jurnal elektro telekomunikasi terapan [bulan] [tahun]. jurnal - andika... · web viewremaining life...

DRAFT PAPER UISI JURNALVol. 1, No. 1, Oktober 2019, P-ISSN xxx-xxxx, E-ISSN xxxx-xxxX

MEMPREDIKSI SISA UMUR DUCTING CEMENT MILL DALAM INDUSTRI SEMEN DENGAN MENGGUNAKAN METODE

ELEMENT HINGGAAndika Augusta Putra1, Muhammad Ahnaf Hani’2, dan Anni Rahmat3

Universitas Internasional Semen Indonesia

E-mail: [email protected]

ABSTRACT

Remaining life prediction is an attempt to predict the remaining life of a component. By knowing the remaining life of a piece of equipment or parts, technicians can plan for a quicker and more precise replacement or repair before a breakdown occurs in the cement industry. Where the tool to be analyzed is in the ducting section of the cement mill. Ducting is an air channel that connects the chimney or it can be the main tool (main tool) with other main tools. To find out the remaining life of a tool, theoretical analysis and simulation are needed. The theory used is the theory of tresca failure, this theory explains that a material can fail when the stress stress obtained is more than or equal to the yield stress of a material. From this theory, a simulation process is carried out in which the simulation results obtained on the ASTM A36 steel plate material with a temperaturee of 70C have a longer time to achieve a tresca failure, which is 12000 hours while at a temperaturee of 80 °C and 90 °C it has a failure time of 6500 and 6000 hours.

Keywords: ducting , cement mill, Remaining life prediction , cement

ABSTRAK

Remaining life prediction (RLP) merupakan suatu usaha untuk memprediksi umur sisa suatu komponen. Dengan mengetahui umur sisa suatu peralatan atau bagiannya, maka teknisi dapat merencanakan penggantian atau perbaikan lebih cepat dan tepat sebelum terjadi kerusakan di dunia industri semen. Dimana alat yang akan di analisis adalah pada bagian ducting pada cement mill. Ducting merupakan saluran udara yang menghubungkan antara chimney atau bisa juga alat utama (main tools) dengan alat utama lainya. untuk mengetahui Remaining life dari suatu alat perlu dilakukan analisis secara teori maupun simulasi. Teori yang digunakan merupakan teori kegagalan tresca, teori ini menjelaskan bahwasanya sebuah material dapat mengalami kegagalan pada saat tegangan tresca yang didapat lebih dari atau sama dengan yield stress yang dimiliki suatu bahan. Dari teori ini dilakukan proses simulasi yang mana diperoleh hasil simulasi pada material ASTM A36 steel plate dengan temperature 70 °C mempunyai hasil waktu yang lebih lama untuk mencapai kegagalan tresca yaitu sebesar 12000 jam sedangkan pada temperature 80 °C dan 90 °C mempunyai waktu kegagalan tresca sebesar 6500 dan 6000 jam.

Kata kunci: ducting , cement mill, RLP , semen

1. PENDAHULUAN Semen Indonesia merupakan salah satu industri semen terbesar di Indonesia. Dimana

pada ada saat pembangunan infrakstruktur di indonesia, kebutuhan akan semen dalam negri mengalami peningkatan dengan laju sekitar 10 hingga 15% per tahun. Dengan kapasitas


produksi seluruh pabrik semen di indonesia efektif sekitar 45 juta ton serta produksi pada tahun 2004 sekitar 36 juta ton. Dengan demikian tentu saja pabrik semen harus mempertimbangkan untuk melakukan perhitungan untuk memprediksi kapan waktu yang digunakan untuk maintance alat, baik alat utama ataupun alat pendukung dimana kerusakan 1 alat saja dapat merugikan produksi pabrik semen. Hal ini dilakukan untuk menekan biaya yang lebih besar dengan berbagai cara salah satunya yaitu melakukan remaining life prediction atau biasa disebut prediksi sisa umur dari suatu alat yang telah digunakan agar bisa mengantisipasi kerusakan alat tanpa diketahui lebih awal

Batasan utamanya adalah biaya seminimal mungkin agar waktu perbaikan tidak terlalu panjang. Pemeliharaan mesin perlu di tinjau untuk meminimalkan terjadi rugi akibat kerusakan mesin karena tidak di perhatikan dengan sungguh sungguh. Salah satu contohnya yaitu ducting yang ada pada cement mill. Ducting sendiri merupakan media untuk mendistribusikan udara dari chimney ke alat utama (main tools) ataupun sebaliknya. Bentuk duct berbagai macam bisa menyerupai pipa, persegi panjang, persegi atau pun oval. Dimana bentuk tersebut tergantung dengan fungsinya masing masing. Ducting dapat digunakan sebagai pemanasan, ventilasi, dan air conditioning (HVAC) untuk mengirimkan dan menindahkan udara. Sistem saluran ducting sering disebut sebagai ductwork. Dalam penilitian ini menggunakan metode element hingga dimana dalam mengetahui suatu umur alat diperlukan aplikasi perangkat lunak CAD (Computer Aided Design). Metode Element Hingga merupakan suatu dasar pemikiran dari bentuk bangunan komplek dengan blok blok sederhana dan membaginya ke dalam bagian bagian kecil yang teratur. Fungsi dari metode elemen hingga yaitu dengan prosedur numerikal dapat memecahkan suatu masalah mekanika kontinum dengan ketelitian yang dapat diterima oleh rekayasawan [1]. Pada penelitian ini perangkat lunak yang digunakan yaitu ANSYS dengan mengamati pengaruh respon suatu bahan ducting terhadap pembebanan termal.

2. DASAR TEORI DAN METODE PENELITIAN 2.1 Remaining Life Prediction

Remaining life prediction merupakan suatu usaha untuk memprediksi umur suatu sisa komponen. Dengan mengetahui umur sisa suatu komponen, maka teknisi dapat merencanakan penggantian atau perbaikan. Dalam menganalisis sisa umur dapat menggunakan teori maximum shear stress atau teori tresca. Teori ini diusulkan pertama kali oleh C.A Coulomb pada tahun 1736-1806 kemudian disempurnakan oleh tresca pada tahun 1864 sehingga sering disebut teori tresca. Teori kegagalan ini berasal dari fenomena kegagalan material ductile karena dipengaruhi oleh tegangan geser yang dinamakan maximum shear stress theory atau tresca yield criterion. Teori tresca dapat digunakan untuk memprediksi bahwa peluluhan dimulai ketika tegangan geser yang tejadi lebih besar dari tegangan izin maksimum suatu material. Sehingga di dapatkan rumus sebagai berikut :

τmax = (σ1-σ3 )/2≥ Sy/2...............................................................................(1)Dengan :τmax = trescaσ1 & σ3 = tegangan Sy = yield strength


Teori ini menyatakan bahwa yielding dari material bermula ketika maksimum tegangan geser material mencapai titik tegangan geser yang menyebabkan material yield ketika dibebani hanya oleh gaya aksial [5].

2.2 Tegangan-ReganganTegangan dapat dituliskan dalam satuan kg/mm2 , kg/cm2, psi (pound per square inch)

atau Mpa (Mega Pascal = 106 N/M2). Regangan dapat dinyatakan dengan persentase pertambahan panjang. Regangan memiliki satuan yaitu persen (%), mm/mm, in/in. Dalam menentukan tegangan – regangan dilakukan suatu pengujian dengan menggunakan grafik P - ∆L kemudian dijadikan grafik lain yaitu suatu diagram hubungan tegangan – regangan (strain-stress diagram).

Gambar 1. Diagram tegangan – regangan

Pada gambar diatas dapat terlihat grafik dimana pada titik A merupakan tegangan maksimum atau limit proposional, jika gaya tarik di berikan secara terus menerus dan tegangan mengalami peningkatan melewati limit proposional, maka regangan akan meningkat seiiring dengan bertambahnya tegangan yang dialami oleh material. Pada titik B merupakan awalan dari perubahan bentuk akibat regangan secara cepat tanpa adanya tambahan gaya tarik kepada material. Daerah plastis sempurna bisa didefinisikan sebagai daerah dimana deformasi yang terjadi pada material tanpa adanya peningkatan tegangan. Pada daerah C-D material mengalami proses pengerasan regangan (strain hardening) dimana pada daerah ini menyebabkan material mengalami penambahan tegangan hingga mencapai titik tegangan ultimate yang dapat dialami oleh material. Titik tegangan ultimate berada pada titik D. setelah itu, gaya tarik akan di berikan kepada material tersebut disertai dengan penuruan tegangan hingga mencapai titik patah atau kegagalan material yaitu pada titik E. Proses tersebut terjadi di daerah necking [4]

2.3 Konduksi Konduksi merupakan suatu proses perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang memiliki temperature tinggi menuju daerah yang temperature rendah di dalam satu medium (padat, cair, gas) atau antara medium-medium yang berlainan dan bersinggungan secara langsung. Persamaan dasar konduksi satu dimensi dalam keadaan dapat dituliskan sebagai berikut :

Q =k A dTdx ............................................................................................................................(2)


Dengan :Q = Kalor yang dialirkan (Watt)A = Luas penampang (m2)dT = Perubahan temperature (K)dx = Jarak (m)k = Konduktifitas thermal bahan (W/m.K)

Dalam aliran konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Konduksi adalah satu-satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya. Konduksi penting pula dalam fluida, tetapi di dalam medium yang bukan padat biasanya tergabung dengan konveksi [2].

2.4 Konveksi Konveksi merupakan proses transport energy dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antar permukaan benda padat dan cairan atau gas. Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan:

Q = h A (Tw – Tf)...................................................................................................... (3)Dengan :Q = Laju perpindahan panas dengan cara konveksi (watt)A = Luas Penampang (m2)Tw = Temperaturee dinding (K)Tf = Temperaturee fluida (K)h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 .K)

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang temperaturenya di atas temperature fluida sekitarnya berlangsung secara bertahap. Pertama, panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan menuju partikel-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian menyebabkan kenaikan temperature dan energi dalam partikel-partikel fluida ini. Kemudian partikel-partikel fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang memiliki temperature rendah yang ada dalam fluida di mana mereka akan bercampur, dan memindahkan sebagian energinya pada partikel-partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah alira fluida dan energy [3].

2.5 Tegangan Thermal Tegangan thermal adalah tegangan induksi yang dihasilkan akibat perubahan suhu. Bagian ini membahas mengenai hubungan material untuk bahan linier. Rumus mengenai tegangan termal pada material yaitu:

...........................................................................................................(4)Dengan :


σ = vektor pada tegangan [σx ,σy ,σz ,σxy , σyz , σxz]T

D = elastisitas atau matriks elastic stiffnessɛ el = ɛ−ɛ th = regangan vektor elasticɛ = total regangan vektor [ɛx , ɛy , ɛz , ɛxy , ɛyz , ɛxz ]T ɛ th = vektor regangan thermal

Perasamaan 4 mungkin juga dibalik menjadi :

………………………………………………....................................... (5)Untuk kasus 3 – D, vektor regangan thermal adalah

………………………............................... (6)Dengan :αx = koefisien termal dari ekspansi ke arah xΔT = T–TrefT = temperature saat ini pada titik yang dimaksudTreff = temperature referensi

Hubungan antara tegangan yang diakibatkan oleh temperature Ketika suatu benda padat dipanaskan atau didinginkan, distribusi temperature internal bergantung pada ukuran dan bentuk material, konduktivitas termal material, dan laju perubahan suhu. Tegangan termal dapat dibentuk dari gradien suhu dalam material yang disebabkan oleh pemanasan atau pendinginan cepat, dalam material perubahan suhu luar lebih cepat dari pada perubahan internal; Perubahan dimensi diferensial menahan perluasan bebas atau kontrak sielemen volume yang berdekatan dalam potongan [1]

2.6 Metodologi Penelitian

Metodologi yang digunakan pada penelitian ini terdapat beberapa tahapan pengerjaan yaitu :

1. Pendefinisian masalah

2. Tinjauan pustaka dan algoritma pemrograman

3. Pengumpulan data

4. Perhitungan remaining life prediction ducting cement mill dengan ANSYS.


Gambar 1 Flowchart Remaining life assement ducting cement mill dengan Software ANSYS.

2.7 Pengumpulan DataMaterial ducting akan berpengaruh dengan remaining life prediction, Material yang

digunakan berupa ASTM A36 Stel,Plate

Tabel 4.1 Data material properties ASTM A36 Steel PlateMaterial

Properties

ASTM A 36 Satuan

Konvert

Konvert

ASTM A36 Satuan

Density 7800 kg/m3 7800 kg/m3

Specific Heat 483 J/kg.K 483 j/kg.C

Modulus

Elastisitas

193 Gpa 1.93E+11 Pa

Poison Ratio 0.25 0.25

Thermal

Expansion

13.8E μm/m.C 1.38E-05 m/m.C

Thermal

Conductivity

16.2 W/m.K 16.2 W/m.C

Yield Strength 250 Mpa 2.50E+08 Pa


3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Simulasi tresca dengan material ASTM A36 Steel plate3.1.1 Distribusi Temperature Perpindahan panas yang terjadi di dalam ducting berupa perpindahan panas secara konduksi dan konveksi. Dalam gambar 3 diketahui bahwa temperature puncak terjadi di daerah dalam yang ada di ducting. Temperature puncak terjadi ketika fluida yang ada di dalam ducting mulai bergerak sehingga pada dinding bagian dalam secara tidak langsung terkontak dengan fluida yang berupa gas. Hal tersebut bisa tejadi karena pada gambar 2 panas yang terjadi pada titik T1 telah di transferkan secara konduksi pada daerah T2 ke T3 dan di lepaskan ke lingkungan pada titik T4 secara konveksi. [2]. Berikut ini merupakan proses terjadinya perpindahan panas yang terjadi :

Gambar 2 Hasil countour simulasi termal

Mekanisme dari tresca terjadi tergantung kepada temperature dan tegangan sehingga diperlukan distribusi thermal yang terjadi kepada material ASTM A36. Beban konduksi terjadi di area dalam ducting dan konveksi di area luar ducting. Pada gambar 3 terlihat bahwa pada kondisi awal (t=1) pada temperature 70 °C, 80 °C, 90 °C

Gambar 3 Hasil distribusi thermal (a) 70 °C, (b) 80 °C, (c) 90 °C pada time 1

Dalam persoalan perpindahan panas tidak hanya mengetahui cara pepindahan panasnya saja akan tetapi juga menentukan proses yang terjadi apakah itu dalam keadaan

(a) (b)

(c)


tunak (steady state) ataupun tak tunak (unsteady state). Suatu sistem dikatakan tunak apabila laju alir panas dalam suatu sistem tidak berubah terhadap waktu atau bisa di sebut laju tersebut konstan. Sedangkan apabila laju alir panas tersebut berubah terhadap waktu maka dapat disebut kondisi tak tunak. Pada analisis ini proses perpindahan terjadi secara tak tunak karena temperature berubah dari waktu ke waktu. Pada gambar 4 distribusi thermal menunjukan bahwa beban konduksi yang ada di dalam mulai merambat hal ini sesuai dengan teori perpindahan panas konduksi yang menyatakan bahwa panas akan mengalir dari daerah yang bertemperature tinggi ke daerah yang memiliki temperature rendah di dalam suatu medium (padat, cair, atau gas) atau antara medium medium yang bersinggungan secara langsung. Pada kasus ini medium yang besinggungan langsung berupa medium gas yang merupakan jenis fluida terhadap medium padat yang merupakan bahan penyusun dari ducting berupa ASTM A36 Steel Plate. Pada proses perambatan suatu material terhadap temperature faktor yang memperngaruhi cepat lambatnya suatu proses perpindahan panas yaitu besar kecilnya suatu nilai konduktivitas thermal [2]

(a) (b)

(c)

Gambar 4 Hasil distibusi temperature (a) 70 °C, (b) 80 °C, (c) 90 °C

Pada gambar 5 dapat dlihat pada kondisi awal (t=1) temperature pada permukaan bagian luar menunjukan hasil sebesar 30 °C hal ini menunjukan bahwa pada saat awal beroperasi permukaan bagian luar sama dengan temperature lingkungan di sekitar. Saat sudah beroperasi semakin lama waktu yang digunakan temperature yang ada di permukaan bagian luar semakin lama semakin panas sehingga pada waktu 8000 jam merupakan titik puncak dari temperature 70 °C, 80 °C, 90 °C dengan hasil pemanasan masing masing sebesar 67.405 °C, 76.492 °C, dan 85.943 °C.


0

20

40

60

80

100

708090

Gambar 5 Grafik waktu (time) pembebanan terhadap temperature 70 °C 80 °C 90 °C

3.1.2 Distribusi TeganganPada analisis ini di dapatkan hasilkan tegangan thermal yang di tujukan pada gambar

6 kekakuan papan partikel.

(a) (b)

(c)

Gambar 6 Nilai Tegangan pada kondisi awal material ASTM A36 dengan temperaturee (a)

70 °C (b) 80 °C (c) 90 °C

Pada gambar 6 didapatkan hasil dari analisis struktur berupa tegangan (stress) minimum pada material ASTM A36 dengan temperature 70 °C, 80 °C, dan 90 °C masing masing sebesar 26106 pa, 31934.850 pa, 38039 pa. Hal ini menunjukan bahwa semakin besar temperature maka nilai tegangannya juga semakin besar. Dari hasil analisis tegangan didapatkan sebuah kurva sebagai berikut :

t

T


0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 160000

20000000400000006000000080000000

100000000120000000140000000

70 80 90 Gambar 7 Kurva distribusi tegangan pada material ASTM A36

Teori tresca menyatakan bahwa kegagalan material terjadi jika tegangan geser maksimum pada material memiliki nilai yang sama dengan tegangan luluh geser. Tegangan luluh geser bernilai setengah dari tegangan luluh/yield material. Dimana tegangan luluh (yield strength) bernilai 2.50E+08 pa. Untuk mencegah kegagalan trescal maka nilai dari tegangan luluh geser sebesar 1.25E+08 pa. Pada gambar 7 didapatkan distribusi tegangan terbesar terletak pada temperature 90 °C dimana pada temperature tersebut merupakan variabel temperature tertinggi dimana waktu yang didapatkan untuk mencapai teori tresca sebesar 6000 jam. Sedangkan pada temperature 80 °C didapatkan waktu sebesar 6500 jam dan untuk temperature 70 °C didapatkan waktu sebesar 12000 jam. Hal ini menunjukan bahwa semakin besar temperature maka semakin besar tegangan hal ini dapat menyebabkan waktu suatu alat mencapai suatu kegagalan tresca semakin pendek. Dalam analisa ini temperature yang mendapatkan waktu paling tinggi yaitu pada kondisi operasi temperature 70 °C dengan waktu yang didapatkan dari material ASTM A36 steel plate dalam mencapai kegagalan sebesar 12000 jam [2].

3.2 Validasi HasilPada analisis ducting dengan menggunakan aplikasi ANSYS APDL R2 perlu dilakukan

proses validasi. Proses validasi dilakukan untuk menentukan ketelitian hasil dari perhitungan manual dengan perhitungan yang ada di aplikasi ANSYS. Dimana pada hasil validasinya ini harus kurang dari 10 %. Pada pembebanan thermal terjadi proses perpindahan secara konduksi dan konveksi. Konduksi merupakan suatu proses perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang memiliki temperature tinggi menuju daerah yang memiliki temperature rendah di dalam satu medium (padat, cair, gas). Sedangkan untuk konveksi adalah proses transport energy dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan dan gerakan mencampur. Adapun cara dalam penentuan validasi secara manual menggunakan rumus sebagai :

Q = k A dTdx

Berdasarkan pada rumus diatas didapatkan hasil validasi sebagai berikut :

t

σ


Tabel 4.2 Tabel hasil validasi numerikASTM A36

Temperature Target ANSYS error (%)70 9.720 9.720 0.00080 12.150 12.150 0.00090 14.580 14.580 0.000

Dalam tabel diatas berdasarkan nilai target berupa perhitungan manual dengan hasil perhitungan yang ada di ANSYS didapatkan nilai eror sebesar 0. Untuk eror yang diizinkan untuk validasi dibawah 10 % hal ini menunjukan bahwa pada hasil simulasi ini sudah sesuai dengan ketentuannya.

4. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan yang didapatkan berdasarkan penelitian yang telah dilakukan adalah Pada pemodelan unsteady dapat menggunakan analisis secara transient dimana pada analisa material ducting semen mill, material yang digunakan adalah ASTM A36 dengan variasi temperature 70 °C, 80 °C, 90 °C dimana peningkatan temperature 90 paling tercepat Kegagalan atau failure terjadi ketika nilai tegangan tresca lebih dari atau sama dengan nilai yield strength nya, dimana pada material ASTM A36 pada temperature 70 C memiliki waktu yang lebih lama untuk mencapai titik tegangan yield strengthnya yaitu pada time = 12000 jam sedangkan untuk material ASTM A36 pada temperature 80 dan 90 mempunyai time = 6500 jam dan 6000 jam

UCAPAN TERIMAKASIHPenulis mengucapkan terima kasih kepada instans yang telah memberikan dukungan

yang membantu pelaksanaan analisis dan penulisan artikel

DAFTAR PUSTAKA [1] Cook, Robert D (1990), Konsep dan Aplikasi Metode Element Hingga, Departemen of

Engineering Mechanics, University of Wisconsin - Madison[2] Dicky, Ibnunizar (2019), “Analalisis Perpindahan Panas Konveksi Pada Pendingin

Komponen Elektronik”, Fakultas Teknik, Universitas Muhammaddiyah Sumatera Utara[3] Idawati, Supu, dkk (2016), “Pengaruh Temperature Terhadap Perpindahan Panas Pada

Material yang Berbeda”,Program Studi Fisika, Fakultas Sains[4] M. Taufik Hidayat Nst (2020), “Evaluasi Tegangan dan Sisa Umur Vertical Cylindrical

Tank di PT. Elnusa Petrofin”, Teknik Mesin : Universitas Pertamina[5] Sajayanto, Tri (2010), “Analisa Swing Arm Menggunakan Program Aplikasi CAE”,

Teknik Mesin : Universitas Sanata Dharma

jurnal elektro telekomunikasi terapan [bulan] [tahun]. jurnal - andika... · web viewremaining life...

Documents