk) permanen dari material pada beban konstan, dengan temperatur operasi di atas 0,4 Tm (Tm = temperatur melting). • Kelelahan (fatique): ketahanan bahan terhadap pembebanan dinamik. • Patahan (failure)
Untuk mengetahui sifat mekanik bahan, dilakukan dengan pengujian bahan (Destructive
Secara umum, gaya yang bekerja pada “batang” dibedakan menjadi:
Gaya normal yaitu gaya yang bekerja dengan arah tegak lurus dengan penampang batang
Gaya tangensial yaitu gaya yang bekerja dengan arah sejajar dengan penampang batang
Gaya yang bekerja merata pada seluruh luas penampang, disebut TEGANGAN (STRESS ). Gaya; F (N) Tegangan; σ (N/mm ) 2 Luas penampang; A (mm ) 2
Apabila logam dengan panjang awal Lo ditarik menjadi panjang akhir Lt, maka benda tersebut mengalami tegangan tarik dan regangan. adalah perbandingan antara Regangan teknik; pertambahan panjang terhadap panjang awal.
ε
L Lo
L = pertambahan panjang; mm L = Lt – Lo Lt = panjang akhir; mm Lo = panjang awal; mm
Regangan teknik mengasumsikan mengalami perubahan bentuk.
bahwa
diameter
tidak
Pengujian Kekuatan Tarik
Grafik ideal tegangan sebagai fungsi regangan suatu logam dapat digambarkan sebagai berikut: Tegangan; U
E P
o
Y 1
B Y 2
P = proporsional E = elastisitas Y 1 = yield (luluh) atas Y 2 = yield (luluh) bawah U = ultimate (maksimum) B = break (patah)
Regangan;
Tegangan; U
E P
o
Y 1
B Y 2
- Dari titik O ke P (proporsional) tegangan sebanding dengan regangan.
- Dari P sampai E (elastistas) tegangan tidak sebanding lagi Regangan; dengan regangan,
tetapi bila beban dilepas maka logam kembali ke bentuk semula (deformasi elastik ). - Dari titik P sampai E masih bersifat elastik dan E adalah batas elastik. - Maka dari titik O sampai E (daerah elastik) berlakulah hukum Hooke
Hukum Hooke yaitu:
=E E
= tegangan; N/mm2 = modulus elastisitas bahan; N/mm2, diperoleh dari tabel referensi tergantung dari jenis bahan = regangan
Tegangan; U
E P
o
Y 1
B Y 2
- Bila beban mencapai titik E dan diteruskan pemberian beban sampai patah (logam mengalami luluh dan kekuatan maksimum terlebih dahulu),
Regangan;
maka penampang logam mulai tampak mengecil dan memanjang (terjadi perubahan bentuk atau deformasi plastik ). - Pada kondisi tersebut tidak berlaku hukum Hooke.
Keuletan (ductility) • Keuletan: derajat deformasi plastis hingga terjadinya patah • Keuletan dinyatakan dengan – Presentasi elongasi, ε
ΔL
Lo
x 100%
– Presentasi reduksi area
(A t - A o ) AR x 100% A o
Uji Kekerasan (Hardness Test)
BRINELL
Ketangguhan (Toughness) B n a g n a g e T
A
B’
C
Regangan
C’
• Perbedaan antara kurva tegangan dan regangan hasil uji tarik untuk material yang getas dan ulet • ABC : ketangguhan material getas (brittle) • AB’C’ : ketangguhan material ulet (ductile)
Logam
Kekuatan luluh (MPa)
Kekuatan tarik (MPa)
Keuletan % Elongasi
Au
-
130
45
Al
28
69
45
Cu
69
200
45
Fe
130
262
45
Ni
138
480
40
Ti
240
330
30
Mo
565
655
35
Uji Mulur (Creep Test)
Uji Kelelahan (Fatique Test)
a) b) c)
Highly ductile fracture in which the specimen necks down to a point Moderately ductile fracture after some necking Brittle fracture without any plastic deformation
Sambungan Paku Keling d
p-d
p
p
F
F F
1. Kerusakan pada penampang plat
d
p-d
p
Tegangan yang terjadi adalah Tegangan tarik; 2 σ t (N/mm ) F F σt A (p - d) t
F σt
σ
F = gaya; N p = jarak antara sumbu; mm d = diameter paku keling; mm t = tebal plat; mm 1 = efisiensi
Syarat perancangan
2. Kerusakan pada paku keling p
F F
Tegangan yang terjadi adalah Tegangan geser; 2) (N/mm s
F τ s A
F π 2 n d 4
Syarat perancangan
F = gaya; N d = diameter paku keling; mm n = jumlah paku keling τ
s
τ,paku keling
Catatan: Standar “p” sambungan paku keling:
Lap joint rivet 1 deret; p = 2,6 d + 8
Lap joint rivet 2 deret; p = 2,6 d + 18
Butt joint 2 deret; p = 3,5 d + 18
Diameter “d” paku keling:
Lap joint; d = t – 4 mm
Butt joint 2 deret; d = t - 6 mm
Sambungan Pengelasan Butt joint weld
Lap joint weld
Tabel Kekuatan Tarik Bahan Elektroda JIS; Japan I ndustr ial Standar ds Klasifikasi
Kekuatan Tarik (N/mm 2)
D4301 … D4340
430
D5000, D5001, D5003
500
D5016, D5026, D5300
530
D5316, D5326
530
D5816, D5826
580
Tabel Kekuatan Tarik Bahan Elektroda AWS; Amer ican Wel ding Standards dan ASTM; Amer ican Soci ety for Testi ng M ater ials Klasifikasi
Kekuatan Tarik (N/mm 2)
E6010
436
E6011
436
E6012
471
E6013
471
E6020
436
E6027
436
E7014 … E7028
492
Tabel Faktor Keamanan Sambungan Las Tipe sambungan
Faktor keamanan
Reinforced butt joint weld
1,2
Toe to transverse fillet weld
1,5
End of parallel fillet weld
2,7
T-butt joint with sharp corner
2,0
Perhitungan kekuatan Butt Joint Weld Tegangan yang terjadi pada sambungan las adalah Tegangan tarik; 2 σ t (N/mm ) F t
σt
σ σt
σ t, elektroda
v
F F σt A L t F = gaya; N L = panjang las; mm t = tebal las efektif; mm Syarat perancangan
Contoh: The outside or inside of the tank shell disambung secara butt joint dengan tebal 5 mm (tebal las efektif), menerima gaya sebesar 50 kN. Pengelasan SMAW dengan elektroda JIS D5300. Rencanakan panjang las. Penyelesaian: • Tegangan yang terjadi adalah tegangan tarik
F = 50 kN t = 5 mm
• Dari tabel referensi, diperoleh: - σt, elektroda = 530 N/mm2 - v = 1,2
• Panjang las minimum
σt
σ t, elektroda
F Lt L
v σ t, elektroda
v Fv
t σ t, elektroda
50.000 x 1,2 22,6 mm 5 x 530
Perhitungan kekuatan Lap Joint Weld double transverse fillet weld
Tegangan yang terjadi pada sambungan las adalah Tegangan tarik; σ t (N/mm2) L
1 a 2t 2
t
F
t a
F = gaya; N L = panjang las; mm a = tebal las l as efektif; mm t = tebal las; mm
F F σt A 1 A 2 2 a L
F
1 2 2 t L 2
Contoh: In shell manholes and nozzles disambung secara double transverse fillet weld, menerima gaya sebesar 60 kN. Pengelasan SMAW dengan elektroda AWS E6012. Panjang las 80 mm. Rencanakan tebal las. Penyelesaian:
L = 80 mm
F = 60 kN double transverse fillet weld
• Tegangan yang terjadi adalah tegangan tarik • Dari tabel refere referensi, nsi, diperoleh: - σt, elektroda = 471 N/mm2 - v = 1,5
• Tebal las minimum σt
σ t, elektroda
v
F A 1 A 2
σ t, elektroda
F
1 2 2 t L 2 t
v
σ t, elektroda
F v 2L
A 1 A 2
σ t, elektroda
v
60.000 x 1 ,5 2 x 80 x 471
1 ,7 m m
parallel fillet weld
L
F
Tegangan yang terjadi pada sambungan las adalah Tegangan geser; s (N/mm2)
F F τ s A 1 A 2 2 a L
F
1 2 2 t L 2
Contoh: Sambungan plat logam dengan parallel fillet weld, menerima gaya sebesar 60 kN. Pengelasan SMAW dengan elektroda AWS E6012. Panjang las 80 mm. Rencanakan tebal las. parallel fillet weld
Penyelesaian: yang terjadi • Tegangan adalah tegangan geser • Dari tabel referensi, diperoleh: - σt, elektroda = 471 N/mm2 - v = 2,7
L = 80 mm
F = 60 kN
• Tebal las minimum τ
s
τ
s, elektroda
v
F A 1 A 2 F
τ
s, elektroda
v
τ
A 1 A 2
s, elektroda
τ s, elektroda 0,5 σ t, elektroda
v 1 2 2 t L 2 0,5 σ t, elektroda F v 1 2 2 t L 2 F v 60.000 x 2,7 6,1 mm t 1 1 2 L σ t, elektroda 2 x 80 x 471 2 2
PROSES PENGELASAN SMAW (Shield Metal Arc Welding) Proses pengelasan SMAW yaitu proses pengelasan menggunakan bahan tambah elekroda yang terbuat dari kawat logam yang terbungkus fluks. Busur listrik terbentuk di antara logam induk dan ujung elektroda.
Panas dari busur listrik mengakibatkan logam induk dan ujung elektroda mencair, kemudian membeku bersama terjadi ikatan metalurgi.
Fluks terbuat dari bahan-bahan tertentu dengan perbandingan tertentu pula, yang dapat digolongkan dalam bahan sebagai fungsi fluks pada pengelasan. Fungsi dan bahan fluks antara lain: Sebagai pemantap busur listrik, dan contoh bahan yang digunakan kalsium karbonat; CaCO 3 Dapat melindungi logam cair terhadap udara sekitar, dan contoh bahan yang digunakan natrium silikat; NaSiO3 Sebagai penambah unsur paduan, contoh bahan yang digunakan mangan dioksida; MnO 2 Sebagai unsur pengikat, contoh kalium silikat; K 2SiO3
PROSES PENGELASAN GTAW (TIG) Proses pengelasan TIG (Tungsten I ner t Gas Welding ) atau GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) yaitu proses pengelasan menggunakan bahan tambah elekroda (tidak ikut mencair) yang terbuat dari tungsten dan gas pelindung.
Karena elektroda tidak ikut mencair dapat disebut juga elektroda tidak terumpan.
PROSES PENGELASAN GMAW (MIG) Proses
pengelasan MIG ( M etal I ner t Gas ) atau GMAW (Gas Metal Arc Welding) Welding yaitu proses pengelasan menggunakan logam pengisi kawat las besi dan berfungsi juga sebagai bahan tambah elektroda yang diumpankan terus menerus serta gas pelindung.
Gas sebagai pelindung busur listrik yang digunakan adalah gas Argon, gas Helium
Hasil Uji Radiography Test
Root pass aligned porosity
Cluster porosity
Scattered porosity
Elongated slag lines
Inter pass slag inclusions
Transverse crack
