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