1

DESAIN TANGKI DAN TINJAUAN KEKUATANNYA PADA KAPAL PENGANGKUT COMPRESSED NATURAL GAS (CNG)

Tomi Santoso*, Ir. Soeweify M. Eng** * Mahasiswa Jurusan Teknik Perkapalan

** Staf Pengajar Jurusan Teknik Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Sukolilo – Surabaya (60111)

ABSTRAK

Compressed Natural Gas (CNG) merupakan salah satu jenis gas alam ditinjau dari moda transportasinya. CNG merupakan gas alam yang dimampatkan dengan tekanan yang sangat besar (100 s/d 275 bar). Tekanan yang sangat besar menyebabkan sistem penyimpanan CNG membutuhkan tempat khusus untuk menahan tekanan tersebut. CNG disimpan dalam bejana tekan (pressure vessel).

Tugas akhir ini bertujuan untuk mendapatkan ukuran pressure vessel untuk CNG dan menghitung kekuatan material terhadap beban yang bekerja. Metode yang akan digunakan untuk menentukan ukuran pressure vessel adalah metode perbandingan L/D optimal, yaitu menentukan diameter dalam dari grafik hubungan faktor perbandingan L/D (disebut F1) terhadap volume (V) dan diameter dalam (Di) pressure vessel. Sedangkan tebal pressure vessel dihitung dengan formula dari standard ASME (American Society of Mechenical Engineers). Dalam merancang pressure vessel harus memperhatikan beban apa saja yang bekerja pada pressure vessel tersebut. Salah satu beban yang bekerja pada pressure vessel adalah beban tekanan dalam (internal pressure). Beban pada pressure vessel menimbulkan tegangan yang bervariasi pada dinding pressure vessel. Untuk menghitung tegangan yang terjadi pada dinding pressure vessel dapat dilakukan dengan cara manual (hand calculation) maupun menggunakan analisa komputer. Cara manual menggunakan perhitungan tegangan yang terjadi pada pressure vessel berdasarkan teori – teori yang ada. Sedangkan analisa komputer menggunakan software ANSYS 9. Dari kedua cara tersebut dapat diketahui tegangan ekivalen maksimum dan minimum pada pressure vessel. Dengan membandingkan tegangan luluh material terhadap tegangan ekivalen maksimum, akan didapatkan faktor keamanan yang dapat digunakan sebagai acuan tingkat keamanan pressere vessel. Pressure vessel dianggap aman (kuat) jika memiliki faktor keamanan tidak kurang dari 3.

.

Kata kunci : CNG, pressure vessel, tekanan dalam, tegangan, faktor keamanan

1. PENDAHULUAN Semakin tingginya tingkat pencemaran udara yang diakibatkan pemakaian bahan bakar

minyak (BBM) dan semakin berkurangnya sumber minyak bumi membuat orang melirik bahan bakar alternatif. Salah satu dari bahan alternatif tersebut adalah bahan bakar gas (BBG). Salah satu jenis dari bahan bakar gas adalah compressed natural gas (CNG) atau gas alam terkompresi, yaitu gas alam dalam bejana tekan yang dikenai (diberi) tekanan yang besar (100 s/d 275 bar).

CNG tidak dapat didistribusikan melalui system perpipaan (pipe line). Dalam skala besar, digunakan kapal sebagai media transportasi dan distribusi CNG. CNG didistribusikan dalam bentuk pengemasan dalam tangki, yaitu bejana tekan (pressure vessel). Sehingga bahan bakar gas jenis CNG dapat terdistribusi sampai ke daerah – daerah yang sulit dijangkau melalui jaringan perpipaan. Pressure vessel untuk CNG cenderung memiliki dimensi yang berbeda dari pada pressure vessel untuk fluida yang lain. Pressure vessel untuk penyimpanan CNG lebih ramping dan tebal. Oleh karena itu, diperlukan analisa yang lebih akurat dalam perancangannya.

2

Dari segi ekonomis, CNG dipilih karena biayanya lebih terjangkau dari pada bahan bakar gas yang lain seperti LPG (Liquid Petroleum Gas) maupun LNG (Liquid Natural Gas). Hal ini dikarenakan untuk menjadi LPG dan LNG, gas harus dirubah dalam bentuk cair (liquefaction) untuk bisa diangkut oleh kapal dan harus dirubah dalam bentuk gas lagi (regassiffication) untuk didistribusikan untuk konsumsi. CNG lebih efisien untuk jarak kurang dari 2500 km. Hal ini sangat cocok untuk kondisi perairan di Indonesia.

2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Gas Alam

Gas alam merupakan kelompok minyak bumi yang terjadi (terbentuk) secara alami, campuran kompleks hidrokarbon dengan jumlah senyawa anorganik yang sedikit. Para ahli geologi dan ahli kimia menyatakan bahwa gas alam terbentuk dari sisa – sisa tumbuhan dan binatang yang berkumpul dengan sedimen bebatuan di dasar laut atau danau selama ribuan atau jutaan tahun.

2.2 Compressed natural Gas 2.2.1 Pendahuluan

Compressed Natural Gas (CNG) merupakan salah satu bahan bakar gas alternatif pengganti bahan bakar minyak (BBM). CNG merupakan gas alam (natural gas) yang dipadatkan (dimampatkan). CNG disimpan dan didistribusikan melalui pengemasan dalam tangki (bejana tekan atau pressure vessel). Tekanan yang digunakan pada operasional CNG sebesar 100 s/d 275 bar. Hal ini lah yang menyebabkan CNG tidak dapat didistribusikan melalui system jaringan perpipaan (pipe line). Tekanan yang digunakan dalam system jaringan pipa dalam distribusi gas sekitar 11 bar.

CNG efisien untuk jarak 2500 km. Jika lebih dari 2500 km, transportasi gas alam lebih efisien menggunakan transportasi dalam bentuk LNG (Liquified Natural Gas).

2.2.2 Tangki CNG Pada dasarnya ditinjau dari bahan, tangki CNG diklasifikasikan menjadi 4 kelompok, yaitu :

Tipe 1, Semua bahan adalah logam Tipe 2, Logam yang dilapisi komposit (fiber glass atau serat karbon) pada bagian tengah. Tipe 3, Logam yang dilapisi komposit pada bagian dalam (full wrapped). Tipe 4, Plastik kedap gas yang dilapisi komposit pada bagian dalam (full wrapped).

2.2.3 Pengangkutan CNG dengan Kapal (CNG by Ship)

Pengangkutan CNG dengan kapal dipandang lebih efisien dari pada pengangkutan gas yang lain (LNG dan LPG). Hal ini dikarenakan tidak diperlukan terminal pencairan (liquefaction terminal) sebelum pemuatan di kapal dan terminal pembentukan gas kembali dari bentuk cair (regassiffication terminal) pada saat bongkar muatan.

Ada beberapa perusahaan pendukung yang sedang mengembangkan teknologi kelautan CNG (marine CNG technology), antara lain:

• EnerSea Transport LLC – USA

Gambar 2.1 Jarak untuk Pemasaran Gas Alam

3

• Knutsen OAS Shipping – Norway • SEA NG Management Corporation – Canada • Trans CNG International – Canada • CETech Marine – Norway • Trans Ocean Gas – Canada

2.3 Pressure Vessel 2.3.1 Pengertian Pressure Vessel

Pressure vessel merupakan tangki yang digunakan untuk penyimpanan fluida. Biasanya fluida yang disimpan dalam pressure vessel merupakan fluida yang memiliki karakteristik maupun perlakuan khusus, misalnya fluida bertekanan, fluida dalam temperature rendah dll.

2.3.2 Perancangan Pressure Vessel (Pressure Vessel Design)

Dalam merancang pressure vessel, hal – hal yang harus dilakukan adalah : 1) Menentukan Ukuran Utama Pressure Vessel

Untuk menentukan ukuran utama pressure vessel dapat dilakukan dengan 2 metode. Metode – metode tersebut biasa disebut dengan Metode 1 dan Metode 2. (Pressure Vessel Design Manual oleh Dennis Moss, 2004)

2) Menghitung Tebal Pelat untuk Pressure Vessel Untuk menghitung tebal pelat pressure vessel harus sesuai standard yang ada. Perhitungan tebal pelat pressure vessel sesuai standard ASME (American Society of Mechanical Engineers) adalah sebagai berikut:

a) Untuk Shell Cylindrical Shell • Longitudinal Joints

Dengan P ≤ 0.385SE atau t ≤ 0.5Ri

1 0.6

• Circumferential Joints Dengan P ≤ 1.25SE atau t ≤ 0.5Ri

2 2 0.4

b) Untuk Hemispherical Head Tebal pelat minimum untuk hemispherical head adalah :

2 0.2

Dimana : t = tebal pelat minimum yang diminta [ in ] P = tekanan dalam atau internal pressure designed [ psig ] = Po +10%Po ; Po = tekanan operasional S = tegangan yang diijinkan [ psi ] E = efisiensi sambungan / las – lasan Ri = jari – jari dalam tabung [in] L = diameter dalam hemispherical head [in]

2.3.3 Teori Kegagalan Elastik Dari teori kegagalan elastik yang dikembangkan, teori yang paling banyak

digunakan antara lain : 1) Teori Tegangan Normal Maksimum 2) Teori Tegangan Geser Maksimum 3) Teori Kegagalan Energi Distorsi Maksimum

4

3. METODOLOGI PENELITIAN Secara garis besar, kegiatan pada tugas akhir ini dibagi menjadi dua, yaitu perancangan atau

penentuan ukuran pressure vessel dan perhitungan kekuatan pressure vessel. Perancangan ukuran pressure vessel dilakukan berdasarkan teori yang ada dan formula yang ditetapkan oleh standard. Standard yang digunakan untuk pembuatan pressure vessel ini adalah ASME (American Society of Mechanical Engineers). Sedangkan untuk perhitungan kekuatan pressure vessel tidak hanya dilakukan secara manual. Akan tetapi juga menggunakan analisa komputer, yaitu menggunakan software ANSYS.

3.1 Perancangan Ukuran Pressure Vessel (Pressure Vessel Design)

Berikut ini adalah gambar konsep kapal CNG dan pressure vessel yang akan dirancang :

Sedangkan langkah – langkah dalam pressure vessel design dapat dilihat pada diagram alir (flowchart) berikut ini:

INPUT

Calculate CNG Density

Calculate CNG Volume

Determine PV Internal Diameter

Calculate F1 = Optimum L/D Ratio

Calculate PV Length Calculate PV Thickness Calculate PV Outer Diameter

( a )

( b )

Gambar 3.1 Kapal Pengangkut CNG (a) dan Pressure Vessel yang dirancang (b)

Gambar 3.2 Diagram alir Pressure Vessel Design

5

3.2 Perhitungan Kekuatan Pressure Vessel Perhitungan dan analisa kekuatan dilakukan dengan menggunakan dua cara. Hal ini dilakukan untuk menjamin bahwa data yang didapatkan nantinya lebih akurat dan mendekati kondisi sebenarnya. Dua cara tersebut adalah perhitungan manual (hand calculation) dan perhitungan komputer (ANSYS calculation).

4. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Perancangan Ukuran Pressure Vessel (Pressure Vessel Design)

Perhitungan berat jenis CNG, dihitung dari berat jenis komponen – komponen yang terkandung dalam CNG. Komponen – komponen CNG dan berat jenis pada kondisi NTP atau Normal Temperature and Pressure (T = 20oC = 293oK, P = 1 atm) adalah sebagai berikut :

Komponen Komposisi [ % ] δ [ kg/m3 ] Methane 88 0.668 Ethane 5 1.264 Propane 1 1.882 CO2 5 1.842 Others 1 1.205

CNG dioperasikan pada temperatur -29oC = 244oK dan tekanan 130 bar = 128.3 atm. Berat CNG yang direncanakan adalah 2000 ton = 2000000 kg. Untuk perhitungan berat jenis gas pada kondisi yang berbeda, digunakan rumus :

δ2 = ⁄ ⁄ * δ1

Maka, berat jenis komponen CNG pada temperatur dan tekanan operasional adalah sebagai berikut :

Komponen Komposisi [ % ] δ [ kg/m3 ] Massa [ kg ] Volume [ m3 ] Methane 88 102.916 1760000 17101.4 Ethane 5 194.738 100000 513.509 Propane 1 289.951 20000 68.977 CO2 5 283.788 100000 352.376 Others 1 185.649 20000 107.73 Σ 100 2000000 18143.993 Σ1 Σ2 Σ3

Dari dua metode untuk merancang pressure vessel yang ada, digunakan metode 1. Hal ini

dikarenakan metode 1 lebih simpel (sederhana). Untuk mendapatkan ukuran utama pressure vessel yang optimal, digunakan faktor perbandingan panjang pressure vessel terhadap diameter pressure vessel, disebut F1.

Setelah nilai F1 didapatkan, dengan kombinasi volume ditentukan nilai diameter dalam (Di) pressure vessel dan menentukan nilai panjang pressure vessel dengan formula hubungan V dengan L dan Di.

13 r

r

1

12074.04

0.125 20000 0.8

F1 1.04

Tabel 4.1 Massa Jenis Komponen CNG

Tabel 4.2 Perhitungan Massa Jenis CNG

6

Dengan beberapa iterasi yang dilakukan dan dengan batasan terhadap L = 12m atau 39.37 ft = 472.4 in, didapatkan:

Diameter dalam (Di) = 1.964 ft = 23.56 in.

Langkah selanjutnya adalah menentukan tebal pressure vessel. Untuk tebal shell pressure vessel diambil dari nilai yang lebih besar dari nilai berikut ini:

1 .

= 1.66 in

2 .

= 0.74 in

Jadi tebal pelat untuk shell adalah 1.66 in.

Untuk diameter luar shell pressure vessel dapat dihitung dengan : 2 = 26.88 in

Sedangkan tebal minimum untuk hemispherical head adalah:

. = 0.77 in

Tebal hemispherical head diambil sama dengan tebal shell. Hal ini di lakukan untuk mempermudah proses produksi.

4.2 Perhitungan Kekuatan Pressure Vessel

Perhitungan kekuatan pressure vessel dilakukan dengan menggunakan dua cara, yaitu : 4.2.1 Perhitungan Manual (Hand Calculation)

Perhitungan manual menggunakan kriteria Von Mises. Tegangan ekivalen kriteria Von Mises dirumuskan:

√ 1 2 2 3 3 1 Perhitungan manual menggunakan rumus tegangan yang bekerja pada pressure

vessel berdinding tebal. Hal ini dikarenakan : .

.7.096 < 10 ===> tebal

a. Tegangan pada Cylindrical Shell

Tegangan – tegangan principal yang terjadi pada shell antara lain tegangan circumferential (σhoop), tegangan longitudinal (σlong) dan tegangan radial (σrad). Jika σ1 = σhoop, σ2 = σlong dan σ3 = σrad, maka :

√ Untuk r = Ri,

√ 15861 6893 6893 2074.04 2074.04 15681 15531.9

Untuk r = Ro, √ 13787 6893 6893 0 0 13787 11939.6

b. Tegangan pada Hemispherical Head

Tagangan – tegangan yang terjadi pada hemispherical head antara lain tegangan tangensial (σt), tegangan meridian (σm) dan tegangan radial (σr). Besarnya tegangan tangensial sama dengan tegangan meridian. Hal ini dikarenakan bagian bola bersifat uniform. Jika σ1 = σt, σ2 = σm dan σ3 = σr, maka besarnya tegangan ekivalen kriteria Von Mises adalah :

√

7

Untuk r = Ri, √ 7468.4 7468.4 7468.4 2074.04 2074.04 7468.4 9542.48

Untuk r = Ro, √ 6431.4 6431.4 6431.4 0 0 6431.4 6431.4

4.2.2 Perhitungan Komputer (ANSYS Calculation)

Hasil analisa yang didapatkan dari perhitungan komputer (ANSYS Calculation) juga dibedakan menjadi dua yaitu tegangan pada shell dan tegangan pada head. Seperti yang telah diketahui, tegangan yang terjadi pada struktur diintepretasikan pada tiap titik (nodes) pada analisa menggunakan komputer (ANSYS). Hasil analisa dari ANSYS dapat ditampilkan dalam bentuk tabulasi (list result) maupun dalam bentuk kontur persebaran tegangan (contour plot).

Berikut ini adalah tahapan analisa menggunakan komputer : • Modelling

Merupakan tahap pembuatan model geometri.

• Define Model Merupakan tahap pendefinisian model. Pada tahap ini, dilakukan pemilihan tipe elemen yang akan digunakan untuk analisa dan memasukkan material properties material yang akan digunakan. Tipe elemen yang digunakan adalah tipe shell63. Hal ini dikarenakan tipe shell63 cocok untuk pelat lengkung dan bersifat elastis (elastic shell).

• Meshing Merupakan tahap pendeskridetan model

Gambar 4.1 Model Geometri Shell (a) dan Head (b)

(a) (b)

Gambar 4.2 Meshing pada Shell (a) dan Head (b)

(a) (b)

8

• Loading Merupakan tahap pembebanan pada model geometri. Beban yang bekerja pada pressure vessel ini adalah beban tekanan (pressure) sebesar 2074 psi.

• General Postproccessor Merupakan tahap penampilan hasil dari proses running. a. Tegangan pada Cylindrical Shell

Dari pembacaan tabulasi (list result) untuk shell pressure vessel didapatkan besarnya tegangan kriteria Von Mises minimum adalah 11251 psi pada node 1903. Sedangkan besarnya tegangan kriteria Von Mises maksimum sebesar 15043 psi pada node 661.

b. Tegangan pada Hemispherical Head Dari pembacaan tabulasi (list result) untuk head pressure vessel didapatkan besarnya tegangan kriteria Von Mises minimum adalah 6218.7 psi pada node 141. Sedangkan besarnya tegangan kriteria Von Mises maksimum sebesar 9852.5 psi pada node 112.

Sedangkan contour plot untuk cylindrical shell dan hemispherical head dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

4.2.3 Validasi Hasil Hand Calculation dengan ANSYS Calculation Validasi perlu dilakukan dengan tujuan untuk memastikan bahwa hasil yang

didapatkan dari perhitungan manual maupun perhitungan komputer adalah benar. Kalaupun terjadi perbedaan hasil analisa, tidak menyimpang jauh antar kedua cara tersebut. Variasi tegangan Von Mises didekati dengan grafik linier dengan koordinat yang diketahui adalah nilai minimum dan maksimum tegangan Von Mises.

Gambar 4.3 Loading pada Shell (a) dan Head (b)

(a) (b)

Gambar 4.4 Contour plot pada Shell (a) dan Head (b)

(a) (b)

9

a. Validasi Tegangan pada Shell

b. Validasi Tegangan pada Head

4.2.4 Analisa Kegagalan

Dengan faktor keamanan N dan tegangan luluh (yield point / yield strength) material sebesar Sy, berdasarkan teori kegagalan energi distorsi maksimum, tegangan ekivalen Von Mises dirumuskan :

Untuk pressure vessel harus memiliki faktor keamanan tidak boleh kurang dari 3 untuk

parameter yield strength.

3 a. Analisa Kegagalan untuk Hasil Perhitungan Manual

• Untuk Shell =

.3.314

• Untuk Head =

.5.395

b. Analisa Kegagalan untuk Hasil Perhitungan Komputer • Untuk Shell

= 3.422

10000

12000

14000

16000

0.8 1.3 1.8

Tegangan

 Von

 Mises [p

si]

Variasi 

Variasi Tegangan Von Mises

Hand Calculation

ANSYS Calculation

Max                                             Min

5000

7000

9000

11000

0.8 1.3 1.8

Tegangan

 Von

 Mises

Variasi

Variasi Tegangan Von Mises

Hand Calculation

ANSYS Calculation

Max                                              Min

Gambar 4.5 Validasi Tegangan pada Shell

Gambar 4.6 Validasi Tegangan pada Head

10

• Untuk Head =

.5.225

Dari perhitungan diatas, dapat diketahui nilai faktor keamanan semua komponen pressure vessel (shell dan head) dari perhitungan manual maupun analisa komputer memiliki nilai diatas 3.

5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan

Dari hasil perhitungan dan analisa yang telah dilakukan mengenai desain tangki untuk kapal pengangkut CNG (Compressed Natural Gas), dapat ditarik kesimpulan :

Untuk pengangkutan 2000 ton gas CNG diperlukan 5420 tangki (pressure vessel) dengan panjang 472.4 in, diameter dalam 23.56 in, tebal kulit tangki (shell) 1.66 in, diameter luar 26.88 in.

Material baja karbon A516 Grade 70 dengan yield strength 355 MPa atau 51488 psi yang digunakan dengan pada tekanan operasional 130 bar atau 1885.5 psi dan temperatur -29oC telah memenuhi syarat ditinjau dari nilai faktor keamanan.

5.2 Saran • Dengan penggunaan material yang memiliki allowable sress yang lebih tinggi akan

didapatkan ukuran tangki yang lebih tipis dan lebih ringan. • Perhitungan kekuatan akibat pengaruh sambungan tidak dilakukan, hal ini dapat dijadikan

sebagai bahan penelitian selanjutnya. • Penguasaan konsep dasar baik untuk perhitungan manual maupun secara komputasi akan

memberikan hasil yang lebih baik. • Perancangan kapal pengangkut CNG dapat berdasarkan hasil desain tangki (pressure

vessel) yang telah ditemukan.

6. DAFTAR PUSTAKA

Annaratone, Donatello. (2007). Pressure Vessel Design. Berlin Heidenberg : Springer EPRI. (2007). Carbon Steel Handbook. California : EPRI Hanrahan, Michael. (2006). Marine CNG – The New Stranded Gas Solution,

<URL: http://www.transecoenergy.com/Marine CNG.htm> Megyesy, Eugene F. (1997). Pressure Vessel Handbook [10th Edition]. Tulsa : Pressure Vessel

Publishing,Inc. R.Moss, Dennis R. (2004). Pressure Vessel Design Manual. Oxford : Elsevier,Inc. Soegiono & Ketut Buda Artana. (2006). Transportasi LNG Indonesia. Surabaya : Airlangga

University Press. Tanisan, Zainul Astamar. (1984). Mekanika Teknik. (Alih Bahasa dari : Mechanics of Material by

E.P.Popov). Jakarta: Erlangga. The American Society of Mechanical Engineers. (2007). ASME Boiler and Pressure Vessel Code:

Section VIII Rules for Construction of Pressure Vessels. New York : Three Park Avenue. <URL : http://www.masteel.co.uk/astm-a516-grade-70.htm> <URL: http://www.engineeringtoolbox.com/gas-density-d_158.html>