## Perancangan Air Pressure Tank dengan Bantuan PVElite Software Untuk Kebutuhan Praktikum Hidrolik dan Pneumatik
Iwan Agustiawan, Eka Taufiq Firmansjah, Rais Wicaksono Sugiri Teknik Mesin Institut Teknologi Nasional Bandung, Indonesia Jl. PHH. Mustafa No.23 Bandung 40124 email : gusti@itenas.ac.id
Received 06 Oktober 2022 | Revised 06 November 2022 | 15 November 2022

## ABSTRAK
Air pressure tank adalah tempat untuk menampung udara bertekanan. Perancangan menggunakan standar ASME VIII.. Air pressure vessel harus dapat memenuhi kebutuhan udara bertekanan pada pada modul HPC-03 dan modul HPC-04. Debit yang dibutuhkan untuk dapat mengoperasikan modul HPC-03 yaitu sebesar  25x10 -4 m 3 /s  selama  6  menit  dan pada  modul  HPC-04  sebesar  2,78x10 -5 m 3 /s  selama  7 menit. Pengisian  udara  bertekanan  dilakukan  saat  praktikum  tidak  berjalan  atau  setiap  1  sesi  praktikum.  Air pressure vessel yang dirancang bertipe vertikal dan beroperasi pada tekanan 25 bar serta memiliki volume total sebesar 48838,38 in 3 . Air pressure tank ini memiliki 3 buah nozzle berukuran ½ in yang berfungsi sebagai  nozzle  inlet  udara  bertekanan  dari  kompressor,  nozzle  outlet  sebagai  komponen  untuk mengeluarkan udara bertekanan kedalam sistem pneumatik pada modul HPC-03 dan modul HPC-04, dan drain nozzle untuk menguras udara bertekanan serta mengeluarkan air yang ada jika terjadi pengembunan. Perancangan dan pemodelan air pressure vessel menggunakan bantuan Software PVElite. Dari Software PVElite didapatkan ketebalan minimal pada shell yaitu 0,6250 in dan ketebalan minimal pada head yaitu 0,6112 in dengan MAWP air pressure vessel adalah 403,163 psi.
Kata kunci: pressure vessel, air pressure tank, pneumatik, PVElite, ASME VIII .

## ABSTRACT
Pressure vessel is a container for compressed air. Design according to ASME VIII. Air pressure vessels on the HPC-03 and HPC-04 modules must be capable of meeting compressed air requirements. The discharge required to operate the HPC-03 module is 25x10 -4 m 3 /s for 6 minutes, while the discharge required to operate the HPC-04 module is 2.78x10 -5 m 3 /s for 7 minutes. Every single practicum session or when the practicum is not in progress, compressed air is refilled. The pressure vessel designed as a vertical air pressure vessel with 48838.38 in 3 of total volume and operates at a pressure of 25 bar. This air pressure tank has three nozzles in ½ in, one of which serves as a pressured air nozzle inlet from the compressor, nozzle outlet as a component for extracting compressed air for the pneumatic system on the HPC-03 and HPC-04  modules,  and  a  drain  nozzle  for  draining pressurized  air  and  removing  water in  the  event  of condensation. Using PVElite software, air pressure vessels may be designed and modeled. According to the PVElite software, the minimum shell thickness is 0.6250 in and the minimum head thickness is 0.6112 in, with the MAWP air pressure vessel being 403.163 psi.
keywords: pressure vessel, air pressure tank, pneumatik, PVElite, ASME VIII .
1. Pendahuluan
Air pressure tank adalah tempat untuk menampung fluida gas yang memiliki tekanan berbeda dengan tekanan atmosfer [1] . Berdasarkan tipenya, Air pressure tank terbagi menjadi tipe vertikal dan  horizontal.  Pemilihan  tipe air  pressure  tank berdasarkan  ruang  yang  tersedia  dan  faktor eksternal seperti kecepatan angin dan guncangan yang mungkin dapat terjadi [2] .
Perancangan Air Pressure Tank untuk kebutuhan praktikum pneumatik di Laboratorium Hidrolik dan Pneumatik Teknik Mesin Itenas membutuhkan data-data penting seperti ruang yang tersedia untuk ditempatkan air pressure tank, tekanan udara, dan debit yang diperlukan pada rangkaian sistem pneumatik, seperti pada modul 03 (Sistem Pneumatik Kontrol PLC) dan modul 04 (Sistem Hidraulik  dengan  Input  Udara  Bertekanan  menggunakan Air  to Hydraulic  Pressure  Booster ). Perancangan air pressure tank ini bertujuan supaya kompressor tidak perlu dinyalakan pada saat praktikum sedang berlangsung dan kompressor hanya digunakan untuk mengisi air pressure tank ketika praktikum tidak sedang berlangsung.
Standar  yang  digunakan  pada  perancangan air  pressure  tank ini  adalah American  Society  of Mechanical  Engineers (ASME)  bagian  VIII  supaya air  pressure  tank aman  digunakan  dan mencegah terjadinya ledakan akibat kesalahan dalam perancangan [3] . Perancangan air pressure tank ini menggunakan bantuan software PVElite untuk menganalisis dan mensimulasikan desain sebelum alat dibuat. Pada software ini, sudah tersedia database spesifikasi material sesuai dengan standar  yang  ada.  Jadi,  hasil  analisis  dan  simulasi diharapkan  akurat  sesuai  dengan  hasil perencanaan  dikarenakan  bejana  tekanan  mengandung  resiko  bahaya  tinggi  yang  dapat menyebabkan terjadinya kecelakaan atau peledakan [4] .
2. Metodologi Penelitian 2.1. Diagram Alir Perancangan Air Pressure Tank Metode atau langkah-langkah yang dilakukan untuk merancang air pressure tank dapat dilihat pada diagram alir pada Gambar 1.
Gambar 1. Tahapan Perancangan Air Pressure Tank
2.2. Pengumpulan Data Pengumpulan  data  didapatkan  dari  Laboratorium  Hidraulik  dan  Pneumatik  Institut  Teknologi
Nasional Bandung. Dari pengukuran dan referensi-referensi yang didapatkan, diketahui bahwa pada Modul-03, tekanan operasi yang diperlukan adalah sebesar 3 bar dengan debit 25x10 -4 m -3 /s dan membutuhkan waktu 6 menit. Sedangkan pada Modul-04 tekanan operasi yang diperlukan yaitu 6 bar dengan debit 2,78 x 10 -5 m 3 /s dan membutuhkan waktu hingga 7 menit. Ruang yang tersedia untuk penempatan air pressure tank yaitu lebar maksimal sebesar 800 mm dan tinggi maksimal yaitu 2500 mm.
2.3. Perhitungan Perancangan Air Pressure Tank
Perhitungan  menggunakan  standar  dari  ASME  VIII  section  1  untuk  menghitung  ketebalan minimal  dan  tekanan  yang  terjadi  pada  masing-masing  komponen air  pressure  tank [5] . Perhitungan manual ini digunakan untuk membandingkan dan memverifikasi hasil dari Software PVElite. Perhitungan manual meliputi:
a) Menghitung kapasitas bejana dengan menggunakan persamaan:
= ∙ ∙ (1)
b) Menghitung tebal minimal pada shell dengan persamaan berikut:
t = ∙ , + CA (2)
c) Menghitung tebal minimal pada head dengan persamaan berikut:
t = ∙ ∙ ∙ . ∙ + CA
(3)
d) Menghitung tebal nozzle meliputi wall thickness required pada shell dengan persamaan (4) dan wall thickness required pada head dapat ditentukan dengan persamaan (5).
t r = ∙ ∙ , ∙
(4)
t r = ∙ ∙ ∙ ∙ , ∙
(5)
Nozzle wall thickness required dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut :
t rn = ∙ ∙ , ∙ (6)
e) Menghitung MAWP pada shell dengan persamaan (7) dan perhitungan MAWP pada head dapat  dilakukan  dengan  persamaan  (8).  MAWP  dari air  pressure  vessel menggunakan MAWP terkecil dari shell atau head . Jika MAWP pada masing-masing komponen ternyata lebih  kecil  daripada  tekanan  desain,  maka  perhitungan  harus  diulang  dari  awal  karena spesifikasinya tidak sesuai atau terjadi kesalahan dalam perhitungan [6] .
MAWP shell = ∙ ∙ , ∙ (7)
MAWP head = ∙ ∙ ∙ , ∙ (8)
f) Menentukan support yang  akan  digunakan  berdasarkan  beban  yang  akan  diterima  oleh support. Ketebalan jika menggunakan skirt dapat menggunakan persamaan:
t = ∙ ∙ ∙ ∙ + ∙ ∙ ∙ (9)
2.4. Software PVElite Software PVElite [7] digunakan untuk mendesain pemodelan air pressure tank serta menganalisis hasil desain yang sudah dibuat. Jika terjadi error pada saat pemodelan maupun penginputan data, maka proses perancangan menggunakan Software PVElite harus diulang kembali.
2.5. Analisis Hasil Perancangan Air Pressure Tank
Analisi hasil perancangan yaitu membandingkan hasil perhitungan secara teori (manual) dengan hasil analisis pada Software PVElite. Data yang diambil adalah data yang dihasilkan dari Software PVElite . Jika sudah sesuai dengan syarat kebutuhan, maka perancangan bisa dilanjutkan ke hasil perancangan.  Jika  ternyata  hasil  perancangan  tidak  memenuhi  syarat  kebutuhan,  maka perhitungan secara teori dan menggunakan Software PVElite harus diulang dari awal.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Data Perancangan
Setelah melakukan trial and error untuk menentukan dimensi serta spesifikasi dari air pressure tank, diperoleh data sebagai berikut:
1) Panjang shell silinder : 4,593 in 2) Diameter dalam silinder : 29,06 in 3) Tipe head : 2:1 Ellipsoidal
4) Straight face pada head : 2 in 5) Tekanan operasi : 362,6 psi 6) Tekanan desain : 401,07 psi 7) Temperatur operasi : 89,6 °F 8) Temperatur desain : 139,6 °F
3.2. Kapasitas Air Pressure Tank Kapasitas dari air pressure tank dapat ditentukan dengan persamaan (1).
= ∙ 29,06 ∙ 73,685
4 V = 48838,37921 in 3
3.3. Ketebalan Shell Ketebalan  minimal  pada shell menurut  tegangan  secara circumferential didapatkan  dari persamaan (2).
t = ( , )( , ) ( , )( , ) ( , )( , ) + 0,0787
t = 0,6223 in
3.4. Ketebalan Head Head menggunakan tipe ellpsoidal . Ketebalan pada head dapat ditentukan dengan persamaan (3).
t =
( , )( , ) ( )( , )( , ) ( , )( , ) + 0,0787
t = 0,6123 in
3.5. Ketebalan Nozzle Dari persamaan 4,5, dan 6 didapatkan data teknis nozzle yang terpasang pada shell dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Data Teknis Nozzle No Keterangan Nozzle pada shell Nozzle pada head 01 Material nozzle A53B A53B 02 Tegangan izin maksimal (S) 17100 Psi 17100 Psi 03 Nominal pipe size ½ in (sch 40) ½ in (sch 40) 04 Diameter dalam nozzle (d) 0,622 in 0,622 in 05 Tebal leher nozzle (t n ) 0,109 in 0,109 in 06 Tebal cincin nozzle (t) 0,6223 in 0,6123 in 07 Wall thickness required (t r ) 0,5436 in 0,4792 in 08 Nozzle wall thickness required (t rn ) 0,00999 in 0,00999 in 3.6. Flange Pada Nozzle Air Pressure Tank Flange  menggunakan  tipe Slip-on  Flange dengan  ukuran  standar  ½  in  dengan  rating  300  lb. Flange ini memiliki 4 buah lubang baut dengan material SA-105 yang memiliki tegangan izin maksimumnya sebesar 20000 psi. Dimensi pada flange dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Dimensi Flange Pada Air Pressure Tank
3.7. Maximum Allowable Working Pressure (MAWP) Nilai dari MAWP harus lebih besar atau sama dengan tekanan desain. MAWP pada shell dapat diketahui dari persamaan (7).
MAWP shell = ( , )( , )( , )
( , ) ( , )( , )
MAWP shell = 403,163 psi
MAWP pada head dapat ditentukan dengan persamaan (8).
MAWP head = ( )( , )( , )( , )
( , ) ( , )( , )
MAWP head = 403,226 psi
3.8. Tekanan Tes Hidrostatik Tes  hidrostatik  pada air  pressure  tank sangat  diperlukan  untuk  mengetahui  kekuatan  dan kemungkinan kebocoran pada air pressure tank. Pengetesan dilakukan dengan memasukkan air dengan tekanan 1.5 kali tekanan desain atau sebesar601,605 psi.
3.9. Beban Gempa Beban yang terjadi akibat gempa dapat diketahui dengan menentukan berat dari masing-masing
komponen pada air pressure tank [8] . Berat dari masing-masing komponen yang terpasang di air pressure tank dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Berat Komponen-komponen Air Pressure Tank No Komponen Berat (lb) 1 Shell 1454,65 2 Head 198,14 3 Nozzle 0,8856 4 Flange 4,5 5 Fluida Tes Hidrostatik 1667,68 6 Air Pressure Vessel 3525,40
Periode getaran  akibat beban gempa dapat ditentukan dengan menggunakan rumus berikut:
T = 0,0000265 ∙ ( ) 2 ∙ ∙ (10)
T = 0,0000265 ∙ ( , , ) 2 ∙ , ∙ , ,
T = 0,01047 detik
Total Seismic Shear (V) dapat ditentukan dengan menggunakan rumus berikut:
V = . . ∙ (11)
V = , . . , . ∙ 3525,4088
V = 810,844 lb
Momen maksimum pada air pressure tank dapat ditentukan dengan menggunakan rumus berikut:
M = F t ∙ H + (V - F t ) ∙ ∙ (12)
M = (0 ∙ 7,63) + (810,844 - 0) ∙ ∙ ,

## M = 4124,49 lb.ft
Momen maksimum pada sambungan skirt dan head bawah dapat ditentukan dengan menggunakan rumus berikut:
M T = M( ) (13)
M T = 4124,49 ( , , ) M T = 3004,445 lb.ft
3.10. Tebal Skirt Support Ketebalan minimal pada support dengan tipe skirt dapat ditentukan dengan persamaan (9).
t = ∙ , , ∙ ∙ , ∙ , +
,
, ∙ ∙ , ∙ ,
t = 0,0112 in
3.11. Desain Data Pada Software PVElite Desain data ini melingkupi seluruh komponen pada air pressure tank . Data yang diisi antara lain design internal pressure (psig), design external pressure (psig), design internal temperature (°F ), design external temperature (°F), dan hydrotest type . Desain data dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Desain Data Air Pressure Vessel di Software PVElite
3.12. Mendesain Shell
Data  perancangan  yang  sudah  ditentukan,  kemudian  dimasukkan  kedalam  element  data  di Software PVElite seperti pada Gambar 4.
Gambar 4. Element Data Pada Shell di Software PVElite
Setelah dimasukkan data pada bagian element data, maka hasil desain shell dapat dilihat pada Gambar 5. Dari hasil analisa pada Software PVElite , didapatkan thickness required (Tr) atau ketebalan minimum pada komponen shell seperti pada Gambar 6. yaitu sebesar 0,6250 in dengan MAWP sebesar 401,1 psig.

## Gambar 5. Hasil Desain Shell Pada Software PVElite
Gambar 6. Hasil OutputShell Pada Software PVElite
Hasil analisa dan perbandingan perhitungan manual dan menggunakan bantuan Software PVElite dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Hasil OutputShell pada Software PVElite SHELL Software PVElite Perhitungan Manual Tebal Minimal 0,6250 in 0,6223 in MAWP 401,1 psig 403,163 psig 3.13. Mendesain Head Untuk  mendesain head di Software  PVElite ,  maka  perlu  memasukkan  data  spesifikasi head terlebih dahulu seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Element DataHead Pada Software PVElite
Setelah element data dimasukkan, maka akan terbentuk gambar 3D dari ellipsoidal head seperti pada Gambar 8.

## Gambar 8. Hasil Desain Head Pada Software PVElite
Setelah semua komponen dari head terbentuk, maka bisa dilihat analisis dari Software PVElite
seperti pada Gambar 9. Pada gambar tersebut diketahui bahwa ketebalan minimumnya adalah 0,6112 in dan MAWP yang terjadi pada head adalah sebesar 401,1 psig.
Gambar 9. Hasil OutputHead Pada Software PVElite
Hasil analisis dan perbandingan antara perhitungan manual dan menggunakan bantuan Software PVElite dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Hasil OutputHead pada Software PVElite HEAD Software PVElite Perhitungan Manual Tebal Minimal 0,6112 in 0,6123 in MAWP 401,1 psig 403,226 psig 3.14. Mendesain Skirt Untuk  mendesain skirt ,  terlebih  dahulu  memasukkan  data  pada  element  data  pada Software
PVElite . Berbeda dengan komponen lainnya, Diameter Basis menggunakan diameter luar sebagai refrensinya seperti pada Gambar 10.
Gambar 10. Element Data Skirt Pada Software PVElite
Untuk memberikan lubang pada skirt , ceklis evaluate holes in skirt pada element data di Gambar 10. dan isi dimensi lubang seperti pada Gambar 11.
Gambar 11. Input Lubang Pada Skirt di Software PVElite
Setelah Element Data dimasukkan, maka akan terlihat desain dari skirt seperti pada Gambar 12. Panjang skirt 1,44 ft dengan tebal 0.0119 in.

## Gambar 12. Hasil Desain Skirt Dengan Software PVElite
3.15. Desain Akhir Air Pressure Tank Desain akhir dari air pressure tank dapat digambarkan oleh Software PVElite yang terlihat pada
Gambar 13. Material pada masing-masing komponen dapat dilihat pada Tabel 5. Jumlah nozzle yang terpasang pada perancangan air pressure tank dapat dilihat pada Tabel 6.
Gambar 13. Desain Akhir Air Pressure Tank Pada Software PVElite
Tabel 5.Material Komponen-komponen Air Pressure Vessel No Komponen Material 1 Shell SA-414 A 2 Head SA-414 A 3 Nozzle A-53 B 4 Flange SA-105 5 Skirt
SA-414 A Tabel 6. Nozzle pada Air Pressure Vessel No Jumlah Ukuran Nom. (in) Material Fungsi N1 1 ½ A53B Inlet N2 1 ½ A53B Outlet N3 1 ½ A53B Drain 3.16. Analisis/Pembahasan Setelah melakukan perhitungan perancangan air pressure tank secara manual maupun dengan bantuan Software PVElite , didapatkan selisih perbandingan yang dapat dilihat pada Tabel 7.
Tabel 7. Perbandingan Software PVElite dan Perhitungan Manual NO PARAMETER MANUAL PVElite Selisih Perbandingan (%) 1 Tebal dinding shell (in) 0,6223 0,6250 0,43
NO PARAMETER MANUAL PVElite Selisih Perbandingan (%) 2 Tebal dinding head (in) 0,6123 0,6112 0,18 3 MAWP s hell (psi) 403,163 401,1 0,51 4 MAWP head (psi) 403,226 401,1 0,53 5 Tebal leher nozzle (in) 0,00999 0.0098 1,02 6 Tebal dinding nozzle pada shell (in) 0,5436 0,4628 17,46 7 Tebal dinding nozzle pada head (in) 0,4792 0,4080 17,45 Pada perhitungan nozzle , selisih perbandingan terbesar terdapat pada tebal dinding nozzle pada shell dan tebal dinding nozzle pada head yaitu sebesar 17,46% dan 17,45%. Hal ini dapat terjadi karena efisiensi pengelasan pada perhitungan Software PVElite yaitu sebesar 1 (tanpa adanya toleransi cacat pengelasan), sedangkan pada perhitungan manual efisiensi pengelasannya adalah 0,85 (dengan toleransi adanya cacat pengelasan). Selain itu, adanya selisih juga terjadi karena dilakukan pembulatan nilai pada perhitungan manual.Jika efisiensi pengelasan pada perhitungan manual menjadi 1, maka tebal dinding nozzle pada shell menjadi sebesar 0,4606 in dengan selisih perbandingan sebesar 0,48 % dan tebal dinding nozzle pada head sebesar 0,4071 in dengan selisih perbandingan sebesar 0,22 %.
4. Kesimpulan dan Saran Tekanan kerja operasi pada air pressure tank ini adalah sebesar 25 bar dengan volume 48838,38 in 3 Tinggi komponen shell yaitu 4,593 ft dengan diameter dalam 29,06 in dan ketebalan minimal 0,6250 in. Pada komponen head , diameter dalam sebesar 29,06 in dengan ketebalan minimal 0,6112 in. Straight face pada head setinggi 2 in. Nozzle menggunakan pipa standar berukuran 1⁄2
in schedule 40 tanpa reinforcement pad dan flange menggunakan tipe slip-on flange berukuran 1⁄2 in dengan 4 buah lubang baut. Support menggunakan tipe skirt dengan 1 buah lubang sebagai akses  ke drain  nozzle .  Diameter  terluar skirt adalah  30,3025  in  dengan  tinggi skirt 17,32 in.Ketebalan minimal pada skirt yaitu 0,0112 in. Kinerja dan spesifikasi dari perancangan air pressure tank ini cukup untuk melayani kebutuhan udara bertekanan untuk modul pneumatik HPC-03 (Sistem Pneumatik Kontrol PLC) dan modul HPC-04 (Sistem Hidrolik dengan Input Udara Bertekanan menggunakan Air to Hydraulic Pressure Booster ).
Rata-rata  perbandingan  selisih pada Software  PVElite dan  perhitungan  secara  manual  yaitu 5,367%. Software PVElite ini bisa digunakan untuk merancang suatu pressure tank dikarenakan Software PVElite ini menggunakan standar American Society of Mechanichal Engineer (ASME) bagian  VIII.  Daftar  material  dan  kekuatannya  sudah  sesuai  dengan  spesifikasi  standarnya walaupun kekuatan material pada Software PVElite ini dibulatkan.
5. Daftar Pustaka
[1] Jasmin M., Miftachul M., Nur E. 2014. Perancangan dan Analisis Vertical Pressure Vessel Tipe  Gas  Separator  untuk  Penambahan  kapasitas  Gas  Plant.  Jurnal  Proceeding  3rd Conference of Piping Engineering and its Application. 28-33.
[2] Aziz A., Hamid A., Hidayat A. 2014. Perancangan Bejana Tekan (Pressure Vessel) Untuk Separasi 3 Fasa . Jurnal SINERGI vol. 18, No. 1, 1410-2331. 31-38.
[3] Hikmat  M.  2007.  Perancangan  Bejana  Tekan  Horisontal,  Program  Strata  Satu  Jurusan Teknik Mesin, Universitas Mercu Buana.
[4] Cahyono E. 2004. Perancangan Bejana tekan vertikal berisi udara untuk peralatan pneumatik kapasitas 8,25 m2 Dengan tekanan kerja 5,7 kg/cm3, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret.
[5] Buthod  P.,  Eugene  F.  2008.  Pressure  Vessel Handbook  Fourteenth  Edition.  Oklahoma, Pressure Vessel Publishing, INC.
[6] The  American  Society  of  Mechanical  Engineers.  2017.  Section  VIII  ASME  Boiler  and
Pressure Vessel Code An International Code – Division 1. New York: The American Society of Mechanical Engineers.
[7] Amol  Mali,  Hemant  Bhosale,  Dilpreet  Singh  Bedi,  Akash  Modasara.  2017. Design  of Vertical  Pressure  Vessel  using  PV  Elite  software. International  Research  Journal  of Engineering and Technology (IRJET) Volume: 04, Issue: 05
[8] Cokorda Prapti Mahandaria, Aji Abdillah Kharisma. 2015. Wind and Earthquake Loads On The Analysis of a Vertical Pressure Vessel For Oil Separator. Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)