PENGARUH VARIASI JARAK DAN SUDUT KONTAK SADDLE TERHADAP DISTRIBUSI TEGANGAN PADA BEJANA TEKAN HORISONTAL

ARIEF MARDIYANTO, R. Rachmat A. S., S.T., M.T., D.Eng.; Ir. Joko Waluyo, M.T., Ph.D.

2018 | Tesis | MAGISTER TEKNIK MESIN

Bejana tekan horizontal banyak digunakan dalam proses produksi di industri minyak bumi, gas bumi, petrochemical, semen, dan pembangkit listrik. Prosedur desain bejana tekan horizontal untuk shell, head, dan nozzle telah diatur dalam code ASME section VIII. Namun demikian, code ASME section VIII tersebut belum mengatur secara jelas perhitungan desain untuk saddle yang merupakan bagian tidak terpisahkan dari bejana tekan horisontal. Distribusi tegangan yang terjadi pada bejana tekan horisontal sangat dipengaruhi oleh dimensi saddle dan kasus pembebanan. Dimensi bejana tekan horisontal yang dimaksudkan adalah jarak saddle dari tangent line (A) dan sudut kontak antara saddle dengan shell (theta). Kasus pembebanan yang sering dipertimbangkan adalah beban akibat tekanan internal, berat total bejana tekan horisontal, berat fluida air, beban vertikal, dan beban horisontal. Penelitian saat ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh variasi jarak saddle dari tangent line (A) dan sudut kontak antara saddle dengan shell (theta) terhadap distribusi tegangan pada bejana tekan horizontal. Dimensi bejana tekan horisontal adalah panjang shell cylindrical dari tangent line ke tangent line (T/T) 1520 mm, diameter rata-rata 428,64 mm, jari-jari dalam head hemispherical 421,8 mm dan lebar saddle 176 mm. Variasi jarak saddle dari tangent line yang digunakan adalah A = 203,2 mm, 380 mm, dan 562,4 mm atau dapat ditulis dengan rasio A/L = 0,13, 0,25, dan 0,37. Variasi sudut kontak saddle yang digunakan adalah theta = 100o, 120o, dan 140o. Metode yang digunakan adalah finite element analysis (FEA) dengan software Abaqus 6.11 dan model 3D dibuat dengan software Inventor 2014. Validasi dilakukan dengan membandingkan antara hasil perhitungan tegangan longitudinal metode FEA software Abaqus dengan metode analitikal dan metode FEA software ANSYS. Kriteria kegagalan menggunakan teori von Mises, dimana tegangan yang terjadi tidak boleh melebihi tegangan ijin material bejana tekan horisontal sebesar 138 MPa. Hasil penelitian memperlihatkan bahwa perhitungan tegangan longitudinal dengan metode FEA software Abaqus lebih mendekati hasil perhitungan dengan metode analitikal, daripada metode FEA software ANSYS. Hasil penelitian juga menunjukkan desain bejana tekan horisontal dengan rasio A/L = 0,25 adalah desain saddle optimal dalam menahan beban akibat tekanan internal maupun beban vertikal, sedangkan desain saddle dengan rasio A/L = 0,13 merupakan desain saddle yang optimal dalam menahan beban horisontal. Desain saddle dengan sudut kontak antara saddle dengan shell (theta) = 120o adalah desain saddle optimal dalam menahan beban akibat tekanan internal maupun beban vertikal, sedangkan desain saddle dengan theta = 100o merupakan desain saddle yang optimal dalam menahan beban horisontal.

Horizontal pressure vessel are usually used in oil and gas, petrochemical, cement, and power plant industry. Design procedure of horizontal pressure vessel parts, shell, head, and nozzle has been regulated in ASME Code Section VIII. However, ASME Code Section VIII does not covering the calculation design for saddle which is an integral part of horizontal pressure vessel. Stress distribution of horizontal pressure vessel are strongly influenced by dimension of saddle and load cases. The dimensions which is referred in this discussion are distance saddle from tangent line (A) and contact angle between saddle and shell (theta). Load cases which are frequently taken into consideration are load due to internal pressure, total weight of pressure vessel, weight of water, vertical load, and horizontal load. The objective of this research is to study about effects of distance saddle from tangent line (A), and contact angle between saddle and shell (theta) to stress distribution on horizontal pressure vessel. Several dimensions which are used in this research are length of cylindrical shell from tangent line to tangent line (T/T) 1520 mm, average diameter 428.64 mm, inner radius of hemispherical head 421.8 mm and width of saddle 176 mm. Variations of distance saddle from tangent line are A = 203.2 mm, 380 mm, dan 562.4 mm or can be stated with ratio of A/L = 0.13, 0.25, dan 0.37. Several contact angles of saddle are theta = 100o, 120o, dan 140o. Abaqus 6.11 are used for finite element analysis (FEA) method and Inventor 2014 are used for 3D modelling. These software analyses are then validated by comparing result of FEA method by Abaqus on longitudinal stress with analytical method and FEA method by ANSYS. Theory of von Mises are used for failure criteria which the stress that occurs should not exceed allowed stress of horizontal pressure vessel material, 138 MPa. Results of the research show that longitudinal stress calculation with FEA method by Abaqus has closer result with analytical calculation result than calculation with FEA method by ANSYS. This research also shows that horizontal pressure vessel design which has ratio of A/L = 0.25 has optimal saddle design in holding load due to internal pressure and vertical load, while saddle design which has ratio of A/L = 0.13 has optimal design in holding horizontal load. Saddle design which has contact angle between saddle and shell (theta) = 120o has optimal design in holding load due to internal pressure and vertical load, while saddle design which has contact angle theta = 100o has optimal design in holding horizontal load.

Kata Kunci : horizontal pressure vessel, saddle, vertical load, horizontal load, finite element analysis