analisis kegagalan sambungan baut

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ANALISIS KEGAGALAN SAMBUNGAN BAUT

Sanda dan SuryantoPusat Rekayasa Perangkat Nuklir

Badan Tenaga Nuklir Nasional

ISSN 1693-3346

ABSTRAK

ANALISIS KEGAGALAN SAMBUNGAN BAUT PAD A BEJANA PROSES.

Sambungan baut kelihatan sangat sederhana, namun memiliki fungsi yang sangat penting,

sambungan baut yang berfungsi dengan baik akan menghindari mesin dari kebocoran,

keausan, selip, pecah (rupture). Banyak penyebab terjadi kegagalan sambungan baut. Jenis

permasalahannya berbeda-beda, misalnya konstruksi sambungan baut pada bejana proses,

turbin uap, atau ketel uap dan lain-lain. Kegagalan tersebut akibat panas dan tekanan tinggi

yang menyebabkan kegagalan fatal pada bejana proses atau turbin itu sendiri, namun alat

tersebut dapat menghindarinya, karena ada faktor-faktor redundan yang dimiliki alat

tersebut. Berdasarkan pengamatan yang telah dilakukan, penyebab kegagalan dapat

diakibatkan oleh adanya kesalahan pad a saat disain, saat perakitan dan saat operasi. Dan

penyebab kegagalan lain dapat juga terjadi karena kesalahan, Creep, getas, palstik dan

korosi. Hasil pengamatan menunjukkan, bahwa faktor kegagalan sambungan baut terjadi

bukan saja dari besamya tekanan yang terjadi didalam bejana proses, tetapi juga

diakibatkan oleh adanya kesalahan teknis, diantaranya adalah pecah akibat beban statis,

getas dan kelelahan bahan. Selain itu kegagalan bisa disebabkan oleh pengencangan yang

berlebihan, sehingga baut mengalami pengecilan.

Kata kunci : kegagalan, baut, bejana proses, kelelahan, getas, produk dan rakitan.

ABSTRACT

THE FAILURE ANALYSIS OF BOLT LENGHTENING OF PROCESS

VESSEL. The failure analysis of bolt lenghtening of process vessel was carried out. Bolt

lenghtening look very simple, however It has very important function, bolt lengthening

which working properly may avoid engine from leakages, wear down, slip, and rupture.

Many cause failing of bolt lenghtening, kind of problem very different, such as lenghtening

bolt construction of Prosses Vessel, Steam Turbine, Steam Vessel, These are caused by

177

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

high pressure and heat. Redundant factors of machine can avoid fatal failure of Prosses

Vessel or Turbine. Base on the observation, failure may be caused by design error,

assembly error or operation error. Based on materials failure may be caused by rupture,

fatigue, creep, plastic and corrosion. Observation result show heat failure factor at bolt

lengthening is not only high pressure in the vessel but also technical error such as rupture,

fatigue and creep. In addition, the failure can be caused by excessive strengtened so that

bolt lengthening necking.

Keywords: failure, bolt, process vessel, fatigue, fracture, product and assembly.

PENDAHULUAN

Baut dan mur merupakan pengikat dua komponen atau lebih yang ikatannya

bersifat semi permanen dan digunakan secara (uas oleh masyarakat. Baut bisa digunakan

untuk mengikat suatu konstruksi bangunan baja dengan rigiditas yang tinggi, menutup

suatu perrnukaan· nozle, dan menutup permukaan atas dari suatu £lens sebuah bejana

proses. Oalam aplikasinya, mur biasa digunakan untuk komponen dinamis contohnya mur

roda .mobil, sedangkan untuk ulir dalam (pengganti mur) bukan mur, biasa digunakan

pada komponen statis dan konstruksi yang presisi, seperti pada bejana proses. Baut dan

mur yang mengikat suatu konstruksi ban yak mengalami perubahan kondisi fisik, yang

mengakibatkan terjadinya suatu kegagalan dari suatu alat. Pemilihan baut juga merupakan

faktor yang penting untuk menghindari terjadinya kegagalan sambungan baut. Oleh

karenanya untuk menjamin suatu konstruksi agar aman ketika beroperasi maka kondisi

baut dan mur harus terjamin kekuatannya. Untuk itu perlu dilakukan suatu analisis

sambungan baut dan mur dengan model pendekatan

tedistribusi merata. Hasil analisis ini diharapkan bisa dijadikan sebagai pedoman untuk

aplikasi baut pada suatu konstruksi, khususnya bejana proses.

178


METODOLOGI

ISSN 1693-3346

Walaupun baut dan mur dapat menerima beban tarik, tegangan putus geser dan

tegangan normal yang timbul karena gaya diatas tidak diperbolehkan melampaui tegangan

putus geser dan tegangan normal yang diijinkan. Apabila pada sebuah baut bekerja gaya

tarik F, maka dalam baut itu (gambar I) akan timbul gaya tarik yang dapat menyebabkan

patah atau putus pada penampang A, luas penampang baut dalam mur dengan garis tengah

d I dan tinggi hI atau pada penampang B, luas tungkai dalam mur dengan garis tengah d

dan tinggi hI. Jika ulir mur bergeser dari posisinya, maka tegangan tarik[l] yang terjadi

pad a penampang A, yaitu

F(J' =

I A Yerata

..............................................................(I)

Dimana :

crt =Tegangan tarik (kg/cm2)

F = Gaya tarik pada baut (kg)

A rerata = luas penampang rata-rata baut (cm2)

A reratadapat ditentukan dengan menggunakan persamaan[l] sebagai berikut :

.......................................................... (2)

dc

dl

F

Gambar I. Gaya Tarik F yang terjadi pad a Baut

179


ISSN 1693-3346

Untuk.mendapat gaya pengencangan Fa pada suatu sambungan baut dan mur akan

timbul momen puntir Mw, momen gesek Ms. Momen gesek yang ditimbulkan dari gesekan

antara bidang tumpu kepala baut atau mur dan bagian konstruksi yang akan disambung,

adalah MS[I] sebagai berikut :

Ms = Fa.fs.rs

Dimana :

................................................................... (3)

fs = koefisien gesek

rs = Iengan tuas rata-rata gaya gesek (mm), ditentukan dengan persamaan berikut

101:

Ds +dgr =--s 4

dimana :

.................................................................. (4)

Os = garis tengah luar bidang tumpu mur (mm)

dg=garis tengah lubang baut (mm)

Dari persamaan-persamaan diatas diperoleh momen pengencang Ma[I]Sebagai berikut :

.............................. (5)

dimana:

p = sudut gesek, 0

f= koefisien gesek antara mur dan baut

Untuk melepaskan mur, diperlukan momen pelepasan Mi [l]dengan persamaan sebagai

berikut :

.................................. (6)

Sedangkan untuk perhitungan penampang memanjang bejana proses yang

berdinding tipis dengan tekanan internal p, garis tengah internal d dan tebal dinding f5, akan

timbul tegangan tarik (]"t aksial dengan persamaan [l]sebagai berikut :

(J _ p.d(- -25.................................................................................. (7)

180


ISSN 1693-3346

Untuk tegangan tarik penampang melintang (J( radial hanya separuhnya, yaitu :

a _p.d1-----46........................................... (8).......................................

Jika (It = 0:1 maka tebal dinding bejana proses dapat dihitung sebagai berikut :

6 = p .d +c (9)2.al

dimana :

c = konstanta tambahan untuk antisipasi korosi dan toleransi tebal dinding, mm.

Dengan memilih 0:1 rendah harus diperhitungkan kenaikan tegangan yang mungkin

timbul karena perubahan tekanan air, perubahan bentuk karena adanya selisih temperatur,

beban berat dan toleransi (biasanya 15%) untuk tebal dinding, sehingga tegangan yang

terjadi dapat lebih 20% dari (It, juga kekurangan penguatan akibat kenaikan temperatur

(pada baja terjadi diatas 150°C keatas). Sedangkan pad a bejana yang dilas, presentase

kekuatan cp juga harus diperhitungkan. Apabila besar gaya yang bekerja pada bejana

diketahui, maka tebal dinding bejana dapat segera dihitung. Pada umumnya tegangan tarik

yang diijinkan at pada dinding pipa tergantung pada batas regangan Re pada temperatur

kerja di dalam bejana, dengan batasan yang digunakan [l]adalah

Re = 1,6 ... 2,5at

....................................................................... ( I 0)

Normalisasi Jerman (DIN 2413) memberikan dasar pertimbangan jenis baja yang

digunakan antara temperatur 150°C hingga 550°C dalam bentuk Tabel I [I], yaitu :

Tabel 1. Kekuatan Tarik Jenis Baja

KEKUATAN TARIKBATAS REGANGBATAS RAYAP

JENIS BAJA

N/mm2N/mm2 pacta °CN/mm2 pada °C

150

200300400400450500550

Mild Steel

350 - 4502301901501109050--

Mild Steel

450 - 55026021017013010060--

Baja Paduan 0,3% Mo

450 - 550290260240190170150120-

Baja SS 1%Cr, 0,4%Mo

450 - 55030028026022021019015070

18 I


ISSN 1693-3346

Sehingga persamaan tebal dinding bejana !IJditentukan menjadi sebagai berikut :

......................................................... ( 11)

dimana :

d : garis tengah luar pipa, mm

<p: faktor kualitas, nilainya I, untuk bejana/pipa tanpa kampuh

<p: nilainya 0,7 - 0,9, untuk bejanalpipa dengan kampuh las panjang

p : tekanan internal, N/mm2

a : koefisiensi untuk pipa tanpa kampuh, nilainya 0,85.

Dari persamaan (11) ketentuan batasan 0-1 ~ R. sampai pada temperatur 350°C diambil1,6

batas regang Re,sedangkan untuk temperatur 400°C - 525°C diambil batas rayap bahan

pada temperatur kerja bejana/pipa.

Adapun untuk menentukan baut flens, harus ditentukan jumlah dan diameter baut

flens. Jumlah baut i yang dipilih, menentukan jarak antara garis sumbu, biasanya 120

140 mm, paling tinggi 180 mm!1J . Makin kuat flens, makin besar jarak bagi yang

diperkenankan. Flens yang lebih tipis memerlukan jarak bagi yang lebih kecil. Sedangkan

gaya yang terjadi pad a baut diperoleh dari persamaan!IJ, sebagai berikut:

............................................................ ( 12)

dimana :

b : Iebar paking, mm

F : gaya yang bekerja pada baut, N

D : garis tengah baut flens, mm

P : tekanan internal, N/mm2

182


ISSN 1693-3346

HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan pengamatan yang telah dilakukan pada sambungan baut M lOx 1,50[3]

sebanyak 12 buah dari bahan SS 304, yang digunakan untuk mengikat flens sebuah bejana

proses dari bahan SS 304. Sebagaimana yang terlihat pad a Gambar 2. dibawah.

iJ~19'

1~~5a

I! ~1" ~.,..

~ II- ..

IIIm

~I

211

Gambar 2. Baut Flens pada Bejana Proses

Bejana proses perhitungan mempunyai data sebagai berikut :

Bejana mempunyai diameter 250 mm dengan ketebalan dinding 5 mm, uap dan tekanan

yang akan bekerja didalam bejana maksimal pada temperatur 400°C dan 12 bar.

Dari data diatas diperoleh hasil perhitungan untuk bejana proses dan baut flens

bejana sebagai berikut :

- Tegangan tarik yang terjadi di dalam bejana sebesar at = 30 N/mm2

- Tebal dinding bejana proses yang seharusnya 8 = 3 mm

- Tegangan tarik puntir atw = 3072,90 N/mm2

- Tegangan pengencangan aa = 122,47 N/mm2

- Tegangan tarik yang diijinkan a-, = 154 N/mm2

183


ISSN 1693-3346

Bila syarat (allowable stress) yang harus dipenuhi adalah Tegangan

pengencangan Ga < Tegangan tarik yang diijinkan 0-" berarti harga diatas telah

memenuhi syarat tegangan, yaitu Ga = 122,47 N/mm2 < 0-, = 154 N/mm2.

Sedangkan kegagalan sambungan baut dipengaruhi juga oleh beberapa hal,

diantaranya adalah pecah/patah akibat beban statik, kegagalan akibat kelelahan, kendur

karena vibrasi dan kebocoran sambungan. Berdasarkan Tabel 1, model kegagalan

sambungan baut, maka kemungkinan besar kegagalan yang terjadi disebabkan adanya

fatique failure.

Tabel I. Model Kegagalan Sambungan Baut[2]

PRIMARY CAUSE (FACTORS) FRACTUREFATIGUEVIBRA nONJOINTUNDER STA-TIC

FAILURELOOSENINGLEAKAGELOADDesign

andDirectionof bolt axis *

Manufacturing

relative to vibration axis

Damping in Joint

..*

Relaxation Effects

**

Radius of Thread Roots

*

Bolt/Joint Stiffness Ratio

**

Thread Run Out

*

Fillet Size and Shape

*

Nut Dilation

*

Poor Fits

*

Galling

*

Finish of Parts

*

Improper

Heat*

Treatment Tool Marks

*

Assembly

ConditionofJoint *

Practices

Surfaces

Condition of Gaskets

*

Bolt Up Procedure

*

Thread Lubrication

***

Type of Tool Used

*

Improper Preload

**

Operating

MagnetudeofLoad * *

Conditions

Excursions

Temperatur Cvcling

*

Corrosioin

****

184


KESIMPULAN

ISSN 1693-3346

Dari hasil dan pembahasan diatas dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai

berikut :

1. Baut £lens bejana proses sebanyak 12 buah dengan ukuran M lOx 1,50 dan panjang

bodi baut 30 mm memiliki kemampuan untuk menahan tekanan dari dalam sebesar

122,47 N/mm2.

2. Faktor kegagalan sambungan baut bisa terjadi bukan saja dari besarnya tekanan

yang terjadi didalam bejana proses, tetapi juga bisa diakibatkan oleh adanya

kesalahan teknis, diantaranya adalah pecah akibat beban statik, kegagalan dalam

pengoperasian akibat kelelahan bahan, juga bisa diakibatkan oleh pengencangan

yang berlebihan, sehingga baut mengalami pengecilan leher baut (necked out)

DAFT AR PUST AKA

1. Jac. Stolk dan C. Kros, "ELEMEN MESIN, ELEMEN KONSTRUKSI DARI

BANGUNANMESIN", Erlangga, Jakarta, 1984.

2. ASIA PACIFIC INSTITUTE FOR MANAGEMENT DEVELOPMENT, Jakarta,

December, 1993.

3. Hermann Jutz and Eduard Scharkus, "WESTERMANN TABLE FOR THE METAL

TRADE", Mohinder Singh Sejwal for Wiley Eastern Limited, India, 1961.

LEMBAR TANYA-JAWAB

PERT ANY AAN :Dari A. ChamsudilYundi

JA WABAN

I. Mengapa juduI tidak sesuai dengan isi ?2. Analisis sambungan metodenya berdasarkan apa?

1. Judul ini sudah sangat cocok dengan isi, contohnya didalamnya dibahas tentang kegagalan sambugan bautyaitu kegagalan bukan saja akibat dari besarnya tekanandi dalam bejana, tapi dapat disebabkan oleh kesalahanteknis dan pengencangan baut yang dilakukan secaraberlebihan.

2. Analisis berdasarkan model pendekatan terdistribusimerata, maksudnya beban (tekanan) yang bekerja terjadipad a seluruh penampang baut yang mengikat £lens.

185

analisis kegagalan sambungan baut

Documents