Material yang umum dipakai pada coke drum ada beberapa macam, material tersebut dapat dilihat pada tabel 2.1
Tabel 2.1. Sifat material coke drum
[6]
Base metal Jenis
Tarikan ksi
Yield min. ksi
A516-70 Carbon steel
70-90 38
A204 C Carbon – ½ Moly
75-95 43
A387-11, CL2 1 14 Cr – ½ Moly
75-100 45
A387-12,CL2 1 Cr – ½ Moly
65-85 40
A387-22, CL2 2¼ - 1 Moly
75-100 45
405 clad 13 Cr
60-90 25
410S clad 12 Cr
60-90 30
Jenis material coke drum yang digunakan adalah SA-387 Gr.11 CL.2 dengan komposisi 1¼ Cr – ½ Mo – Si. Poison rasio sebesar 0,3, dengan densitas material
coke drum 7850 kgm
3
.
2.2 Kelelahan Bersiklus Rendah
Suatu kelelahan dikatakan bersiklus rendah apabila suatu benda memiliki ketahanan diberi tegangan bolak balik sampai kira-kira 10
4
siklus. Pengatahuan tahanan kelelahan pada daerah bersiklus rendah ini diperlukan untuk perencanaan
alat-alat berumur pendek atau kemungkinan menerima beberapa beban lebih yang besar selama umurnya.
Kegagalan rendah hampir selalu dimulai pada suatu ketidak mulusan setempat seperti sebuah takikan, retak, bidang pemusatan tegangan yang tinggi
lainnya. Bila tegangan pada ketidak mulusan tersebut melampaui batas elastis,
12 Universitas Sumatera Utara
regangan plastis terjadi. Kalau kepatahan karena lelah terjadi, berarti disana terjadi regangan plastis berulang-ulang
Pada tahun 1910 melalui percobaan Bairstow membuktikan teori Bauschinger bahwa batas elastis dari besi dan baja bisa diubah, naik atau turun,
dengan pengulangan variasi tegangan. Pada umunya, batas elastis dari baja anil annealed steel akan naik apabila diberi pengulangan tegangan yang bolak-balik,
sementara baja tarik dingin menujukkan penurunan batas elastis. Benda percobaan untuk beban lentur yang bolak-balik tidak cocok untuk
regangan berulang karena sulitnya mengukur regangan plastis. Akibatnya, penelitian yang pernah dilakukan kebanyakan menggunakan benda percobaan
untuk beban aksial. Dengan menggunakan transducer listrik adalah mungkin untuk membangkitkan sinyal yang berbanding lurus, masing-masing, terhadap
tegangan dan regangan. Sinyal-sinyal ini kemudian dapat diperlihatkan pada osiloskop atau digambarkan pada plotter XY. R.W. Landgraf telah meneliti
perilaku dari kelelahan bersiklus rendah pada baja berkukatan tinggi dalam jumlah yang banyak dan selama penelitian tersebut telah banyak membuat gambar
teganan regagangan berulang. Gambar 2.5 dibuat untuk memperlihatkan penampilan secara umum dari gambar-gambar untuk beberapa siklus pendahuluan
dari regangan berulang terkendali. Dalam kasus ini kekuatan menurun terhadap pengulangan tegangan, seperti dibuktikan oleh kenyataan bahwa pembalikan juga
terjadi pada tingkat tegangan yang lebih rendah. Sebagaimana yang sebelumnya dicatat, bahan-bahan lain mungkin bisa menjadi bertambah kuat karena
pengulangan tegangan pembalikan tersebut. Hasil yang sedikit berbeda mungkin didapat apabila pembalikan awal
terjadi pada daerah tegangan tekan; hal ini mungkin karena pengaruh penguatan kelelahan oleh tegangan tekan.
Laporan landgrave mengandung sejumlah gambar yang membandingkan hubungan tegangan regangan yang monoton baik untuk tarikan maupun untuk
tekanan dengan kurva tegangan regangan berulang. Pentingnya gambar ini adalah bahwa ini mempertegas betapa sulitnya mencoba menaksir kekuatan lelah dari
bahan yang harga kekuatan mengalah yield stress atau kekuatan akhirnya ultimate stress yang monoton diketahui dalam daerah bersiklus rendah
13
Universitas Sumatera Utara
B Ke 4
Ke 2
σ
Δσ
p
Δε
e
Δε
Δε
ε
A
Gambar 2.5 Lingkaran histeris tegangan dan regangan
[9]
Fatigue Design dan Evaluaton Steering Committee dari SAE tahun 1975 mengeluarkan laporan dimana umur dalam beberapa kali perubahan sampai gagal
dikaitkan dengan amplitudo regangan. Laporan tersebut berisi sebuah gambar dari hubungan ini untuk baja SAE 1020 yang dirol panas; grafik ini dicetak kembali
pada Gambar 2.6. . Untuk menjelaskan Gambar 2.6 pertama-tama kita menetapkan beberapa istilah berikut
b c
1.0
1.0 Regangan plastis
Regangan total
Regangan elastis
E
F
σ
F
ε
10 10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10 10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
Pengulangan sampai gagal, 2N
Amplitudo regangan,
Δε 2
Gambar 2.6 log-log menunjukkan bagaimana umur kelelahan dikaitkan dengan amplitudo regangan
[9]
14 Universitas Sumatera Utara
Koeffisien daktilitas kelelahan fatigue ductility coefficient ε’
p
adalah regangan yang berkaitan dengan kepatahan pada satu pembalikan titik A pada
Gambar 2.5. Koeffisien kekuatan kelelahan Fatigue strength coefficient
σ’
F
adalah tegangan sebenarnya yang berkaitan dengan kepatahan pada satu pembalikan titik
A pada Gambar 2.5 perhatikan pada Gambar 2.6 bahwa garis regangan elastis mulai pada σ’
F
E Eksponen daktilitas kelelahan Fatigue ductility exponent c adalah
kemiringan garis regangan plastis pada Gambar 2.6 dan adalah pangkat untuk menaikkan umur 2N agar berbanding lurus dengan amplitudo regangan plastis
sebenarnya. Eksponen kekuatan kelelahan Fatigue strength exponent b adalah
kemiringan garis regangan elastis, dan adalah pangkat yang diberikan untuk menaikkan umur 2N agar berbanding lurus dengan amplitudo tegangan
sebenarnya. Pada Gambar 2.6, dapat dilihat bahwa regangan total adalah jumlah dari
komponen elastis dan plastis. Maka amplitudo regangan total adalah :
2 Δε
2 Δε
2 Δε
p e
+ =
2.1
Persamaan garis regangan plastis dalam Gambar 2.7 adalah
c F
p
N 2
ε 2
Δε =
2.2
Persamaan untuk garis regangan elastis adalah
b F
e
N E
2 ε
2 Δε
= 2.3
Karena itu, dari persamaan 2.1, untuk amplitudo regangan total didapat :
c F
b F
N N
E 2
ε 2
2 Δε
+ =
σ 2.4
15
Universitas Sumatera Utara
yaitu persamaan Manson-Coffin antara umur kelelahan dan regagan total. Beberapa harga koeffisien dan eksponen tersebut didaftarkan pada laporan SAE
J1099. Walaupun persamaan 2.4 adalah suatu persamaan sempurna yang sah untuk umur kelelahan dari suatu bagian bila regangan dan perilaku pengulangan
diberikan, ternyata hanya sedikit pemakaiannya dalam perencanaan. Ada kemungkinan faktor pemusatan regangan akan bisa didapat pada buku-buku hasil
penelitian menggunakan analisa elemen hingga. Analisa elemen hingga tersendiri dapat menaksir regangan yang akan terjadi pada semua titik pada struktur yang
dimaksud. Siklus rentang regangan yang terjadi akibat beban berulang dapat dilihat
pada Gambar 2.7, dimana pada setiap siklus dapat dihitung menggunakan persamaan :
Δε = Δε
max
– Δε
min
2.5
Waktu pembebanan
regangan
Δε
max
Δε
min
ε
min
ε
max
Gambar 2.7 Siklus nilai regangan terhadap waktu pada pembebanan berulang
[9]
Coke drum beroperasi dalam kategori produksi dengan temperatur tinggi dengan siklus kelelahan rendah. Diagram kelelahan desain atau rentan regangan
dibanding jumlah siklus hingga rusak digunakan untuk menghitung umur kelelahan. Material coke drum adalah SCMV3 1 14Cr – 12Mo steel JIS G
4109. Persamaan Coffin-Manson digunakan
β α
N C
N C
e p
+ =
Δε 2.6
16
Universitas Sumatera Utara
Pada persamaan 2.6 Δε adalah rentan regangan dan N adalah jumlah siklus
hingga rusak. Dimana konstanta yang digunakan berdasarkan material dan temperatur operasional 500
C adalah Cp= 1,4 , α= 0,85 , Ce= 0,0064, β= 0,1
Untuk hubungan antara switching temperatur dan jumlah siklus hingga rusak, persamaan umur pakai pada sambungan shell skirt adalah sebuah fungsi
switching temperatur yang telah dikembangkan. Umur pakai dapat dihitung menggunakan persamaan
N= Ae
BT
2.7
Persamaan 2.7 diperoleh dari hasil eksperimen dengan menentukan persamaan garis dari beberapa selisih regangan ΔS pada proses cooking terhadap umur pakai
N. Keofisien A dan B adalah 0,6564 dan 0,0249. T adalah switching temperatur dalam derajat Celsius. Persamaan diatas hanya valid untuk subjek dengan dimensi
dan karakteristik operasi yang digunakan pada analisa ini.
2.3 Tegangan dan Regangan Termal