Kepala Baja Tahan Karat sebagai Komponen Penutup Bejana Tekan
Kepala baja tahan karat adalah penutup ujung yang dibentuk untuk bejana tekan, penukar panas, reaktor, kolom, dan tangki penyimpanan. Baja tahan karat memberikan ketahanan korosi terhadap berbagai media proses, termasuk asam, alkali, klorida (dalam batas grade), senyawa organik, dan fluida dengan kemurnian tinggi.
Kepala dibentuk dari pelat atau lembaran baja tahan karat melalui penempaan panas atau dingin, pemutaran, atau pencetakan cekung. Produk ini dirancang dan diproduksi sesuai ASME Section VIII Division 1 atau Division 2, dan GB/T 25198 (Kepala Bejana Tekan). Kepala dapat dipasok sebagai blank yang sudah dibentuk, dengan persiapan tepi untuk pengelasan, atau fabrikasi lengkap dengan flensa, nosel, dan lubang inspeksi yang dilas.
Jenis Kepala – Klasifikasi Geometris
Kepala Elips 2:1 (Semi-Elipsoidal)
Jenis kepala bejana tekan paling umum
Kedalaman dalam (h) = ID / 4
Radius tekukan (r) ≈ 0,17 × ID
Radius mahkota (R) ≈ 0,90 × ID
Aplikasi: Bejana tekan umum, saluran penukar panas, dasar reaktor, tangki penyimpanan
Keunggulan: Distribusi tekanan yang efisien; biaya pembentukan rendah untuk diameter standar
Batasan: Regangan pembentukan lebih tinggi di area tekukan; tidak cocok untuk tekanan sangat tinggi tanpa peningkatan ketebalan
Kepala Torisferis (Berflensa dan Cekung)
Radius mahkota (R): 0,80 × ID hingga 1,00 × ID (biasanya R = ID)
Radius tekukan (r): 6% hingga 10% dari ID (minimum 3% per ASME VIII-1)
Aplikasi: Bejana bertekanan rendah, tangki atmosfer, penutup lubang manusia
Keunggulan: Kedalaman dangkal (mengurangi tinggi kepala); biaya pembentukan lebih rendah daripada kepala elips
Batasan: Tegangan lebih tinggi di tekukan; memerlukan material lebih tebal untuk tekanan yang sama dibandingkan elips
Kepala Hemisferis
Radius = ID / 2 (bola sejati)
Kedalaman dalam (h) = ID / 2
Aplikasi: Bejana bertekanan tinggi (di atas 10 MPa), penyimpanan kriogenik, bejana nuklir
Keunggulan: Ketebalan minimal untuk tekanan dan diameter tertentu; efisiensi penahanan tekanan terbaik
Batasan: Memerlukan pembentukan dua bagian (dua setengah dilas bersama) untuk diameter besar > 1.500mm; biaya manufaktur lebih tinggi
Kepala Kerucut
Sudut puncak kerucut: 30° hingga 120° (biasanya 60° untuk bejana tekan)
Aplikasi: Dasar corong, tangki lumpur, bejana pengendapan, zona penarikan katalis
Keunggulan: Memberikan transisi aliran yang mulus untuk padatan atau lumpur
Batasan: Tegangan lebih tinggi pada sambungan kerucut-silinder; memerlukan cincin penguat atau transisi tekukan
Kepala Datar (Pelat Melingkar)
Ketebalan dihitung sesuai ASME VIII-1 UG-34
Aplikasi: Bejana bertekanan rendah, penutup inspeksi, penutup lubang manusia, penutup saluran penukar panas
Keunggulan: Fabrikasi sederhana; biaya terendah untuk diameter kecil
Batasan: Memerlukan material lebih tebal untuk tekanan; konsentrasi tegangan tinggi di tepi
Grade Material Baja Tahan Karat – Pemilihan Sesuai Layanan
Baja Tahan Karat Austenitik
| Grade | UNS | Rentang Suhu | Batas Klorida | Aplikasi |
|---|---|---|---|---|
| 304L | S30403 | -196°C hingga +425°C | ≤ 200ppm | Korosif ringan, fluida proses bersih, makanan dan minuman, farmasi |
| 304 | S30400 | -196°C hingga +600°C (derated di atas 425°C) | ≤ 200ppm | Mirip dengan 304L tetapi karbon lebih tinggi (tidak direkomendasikan untuk layanan yang dilas tanpa PWHT) |
| 316L | S31603 | -196°C hingga +425°C | ≤ 200ppm (layanan) / ≤ 250ppm (sedikit lebih tinggi dengan derating suhu lebih tinggi) | Asam organik, larutan garam, hidrokarbon yang mengandung klorida (sedang), farmasi |
| 316 | S31600 | -196°C hingga +600°C (derated di atas 425°C) | ≤ 200ppm | Mirip dengan 316L; tidak direkomendasikan untuk ketebalan las > 16mm tanpa grade rendah karbon |
| 321 | S32100 | -196°C hingga +540°C | ≤ 200ppm | Layanan suhu tinggi (425°C – 540°C); distabilkan titanium untuk mencegah pengendapan karbida |
| 347H | S34709 | -196°C hingga +600°C | ≤ 200ppm | Layanan suhu tinggi (hingga 600°C); distabilkan niobium untuk ketahanan mulur |
| 310S | S31008 | -196°C hingga +700°C | ≤ 200ppm | Layanan tungku suhu tinggi; ketahanan oksidasi > 600°C |
Baja Tahan Karat Dupleks
| Grade | UNS | Rentang Suhu | Batas Klorida | Aplikasi |
|---|---|---|---|---|
| 2205 (S32205) | S32205 | -40°C hingga +280°C | ≤ 300ppm pada 80°C | Lepas pantai, air laut, klorida, layanan CO₂/H₂S |
| 2507 (Super Dupleks) | S32750 | -40°C hingga +250°C | ≤ 500ppm pada 60°C | Layanan klorida parah, persyaratan kekuatan tinggi |
Baja Tahan Karat Pengerasan Presipitasi
| Grade | UNS | Rentang Suhu | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | S17400 | -40°C hingga +315°C | Penutup, flensa, dan penutup berkekuatan tinggi yang membutuhkan kekuatan luluh tinggi |
Metode Pembentukan – Pemilihan Proses
Pembentukan Dingin
Suhu: Ambien (20°C – 40°C)
Peralatan: Rem tekan, mesin cetak cekung, atau mesin tekan hidrolik dengan cetakan yang cocok
Ketebalan tipikal: 2mm – 20mm (dapat dibentuk dingin)
Kompensasi pegas balik: Dimensi cetakan disesuaikan sebesar 0,5% – 2,0% dari radius mahkota per kekuatan luluh material
Regangan pembentukan maksimum: ≤ 15% untuk SS austenitik; ≤ 10% untuk SS dupleks (untuk mencegah keretakan)
Pengukuran ferit (dupleks setelah pembentukan dingin): Kandungan ferit harus tetap antara 35% – 65% per ASTM E562. Pembentukan dingin dapat meningkatkan ferit menjadi > 65% – memerlukan anilasi larutan.
Setelah pembentukan dingin: Anilasi larutan (panaskan hingga 1.040°C – 1.100°C, kuens air) untuk SS austenitik jika regangan pembentukan > 10% atau jika layanan memerlukan ketahanan korosi maksimum (sesuai ASME VIII-1 UG-79)
Pembentukan Panas
Suhu: 900°C – 1.100°C (SS austenitik); 1.000°C – 1.150°C (SS dupleks)
Tingkat pemanasan: ≤ 150°C/jam (untuk mencegah pertumbuhan butir)
Atmosfer pembentukan: Purging gas inert atau lapisan pelindung untuk mencegah oksidasi dan kerak
Setelah pembentukan panas:
SS Austenitik: Anilasi larutan pada 1.040°C – 1.060°C, kuens atau pendinginan udara cepat
SS Dupleks: Anilasi larutan pada 1.040°C – 1.080°C, kuens air (untuk mengembalikan keseimbangan ferit/austenit)
Untuk ketebalan > 20mm: Diperlukan kuens untuk mencegah pengendapan karbida dan pembentukan fase sigma (dupleks)
Pemutaran (Pembentukan Aliran)
Proses: Pelat diputar dan ditekan di atas mandrel untuk membentuk kontur kepala
Suhu: Dingin atau panas (pemutaran hangat pada 200°C – 400°C untuk dupleks)
Ketebalan tipikal: 2mm – 12mm
Aplikasi: Kepala berdinding tipis untuk tangki penyimpanan, bejana bertekanan rendah, diameter besar
Keunggulan: Biaya cetakan rendah; cocok untuk diameter > 2.000mm
Batasan: Pengurangan ketebalan di area mahkota (biasanya penipisan dinding 5% – 10%); ketebalan harus diukur dan dikompensasi dalam desain blank
Desain Ketebalan – Ketebalan Minimum yang Diperlukan
Ketebalan minimum yang diperlukan untuk setiap jenis kepala dihitung sesuai ASME VIII-1:
Kepala Elips 2:1 (sesuai UG-32(d))
Rumus: t = (P × D) / (2 × S × E – 0,2 × P) × faktor koreksi
Di mana: P = tekanan desain, D = diameter dalam, S = tegangan yang diizinkan, E = efisiensi sambungan
Faktor koreksi untuk elips 2:1: 1,0 (faktor standar diterapkan untuk D/2h = 2,0)
Untuk D/2h ≠ 2,0: Terapkan perhitungan indeks tegangan sesuai Lampiran 1-4
Kepala Torisferis (sesuai UG-32(e))
Rumus: t = (0,885 × P × L) / (S × E – 0,1 × P)
Di mana L = radius mahkota (biasanya L = D untuk kepala torisferis standar)
Radius tekukan harus ≥ 6% dari D (minimum 3% per ASME VIII-1)
Kepala Hemisferis (sesuai UG-32(f))
Rumus: t = (P × R) / (2 × S × E – 0,2 × P)
Di mana R = radius dalam (D/2)
Kepala Datar (sesuai UG-34)
Rumus: t = d × sqrt(C × P / S × E)
Di mana: d = diameter, C = faktor batasan tepi (0,33 – 0,50)
Nilai C tergantung pada metode pemasangan tepi (dilas, dibaut, atau integral)
Toleransi Ketebalan (Kepala yang Dibuat)
Ketebalan minimum yang dibentuk setelah pembentukan: ≥ 90% dari ketebalan nominal sesuai ASME VIII-1 UG-79
Toleransi penipisan harus dimasukkan dalam pemilihan ketebalan pelat blank
Pengukuran ketebalan: 10% dari luas permukaan (minimum 5 titik) – pengukur ketebalan ultrasonik
Toleransi Dimensi (Per ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Parameter | Elips 2:1 | Torisferis | Hemisferis | Metode Pengukuran |
|---|---|---|---|---|
| Radius mahkota (R) | ±1,5% | ±1,5% | ±1,0% | Templat / pemindaian 3D |
| Radius tekukan (r) | ±5% | ±5% | T/A | Templat / pemindaian 3D |
| Kedalaman dalam (h) | ±1,0% | ±1,0% | ±1,0% | Pengukur kedalaman |
| Ketidakbulatan pada garis singgung | ≤ 1,0% dari ID | ≤ 1,0% dari ID | ≤ 0,5% dari ID | Pita diameter |
| Panjang flensa lurus | ±2mm | ±2mm | ±2mm (jika berlaku) | Kaliper / pita |
| Ketidakbulatan flensa lurus | ≤ 0,5% dari ID | ≤ 0,5% dari ID | ≤ 0,5% dari ID | Pita diameter |
Pengelasan dan Fabrikasi – Persiapan Las
Sambungan Las Kepala-ke-Selubung
Sudut bevel: 30° – 37,5° (V tunggal atau V ganda)
Celah akar: 2mm – 4mm
Muka akar: 1mm – 2mm
Logam pengisi:
304L – ER308L
316L – ER316L
321 – ER321
347H – ER347
Dupleks 2205 – ER2209
Proses las: GTAW (TIG) atau SMAW (stick) atau SAW (busur terendam) – per ASME Section IX
Gas penyangga: Purging argon untuk jalur akar pada SS austenitik dan dupleks
Pemasangan Nosel dan Bantalan Penguat
Nosel: Dilas ke area mahkota atau tekukan kepala – diperlukan bantalan penguat sesuai ASME VIII-1 UG-37 jika bukaan melebihi ukuran yang diizinkan
Jarak minimum antara pusat nosel dan garis singgung kepala: ≥ 0,5 × OD nosel (untuk mencegah pelapisan las zona tekukan)
Semua pemasangan: 100% PT pada permukaan las akhir
PWHT untuk Kepala Baja Tahan Karat
SS Austenitik (304L/316L): PWHT biasanya tidak diperlukan; namun, anilasi larutan pada 1.040°C – 1.100°C dengan kuens air direkomendasikan setelah pembentukan panas atau setelah pengelasan bagian tebal (> 20mm) untuk mengembalikan ketahanan korosi
SS Dupleks: Anilasi larutan pada 1.040°C – 1.080°C dengan kuens air setelah pembentukan panas atau pengelasan bagian tebal untuk mengembalikan keseimbangan ferit/austenit dan mencegah fase sigma
321/347H: Anilasi larutan pada 1.040°C – 1.060°C setelah pembentukan panas atau pengelasan jika sensitisasi menjadi perhatian
Pelepas tegangan (400°C – 450°C) selama 17-4PH setelah pengelasan – sesuai rekomendasi produsen
Finishing Permukaan dan Pasivasi
Permukaan Internal dan Eksternal
Finishing pabrik (seperti dibentuk): Permukaan pembentukan standar, Ra 3,2μm – 6,3μm
Finishing acar: Bak asam (HF/HNO₃) untuk menghilangkan kerak dan lapisan oksida – mengembalikan ketahanan korosi
Finishing pasivasi: Perlakuan asam nitrat atau asam sitrat untuk menghilangkan kontaminasi besi dan membentuk kembali lapisan pasif – diperlukan untuk layanan farmasi, makanan, dan korosif
Finishing elektropolish: Ra ≤ 0,4μm – untuk layanan farmasi, biotek, air ultra-murni
Finishing poles mekanis: Ra 0,8μm – 1,6μm (grit 180 – 320) – untuk layanan makanan, susu, kosmetik
Prosedur Pengacaran dan Pasivasi
Larutan pengacaran (untuk SS austenitik): 10% – 20% HNO₃ + 1% – 3% HF, suhu 20°C – 50°C, waktu perendaman 10 – 60 menit
Larutan pasivasi (untuk SS austenitik): 20% – 40% HNO₃, suhu 40°C – 50°C, waktu perendaman 30 – 60 menit
Setelah perlakuan: Bilas dengan air demineralisasi, keringkan dengan udara bebas minyak
Verifikasi pasivasi: Tes Ferroxyl per ASTM A380 – tidak ada pewarnaan biru (menunjukkan penghilangan besi bebas)
Inspeksi dan Pengujian per Kepala
Inspeksi Dimensi
Radius mahkota: Templat atau pemindaian 3D – toleransi per ASME VIII-1 UG-81
Kedalaman dalam: Pengukur kedalaman – toleransi ±1,0%
Ketebalan: Pengukur ketebalan ultrasonik pada 10% luas permukaan – ketebalan min. ≥ 90% nominal
Ketidakbulatan: Pita diameter pada garis singgung – ≤ 1,0% dari ID
Panjang dan kebulatan flensa lurus: Kaliper dan pita diameter – toleransi per gambar
Pemeriksaan Non-Destruktif (NDE)
| Pemeriksaan | Metode | Cakupan | Penerimaan (Per ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Retakan permukaan | PT (penetran cair) | 100% permukaan yang dibentuk + area las | Tidak ada retakan, tidak ada porositas > 0,8mm, tidak ada porositas bergerombol |
| Laminasi | UT (sinar lurus) | 100% blank pelat | Laminasi ≤ 20mm² per 100cm² |
| Sambungan las (jika dilas) | RT atau UT (gelombang geser) | 100% (per UW-51) atau spot (per UW-52) | Per ASME VIII-1 UW-51 atau UW-52 |
| Verifikasi ketebalan | UT (ultrasonik) | 10% permukaan | ≥ 90% nominal |
Pengujian Tekanan (ketika dilas ke bejana atau diuji sebagai penutup mandiri)
Uji hidrostatik per ASME VIII-1 UG-99: Tekanan uji = 1,3 × tekanan desain × (S pada suhu uji / S pada suhu desain)
Media uji: Air bersih atau air demineralisasi (untuk menghindari korosi tegangan klorida pada SS)
Batas klorida dalam air uji: ≤ 50ppm (untuk SS austenitik) untuk mencegah SCC; ≤ 200ppm untuk dupleks
Waktu tahan: Minimum 30 menit
Penerimaan: Tidak ada penurunan tekanan; tidak ada kebocoran yang terlihat pada sambungan las
Dokumentasi per Pengiriman
Sertifikat uji material (EN 10204 3.1 atau 3.2) – material pelat dan material pengisi
Laporan data ASME U-stamp (jika berlaku)
Lembar data GB/T 25198 (jika standar domestik)
Laporan inspeksi dimensi (radius mahkota, kedalaman, ketebalan, ketidakbulatan, flensa lurus)
Laporan NDE – pemindaian permukaan PT, pemindaian laminasi UT, pemindaian las RT/UT (jika dilas)
Spesifikasi prosedur pembentukan (FPS) dan catatan pembentukan (suhu, tingkat pemanasan, tingkat pendinginan)
Laporan pengukuran ketebalan (catatan pengukur ketebalan ultrasonik)
Sertifikat pengacaran/pasivasi (jika dilakukan) – termasuk konsentrasi bak, suhu, dan durasi
Tes verifikasi pasivasi (Tes Ferroxyl) – jika diperlukan
Bagan perlakuan panas (catatan waktu-suhu anilasi larutan) – jika dilakukan
Daftar Periksa Pemilihan – Kepala Baja Tahan Karat
Jenis kepala – Elips 2:1 / Torisferis / Hemisferis / Kerucut / Datar
ID selubung (diameter dalam) – menentukan ukuran dan kedalaman kepala
Tekanan desain – menentukan ketebalan minimum per ASME VIII-1 UG-32
Suhu desain – menentukan tegangan yang diizinkan (S) per ASME II-D dan grade material
Fluida proses – menentukan grade baja tahan karat (304L / 316L / 321 / 347H / Dupleks)
Konsentrasi klorida – jika > 200ppm, pilih 316L (≤250ppm), Dupleks 2205 (≤300ppm), atau Super Dupleks 2507 (>300ppm)
Preferensi metode pembentukan – Pembentukan panas (tebal > 20mm) atau Pembentukan dingin (tipis ≤ 20mm)
Persyaratan finishing permukaan – Pabrik / Acar / Pasivasi / Elektropolish / Poles mekanis
Pemasangan nosel diperlukan – sediakan jadwal nosel (ukuran, rating, orientasi, proyeksi)
Persyaratan PWHT – Berdasarkan material, ketebalan, dan layanan (biasanya anilasi larutan untuk SS)
Persyaratan NDE – Per ASME VIII-1 atau per spesifikasi proyek
Persiapan las – Jenis bevel tepi (V tunggal / V ganda) dan sudut bevel (jika dipasok dengan persiapan las)
Tekanan uji – Untuk uji hidro per UG-99 (jika dipasok sebagai penutup yang sudah diuji)
Pernyataan Batasan Desain – Kepala Baja Tahan Karat
Kepala baja tahan karat sebagai produk mandiri tunduk pada batasan berikut:
Tidak diberi peringkat untuk tekanan internal sampai dilas ke selubung atau flensa; peringkat tekanan berasal dari bejana terakit lengkap
Tidak cocok untuk layanan yang mengandung klorida > 200ppm tanpa memilih grade yang sesuai (316L untuk ≤250ppm, Dupleks untuk ≤300ppm, Super Dupleks untuk konsentrasi lebih tinggi)
Tidak cocok untuk uji hidro dengan air yang mengandung klorida > 50ppm (untuk SS austenitik) – risiko retak korosi tegangan klorida (SCC)
Tidak cocok untuk suhu layanan di atas 600°C (SS austenitik) atau di atas 280°C (SS dupleks) – transformasi fase material atau mulur akan terjadi di atas batas ini
Tidak cocok untuk siklus termal parah (> 1.000 siklus/tahun) tanpa analisis kelelahan per ASME VIII-2 – tegangan sisa dari pembentukan dingin dapat mempercepat kegagalan kelelahan
Untuk kepala yang memerlukan anilasi larutan setelah pembentukan, bagian tersebut harus dikuens ulang; tingkat pendinginan mempengaruhi sifat mekanik akhir
