Tugas Perancangan Alat Proses

Metode Fabrikasi, Macam sambungan Las, dan Penyebab kegagalan VesselRyan | 1006759385

2013Departemen Teknik Kimia UI

Metode Fabrikasi

1. Fusion Welding

Fusion Welding adalah sebuah kategori proses yang menggabungkan(menyatukan)

logam dengan cara memanaskan bagian dari masing masing logam sampai melebihi

titik lelehnya (melting point), yang mengakibatkan kedua logam tersebut mengalir

secara bersamaan （Grieve，2009） . Biasanya diikutsertakan semacam filler untuk

memastikan sambungan kedua logam terisi. Proses secara umum fusion welding

digambarkan oleh gambar 1.

Gambar 1. Proses Fusion Welding secara umum. (www.llnl.gov, 2013)

Terdapat 5 faktor yang menentukan kualitas pengelasan dengan metode fusion

welding, yaitu antara lain: Heat(panas), Angle(sudut), Manipulation, Distance, dan

juga Speed.

Karena sebelumnya disebutkan bahwa fusion welding adalah sebuah kategori, maka

terdapat beberapa jenis fusion welding, antara lain:

Arc Welding

Oxy-Fuel Welding

Electric Resistance Welding

Laser Beam Welding

Electron Beam Welding

Thermite Welding

Pengklasifikasian jenis jenis fusion welding ini sendiri didasarkan pada sumber

panasnya (Electrical, Chemical, Radiation, dll), yang secara umum dapat diamati dari

gambar 2 dibawah.

Gambar 2. Klasifikasi Jenis Jenis Fusion Welding (wikipedia.com, 2013)

Berikut adalah beberapa contoh dari jenis jenis fusion welding

Oxy Acetylene Welding – Dalam proses ini, panas dihasilkan oleh pembakaran

asetilen dalam oksigen yang menghasilkan api dengan suhu mencapai

2700oC. Panas ini dapat digunakan untuk mengelas besi(steel) dengan

ketebalan mencapai 5mm. Sebuah batang filler biasanya digunakan untuk

membantu membuat sambungan.

Arc Welding – Dalam proses ini, mesin elektrik menyuplai arus listrik ke

dalam sebuah elektrode yang biasanya dilapisi dengan campuran bahan

kimia. Panas akan mengalir melalui elektrode ini, yang kemudian disebut

sebagai electric arc. Panas yang dihasilkan bersuhu sangat tinggi (6000oC)

hampir secara instan dapat membuat cair logam dan menyambungkannya.

Bagan operasi Arc Welding ditunjukkan oleh gambar 3.

Gambar 3. Bagan Proses Arc Welding. (tech.plym.ac.uk, 2013)

2. Casting

Casting adalah sebuah proses manufaktur dimana sebuah material liquid dituangkan

kedalam sebuah cetakan, yang memiliki ruangan kosong dengan bentuk yang

diinginkan, dan kemudian membiarkan material tersebut memadat. Kemudian,

setelah memadat, material tersebut dikeluarkan dari cetakan dan menjadi produk

akhir proses ini. Material yang paling umum digunakan untuk proses ini adalah

logam, dimana diperuntukkan untuk membuat alat alat dengan bentuk tertentu.

Gambar 4. Jenis mold, Open Mold an Closed Mold. (thelibraryofmanufacturing.com, 2013)

Pada umumnya, metode casting ini digunakan untuk membuat bentuk bentuk

tertentu yang agak rumit dan akan memakan biaya yang mahal jika dibuat

menggunakan metode yang lain.

Untuk cetakan dari proses casting ini sendiri, dapat dibagi menjadi 2, yaitu open

mold, dan closed mold. Open mold menyerupai sebuah container, seperti sebuah

gelas, yang hanya memiliki bentuk dari bagian yang diinginkan. Material liquid

dituangkan kedalam lubang mold ini yang berinteraksi langsung dengan lingkungan

terbuka.

Sementara itu, Closed Mold mempunyai sebuah sistem yang mengantarkan material

liquid untuk mencapai lubang cetak dimana material ini akan mengeras dalam

lubang tersebut.

Ilustrasi gambar Jenis Mold ini dapat diamati pada gambar 4.

3. Forging

Forging merupakan sebuah proses dimana logam dipanaskan dan dibentuk

berdasarkan deformasi plastisnya dengan memberikan gaya kompresif. Pada

umumnya, gaya kompresif ini diberikan dalam bentuk tekanan palu. Proses forging

ini memurnikan struktur grain, dan juga meningkatkan sifat fisik(strength, ductility,

dan toughness) dari logam. Peningkatan sifat fisik logam ini terjadi karena dalam

proses forging ini, terjadi penyusunan ulang grain dari logam sehingga sifatnya tidak

random, melainkan teratur.

Gambar 5. Forging Progression. (efunda.com, 2013)

Beberapa jenis proses forging yang umum antara lain:

Open Die Forging/ Hand Forging

Impression Die Forging/Precision Forgings

Press Forgings

Upset Forgings

Roll Forgings

Swaging

Net Shape/Near-Net Shape Forging

4. Machining

Machining merupakan sebuah proses untuk mengeluarkan material dari sebuah alat

kerja dalam bentuk chips. Kata Metal Cutting digunakan ketika material tersebut

adalah logam(mengandung logam). Kebanyakan proses machining mempunyai biaya

set-up yang rendah jika dibandingkan dengan forming, molding, dan casting. Namun

untuk volume besar, proses machining menjadi sangat mahal.

Machining sendiri terdiri dari beberapa kategori, antara lain:

Drilling Turning

Milling Grinding

Chip Formation

5. Brazing

Brazing adalah sebuah metode penyambungan logam, dimana logam pengisi (filler

metal) dipanaskan diatas titik lelehnya, dan didistribusikan diantara dua atau lebih

sambungan pendek dengan berdasarkan pada prinsip kapilaritas. Logam pengisi ini

dipanaskan sampai pada titik sedikit di atas titik lelehnya dan kemudian dialirkan

kedalam logam yang ingin disambung(wetting), dan kemudian didinginkan untuk

menyambungkannya. Metode ini sekilas mirip dengan Soldering. Yang menjadi

pembeda ialah suhu yang digunakan untuk mencairkan logam pengisi pada soldering

lebih tinggi.

Pada umumnya, logam pengisi pada metode brazing merupakan campuran 3 jenis

logam atau lebih (alloy). Logam pengisi ini dipilih berdasarkan kemampuan logam

untuk membasahi logam utama, bertahan dalam kondisi yang dibutuhkan, dan

meleleh pada suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan logam utama. Logam

pengisi ini biasanya ada dalam bentuk batang, pita, serbuk, krim, pasta, kabel, dan

lain lain. Beberapa logam yang umum digunakan sebagai pengisi antara lain:

Aluminium-Silicon

Copper

Copper-Silver

Copper-Zinc (brass)

Gold-Silver

Nickel Alloy

Silver

Amorphous brazing Foil

Beberapa teknik yang umum diketahui dan digunakan dalam Brazing antara lain:

Torch Blazing

Furnace Blazing

Silver Brazing

Braze Welding

Cast Iron Welding

Vacuum Brazing

Dip Brazing

6. Soldering

Hampir sama dengan Brazing, Soldering merupakan proses penyambungan dua buah

logam dengan menggunakan logam ketiga atau alloy yang memiliki titik leleh

dibawah kedua logam utama. Soldering berbeda dengan adhesive joining. Dalam

adhesive, terdapat ikatan mekanis yang berkaitan dengan sifat permukaan mekanis

dari material. Sementara dalam solder, terjadi juga reaksi kimia selain reaksi fisis.

Soldering pada umumnya digunakan untuk menghasilkan sambungan yang dapat

memberikan kontak elektrik, atau segel terhadap kebocoran. Solder pada umumnya

tidak mempunyai kekuatan mekanis yang tinggi, karena pada umumnya material

solder bersifat lunak.

7. Sheet Metal Forming

Sheet Metal Forming merupakan suatu proses manufaktur untuk menghasilkan

lembaran lembaran besi. Gaya yang diberikan dalam proses ini melebihi kekuatan

yield logam tersebut sehingga akan terjadi deformasi plastis, tapi tidak patah.

Lembaran logam ini dapat dibentuk menjadi beberapa macam geometri yang

kompleks. Lembaran lembaran besi ini akan kemudian digunakan untuk membuat

alat alat tertentu. Terdapat beberapa metode menghasilkan lembaran lembaran besi

ini, antara lain:

Shearing

Bending

Roll Bending

Stretch Bending

Blanking

Punching

Spinning

Deep Drawing

Hydroforming

Explosive Forming

Salah satu contoh yang paling umum adalah bending. Bending merupakan proses

pembengkokan lembaran besi untuk membentuk lekukan lekukan tertentu. Proses

bending dapat diamati lebih lanjut pada gambar 6.

Gambar 6. Bending (CustomPartNet.com, 2009)

Tipe Sambungan Las

Nama

SambunganGambar Deskripsi

Double

Welded

Butt Joints

(V-Type

Groove)

Dapat digunakan pada semua

kondisi. Tipe ini khususnya

digunakan untuk logam yang

lebih tebal dari ¾ in tapi dapat

juga digunakan untuk plate yang

lebih tipis bila kekuatannya

sangat dibutuhkan.

Tipe V dan Tipe U secara

karakteristik hampir sama,

hanya berbeda dalam hal

desain.

Double

Welded

Butt Joints

(U-Type

Groove)

Single

Welded

Butt Joint

with

Backing

Strip

Dapat digunakan pada plate

dengan ketebalan ¼ sampai ¾ in

Tiap sambungan harus

dipastikan mempunyai sudut 60

derajat untuk plate dan 75

derajat untuk pipa.

Single

Welded

Butt Joint

without

Backing

Strip

Ada/ tidaknya backing strip

berguna untuk menambah

kekuatan pada sisi lain dari

pengelasan. Untuk kasus

tertentu dimana dibutuhkan

kekuatan ekstra dalam

pengelasan, maka ditambahkan

backing Strip

Single

Welded

Butt Joint

with

Backing

Strip

Dapat digunakan pada plate

dengan ketebalan kurang dari ¼

in. Tiap sambungan harus

dipastikan mempunyai sudut 60

derajat untuk plate dan 75

derajat untuk pipa.

Single

Welded

Butt Joint

without

Backing

Strip

Ada/ tidaknya backing strip

berguna untuk menambah

kekuatan pada sisi lain dari

pengelasan. Untuk kasus

tertentu dimana dibutuhkan

kekuatan ekstra dalam

pengelasan, maka ditambahkan

backing Strip

Double Full

Fillet Lap

Joint

Biasa digunakan untuk beban

yang besar. Bila dilas denagn

baik, kekuatan sambungan

dapat mendekati kekuatan

pusat logam.

Single Full

Fillet Lap

Joint with

plug welds

Dapat digunakan pada logam

dengan ketebalan sampai ½ inch

dan tidak ditujukan untuk

muatan yang besar. Jenis ini

mudah untuk di-las.

Penyebab Kegagalan Vessel

A. Excessive Elastic Deformation

Adalah sebuah kegagalan yang dikarenakan kelebihan deformasi elastis yang dikontrol

oleh modulus elastisitas dan bukan oleh kekuatan suatu material. Excessive elastic

deformation dapat terjadi karena efek akumulasi perubahan posisi atom dari posisi

keseimbangannya. Karena gaya dan hasil perpindahan atom cukup kecil, atom-atom

tersebut akan kembali pada posisi keseimbangannya. Pada skala maksroskopis, bagian

mesinakan kembali pada dimesinya semula. Kegagalan yang dikarenakan excessive

elastic deformation terbagi menjadi dua kategori umum, yaitu pada keadaan stabil dan

tidak stabil.

Dalam rangka menghindari terjadinya deformasi ini, kelenturan dari material perlu

dipertimbangkan agar tidak terjadi deformasi dengan melihat nilai elastisitasnya. Setiap

material memiliki nilai elastisitas yang berbeda-beda, seperti yang ditunjukkan pada

gambar 7.

Gambar 7. Kurva Tegangan Regangan Pada Beberapa Material. (Lloyd, 1959)

B. Elastic Instability

Ketidakstabilan elastis merupakan bentuk ketidakstabilan yang terjadi pada sistem

elastis. Ketidakstabilan elastis berkaitan erat dengan struktur material yang memiliki

kekakuan yang terbatas dan dapat disebabkan oleh tekanan, kelenturan, torsi, atau

kombinasi dari beberapa kondisi yang memiliki beban. Ketidakstabilan elastis ini

menyebabkan sebuah bentuk struktur yang berubah akibat kekakuan yang tidak cukup

atas suatu beban tekan tertentu. Ketidakstabilan elastis ini dapat terbagi menjadi dua

macam, yaitu sistem derajat kebabasan tunggal dan sistem derajat kebabasan jamak.

Untuk derajat kebebasan tunggal, dapat diambil contoh sebuah balok dengan panjang

L, bergantung bebas dan memiliki pegas angular yang dipasan diatasnya. Balok ini akan

memiliki gaya bebas F yang berperan menekan kearah axial dari balok. Sedangkan

untuk derajat kebebasan ganda, sebagai contoh, balok kaku yang lain diletakan pada

sistem pegas seperti semula dengan dua derajat kebebasan. Diasumsikan sebagai

penyederhanaan bahwa panjang balok dan pegas angular adalah sama. Persamaan

keseimbangannya menjadi:

FL¿

FLsinθ2=kθ(θ2¿−θ1)¿

Dimana θ1 dan θ2adalah sudut dari dua balok.

Contoh dari ketidakstabilan elastis adalah penekukan pada vessel silinder karena

tekanan eksternal sebagai akibat dari operasi vakum. Contoh lain dari ketidakstabilan

elastis adalah pada penekukan pada vessel horizontal sebagai akibat dari momen

kelenturan terinduksi oleh reaksi diantara vessel dan penyanggahnya.

Ketidakstabilan Kolom

Contoh yang paling sederhana dari ketidakstabilan elastis adalah seperti yang terjadi

pada kolom axial. Hubungan matematis untuk panjang beban kritis, kolom yang tipis

dikembangkan pertama kali oleh Euler. Hasil dari penurunan persamaan oleh Euler

seperti ditunjukan sebagai berikut:

f critical=Pcriticalα

= π2El2/k 2

Tegangan, fcritical, adalah beban per satuan luas dimana tekukan terjadi. Ini bukan

merupakan tegangan maksimum yang dikembangkan sebagai peningkatan Pcritical, yang

akan menghasilkan nilai defleksi dan peningkatan tegangan hingga kegagaglan karena

penekukan terjadi. Dalam mendesain sebuah vessel, perlu diperhatikan nilai tegangan

yang ada. Nilai tegangan tersebut harus berada dibawah fcritical demi faktor keselamatan

sehingga penekukan tersebut tidak terjadi.

Gambar 8. Kolom Berputar. (Lloyd, 1959)

Lapisan Vesel Dibawah Beban Axial

Dalam design vessel terdapat hubungan untuk stabilitas elastis pada pelat kurva yang

ditujukan pada beban tekan axial. Hal ini sangat umum terjadi pada vessel silinder

vertikal. Timoshenko telah memberikan turunan persamaan seperti sebagai berikut:

f critical=E

√3 (1−μ2 ) (tr )

f critical=0.6 E ( tr )(untuk μ=0.3)dimana:

l = ketebalan lapisan, in

r = radius lapisan, in

µ= rasio Poisson

Penelitian telah dilakukan dan terbukti bahwa beban tekuk akibat gaya tekan axial pada

silinder tipis hanya sebesar 40% dari yang diprediksi dengan menggunakan persamaan

diatas. Gaya tekan yang aman tanpa terjadinya penekukan telah diinvestigasi oleh

Wilson dan Newmark, bahwa nilai yang aman dapat dinyatakan sebagai berikut ini:

f allowable=1.5×106( tr )≤ 13 yield point

C. Plastic Instability

Logam dalam zona plastis dibawah tekanan murni memiliki titik load batas. Melebihi titik

tersebut, akan terjadi necking. Hal ini mengakibatkan lokalisasi regangan plastis dan

akan berujung kepada patahan. Tidak hanya pada besi saja, peristiwa ini dapat terjadi

pada logam apapun, yang dikenal dengan fenomena instabilitas plastis(plastic

instability).

D. Brittle Rupture

Brittule Rupture dapat terjadi karena adanya sedikit deformasi plastis permanen.

Kebanyakan material non logam rentan terhadap jenis kerusakan ini karena material

tersebut cenderung lebih tidak elastis (less ductile). Namun logam brittle seperti besi

yang dikeraskan dan cast iron banyak digunakan dalam aplikasi teknik sehari hari. Jika

peralatan peralatan ini dibengkokkan, maka akan secara tiba tiba patah yang diakibatkan

oleh patahan brittle. Tidak terjadi deformasi plastis, dan patahan dapat dipasangkan

kembali dalam susunan yang sempurna.

Secara umum, karakteristik brittle ini adalah sangat keras, kuat, dan sensitif. Di sisi lain,

logam yang elastis biasanya lebih lunak dan lebih lemah. Material dapat bersifat brittle

karena mengandung butiran grafit dalam jumlah yang besar di dalamnya. Butiran grafit

ini bekerja sebagai internal stress concentrations, dan membatasi kemampuan logam

untuk mengalir, atau berubah bentuk.

Brittle Rupture dapat terjadi pada logam yang elastis (ductile) seperti pada kapal,

pressure vessel, tanki, pipa, dan lain lain. Ada 4 faktor yang menyebabkan brittle failure

pada logam yang elastis, antara lain:

Logam itu sendiri rentan terhadap brittle fracture

Adanya konsentrasi tegangan(stress), seperti cacat pengelasan, kelelahan logam,

tegangan korosi, atau faktor desain seperti ujung yang lancip, dll.

Adanya tensile strength

Terjadi pada suhu yang relatif rendah untuk logam yang terlibat.

E. Creep

Creep pada material umumnya dikaitkan dengan plastisitas yang bergantung pada waktu

pada suatu tegangan tetap dalam suhu yang meningkat. Pada suhu sekitar setengah dari

titik leleh (0.5 TM), material masuk pada zona time dependent plastic straining ketika

diberikan beban. Fenomena inilah yang dinamakan dengan creep. Hal ini dapat terjadi

pada level tegangan lebih kecil daripada level yield.

Gambar 9. Skematis Creep. Bawah: Elongasi fungsi waktu. Atas: laju regangan terhadap waktu

F. Corrosion

Korosi yang terjadi pada alat proses sangat bergantung pada sifat alami dari lapisan yang

terbentuk pada permukaan bagian bagian dari alat. Contohnya adalah tahanan korosi

yang sangat baik dari tembaga dan juga campurannya, yang merupakan kemampuan

logam tersebut untuk membentuk lapisan tipis yang melindungi pada permukaannya.

Lapisan ini dapat berupa hasil dari oksidasi sederhana maupun terdiri dari garam

insoluble. Untuk melindungi, lapisan harus bersifat tipis, adheren, kontinyu, dan tidak

larut. Alat proses yang beroperasi akan secara umum terkorosi secara perlahan.

Ada beberapa jenis serangan korosi (Attack), antara lain:

Uniform Corrosion

Impingement Attack

Concentration-Cell Attack

Deposit Attack

Galvanic Cell Attack

Referensi

Designing Welded Lap Joints． MillerDuaneK.2001，Welding Innovation，Vol.

XVIII，p.3．

eFundaInc.The Ultimate Online Reference for Engineers．[Online]2013．[Cited: 8 April

2013．]http://www.efunda.com/processes/metal_processing/Forging.cfm．

Fundamentals of Metal Casting．[Online][Cited: 8 April

2013．]http://thelibraryofmanufacturing.com/metalcasting_basics.html．

Fusion Welding．[Online][Cited: 8 April 2013．]https://www.google.com/url?

sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&cad=rja&ved=0CF8QFjAH&url=http%3A

%2F%2Fbioen.okstate.edu%2FHome%2Ffharry%2F3222%2F600_PP

%2F2_FusionWelding.ppt&ei=tNxiUaDxLM37rAfAooHQDA&usg=AFQjCNHa8uVWHlN

kBL7Ob6Z377QiZfo8FA&sig2=D0adEUoSGT．

GrieveDavidJWelding Processes．[Online]2009．[Cited: 8 April

2013．]http://www.tech.plym.ac.uk/sme/strc201/weld1.htm．

SchwartzMelM Brazing．s.l.，ASM International，ISBN 978-0-87170-246-3，1987．