TUGAS AKHIR

ANALISA TEGANGAN PADA KETEL UAP PABRIK TAHU

BERDASARKAN STANDAR MEGYESY DENGAN BANTUAN

SOFTWARE CATIA

Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Teknik

Strata Satu Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Oleh :

SURATNO NIM: D 200 000 015

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2009

HALAMAN PERSETUJUAN

Tugas Akhir ini telah diperiksa dan disetujui oleh Dosen Pembimbing I

dan Dosen Pembimbing II untuk dipertahankan dihadapan Dewan Penguji Tugas

Akhir Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Disusun dan disiapkan oleh :

Nama : Suratno

NIM : D 200 000 015

JUDUL : Analisa Tegangan Pada Ketel Uap Pabrik Tahu

Berdasarkan Standar Megyesy Dengan Bantuan

Software Catia

Pembimbing I

(Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT)

Pembimbing II

(Tri Widodo Besar Riyadi,ST,MSc)

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas Akhir dengan judul : “Analisa Tegangan Pada Ketel Uap Pabrik

Tahu Berdasarkan Standar Megyesy Dengan Bantuan Software Catia” ini,

telah disahkan oleh dewan penguji sebagai sebagai salah satu syarat untuk

memperoleh gelar Sarjana S-1 Teknik Mesin di Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta yang disusun oleh :

Nama : Suratno

NIM/NIRM : D 200 000 015

Telah disahkan, pada :

Hari : ……………………….

Tanggal : ……………………….

Tim Penguji:

Penguji I : Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT. ( )

Penguji II : Tri Widodo Besar Riyadi,ST, MSc. ( )

Penguji III : Ir. Sartono Putro, MT. ( )

Mengetahui, Dekan Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

(Ir.H. Sri Widodo, MT.)

Ketua Jurusan Teknik Mesin

(Marwan Effendy,ST, MT.)

MOTTO

“ Yaa Allah, lapangkanlah dadaku, dan mudahkanlah bagiku urusanku dan

lepaskanlah kekakuan lidahku, supaya mereka mengerti perkataanku “

(Q.S. Thoha : 25-28 )

Hidup itu seperti roda yang berputar, kadang diatas dan kadang dibawah.

Lupakanlah semua kegagalan masa lalumu, buka lembaran baru untuk

kehidupan kamu yang baru.

Lakukan apa yang bisa kamu lakukan hari ini, jangan pernah menunda

pekerjaanmu karena itu akan menjadi sebuah beban yang berat bagimu.

HALAMAN PERSEMBAHAN

Tulisan ini kepersembahkan untuk :

Kedua orang tuaku tercinta yang telah memberikan segenap kasih sayang

dan do’a yang tiada henti-hentinya serta pengorbanan yang tulus dalam

setiap langkahku. Bapak dan Ibu hanya ini yang dapat aku persembahkan

dan masih banyak lagi yang belum bisa aku lakukan untuk

membahagiakan bapak dan ibu, aku mohon maaf.

Adikku tercinta dan keluarga besarku yag telah memberi semangat yang

begitu besar bagiku.

Titik Nur Khazanah yang telah banyak membantuku baik secara moril

maupun materiil.

Almamaterku Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji bagi Tuhan seru sekalian alam, Allah SWT,

atas segala rahmat, taufiq dan hidayah-Nya. Shalawat serta salam semoga selalu

dilimpahkan kepada nabi Muhammad SAW, yang telah menyampaikan risalah

sucinya kepada seluruh umat manusia di muka bumi dan membawa mereka yang

tersesat ke jalan yang diberkati oleh Allah SWT.

Tugas Akhir ini berjudul “Analisa Tegangan Pada Ketel Uap Pabrik Tahu

Berdasarkan Standar Megyesy Dengan Bantuan Software Catia” disusun untuk

memenuhi sebagian dan syarat-syarat guna memperoleh gelar sarjana teknik pada

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik. Dengan adanya bimbingan, petunjuk,

bantuan dan dorongan baik material dan spiritual, maka skripsi ini dapat penulis

selesaikan.

Sehubungan dengan hal tersebut, penyusun mengucapkan terima kasih

yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Ir.H. Sri Widodo, MT selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

2. Bapak Marwan Effendy,ST, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Bapak Ir. Pramuko Ilmu Purboputro, MT sebagai Pembimbing I, atas

bantuannya dengan memberikan kemudahan bimbingan dan

keramahannya dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Sungguh semua

perkataan bijak bapak sangat berarti besar dan tidak akan terlupakan oleh

penulis.

4. Bapak Tri Widodo Besar Riyadi,ST, MSc sebagai Pembimbing II, atas

bimbingan, masukan, arahan dan dorongan semangat yang begitu besar

kepada penulis sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan. Jasa-jasa bapak

tidak akan terlupakan oleh penulis karena atas nasehat bapak penulis juga

dapat mengetahui apa sebenarnya arti hidup ini bagi penulis.

5. Segenap Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik atas

keramahannya.

6. Segenap Staff dan Karyawan Universitas Muhammadiyah Surakarta yang

telah banyak membantu penulis.

7. Keluarga besarku yang selalu membimbing dan mengingatkan untuk terus

maju dan tidak kenal menyerah.

8. Teman-teman Teknik Mesin 2000: Momon, Eko, Hedy, Rohmad,

Wahyudi (bebek), andri, Darmo, Wahyono, Yatno, Haris, dan semuanya

yang tidak bisa disebutkan satu persatu terima kasih atas bantuan kalian

selama ini.

9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, yang telah

memberikan bantuan moral dan material sehingga Tugas Akhir ini dapat

terselesaikan.

Akhirnya, hanya kepada Allah jualah penyusun serahkan segalanya.

Semoga kebaikan anda dicatat sebagai amal shaleh. Amin ya Rabb al-Alamin.

Surakarta, Oktober 2005

Penulis

ABSTRAKSI

Perancangan bejana ketel uap dapat digunakan metode yang sederhana.

Pada perancangan bejana ketel uap pada pabrik tahu ini digunakan metode

Megyesy dengan bantuan Software Catia. Tujuan dari perancangan dengan

metode ini adalah untuk menyederhanakan perancangan bejana dan menguji hasil

perancangan dengan analisa tegangan secara simulatif.

Pada metode Megyesy digunakan suatu rumus baku yang digunakan

untuk menghitung ketebalan plat bejana berdasarkan tekanan, diameter, dan

parameter lain pada ketel. Dari perhitungan tersebut kemudian digambarkan dan

dianalisa tekanan yang terjadi pada ketel secara simulasi dengan program Catia.

Dengan program ini dapat diketahui bagian mana saja pada ketel yang lemah atau

belum memenuhi syarat keamanan dari standar yang ada.

Dari perancangan dan perhitungan tebal dinding (shell) dan tutup (head),

diketahui tebal tutup 0,16 inchi, dan tebal shell 0,16 inchi. Adapun head yang

digunakan adalah tipe sphere. Data lain ukuran ketel diperoleh dari hasil survei,

dimana dimensi bejana ketel uap sebagai berikut : diameter bejana bagian luar

1500 mm, panjang ketel 2000 mm, dan tekanan yang diijinkan 2 bar. Dengan

menggunakan analisa dengan simulasi Catia maka tebal dinding dan head tersebut

sudah aman pada tekanan yang digunakan.

Kata kunci : “Bejana ketel uap”, “shell”, “head”, “catia”.

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................ i

HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................. iii

MOTTO ................................................................................................... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN .............................................................. v

KATA PENGANTAR ............................................................................. vi

ABSTRAKSI ........................................................................................... viii

DAFTAR ISI ............................................................................................ ix

DAFTAR GAMBAR ............................................................................... xi

DAFTAR TABEL .................................................................................... xii

LEMBAR SOAL....................................................................................... xiii

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................1

1.1 Latar Belakang ......................................................................................1

1.2 Tujuan Perancangan ..............................................................................3

1.3 Manfaat Perancangan ............................................................................3

1.4 Batasan Masalah ....................................................................................4 1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ................................6 2.1 Tinjauan Pustaka ....................................................................................6 2.2 Landasan Teori .......................................................................................7

2.3 Flowchart Perhitungan .........................................................................18

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN KETEL .................................21

3.1 Data Spesifik Ketel ……………………………………...…………...21

3.2 Perencanaan Head ……………………………………………………22

3.3 Perhitungan Shell …………………………………………………….23

3.4 Perhitungan Beban Gempa ...................................................................24 3.5 Pengelasan Pada Ketel .........................................................................26 3.6 Flowchart Perancangan ........................................................................29

BAB IV HASIL PERHITUNGAN SERTA ANALISA TEGANGAN PADA

KETEL UAP ......................................................................................30

4.1 Hasil Perhitungan .................................................................................30

4.1.1 Perhitungan Dinding Ketel ..........................................................30

4.1.2 Perhitungan Tutup Ketel .............................................................30

4.1.3 Perhitungan Beban Gempa ..........................................................31

4.2 Hasil Simulasi Tegangan Pada Ketel Uap Dengan Software Catia .......31

BAB V PENUTUP ...........................................................................................36

5.1 Kesimpulan ...........................................................................................36

5.2 Saran ......................................................................................................36

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

Gambar 2.1 Tegangan Normal pada suatu Segmen dari Bejana........... 9

Gambar 2.2 Tutup Bejana Tipe Sphere ................................................ 12

Gambar 2.3 Tutup Bejana Tipe Ellipsoidal ........................................ 12

Gambar 2.4 Tutup Bejana Tipe Cone ................................................... 12

Gambar 2.5 Dinding Ketel Uap ........................................................... 15

Gambar 2.6 Flowchart Perhitungan ..................................................... 18

Gambar 3.1 Desain Ketel yang akan dibuat ......................................... 21

Gambar 3.1 Head tipe sphere .............................................................. 22

Gambar 3.1 Shell Ketel Uap ................................................................ 23

Gambar 3.1 Urutan Pengelasan pada Ketel ......................................... 27

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan ............................................... 29

Gambar 4.1 Tutup Bejana Ketel Uap dengan Catia ............................ 32

Gambar 4.1 Dinding Bejana Ketel Uap dengan Catia ......................... 33

Gambar 4.1 Bejana Ketel Uap dengan Catia ....................................... 33

Gambar 4.1 Bejana Ketel Uap setelah diberi Tekanan ........................ 34

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Dinding Ketel ..................................... 30

Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Tutup Ketel ......................................... 30

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Beban Gempa ..................................... 63

Tabel 4.4 Perhitungan Beban Angin ................................................ 31

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pada masa sekarang ini, kemajuan ilmu dan teknologi berkembang

sangat pesat. Para pengguna jasa teknologi dituntut perannya secara aktif

untuk kritis terhadap perkembangan yang ada di depan mata. Perkembangan

ini membuat semua manusia tidak lepas dari produk atau hasil teknologi.

Pabrik yang menjadi garda depan manusia untuk memenuhi kebutuhan

manusia tidak akan lepas dan mesin dan peralatan guna memperkecil tugas

manusia dalam memenuhi kebutuhannya. Salah satu cara yang mulai banyak

digunakan dalam dunia industri adalah menggunakan system komputasi

numeric dengan memanfaatkan fasilitas perangkat keras (hardware) dan

perangkat lunak (software), hal ini dilakukan karena teknologi komputasi

memberikan kemudahan dan fasilitas untuk memperoleh kualitas produk

yang lebih baik dan proses produksi dengan biaya yang lebih rendah.

Akan tetapi banyak peristiwa meledaknya steam boiler pada pabrik

tahu yang tidak jarang hingga menelan korban jiwa mengindikasikan

dengan kuat bahwa standar keamanan (safety standar) maupun piranti

keamanan (safety measure) steam boiler di kebanyakan pabrik tahu masih

sangat rendah.

Ketiadaan safety system maupun safety measure yang memadai

inilah yang menjadi sebab utama kecelakaan di tempat kerja. Atau bisa jadi

sebenarnya safety system atau measure telah ada dan memadai, namun tidak

berjalan sebagai mana mestinya. Dalam hal ini perawatan pengujian berkala

safety measure di tempat kerja berperan besar dalam kecelakaan di tempat

kerja.

Penyebab yang lain adalah kesalahan manusia (human error). Bisa

jadi sebenarnya standar maupun piranti keamanan di tempat kerja telah ada

dan memadai, namun karena kelalaian atau kurangnya kefahaman operator

terhadap system yang ia hadapi berakibat pada kecelakaan kerja.

Analisis kecelakaan (accident analysis) pada suatu kecelakaan di

tempat kerja menjawab pertanyaan-pertanyaan mendasar : bagaimana

kecelakaan itu terjadi, apa yang menyebabkan kecelakaan itu terjadi dan

mengapa kecelakaan itu tidak bisa dihindari.

Tidak jarang analisis kecelakaan pada suatu kecelakaan di tempat

kerja tidak menemukan satupun kesalahan, baik pada system dan piranti

keamanan yang ada (system keamanan sudah memadai, piranti keamanan

berfungsi normal), maupun pada operatornya (operator tidak lalai dalam

menjalankan alat). Pada kasus seperti ini pada akhimya didapati bahwa

system keamanan yang selama ini umum dipakai dan dianggap telah

memadai, ternyata tidak bisa mencegah terjadinya kecelakaan.

System keamanan baru yang lebih handal biasanya kemudian

direkomendasikan untuk mencegah kecelakaan serupa terulang kembali di

masa yang akan datang. Atau, bisa jadi karena hebatnya akibat yang

ditimbulkan oleh suatu kecelakaan, bukan hanya system keamanan baru

yang direkomendasikan, tetapi keseluruhan system produksi pada suatu

pabriklah yang direkomendasikan untuk diganti.

1.2. Tujuan Perancangan

Tujuan perancangan ini adalah sebagai berikut :

Mengetahui, memahami serta mengaplikasikan rekayasa dan

rancang bangun Steam boiler sehingga dapat dioperasikan dengan aman dan

baik dengan menggunakan standar Megyesy dan referensi pendukung

lainnya. Perancangan ini meliputi head, shell, beban-beban yang dialami

bejana, dan instrumen pendukung bejana lainnya.

1.3. Manfaat Perancangan

Adapun manfaat dari perancangan ini adalah sebagai berikut:

1. Manfaat secara teoritis adalah untuk menambah wawasan keilmuan

terutama dalam hal perancangan dan pembuatan ketel uap (steam boiler)

dan melakukan studi komparatif antara materi selama mengikuti

perkuliahan dan realitas di lapangan.

2. Manfaat secara praktis adalah sebagai bahan pengetahuan dan wawasan

bagi penulis, masyarakat bisa, instansi pemerintah dan swasta yang

terkait dengan ketel uap (steam boiler) sehingga tidak salah pilih dalam

pemakaiannya.

3. Sebagai salah satu syarat meraih gelar Sarjana Teknik Strata Satu (S-1)

pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

1.4. Batasan Masalah

Karena banyaknya permasalahan yang dapat dikembangkan pada

perancangan ini, maka untuk menghindari agar masalah tidak melebar,

maka permasalahan hanya dibatasi pada bagian berikut :

1. Jenis dan fungsi ketel uap (steam boiler).

2. Pemakaian material ketel berdasarkan standarisasi.

3. Perancangan hanya dari segi mekanik pada bagian ketel, tidak termasuk

perancangan sistem perpipaan dan instrument lainnya yang digunakan

pada steam boiler seperti tutup, penyangga dan bahan bakar yang

digunakan.

4. Perancangan steam boiler ini hanya berdasarkan pada standard Megyesy

dan referensi pendukung lainnya yang terdapat dalam daftar pustaka.

5. Dalam rekayasa dan rancang bangun ini tidak meliputi sistem fabrikasi,

kontrol kualitas dan pengujian pada steam boiler.

6. Mempertimbangkan kondisi yang terjadi di lapangan.

1.5. Sistematika Penulisan

Untuk mempermudah pemahaman tentang isi dari tugas kesarjanaan ini

maka penulis membagi laporan ini dalam lima bab sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Berisi tentang latar belakang, tujuan perancangan, manfaat perancangan,

batasan masalah dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

Berisi tentang studi perancangan yang telah dilakukan sebelumnya.

Selanjutnya mengemukakan tentang teori dasar yang menjelaskan jenis

dan fungsi steam boiler, serta asesoris dan perlengkapan lainnya yang

ada pada steam boiler.

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN

Berisi tentang data yang diambil di lapangan dan dilanjutkan dengan

formula perancangan yang akan digunakan dalam perancangan ketel uap

(steam boiler).

BAB IV PERHITUNGAN DAN PERANCANGAN

Berisi tentang perhitungan dan perancangan pada ketel uap dan

dilanjutkan dengan hasil perhitungan pada perancangan ketel uap (steam

boiler).

BAB V PENUTUP

Berisi kesimpulan dan saran yang diuraikan dari hasil perancangan yang

telah dilakukan.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Tinjauan pustaka berisi tentang penelitian-penelitian sebelumnya

yang menjadi acuan bagi peneliti selanjutnya untuk melakukan penelitian

sejenis. Untuk penelitian yang menggunakan simulasi pada bejana tekan,

Toni Wahyono S.A (2006) dalam penelitiannya yang berjudul "Perencanaan

dan Simulasi pada Bejana Tekan Kriogenik Vertikal dengan bantuan

Software Solid Work 2003" menyimpulkan bahwa besarnya faktor

keamanan sangat mempengaruhi dalam perencanaan sebuah bejana tekan.

Untuk itu diperlukan faktor keamanan yang tinggi dalam perencanaan bejana

tekan.

2.2. Landasan Teori

Steam boiler adalah alat untuk memproduksi steam. Steam sendiri

banyak digunakan di industri dalam spectrum yang sangat luas, mulai dari

media pemanas di industri kecil sederhana, hingga penggerak turbin pada unit

pembangkit listrik raksasa berkapasitas puluhan megawatt.

Menurut konstruksinya steam boiler dibedakan menjadi tiga macam

yaitu:

1. Ketel Uap Lorong Api

2. Ketel Uap Pipa Api ( fire tube boiler )

3. Ketel Uap Pipa Air ( water tube boiler )

Pada fire tube boiler di dalam pipa-pipa (tube) yang berada dalam

shell (tabung luar) mengalir gas panas hasil pembakaran untuk

mendidihkan air yang berada di dalam shell. Sebaliknya pada water tube

boiler, air dididihkan di dalam pipa-pipa yang berada di dalam ruang

pembakaran (combution chamber) dimana panas hasil pembakaran

ditransfer menuju pipa-pipa tersebut, baik secara radiasi maupun konveksi.

Fire tube boiler biasa digunakan untuk memproduksi steam bertekanan

rendah hingga sedang. Ini disebabkan konstruksinya yang sederhana.

Sedangkan water tube boiler digunakan untuk steam bertekanan tinggi dan

kapasitas besar. Hal ini cocok dengan konstruksinya dimana tube-tube

yang berada di dalam combution chamber bisa diatur sedemikian rupa

sehingga yang dihasilkan bisa di-superheat lebih lanjut di dalamnya.

Tidak sebagaimana alat penukar panas lainnya, seperti shell and

tube heat exchanger, steam boiler tidak memiliki standar desain

maupun fabrikasi yang baku. Lebih-lebih steam boiler jenis fire tube boiler,

dimana bahan bakar yang biasa digunakan sangat bervariasi, sehingga desain

konstruksinya sangat tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan.

Ketiadaan standar desain ini mengakibatkan orang biasa dengan

mudah merancang dan membuat steam boiler sesuai dengan keinginan dan

kebutuhannya. Disatu sisi hal ini bisa dilihat sebagai hal yang

menguntungkan, sebab biaya pembuatan steam boiler bisa ditekan. Akan

tetapi disisi lain, temyata kemudahan ini berakibat pada pengabaian aspek--

D

L

cσ

cσLσLσ

aspek safety operability dan control dart steam boiler tersebut akan

dioperasikan.

Karena fungsinya hanya sebagai pemanas pada proses pemasakan

kedelai, maka steam pabrik tahu adalah steam bertekanan rendah. Kapasitas

steam yang dibutuhkan pun juga sangat kecil jika dibandingkan kebutuhan

steam diindustri kimia, lebih-lebih dinnit pembangkit listrik. Oleh karena

itu semua steam boiler yang digunakan dipabrik tahu adalah jenis fire tube

boiler.

Menurut ASME Code Requirement, hanya material ulet, termasuk

logam yang mampu las dengan baik yang dapat digunakan. Akan bemasalah

jika menggunakan logam nonferrous sebagai bahan baku pembuatan ketel

uap. Hal ini disebabkan logam nonferrous kurang peka terhadap kerapuhan

(ulet) dan tidak tahan api. Kekuatan logam nonferrous berkurang ketika

temperatur meningkat secara bertahap dibandingkan dengan logam ferrous.

Penelaahan kita mulai dengan meninjau suatu steam boiler jenis

silindris

Gambar. 2.1. Tegangan normal yang terjadi pada suatu segmen dari bejana

Sebuah segmen dipisah tersendiri dari ketel ini dengan membuat dua

bidang tegak lurus terhadap sumbu silinder dan sebuah bidang tambahan

yang membujur melalui sumbu yang sama. Keadaan simetri akan

meniadakan terjadinya tegangan geser dalam irisan. Tegangan yang

terjadi adalah tegangan normal σ1 dan σ2 atau biasa disebut dengan

tegangan utama pada ketel uap. Tegangan-tegangan ini jika dikalikan dengan

masing-masing luas dimana mereka bekerja akan menjaga elemen silinder

tersebut berada dalam kesetimbangan dalam melawan tekanan dalam.

Tegangan normal (a,) atau. disebut juga tegangan pada arah

circumferential bekerja pada arah melingkar dari bejana.

σ1 = t

pD2

P = DLp ......................(1)

A = 2tL.

dimana :

p = tekanan dalam pada ketel uap (psi atau Kpa)

P = beban (1b)

D = diameter dalam dari ketel uap (inchi atau mm)

L = panjang ketel uap (inchi atau mm)

t = ketebalan dari ketel uap (inchi atau mm)

A = luas shell dari ketel uap (inchi2 atau mm)

Tegangan normal (σ2) atau tegangan pada arah longitudinal bekerja

pada arah membujur dan ketel uap.

(1) Popov, E, P., 1996. Mekanika Teknik. Jakarta: Erlangga. Hal 319

σ1 = t

pD2

P = p.Atutup ....................................(2)

P = p × 4Dπ

A = πDt

Keterangan :

p = tekanan dalam pada ketel uap (psi atau Kpa)

P = beban (lb)

D = diameter dalam dari ketel uap (inchi atau mm)

T = ketebalan dan ketel uap (inchi atau mm.)

Atutup = luas dari tutup (head) ketel uap (inchi2 atau mm2)

A = luas dari shell ketel uap (inchi2 atau mm)

Biasanya dalam perhitungan tegangan longitudinal lebih kecil dari

tegangan circumferential. Keretakan atau cracking yang terjadi terdapat searah

dengan tegangan keliling atau sirkumferensial.

Dalam perancangan ketel uap lebih diutamakan untuk

memperhatikan tekanan dalam dari ketel tersebut. Ketel uap ini bekerja pada

tekanan luar yang normal. Hal tersebut akan sangat berbeda dengan bejana

tekan yang bekerja pada tekanan hampa udara maupun yang bekeria pada

kedalaman tertentu seperti pada kapal selam. Pada ketel uap yang bekerja

pada kapal selam, tekanan luar sangat menentukan ketebalan bejana karena

(2) Ibid, hal 1.

R

t

tekanan luar dapat lebih tinggi atau lebih rendah dari tekanan udara normal

(1 atm).

Perancangan pada ketel uap berdasarkan standard Megyesse adalah :

1. Penutup (head)

Pada tekanan internal yang tinggi, silinder dan tutup cenderung

memuai. Ujung material akan mengalami penambahan panjang. Deformasi yang

tidak sama akan mengakibatkan tegangan lentur dan geser pada sambungan.

Antara ujung dari silinder dan penutup harus terdapat kontinuitas fisis. Karena

pertimbangan ini ujung bejana dibuat melengkung. Terdapat dua cara untuk

merancang penutup ketel uap dan ada beberapa tape penutup yang digunakan

antara lain, yaitu :

1. Perhitungan menggunakan parameter bagian dalam ketel uap.

a.. Tipe Sphere dan Hemisphere

Gambar. 2.2. Tutup Bejana Tipe Sphere

t = PSE

PR2.02 −

+CA ....................... (3)

(3) Ibid, hal 18.

Dt

D

t

b. Tipe Ellipsoidal

Gambar. 2.3. Tutup Bejana Tipe Ellipsoidal

t = PSE

PD2.0.2 −

....................... (4)

c. Tipe Cone dan Conical

Gambar. 2.4. Tutup Bejana Tipe Cone

t = )6.0(cos2 PSE

PD−α

....................... (5)

Catatan :

α ≤ 30°, jika lebih dari 30° maka ada perhitungan khusus.

P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada

ketel uap (psi atau Pa)

S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa)

E = efisiensi dari pengelasan

R = jari-jari bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)

(4) Ibid, hal 18. (5) Ibid, hal 20.

Dt

Lr

D = diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)

α = sudut puncak tutup ketel uap ( º )

L = diameter bagian dalam dari tutup tipe Torishperical (inchi

atau mm)

r = jari-jari knuckle bagian dalam V (inchi atau mm)

t = ketebalan tutup V (inchi atau mm)

M = faktor M dicari dari L/r

d. Tipe Torispherical (ASME Flanged dan Dished Head)

i. Jika L /r = 16 32

t = PSE

PL1.0

885.0−

ii. Jika L /r < 16 32

t = PSE

PLM2.02 −

....................... (6)

2. Perhitungan menggunakan parameter bagian luar ketel uap.

a. Tipe Sphere dan Hemisphere

t = PSE

PR8.02 +

b. Tipe Ellipsoidal

(6) Ibid, hal 20.

t = PSE

PD8.12 +

c. Tipe Cone dan Conical

t = )4.0(cos2 PSE

PD+α

.......................

Catatan :

α ≤ 30°, jika lebih dari 30° maka ada perhitungan khusus.

P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada

ketel uap (psi atau Pa)

S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa)

E = efisiensi dari pengelasan

R = jari-jan bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)

D = diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)

α = sudut puncak tutup ketel uap ( º )

L = diameter bagian dalam dari tutup tipe Torishperical (inchi

atau mm)

r = jari-jari knuckle bagian dalam V (inchi atau mm)

t = ketebalan tutup V (inchi atau mm)

M = faktor M dicari dari L/r

d. Tipe Torispherical (ASME Flanged dan Dished Head)

i. Jika L /r = 16 32

t = PSE

PL8.0

885.0+

ii. Jika L /r < 16 32

D

t = )2.0(2 −+ MPSE

PLM ....................... (7)

2. Dinding Ketel Uap (Shell)

Pada umumnya dinding shell berbentuk silinder atau bulat.

Gambar. 2.5. Dinding Bejana Tekan

Fabrikasi bejana bulat sangat sulit sehingga bejana silinder lebih banyak

digunakan pada dunia industri. Badan bejana harus dilengkapi dengan

penegak untuk mencegah terjadinya tegangan lebih atau distorsi yang

berasal dari beban eksternal yang besar. Ada dua macam cara merancang

ketebalan dinding ketel uap dengan menggunakan tekanan internal ketel

uap, yaitu:

a. Perhitungan menggunakan parameter bagian dalam ketel uap.

t = PSE

PR6.02 −

+CA ....................... (8)

P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada

ketel uap (psi atau Pa)

S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa)

(7) Ibid, hal 24. (8) Eugene F. Megyesy, (Seventh Edition) Pressure Vessel Handook. Tulsa: Pressure Vessel

Handbook Publishing Inc, t.t, hal 18.

E = Efisiensi dari pengelasan

R = Jari jari bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)

D = Diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm)

t = Ketebalan dinding ketel uap (inchi atau mm)

C.A.= nilai korosi yang diijinkan (inchi atau mm)

b. Perhitungan menggunakan parameter bagian luar ketel uap.

t = PSE

PR4.02 +

+CA ....................... (9)

P = Tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada

ketel uap (psi atau Pa)

S = Nilai tegangan dari material (psi atau Pa)

E = Efisiensi dari pengelasan

R = Jari jari bagian luar ketel uap (inchi atau mm)

D = Diameter bagian luar ketel uap (inchi atau mm)

t = Ketebalan dinding ketel uap (inchi atau mm)

C.A = nilai korosi yang diijinkan (inchi atau mm)

3. Beban Gempa

Gempa adalah getaran yang disebabkan adanya gerakan berubah--

ubah dari bumi. Gempa akan menyebabkan bejana tekan bergetar dan

berguncang. Beban gempa digunakan untuk mengantisipasi adanya gerakan

pada bumi yang akan berpengaruh pada kinerja ketel uap.

Shear:

(9) Eugene F. Megyesy, (Seventh Edition) Pressure Vessel Handook. Tulsa: Pressure Vessel

Handbook Publishing Inc, t.t, hal 18.

V = ZIKCSW

Momen:

M =

−+

32)(. LFVTF tt

Mx = M

LX (pendekatan)

C = koefisien numerik (tidak boleh lebih dari 0.12)

= T15

1 = T

067.0

D = Diameter luar ketel uap (ft atau mm)

E = Efisiensi pengelasan

Ft = Gaya gempa total pada bagian atas ketel uap (lb atau N)

= 0.07 TV (Ft tidak boleh lebih dari 0.25 V)

= 0 , jikaT < 0.7

L = Panjang ketel

1 = koefisien penting occupancy (untuk ketel memakai 1.0)

K = Faktor gaya horizontal (untuk bejana memakai 2.0)

M = Momen maksimal (pada pondasi) (ft lb atau Nrnrn)

Mx = Momen pada jarak X (ft lb atau Nmm)

R = Jari-jari ketel uap (inchi atau mm)

2.4. Flowchart Perhitungan

Mulai

Survei lapangan di pabrik Tahu Klaten

Data Survei dari pabrik Tahu, Klaten adalah : Berat bersih = 100 kg Volume = 3500 liter Tekanan internal ketel = 2 bar D outer ketel = 1500 mm Panjang ketel = 2000 mm Max. operating temperature = 200 ºCMaterial = plat baja

A

A

Menghitung tebal Head

t = PSE

PR2.02 −

+CA

Menghitung tebal shell

t = PSE

PR6.02 −

+CA

Menghitung beban gempa Shear V = ZIKCSW Momen

M =

−+

32)(. LFVTF tt

Mx = M

LX (pendekatan)

C = koefisien numerik (tidak boleh lebih dari 0.12)

= T15

1 = T

067.0

B

B

Rancangan Ketel Uap siap pakai

Selesai

2000

1500

Ø

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN KETEL

3.1. Data Spesifik Ketel

Untuk memudahkan dalam perancangan sebuah ketel, diperlukan

gambaran dan data-data spesifik yang telah ada dari hasil survey di

lapangan. Dalam perencanaan direncanakan ketel berbentuk spherical,

seperti ketel pada pabrik tahu di Klaten. Adapun data spesifikasi dari ketel

yang digunakan tersebut adalah sebagai berikut.

- Tekanan internal ketel (Pin) = 2 bar

- Diameter luar (Dout) ketel = 1500 mm

- Panjang ketel (L) ketel = 2000 mm

- Berat bersih (tara weight) = 100 kg

- Temperatur operasi maks. (Tmax) = 200 ºC

- Volume ketel = 3500 liter

- Material = plat baja

Gambar 3.1. Desain ketel yang akan dibuat

R

t

3.2. Perencanaan Head

Pada perencanaan ketel ini, akan digunakan bentuk head dengan tipe

sphere.

Gambar 3.2. Head tipe sphere

Material yang digunakan dalam pembuatan head adalah SA 240 tipe

304 (ASME hal 294).

Berdasarkan standar Megyesy, maka untuk perhitungan ketebalan

lapisan plat head adalah sebagai berikut :

t = PSE

PR2,02 −

+CA

dimana :

P = tekanan kerja

= tekanan operasi + 30 psi atau 10% dari tekanan operasi.

= (2 bar × 14,5038) psi + 30 psi

= 59,0076 psi

R = jari-jari luar

= D/2

= 2

1500

= 750 mm = 29,5275 inchi

Berdasarkan standar Megyesy ukuran tebal yang digunakan adalah

30.0 inchi ( yang mendekati angka 29,5275 inchi)

S = stress value of material

= 143 MPa (untuk SA 240 tipe 304)

= 20740,434 psi

E = joint efficiency

= 1 (Megyesy, hal 142)

t = tebal plat ketel

= 0076,592,0)1434,207402(

29,52750076,59×−××

× + CA

= 0,042 + CA

CA = corrosion allowable

= 0,05 inchi

t = 0,092 inchi = 2,33 mm

Berdasarkan standar Megyesy ukuran tebal yang digunakan adalah

0,16 inchi ( yang mendekati angka 0,092 inchi)

Jari –jari internal (R1) :

R1 = R – t1

= 750 – 2,33 = 747,56 mm

3.3. Perhitungan Shell

Lapisan ketel menggunakan high alloy steel SA 240 tipe 304. Pada

perhitungan tidak mempertimbangkan beban angin.

D

Gambar 3.3. Shell ketel uap

P = tekanan operasi + 30 psi atau 10% dari tekanan operasi.

= (2 bar × 14,5038) psi + 30 psi

= 59,0076 psi

T = 80 ºC

S = 143 MPa

= 1430 bar × 14,5038 psi

= 20740,434 psi

E = 1 (Megyesy, hal 142)

R = 750 mm = 29,5275 inchi

CA = faktor korosi = 0,075 inchi

t = PSE

PR6.02 −

+ CA

= ( ) ( )0076,596,01434,2074025275,290076,59

×−××× + 0,075

= 0,117 in = 2,98 mm

Berdasarkan standar Megyesy ukuran tebal yang digunakan adalah

0,16 inchi ( yang mendekati angka 0,117 inchi)

3.4. Perhitungan Beban Gempa

- Berat ketel kosong

Wk = 100 kg × 2,2046 lb

= 220,46 lb

- Berat ketel berisi fluida (oksigen) penuh

W = 350 × 2,2046 lb

= 771,61 lb

- Berat ketel dalam satuan panjang

w = HW

= 562,6

61,771

= 117,588 lb/ft

- Periode Getaran

T = 0,0000265 × t

wDDH

×

2

dimana :

H = 2000 mm = 6,562 ft

D = 1,5 m = 4,921 ft

w = 117,588 lb/ft

t = 0,013 ft

Maka periode getaran :

T = 0,0000265 × 013,0

921,4588,117921,4562,6

2×

×

= 9,94 × 10-3 sec

- Gaya geser akibat gempa (V) :

V = ZlK (CS) W

dimana :

Z = Faktor gempa

= 0,75 (untuk zone 3)

I = Efisiensi penting occupancy

= 1

K = Faktor gaya horizontal

= 2

C = Koefisien numerik

= T

067,0 = 0,67

S = Stress value of vessel material

= 1,5 jika T ≤ 2,5 sec

W = 117,588 lb

- Maka, besar gaya geser total pada pondasi adalah :

V = 0,75 × 1 × 2 × (0.67 × 1,5) × 117,588 (lb)

= 117,264 lb

= 53,190 kg

- Gaya horizontal gempa pada puncak ketel (Ft)

Ft = 0,07 TV

= 0,07 × 0,0094 × 117,264

= 0,0771 lb

- Momen maksimum gempa (M)

M =

−+

32)(. HFVHF tt

=

×

−+×3

562,62)0771,0264,117(562,60771,0

= 39,5256 lb.ft

3.5. Pengelasan pada Ketel

Dalam konstruksi ketel, bagian yang menahan tekanan utama adalah

ketel itu sendiri, karena itu bagian ini harus dibuat dari baja dengan mampu

las dan kekuatan takik yang baik.

Adapun prosedur pengelasan pada ketel adalah sebagai berikut:

a) Proses pengelasan.

Kecuali pada ketel yang besar, biasanya pengelasan ketel selalu

dilakukan dengan tangan. Hal ini dipilih karena sukar untuk

mendapatkan mesin las yang dapat melayani pengelasan dengan posisi

yang berubah secara pelan-pelan.

b) Bahan las.

Pengelasan untuk bagian ketel harus memakai elektroda terbungkus

jenis hidrogen rendah. Sedangkan untuk bagian lainnya dapat digunakan

elektroda terbungkus jenis ilmenit.

Gambar 3.4. Urutan Pengelasan pada Ketel

c) Las pengikat.

Sebelum pengelasan dilakukan, terhadap bagian-bagian yang akan dilas

harus dilakukan pengikatan dulu dengan las ikat. Untuk menghindari

pengerasan pada bagian kaki las, pelaksanaan las ikat harus dapat

dilaksanakan tanpa ada pengulangan.

d) Hal-hal yang perlu diperhatikan

1) Elektroda yang dipilih harus betul-betul sesuai.

2) Pengeringan dan penyimpanan elektroda yang telah dipilih harus

betul-betul diperhatikan.

3) Pelaksanaan pemanasan mula dan akhir harus dilakukan dengan

hatihati.

4) Masukan panas las harus dibatasi.

5) Pelaksanaan pengelasan harus diatur dan disesuaikan dengan

keadaan cuaca.

6) Pengerasan kaki manik harus dihindari.

Pada umumnya pengelasan ketel harus dilakukan oleh juru las yang

mempunyai ketrampilan sangat tinggi terutama bila ketel dibuat dari

baja plat dengan kekuatan 60 kg/mm2 sampai 80 kg/mm2. Dalam hal

ini kadang-kadang juru las yang akan dipekerjakan diharuskan

memiliki suatu sertifikat. yang dikeluarkan oleh suatu badan asosiasi

khusus.

3.6. Flow Chart Perancangan

Tidak aman

Selesai

Aman

Penyusunan laporan

Analisa data dengan standar Megyesy : − Material − Tebal Tangki − Tebal Tutup

Analisa dan simulasi pada software Catia

Data Survei : • Tekanan Kerja • Berat Operasi • Material

Studi lapangan (survey)

Mulai

Studi literatur

Gambar 3.5. Diagram Alir Perancangan

BAB IV

HASIL PERHITUNGAN SERTA ANALISA TEGANGAN PADA KETEL

UAP

4.1. Hasil Perhitungan

4.1.1. Perhitungan Dinding Ketel

Tabel 4.1. Hasil Perhitungan Dinding Ketel

No Deskripsi Notasi Satuan Hasil Perhitungan

1. Operating Pressure

(tekanan operasi) P psi 59,0076

2. Suhu operasi bejana T 0C 200

3. Efisiensi pengelasan E - 1

4. Jari-jari dalam bejana R inch 30,0

5. Tebal dinding bejana t inch 0,16

6. Faktor korosi (CA) - inch 0,075

7. Material yang digunakan

pada bejana - - SA 240 tipe 304

4.1.2. Perhitungan Tutup Ketel

Tabel 4.2. Hasil Perhitungan Tutup Ketel

No Deskripsi Notasi Satuan Hasil Perhitungan

1. Operating Pressure

(tekanan operasi) P psi 59,0076

2. Suhu operasi bejana T 0C 200

3. Efisiensi pengelasan E - 1

4. Jari-jari dalam bejana R inch 30,0

5. Tebal Tutup bejana t inch 0,16

6. Faktor korosi (CA) - inch 0,075

7. Material yang digunakan

pada bejana - - SA 240 tipe 304

4.1.3. Perhitungan Beban Gempa

Tabel 4.3. Hasil Perhitungan Beban Gempa

No Deskripsi Notasi Satuan Hasil Perhitungan

1. Berat bejana kosong Wk kg 100

2. Panjang Ketel L mm 2000

3. Gaya geser akibat gempa V kg 53,190

4. Periode Getaran T Sec 9,94 x 10-3

5. Efisiensi okupansi I - 1

6. Faktor Gempa t - 0,75

7. Gaya horizontal gempa

pada puncak ketel Ft lb 0,0771

8. Momen maksimum gempa M lb.ft 39,5256

4.2. Hasil Simulasi Tegangan pada Ketel Uap dengan Soft Ware Catia

Pada soft ware Catia perhitungan distribusi faktor keamanan suatu desain

adalah dengan menggunakan kriteria gaya ekuivalen (von misses stress).

Kriteria tersebut menyatakan bahwa material yang dibentuk mulai luluh

ketika von mises stress (gaya ekuivalen) mencapai kekuatan luluh material

yang bersangkutan. Kekuatan luluh (yield strength) digambarkan sebagai

material property. Pada soft ware Catia faktor keamanan dikalkulasikan

pada suatu titik dengan cara membagi kekuatan luluh dari material dengan

gaya ekuivalen pada titik tersebut.

Adapun penafsiran dari harga faktor keamanan (factor of safety)

adalah sebagai berikut:

1. Faktor keamanan kurang dari 1,0. Mengindikasikan bahwa material pada

lokasi tersebut telah luluh dan desain tidak aman.

2. Faktor keamanan sama dengan 1,0. Mengindikasikan bahwa material

pada lokasi tersebut mulai luluh.

3. Faktor keamanan lebih dari 1,0. Mengindikasikan bahwa material pada

lokasi tersebut tidak luluh (aman).

4. Material selanjutnya akan mulai luluh jika kita memberikan beban baru

sebesar beban yang diberikan dikalikan dengan hasil dari faktor

keamanan.

Gambar 4.1. Tutup Bejana Ketel Uap

Gambar 4.2. Dinding Bejana Ketel Uap

Gambar 4.3. Bejana Ketel Uap

Untuk mengetahui tingkat keamanan desain, terlebih dahulu pada

material diberikan tekanan (P) yaitu sebesar 59,0076 psi (tekanan kerja).

Gambar 4.3. Tekanan dari Dalam Tangki

Setelah beban diberikan, maka catia akan mengkalkulasikan faktor

keamanan dari material berdasarkan data-data input yang diberikan.

Berdasarkan analisis tekanan, maka diperoleh data-data sebagai

berikut:

1. Beban yang diberikan adalah sebesar 59,0076 psi.

2. Faktor keamanan (factor of safety) minimum hasil analisis adalah sebesar

1,8952 x 106.

3. Secara umum daerah kritis dari material akan mulai luluh jika kita

memberikan beban baru sebesar tekanan yang telah diberikan dikalikan

dengan faktor keamanan hasil analisis.

4. Dalam hal ini daerah kritis dari material akan mulai luluh jika kita

memberikan tekanan baru sebesar (1,8952 x 106) x 59,0076 psi = 111,83

x 106 psi.

Setelah hasil analisis tersebut, maka dapat diketahui bahwa material bejana

(tangki) aman yaitu dengan besar faktor keamanan lebih dari 1,0.

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari perhitungan dan analisa tegangan pada ketel uap disimpulkan hal-hal

sebagai berikut:

1. Pada mekanisme rancang bangun bejana ketel uap menggunakan standar

Megyesy diperoleh ketebalan yang cukup sehingga bejana mampu

menahan tekanan internal yang terjadi terutama pada bagian dinding dan

tutup.

2. Formula yang digunakan cukup sederhana sehingga perhitungan lebih

cepat dan mudah.

3. Program Catia dapat digunakan untuk mendesain dan menganalisa hasil

bentuk bejana ketel pada pabrik tahu.

5.2. SARAN

1. Dalam pengoperasian ketel uap harus sesuai dengan ketentuan yang telah

ditetapkan, khususnya untuk tekanan, suhu dan kapasitas ketel uap. Jika

tidak sesuai dengan parameter yang diijinkan maka ketel uap akan

mengalami kerusakan yang fatal atau meledak.

2. Dalam perancangan ketel uap harus menggunakan standarisasi tertentu,

seperti ASME, JIS, ASTM dan standard lainnya.

3. Pengetesan ketel harus dilakukan oleh instansi terkait yang telah memiliki

sertifikat untuk pengetesan ketel uap.

4. Ketel uap harus dilakukan pemeriksaan secara teratur dalam

pengoperasiannya.

DAFTAR PUSTAKA

Megyesse, Eugene F., 1986, Pressure Vessel Hand Book, Tulsa: Pressure Vessel Hand Book Publishing.

Popov, E, P., 1996. Mekanika Teknik, Jakarta: Erlangga

Toni Wahyono S.A, 2006. Perencanaan dan Simulasi pada Bejana Tekan Kriogenik Vertikat dengan Bantuan Software Solid Work 2003 ( Skripsi Sarjana S-1 Teknik Mesin UMS )

LAMPIRAN .