7 Putut

Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN BATAN, 14 November 2013

- 94 -

PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNGPABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe

UNTUK PLTN DI INDONESIA

Putut Hery Setiawan dan Petrus Zacharias

PRPN BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIKELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe UNTUK PLTN DI INDONESIA. Proseskonversi UF6 menjadi UO2 pada pabrik produksi bahan bakar nuklir melalui jalurAmonium Uranil Karbonat (AUK) dilakukan dengan menggunakan reaktor gelembung.Keluaran utama dari reaktor gelembung adalah endapan AUK, yang ditampung oleh tankipengendap. Tangki reaktor gelembung dirancang berbentuk vertikal terdiri dari shell danhead berbentuk torispherical. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan standarASME Sec.VII, Div.1. Data masukan berasal dari data sheet proses yang berisispesifikasi tangki berupa dimensi, tekanan, efesiensi dan corrosion allowance (CA). Darihasil perhitungan didapat ketebalan dinding shell sebesar 0,37 mm dan ketebalandinding head sebesar 0,65 mm. Ketebalan ini masih masih harus ditambah dengancorrosion allowance, untuk material Hastelloy dalam suasana senyawa fluor nilai CAditentukan sebesar 3.175 mm untuk umur pabrik 25 tahun. Dengan pertimbanganperancangan yang disesuaikan dengan ketersediaan tebal pelat diindustri, makaketebalan tangki yang digunakan adalah sebesar 4 mm.

Kata kunci: tangki, ketebalan head, ketebalan shell, reaktor gelembung, elemen bakarnuklir

ABSTRACT

CALCULATION OF HEAD AND SHELL BUBBLE REACTOR TANK FOR NUCLEARFUEL ELEMENT PLANT TYPE 1000 MWE FOR PLTN IN INDONESIA. The conversionprocess of UF6 to UO2 in nuclear fuel production plant through AUC performed usingbubble reactor. The main product of the bubble reactor is Ammonium Uranyl Carbonat(AUC), which is accommodated by the settling tank. Bubble reactor tanks are designedconsisted of a vertical-shaped shell and a head shaped torispherical. The designperformed by using the standard ASME Sec.VII, Div.1. Input data from the process datasheet that contains a dimensional specification tanks, pressure, efficiency and corrosionallowance (CA). From the calculation of the shell wall thickness is 0.37 mm and a wallthickness of head is 0.65 mm. Thickness is still yet to be coupled with a corrosionallowance, for Hastelloy material in an fluid service of fluorine, CA value set at 3,175 mmfor 25 year of plant. In consideration of the thickness of the tank design is used by 4 mm.

Keywords: vessel, thickness of head, thickness of shell, bubble reactor, nuclear fuelelement


- 95 -

1. PENDAHULUAN

Untuk mengantisipasi opsi energy listrik, PLTN dipilih sebagai salah satu

pembangkitan energi di Indonesia, Batan melalui Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir

telah melakukan pra studi kelayakan pendirian pabrik elemen bakar nuklir tipe PWR 1000

MWE. Basis bahan bakar PWR (Pressurized Water Reactor) adalah uranium dioksida

(UO2) dalam bentuk pelet tersinter yang disusun di dalam tabung kelongsong zircalloy

kedap (tertutup di kedua ujungnya). Berdasarkan pengalaman negara maju, pabrik

produksi elemen bakar nuklir yang menggunakan umpan UF6 dengan pengkayaan U-

235 sampai 5%, memproduksi serbuk UO2 melalui tiga jalur yaitu [1]:

Jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK)

Jalur Ammonium Diuranat (ADU)

Jalur Kering Terintegrasi ( JKT )

Pilihan teknologi yang diambil adalah proses konversi melalui jalur Ammonium

Uranil Karbonat (AUK) dan Jalur Kering Terintegrasi (JKT) yang dapat dioperasikan

secara parallel atau bergantian sehingga dapat menjamin fleksibilitas dalam produksi [1].

Proses produksi bahan bakar nuklir UO2 melalui jalur Ammonium Uranil Karbonat (AUK)

melewati beberapa proses, salah satunya adalah proses pada tangki reaktor gelembung.

Suhu di dalam tangki reaktor gelembung dipertahankan 60OC, karena unsur-unsur yang

terdapat di dalamnya berupa NH3, UF6, CO2 dan mengandung panas sehingga suhu di

dalam tangki perlu dipertahankan. Media air yang bercampur dengan gas menghasilkan

gas dan endapan AUK, dimana gas sisa dialirkan ke scrubber dan endapan dalam

bentuk AUK dialirkan ke settling tank. Proses tersebut di atas dilakukan di dalam tangki

yang disebut dengan tangki reaktor gelembung, dimana di dalam makalah ini hanya

dibatasi pada perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung yang terdapat dalam

proses melalui jalur AUK.

2. TEORI

Tangki (Vessel)

Tangki (vessel) merupakan bejana yang digunakan untuk menyimpan fluida baik berupa

liquid maupun gas. Tangki ini banyak digunakan pada proses pengilangan minyak dan

juga pada industri-industri lain, terutama industry petrokimia, obat-obatan, makanan dan

juga industri yang menggunakan peralatan otomatis. Selain berfungsi sebagai media

penyimpan, tangki bisa juga berfungsi sebagai pemisah (separator), penyaring (filter),

ataupun sebagai pencampur bahan kimia.


- 96 -

Pada umunya tangki dapat digolongkan dalam beberapa jenis:

1. Tangki berbentuk vertikal (vertical tank),

2. Tangki berbentuk horisontal (horizontal tank),

3. Tangki berbentuk bola (hemispherical tank).

Tanki yang digunakan dalam perhitungan ini adalah tangki berbentuk vertikal

dimana tangki tersebut berisi gas-gas CO2, NH3, UF6 dengan air yang direaksikan

menjadi Ammonium Uranil Karbonat (AUK), dalam hal ini tanki digunakan sebagai reaktor.

Karena bahan baku proses yang digunakan mengandung senyawa fluor, maka

persyaratan material yang digunakan untuk desain peralatan adalah material harus tahan

terhadap senyawa-senyawa UF6 gas dan HF. Desain harus memenuhi faktor keamanan

pada operasi normal maupun transisi atau abnormal, dan untuk mencapai umur desain.

Secara umum, desain vessel ini mengacu ke ASME Sec.VIII Div.1 yang tidak

mengevaluasi secara rinci terhadap semua tegangan yang mungkin terjadi. Sementara

kode yang ada memberikan formula untuk menghitung ketebalan dan stress komponen-

komponen dasar.

Vessel yang mendapat tekanan internal dan atau eksternal akan menimbulkan

tegangan pada dinding shell. Tegangan ini umumnya menimbulkan tegangan triaxial,

ketiga prinsip tegangan itu adalah tegangan longitudinal ( longitudinal stress), tegangan

circumferential (circumferential stress) , dan tegangan radial ( radial stress). Tegangan

radial adalah tegangan yang dihasilkan langsung dari aksi tekanan terhadap dinding, dan

menyebabkan tegangan tekan sama dengan tekanan. Untuk vessel berdiding tipis,

tegangan radial ini sangat kecil dibandingkan dengan tegangan yang lain, sehingga dapat

diabaikan. Jadi untuk tujuan penyederhanaan analisis, keadaan tegangan menjadi biaxial,

sehingga dapat menyederhanakan metode penggabungan tekanan dibandingkan dengan

tegangan triaksial.

Gambar 1. Jenis-jenis tanki [5]

Vertical Tank Horizontal Tank Hemispherical Tank


- 97 -

Komponen utama dari tangki terdiri dari :

Dinding silinder tangki (Shell)

Tutup kepala tangki (head)

Penyangga tangki (support)

Kelengkapan tangki (accessories)

Dalam makalah ini hanya difokuskan pada perhitungan ketebalan dinding silinder

tangki dan tutup kepala tangki. Standar yang digunakan dalam perhitungan ini adalah

ASME Section VIII Div.I, dimana untuk perencanaan tebal silinder menggunakan UG-27.

UG 27 digunakan untuk perhitungan tebal bejana karena tekanan internal, dengan

persamaan sebagai berikut.

Tegangan circumferential (sambungan longitudinal)[4]

dengan :

t = Tebal tangki (mm)

P = Tekanan dalam (kpa)

R = radius dalam shell (mm)

S = Allowable stress matrl. (kpa)

E = Effesiensi = 0.85

Tegangan longitudinal (sambungan circumferential)[4]

Head (head & bottom)

Head merupakan bagian tangki yang berfungsi sebagai penutup silinder (shell),

baik bagian atas tangki (head) maupun bagian bawah tangki (bottom). Pada umumnya

jenis penutup silinder dibagi menurut bentuk geometrisnya dan yang paling sering

digunakan adalah bentuk:

1. Setengah bola (Hemispherical) head

2. Ellipsoidal head

3. Torispherical head


- 98 -

Gambar 2. Jenis-jenis head [5]

Jenis head yang digunakan dalam perhitungan ini adalah jenis torispherical head,

hal ini ditentukan berdasarkan data yang di dapat dari divisi proses, dimana untuk

mendapatkan ketebalan torispherical berdasarkan ASME Section VIII Div. I UG-32[4]

digunakan:

dengan L = diameter dalam torispherical.

Gambar 3. Dimensi torispherical head [2]

3. TATAKERJA PERHITUNGAN

Perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung dilakukan berdasarkan

masukan data dari divisi proses berupa data sheet yang diperlukan dalam perhitungan di

antaranya adalah tekanan desain, material, tipe penutup, corrosion allowance (CA) dan

efesiensi yang diperlihatkan pada Gambar dalam lampiran.

Perhitungan ketebalan dinding silinder (shell)

Material yang digunakan dalam perhitungan ini adalah Hastelloy dimana yield

strength untuk material tersebut berkisar antara 283-690 MPa dan yield yang digunakan

sebesar 300 MPa[3], sedangkan Allowable stress diambil 60% dari yield stregth yaitu

sebesar 180 MPa yang digunakan sebagai dasar perhitungan.

Hemispherical head Ellipsoidal head Torispherical head


- 99 -

Perencanaan ketebalan dinding shell yang diatur dalam ASME SECTION VIII DIV. 1,

2001 ayat UG-27 untuk tegangan circumferencial (sambungan longitudinal) didapat :

dengan :

t = Tebal tangki (mm)

P = Tekanan dalam desain = 3 atm atau = 304 kpa

R = radius dalam shell, dimana diameter dalam shell = 370 mm

S = Allowable stress material hastelloy = 180000 kpa (60% dari yield strength)

E = Effesiensi = 0.85

Sedangkan untuk tegangan longitudinal (sambungan circumferential) didapat:

Dari hasil perhitungan di atas didapat ketebalan shell untuk tegangan circumferential

sebesar 0.37 mm dan untuk ketebalan tegangan longitudinal sebesar = 0.18.

Perhitungan Head

Untuk perhitungan ketebalan head berdasarkan ASME SECTION VIII DIV. 1, 2001 ayat

UG-32 didapat :

dengan : L = diameter dalam torispherical

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Tangki reaktor gelembung berbentuk vertikal, terdiri dari shell yang berbentuk

silinder dan tutup tangki berbentuk torispherical. Dari perhitungan ketebalan shell didapat

nilai ketebalan untuk tegangan circumferential dan tegangan longitudinal masing-masing


- 100 -

0.37 dan 0.18 mm. Untuk keamanan desain dipilih nilai ketebalan terbesar yaitu 0.37 mm

yang merupakan tebal minimum shell. Sedangkan untuk head didapat ketebalan 0.65 mm.

Hasil perhitungan di atas masih ditambahkan dengan faktor corrosion allowance

dimana Corrosion allowance dalam desain dimaksudkan untuk mengantisipasi tingkat

safety suatu equipment agar tetap reliable saat operasi. Sebenarnya tanpa diberi

corrosion allowancepun suatu equipment tetap safe dipakai karena gaya atau beban yang

bekerja masih di bawah nilai yield strength material yang digunakan namun untuk fluida

yang mengangung fluor, bahan hastelloy akan terkorosi. Dalam perhitungan ini material

Hastelloy mempunyai nilai CA untuk umur 25 tahun sebesar 3.175 mm, sehingga tebal

shell menjadi sebesar 0.65 + 3.175 = 3.83 mm dan untuk pertimbangan perancangan

maka ditentukan tebal pelat yang digunakan adalah 4 mm [6].

Dari hasil penentuan ketebalan maksimal termasuk nilai CA, maka dimensi head

yang berbentuk torispherical dapat dilakukan dengan mengacu pada Gambar 3, yang

hasilnya disajikan pada halaman berikut :

Gambar 4. Dimensi Torispherical Hasil Perhitungan

5. KESIMPULAN.

Perhitungan tebal dan tutup tangki reaktor gelembung yang berbentuk vertikal

dengan dimensi yang didapat dari data sheet sistem proses dengan ketinggian total 4700

mm, dimana head bagian atas dan bawah berbentuk torispherical yang mempunyai

ukuran ketinggian sesuai dengan perhitungan sebesar = 89.6 mm, sehingga ketinggian

shell didapat sebesar = 4520.8 mm.

Untuk ketebalan tangki dari hasil perhitungan didapat tiga ketebalan, dimana untuk

tegangan Circumferensial = 0.37 mm, tegangan longitudinal = 0.18 mm dan ketebalan

head sebesar = 0.65 mm. Dari ketiga hasil perhitungan diambil perhitungan ketebalan

terbesar yaitu 0.65 mm dan dengan penambahan faktor corrosion allowance untuk

material hastelloy dengan umur pemakaian 25 tahun sebesar 3.175, maka ketebalan

tangki sebesar = 3.825 mm. Untuk pertimbangan perancangan yang disesuaikan dengan


- 101 -

ketersediaan tebal pelat diindustri, maka ketebalan tangki baik untuk shell maupun untuk

head dibulatkan sebesar 4 mm.

6. DAFTAR PUSTAKA

1. Program Manual. Design Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe PWR 1000 Mwe Untuk

PLTN di Indonesia Tahun 2013

2. Kartal Bombe Sanayi (KBS), Disk and Flange heads,Torispherical Heads,

http://www.cartalbombe.com.tr/dishedends-dished_flanged_heads.html, 21-03-2012

3. ASME Section II Part D, Materials, Boiler and Pressure Vessel, Edition 1 Juli 2001

4. ASME Section VIII Div.I, Rules for Construction of Pressure Vessel, Boiler and

Pressure Vessel, Edition 1 Juli 2001.

5. Juniarto, Yuriadi Kusumah, Perancangan Pressure Vessel E Type Vertical, Program

Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mercu Buana, 20 Mei 2013.

6. Beyond Steel Indonesia, Tabel ukuran dan berat Plat Stainless Steel, , http://beyond-

steel.blogspot.com/2012/01/tabel-ukuran-berat-plat-stainless-steel.html, 6-11-2013

TANYA JAWAB

Pertanyaan:

1. Pada kesimpulan sudah terlihat masing-masing perhitungan tebal (termasuk pada

abstrak). (Maradu)

2. Judul perlu diperbaiki. (Maradu)

Jawaban:

1. Pada kesimpulan sudah terlihat masing-masing ketebalan yaitu pada tabel untuk

tegangan circumferential dan table terisphenical.

2. Judul akan saya perbaiki terima kasih.


- 102 -

7. LAMPIRAN

12345678910111213

14151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344 C45 C464748495051525354555657

58

596061 No. Unit626364656667686970

71 Made/Revised By

72 Checked By

73 Approved By

5

Abdul jami

Hafni Lissa

Prayitno

Description

0.125

REMARK

Weight Empty: 290.84 kg

*Yes/No

Emergency Vacuum Design: * Yes/No

Code :Radiography**:

0.85

is vessel subject to mechanical vibration?*Yes/NoType: H2OThickness 1 in

by In

st.O

P

Materialmin.Base Elevn; Skirt Length

Manhole A-

insulation Drain C-Vent C-

Steam Out C-

Weight Full: 1308.64 kgDensity of Content: 1986 kg/m3 at 60 deg C

Stress Relieve ** Level Contol Ft-Safety Valve Ft-Joint Efficiency:

TorisphericalGauge Glass Ft-

Type of Heads Pressure Gauge Ft-

HastelloyHeadsType of Bottom Thermocouple Ft-

Shell Hastelloy 0.125Material Corr.Allowance Liquid Out : C-

Torispherical

DateDate

1

Operating atmatm

1.93

6085Design Vapor Out : C- 0.5 in 1

1

0.5 in

Item Number Inlet C- 0.5 inPressure. G Temperature: deg C Nozzles

3Number

Shell Diameter (I.D.): 0.37 m Shell Hight 4.7 m No. Required:

Mark No. SizeCenter Line :Vertical

1 2 3 4DateDate

Item Name

Sketch ( unit : m )

7 Putut

Documents

Transcript of 7 Putut