Desain dan Pemilihan Material
Material Selection for CNG Tank
Nama : Mia Diniati NPM: 1106154324
Departemen Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia 2012 Tugas 2 0
Desain dan Pemilihan Material I. Pendahuluan 1. Latar belakang Dewasa ini gas alam merupakan sumber energi yang paling sering digunakan. Biasanya gas alam digunakan untuk pemanasan dan pendinginan serta aplikasi lainnya. Selain itu, lebih dari 85000 kendaraaan berbasis compressed natural gas (CNG) dapat beroperasi dengan sukses. Kendaraan yang berbasis CNG akan menghasilkan gas buang yang lebih ramah akan lingkungan dibandingkan dengan gas buang yang dihasilkan bensin.[1] CNG tersebut tidak berbau, berwarna dan berasa dimana terdiri dari metana (CH4) yang berasal dari sumur gas atau yang dihasilkan dari produksi minyak mentah. Kendaraan yang menggunakan CNG menyimpan gas alam pada tekanan yang tinggi sekitar 3000 – 3600 lb/in2. Pembau biasanya ditambahkan ke CNG untuk alasan keamanan.[1] CNG terbuat dari gas alam yang dikompresi hingga kurang dari 1% volume di bawah tekanan standar atmosfer. CNG disimpan dan didistribusikan di tangki pada tekanan 200 – 248 bar yang berbentuk silinder atau bulat. Penggunaan kendaraan berbasis CNG di daerah Asia – Pasifik, Amerika Latin, Eropa, dan Amerika semakin meningkat karena harga bensin yang semakin mahal. Pada tahun 2010 penggunaan kendaraan berbasis CNG mencapai 12,6 juta dimana mengalami peningkatan sebesar 11,6% dari tahun sebelumnya dimana jumlah kendaraan berbasis CNG di
negara Pakistan sebesar 2,74 juta, Iran sebesar 1,95 juta,
Argentina sebesar 1,9 juta, Brazil sebesar 1,6 juta, India sebesar 1,1 juta, area Asia – Pasifik 5,7 juta, dan area Amerika Latin hampir 4 juta kendaraan berbasis CNG. Penggunaan CNG dimulai dari kendaraan truk, bis sekolah dan kereta.[2]
Tugas 2 1
Desain dan Pemilihan Material
Gambar 1. Pengisian CNG pada bus di Madrid (Spanyol)[2]
Jumlah kendaraan berbasis CNG di Indonesia dari tahun 1987 hingga 2000 mengalami peningkatan dari 300 unit hingga 6630 unit namun di tahun 2004 terjadi penurunan menjadi 1500 unit dan 1 unit bus. Hal tersebut disebabkan karena terbatasnya tempat pengisian CNG, harga converter kit yang mahal (sekitar 8 – 10 juta rupiah), investasi yang tinggi untuk membangun tempat pengisian CNG, dan sedikitnya partisipasi dari perusahaan swasta dan kemauan pemerintah untuk mendukung program ini.[9] Namun
sejak
tahun
2005
pemerintah
telah
menetapkan peraturan
untuk
mengembangkan energi alternatif seperti dari batubara, gas alam, green fuel untuk mengurangi kebutuhan Indonesia akan produksi minyak karena seperti yang diketahui sejak tahun 2002, Indonesia telah mengimport minyak. Gas alam sendiri telah digunakan untuk kendaraan bermotor di Indonesia sejak tahun 1989 dimana pada saat ini terdapat 11 tempat pengisian bahar bakar gas dengan 600 kendaran dan 60 bis yang menggunakan bahan bakar jenis gas ini.[7] 2. Ketersediaan Terdapat dua tipe dari sistem bahan bakar CNG yang biasanya ditemui di pasaran biasanya disebut dengan dedicated vehicles dimana hanya dapat beroperasi dengan menggunakan gas alam dan dual-fuel vehicles yang dapat menggunakan bensin dan gas alam. Pada negara – negara dengan distribusi gas alam penggunaan CNG akan sangat dipermudah. Contohnya saja di Amerika pada tahun 2002, sudah terdapat 1300 tempat pengisian ulang gas di 46 kota dan angka tersebut terus meningkat seiring waktu. Selain itu pemiliki kendaraan berbasis CNG juga dapat mengisi ulang gas di rumah dengan memasang kompresor kecil Tugas 2 2
Desain dan Pemilihan Material yang berhubungan langsung dengan pemasok gas. Di negara tersebut pemasaran CNG lebih stabil dibanding dengan pemasaran bensin. Harga CNG biasanya lebih murah 15 – 40% dibandingkan dengan bensin dan diesel. CNG membutuhkan proses pengisian ulang lebih sering karena hanya terdiri dari seperempat energi volume dari bensin. Selain itu, harga kendaraan berbasis CNG biasanya lebih mahal $3500 - $6000 dibandingkan kendaraan dengan bensin. Hal tersebut disebabkan biaya yang mahal pada silinder bahan bakar tersebut. Namun apabila produksi kendaraan berbasis CNG semakin meningkat maka diperkirakan harganya pun akan menurun.[1] Untuk pasokan dan distribusi gas alam di Indonesia hanya ada di daerah tertentu saja misalnya Jakarta, Surabaya, Batam, Medan, dan Palembang. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 berikut ini.[9]
Gambar 2. Supply dan Distribusi Gas Alam di Indonesia[9]
3. Performa Tingkat oktan di CNG lebih tinggi dibandingkan di bensin hal tersebut akan berpengaruh pada kekuatan CNG, meningkatan akselerasi dan kecepatan dapat melebihi kekuatan kendaraan berbasis bensin. Selain itu karena pembakaran yang dihasilkan CNG lebih bersih atau ramah lingkungan maka kendaraan berbasis CNG dapat berjalan lebih efisien dibandingkan kendaraan berbasis bensin dan juga dapat memperpanjang umur pakai
Tugas 2 3
Desain dan Pemilihan Material kendaraan. Pada kendaraan yang berat, mesin CNG menghasilkan kebisingan yang lebih sedikit bila dibandingkan dengan penggunaan diesel.[1] Selain itu keuntungan dari menggunakan CNG pada kendaraan adalah karena tidak adanya timbal dan benzena yang terkandung di dalam CNG maka pengotoran busi dapat dieliminasi, kendaraan berbasis CNG memiliki harga perawatan yang lebih murah dibandingkan dengan kendaraaan berbasis bensin, sistem bahan bakar CNG dikemas dengan baik sehingga dapat menghindari kebocoran atau penguapan, meningkatkan umur pakai dari oli karena CNG tidak mengkontaminasi dan merusak rumah mesin oli, CNG dapat bercampur dengan mudah dan bahkan di udara menjadi bahan bakar gas, CNG memiliki temperatur pembakaran yang tinggi yaitu 540oC dan rentang mudah terbakar yang sempit (5% -15%) dan yang tidak kalah penting adalah menghasilkan polusi yang lebih sedikit dan lebih efisien.[3] Namun kendaraaan berbasis CNG akan membutuhkan tempat penyimpanan bahan bakar yang lebih memakan tempat dibandingkan pada kendaraan berbasis bensin seperti pada Gambar 3 ini. Tapi hal tersebut dapat diselesaikan dengan factory – built CNG yang dipasang di bawah kendaraan. Atau tanki CNG tersebut juga dapat dibasang di atas kendaraan (biasanya di bis) dimana kendaraan tersebut harus memiliki kekuatan yang baik.[4-6]
Gambar 3. Penyimpanan gas di dalam mobil[2]
4. Keamanan CNG merupakan gas yang mudah terbakar namun memiliki rentang mudah terbakar yang sempit sehingga membuat gas tersebut menjadi bahan bakar yang aman. Standar keamanan pada CNG sama baiknya dengan pada kendaraan yang berbasis bensin. Pada kejadian kebocoran atau adanya kecelakaan, CNG tidak akan berbahaya untuk lingkungan atau air dimana dia tidak beracun. CNG juga terdispersi secara cepat sehingga meminimalisir resiko kebakaran seperti yang sering dialami pada kendaraan berbasis bensin. CNG secara Tugas 2 4
Desain dan Pemilihan Material umum merupakan metana dimana dapat berkontribusi pada perubahan iklim global pada saat terjadi kebocoran. Metana hanya dapat sedikit larut dalam air dan di bawah kondisi lingkungan tertentu (anaerobik) tidak dapat biodegrade, diman apabila terjadi kelebihan gas, gas dapat menjadi gelembung – gelembung di air dan dapat berpotensi terhadap kebakaran. Seperti pada kasus yang sudah terjadi sebelumnya dilaporkan bahwa terdapat bus yang terbakar akibat kegagalan pada mesin bukan pada penggunaan gas alam. Bus berbasis gas alam tersebut memiliki detektor gas dan peralatan keamanan dan keselamatan lainnya mialnya tank safety valve yang berfungsi untuk aliran abajan bakar ketika mesin menyala. Selain itu tanki tersebut harus diinspeksi dan disetujui oleh U.S Department of Transportation setelah waktu penggunaan tertentu. [1] 5. Perawatan Harus terdapat pelatihan yang sesuai untuk seluruh personel yang bekerja pada bidang kendaraan berbasis CNG. Oli pada kendaraan berbasis CNG tidak terlalu sering diganti karena pembakaran CNG lebih bersih pada pembakaran kendaraan berbasis bensin sehingga akan menghasilkan deposit yang lebih sedikit di oli. 6. Properties dari CNG Berikut ini merupakan beberapa sifat dari CNG yang harus diketahui, yaitu:[5,8,10,14] a. Dikompresi hingga 3600 psi pada suhu 70oF di dalam tabung silinder. Temperatur berbanding lurus dengan tekanan. b. Tingkat oktana yang tinggi hingga mencapai 120 - 130 c. BTU per # = 22800 dimana bensin sebesar 18900 d. 1 tanki CNG 200 bar setara dengan 70 liter bensin e. Tidak menjadi cair saat dikompres tapi menjadi gas yang sangat padat f. Tidak sama dengan gas alam yang dicairkan (LNG) karena pada LNG membutuhkan suhu cryogenic g. Memiliki temperatur self – ignition sebesar 700oC dimana pada bensin sebesar 450oC h. Silinder CNG didesain dan dibuat dari material yang spesial yang dapat menahan tekanan tinggi sehingga akan lebih aman dibandingkan tanki bensin i. Biaya produksi dan penyimpanan lebih murah dibandingkan LNG Tugas 2 5
Desain dan Pemilihan Material j. Lebih rindah dibandingkan udara sehingga ketika dilepaskan akan langsung bergabung dengan udara k. LEL/UEL sebesar 4 – 16% dimana bensin sebesar 1.3 – 7,6% l. 1 cubic foot dari CNG sama dengan 245 cu.ft dari gas alam di level air (yang tidak dikompress) m. 1 cu.ft dari CNG memiliki berat 13# dimana 5,66# sama dengan 1 Gasoline gallon equivalent (GGE). 7. Teknologi Tanki CNG Terdapat 4 jenis tipe dasar dari desain tanki berdasarkan ISO 11439 dimana terbagi at berdasarkan berat dan harga seperti yang dapat terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Macam – macam jenis desain tanki CNG[13]
Berikut ini merupakan tipe – tipe tanki CNG, yaitu:[10] a. Tipe 1 Seluruh logam (aluminum atau baja). Tipe 1 ini murah tapi berat. b. Tipe 2 Metal liner dengan penguat menggunakan wrap komposit (serat karbon atau glass) di pertengahan (hoop wrapped). Komposisi dari matriks dan komposit sebesar 50 – 50 dari Tugas 2 6
Desain dan Pemilihan Material stress yang disebabkan oleh tekanan internal. Tipe 2 ini lebih ringan namun lebih mahal dibandingkan tipe 1. c.
Tipe 3 Metal liner dengan penguat komposit yang membungkus seluruh tanki (full wrapped). Jumlah dari liner hanya mengambil sedikit dari stress. Tipe 3 ini ringan tapi lebih mahal dibandingkan tipe 2.
d.
Tipe 4 Plastic gas liner dengan penguat komposit yang membungkus seluruh tanki (full wrapped) .seluruh kekuatan dari tanki didapatkan dari penguat komposit. Tipe 4 ini ringan namun mahal dan tipe ini dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Desain tipe 4 tanki CNG[10]
Pada Gambar xx dapat dilihat contoh desain tanki CNG pada Honda Civic.
Gambar. desain tanki CNG pada Honda Civic[5]
8. Cara Kerja Konversi CNG di Kendaraan Tugas 2 7
Desain dan Pemilihan Material Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa terdapat kendaraan berbasis CNG seluruhnya ada juga yang kombinasi dengan bensin. Untuk kendaraan berbasis kombinasi CNG dan bensin pergantian dari CNG ke bensin dilakukan secara manual maupun otomatis. [11] Pada Gambar xx dapat dilihat contoh sistem pembakaran pada CNG.[13] Berikut ini merupakan tahapan bagaimana konversi CNG di kendaraan:[11] a. CNG dimasukkan ke dalam silinder bertekanan tinggi b. Ketika mesin kendaraan membutuhkan energi, CNG akan meninggalkan silinder penyimpan dan melewati master manual shut – off valve. c. CNG akan masuk ke dalam mesin melalui pipa dengan tekanan tinggi d. Regulator akan meneriman CNG dan mengurangi tekanan dari 3000 psi hingga mendekati tekanan atmosfer e. Solenoid valve gas alam membiarkan aliran gas alam dari regulator ke gas mixer atau fuel injectors dan juga mematikan aliran gas alam ketika mesin dimatikan.\ f. CNG akan bercampur dengan udara dan mengalir melewati karburator atau fuel injection system dan masuk ke dalam engine combustion chamber.
Gambar. Sistem pembakaran CNG[13] Tugas 2 8
Desain dan Pemilihan Material 9. Contoh Standar yang Berkaitan dengan CNG Terdapat beberapa standar untuk tanki CNG, yaitu: a. Berdasarkan peraturan federal dengan kode CFR 49 part 571 pada standar 304 Compressed natural gas fuel container integrity.[5] Dimana terdapat flame test standard dimana flame impigement menyebabkan 1550 – 1650 oF pada permukaan untuk silinder yang panjang atau 20 menit atau hingga bahan bakar benar – benar sudah keluar melalui PRV.[5] b. Standar untuk material silinder CNG yaitu Indian Standards:15490:2004 yaitu Cylinders for on – Board Storage of Compressed Natural Gas as a Fuel for Automotive Vehicles – Specifications[8] c. Seluruh kendaraan berbasis CNG harus memenuhi ANSI/CSA NGV2 mengenai Basic Requirements for Compressed Natural Gas Vehicle Fuel Containers. Standard industri ini lebih komprehensif dan baru dibandingkan standar federal 304.[10] d. Standar ISO 11439 yang mengenai “Gas cylinders, High Pressure Cylinders for the onboard storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles. Standar ini terdiri dari 4 jenis tipe tanki CNG. 10. Pengujian untuk Mengetahui Performa CNG Terdapat beberapa pengujian yang dilakukan untuk mengetahui performa dari CNG seperti yang dapat terlihat pada Gambar xx,[13] yaitu:[10] a.
Hydraulic pressure cycle testing, dimana pengujian ini menggunakan air dan mode kegagaln harus bocor bukan rusak.
b. Low temperature pressure cycling, dimana pengujian hydraulic pressure cycle dilakukan saat tanki didinginkan pada suhu -40oF dan tanki kemudian dipanaskan pada suhu 149oF dan diikuti dengan pengujian pressure cycle. c. Drop impact testing, pada Gambar xx dapat dilihat contoh hasil pengujian ini pada desain tipe 4 dengan material berupa komposit dengat serat karbon.
Tugas 2 9
Desain dan Pemilihan Material
Gambar. Hasil pengujian drop impact d. Drop test failure during pressure cyle testing e. Bonfire test, untuk memastikan gas dapat keluar sebelum silinder rusak ketika terpapar dengan api f. Environmental exposure test, menggunakan larutan yang berbeda dimana saat tanki mengenai larutan juga diberikan pressure cyclces. g. Environemtal test failure h. CNG permeation test i. Gunfire test j. Vibration of vehicle fuel system k. Hydraulic crush test, menggunakan hydraulic ram untuk menabrak tanki yang bertekanan.
Tugas 2 10
Desain dan Pemilihan Material
Gambar xx. Macam – macam pengujian[13] II. Kualitas Gas CNG Sejak tahun 1995 – 2005 sudah terdapat 15 kecelakaan kendaraan berbasis CNG dimana penyebab meledaknya tanki tersebut belum diketahui. Beberapa alasan menyebutkan bahwa hal tersebut terkait dengan pemasangan yang kurang baik dimana tidak mengacu pada standar dan prosedur dan alasan lainnya menyebutkan bahwa hal tersebut dapat disebabkan karena kualitas gas CNG yang rendah sehingga dapat mempercepat korosi dan retak pada silinder sehingga dapat menyebabkan tanki meledak. Untuk masalah tersebut, untuk membantu mengembangkan gas alam untuk sumber bahan bakar kendaraan maka pada Mei 2006 di Program Nasional dideklarasikan bahwa Kualitas gas harus di desain untuk membantu program CNG dan harus terjamin untuk seluruh pengguna.[7] Gas alam pada CNG biasnya dilakukan proses kompresi hingga tekanan 200 bar dimana terdiri dari 2 komponen utama yaitu metana dan etana. Untuk menjamin kualitas gas dari CNG yang digunakan pada kendaraan aman terdapat beberapa parameter yang harus diperhatikan sesuai standar dan spesifikasi yaitu komponen hidrokarbon, gas inert (CO2, O2, N2), kandungan gas asam, merkuri , kandungan air, nilai heating, relative density, wobbe , Tugas 2 11
Desain dan Pemilihan Material density, bau, kandungan partikel. Pada Tabel xx dapat dilihat spesifikasi CNG berdasarkan Oil and Gas Director General Number 10K/34/ddjm/1993 pada Februari 1993 dan pada Tabel xx merupakan spesifikasi CNG dari beberapa negara.[7] Tabel. Spesifikasi CNG di Indonesia sekarang[7] Parameter
Unit
Batas Nilai Minimum
Maksimum
Metode Pengujian ASTM
Lainnya
1. Komponen: D1945
62
Metana + Etana
% vol
Propana
% vol
8,0
D1945
Butana
% vol
4,0
D1945
Pentana
% vol
1,0
D1945
N2
% vol
2,0
D1945
H2S
ppm vol
14,0
D2385
Hg
ppb vol
9,0
O2
% vol
0,2
CO2
% vol
5,0
H2O
% vol
0,035
2. Relative Density pada
Kj/Kg
0,56
o
28 C 3. Calorific Value pada 15oC dan
44.000
1 atm
Tabel. Spesifikasi CNG dari Beberapa Negara[7]
Tugas 2 12
0,89
AAS D1945 Gravimetri D1945
Desain dan Pemilihan Material
Parameter kritis dari kualitas CNG harus ditingkatkan yaitu parameter yang dapat menyebabkan peningkatan laju korosi di silinder misalnya kandungan air (16 LB/MMSCF < 3 LB/MMSCF) , propana dan yang lebih berat ( 13% vol - <6,5 %vol) dan juga parameter yang dapat berakibat pada keamanan misalnya odorant harus ditambahkan ke gas untuk CNG dan partikel harus terbatas atau diminamilisir. Berikut ini merupakan spesifikasi kualitas gas CNG yang sesuai pada Tabel xx.[7] Tabel. Spesifikasi gas alam yang sesuai untuk CNG[7] Batas Nilai
Parameter
Unit
Metana
% vol
Etana
% vol
8,0
Propana
% vol
4,0
Butana
% vol
1,0
Pentana
% vol
1,0
Heksana
% vol
0,5
N2
% vol
3,0
O2
% vol
0,1
CO2
% vol
5,0
Minimum
Maksimum
1. Komponen:
Tugas 2 13
77
Desain dan Pemilihan Material Hg
ppb vol
9,0
H2O
lb/mmscf
3,0
ppm vol
10
H2S o
2. Relative Density pada 15 C
0,56
0,85
3. Heating Value pada 15oC dan 1 atm
BTU/ft3
960
1175
4. Wobbe Index
BTU/ft3
1050
1313
CNG tidak boleh mengandung pengotor, pasir, karet, minyak atau objek apapun yang dapat
5. Partikel
membahayakan peralatan di tempat pengisian ulang CNG dan juga saat pemasangan sistem bahan bakar
6. Odor
CNG harus diberikan pembau (odorant)
Untuk mendapatkan gas yang berkualitas untuk kendaraan berbassi CNG yang dapat menjamin keamaan pengguna harus ditetapkan kebijaksanaan seperti:[7] a. Seluruh tempat pengisian CNG harus memasang gas dryer system untuk mengurangi kandungan air b. Gas yang didistribusikan ke tempat pengisian CNG harus memilik parameter standar dan harus diberikan pembau c. Compressor di tempat pengisian CNG harus disaring untuk mengurangi adanya oli yang terbawa dari compressor dan pipeline untuk dispenser nozzle. Pada Tabel xx dapat dilihat karakteristik umum dari gas alam CNG dari salah satu tempat pengisian bahan bakar di Jakarta.[9] Tabel. Karakteristik Umum CNG di Salah Satu Tempat Pengisian CNG di Jakarta[9] Parameter
Unit
Nilai
Nitrogen
% Mol
0,2389
Karbon dioksida
% Mol
4,7818
Metana
% Mol
84,7297
Etana
% Mol
3,6687
Propana
% Mol
3,9832
i – Butana
% Mol
0,8198
n – Butana
% Mol
0,9451
Komponen:
Tugas 2 14
Desain dan Pemilihan Material i – Pentana
% Mol
0,3364
n – Pentana
% Mol
0,2280
Heksana
% Mol
0,1656
Heptana
% Mol
0,0681
Oktana
% Mol
0,0279
Nonana
% Mol
0,0065
Dekana
% Mol
0,00004
Hidrogen sulfida
ppm
5,9856
Merkaptana
ppm
2,3475
Karbonil sulfida
ppm
0,4521
Hg
ppb
Nil
Fe
ppm
0,0086
Kandungan air
Lb/MMSCF
22,00
Kandungan Sulfur
Kandungan Logam
Karakteristik fisika Relative density
0,7016
Gross Heating Value (GHV)
3
BTU/CF
1115,4753
Net Heating Value (NHV)
BTU/CF3
1008,8974
III.Desain Material untuk Tanki CNG 1. Desain tanki
Tabung CNG diisi gas yang dikompresi hingga 200 bar atau lebih dimana dengan volume tersebut dimaksud agar didapatkan volume pengisian maksimum atau setara dengan volume bahan bakar konvensional. Tabung dengan bertekanan 200 bar pada kendaraan tersebut akan jadi berbahaya karena dapat meledak pada kondisi panas berlebih dan tabrakan oleh sebab itu desain, pemilihan material tabung CNG harus sesuai standar.[14] Terdapat beberapa hal yang harus diperhatikan pada saat mendesain tanki, yaitu:[10] a. Harus terbatas pada umur kendaraan b. Tanki harus mengalami kebocoran sebelum rusak. c. Harus terdapat perlindungan terhadap api dengan menggunakan thermally activated pressure relief device (PRD) untuk memproteksi setiap tanki. Tugas 2 15
Desain dan Pemilihan Material Tanki CNG dapat dikategorikan sebagai bejana bertekanan (pressure vessel) karena memiliki tekanan operasi yang cukup tinggi. Untuk mendesain bejana bertekanan kita dapat mengacu pada ASME VIII division 1. Seperti yang disebutkan dalam buku Michael F.Ashby, desain dari bejana bertekanan ini akan bervariasi tergantung ukuran untuk ukuran yang kecil biasanya harus mengalami peluluhan (yield) sebelum rusak sehingga dengan adanya peluluhan tersebut akan menyebabkan distorsi dan tekanan dapat dilepas secara aman. Sedangkan untuk bejanan bertekanan besar harus mengalami kebocoran sebelum rusak karena kebocoran tersebut mudah dideteksi dan dapat melepas tekanan dengan aman. Untuk bejana bertekanan kecil dapat performa keamanan yang baik dari material dapat ditinjau dari tidak terdapatnya retak atau cacat dengan diamter yang lebih besar dibandingkan diameter cacat kritis dimana ukuran cacat yang dapat ditolereansi akan semakin besar dengan memilih material dengan performa indeks seperti pada persamaan xxx dengan Kic merupakan fracture toughness dan σf merupakan yield stress. Sedangkan untuk keamanan bejanan bertekanan tinggi akan semakin tinggi apabila performa indeks pada persamaan xx semakin tinggi. 1=
2=
Selain itu desain bejanan bertekanan lainnya yang harus diperhatikan lainnya adalah ketebalan dinding dari bejanan bertekanan diusahakan harus kecil untuk mengurangi berat dan biaya. Ketebalan dinding akan didapatkan semakin kecil apabila nilai titik luluh dari material yang digunakan semakin besar seperti apda persamaan xx.[12] 3= 2. Sifat Material yang Dibutuhkan a.
Density Density harus diperhatikan dimana density yang diharapkan sekecil mungkin. Karena apabila tanki CNG memiliki density besar dapat mempengaruhi performa dari kendaraan yang menggunakan tanki CNG tersebut karena akan semakin berat dan juga akan mengeluarkan biaya yang lebih tinggi lagi.
Tugas 2 16
Desain dan Pemilihan Material b. Yield strength Yield strength merupakan kriteria penting untuk stabilitas mekanik material. Nilai yield stress yang diharapkan sebesar mungkin karena pada tanki CNG memiliki high internal pressure. Selain itu dengan nilai yield strength yang tinggi pula berdasarkan persamaan xx akan didapatkan ketebalan dinding yang semakin kecil dan tanki CNG juga akan semakin ringan. c. Fracture Toughness Fracture toughness merupakan sifat yang menunjukan kemampuan material yang mengandung cacat untuk menahan kegagal dan sifat ini merupakan salah satu sifat penting di material. Fracture toughness dari material tanki CNG diusahakan harus sebesar mungkin. Hal tersebut berkaitan dengan keamanan dari material tanki CNG tersebut. Seperti yang ditunjukkan pada persamaan xx dan xx bahwa keamanan dari material tanki CNG dapat ditingkatkan dengan meningkatnya fracture toughness dari material tersebut. d. Modulus Elastisitas Tanki CNG harus memiliki modulus elastisitas yang sebesar mungkin, agar tetap dapat memiliki kekuatan yang cukup untuk menahan tegangan dan juga tetap dapat menahan bentuknya pada saat pemberian beban. e. Toughness Index Toughness Index untuk tanki CNG harus didapatkan nilai sebesar mungkin. Hal tersebut dikarenakan dengan menggunakan toughness index kita dapat mengetahui kombinasi dari berbagai sifat yaitu ketahangguhan, ketahanan terhadap beban kejut dan juga ketahanan terhadap beban fatik dimana ketiga sifat tersebut sangat diperlukan untuk tanki CNG. Dengan ketangguhan yang baik maka akan didapatkan peningkatan performa dari tanki CNG yang baik pula. Seperti diketahui tanki CNG harus memiliki ketahanan terhadap pembebanan yang secara tiba – tiba misalnya pada saat terjadi benturan atau kendaraan mengalami tabrakan karena apabila material tanki CNG tidak tangguh pada saat terkena pembeban tanki CNG akan langsung hancur. Selain itu juga harus memiliki ketahanan
Tugas 2 17
Desain dan Pemilihan Material terhadap fatik terutama pada saat pengisian ulang dimana terdapat perubahan tekanan yang dapat menyebabkan fenomena fatik. f. Specific heat Sifat termal pada tanki CNG juga merupakan salah satu yang harus diperhatikan. Specific heat menunjukkan berapa banyak panas yang dapat diserap oleh material. Nilai dari spesific heat sebanding dengan kemungkinan untuk menyerap panas. Untuk material tanki CNG kita harus memilih material dengan specific heat yang sekecil mungkin. Karena dengan nilai yang lebih kecil akan mengurangi kehilangan cool down. g. Thermal expansion Thermal expansion menunjukkan kemungkinan perubahan volume karena adanya perubahan temperatur. Untuk material tanki CNG diharapkan nilai dari thermal expansion sekecil mungkin. Karena dengan nilai thermal expansion yang semakin kecil tersebut kemungkinan terjadinya thermal stress dapat dikurangi karena seperti yang diketahui temperatur di dalam tanki CNG sangat bervariasi misalnya pada saat dilakukan pengisian maupun pada kondisi operasi nya sendiri. h. Thermal conductivity Thermal conductivity merupakan perhitungan secara kuantitatif pada kemampuan material untuk mengkonduksi panas. Nilai dari thermal conductivity yang diharapkan adalah sekecil mungkin. Hal tersebut dikarenakan seperti yang kita ketahui bahwa tanki CNG digunakan pada tekanan tinggi, apabila temperatur berbeda di lingkungan sekitar dan silinder tingi maka transfer panas akan terjadi dan hal tersebut tidak dapat dibiarkan. Oleh sebab itu, harus diusahakan untuk menjaga perbedaan temperatur untuk tetap konstan dengan memilih konduktifitas panas yang paling kecil sehingga dapat meminimalisir terjadinya transfer panas yang dapat menyebabkan ekspansi karena perbedaan temperatur dan tekanan yang tinggi. i. Ketahanan korosi Ketahanan korosi material tanki CNG harus sebaik mungkin. Harus sangat diperhatikan karena tanki CNG tersebut dilewati oleh berbagai gas seperti yang dapat dilihat pada Tabel xxxx, dimana senyawa kimia (sangat rentan terjadinya stress corrosion cracking) Tugas 2 18
Desain dan Pemilihan Material tersebut dapat memberikan kecendrungan untuk korosi. Apabila material tanki CNG terkorosi maka umur pakai dari material tersebut akan semakin berkurang dan kegagalan dari material tersebut akan semakin cepat oleh sebab itu harus dihindari ataupun diminimalisir.
Tugas 2 19
Desain dan Pemilihan Material 3. Tahapan Pemilihan Material Metode pemilihan material yang digunakan untuk mendesain material tanki CNG menggunakan metode weighted property index method. a. Pairwise comparison
Sifat - sifat Yield Strength Fracture Toughness Modulus Elastisitas Toughness Index
Decision number 1
2
3
4
5
6
7
8
0
1
0
1
1
1
1
1
1
Densitas Konduktivitas Panas Termal Ekspansi Heat Specific Corrosion Resistance
Tugas 2
0
9
10
11
12
13
14
15
1
0
1
1
1
1
1
0 1
1 0
20
21
0
0
0
0
1
0
23
24
25
26
1
1
1
1
1
0
28
29
30
1
1
1
1
32
33
0
0
0
1
0 0
31
1
0 0
1
27
0 0
0 0
22
0
1 0
0
19
1 0
0
18
1 0
0
17
1 0
0
16
0
34
35
1
0
0 1
0 1
20
36
1
Desain dan Pemilihan Material b. Weighting Factors
Sifat - Sifat Yield Strength Fracture Toughness Modulus Elastisitas Toughness Index Densitas Konduktivitas Panas Termal Ekspansi Heat Specific Corrosion Resistance Total
Positive Desicions 6 7 1 8 5 1 3 1 4 36
Weighting Factors 0,166666667 0,194444444 0,027777778 0,222222222 0,138888889 0,027777778 0,083333333 0,027777778 0,111111111
c. Sifat – Sifat Material Kandidat untuk Tanki CNG
AISI 4130
1 Yield Strength [Mpa] 435,0
2 Fracture toughness [Mpa m-1/2] 135,0
3 Modulus elastisitas [Gpa] 205,0
AISI 4340
472,0
50,0
Aluminum 5083
228,0
Aluminum 6061 T6 Aluminum 7075
Material
Tugas 2
4
5
140,9
7,9
6 Ekspansi thermal [10-6/oC] 12,3
Toughness Index
Densitas [ g/cm3]
7 Konduktivitas panas [W/moC] 42,7
8
9
Specific heat [J/gK]
Corrosion Resistance
0,5
Excellent
207,0
133,9
7,9
12,3
21,0
0,5
Excellent
43,0
70,3
2,5
2,7
24,2
117,0
0,9
Excellent
275,0
29,1
69,0
49,7
2,7
23,4
167,0
0,9
Good
505,0
24,0
71,0
59,2
2,8
23,4
170,0
1,0
Good
21
Desain dan Pemilihan Material GFRP (E-glass fiber epoxy matrix) CFRP (high modulus carbon fiber epoxy matrix) Aramid Fibre Epoxy Matrix Composite
600,0
60,0
45,0
18,6
2,1
6,6
0,2
0,3
Excellent
500,0
45,0
220,0
1,9
1,7
0,3
8,5
0,8
Excellent
1.790,0
70,0
76,0
34,8
1,4
4,0
0,5
1,1
Excellent
Keterangan Tambahan: AISI 4130: Material ini merupakan baja dengan paduan Cr-Mo. Material ini memiliki ketangguhan yang baik, elongasi yang baik, dan juga ketahanan korosi yang baik. Jenis yang material yang digunakan dapat yang telah dikenai proses quench dan temper namun jangan pada normalized AISI 4130 karena memiliki ketahanan SCC yang sangat buruk pada lingkungan di dalam CNG tank terutama dengan kualitas gas seperti di Indonesia yang dapat terlihat pada Tabel xx. AISI 4340: material ini terdiri dari 0.38-0.43% karbon (C), 0.60-0.80% Mangan (Mn), 0.035%(max) Fosfor (P), 0.04%(max) Sulfur (S), 0.15-0.30% Silicon (Si), 0.70-0.90% Chromium (Cr), 1.65-2.00% Nikel (Ni), 0.20-0.30% Molybdenum (Mo), dan besi sebagai logam dasarnya (Fe). Memiliki kekuatan dan malleability yang baik. Selain itu, juga memiliki ketahanan aus yang baik, durabilitas yang baik, ketahanan fatik yang baik dan juga merupakan konduktor panas yang buruk. Aluminum 7075: Merupakan paduan aluminum series 7xxx Al-Zn-Mg-Cu yang memiliki kekeuatan yang tinggi dan memiliki ketahanan terhadap stress corrosion cracking yang cukup baik (moderate). Aluminum 6061T6: Merupakan aluminum dengan kualitas yang baik dimana meiliki sifat mekanik dan ketahanan korosi yang baik. T6 menunjukkan bahwa material tersebut diperoleh dari artificial aging. Komposisi dari aluminum 6061 adalah 0,15 – 0,4% Copper (Cu), 0,1% Mangan (Mn), 0.4-0.8% Silicon (Si), 0.04-0.35% Chromium (Cr), 2,2 – 2,8% besi (Fe), 0,45% Magnesium (Mg), 0,1 %max Zinc (Zn), 0,15 %max titanium (Ti)
Tugas 2
22
Desain dan Pemilihan Material Aluminum 5083: Terdiri dari 5,2% magnesium (Mg), 0,1% Mangan (Mn), 0,1% kromium (Cr). Pada kondisi temper memiliki kekuatan yang baik, formability yang baik dan juga ketangguhan yang baik. Selain itu juga memiliki ketahanan korosi yang baik, densitas yang rendah, namun konduktifitas termal tinggi. CFRP: Merupakan carbon fiber reinforced polymer/plastic memiliki kekuatan yang baik, high strength to weight ratio¸kekakuan baik, ketahanan korosi baik. GFRP: Merupakan glass reinfored plastic dimana sangat ringan, kekuatan tinggi, strength to weight ratio yang baik dan ketahanan korosi yang baik Aramid Epoxy Matrix: merupakan material dengan ketahanan impak yang tinggi, densitas yang rendah, kekuatan yang jauh lebih tinggi dibandingkan baja, modulus kekakuan yang tinggi, tahan akan korosi, tahan akan api (dimana tanki CNG juga memerlukan sifat ini), koefisien termal ekspansi rendah. d. Scaled property and WP Index
2 Fracture toughness [Mpa m-1/2] 100,0
3 Modulus elastisitas [Gpa] 93,2
4
5
Toughness Index
Densitas [ g/cm3]
AISI 4130
1 Yield Strength [Mpa] 24,3
100,0
AISI 4340
26,4
37,0
94,1
Aluminum 5083
12,7
31,9
Aluminum 6061 T6
15,4
Aluminum 7075 GFRP (E-glass fiber epoxy matrix) CFRP (high modulus carbon fiber epoxy
Material
Tugas 2
7 Konduktivitas panas [W/moC] 0,4
8 Specific heat [J/gK] 62,9
Corrosion Resistance
17,8
6 Ekspansi thermal [10-6/oC] 2,4
9
100,0
63,9
95,0
17,8
2,4
0,9
61,9
100,0
50,9
32,0
1,7
52,6
1,2
0,2
33,3
100,0
29,0
21,6
31,4
35,3
51,9
1,3
0,1
34,5
50,0
29,3
28,2
17,8
32,3
42,0
50,0
1,3
0,1
31,3
50,0
31,9
33,5
44,4
20,5
13,2
66,7
4,5
100,0
100,0
100,0
44,0
27,9
33,3
100,0
1,3
82,4
100,0
2,2
40,0
100,0
46,3
23
Weighted property index
Desain dan Pemilihan Material matrix) Aramid Fibre Epoxy Matrix Composite
100,0
51,9
34,5
24,7
100,0
7,5
35,1
27,3
100,0
60,6
e. Ranking Materials
Material
Relative Cost (a)
Cost of Unit Strength x 100
Weighted Property Index
Figure of Merit
Rank
AISI 4130
1,0
0,0
63,9
3.538,5
1
AISI 4340
3,1
0,1
50,9
998,6
3
Aluminum 5083
3,0
0,0
29,0
834,0
5
Aluminum 6061 T6
3,4
0,0
29,3
887,6
4
Aluminum 7075
11,3
0,1
31,9
511,0
6
GFRP (E-glass fiber epoxy matrix) CFRP (high modulus carbon fiber epoxy matrix) Aramid Fibre Epoxy Matrix Composite
27,5
0,1
44,0
457,6
7
250,0
0,9
46,3
54,4
8
68,8
0,1
60,6
1.126,1
2
IV. Kesimpulan Dari Hasil seleksi desain yang telah dilakukan untuk tanki CNG berdasarkan sifat – sifat yang dibutuhkan dan kesesuaiannya maka dibandingkan dengan 7 material lainnya, material AISI 4130 merupakan material yang paling sesuai untuk tanki CNG karena sifat nya sudah memenuhi standar yang dibutuhkan untuk tanki CNG dan harganya pun relatif lebih murah dibandingkan dengan yang lain dan juga ketersediannya mudah untuk didapatkan.
Tugas 2
24
Desain dan Pemilihan Material Referensi 1. United States Environmental Protection Agency. Clean Alternative Fuels: Compressed Natural Gas. EPA Alternative Fuels, 2002. 2. Natural Gas Vehicle Statistics Section. Natural gas vehicle statistics. NGV Global International Association for Natural Gas Vehicles. 2011 diakses pada tanggal 9 Maret 2012 pukul 20.15 WIB (http://www.iangv.org/tools-resources/statistics.html) 3. Advantages CNG diakses pada tanggal 9 Maret 2012 pukul 20. 34 WIB (http://www.gailonline.com/gailnewsite/businesses/citygasdistributionadvantage.html) 4. Clean Vehicle Education Foundation. How Safe are Natural Gas Vehicles?. Technology Commitee Bulletin, 2010 5. Operations Division. Presentation of Firefigther Near Miss – Auto Fire with Compressed Natural Gas (CNG) Fuel Tank Explosion. Seattle: City of Fire Dept. Seattle. 2007 6. Christine, Scott Gable. How Safe is Natural gas?. Alternative Fuels. Diakses pada tanggal 9 Maret 2012 pukul 20.45 WIB (http://alternativefuels.about.com/od/naturalgaspropane/a/safenaturalgas.htm) 7. Wibowo, Edi , Yusep K. Caryana. Presentation of the 5th Asian Petroleum Technology Symposium “Fuel Quality Improvement & Technology Development” - Gas Quality Challenges to Support Developing of Natural Gas as Fuel for Vehicles in Indonesia. Jakarta: Research and Development Centre for Oil and Gas Technology “Lemigas”. 2007 8. Bhattacharjee, G, S. Bhattacharya, S. Neogi, S.K. Das. “CNG cylinder burst in a bus during gas filling – lesson learned”. Safety Science 48 (2010): 1516 -1519
Tugas 2
25
Desain dan Pemilihan Material 9. Wibowo, Edi , Yusep K. Caryana. Presentation of the 4th Asian Petroleum Technology Symposium – Compressed Natural Gas (CNG) Utilization Policy to Improve Urban Air Quality. Cambodia: Research and Development Centre for Oil and Gas Technology “Lemigas”. 2006 10. Gambone, Livio. Presentation of NG Transit Users Group Meeting – CNG Cylinders 101. Lawrenceville: Powertech. 2005 11. CNG United. How does CNG Conversion Work. CNG United. Diakses pada tanggal 9 Maret 2012 pukul 21.00 WIB (http://www.cngunited.com/support/how-does-cng-conversion-work) 12. Ashby, Michael F. Materials Selection in Mechanical Design 2nd Edition. Butterworth Heinemann, 1999 13. Sirosh, Neel. Workshop of ARPA – E Natural Gas Vehicle Technologies – Compressed Natural Gas On – Board Storage. Houston. 2012 14. Marwoto, Heru A, Djoko W. Karmiadji. “Analisis Tabung CNG Baja AISI 4130 untuk Bis Terhadap ISO 11439”. M.P.I. Vol.2 No.1 (2008): 66 - 73
Tugas 2
26
