Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013
PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNGPABRIK ELEMEN BAKAR NUKLIR TIPE PWR 1000 MWe
UNTUK PLTN DIINDONESIA
Putut Hery Setiawan dan Petrus Zacharias
PRPN - SATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310
ABSTRAK
PERHITUNGAN TEBAL DAN TUTUP TANGKI REAKTOR GELEMBUNG PABRIKELEMEN BAKAR NUKLIR TlPE PWR 1000 MWe UNTUK PL TN DIINDONESIA. Proseskonversi UF6 menjadi U02 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
CALCULA TlON OF HEAD AND SHELL BUBBLE REACTOR TANK FOR NUCLEARFUEL ELEMENT PLANT TYPE 1000 MWE FOR PL TN IN INDONESIA. The conversion
process of UF6 to U02 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
- 94 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
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
(U02) 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 Uh dengan pengkayaan U
235 sampai 5%, memproduksi serbuk U02 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 U02 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 terse but di atas dilakukan di dalam tangki
yang disebut dengan tangki reaktor gelembung, dimana di dalam makalah ini hanya
dibatasi pad a 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 pad a 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.
- 95-
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
Pad a 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.vlll 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.
Vertical Tank Horizontal Tank
Gambar 1. Jenis-jenis tanki [5]
Hemispherical Tank
- 96 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 14 November 2013
Komponen utama dari tangki terdiri dari :
• Dinding silinder tangki (Shelf)
• Tutup kepala tangki (head)
• Penyangga tangki (support)
• Kelengkapan tangki (accessories)
Dalam makalah ini hanya difokuskan pad a perhitungan ketebalan dinding silinder
tangki dan tutup kepala tangki. Standar yang digunakan dalam perhitungan ini adalah
ASME Section VIII Div.l, 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]
PR SF tt = SE _O.6P atau P =
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]
P R 25£ tt = ._ atau P =
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
- 97 -
Prosiding Pertemuan /lmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013
~.~~, ,'I- ;;:".,~ A
I[).- - _
t~lr_i~ii r- ----(.~-- --
Hemispherical head Ellipsoidal head
Gambar 2. Jenis-jenis head [5]
Torispherical head
Jenis head yang digunakan dalam perhitungan ini adalah jenis tori spherical 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:
O.885PLt=
dengan L = diameter dalam torispherical.
\---••
\?J i .__-FL----------t-
~D
R (mm) - 0
r [mm) = 0.10
hl (mm) ~ 3.5 t
h2 (mm) = 0,20
H (mm) h1 ~h7
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.
- 98 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
Perencanaan ketebalan dinding shell yang diatur dalam AS ME SECTION VIII DIV. 1,
2001 ayat UG-27 untuk tegangan circumferencial (sam bung an longitudinal) didapat :PRf- _
,- SE - O.6P
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
304 x 185t = --------
180.00.0 (0 8.5)-(V. 6.J 30.4
t= 037 mm
Sedangkan untuk tegangan longitudinal (sambungan circumferential) didapat:PR
t = 2SE + 0.4P
t = 30.4. 1852.180.00.0..(0..85)+(0..4)304
t ;;;018 mm
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 :
0. 885 P Lf- _, - SE - 0 '1P
dengan : L = diameter dalam torispherical
t = 065 mm
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
- 99 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
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. Oalam 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].
Oari 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 :
\ t: 4~ ...- I - _ '"\ R = 378 ~ ~ 1 <Df r::378 ./~,~ ~. w_. w ._
<1>10=378
Gambar 4. Oimensi 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. Oari 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
- 100 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013
ketersediaan tebal pelat diindustri, maka ketebalan tangki baik untuk shell maupun untuk
head dibulatkan sebesar 4 mm.
6. DAFT AR PUST AKA
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-dishedflanqedheads.html. 21-03-2012
3. ASME Section II Part 0, "Materials", Boiler and Pressure Vessel, Edition 1 Juli 2001
4. ASME Section VIII Div.l, "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://bevond
steel. bloqspot. com/20 12/0 1/tabel-ukuran-berat -plat -stainless-steel. html, 6-11-2013
TANYA JAWAB
Pertanyaan:
1. Pad a 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 pad a tabel untuk
tegangan circumferential dan table terisphenical.
2. Judul akan saya perbaiki terima kasih.
- 101 -
Prosiding Pertemuan I/miah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - SA TAN, 14 November 2013
7, LAMPIRAN
Item Name I
Sketch ( unit: m \~
._------------~
~~4+ .-- ..,1'/ ',,\'?-
' . \8,
:::I: 10
-...22-~13-14- 15- 16 E- 17 r---
-q:18 - 19- 20-21-22-~~~ rr"~
.E..~ .A~
o~h..~ ----------r,Yo
31 0
'«/1£PI-- ,32 I--33I-- '-
340I-- ,~
0
,2 .. 0 ..37 m37 0
I-- o.-!3839
T TI40
Shell Diameter (I.D.): 0.37 m Shell Hight4.7m No. Required:41
Center Line: Vertical42
Pressure. GTemperature deg CNozz lesMark NoSizeNumber43
Item Number II InletC-0.5 in344
Operating 1.9 Iatm60C45
Design 3atm85C Vapor Out·C-0.5 in146
Emergency Vacuum Design: • Yes/No47
MatenalCorr.AllowanceLiquid Out :C-0.5 in148
Shell Hastelloy0.12549
Heads HastelloyI0.12550
Type of Bottom TorisphencalThermocoupleFt-&
51 Type of Heads TorisphencalPressure GaugeFt-oJ52 Code: Gauge GlassFt- II>
.=53Stress Relie\oe•• Radiography·':Le\oelContolFt- ~54Joint Efficiency: 0.85Safety Val\oeFt-
55Density of Content: 1986 kn/m3at60deg C
56Weight Empty: 290.84 kgWeight Full: 1308.64 kg
57is \essel subject to mechanical vibration?*Yes/No VentC-
58
insulation Type: H2O DrainC-- ·Yes/No Thickness1 in Steam OutC-59
60
REMARK61
No. Unit 1ManholeA-62 636465
min. Base ElelK1:Skirt Length66
Material67 686970
Description 1Date 2Date3Date4Date5
71
Made/Relised By Abdul jami
72
Checked By Hafni Lissa
73
Appro\oedBy Prayitno
- 102 -
Top Related