ev aluasi tegangan p ada nosel t angki …digilib.batan.go.id/e-prosiding/file...

Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

EVALUASI TEGANGAN PADA NOSEL TANGKI PEMBANGKIT UAP PL TNDENGAN PROGRAM ANSYS

Utaya-Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir -BAT ANB.Bandriyana- Pusat Teknologu Bahan Industri - BATAN

ABSTRAK

EVALUASI TEGANGAN PAOA NOSEL TANGKI PEMBANGKIT UAP

PLTN OENGAN PROGRAM ANSYS. Studi tentang pemodelan dan perhitungan

tegangan dalam nose I PLTN tipe PWR dilakukan untuk evaluasi dan pengembangan

desain komponen mekanik sistem PLTN. Untuk model perhitungan diambil material nosel

dari baja SA 516-70 dengan modulus elastisita 2. 101\ MPa dan angka Poisson 0,296.

Perhitungan dilakukan dengan pemodelan 3 dimensi berdasarkan metode elemen hingga

menggunakan program ANSYS. Oistribusi tegangan menunjukkan harga tegangan total

pada nosel berkisar antara 100 sampai dengan 700 MPa. Konsentrasi tegangan terjadi pada

sambungan antara nosel dan tangki pada permukaan bagian dalam dengan tegangan

maksimum sekitarO 706 MPa dan pergeseran maksimum sebesar 2,36 mm memenuhi

persyaratan desain. Evaluasi dan pengembangan desain untuk komponen dapat dilakukan

lebih teliti berdasarkan tegangan lokal maksimum.

Kata kunci : tegangan , nosel, ANSYS

ABSTRACT

STRESS EVALUATION ON NOZLE OF STEAM GENERATOR FOR THE

NUCLEAR POWER PLANT USING THE ANSYS PROGRAM. Study on modeling and

calculation of stress was performed in the nozle of steam generator of the PWR-nuclear

power plant. The material of nozle was steel SA 516-70 with the modulus elasticity of 2.

101\ MPa and the Poisson ratio of 0,296. The calculation was done by the finite element

method using the 3 dimension modeling of ANSYS 5.4. program. The stress distribution

showed the stress on nozzle was 100 to 700 MPa. The stress concentration was occurred

at the junction of the nozzle and vessel in the inner surface with the maximum stress

arround of 706 MPa and the maximum displacement of 2,36 mm met with the design

121

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

requirement. Evaluation and development of the component design could be done more

accurately by based on the maximum local stress.

Key words: residual stress, welding, Tee junction, finite element

Disampaikan pad a Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 2007, Pusat

Rekayasa Perangkat Nuklir-BA TAN, 20 Nopember 2007.

PENDAHULUAN

Nosel merupakan komponen penting dalam tangki pembangkit uap pada sistem

PLTN yang berfungsi sebagai penyambung tangki dengan sistem pemipaan. Nosel

disambungkan secara mati pada tangki dengan menggunakan sambungan las. Sambungan

nosel ini merupakan titik kritis yang menjadi dasar perhitungan struktur dan kekuatan

tangki pembangkit. Beberapa program komputer secara khusus dibuat untuk mengevaluasi

kekuatan nosel secara praktis, misalnya dalam program PV ELITE. Untuk perhitungan

desain bisa juga digunakan metode dan rumusan dari ASME VIII tentang desain bejana

tekan dan komponen nuklir. Program perhitungan dalam PV ELITE dilakukan dengan

mengambil ban yak asumsi dan menghasilkan nilai tegangan secara global sehingga

mengurangi tingkat ketelitian hasil perhitungan. Rumusan ASME juga menghasilkan

tegangan secara global dengan berbagai perhitungan parameter yang cukup rumit dan lama

untuk mengevaluasi desain.

Untuk meningkatkan ketelitian dalam desain nosel dewasa ini telah ban yak

dikembangkan metode perhitungan yang berdasarkan teori elemen hingga. Dasar dari

metode elemen hingga adalah membagi benda kerja menjadi elemen-elemen kecil yang

jumlahnya berhingga dan dapat menghitung reaksi akibat beban pada kondisi batas yang

diberikan. Ide ini sangat membantu ketika perhitungan analitis diferensial sangat susah

dilakukan karena berbagai faktor, misal karena geometri, variasi beban,

dan waktunya yang simultan. Dari elemen-elemen terse but dapat disusun. persamaan

persamaan matrik yang bisa diselesaikan secara numerik dan hasilnya menjadi jawaban

dari beban pada kondisi beban yang diberikan pada benda kerja tersebut. Salah satu basis

122

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

perhitungan dengan metode elemen hingga adalah program komputer ANSYS yang bisa

digunakan untuk evaluasi berbagai model desain mekanik, termal maupun model aliran

fluida. Permasalahan yang perlu diperhatikan dalam penggunaan program ANSYS adalah

penyiapan data masukan (input) untuk menggambarkan geometri benda serta asumsi untuk

menentukan beban dan syarat batas sesuai dengan teori perhitungan elemen hingga.

Penggunaan program ini dapat menghasilkan distribusi tegangan dalam komponen

sehingga diperoleh hasil yang teliti dengan meninjau tegangan lokal maksimum.

Makalah ini menguraikan suatu studi untuk evaluasi kekuatan desain nosel dengan

menghitung dan menganalisis distribusi tegangan yang terjadi dalam nose I menggunakan

program ANSYS. Hasil perhitungan dan analisis diharapkan untuk menjadi dasar dalam

evaluasi tegangan nosel khususnya dalam teknik dan metode komputasi sehingga dapat

dikembangkan untuk evaluasi desain peralatan nose!. Dengan diperolehnya program

masukan yang teruji maka evaluasi dan pengembangan desain akan mudah dilakukan

dengan model perhitungan dan simulasi.

METODE DAN T AT A KERJA

Perhitungan dengan program ANSYS

Metode perhitungan tegangan dilakukan berdasarkan langkah perhitungan

dengan program ANSYS sebagai berikut[l], [2] :

1. IDEALISASI PROBLEM

Analisis untuk pemodelan dilakukan dengan model 3 dimensi untuk nosel dan

bagian atas tangki pembangit uap pad a kondisi steady state. Basis data material,

geometri/ ukuran dan sistem desain serta data operasi untuk penentuan pembebanan

diambil dengan mengacu pada data teknik sistem pembangkit uap PLTN tipe reaktor

bertekananan (PWR). Data-data untuk perhitungan ditentukan sebagai berikut:

123


Geometri dan ukuran [3],[4]

• Diameter tangki pembangkit uap, 0 = 200 em

• Nosel berupa pipa dengan diameter luar, d = 25 em

• Tebal tangki, t = 2,5 em

• Tebal pipa nosel, tn = 3 em

• Panjang nosel, L = 30 em

Data material[S]

ISSN 1693-3346

• Material untuk nosel, baja SA 516-70 dengan data dan sifat mekanik :

• Modulus elastisitas, E = 2 x lOll MPa,

• Angka Poisson, v = 0,296

Parameter operasi [3],[4]

• Tekanan uap primer pad a tutup tangki atas , p = 17 MPa

• Suhu operasi pada tangki dan nose I, T = 147°e

2. PREPROCESSING

Dalam tahap ini dilakukan proses pembuatan model geometri 3 dimensi,

pemasukan sifat-sifat material dengan data seperti pada idealisasi dan pemilihan tipe

elemen, Langkah selanjutnya membuat mesh untuk membagi model kedalam elemen

hingga. Untuk elemen dipilih tipe elemen untuk struktur dalam analisa 3 dimensi, yaitu

3 dimensional 4-node tetrahedral structural solid atau disebut SOLID92[6]. Meshing

dilakukan dengan eara otomatis dan membagi komponen tangki bagian atas dan nose I

dalam bentuk elemen yang semakin mengeeil pada ujung sambungan nosel dan tangki

dengan jumlah elemen sebanyak 378 elemen. Geometri tangki tutup bagian atas dan

nose I dengan hasil mesh dari model ditunjukkan dalam gambar I.

124


Gambar 1. Geometri dan meshing dari model tutup tangki dan nose I

3. PENYELESAIAN (SOLUTION)

ISSN 1693-3346

Langkah ini berisikan pemberian syarat batas dan pemberian beban berupa tekanan

untuk tangki kemudian menyelesaikan persamaan aljabar dengan program ANSYS .

Untuk beban dalam perhitungan ini hanya diambil beban mekanik berupa tekanan sebesar

17 MPa pada. bagian dalam tangki dan nosel. Untuk syarat batas dalam perhitungan

diambil kondisi sambungan sebagai titik tetap sehingga terjadi distribusi tegangan akibat

pengaruh tekanan.

4. POST PROCESSING

Dalam proses ini dilakukan pengambilan data-data penting dari hasil perhitungan untuk

keperluan analisis. Data hasil perhitungan berupa distribusi tegangan total dan distribusi

pergerakan total dari model.

125

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

HASIL DAN PEMBAHASAN

ISSN 1693-3346

Hasil perhitungan dengan program ANSYS menunjukkan pola distribusi tegangan

total (von mises), dan distribusi pergeseran total seperti yang disajikan dalam Gambar 2

dan 3.

.A.N3YS 5.'1APR 9 200612:22:39

NODAL SOLUTION

STEP-1SUE -1TIME-l

SEQV (AVG)Powe["Gt"aphic~[FACET-l

J..VRES-MatDMX -2.266SMN -29.751SKX -7059

_ 29.7511!:2!!1 810.798D 1592o 2373IE'!!] 315qD 3935D n16D 5q97_ 6278

7059

Gambar 2. Oistribusi tegangan total pada tangki dan nose I

ANSYS 5.4APR 9 200612: 23: 12NODAL SOLUTIONSTEP-!SUB -1TIME-!USUH (A.VG)R5Y5-QPoverGre.phiceEFACET-!AVRES-I'!at.DHX -2.2665HX -2.266

_ 0ER!J .25175C:J .503501c:J .755251~ 1.007CJ 1.259c::J 1.511c::J 1.762_ 2.0142.266

Gambar 3. Oistribusi pergeseran total pad a tangki dan nosel

126


ISSN 1693-3346

Gambar 2 menunjukkan distribusi tegangan pada nosel dan tangki bagian atas

ditampilkan dalam posisi utuh. Selain distribusi tegangan dapat diamati besarnya distribusi

pergeseran (displacement) total seperti disajikan dalam Gambar 3.

Berdasarkan pola distribusi tegangan dan pergeseran tersebut dapat diamati posisi

titik (node) dan harga tegangan serta pergeseran maksimum yang terjadi pada nosel dan

tangki. Pola distribusi tegangan pada Gambar 2 menunjukkan harga tegangan pada daerah

tangki cukup rendah berkisar antara 30 sampai 800 Kg/mm2 atau sekitar 3-80 MPa,

sedangkan pada daerah nosel tegangan yang terjadi berkisar antara lOOOsampai dengan

7000 Kg/mm2 atau sekitar 100 - 700 MPa. Tegangan maksimum sekitar 706 MPa terjadi

pada sambungan tangki dan nosel dan beberapa titik pada ujung nosel merupakan titik

kritis dari desain.

Dari hasil perhitungan berdasarkan perumusan tegangan akibat tekanan dinding

sebesar 17 MPa dengan rum us umum untuk tegangan keliling secara konvensional

diperoleh hasil tegangan rata-rata sebesar 340 MPa. Validasi dengan menggunakan

rumusan dasar tegangan pada tangki dengan perhitungan menggunakn standar ASME VIII

bisa memberikan evaluasi batas kekuatan desain dengan memberikan faktor rasio tegangan

maupun pengaruh momen. Dalam penelitian ini belum dilakukan validasi terhadap hasil

perhitungan dari standar ASME.

Untuk desain secara konvensional batas tegangan ijin bisa digunakan dibawah

tegangan elastis bahan yang untuk baja ini berada di sekitar 400 MPa. Dari hasil

perhitungan dengan ANSYS diperoleh tegangan maksimum diatas batas kekuatan bahan

meskipun masih berada dibawah tegangan maksimum yang diijinkan bahan sekitar 750

MPa. Secara konvensional tegangan masih dibawah tegangan ijin desain. Dari hasil ini

diketahui bahwa desain masih aman terhadap tegangan nosel tetapi pada titik tertentu pada

tegangan lokal maksimum perlu mendapat perhatian karena sudah mendekati batas aman

desain.

Berdasar data dari pola distribusi pergeseran pad a Gambar 3, besarnya pergeseran

maksimum sekitar 2,3 mm terjadi pada daerah ujung nosel yang juga merupakan daerah

tegangan tinggi. Titik dengan tegangan dan regangan tinggi akan merupakan titik kritis

untuk kerusakan fatik atau creep j ika dioperasikan pada suhu tinggi. Pada operasi

pembangkit uap ini suhu operasi maksimum 350°C belum memberikan pengaruh

terjadinya kerusakan creep.

127


ISSN 1693-3346

Dengan modeling ini dapat dievaluasi batas tegangan dan regangan kritis yang

dicapai dan dapat didesain ulang jika melebihi persyaratan desain yang ditentukan.

Modeling untuk perhitungan tegangan akan membantu dan menjadi alat evaluasi yang

efektif dengan menghasilkan perhitungan yang lebih teliti karena tidak menganggap

tegangan merata keseluruh bagian komponen. Masalah utama yang perlu mendapat

perhatian dalam modeling ini adalah ketelitian hasil. Ketelitian hasil akan sangat

dipengaruhi oleh langkah dalam mengambil model, asumsi data dan ketelitian modeling.

Verifikasi hasil perhitungan dalam modeling ini belum dilakukan dengan teliti baik

dibandingkan dengan hasil perhitungan program ataupun hasil eksperimen.

Pengembangan perhitungan dapat dilakukan untuk berbagai model dan ukuran

nosel untuk memperoleh hasil perhitungan yang teliti. Dengan mengubah data dan input

file akan dengan mudah diketahui hasil tegangan maksimum dan daerah kritis yang terjadi.

Penggambaran geometri menggunakan program AUTOCAD atau SOLID WORK untuk

mempermudah pembuatan gambar sebagai masukan program perlu dilakukan untuk

pengembangan komputasi.

KESIMPULAN

Distribusi tegangan dalam nosel pada tangki pembangkit uap suatu PLTN dapat

dihitung menggunakan metoda elemen hingga. Bagian kritis dengan tegangan maksimum

sebesar 706 MPa terjadi pada sambungan antara pipa dan nosel dengan pergeseran

maksimum 2,36 mm masih berada dalam batas aman tegangan maksimum bahan. Metode

elemen hingga menggunakan program ANSYS dapat memberikan simulasi untuk analisis

dan desain nose I dengan baik dengan mengubah data berupa input file.

128


UCAP AN TERIMA KASIH

ISSN 1693-3346

Diucapkan banyak terima kasih kepada Bapak Sunardi Dipl. Ing. staf Bidang Bahan

Industri Nuklir PTBIN-BA TAN yang ban yak membantu dalam simulasi dan pemodelan.

DAFT AR PUST AKA

1. Anonim, "ANSYS Structural Analysis Guide," ANSYS, Inc., 1994.

2. SAEED MOA YENI, " Finite Element Analysis", Prentice Hall, New Jersey, 1999,

USA

3. Anonim, AP600 Plant Design Criteria, GW-GI-OOI RevA-Westinghouse Energy

Center, 1994.

4. EUGENE CAMP, "Three-dimensional Finite Element and Three-dimensional Photo

elastic Experiment Stress Analysis of PWR Steam Generator", Structural Mechanics in

Reactor Technology", Atomic Energy Society of Japan, 1991.

5. SHACKELFORD, J. F, WILLIAM ALEXANDER, "Materials Science and

Engineering Hand Book," CRC Press, Inc., 1994.

6. FRANK STASSA, "Applied Finite Element Analysis for Engineers",

CBS Collage Publishing.

129

ev aluasi tegangan p ada nosel t angki …digilib.batan.go.id/e-prosiding/file...

Documents