blog Tentang Studi Memoptimalkan Standar Desain Kepala Kapal Tekanan Konveksi

Di bidang teknologi tinggi seperti eksplorasi laut dalam, dirgantara, dan industri petrokimia, bejana tekan yang tahan terhadap tekanan eksternal memainkan peran penting. Keamanan kepala cembung—komponen kunci dari bejana-bejana ini—secara langsung menentukan stabilitas seluruh sistem. Cacat desain yang menyebabkan tekuk atau kegagalan pada kepala kapal selam laut dalam atau tangki bahan bakar roket dapat menyebabkan konsekuensi bencana. Oleh karena itu, penelitian mendalam dan optimalisasi metode desain kepala cembung membawa kepentingan praktis yang signifikan.

Ketika terkena tekanan eksternal, kepala cembung terutama menghadapi dua mode kegagalan: tekuk dan luluh. Desain rekayasa biasanya menggunakan faktor penurunan berbasis pengalaman (KDF) untuk mengurangi tekanan tekuk teoretis demi keselamatan. Namun, dengan kemajuan dalam ilmu material dan manufaktur, pendekatan konservatif ini dapat menyebabkan pemborosan material dan peningkatan biaya. Akibatnya, memprediksi perilaku tekuk secara akurat dan mengoptimalkan metode desain telah menjadi prioritas penelitian.

Faktor penurunan (KDF) didefinisikan sebagai rasio tekanan tekuk eksperimen pada kepala aktual terhadap tekanan tekuk teoretis pada kepala ideal. Penelitian awal berfokus pada penentuan nilai KDF melalui eksperimen, tetapi hasilnya menunjukkan variabilitas yang signifikan karena kesulitan dalam mengontrol cacat secara tepat. Kemajuan manufaktur terkini—khususnya metode cetakan bola berlapis polimer dari Lee et al.—telah memungkinkan produksi kepala dengan cacat terkontrol, menawarkan jalur baru untuk prediksi KDF yang akurat.

• Jenis Cacat dan Kinerja Tekuk: Para peneliti telah melakukan eksperimen ekstensif dan simulasi numerik pada berbagai jenis cacat. Yan et al. mempelajari bagaimana parameter geometris dari cacat tembus mempengaruhi tekuk, sementara Abbasi et al. menemukan bahwa tonjolan berdampak minimal pada tekuk kepala bola. Derveni et al. menguji interaksi antara cacat.
• Cacat Manufaktur Nyata: Studi lain menganalisis kepala hemisferis yang mengandung cacat manufaktur aktual, memberikan panduan rekayasa. Wagner et al. mengusulkan penggunaan takik sebagai cacat geometris yang setara untuk menentukan tekanan tekuk batas bawah, memperkenalkan penyok tunggal melalui perpindahan terkontrol.

• Kepala Hemisferis: Sebagai kepala cembung paling sederhana, metode desainnya relatif matang. Namun, kedalamannya yang lebih besar membatasi aplikasi tertentu.
• Kepala Bola: Terlepas dari tegangan lentur tepi yang signifikan di zona transisi mahkota, kedalamannya yang lebih dangkal dan manufaktur yang lebih sederhana membuatnya banyak digunakan. Lu et al. mempelajari perilaku tekuk elastis-plastis di bawah tekanan eksternal melalui analisis elemen hingga, sementara Blachut et al. menyelidiki stabilitas pada kepala bola logam multi-lapis. Wang et al. menganalisis keadaan tegangan dan tekanan tekuk pada kepala bawah pemanas air.
• Kepala Elipsoidal: Transisi kelengkungannya yang lebih halus memberikan distribusi tegangan yang lebih seragam. Dengan kedalaman menengah antara kepala hemisferis dan bola, mereka lebih mudah dibuat melalui stamping. Zingoni mengembangkan teori untuk mengevaluasi distribusi tegangan membran; Li mengusulkan metode analisis yang disederhanakan untuk bejana kepala elipsoidal simetris; Ross mempelajari mode tekuk pada kepala elipsoidal plastik yang diperkuat serat kaca.

Terlepas dari metode desain yang muncul, aturan dasar dalam standar bejana tekan tetap menjadi landasan rekayasa. Kekuatan ekonomi global telah menetapkan standar masing-masing untuk desain kepala cembung. Analisis ini berfokus pada enam standar utama:

• China: GB/T 150.3, GB/T 4732.3
• Amerika Serikat: ASME VIII-1, ASME VIII-2, ASME Code Case 2286-6
• Uni Eropa: EN 13445-3

ASME VIII-1 menggunakan metode berbasis bagan untuk menentukan tekanan eksternal yang diizinkan. Bagan-bagan ini—berasal dari data eksperimen ekstensif dan analisis teoretis—menawarkan kemudahan tetapi presisi terbatas. ASME VIII-2 (sejak 2007) beralih ke metode berbasis rumus yang menggabungkan prinsip ASME Code Case N-284 dan 2286-6, menghitung tegangan membran tekan keliling yang diizinkan. Edisi 2019 memperkenalkan persamaan standar berdasarkan model kurva tegangan-regangan, secara akurat mensimulasikan respons material dalam keadaan seperti yang dibuat untuk semua material—baja karbon, baja paduan rendah, paduan tinggi, dan paduan non-ferro—menggantikan metode baja karbon/paduan rendah sebelumnya.

EN 13445-3 (edisi 2002-2021) menggunakan kurva untuk menentukan tekanan eksternal yang diizinkan, mengadopsi kurva batas bawah yang berasal dari standar PD5500 (penerus British BS5500).

GB/T 150.3 juga menggunakan metode bagan untuk desain kepala tekanan eksternal, dengan beberapa bagan berdasarkan data eksperimen China dan yang lainnya mengacu pada ASME Section II, Part D. GB/T 4732.3 menggunakan metode yang mirip dengan ASME Code Case 2286-6, dengan Lampiran C memberikan aturan perhitungan modulus tangen tambahan—termasuk persamaan dari ASME Code Case 2286-6 untuk baja karbon/paduan rendah dan model kurva tegangan-regangan dari ASME VIII-2.

Bagian ini merinci perbandingan aturan desain kepala hemisferis, bola, dan elipsoidal di seluruh standar, dengan fokus pada perbedaan dalam parameter kunci (misalnya, modulus tangen, faktor desain) dan dampaknya.

Modulus tangen (kemiringan kurva tegangan-regangan material pada tingkat tegangan tertentu) sangat mempengaruhi perhitungan tekanan tekuk, dengan metode perhitungan yang bervariasi di seluruh standar. Faktor desain (koefisien margin keamanan) juga berbeda, yang mencerminkan pertimbangan keamanan yang bervariasi.

Mengingat kompleksitas desain kepala bola/elipsoidal, beberapa standar menggunakan metode ekuivalen yang mengubahnya menjadi kepala hemisferis untuk perhitungan. Bagian ini membandingkan kelebihan dan keterbatasan metode ini.

Untuk perbandingan standar yang intuitif, artikel ini menghitung tekanan tekuk untuk berbagai kepala bola/elipsoidal menggunakan standar yang berbeda, membandingkan hasilnya dengan kepala hemisferis yang setara.

Kasus rekayasa terpilih menunjukkan perhitungan ketebalan untuk kepala menggunakan standar yang berbeda, mengklarifikasi penerapan dan trade-off dari setiap standar.

Tinjauan komprehensif dan analisis perbandingan aturan desain kepala cembung di bawah tekanan eksternal ini memberikan referensi rekayasa dan panduan penelitian. Arah masa depan meliputi:

• Mengembangkan model prediksi tekuk yang tepat: Memanfaatkan teknik komputasi dan eksperimen yang ditingkatkan untuk mengurangi ketergantungan pada KDF empiris.
• Mempelajari perilaku tekuk material baru: Menyelidiki kinerja material baru di bawah tekanan eksternal untuk aplikasi rekayasa.
• Mengoptimalkan metode desain: Menyesuaikan pendekatan untuk aplikasi tertentu, menyeimbangkan keamanan dengan efisiensi biaya.