Konstruksi dan Pengetahuan Bahan
Boiler
Oleh:Ir. Sugeng Isdwiyanudi, MT.
Pendahuluan
Di dalam pengoperasian ketel uap, terdapat bagian-bagian 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 benar-benar diteliti untuk memberikan informasi yang akurat serta perangkat peralatan pengaman yang menjamin bahwa ketel uap tersebut bekerja pada kondisi yang telah diperhitungkan.
Gaya tangensial
Gaya normal
KEKUATAN DAN TEGANGANSecara umum, gaya yang bekerja pada “batang” dibedakan menjadi:
yaitu gaya yang bekerja dengan arah tegak lurus dengan penampang batang
yaitu gaya yang bekerja dengan arah sejajar dengan penampang batang
Gaya yang bekerja merata pada seluruh luas penampang, disebut TEGANGAN (STRESS).
)(mm A penampang; Luas(Newton) F Gaya;
)(N/mm Tegangan; 22
Gaya normal Tegangan utama;
Gaya tangensial Tegangan geser;
Gaya Normal
1. Tegangan Tarik
FF
A F
σt
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan tarik; σt (N/mm2)
F = gaya; Newton (N)A = Luas penampang;
mm2
Luas penampang lingkaran; A = r2 ; r = jari-jari (mm)
Luas penampang segi empat; A = p
2. Tegangan Tekan
FF
A F
σc
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan tekan; σc (N/mm2)
F = gaya; Newton (N)A = Luas penampang;
mm2
Luas penampang lingkaran; A = r2 ; r = jari-jari (mm)
Luas penampang segi empat; A = p
3. Tegangan Bengkok
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan bengkok; σb
(N/mm2)
Mb = momen bengkok; N mm
Wb = momen tahanan bengkok; mm3
b
bb W
M σ
d
F
L1 L2
L3
A BC
RA RB
3b d
32
Wπ
h
b
2b h b
6 1
W
Gaya Tangensial
1. Tegangan Geser
F
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan geser; s (N/mm2)
F = gaya; Newton (N)A = Luas penampang;
mm2
Luas penampang lingkaran; A = r2 ; r = jari-jari (mm)
Luas penampang segi empat; A = p
AF
s τ
2. Tegangan Puntir
Tegangan yang terjadi pada batang adalah tegangan puntir; p (N/mm2)
Mp = momen puntir; N mmWp = momen tahanan puntir;
mm3
d
n, FA B
h
b
22p b h
6 1
h b 6 1
W
p
pp W
M τ
3p d
16
Wπ
Tegangan Kombinasi
t,2t,1eq σσσ 1. Antara Gaya Tarik dan Gaya Tarik
bteq σσσ 2. Antara Gaya Tarik dan Gaya
Bengkok
cbeqcteq σσσ atau σσσ
3. Antara Gaya Tarik/Gaya Bengkok dan Gaya Tekan
4. Antara Gaya Normal dan Gaya Tangensiali. Tegangan normal kombinasi; σeq
ii. Tegangan geser kombinasi; eq
22
eq 2σ
2σ
σ τ
22
eq 2σ
ττ
Catatan:• σ diganti dengan σt, atau σb, atau –σc
diganti dengan s atau p
5. Antara Gaya Geser dan Gaya Geser
α τττττ cos s,2s,12
s,22
s,1eq
6. Antara Gaya Geser dan Gaya Puntir
α τττττ cos ps2
p2
seq
Dalam perancangan bahwa:
Tegangan (yang terjadi) Kekuatan ijin
ττ
σσ
vσ
σ bahan
= kekuatan utama ijin; N/mm2σ
σbahan = kekuatan normal bahan; N/mm2
v = faktor keamanan, tergantung kondisi beban
vσ x 0,5
vbahanbahan
ττ
= kekuatan geser ijin; N/mm2τ
bahan = kekuatan geser bahan; N/mm2
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 uaptegangan kearah memanjang dari dinding (tegangan longitudinal);
tegangan kearah keliling (tegangan tangensial); t
tegangan radial yang diakibatkan oleh tekanan dalam; r
r t
Tegangan kearah memanjang dari dalam badan tabung (tegangan longitudinal);
F = 0 2 r1 t – p r2 = 0
p = tekanan kerja; N/mm2
r1 = radius dalam tabung; mm
t = tebal tabung; mm
=
p r1
2 t =
p d1
4 t
Asumsi gaya tekanan ditahan merata sepanjang tabung, maka:
vσbahan
Tegangan sejajar radius tabung (tegangan radial); r
p
r
Untuk dinding yang tipis (D1/t > 20), tegangan radial kecil, sehingga dianggap nol.
Tegangan kearah keliling (tegangan tangensial); t
p = tekanan kerja; N/mm2
r1 = radius dalam tabung; mm
t = tebal tabung; mm
t t
F = 0 t 2 t L – p 2 r1 L = 0
t=
p r1
t =
p d1
2 t
t
vσbahan
Diameter dalam tabung (d1) Tebal plat (t)
< 900 mm
900 < 1.350 mm
1.350 < 1.800 m
> 1.800 m
6 mm
7,5 mm
9 mm
12 mm
• 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
Tekanan kerja boiler diklasifikasi sbb.:
1 bar = 1 atm = 1 kg/cm2 = 10-4 kg/mm2
= 105 N/m2 = 0,1 N/mm2 = 105 Pa = 14,7 psi
Pemilihan Bahan Untuk Ketel Uap
KemampuanMemiliki sifat yang istimewa sesuai dengan penggunaannya
Ukuran dan bentukMemiliki keuntungan dengan kekuatan yang sesuai
Efisien dan ekonomisDapat mempersingkat teknik pembuatan
Yang perlu diperhatikan Bahan Untuk Ketel Uap
Kekuatan Pengolahan Penyambungan (Pengelasan,
Pengelingan)
Unsur yang penting dari jenis material
Kualitas Teknik pembuatan, susunan kimiawi, struktur mikro,
sifat mekanik
Bentuk Plat lembaran, material cetakan, pipa, batang
Ukuran Panjang, diameter, ketebalan
Karakteristik material
Komposisi kimiawi Teknik pembuatan, susunan kimiawi, struktur mikro,
sifat mekanik
Struktur mikro 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 (Cr2O3, 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 Karat1. 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 (Cast Iron) 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)
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.
1. Besi Cor Kelabu (Gray 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.
2. Besi Cor Nodular (Ductile Cast Iron)
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.
3. Besi Cor Putih
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.
4. Besi Cor Mampu Tempa (Malleable Cast Iron)
Tabel Kekuatan Tarik Bahan DIN, Deutsches Institut fur Nurmong
Material Kekuatan Tarik (N/mm2)
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 Kekuatan Tarik (N/mm2)
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 EngineersASTM, American Society for Testing Materials
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 5861 MPa = 10 N/mm2
Tabel Faktor Keamanan
MaterialKondisi 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
Material
Kondisi pembebananSteady load Live load Shock load
Cast iron 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
v
σbahan p d1
4 t vσbahan
Menghitung tebal plat; t
Memilih bahan plat; bahan
Memeriksa kemampuan bahan
p d1
4 t vσbahan
Contoh:1. Menentukan tebal plat; t
Tekanan; p = 2 N/mm2 20 barDiameter dalam; d1 = 1,500 mmFaktor keamanan; v = 8 Live load; v = 8 (dari tabel)Bahan yang digunakan = Baja karbon JIS G 3108, SGD B
Kekuatan tarik bahan; bahan = 770 N/mm2 (dari tabel)
Tebal plat; t 7.8 mm
Jadi, tebal plat yang digunakan adalah 8 mm
tpd1v
4bahan
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 N/mm2 20 barDiameter dalam; d1 = 1,500 mmFaktor keamanan; v = 8 Live load; v = 8 (dari tabel)Tebal; t = 9 mm
Kekuatan bahan; bahan 666.7 N/mm2
jadi, bahan yang digunakan adalah Baja Karbon JIS G 3108, SGD B,
kekuatan tarik 460 s.d 770 N/mm2
bahanpd1v
4t
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 = 2 N/mm2 20 barDiameter dalam; d1 = 1,500 mmTebal; t = 9 mmBahan yang digunakan = Baja karbon JIS G 3108, SGD B
Kekuatan tarik bahan; bahan = 770 N/mm2 (dari tabel)Faktor keamanan; v = 8 Live load; v = 8 (dari tabel)
Pemeriksaan kemampuan bahan:
96.25 83.33
Jadi, bahan yang digunakan/dipilih (Baja Karbon JIS G 3108, SGD B)memenuhi syarat pemakaian.
bahan pd1
4t
v
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, SGD B) memenuhi syarat pemakaian.
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.
Rumusan lain: Tebal Plat Minimum
t = tebal plat minimum; mmp = tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm2
Di = diameter dalam badan atau dome; mm
= 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
k = nilai yang ditetapkan mengikuti temperatur uap = konstanta allowance korosi 1 mm untuk p < 28 kg/cm2
2,5 mm untuk p > 28 kg/cm2
1. Standar diameter dalam; Di
Tabel Nilai “k” untuk jenis baja
Temperatur; oC < 480 510 535 565 590 > 620
Nilai “k” Territe steel
0,4 0,5 0,7 0,7 0,7 0,7
Austenit steel
0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,7
Tebal Plat Minimum
t = tebal plat minimum; mmp = tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm2
Do = diameter luar badan atau dome; mm
= 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
k = nilai yang ditetapkan mempertimbangkan creep rupture pada temperatur tinggi k = 0,4
= konstanta 1 mm untuk p < 28 kg/cm2 2,5 mm untuk p > 28 kg/cm2
2. Standar diameter luar; Do
Cocok untuk temperatur < 480 oC dan diameter luar < 60 mm
Tebal Plat Minimum3. Bila ketebalan plat > ½ jari-jari dalam dan
temperatur uap < 374 oC
t = tebal plat (pipa) minimum; mmR = badan ketel uap atau jari-jari dalam; mm
Z = konstanta dihitung dengan rumus:
p = tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm2
= 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
k = nilai yang ditetapkan tergantung temperatur uap (tabel)
Proses Pengerolan (Rolling)yaitu proses pembuatan benda kerja (logam) dengan cara memberikan gaya luar sampai terjadi deformasi (perubahan bentuk) plastik.
Pembuatan dinding boiler dilakukan dengan proses pengerolan (rolling) pengerjaan panas
Pengerjaan panas (hot working)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.
Tebal Plat Penutup (End Plate)1. End plate bentuk piring atau setengah
bola, tidak mempunyai lubang yang memerlukan penguat
t = tebal minimum plat penutup; mmp = tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm2
R = jari-jari sisi dalam pada bagian pusat plat; mm = 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
= konstanta allowance korosi 1 mm untuk p < 28 kg/cm2 2,5 mm untuk p > 28
kg/cm2
W = koefisien yang berkaitan dengan bentuk
Bentuk setengah bola; W = 1Bila 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 = tebal minimum plat penutup; mmp = tekanan pemakaian tertinggi; kg/cm2
D = diameter panjang pada sisi dalam plat penutup ½ elip; mm = 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
= konstanta allowance korosi 1 mm untuk p < 28 kg/cm2 2,5 mm untuk p > 28
kg/cm2
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 Test).
Gaya tangensial
Gaya normal
TEGANGAN (STRESS)Secara umum, gaya yang bekerja pada “batang” dibedakan menjadi:
yaitu gaya yang bekerja dengan arah tegak lurus dengan penampang batang
yaitu gaya yang bekerja dengan arah sejajar dengan penampang batang
Gaya yang bekerja merata pada seluruh luas penampang, disebut TEGANGAN (STRESS).
)(mm A penampang; Luas(N) F Gaya;
)(N/mmσ Tegangan;2
2
Apabila logam dengan panjang awal Lo ditarik menjadi panjang akhir Lt, maka benda tersebut mengalami tegangan tarik dan regangan.
REGANGAN (STRAIN)
Regangan teknik; adalah perbandingan antara pertambahan panjang terhadap panjang awal.
L = pertambahan panjang; mm L = Lt – Lo
Lt = panjang akhir; mmLo = panjang awal; mm
oLL
ε
Regangan teknik mengasumsikan bahwa diameter tidak mengalami perubahan bentuk.
Pengujian Kekuatan Tarik
Grafik ideal tegangan sebagai fungsi regangan suatu logam dapat digambarkan sebagai berikut:
Tegangan;
Regangan;
o
E
Y2P
B
P = proporsionalE = elastisitasY1 = yield (luluh) atasY2 = yield (luluh) bawahU = ultimate (maksimum)B = break (patah)
Y1
U
Tegangan;
Regangan;
o
E
Y2P
BY1
U- Dari titik O ke P
(proporsional) tegangan sebanding dengan regangan.
tetapi bila beban dilepas maka logam kembali ke bentuk semula (deformasi elastik).
- Dari P sampai E (elastistas) tegangan tidak sebanding lagi dengan regangan,
- 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
= tegangan; N/mm2
E = modulus elastisitas bahan; N/mm2, diperoleh dari tabel referensi tergantung dari jenis bahan
= regangan
Tegangan;
Regangan;
o
E
Y2P
BY1
U
maka penampang logam mulai tampak mengecil dan memanjang (terjadi perubahan bentuk atau deformasi plastik).
- Bila beban mencapai titik E dan diteruskan pemberian beban sampai patah (logam mengalami luluh dan kekuatan maksimum terlebih dahulu),
- Pada kondisi tersebut tidak berlaku hukum Hooke.
Keuletan (ductility)• Keuletan: derajat deformasi plastis hingga
terjadinya patah
100% x L
ΔLε
o
100% x A
)A- (AAR
o
ot
• Keuletan dinyatakan dengan– Presentasi elongasi,
– Presentasi reduksi area
Uji Kekerasan (Hardness Test)
ROCKWELL VICKERS
BRINELL
Ketangguhan (Toughness)
Teg
anga
n
ReganganA
B
B’
C 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) Highly ductile fracture in which the specimen necks down to a point
b) Moderately ductile fracture after some necking
c) Brittle fracture without any plastic deformation
Sambungan Paku Keling
p
F
p-dd
F
F
p
Tegangan yang terjadi adalah Tegangan tarik; σt (N/mm2)
t d)-(pF
AF
σt
F = gaya; Np = jarak antara sumbu; mmd = diameter paku keling; mmt = tebal plat; mm1 = efisiensi
σσt Syarat perancangan
1. Kerusakan pada penampang plat
p
F
p-dd
F = gaya; Nd = diameter paku keling;
mmn= jumlah paku keling
Syarat perancangan
2. Kerusakan pada paku keling
Tegangan yang terjadi adalah Tegangan geser; s (N/mm2)
keling paku,ττ s
2s
d n
FAF
4π
τ
F
F
p
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 PengelasanButt joint weld
Lap joint weld
Tabel Kekuatan Tarik Bahan Elektroda JIS; Japan Industrial Standards
Klasifikasi Kekuatan Tarik (N/mm2)
D4301 … D4340 430
D5000, D5001, D5003 500
D5016, D5026, D5300 530
D5316, D5326 530
D5816, D5826 580
Tabel Kekuatan Tarik Bahan Elektroda AWS; American Welding Standards dan ASTM; American Society for Testing Materials
Klasifikasi Kekuatan Tarik (N/mm2)
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; σt (N/mm2)
t
L
F
tL F
AF
σt
F = gaya; NL = panjang las; mmt = tebal las efektif;
mm
v
σσσσ elektroda t,
tt 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.
t = 5 mm
L
F = 50 kN
Penyelesaian:
• Tegangan yang terjadi adalah tegangan tarik
• Dari tabel referensi, diperoleh:- σt, elektroda = 530 N/mm2
- v = 1,2
• Panjang las minimum
mm 22,6530 x 5
1,2 x 50.000σt
vFL
v
σ
tL F
v
σσ
elektroda t,
elektroda t,
elektroda t,t
Perhitungan kekuatan Lap Joint Weld
Tegangan yang terjadi pada sambungan las adalah Tegangan tarik; σt (N/mm2)
F = gaya; NL = panjang las; mma= tebal las efektif;
mmt = tebal las; mm
F
t 221
a
t
t
a
L
double transverse fillet weld
Lt 2
21
2
FL a 2
FAA
Fσ
21t
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:
• Tegangan yang terjadi adalah tegangan tarik
• Dari tabel referensi, diperoleh:- σt, elektroda = 471 N/mm2
- v = 1,5
F = 60 kN
L = 80 mm
double transverse fillet weld
• Tebal las minimum
mm 1,7471 x 80 x 2
1,5 x 60.000
σL 2
vFt
v
σ
Lt 221
2
F
AAv
σ
A AF
v
σσ
elektroda t,
elektroda t,
21elektroda t,
21
elektroda t,t
Tegangan yang terjadi pada sambungan las adalah Tegangan geser; s (N/mm2)
F
L
parallel fillet weld
Lt 2
21
2
FL a 2
FAA
F
21s
τ
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.
Penyelesaian:
• Tegangan yang terjadi adalah tegangan geser
• Dari tabel referensi, diperoleh:- σt, elektroda = 471 N/mm2
- v = 2,7
F = 60 kN
L = 80 mm
parallel fillet weld
• Tebal las minimum
mm 6,1471 x 80 x 2
21
2,7 x 60.000
σL 221
vFt
v
σ 0,5
Lt 221
2
F
σ 0,5vLt 2
21
2
F
AAv A A
Fv
elektroda t,
elektroda t,
elektroda t,elektroda s,elektroda s,
21elektroda s,
21
elektroda s,s
ττ
τ
ττ
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; CaCO3
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; MnO2
Sebagai unsur pengikat, contoh kalium silikat; K2SiO3
Proses pengelasan TIG (Tungsten Inert 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.
PROSES PENGELASAN GTAW (TIG)
Karena elektroda tidak ikut mencair dapat disebut juga elektroda tidak terumpan.
Proses pengelasan MIG (Metal Inert Gas Welding) atau GMAW (Gas Metal Arc Welding) yaitu proses pengelasan menggunakan logam pengisi kawat las besi dan berfungsi juga sebagai bahan tambah elektroda yang diumpankan terus menerus serta gas pelindung.
PROSES PENGELASAN GMAW (MIG)
Gas sebagai pelindung busur listrik yang digunakan adalah gas Argon, gas Helium
Hasil Uji Radiography TestHasil Uji Radiography Test
Scattered porosityScattered porosityCluster porosityCluster porosityRoot pass aligned porosityRoot pass aligned porosity
Transverse crackTransverse crackInter pass slag inclusionsInter pass slag inclusionsElongated slag linesElongated slag lines
Lack of penetrationLack of penetrationLongitudinal root crackLongitudinal root crackLongitudinal crackLongitudinal crack