Tugas Desain dan Seleksi MaterialSeleksi Material Untuk Tabung CNG

Rhidiyan Waroko 0806331935

Departemen Teknik Metalurgi dan Material Program Studi Teknik Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia Depok 2012

Seleksi Material Untuk Tabung CNGPendahuluanPenggunaan Bahan Bakar Gas (BBG) sebagai bahan bakar alternatif kendaraan bermotor saat ini banyak dikembangkan untuk menggantikan bahan bakar cair seperti bensin dan solar. Hal ini dikarenakan semakin berkurangnya cadangan bahan bakar cair dan polusi yang ditimbulkan oleh bahan bakar cair tersebut. Emisi gas buang bahan bakar cair lebih tinggi dari bahan bakar gas yang bisa mengakibatkan pemanasan global, salah satu dampaknya adalah perubahan iklim seperti yang terasa saat ini. Cadangan gas bumi Indoesia, terbukti dan potensial, mengalami kenaikan secara nyata. Tahun 2004, total cadangan gas adalah 182,5 trillion cubic feet (TCF), terdiri dari 94,78 TCF cadangan terbukti, dan 87,73 TCF potensial, dapat diproduksi dalam jangka waktu 64 tahun[1].200 180

Cadangan Gas Bumi (Tscf)

160 140 120 100 80 60 40 20 0 2004 2005 2006 Tahun 2007 2008 Terbukti Potensial Total

Gambar 1. Cadangan Gas di Indonesia[1] Penggunaan BBG memiliki beberapa keuntungan, misalnya lebih hemat 15-20 % dibandingkan dengan bensin dan solar karena pembakarannya yang lebih sempurna, sehingga karburator juga lebih bersih. Selain itu, suhu pembakaran BBG yang lebih rendah sehingga memperpanjang umur pakai mesin[1]. Untuk menggunakan BBG, kendaraan bermotor membutuhkan alat converter kit yang terdiri dari tabung gas, selang, mixer dan pressure regulator. Selama ini, faktor keamanan alat converter kit dirasa masih kurang mencukupi. Beberapa kecelakaan kendaraan bermotor, berupa ledakan akibat alat tersebut telah beberapa kali terjadi. Ledakan tersebut diakibatkan oleh beberapa faktor. Ada beberapa insiden kegagalan yang dikelompokkan berdasarkan penyebab kegagalan, yaitu akibat mechanical damage (impak, abrasi luar dll), kerusakan akibat lingkungan (SCC), overpressure, vehicle fire, kesalahan manufacturing (lapisan plastis dan logam-basenya[2]. Hal-hal tersebut banyak terjadi di bagian tabung dan dapat

mengakibatkan kendaraan meledak. Desain pemilihan material untuk tabung menjadi faktor penting sebagai tindakan preventif.

Gambar 2. Klasifikasi penyebab kegagalan pada converter kit[2].

Desain AlatSeperti yang telah dijelaskan diatas, bagian tabung pada converter kit merupakan komponen yang paling rawan. Oleh sebab itu, pemilihan material yang tepat menjadi salah satu tindakkan preventif yang tepat untuk menghindari terjadinya kegagalan. Berdasarkan ISO 11439[3], ada 4 tipe material yang digunakan sebagai tabung pada converter kit, yaitu: 1. 2. 3. 4. CNG-1 : full logam CNG-2 : logam dengan bagian atas dan bawah dilapisi polimer (semi wrapped) CNG-3 : logam dengan seluruh pemukaannya dilapisi polimer (full wrapped) CNG-4 : full komposit

Desain geometri dari tabung berupa silinder dengan ujung bagian atas dan bawah di fillet sehingga tidak memiliki sudut tajam. Hal tersebut untuk mengusahakan terjadi penekanan kesegala arah dengan sama besar. Berdasarkan ISO 11439[3], ada beberapa standar minimum yang harus dipenuhi dari sebuah tabung, yaitu: 1. Pressure normal adalah 200 bar pada suhu 15oC pada natural gas, dengan maksimum pengisian, pada temperatur apapun, hingga mencapai tekanan 260 bar. 2. Jumlah pengisian natural gas dengan tekanan 200 bar pada suhu 15oC yang dapat dilakukan sampai 1000 kali per tahun.

3. Temperatur gas didalam silinder yang aman antara -40 65OC. Temperatur material sekitar -40 82oC. 4. Gas dikelompokkan menjadi 2, yaitu dry gas dan wet gas. Tidak ada methanol/glicol. Densitas dry gas adalah 32 mg/m3, dengan komposisi hidrogen sulfida dan sulfida terlarut lainnya adalah 23 mg/m3, oksigen 1 % dan hidrogen ketika tabung dimanufaktur 2%. Kompsisi wet gas hidrogen sulfida dan sulfida terlarut lainnya adalah 23 mg/m3, oksigen 1 %, karbon dioksida 4% dan hidrogen 0.1%. 5. Waktu maksimum penggunaan 20 tahun. 6. Mengalami deformasi plastis terlebih dahulu sebelum terjadi kegagalan. Hal ini bertujuan untuk menghindari kegagalan. Jika terjadi overpressure, maka material tabung akan terdeformasi plastis, sehingga mengalami kebocoran dibagian tertentu. Dengan adanya kebocoran tersebut, maka akan mengurangi tekanan didalam tabung sehingga kegagalan akibat ledakan bisa dihindari. 7. Untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar, maka tabung diusahakan ringan. 8. Saat ini telah digunakan PRD (pressure relief device) yang diaktifkan karena perubahan suhu. Kegunanaanya untuk mencegah kebakaran. Ketika ada kenaikan temperature dari luar, gas akan keluar perlahan untuk mencegah ledakan dan kebakaran ketika tabung rupture.

Gambar 3. Dimensi tabung converter kit yang umum[4].

Propertis MaterialDari penjabaran diatas, maka didapat propertis material yang cocok digunakan sebagai tabung. Propertis yang harus dipenuhi oleh material yang akan digunakan sebagai tabung pada converter kit adalah:

1. Ultimate tensile strength Propertis ini sangat penting untuk diperhitungkan pada setiap pengaplikasian material untuk memberikan informasi tentang teganagan maksimum sebelum terjadinya kegagalan. 2. Yield strength Memberikan informasi tentang tegangan maksimum sebelum terjadi deformasi plastis. Hal ini dapat membantu tentang desain material yang diusahakan untuk mengalami deformasi plastis terlebih dahulu sebelum mengalami kegagalan. 3. % Elongasi Informasi untuk mendukung kemungkinan terjadinya deformasi plastis sebelum terjadinya kegagalan. 4. Ketahanan korosi

Gambar 4. Diagram stress-pressure dari tabung Korosi dapat timbul karena berbagai hal. Dengan timbulnya korosi, maka akan menurunkan sifat mekanik material. Karena interaksi material dengan natural gas, maka korosi akibat lingkungan kemungkinan dapat terjadi. Oleh sebab itu, ketahanan korosi dipertimbangkan sebagai salah satu faktor pemilihan material, selain untuk safety juga untuk memperpanjang umur pakai. Densitas Informasi tentang densitas dapat mengetahui tentang berat tabung, berhubungan dengan efisiensi pemakaian bahan bakar. Ketahanan fatik Pada saat pengisian dan pelepasan natural gas dalam tabung, maka akan terjadi pembenanan dinamis yang diberikan berulang. Maka informasi tentang ketahanan fatik akan memberikan prediksi tentang umur pakai material sehingga dapat meningkatkan safety. Ketahanan impak. Jika terjadi benturan, diusahakan tabung tidak langsung mengalami kegagalan sehingga terjadi ledakan. Kekerasan Informasi untuk menghindari terjadinya kegagalan akibat abrasi eksternal. Ketangguhan Energi yang terserap sebelum terjadinya kegagalan.

5.

6.

7.

8. 9.

Tabel 1. Pairwise Comparison Properties Ultimate Tensile Strength Kekuatan fatik Yield strength Ketangguhan Ketahanan Korosi Konduktifitas termal Ketahanan Impak Kekerasan %Elongasi Densitas Decision Number 13 14 15 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0

10

11

12

17

18

19

20

21

22

23

24

25

0 1

0 1

0

1

0

1

0

1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

1 0 1 0 1 0

0 0 0

Properties Ultimate Tensile Strength Kekuatan fatik Yield strength Ketangguhan Ketahanan Korosi Konduktifitas termal Ketahanan Impak Kekerasan %Elongasi Densitas

Decision Number 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

1 0

1

1

0

1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0

0 0 1

10. Konduktifitas termal Karena natural gas sensitif dengan suhu, maka diperlukan tabung yang mampu menahan suhu supaya konstant. Perubahan suhu diakibatkan oleh panasnya mesin kendaraan dan dapat dikurangi (didinginkan dengan angin ketika kendaraan berjalan). Jika panas yang berlebih, maka natural gas akan memuai dan memberi tekanan berlebih sehingga berbahaya. Tentunya dari propertis tersebut, harus dipilih berdasarkan skala prioritas propertis mana yang utama. Untuk mendapatkan propertis dengan skala prioritas tersebut, maka dapat digunakan tabel pairwise comparisson. Tabel paireise comparison untuk propertis material tabung, dapat dilihat pada Tabel 1. Dari tabel tersebut, maka dihasilkan propertis dengan urutan prioritas yang dibutuhkan, yaitu: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Yield Strength % Elongasi Ultimate Tensile Strength Ketangguhan Ketahanan Korosi Kekuatan Fatik Konduktivitas Termal Ketahanan Impak Kekerasan Densitas

PemilihanPrioritas utama pada pemilihan material ini adalah safety factor, sehingga material yang dipilih adalah material yang akan memberikan tingkat keamanan yang baik. Dari pengolahan pada Tabel 2, Tabel 3 dan Tabel 4, diperoleh kesimpulan, material yang dipilih adalah AISI 4320 Normailized.

Referensi1. 2. 3. 4. Varga, L., Nagy, A., Kovacs, A. Design of CNG tank made of aluminium and reinforced plastic. Composites 26 (1995) 457~.63 1995 Elsevier Science Limited. CNG Cylinders Type I: Material & Production. MTEC. CNG & Hydrogen Tank Safety, R&D, and Testing. Powertech Lab. Inc. CNG Cylinders 101. Powertech Lab. Inc.

Tabel 2. Properties Material Kon. Termal 32.3 151 53.3 43 44.5

Material ASTM A536 Al-Cu-2011 ASTM 40 AISI 3140 AISI 4320 Normalized

Yield 345 296 276 680 460

% elongasi 18 15 1 14 20.8

UTS 496 379 827 800 793

Ketangguhan 113.25 62.25 413.25 90 249.75

Korosi low high low med med

Fatik 290 124 138 215 260

Impak med low high low med

kekerasan 173.5 100 240 246 97

densitas 6.64 2.83 7.2 11.8 7.85