Kriteria Desain Vessel Mata Kuliah: Perancangan Alat dan Proses

(1)

Kriteria Desain Vessel

Mata Kuliah: Perancangan Alat dan Proses

2

Program Studi Teknologi Bioproses

Departemen Teknik Kimia

Fakultas Teknik – Universitas Indonesia

Depok 2014

(2)

(3)

Analisis Tegangan (Stress Analysis)

• _{ANALISIS TEGANGAN}

_{adalah penentuan hubungan}

antara gaya eksternal yang diterapkan pada bejana dan

tegangannya

• Seorang perancang harus benar-benar memperhatikan:

–

Jenis beban, dan

–

Bagaimana beban itu berhubungan dengan bejana secara

keseluruhan

• Apakah efeknya lama atau singkat?

(4)

3 Faktor Penting

• _{Bagaimana tegangan-tegangan ini dipahami dan}

digabungkan:

–

Apakah berpengaruh secara signifikan terhadap keselamatan

bejana

–

Berapakah tegangan maksimum yang diijinkan

Ditentukan oleh:

1. Teori kekuatan/kegagalan yang digunakan

2. Jenis dan kategori beban

(5)

Membrane Stress Analysis

• Ketebalan dinding bejana adalah kecil sehingga dianggap

sebagai “membrane”

• Tegangan yang ada pada bejana juga disebut “membrane

stress”

• Ada tiga tegangan:

1. Tegangan longitudinal/meridional (



_x

)

2. Tegangan circumferential/latidudinal (



_

)

(6)

(7)

Kegagalan

Kriteria desain vessel/ bejana berhubungan dengan beberapa peristiwa yang

menyebabkan kegagalan pada perancangan alat khususnya vessel/ bejana.

Adapun penyebab kegagalan suatu vessel/ bejana adalah sebagai berikut:

Excessive elastic deformation

Elastic instability

Plastic instability

Brittle rupture

Creep

Corrosion

(8)

1. Excessive Elastic Deformation

Deformasi elastis adalah perubahan yang terjadi ketika sebuah material diberikan beban, dimana

ketika beban itu dilepas, material itu akan kembali ke bentuk semula. Pada bejana, hal ini bisa disebabkan oleh beban si bejana itu sendiri,

tekanan fluida masuk, gaya angin, dll

Jenis beban yang diujicobakan untuk mendesain bejana : tensile, compressive, shear, bending

(9)

a

P

f



a

P

f





(10)

Modulus Elastisitas

Merupakan perbandingan antara beban dan regangan

yang terjadi pada suatu material

Modulus elastis ini

merupakan parameter yang bisa digunakan untuk melihat ketahanan material

terhadap deformasi elastis.

E

f



(11)

Berikut ini beberapa nilai stress dan strain

dari beberapa bahan:

(12)

Pembengkokan suatu material memiliki hubungan proporsional dengan modulus elastis & momen inersia suatu

material.

Dengan kata lain, besarnya gaya yang

menyebabkan bengkoknya material

bernilai sama/ proporsional terhadap nilai modulus elastisitas

dan momen inersianya

(13)

2. Elastic Instability

Merupakan fenomena yang terjadi pada struktur yang memiliki

kekerasan yang lemah ketika ia dikenai perlakuan kompresi, pembengkokan, torsi atau

gabungan kondisi pembebanan. Bentuk dari material pada

fenomena ini menjadi berubah dikarenakan kekakuan material yang tidak mencukupi

Contoh : pembengkokan tabung silinder di bawah tekanan luar sebagai hasil dari operasi vakum.

(14)

Elas

tic

Ins

tability

Column Instability

Tipe paling sederhana dari instablitas

yang terjadi pada kolom disebabkan oleh

tekanan aksial dan tekanan end loaded

(15)

(16)

3. Plastic Instability

Hubungan

Stress-strain

Kurva yang digunakan untuk menentukan tekanan maksimum peralatan agar masih dalam batas elastisitas

materialnya agar tidak terjadi perubahan bentuk yang terjadi karena melewati yield point

Biasanya tensile test dilakuan sabagai dasar menentukan tekanan yang diizinkan .

(17)

Plastic Instability

(18)

Plas

tic

Ins

tability

Allowable Stress

Ditentukan oleh beberapa faktor yaitu:

• Akurasi dimana load dapat dihitung • Besar takanan dari load

• Kehomogenan material • Bahaya jika terjadi kegagalan •Fatigue

• Korosi

Satu alasan mengapa ultimate strength

digunakan sebagai kriteria untuk nilai

allowable stress  kurangnya area yang alastis untuk material yang rapuh

(19)

4. Brittle Rupture

Penggunaan dari bahan besi baja yang kuat tetapi memiliki kelenturan yang kurang memungkinkan yang disebabkan karena adanya kerusakan (patah).

Disebabkan tegangan yang berlebihan pada suhu biasa (ambient) atau suhu rendah (sub freezing temp).

Low alloy steel (2¼ % Cr, 1 % Mo) sangat sensitif terhadap temper embrittlement. Temper embrittlement adalah hilangnya keuletan/ ductility dan notch/ material, karena post weld heat treatment atau suhu kerja yang tinggi di atas 700 °F (370°C). Jika tidak terjadi korosi maka kerusakan biasanya disebabkan oleh 2 faktor, yaitu:

• kepatahan karena perubahan bentuk (ductile rupture) • kepatahan karena bahan yang rapuh (brittle rupture)

(20)

Brittle Rupture

• Notch Brittleness

Besi baja yang lembut biasanya memiliki keuletan

yang tinggi, tetapi material seperti ini dapat patah

tanpa ada tanda-tanda

plastic strain

karena adanya

retakan atau

notch

. Ini yang disebut dengan

notch

brittlenes.

(21)

Brittle Rupture

• Repeated Cycling Loading

–

Kerusakan yang terjadi karena

fatigue

yang disebabkan oleh

(22)

Brittle Rupture

• Difusi hidrogen ke dalam besi baja pada tekanan dan temperatur yang tinggi

akibat disosiasi atom hidrogen menjadi monoatomik hidrogen

• Hidrogen bereaksi dengan C menjadi metan menyebabkan keretakan

• Tidak bersifat permanen karena ketika alat tersebut dimatikan untuk beberapa waktu maka hidrogen akan berdifusi keluar

Adapun

faktor

lain

penyebab

brittle

rupture

(23)

5. Creep

Creep T

es

t

Dilakukan untuk mempelajari creep characteristics dari sebuah material Sebuah tensile-test dilakuan pada axial-loads yang konstan pada

temperatur yang konstan dalam sebuah elektrik furnace

Laju pada saat sempel memanjang dicatat sebagai fungsi tehadap temperatur dan terhadap load

Lama waktu pengujian tergantung terhadap kondisi yang diberikan dan terhadap jenis material yang diuji, ada yang berlangsung hanya beberapa jam

(24)

Creep

• Creep Rupture Test

–

Test yang digunakan hampir sama dengan creep

test tetapi load yang digunakan jauh lebih besar

maka menghasilkan creep rate yang lebih besar

pula

(25)

(26)

K

or

osi

Korosi pada alat tergantung kepada material yag

digunakan

Ketika material yang digunakan dapat

menghasilkan lapisan tipis sebagai hasil oksidasi yang dapat melindungi material dari proses korosi

yang berkelanjutan maka alat tersebut dapat bertahan untuk waktu yang lama

Dengan pertimbangan yang matang dalam memilih material dan meningkatkan kondisi operasi maka korosi dapat dikurangi bahkan

(27)

Korosi

• Uniform Corrosion

–

Tipe dari korosi ini terjadi pada larutan asam

(biasanya yang mengandung oksigen), pada air

dangan kandungan oksigen dan karbon dioksida

yang tinggi, dan pada larutan yang memilki

pelarut dari lapisan pelindung hasil korosi itu

sendiri (misalnya amonium hidroksida yag dapat

melarutkan lapisan hasil korosi dari copper alloy)

(28)

Korosi

• Impingement Attack

–

Pada kondisi operasi normal daerah tertentu mungkin terekspos pada

media yang bersirkulasi dan memiliki kecepatan alir yang besar,

(29)

Korosi

• Concentration Cell Attack

– Korosi dapat terjadi karena perbedaan aerasi yang

disebabkan oleh konsentrasi sel pada permukaan metal, pada kondisi operasi tertentu.

– Retakan, lapisan yang tidak sempurna, dapat

memerangkap liquid yang

dapat menyebabkan perbedan konsentrasi dari garam, ion, atau gas pada media sirkulasi.

(30)

Korosi

• Galvanic-cell Attack

– Ketika metal dan alloy yang tidak sama dikontakkan pada medium dengan konduktivitas tinggi maka terjadi proses galvanik.

– Dari galvanic series dapat

diperkirakan kecenderungan dari metal atau alloy untuk membentuk galvanic cell dan dapat diperkirakan arah dari galvanic action

(31)

Korosi

• Stress Corrosion

–

Sebagai hasil dari tekanan dan korosi yang

terus-menerus maka suatu alat dapat menjadi rusak

karena patah.

–

Ketika tekanan dikenakan dari luar maka

patahannya sering disebut dengan stress

corrosion crack

(32)

(33)

Kategori dan Jenis Beban

• Kategori beban

–

Beban umum (

general loads

)

–

Beban local (

local loads

)

• Jenis beban

–

Beban tunak/statik (steady loads)

(34)

Kategori Beban

General Loads

• Applied more or less continuously across a vessel section

1. Pressure loads-Internal or external pressure (design, operating, hydrotest and hydrostatic head of liquid).

2. Moment loads-Due to wind, seismic, erection, transportation.

3. Compressive/tensile loads-Due to dead weight, installed equipment, ladders, platforms, piping, and vessel contents.

4. Thermal loads-Hot box design of skirthead attachment

Local Loads

• Due to reactions from supports, internals, attached piping, attached equipment, i.e., platforms, mixers, etc. 1. Radial load-Inward or outward.

2. Shear load-Longitudinal or circumferential. 3. Torsional load. 4. Tangential load. 5. Moment load-Longitudinal or circumferential. 6. Thermal load

(35)

Jenis Beban

Steady load

• Long-term duration, continuous.

1. Internal/external pressure.

2. Dead weight.

3. Vessel contents.

4. Loadings due to attached piping and

equipment.

5. Loadings to and from vessel supports.

6. Thermal loads.

7. Wind loads

Non-steady load

• Short-term duration; variable

1. Shop and field hydrotests.

2. Earthquake.

3. Erection.

4. Transportation.

5. Upset, emergency.

6. Thermal loads.

(36)

(37)

Jenis Tegangan secara Umum

1. Tensile

2. Compressive

3. Shear

4. Bending

5. Bearing

6. Axial

7. Discontinuity

8. Membrane

9. Principal

10. Thermal

11. Tangential

12. Load induced

13. Strain induced

14. Circumferential

15. Longitudinal

16. Radial

17. Normal

(38)

Klasifikasi Tegangan

• Primary stress

–

General:

• Primary general membrane stress, P

_m

• Primary general bending stress, P

_b

–

Primary local stress, P

_L

• Secondary stress

–

Secondary membrane stress, Q

_m

–

Secondary bending stress, Q

_b

(39)

(40)

DISAIN BEJANA BERTEKANAN DIDASARKAN

PADA TEKANAN EKSTERNAL

(41)

Cylindrical Shells:

Open-ended Cylinder

(42)

Cylindrical Shells:

(43)

Cylindrical Shells:

With Stiffening Rings

(44)

(45)

(46)

(47)

Minimum Thickness

Design of vessels using equation 13.59 is not in accordance with the

ASME BPV Code, and hence can be used only for initial estimates

(48)

DESIGN OF VESSELS SUBJECT TO COMBINED

LOADING

1. Pressure;

2. Dead weight of vessel and contents;

3. Wind;

4. Earthquake (seismic);

(49)

Stresses in a cylindrical

shell under combined

loading

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

Allowable Stress Intensity

• The maximum intensity of stress allowed will depend on the particular theory of

failure adopted in the design method (see Section 13.3.2). The maximum

shear-stress theory is normally used for pressure vessel design.

• Using this criterion, the maximum stress intensity at any point is taken for design

purposes as the numerically greatest value of the following:

(55)

Compressive Stresses and Elastic Stability

• A column design must be checked toensure that the maximum value of the resultant

axial stress does not exceed the critical value at which buckling will occur.

• For a curved plate subjected to an axial compressive load, the critical buckling stress



_c

is given by (see Timoshenko, 1936)

For steels at ambient temperature E_Y = 200,000 N/mm2 _{, and equation 13.71 with}

(56)

Weight Loads

1. The vessel shell;

2. The vessel fittings: manways, nozzles;

3. Internal fittings: plates (plus the fluid on the plates); heating and cooling

coils;

4. External fittings: ladders, platforms, piping;

5. Auxiliary equipment that is not self-supported; condensers, agitators;

6. Insulation;

7. The weight of liquid to fill the vessel. The vessel will be filled with water

for the hydraulic pressure test and may fill with process liquid due to

(57)

(58)

(59)

Wind Loads (Tall Vessels)

Where x is the distance

measured from the free end and W is the load per unit

(60)

Wind Loads (Tall Vessels)

(61)

(62)

Earthquake Loading

• The movement of the earth’s surface during an earthquake produces horizontal

shear forces on tall, self-supported vessels, the magnitude of which increases from

the base upward.

• The total shear force on the vessel will be given by

The term (a_e/g) is called the seismic constant, C_e, and is a functionof thenatural period of vibration of the vessel and the severity of the earthquake