33
BAB 3
METODELOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat 3.1.1 Tempat
Penelitian ini merupakan studi kasus di industry kelapa sawit, yaitu analisa kegagalan pada pipa header air umpan boiler di PKS Swasta.
Tahapan dan kegiatan penelitian ini dilakukan di dua tempat, seperti ditunjukkan pada tabel 3.1.1
Tabel 3.1.1 Tempat dan Aktifitas Penelitian
No Kegiatan Tempat Keterangan
1 Pengambilan data Salah satu PKS Swasta
Industry hulu kelapa sawit 2 Menggambar teknik boiler
dan pipa header air umpan boiler
Kampus STIP-AP Medan
Software autocad 2007
3. Simulasi numerik Kampus ITM Software
Ansys Workbench
14.5 4 Analisa akhir dan
pembuatan laporan akhir
Kampus STIP-AP Medan
Software MS.
Office
3.1.2 Waktu
Waktu penelitian dilakukan selama lebih kurang 9 bulan terhitung mulai bulan Januari 2016 sampai dengan September 2016.
34 3.2 Rancangan Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan metode Fenite Element Method (FEM).
Variabel dalam penelitian ini adalah data dimensi pipa, data operasional boiler, dan data material pipa.. Data yang diperoleh dianalisis dengan menggunakan Software Ansys Workbench 14.5, untuk mendapatkan distribution temperature, total heat flux, dan thermal stress.
3.3 Alat dan bahan 3.3.1 Alat
Alat-alat yang digunakan dalam proses penelitian ini antara lain adalah:
1. Boiler PT Swasta
Boiler yang digunakan ialah boiler yang berada di Pabrik Kelapa Sawit PT Swasta, boiler ini dilakukan pengukuran untuk variable yang digunakan pada simulasi, spesifikasi boiler PT Swasta seperti ditunjukkan pada table:
a. Spesifikasi boiler PT. Swasta
1. Merk : ATMINDO SFPO
2. Kapasitas : 26 Ton/jam 3. Tekanan Kerja : 30 Bar
4. Tahun : 1991
Gambar 3.3.1 Boiler Atmindo
35 3.3.2 Laptop
Laptop digunakan untuk merancang desain dan simulasi menggunakan software enginering Ansys workbench yang sudah diinstal di dalam komputer. Untuk software tersebut dibutuhkan laptop dengan spesifikasi berikut:
1. Processor : Intel® Core™ i5-5200U CPU @ 2,20GHz 2,19 GHZ 2. Installed memory (RAM) : 4,00 GB
3. System Type : 64-bit 4. NVDIA : Geforce 930M
Gambar 3.2.2. Laptop
3.3.3 Bahan
Bahan dalam penelitian tersebut adalah pipa header air umpan boiler DIN 17175
3.4 Tahapan Penelitian
Kajian ini menggunakan metode simulasi (software enginering komputer) dengan menggambar model pipa header air umpan boiler. Kajian ini dilakukan dengan beberapa tahapan diantaranya adalah pengukuran lapangan, pembuatan model dan simulasi model.
3.4.1 Pengukuran lapangan
Sebelum melakukan simulasi terlebih dahulu melakukan pengukuran untuk data yang akan di input kedalam simulasi.data-data yang sudah di dapatkan berdasarkan pengamatan seperti ditunjukkan pada table 3.5.1 dibawah ini
36
Tabel 3.4.1 Tabel Pengukuran Lapangan
Parameter Nilai Satuan
Temperature air pada pipa header air umpan Boiler
95 ºC
Temperature lingkungan 25 ºC
Tekanan aliran air 30 Bar
Gambar 3.4.1 Sket boiler Atmindo SFPO
3.4.2 Modeling pipa header air umpan
Desain model dikerjakan dengan menggunakan software AutoCad 2007. Model yang dibuat sesuai dengan keadaan boiler, pipa header air umpan boiler dengan diameter 101.6 inchi dan ketebalan 15 mm.
Langkah-langkah dalam menggambar meliputi:
a. Klik program AutoCad pada desktop
37
Gambar 3.4.2.1 Dekstop Autocad 2007
b. Menggambar pola sesuai dengan ukuran pada Software AutoCad 2007
Gambar 3.4.2.2 Pola pipa header air umpan boiler c. Untuk proses simulasi digunakan pipa seperti pada gambar 11
Gambar 3.4.2.3 Pipa yang disimulasikan
38
d. Membelah gambar pipa sampel sehingga pada saat proses simulasi hanya setengah bagian pipa dengan tujuan mempermudah proses simulasi
Gambar 3.4.2.4 Tampilan Setengah Sampel Pipa 3.4.3. Simulasi Ansys Workbench 14.5
Analisa yang dilakukan adalah simulasi thermal stress. Thermal stress, yaitu analisa dengan menggabungkan temperatur dan tekanan. Untuk melihat pengaruh strain hardening pada daerah plastis, dipilih model isotropik. Tube header air umpan yang dikaji terhadap pembebanan mekanis akibat tekanan
Tube bertekanan 30 bar dan temperatur bervariasi pada dinding (95,5°C s/d. 110°C pada bagian dalam) dan drop (34°C s/d. 25°C pada bagian luar), mendekati dengan kondisi operasional. Langkah-langkah simulasi thermal stress memiliki urutan yaitu; (1) memilih software ansys workbench 14.5 pada desktop, (2) memilih sistem pada toolbox (Custom System), (3) klik ganda thermal stress, (4) klik kanan pada Steady State > Replace With > Transient Thermal, (5) menyelasaikan simulasi termal sesuai dengan urutan program seperti tampak pada gambar 3.4.3
39
Gambar 3.4.3 Langkah-langkah Simulasi Thermal Stress
3.4.4 Data Material (Engineering Data)
Cara memasukkan data material adalah dengan klik ganda engineering data dan pilih add new material. Data material DIN 17175 (Tabel 3.11) untuk simulasi thermal stress adalah temperature-dependent material properties. Sifat material diperoleh dari literatur meliputi berat jenis, modulus, kekuatan, koefisien ekspansi termal, konduktivitas termal, dan panas spesifik. Setelah data dimasukkan,klik tanda centang pada kolom(parameterized)
40
Tabel 3.4.4 Data Material DIN 17175
Model material elastis-plastis dipilih multilinier isotropic hardening.
Pada temperatur 100°C, DIN 17175 memiliki sifat kekuatan seperti gambar 3.25
Gambar 3.4.4 Kekuatan DIN 17175 pada temperatur tinggi Baja yang ulet (ductile) akan mulai mencapai batas elastis jika pemuluran (yield) melewati 0,005 mm. Besarnya tegangan mulur (σy) DIN 17175 pada temperatur 100°C adalah 180.000.000 Pa. Nilai regangan ini diperhitungkan sebagai regangan plastis inisial untuk model pada simulasi ini. Kemudian tegangan dinaikkan sehingga tampak seperti tabel 3.4.4 berikut:
41
Tabel 3.4.4.2 Sifat Multilinear Isotropic Hardening
3.4.5 Geometri dan Mesh
Pipa header air umpan boiler yang telah digambar di software autocad 2007 di pindahkan ke software ansys workbench 14.5 untuk disimulasikan dengan langkah:
42
1. Klik File pada menu autocad 2007 pilih export.
2. Pilih lokasi penyimpanan, beri nama file gambar dan merubah format penyimpanan menjadi ACIS.sat pada setiap sampel.
3. Kembali ke software ansys workbench 14.5,geometri klik kanan pilih file kemudian klik Import External Geometry file kemudian pilih generate
4. Pilih > Model Mesh >Generate
Gambar 3.4.5 Geometri dan Mesh 5. Parameter mesh dapat di lihat pada gambar 3.4.5.2
Gambar 3.4.5.2 Parameter Mesh
43 3.4.6 Kondisi Batas dan Beban (Thermal)
Terdapat dua kondisi batas dan beban untuk jenis simulasi ini, yaitu termal dan struktur. Untuk kondisi batas dan beban struktur diberikan setelah didapatkan hasil simulasi termal.
Kondisi batas dan beban termal diselesaikan dengan langkah berikut:
1. Klik pada Initial Temperatur, isikan 100°C .
2. Klik pada Analysis Setting, masukkan time stpes seperti pada gambar 3.28. Akhir simulasi hingga 30 detik.
3. Klik kanan Transient Thermal (A5) > Insert > Temperature
>Tabular, isikan data temperatur pada kulit luar dan kulit dalam seperti pada gambar
Gambar 3.4.6 Analysis Setting
44 Temperature pada kulit luar Tabel 3.4.6.1
Transient Thermal>Temperatur
Temperature Kulit Dalam Tabel 3.4.6.2
Transient Thermal>Temperatur
Gambar 3.4.6.2 Kondisi Batas Termal 3.4.7 Solusi (Thermal)
Untuk menentukan output temperatur dibuat dengan cara-cara berikut:
1. Klik kanan pilih Insert > Temperature.
2. Klik kanan pilih Insert > Thermal > Total Heat Flux 3.4.8 Kondisi Batas dan Beban (Struktur)
Untuk kondisi batas dan beban struktur dilakukan sebagai berikut:
45
1. Pada Static Structural, klik kanan Imported Load (Set Up 2)>
Imported Body Temperatur
2. Klik pada Analysis Setting, masukkan Time Steps seperti tampak pada gambar 3.28. Akhir simulasi hingga 5 detik
3. Klik kanan Static Structural (B5) > Insert > Frictionless Support, pilih empat sisi, lalu Apply, seperti tampak pada gambar 3.30.
4. Klik kanan Static Structural (B5) > Insert > Pressure, pilih bagian dalam silinder, pada Magnitude, isikan 3.e + 006 Pa
Gambar 3.4.8. Kondisi Batas Struktur
46 3.4.9. Solusi (Solution)
Untuk menentukan output temperatur dibuat dengan cara-cara berikut:
1. Klik kanan Solution pilih Insert > Stress>Equivalent (von Mises) 2. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain >Equivalen (von Mises) 3. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain >Thermal
4. Klik kanan Solution pilih Insert > Strain > Equivalen Plastic 5. Klik kanan Solution pilih Insert > Deformation > Total 3.4.10 Hasil (Result)
Untuk melihat hasil simulasi, klik kanan Results > Solve.
47 3.5 Diagram alur penelitian
Gambar 3.5.1 Alur penelitian Mulai
Simulasi
Pengamatan Lapangan
Pengumpulan Data Studi Pustaka
Pembuatan Model di Auto CAD 2007
Penulisan Hasil dan Pembahasan
Kesimpulan dan saran
Selesai
Ansys Workbench 14,5 Trancient Thermal
48 3.6 Jadwal Penelitian
No Jenis Kegiatan Bulan
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Pemilihan lokasi penelitian 2 Pengukuran lapangan
3 Modeling
4 Simulasi
5 Analisa data
6 Penyusunanlaporan penelitian
7 Seminar