Tesis TESIS ANALISA KEGAGALAN PADA TANGKI PENYIMPANAN MINYAK STANDAR API 650

(1)

Tesis TEKNIK MESIN

Analisa kegagalan pada tangki penyimpanan minyak std .API 650

TESIS

ANALISA KEGAGALAN PADA TANGKI

PENYIMPANAN MINYAK STANDAR API 650

Oleh Puryadi Nrp : 2103.203.807

PROGRAM STUDI MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN KESELAMATAN DAN KESEHATAN KERJA

PROGRAM STUDI JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

(2)

TESIS

ANALISA KEGAGALAN PADA TANGKI

PENYIMPANAN MINYAK STANDAR API 650

Oleh

Puryadi

Nrp : 2103.203.807

PROGRAM STUDI MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN KESELAMATAN DAN KESEHATAN KERJA

PROGRAM STUDI JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

(3)

ANALISA KEGAGALAN PADA TANGKI PENYIMPANAN MINYAK STANDAR API 650

Tesis ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mempeoleh gelar Magister Teknik (MT)

Di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Oleh :

U

Puryadi Nrp : 2103.203.807

Disetujui oleh Tim Penguji Tesis : Tanggal ujian : 25 Januari 2006 Periode Wisuda : Maret 2006

1. UIr. Yusuf Kaelani, MSc.EU ( Pembimbing )

NIP : 131 879 395

2. UDr.Ing.I.Made Londen Batan, M.EngU ( Penguji )

NIP : 131 576 476

3. UDr. Ir.Agus Sigit Pramono, DEAU ( Penguji )

NIP : 131 879 395

4. UDr.Eng.Prabowo, M.Eng U ( Penguji )

NIP : 131 902 444

Direktur Program Pasca Sarjana

UProf. Ir. Happy Ratna S.MSc.PhD

NIP : 130541829

(4)

FAILURE ANALYSIS ON OIL STORAGE TANK API 650 STANDARD

by : Puryadi Advisor :

Ir.Yusuf Kaelani MSc.E

ABSTRACT

The failure of cone roof – oil storage tank can cause permanent deflection because of the uncared of operation condition and construction regulations.The prediction of critical stress on oil storage tank is needed . API 650 standard requires that storage tank can handle the required load. The critical stress which is the combination between membrane stress and bending stress is very important to be known so it can ever be monitored .

The methodology used in this research is finite element method and the model uses ANSYS 5.4 . Oil storage tank is made as a shell which has a certain thickness . The thickness variations of tank plate are 10,10,10,10,10 mm, 12,10,8,6,6 mm, 12,10,10,8,8 mm with the roundness of 0,0,0,0 mm, 4,6,11,11 mm and 6,8,12,12 mm. The loading model is hydrostatic loads by assuming the symmetry model.

From simulation result , it can be concluded that the critical stress happened on the wall plate within thickness of 12,10,10,8,8 mm and the roundness of 4,6,11,11 mm is 136 MPa at the joints of wall tank and manhole. The Magnitude of maximum stress is still under minimum yield strength of carbon steel ASTM 286 grade C , that is 205 MPa Therefore it can be concluded that theoretically oil storage tank is still safe to be used .

Keyword : cone roof – 0il storage tank, API 650 Standard , Critical stress and Health and Safety Work Regulation ( K3 )

iii

(5)

ANALISA KEGAGALAN PADA TANGKI PENYIMPANAN MINYAK STANDAR API 650

Oleh : Puryadi Pembimbing : Ir.Yusuf Kaelani MSc.E

ABSTRAK

Kegagalan tangki penyimpanan minyak jenis atap kerucut (Cone roof tank) dapat berakibat defleksi permanen karena terabaikannya kondisi operasi dan persyaratan konstruksi. Prediksi tegangan kritis pada tangki penyimpanan minyak sangat diperlukan. Dan standar API 650 sangat mensyaratkan agar tangki penyimpanan tersebut mampu menahan beban yang telah dipersyaratkan . Tegangan kritis yang berupa kombinasi antara membrane stress dan bending stress sangat penting untuk diketahui agar senantiasa dapat dimonitor.Metodologi yang digunakan adalah metode elemen hingga dan pemodelan menggunakan ANSYS 5.4 . Tangki penyimpanan minyak dibuat sebagai shell yang memiliki ketebalan tertentu . Variasi ketebalan plat tangki adalah : tebal plat 10,10,10,10,10 mm , 12,10,8,6,6 mm , 12,10,10,,8,8 mm, dengan roundness 0,0,0,0 mm , 4,6,11,11 mm , dan 6,8,12,12 mm . Model pembebanan adalah kerja hidrostatic load dengan menganggap model simetri .Dari hasil simulasi didapat kesimpulan bahwa tegangan kritis terbesar terjadi pada tebal plat dinding tangki 12,10,10,,8,8 mm dengan roundness 4,6,11,11 mm sebesar136 Mpa yang terjadi pada sambungan dinding tangki dengan manhole. Nilai tegangan maksimum tersebut masih dibawah nilai tegangan luluh bahan Carbon steel ASTM 283 grade C yakni sebesar 205 Mpa . Sehingga dapat disimpulkan bahwa tangki penyimpanan minyak tersebut secara teoritis masih aman digunakan .

Kata kunci : Tangki penyimpanan minyak jenis kerucut , Standar API 650 , Tegangan kritis dan persaratan keselamatan dan kesehatan kerja ( K3 ).

iv

(6)

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Warohmatullohi Wabarokatuh

Puji syukur kehadirat ALLAH SUBHANAHU WATAALA Tuhan Yang Maha Esa , yang telah memberikan kesehatan, keselamatan dan hidayah dalam menyelesaikan Tesis ini sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program magister di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Tesis ini dapat saya selesaikan berkat adanya bimbingan, bantuan dan dorongan dari Dosen pembimbing Ir. Yusuf Kaelani MSc.E yang dengan penuh kesabaran dan kearifan terus menerus mendorong saya untuk dapatnya menyelesaikan tesis ini. Memberikan bimbingan untuk terus – menerus menambah pengetahuan di bidang Aspek Teknik Kekuatan Struktur, memperbaiki sikap, memberi contoh tentang kedisiplinan tepat waktu dan intelektual behavior, merupakan amal yang kiranya sulit bagi saya untuk membalasnya. Untuk itu saya ucapkan terima kasih dan saya doakan semoga amalnya diterima dan mendapat balasan yang setimpal dari ALLAH SUBHANAHU WATA’ALA Tuhan Yang Maha Esa.

Ucapan terima kasih dengan setulus hati saya sampaikan pula kepada :

1. Dr.Ir.Sigit Pramono DEA selaku dosen dengan penuh semangat memberikan pemahaman dalam bidang Aspek Teknik Kekuatan Strukturdan Reliability Centered Maintenance, yang sangat saya butuhkan dalam menyelesaikan tesis ini, memberi contoh tentang kedisiplinan tepat waktu dan reliability suatu sistim kerja yang handal. 2. Dr.Ir.I.Made Londen Batan M.Eng disamping Koordinator, selaku dosen safety Audit

dan dosen penguji serta pembimbing moral , dengan penuh kritik dan sarannya yang positif memberikan pemahaman dalam bidang menejemen keselamatan kerja yang saya butuhkan dalam menyelesaikan tesis ini , serta sikap professional sebagai intelektual 3 Dr.Ir. Prabowo M.Eng . selaku dosen penguji , dengan penuh semangat memberikan

pemahaman dalam bidang Aspek teknik mesin fluida yang sangat saya butuhkan dalam menyelesaikan tesis ini, memberikan contoh etos kerja yang tinggi serta kedisiplinann yang tinggi tanpa mengabaikan interaksi sosial .

4. Ir. Mukhtar karokaro MSc selaku dosen dengan penuh semangat memberikan pemahaman dalam bidang Statistik dan Reliability yang sangat saya butuhkan dalam menyelesaikan tesis ini, memberikan contoh efisiensi kerja yang tinggi .

v

(7)

5. Prof.Ir.I.Nyoman Sutantra MSc.PhD , selaku penguji telah banyak memberikan saran , pengarahan dan pemahaman dalam bidang metodologi penelitian. Selain itu contoh bagi saya untuk bisa tetap bekerja dengan keras tanpa kehilangan makna serta wawasannya yang luas .

6. Ir. Kardjono MT. selaku dosen dengan penuh semangat memberikan pemahaman dalam bidang Fire Protection Engineering, yang sangat saya butuhkan dalammenyelesaikan tesis ini, memberi contoh tentang kedisiplinan kerja yang tinggi dan semangat dalam menimba ilmu tanpa mengenal lelah untuk mencapai tujuan.

7. Ir.Sudijono Kromodihardjo MSc.PhD selaku dosen dengan penuh semangat memberikan pemahaman dalam bidang Human Reliability,yang sangat saya butuhkan dalam menyelesaikan tesis ini, memberi contoh tentang kedisiplinan kerja yang tinggi dan sistim kerja yang professional dalam menghadapi arus globalisasi ini.

8. Ir.H.Sritomo Wignjosoebroto MSc. selaku dosen dengan penuh semangat memberi kan pemahaman dalam bidang Ergonomi,yang sangat saya butuhkan dalam melaksanakan sistim kerja yang safety minded , memberi contoh tentang sistim kerja

yang benar yang berkaitan dengan manusia dan lingkungannya serta hubungannya dengan personal equipment yang berstandard internasional.

9. Dr.Ir. H.Ahmad Zudan Fatoni selaku kepala Pusdiklat Migas Cepu memberikan semangat yang tinggi dan telah membantu dan mensupport saya memberikan sebagai mahasiswa program S2-K3 dalam menyelesaikan tesis ini, selalu memberikan

contoh tentang kedisiplinan kerja yang tinggi dan sistim kerja yang professional dalam menghadapi arus globalisasi ini.

10. Istri saya tercinta, Wuryaningsih , yang dengan tulus dan penuh kesabaran serta penuh pengertian mendampingi dan memberikan dorongan semangat sehingga saya dapat menyelesaikan studi ini sesuai dengan waktu yang kami rencanakan.

11. Staff PUSDIKLAT MIGAS CEPU dan Darma Wanita Persatuan PUSDIKLAT MIGAS CEPU yang telah banyak membantu proses study program S2-K3 dari awal sampai selesainya tugas tesis ini.

12. Rekan-rekan mahasiswa program S2-K3 yang lain , yang telah banyak membantu mulai awal kuliah bersama hingga proses penyelesaian tesis ini.

13. Ibu Aulia dan Pak Sumiadi dan rekan karyawan yang lain telah banyak membantu saya dalam persiapan untuk pelaksanaan sidang proposal tesis dan tesis.

vi

(8)

14. Rekan-rekan karyawan Pusdiklat Migas Cepu yang berkaitan dengan tugas study saya dengan tulus membantu terselesainya tugas tesis ini.

Waktu untuk menyelesaikan tesis ini memang saya rasakan cukup singkat.

Tentunya masih banyak yang harus dikaji lagi didalam penelitian yang telah saya lakukan Untuk itu masukan, saran dan pendapat untuk lebih meningkatkan kajian, sangat saya harapkan. Untuk itu sebelumnya dan sesudahnya saya ucapkan terima kasih.

Wassalamualaikum Warohmatullohi Wabarohkatuh

Surabaya, Agustus 2006 Puryadi Nrp : 2103.203.807 vii

(9)

DAFTAR ISI Halaman JUDUL i LEMBAR PENGESAHAN ii ABSTRAK iii KATA PENGANTAR v

DAFTAR ISI viii

DAFTAR GAMBAR xiii

DAFTAR LAMPIRAN xvii

DAFTAR TABEL xviii

BAB I. PENDAHULUAN 1

I.1 Latar belakang 1

I.2 Perumusan masalah 3

I.3 Batasan masalah 3

1.4 Tujuan 3 1.5 Manfaat Penelitian 3 viii

(10)

Halaman

BAB II KAJIAN PUSTAKA 4

II.1 Tangki 4

II.2 Konsep Tegangan Beban Axial 8 II.2.1 Tegangan ( Stress ) 8 II.2.2 Teori elastis 9

II.2.3 Distribusi Tegangan pada suatu titik 10

II.2.4 Tegangan Utama ( Principal Stresses ) 13

II.2.5 Tegangan Geser maximum 16

II.2.6 Tegangan ijin ( Allowable stresses ) 17

II.3. Analisa Regangan 17

II.3.1 Konsep Regangan dan Regangan pada suatu titik 18

II.3.2 Regangan Prinsipal Dua Dimensi 21

II.4 Teori Kegagalan 22

II.4.1 Distorsi ( Distortion ) 22

II.4.2 Patah / rusak ( Fracture ) 22

II.5 Teori Kegagalan Tegangan Geser Maksimum 23

(11)

Halaman II.6 Teori Kegagalan Tegangan Normal Maksimum 23

II.7 Teori Kegagalan Distorsi Energi Maksimum 25

II.8 Metode Elemen Hingga 27 II.9 Model Type Elemen 28 II.10 Real Constant 29

II.11 Material Properties Pelat Tangki Penyimpanan Minyak 29

II.13 Calculation of Thickness By The 1- Foot Method 35 II.13.1 Ketebalan Dinding ( Shell thickness ) 38

II.13.2 Ukuran Pelat 39

II.14 Toleransi Dimensi ( API 653 ) 39

II.15 Persyaratan API Standard 650 42

II.15.1 Appendix F : Perencanaan Tangki 42 II.15.2 Tekanan Disain Maksimum 43

BAB III. LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN 47

III.1 Langkah penelitian 47

III.1.1 Studi Literatur 47

(12)

Halaman III.1.2 Identifikasi Masalah dan Data Teknik 47 III.1.3 Pemodelan Geometri Tangki 48

III.1.4 Pembebanan ( Loading ) 48

III.1.5 Kesimpulan 48

III.2 Diagram Alir Penelitian 49

III.3 Langkah-langkah analisa tegangan dinding tangki 50 III.4 Spesifikasi Geometri Tangki 54 III.5 Data Teknik Tangki 55 III.6 Pemodelan 56 III.7 Meshing ( set Area ) 58

III.8 Syarat batas ( Constraint ) 59

III.9 Pembebanan : Pressure 61

BAB IV ANALISA HASIL 63

IV.1 Pengaruh Roundness pada ketebalan pelat yang tetap 63 IV.2 Pengaruh ketebalan pelat terhadap roundness yang tetap 79 IV.3 Simulasi ANSYS dilakukan dengan mengambil harga ketebalan pelat 95

(13)

Halaman IV.4 Perhitungan Radial Stress , Tangfensial Stress dan Axial Stress 115

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 118

V.1 KESIMPULAN 118 V.2 SARAN 118 DAFTAR PUSTAKA 119 xii

(14)

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 : Tangki silinder tegak dengan dasar rata ( Vertcal tank ) 5 Gambar 2.2 : Tangki silinder mendatar ( Horizontal tank ) 5 Gambar 2.3 : Tangki bola ( Spherical tank ) 6 Gambar 2.4a : Tekanan didalam tangki dapat terjadi kearah radial 7 Gambar 2.4 a : Tekanan didalam tangki dapat terjadi kearah radial 7 Gambar 2.4 b : Tekanan didalam tangki dapat terjadi kearah axial & radial 7 Gambar 2.4 a : Tekanan didalam tangki dapat terjadi kearah radial 7 Gambar 2.4 c : Tekanan didalam tangki merata keseluruh dinding tangki 7 Gambar 2.5 : Komponen-komponen normal dan geser dari tegangan 8 Gambar 2.6 : Kondisi tegangan 3 - D pada suatu elemen 10

Gambar 2.7 : Analisa tegangan suatu benda 12

Gambar 2.8 : Kondisi tegangan principal 2 – D 13 Gambar 2.9 : Kondisi tegangan principal 3 – D 14 Gambar 2.10 : Perpindahan dari suatu titik Q ke Q ' 18

Gambar 2.11 : Regangan suatu dimensi 19

Gambar 2.12 : Teori kegagalan teg. normal maks.dalam koordinat σ1 dan σ2 24

(15)

Halaman

Gambar 2.13 : SHELL 63 28

Gambar 2.14 : KEMIRINGAN TANGKI ( PLUMBNESS ) 40

Gambar 2.15 : KEBULATAN TANGKI ( ROUNDNESS ) 40

Gambar 2.16 : Tank Shell Erection 45

Gambar 3.1 : Dagram alir Penelitian 49

Gambar 3.2 : Diagram alir Analisa Tegangan dengan ANSYS 52

Gambar 3.3 : Dimensi Tangki 54

Gambar 3.4 : Model setengah bentuk tangki 56

Gambar 3.5 : Meshing ( Set Area ) 58

Gambar 3.6 : Batas kondisi simetry 60

Gambar 3.7 : Restrain 60

Gambar 3.8 : Beban Pressure 61

Gambar 3.9 : Ilustrasi Pembebanan pada shell 62

Gambar 4.1 : Kontur distribusi teg. tebal 10,10,10,10,10 mm roundness 0 mm 63 Gambar 4.2 : Kontur distribusi teg. Roundness 4,6,11,11 mm 67

Gambar 4.3 : Ketebalan pelat 10,10,10,10,10 mm Vs roundness 71

Gambar 4.4 : Kont. distr. teg. tebal 10,10,10,10,10 mm roundness 6,8,12,12 mm 73 Gambar 4.5 : Ketebalan pelat 10,10,10,10,10 mm Vs roundness 77

Gambar 4.6 : Kontur distribusi teg. roundness 0 mm 79

(16)

Halaman

Gambar 2.13 : SHELL 63 28

Gambar 2.14 : KEMIRINGAN TANGKI ( PLUMBNESS ) 40

Gambar 2.15 : KEBULATAN TANGKI ( ROUNDNESS ) 40

Gambar 2.16 : Tank Shell Erection 45

Gambar 3.1 : Dagram alir Penelitian 49

Gambar 3.2 : Diagram alir Analisa Tegangan dengan ANSYS 52

Gambar 3.3 : Dimensi Tangki 54

Gambar 3.4 : Model setengah bentuk tangki 56

Gambar 3.5 : Meshing ( Set Area ) 58

Gambar 3.6 : Batas kondisi simetry 60

Gambar 3.7 : Restrain 60

Gambar 3.8 : Beban Pressure 61

Gambar 3.9 : Ilustrasi Pembebanan pada shell 62

Gambar 4.1 : Kontur distribusi teg. tebal 10,10,10,10,10 mm roundness 0 mm 63 Gambar 4.2 : Kontur distribusi teg. Roundness 4,6,11,11 mm 67

Gambar 4.4 : Kont. distr. teg. tebal 10,10,10,10,10 mm roundness 6,8,12,12 mm 73 Gambar 4.5 : Ketebalan pelat 10,10,10,10,10 mm Vs roundness 77

Gambar 4.6 : Kontur distribusi teg. roundness 0 mm 79

(17)

Halaman

Gambar 4.7 : Kontur distribusi teg. Roundness 4,6,11,11 mm 83

Gambar 4.11 : Kontur distribusi teg. Roundness 0 mm 95

Gambar 4.16 : Roundness 4,6,11,11 mm 111

Gambar 4.17 : Grafik intensitas tegangan Vs ketebalan pelat 112

Gambar 4.18 : Grafik intensitas tegangan Vs ketebalan pelat 113

Gambar 4.19 : Grafik intensitas teg. Vs Roundness berbagai variasi tebal 114

xvi

(18)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1 : PRODUK KILANG PUSDIKLAT MIGAS CEPU

LABORATORIUM PENGUJI PRODUKSI 120 Lampiran ll. : DESAIN DINDING TANGKI ( SHELL DESIGN ) 122

: xvii

(19)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. : Tebal Pelat tangki 29

Tabel 2. : Material Properties pelat tangkli Penyimpanan minyak 29 Tabel 2,1 : Maximum Permissible Alloy Content 125 Tabel 3. : Diameter tangki dan ketebalan pelat nominal 122

Tabel 3.1 : Annular Bottom – Plate thickness 34

Tabel 4 : Diameter tangki dan Radius Toleransi 41 Tabel 5 : Tebal plate Vs intensitas tegangan 110 Tabel 6 : Tingkatan material pelat yang disesuaikan standar National API 650 – 123 Tabel 7 : Ketebalan pelat pada bagian bawah tangki ( Bottom ) 123 Tabel 8 : Permissible Materials and Allowable stress 124 Tabel 9 : Modulus elastisitas pada temperatur operasi maksimum 125