Yohana, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 43-48
Analisis Kekuatan Material Air Receiver Drum Berdasarkan ASME Section VIII Division I
*Eflita Yohana, Andre Fiky Maulana
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
*E-mail: efnan2003@gmail.com

## Abstract
The development of manufacturing industry and the use of pneumatic tools, pressure vessel became a staple that can not be separated. To fulfill the needs of the vessel, then the design of the international standard  is  needed  so  that  it  will  have  a  good  level  of  security.  Pressure  vessel  is  a  container  that serves to keep the fluid under pressure from internal or external as well as able to  withstand various loads.  In  the  design  of  the  pressure  vessel,  it  takes  the  normal  operating  condition  is  used  as  a reference to determine the condition of the design. Based on design conditions, minimum thickness of shell  and  head  for  the  material  A283  Grade  C,  A285  Grade  C,  and  A36  can  be  calculated  and  can selecting the material to be used. ASME Boiler Pressure Vessel  Code  & Section VIII Division I is an international  standard  which  used  to  design  pressure  vessel.  UG-27  is  used  to  design  shell  under internal  pressure  and  UG-32  is  used  to  design  head  under  internal  pressure.  As  for  the  material selection  based  on  minimum  thickness  and  weldability  of  the  materials.  Result  of  the  calculation obtained the thickness of the shell for material A283 Grade C, A285 Grade C, and A36 each 14.5 mm, 14.5 mm, and 13.85 mm. The thickness of the head for material A283 Grade  C, A285 Grade  C, and A36  respectively  13.6  mm,  13.6  mm,  and  12.9  mm.  From  the  calculation  of  the  MAWP.  The  results stated that MAWP all material is greater than the design pressure. A36 is material which used for the shell and head pressure vessel because it has the most minimum carbon equivalen values compared to the material A283 Grade C and A285 Grade C making it easier in the process of welding.
Keywords : pressure vessel, ASME Section VIII, shell, head, MAWP

## Abstrak
Perkembangan  industri  manufaktur  dan  penggunaan  alat-alat  pneumatik,  bejana  tekan  menjadi kebutuhan  pokok  yang  tidak  bisa  dipisahkan.  Untuk  memenuhi  kebutuhan  perusahaan  akan  bejana tekan  maka  diperlukan  perancangan  yang  berstandar  internasional  sehingga  akan  memiliki  tingkat keamanan yang baik dan diakui dunia internasional. Bejana tekan adalah suatu wadah yang berfungsi untuk  menyimpan  fluida  di  bawah  tekanan  internal  atau  eksternal  serta  mampu  menahan  berbagai beban  lainnya.  Dalam  perancangan  tangki  bejana  tekan,  dibutuhkan  kondisi  normal  operasi  yang digunakan  sebagai  acuan  untuk  menentukan  kondisi  desain.  Berdasarkan  kondisi  desain,  tebal minimum shell dan head untuk material A283 Grade C, A285 Grade C, dan A36 dapat dihitung serta dapat ditentukan material yang paling efektif untuk digunakan. ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII Division I  merupakan  standar  internasional  yang  digunakan  dalam  mendesain  bejana tekan.  UG-27  digunakan  untuk  mendesain shell berdasarkan  tekanan  internal  dan  UG-32  digunakan untuk mendesain head berdasarkan tekanan internal. Sedangkan untuk pemilihan material berdasarkan ketebalan  minimum  dan  sifat  mampu  las  dari  material.  Dari  hasil  perhitungan  diperoleh  tebal shell untuk material A283 Grade C, A285 Grade C, dan A36 masing-masing 14,5 mm, 14,5 mm, dan 13,85 mm.  Sedangkan  tebal head untuk  material  A283 Grade C,  A285 Grade C,  dan  A36  masing-masing 13,6  mm,  13,6  mm,  dan  12,9  mm.  Dari  perhitungan  MAWP  dinyatakan  bahwa  nilai  MAWP  semua material  lebih  besar  dari  tekanan  desain  sehingga  aman  untuk  digunakan.  A36  merupakan  material yang digunakan untuk shell dan head karena memiliki nilai kadar karbon ekuivalen yang paling kecil dibanding material A283 Grade C dan A285 Grade C lebih mudah dalam proses pengelasan.
Kata kunci: bejana tekan, ASME Section VIII, shell , head , MAWP

## 1. Pendahuluan
Perkembangan zaman yang semakin maju oleh ilmu pengetahuan dan teknologi menuntut manusia pada zaman ini harus  semakin aktif  menggunakan produk-produk hasil teknologi. Dalam dunia  industri terutama dalam  bidang  fluida bertekanan, pengolahannya membutuhkan perhatian lebih dari peran alat didalamnya karena fluida merupakan senyawa yang  kompleks.  Salah  satu  peralatan  yang  dapat  menunjang  kegiatan  produksi  adalah  bejana  bertekanan  ( pressure vessel ).  Aplikasi  dari  bejana  bertekanan  bisa  berupa  tangki  udara,  tangki  bahan  bakar  gas,  tangki  bahan-bahan  kimia
baik  gas  maupun  cair,  dan  tabung  hampa  udara.  Untuk  memenuhi  kebutuhan  perusahaan  akan  bejana  tekan  maka diperlukan perancangan yang berstandar internasional sehingga akan memiliki tingkat keamanan yang baik [1].
Bejana tekan ( pressure vessel ) merupakan tangki yang digunakan untuk penyimpanan fluida [2]. Biasanya fluida yang disimpan dalam bejana tekan adalah fluida yang memiliki karakteristik maupun perlakuan khusus, misalnya fluida bertekanan, fluida dalam temperatur rendah maupun temperatur tinggi dan lain-lain [3].
Bejana tekan memiliki tekanan pada bagian internal akibat tingginya suhu sehingga ada perbedaan tekanan antara internal dengan eksternal bejana sehingga menyebabkan terjadinya tegangan pada bejana. Tegangan yang timbul akibat beban-beban yang ditanggung bejana menjadi sebuah pertimbangan yang penting pada saat merancang bejana tekan [4].
Dalam  penelitiannya,  Suratno  menyatakan  bahwa  tekanan  internal  yang  terjadi  terutama  pada  bagian  dinding bejana dapat ditahan apabila memiliki ketebalan yang cukup [5]. Maka dari itu, ketebalan shell dan head bejana tekan tidak  boleh  kurang  dari  ketebalan  minimum  hasil  perhitungan.  Ketebalan shell dan head dapat  dihitung  pada  kondisi desain.
Selain tebal  minimum,  pemilihan  material  menjadi  salah satu hal  yang  penting dalam  perancangan bejana tekan. Saptono  menyatakan  bahwa  pemilihan  material  adalah  tahapan  penting  dalam  pengembangan  produk  dan  pembuatan komponen engineering [6].  Melalui  perhitungan  tebal  minimum  dan  nilai  karbon  ekuivalen  untuk  beberapa  jenis material,  maka  material  yang  paling  efektif  digunakan  untuk  bejana  tekan  dapat  ditentukan.  Penelitian  ini  bertujuan untuk menghitung tebal minimum dan menentukan material yang paling efektif digunakan untuk shell dan head bejana tekan. Dalam perhitungannya menggunakan ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division I.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1  Diagram Alir
Adapun  langkah  pertama  dalam  perancangan  bejana  tekan  adalah  melakukan  studi  literatur  dengan  mencari referensi  yang  berkaitan  dengan  perhitungan  bejana  tekan.  Selanjutnya  mencari  data-data  perancangan  yang  akan digunakan  untuk  menghitung  ketebalan shell dan head minimum.  Perhitungan  tebal shell dan head menggunakan standar  ASME Boiler  and  Pressure  Vessel  Code  Section VIII Division I.  Setelah  menghitung  tebal  minimum, selanjutnya  menghitung  nilai  MAWP shell dan head . MAWP  adalah  besarnya tekanan kerja  maksimal  yang diijinkan pada bejana tekan yang dihitung menggunakan tebal tanpa kondisi korosi. Apabila nilai MAWP lebih besar dari tekanan desain, maka langkah selanjutnya adalah memilih material. Dalam memilih material, parameter yang digunakan adalah nilai karbon ekuivalen pada material tersebut.
Tidak Mulai Data Perancangan Menentukan MAWP Shell Menentukan MAWP Head Pa>P Pa>P Tebal Shell Tebal Head Dimensi Akhir: Tebal Shell dan Head Pemilihan Material Selesai Studi Literatur Menentukan Tebal Shell Menentukan Tebal Head Tidak
Ya
Ya

## 2.2  Perhitungan yang Digunakan

## 2.2.1 Shell
Standar  ASME Section VIII Div.  I Part UG-27  untuk  desain  dengan  tekanan  internal  digunakan  dalam menghitung  ketebalan shell minimum  yang  dibutuhkan  dan  MAWP  ( Maximum  Allowable  Working  Pressure )  bejana tekan. Part UG-27  menyatakan  bahwa  ketebalan shell di  bawah  tekanan  internal  harus  tidak  boleh  kurang  dari ketebalan hasil perhitungan dengan persamaan yang telah ditentukan [7].
Dalam perhitungan tebal  minimum shell , ada 2 jenis  metodr yang digunakan  yaitu untuk longitudinal  stress dan circumferential  stress . Longitudinal  stress adalah  tegangan  searah  akibat  pengelasan shell melingkar.  Sedangkan Circumferential  stress adalah  tegangan  melingkar  akibat  pengelasan shell yang  searah. Longitudinal  stress dan circumferential stress ditunjukkan pada Gambar 2a dan 2b.
(a)
(b)
Gambar 2. (a) Longitudinal stress [8] (b) Circumferential stress [8]
Untuk  menghitung  tebal shell minimum  menggunakan  persamaan  1  untuk longitudinal  stress dan  persamaan  2 untuk circumferential stress .
2 0, 4 i PR t SE P   (1) 0, 6 i PR t SE P   (2)
Sedangkan nilai MAWP shell dapat dicari menggunakan persamaan 3 untuk longitudinal stress dan persamaan 4 untuk circumferential stress .
, 2 0, 4 corr a i corr corr SEt P R t   (3) , 0, 6 corr a i corr corr SEt P R t  
(4)

## 2.2.2 Head
Dalam  merancang head, standar  yang  digunakan  adalah  ASME Section VIII Div.  I Part UG-32  untuk  desain dengan tekanan internal. Desain head berdasarkan standar ASME UG-32 yang menyatakan bahwa ketebalan head yang dibutuhkan  pada  titik  paling  tipis  setelah  proses  pembentukan  harus  dihitung  berdasarkan  persamaan  yang  telah ditentukan [7]. Desain head yang dipakai adalah jenis ellipsoidal head . Untuk  menghitung  tebal head minimum  menggunakan  persamaan  5,  sedangkan  nilai  MAWP  dapat  dicari menggunakan persamaan 6.
2 0, 2 i PD K t SE P   (5)
, 2 0, 2 corr a i corr corr SEt P KD t   (6)

## 2.2.3 Karbon Ekuivalen
Dalam  pengelasan,  karbon  ekuivalen  (CA)  digunakan  untuk  memahami  bagaimana  unsur-unsur  paduan  yang berbeda memengaruhi kekerasan baja yang dilas. Hal ini berhubungan dengan hydrogen embritlement , yang merupakan cacat  las  yang  paling  umum  untuk  baja,  dengan  demikian  hal  ini  paling  sering  digunakan  untuk  menentukan
weldability . Semakin tinggi konsentrasi karbon dan elemen paduan lain seperti mangan, kromium, silikon, molibdenum, vanadium,  tembaga,  dan  nikel  semakin  cenderung  untuk  meningkatkan  kekerasan  dan  menerunkan weldability [9]. Menurut American Welding Society (AWS) perhitungan karbon ekuivalen (CE) dirumuskan menurut persamaan 7.
(Mn+Si) (Cr+Mo+V) (Ni+Cu) C+ + + 6 5 15 CE  (7)

## 2.3 Data Perancangan
Berikut adalah data-data yang digunakan untuk menghitung nilai ketebalan shell dan head .
Tabel 1. Data perancangan Parameter Nilai Jenis bejana tekan Vertikal Tekanan desain 1,2 Mpa (1200 Kpa) Temperatur desain 52 o C (125,6 o F) Diameter dalam bejana 1900 mm Panjang bejana total 4600 mm Panjang silinder bejana 3600 mm Faktor korosi 2 mm Tipe head Ellipsoidal head Tipe radiografi Spot Efisiensi sambungan 0,85 (Tipe 1 Kategori A dan B)

## 3. Hasil dan Pembahasan
3.1  Perhitungan Tebal Shell dan Head
Berdasarkan  perhitungan  sesuai  standar  yang  telah  dilakukan,  maka  diperoleh  tebal shell dan head untuk  setiap material yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 2. Tebal shell dan head
Material Tebal Shell Tebal Head Longitudinal Circumferential A283 Grade C 6,2 mm 12,5 mm 11,6 mm A285 Grade C 6,2 mm 12,5 mm 11,6 mm A36 5,7 mm 11,85 mm 10,9 mm
Untuk  selanjutnya,  tebal shell yang  dipilih  adalah  tebal shell dengan  perhitungan circumferential .  Semua  tebal yang  telah  dihitung  kemudian  ditambah  dengan  nilai  faktor  korosi  sebesar  2  mm.  Untuk  lebih  jelasnya,  dapat  dilihat pada Tabel 2.
Tabel 3. Tebal shell dan head dengan faktor korosi
Material Tebal Shell Tebal Head A283 Grade C 14,5 mm 13,6 mm A285 Grade C 14,5 mm 13,6 mm A36 13,85 mm 12,9 mm

## 3.2  Perhitungan MAWP Shell dan Head
Berdasarkan perhitungan sesuai standar yang telah dilakukan, maka diperoleh MAWP shell dan head untuk setiap material yang dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 4. MAWP shell dan head
Material MAWP Shell MAWP Head A283 Grade C 1248 Kpa 1342 Kpa A285 Grade C 1248 Kpa 1342 Kpa A36 1317 Kpa 1417 Kpa
Dari  hasil  perhitungan  MAWP shell dan head untuk  setiap  material,  dapat  disimpulkan  bahwa  semua  material dapat digunakan untuk shell dan head dengan syarat tebal material yang akan digunakan pada bejana tekan tidak boleh kurang dari tebal minimum material berdasarkan perhitungan.
Nomenklatur:
t
= Tebal shell atau head , mm P a = MAWP shell atau head, kPa P = Tekanan desain internal, kPa D i
= Diameter dalam bejana, mm t corr = Tebal material yang tersedia dikurangi faktor korosi, mm D i.corr = Diameter dalam bejana dikurangi faktor korosi, mm R i = D i /2, mm S = Tegangan ijin maksimum pada temperatur desain, kPa
E
= Efisiensi sambungan las
K = Faktor antara D i /2h senilai 2 1 2 6 2 D K h                

## 3.3  Perbandingan Material
Dari  perhitungan  tebal shell dan head ,  menyatakan  bahwa  ketiga  material  memiliki  tebal  minimum  yang  lebih kecil  dari  tebal  material  yang  akan  digunakan  sebagai  material  bejana.  Dari  perhitungan  MAWP shell dan head , menyatakan bahwa nilai MAWP ketiga material lebih besar dari nilai tekanan desain sehingga tebal minimum dari hasil perhitungan shell dan head masih aman untuk digunakan. Selanjutnya, akan dipilih material yang paling efektif untuk shell dan head dengan parameter weldability (mampu las). Dengan mengetahui persentase unsur yang terkandung dalam material, maka besarnya karbon ekuivalen dapat dicari. Persentase kandungan unsur material dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 5. Komposisi material [10]
Unsur Material A283 Gr.C A285 Gr.C A36 Karbon (C) 0,24 wt-% 0,28 wt-% 0,25 wt-% Mangan (Mn) 0,9 wt-% 0,98 wt-% - Fosfor (P) 0,035 wt-% 0,035 wt-% 0,04 wt-% Sulfur (S) 0,04 wt-% 0,035 wt-% 0,05 wt-% Silikon (Si) 0,4 wt-% - 0,4 wt-% Tembaga (Cu) 0,2 wt-% - 0,2 wt-%
Selanjutnya, dengan persamaan 7 dapat dicari nilai karbon ekuivalen untuk setiap material yang dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 6. Karbon ekuivalen material Material Karbon Ekuivalen A283 Grrade C 0,47% A285 Grade C 0,44% A36 0,33%
Berdasarkan  perhitungan  karbon  ekuivalen  untuk  setiap  material,  diperoleh  bahwa  material  A36  memiliki  nilai karbon  ekuivalen  yang  paling  kecil  dibanding  material  A283 Grade C  dan  A285 Grade C.  Sehingga, weldability material  A36  lebih  baik  dibanding  dua  material  yang  lain.  Oleh  karena  itu,  material  yang  akan  digunakan  dalam perancangan komponen shell dan head bejana tekan adalah material A36.

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  perhitungan,  didapatkan  tebal shell untuk  material  A283  Grade  C,  A285  Grade  C,  dan  A36  masing- masing adalah 14,5 mm, 14,5 mm, dan 13, 85 mm. Sedangkan tebal head untuk material A283 Grade C, A285 Grade C, dan A36 masing-masing adalah 13,6 mm, 13,6 mm, dan 12,9 mm. Material yang digunakan untuk shell dan head bejana tekan  adalah  A36  karena  memiliki nilai  karbon  ekuivalen  yang  paling  kecil  dibanding  material  A283 Grade C  dan A285 Grade C sehingga lebih mudah dalam proses las.

## Daftar Pustaka
[1] Cahyono, E.,  2008,  Perancangan Bejana Tekan  Vertikal Berisi Udara untuk Peralatan Pneumatik  Kapasitas 8,25 m 3 dengan Tekanan Kerja 5,7 kg/m3, Universitas Sebelas Maret.
[2] Megyesy, E. F., 2001, Pressure Vessel Handbook 12th edition, Oklahoma, Pressure Vessel Handbook Publishing, Inc.
[3] Aziz,  A.,  Hamid,  A.,  &  Hidayat,  I.,  2014,  Perancangan  Bejana  Tekan  (Pressure  Vessel)  untuk  Separasi  3  Fasa, Sinergi, Vol.18, No.1, 31-38.
[4] Satrijo,  D.,  &  Habsya,  S.  A.,  2012,  Perancangan  dan  Analisa  Bejana  Tegangan  pada  Bejana  Tekan  Horizontal dengan Metode Elemen Hingga, Rotasi, Vol. 14, No. 3, 32-40.
[5] Suratno,  2009,  Analisa  Tegangan  pada  Ketel  Uap  Pabrik  Tahu  Berdasarkan  Standar  Megyesy  dengan  Bantuan Software Catia, Surakarta, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
[6] Saptono, R., 2003, The Selection of Materials for Roller Chains from the Prespective of Manufacturing Process, Makara Teknologi, Vol. 7, No. 3.
[7] The  American  Society  of  Mechanical  Engineers,  2001,  ASME  Boiler  &  Pressure  Vessel  Code  Section  VIII Division I (Part UG), New York, ASME.
[8] Rodiawati, M., Risano, A. Y., & Su'udi, A., 2013, Perancangan Bejana Tekan (Pressure Vessel) untuk Pengolahan Limbah Kelapa Sawit dengan Variabel Kapasitas Produksi 10.000 ton/bulan, FEMA, Vol. 1, 36-41.
[9] Rananggono,  D.,  Mulyadi,  Y.,  &  Winarno,  G.  D,  2010,  Studi  Kekuatan  Mekanik  dan  Struktur  Mikro  Hasil Pengelasan  SMAW  dengan  Variasi  Preheat  dan  Postheat  Menggunakan  Metode  Pendinginan  Cepat  dan Pendinginan Lambat, Jurnal Tugas Akhir ITS, 1-9.
[10] The American Society of Mechanical Engineers, 2015, ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section II Part D, New York, ASME.