perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013

PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNGPABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe

UNTUK PLTN DIINDONESIA

Putut Hery Setiawan dan Petrus Zacharias

PRPN - SATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIKELEMEN BAKAR NUKLIR TlPE PWR 1000 MWe UNTUK PL TN DIINDONESIA. Proseskonversi UF6 menjadi U02 pada pabrik produksi bahan bakar nuklir melalui jalurAmonium Uranil Karbonat (AUK) dilakukan dengan menggunakan reaktor gelembung.Keluaran utama dari reaktor gelembung adalah endapan AUK, yang ditampung oleh tankipengendap. Tangki reaktor gelembung dirancang berbentuk vertikal terdiri dari shell danhead berbentuk torispherical. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan standarASME Sec. VII, Div.1. Data masukan berasal dari data sheet proses yang berisispesifikasi tangki berupa dimensi, tekanan, efesiensi dan corrosion allowance (CA). Darihasil perhitungan didapat ketebalan dinding shell sebesar 0,37 mm dan ketebalandinding head sebesar 0,65 mm. Ketebalan ini masih masih harus ditambah dengancorrosion allowance, untuk material Hastelloy dalam suasana senyawa fluor nilai CAditentukan sebesar 3.175 mm untuk umur pabrik 25 tahun. Dengan pertimbanganperancangan yang disesuaikan dengan ketersediaan tebal pelat diindustri, makaketebalan tangki yang digunakan adalah sebesar 4 mm.

Kata kunci: tangki, ketebalan head, ketebalan shell, reaktor gelembung, elemen bakarnuklir

ABSTRACT

CALCULA TlON OF HEAD AND SHELL BUBBLE REACTOR TANK FOR NUCLEARFUEL ELEMENT PLANT TYPE 1000 MWE FOR PL TN IN INDONESIA. The conversion

process of UF6 to U02 in nuclear fuel production plant through AUC performed usingbubble reactor. The main product of the bubble reactor is Ammonium Uranyl Carbonat(AUC), which is accommodated by the settling tank. Bubble reactor tanks are designedconsisted of a vertical-shaped shell and a head shaped torispherical. The designperformed by using the standard ASME Sec. VII, Div.1. Input data from the process datasheet that contains a dimensional specification tanks, pressure, efficiency and corrosionallowance (CA). From the calculation of the shell wall thickness is 0.37 mm and a wallthickness of head is 0.65 mm. Thickness is still yet to be coupled with a corrosionallowance, for Hastelloy material in an fluid service of fluorine, CA value set at 3, 175 mmfor 25 year of plant. In consideration of the thickness of the tank design is used by 4 mm.

Keywords: vessel, thickness of head, thickness of shell, bubble reactor, nuclear fuelelement

- 94 -

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013

1. PENDAHULUAN

Untuk mengantisipasi opsi energy listrik, PLTN dipilih sebagai salah satu

pembangkitan energi di Indonesia, Batan melalui Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir

telah melakukan pra studi kelayakan pendirian pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000

MWE. Basis bahan bakar PWR (Pressurized Water Reactor) adalah uranium dioksida

(U02) dalam bentuk pelet tersinter yang disusun di dalam tabung kelongsong zircalloy

kedap (tertutup di kedua ujungnya). Berdasarkan pengalaman negara maju, pabrik

produksi elemen bakar nuklir yang menggunakan umpan Uh dengan pengkayaan U

235 sampai 5%, memproduksi serbuk U02 melalui tiga jalur yaitu [1]:

• Jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK)

• Jalur Ammonium Diuranat (ADU)

• Jalur Kering Terintegrasi ( JKT )

Pilihan teknologi yang diambil adalah proses konversi melalui jalur Ammonium

Uranil Karbonat (AUK) dan Jalur Kering Terintegrasi (JKT) yang dapat dioperasikan

secara parallel atau bergantian sehingga dapat menjamin fleksibilitas dalam produksi [1].

Proses produksi bahan bakar nuklir U02 melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK)

melewati beberapa proses, salah satunya adalah proses pada tangki reaktor gelembung.

Suhu di dalam tangki reaktor gelembung dipertahankan 60oC, karena unsur-unsur yang

terdapat di dalamnya berupa NH3, UF6, CO2 dan mengandung panas sehingga suhu di

dalam tangki perlu dipertahankan. Media air yang bercampur dengan gas menghasilkan

gas dan endapan AUK, dimana gas sisa dialirkan ke scrubber dan endapan dalam

bentuk AUK dialirkan ke settling tank. Proses terse but di atas dilakukan di dalam tangki

yang disebut dengan tangki reaktor gelembung, dimana di dalam makalah ini hanya

dibatasi pad a perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung yang terdapat dalam

proses melalui jalur AUK.

2. TEORI

Tangki (Vessel)

Tangki (vessel) merupakan bejana yang digunakan untuk menyimpan fluida baik berupa

liquid maupun gas. Tangki ini banyak digunakan pad a proses pengilangan minyak dan

juga pada industri-industri lain, terutama industry petrokimia, obat-obatan, makanan dan

juga industri yang menggunakan peralatan otomatis. Selain berfungsi sebagai media

penyimpan, tangki bisa juga berfungsi sebagai pemisah (separator), penyaring (filter),

ataupun sebagai pencampur bahan kimia.

- 95-


Pad a umunya tangki dapat digolongkan dalam beberapa jenis:

1. Tangki berbentuk vertikal (vertical tank),

2. Tangki berbentuk horisontal (horizontal tank),

3. Tangki berbentuk bola (hemispherical tank).

Tanki yang digunakan dalam perhitungan ini adalah tangki berbentuk vertikal

dimana tangki tersebut berisi gas-gas CO2, NH3, UF6 dengan air yang direaksikan

menjadi Ammonium Uranil Karbonat (AUK), dalam hal ini tanki digunakan sebagai reaktor.

Karena bahan baku proses yang digunakan mengandung senyawa fluor, maka

persyaratan material yang digunakan untuk desain peralatan adalah material harus tahan

terhadap senyawa-senyawa UF6 gas dan HF. Desain harus memenuhi faktor keamanan

pada operasi normal maupun transisi atau abnormal, dan untuk mencapai umur desain.

Secara umum, desain vessel ini mengacu ke ASME Sec.vlll Div.1 yang tidak

mengevaluasi secara rinci terhadap semua tegangan yang mungkin terjadi. Sementara

kode yang ada memberikan formula untuk menghitung ketebalan dan stress komponen

komponen dasar.

Vessel yang mendapat tekanan internal dan atau eksternal akan menimbulkan

tegangan pada dinding shell. Tegangan ini umumnya menimbulkan tegangan triaxial,

ketiga prinsip tegangan itu adalah tegangan longitudinal ( longitudinal stress), tegangan

circumferential (circumferential stress) , dan tegangan radial ( radial stress). Tegangan

radial adalah tegangan yang dihasilkan langsung dari aksi tekanan terhadap dinding, dan

menyebabkan tegangan tekan sama dengan tekanan. Untuk vessel berdiding tipis,

tegangan radial ini sangat kecil dibandingkan dengan tegangan yang lain, sehingga dapat

diabaikan. Jadi untuk tujuan penyederhanaan analisis, keadaan tegangan menjadi biaxial,

sehingga dapat menyederhanakan metode penggabungan tekanan dibandingkan dengan

tegangan triaksial.

Vertical Tank Horizontal Tank

Gambar 1. Jenis-jenis tanki [5]

Hemispherical Tank

- 96 -

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 14 November 2013

Komponen utama dari tangki terdiri dari :

• Dinding silinder tangki (Shelf)

• Tutup kepala tangki (head)

• Penyangga tangki (support)

• Kelengkapan tangki (accessories)

Dalam makalah ini hanya difokuskan pad a perhitungan ketebalan dinding silinder

tangki dan tutup kepala tangki. Standar yang digunakan dalam perhitungan ini adalah

ASME Section VIII Div.l, dimana untuk perencanaan tebal silinder menggunakan UG-27.

UG 27 digunakan untuk perhitungan tebal bejana karena tekanan internal, dengan

persamaan sebagai berikut.

Tegangan circumferential (sambungan longitudinal)[4]

PR SF tt = SE _O.6P atau P =

dengan :

t = Tebal tangki (mm)

P = Tekanan dalam (kpa)

R = radius dalam shell (mm)

S = Allowable stress matrl. (kpa)

E = Effesiensi = 0.85

Tegangan longitudinal (sambungan circumferential)[4]

P R 25£ tt = ._ atau P =

Head (head & bottom)

Head merupakan bagian tangki yang berfungsi sebagai penutup silinder (shell),

baik bagian atas tangki (head) maupun bagian bawah tangki (bottom). Pada umumnya

jenis penutup silinder dibagi menurut bentuk geometrisnya dan yang paling sering

digunakan adalah bentuk:

1. Setengah bola (Hemispherical) head

2. Ellipsoidal head

3. Torispherical head

- 97 -

Prosiding Pertemuan /lmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013

~.~~, ,'I- ;;:".,~ A

I[).- - _

t~lr_i~ii r- ----(.~-- --

Hemispherical head Ellipsoidal head

Gambar 2. Jenis-jenis head [5]

Torispherical head

Jenis head yang digunakan dalam perhitungan ini adalah jenis tori spherical head,

hal ini ditentukan berdasarkan data yang di dapat dari divisi proses, dimana untuk

mendapatkan ketebalan torispherical berdasarkan ASME Section VIII Div. I UG-32[4]

digunakan:

O.885PLt=

dengan L = diameter dalam torispherical.

\---••

\?J i .__-FL----------t-

~D

R (mm) - 0

r [mm) = 0.10

hl (mm) ~ 3.5 t

h2 (mm) = 0,20

H (mm) h1 ~h7

Gambar 3. Dimensi torispherical head [2]

3. TATAKERJA PERHITUNGAN

Perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung dilakukan berdasarkan

masukan data dari divisi proses berupa data sheet yang diperlukan dalam perhitungan di

antaranya adalah tekanan desain, material, tipe penutup, corrosion allowance (CA) dan

efesiensi yang diperlihatkan pada Gambar dalam lampiran.

Perhitungan ketebalan dinding silinder (shell)

Material yang digunakan dalam perhitungan ini adalah Hastelloy dimana yield

strength untuk material tersebut berkisar antara 283-690 MPa dan yield yang digunakan

sebesar 300 MPa[3], sedangkan Allowable stress diambil 60% dari yield stregth yaitu

sebesar 180 MPa yang digunakan sebagai dasar perhitungan.

- 98 -


Perencanaan ketebalan dinding shell yang diatur dalam AS ME SECTION VIII DIV. 1,

2001 ayat UG-27 untuk tegangan circumferencial (sam bung an longitudinal) didapat :PRf- _

,- SE - O.6P

dengan :

t = Tebal tangki (mm)

P = Tekanan dalam desain = 3 atm atau = 304 kpa

R = radius dalam shell, dimana diameter dalam shell = 370 mm

S = Allowable stress material hastelloy = 180000 kpa (60% dari yield strength)

E = Effesiensi = 0.85

304 x 185t = --------

180.00.0 (0 8.5)-(V. 6.J 30.4

t= 037 mm

Sedangkan untuk tegangan longitudinal (sambungan circumferential) didapat:PR

t = 2SE + 0.4P

t = 30.4. 1852.180.00.0..(0..85)+(0..4)304

t ;;;018 mm

Dari hasil perhitungan di atas didapat ketebalan shell untuk tegangan circumferential

sebesar 0.37 mm dan untuk ketebalan tegangan longitudinal sebesar = 0.18.

Perhitungan Head

Untuk perhitungan ketebalan head berdasarkan ASME SECTION VIII DIV. 1, 2001 ayat

UG-32 didapat :

0. 885 P Lf- _, - SE - 0 '1P

dengan : L = diameter dalam torispherical

t = 065 mm

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Tangki reaktor gelembung berbentuk vertikal, terdiri dari shell yang berbentuk

silinder dan tutup tangki berbentuk torispherical. Dari perhitungan ketebalan shell didapat

nilai ketebalan untuk tegangan circumferential dan tegangan longitudinal masing-masing

- 99 -


0.37 dan 0.18 mm. Untuk keamanan desain dipilih nilai ketebalan terbesar yaitu 0.37 mm

yang merupakan tebal minimum shell. Sedangkan untuk head didapat ketebalan 0.65 mm.

Hasil perhitungan di atas masih ditambahkan dengan faktor corrosion allowance

dimana Corrosion allowance dalam desain dimaksudkan untuk mengantisipasi tingkat

safety suatu equipment agar tetap reliable saat operasi. Sebenarnya tanpa diberi

corrosion allowancepun suatu equipment tetap safe dipakai karena gaya atau beban yang

bekerja masih di bawah nilai yield strength material yang digunakan namun untuk fluida

yang mengangung fluor, bahan hastelloy akan terkorosi. Oalam perhitungan ini material

Hastelloy mempunyai nilai CA untuk umur 25 tahun sebesar 3.175 mm, sehingga tebal

shell menjadi sebesar 0.65 + 3.175 = 3.83 mm dan untuk pertimbangan perancangan

maka ditentukan tebal pelat yang digunakan adalah 4 mm [6].

Oari hasil penentuan ketebalan maksimal termasuk nilai CA, maka dimensi head

yang berbentuk torispherical dapat dilakukan dengan mengacu pada Gambar 3, yang

hasilnya disajikan pada halaman berikut :

\ t: 4~ ...- I - _ '"\ R = 378 ~ ~ 1 <Df r::378 ./~,~ ~. w_. w ._

<1>10=378

Gambar 4. Oimensi Torispherical Hasil Perhitungan

5. KESIMPULAN.

Perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung yang berbentuk vertikal

dengan dimensi yang didapat dari data sheet sistem proses dengan ketinggian total 4700

mm, dimana head bagian atas dan bawah berbentuk torispherical yang mempunyai

ukuran ketinggian sesuai dengan perhitungan sebesar = 89.6 mm, sehingga ketinggian

shell didapat sebesar = 4520.8 mm.

Untuk ketebalan tangki dari hasil perhitungan didapat tiga ketebalan, dimana untuk

tegangan Circumferensial = 0.37 mm, tegangan longitudinal = 0.18 mm dan ketebalan

head sebesar = 0.65 mm. Oari ketiga hasil perhitungan diambil perhitungan ketebalan

terbesar yaitu 0.65 mm dan dengan penambahan faktor corrosion allowance untuk

material hastelloy dengan umur pemakaian 25 tahun sebesar 3.175, maka ketebalan

tangki sebesar = 3.825 mm. Untuk pertimbangan perancangan yang disesuaikan dengan

- 100 -

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013

ketersediaan tebal pelat diindustri, maka ketebalan tangki baik untuk shell maupun untuk

head dibulatkan sebesar 4 mm.

6. DAFT AR PUST AKA

1. Program Manual. "Design Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 Mwe Untuk

PLTN di Indonesia" Tahun 2013

2. Kartal Bombe Sanayi (KBS), Disk and Flange heads,Torispherical Heads,

http://www.cartalbombe.com.tr/dishedends-dishedflanqedheads.html. 21-03-2012

3. ASME Section II Part 0, "Materials", Boiler and Pressure Vessel, Edition 1 Juli 2001

4. ASME Section VIII Div.l, "Rules for Construction of Pressure Vessel", Boiler and

Pressure Vessel, Edition 1 Juli 2001.

5. Juniarto, Yuriadi Kusumah, "Perancangan Pressure Vessel E Type Vertical", Program

Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mercu Buana, 20 Mei 2013.

6. Beyond Steel Indonesia, "Tabel ukuran dan berat Plat Stainless Steel", , http://bevond

steel. bloqspot. com/20 12/0 1/tabel-ukuran-berat -plat -stainless-steel. html, 6-11-2013

TANYA JAWAB

Pertanyaan:

1. Pad a kesimpulan sudah terlihat masing-masing perhitungan tebal (termasuk pada

abstrak). (Maradu)

2. Judul perlu diperbaiki. (Maradu)

Jawaban:

1. Pada kesimpulan sudah terlihat masing-masing ketebalan yaitu pad a tabel untuk

tegangan circumferential dan table terisphenical.

2. Judul akan saya perbaiki terima kasih.

- 101 -

Prosiding Pertemuan I/miah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - SA TAN, 14 November 2013

7, LAMPIRAN

Item Name I

Sketch ( unit: m \~

._------------~

~~4+ .-- ..,1'/ ',,\'?-

' . \8,

:::I: 10

-...22-~13-14- 15- 16 E- 17 r---

-q:18 - 19- 20-21-22-~~~ rr"~

.E..~ .A~

o~h..~ ----------r,Yo

31 0

'«/1£PI-- ,32 I--33I-- '-

340I-- ,~

0

,2 .. 0 ..37 m37 0

I-- o.-!3839

T TI40

Shell Diameter (I.D.): 0.37 m Shell Hight4.7m No. Required:41

Center Line: Vertical42

Pressure. GTemperature deg CNozz lesMark NoSizeNumber43

Item Number II InletC-0.5 in344

Operating 1.9 Iatm60C45

Design 3atm85C Vapor Out·C-0.5 in146

Emergency Vacuum Design: • Yes/No47

MatenalCorr.AllowanceLiquid Out :C-0.5 in148

Shell Hastelloy0.12549

Heads HastelloyI0.12550

Type of Bottom TorisphencalThermocoupleFt-&

51 Type of Heads TorisphencalPressure GaugeFt-oJ52 Code: Gauge GlassFt- II>

.=53Stress Relie\oe•• Radiography·':Le\oelContolFt- ~54Joint Efficiency: 0.85Safety Val\oeFt-

55Density of Content: 1986 kn/m3at60deg C

56Weight Empty: 290.84 kgWeight Full: 1308.64 kg

57is \essel subject to mechanical vibration?*Yes/No VentC-

58

insulation Type: H2O DrainC-- ·Yes/No Thickness1 in Steam OutC-59

60

REMARK61

No. Unit 1ManholeA-62 636465

min. Base ElelK1:Skirt Length66

Material67 686970

Description 1Date 2Date3Date4Date5

71

Made/Relised By Abdul jami

72

Checked By Hafni Lissa

73

Appro\oedBy Prayitno

- 102 -

perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor

Documents