analisa rancangan pipe support sistem perpipaan dari...
Post on 06-Feb-2018
225 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
Abstrak— Fleksibilitas sistem perpipaan harus diperhatikan
karena berhubungan erat dengan tegangan yang nantinya akan
berpengaruh langsung terhadap keamanan untuk menjamin
sistem yang dirancang sesuai dengan konsepnya. Untuk menjamin
kemanan sistem perancangan dibutuhkan analisa lebih lanjut
mengenai pipe support yang menjadi tumpuan dari sistem
perpipaan tersebut. Pada tugas akhir ini dilakukan analisa
rancangan pipe support dengan adanya varisai jenis pipe support
sistem perpipaan dari pressure vessel ke air condenser
berdasarkan stress analysis dengan pendekatan software
CAESAR II dimana sistem perpipaan memiliki allowable stress
sebesar 35000 psi.
Hasil dari analisa thermal load, jenis resting dan guide tidak
melebihi allowable stressnya. Pada support jenis resting memiliki
tegangan kritis sebesar 1096,3 psi, sedangkan jenis guide memiliki
tegangan kritis sebesar 23949,8 psi. Hasil analisa tegangan sustain
load jenis resting dan guide memiliki nilai tegangan yang tidak
terlalu berbeda, bahkan memiliki nilai tegangan kritis yang sama
yaitu sebesar 4662,3 psi. Untuk analisa nozzle check, gaya dan
momen pada support jenis resting tidak melebihi allowablenya,
sebaliknya support jenis guide terdapat kegagalan pada equipment
sehingga harus dilakukan modifikasi.
Dalam analisa rancangan pipe support ini jenis support yang
paling optimal dalam mengakomodir seluruh tegangan adalah
jenis resting
Kata Kunci— tegangan pipa, sustain load, expansion load,
ASME B31.3.
I. PENDAHULUAN
istem perpipaan digunakan untuk mengalirkan fluida dari
suatu tempat ke tempat lain. Saat ini sistem perpipaan sudah
sangat maju, misalnya saja digunakannya pipa underground,
ataupun sistem perpipaan bawah laut (offshore) yang digunakan
untuk mengalirkan minyak dari suatu negara ke negara lain.
Penggunaan sistem perpipaan jauh lebih efisien dalam hal
waktu maupun biaya yang jauh lebih baik dibandingkan dengan
cara menggunakan suatu wadah/kapal tanker/truck dalam
pemindahan fluidanya. Walaupun dalam kenyataanya,
menggunakan sistem perpipaan memiliki banyak hal yang
harus diperhatikan [1, 2].
Di dalam sebuah plant, baik LNG, Gas, Petrochemical
ataupun yang lainnya, piping akan berisikan fluida yang
mempunyai temperature tertentu. Pipa dapat diartikan sebagai
tube yang terbuat dari logam, plastik, kayu, concrete, atau
fiberglas. Sistem perpipaan merupakan suatu pipa yang saling
berhubungan satu dengan yang lainnya, termasuk di dalamnya
adalah komponen perpipaan lain misalnya yaitu pipe fitting dan
flanges, valve, instrument dan equipment yang terhubung di
dalamnya, misalnya adalah pompa, heat exchanger, tanks, dan
yang lainnya [1, 3]. Satu kegagalan saja dalam komponen
sistem perpipaan akan memungkinkan dilakukanya shut down
dalam produksi yang tengah berjalan, atau yang lebih buruknya
lagi adalah terjadi kebocoran sehingga akan terjadi kehilangan
fluida yang mengakibatkan kerugian besar dalam produksi, dan
mungkin nantinya fluida yang bocor tersebut akan
membahayakan kesehatan publik, untuk itu perlu perhatian
khusus dalam mendesain sistem perpipaan [2].
Piping stress analysis merupakan suatu metode penting
untuk meyakinkan dan menetapkan secara numeric bahwa
sistem perpipaan yang dikonsep merupakan sistem yang aman
tanpa terjadinya kegagalan seperti adanya overstressing dan
overloading di komponen perpipaan ataupun yang terhubung
dengan equipment [4, 5].
Engineer pada tahun 1950 hanya membahas dari sisi
permasalahan mengkalkulasi tegangan pipa yang diakibatkan
oleh adanya ekspansi thermal, dengan kata lain, engineer saat
itu hanya melihat apakah sistem perpipaan cukup mampu
menahan ekspansi thermal karena perubahan temperature [2,
6]. Namun pada saat ini pipe stress analysis sudah berkembang
pesat sehingga kemanan sistem perpipaan tidak hanya melihat
dari ekspansi thermal saja misalnya yaitu dari berat pipa itu
sendiri, tegangan karena tekanan fluida, getaran yang
ditimbulkan yang berakibat pada equipment, dan yang lainnya
[2, 4]. Dalam mengakomodir semua penyebab dari kegagalan
tersebut, dibutuhkan adanya pipe support dalam sistem
perpipaan.
Pipe support merupakan suatu kebutuhan yang tidak dapat
dikesampingkan dalam perancangan sistem perpipaan, karena
tanpa pipe support (tumpuan), pipa dan komponennya akan
sangat rentan terhadap kegagalan karena cenderung akan
mengalami overstress. Saat ini pipe support tidak hanya
mempertimbangkan dalam menghindari overstress saja, tetapi
juga mempertimbangkan hal lain seperti efisiensi distribusi
tegangan, kemudahan dalam instalasinya, dan biaya dalam
pembuatan pipe support tersebut [2, 3].
Analisa Rancangan Pipe Support Sistem Perpipaan dari
Pressure Vessel ke Air Condenser Berdasarkan Stress
Analysis dengan Pendekatan CAESAR II
Andis Dian Saputro dan Budi Agung Kurniawan
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Kampus ITS, Keputih, Surabaya 60111
E-mail: agung_bak@mat-eng.its.ac.id
S
2
II. METODE PENELITIAN
Analisa rancangan pipe support ini menggunakan alur proses
kerja yang digambarkan seperti gambar 2.1.
Gambar 2.1 Diagram alir proses kerja
A. Evaluasi isometrics sesuai dengan standard
Pada tahapan ini yaitu melakukan evaluasi isometrics yang
diekstrak oleh piping design engineer berdasarkan standard
yang dipakai dan sesuai dengan P&ID yang berkaitan. Bila
memang nantinya terjadi kesalahan kemudian akan diproses
kembali oleh piping design engineer untuk dilakukan revisi.
B. Perhitungan pipe support secara teori
Perhitungan pada tahapan ini yaitu dengan terlebih dahulu
membuat stress sketch. Stress sketch berbeda dengan
isometrics. Stress sketch digunakan untuk menentukan secara
kasaran penentuan node-node. Kemudian setelah itu melakukan
perhitungan terlebih dahulu jumlah keseluruhan panjang
perpipaan serta berat sistem perpipaan, kemudian dilakukan
kalkulasi allowable pipe span yang akan diaplikasikan dalam
analisa rancangan ini dan digambarkan pada stress sketch.
C. Check error
Check error dilakukan agar dapat mengetahui apakah terjadi
kesalahan mengenai design piping input yang dimodelkan
ataupun tidak. Hal ini perlu dilakukan karena bila terdapat
kesalahan, analisa lebih jauh pada permodelan tidak akan bisa
dilakukan. Jika terdapat kesalahan kemudian diproses kembali
ke tahapan input data, namun jika tidak ada kesalahan dapat
dilanjutkan ke proses selanjutnya.
D. Analisa sesuai batasan ASME B31.3
Setelah melakukan analisa tegangan pada CAESA,
selanjutnya adalah pengecekan terhadap stress pada sistem
perpipaan yang telah dimodelkan terhadap code yang
digunakan dalam sistem perpipaan, dalam analisa ini
menggunakan ASME B31.3 karena merupakan sistem
perpipaan yang termasuk ke dalam proses piping. Bila tegangan
melebihi batas yang diizinkan, maka dilakukanlah modifikasi
pipe support. Allowable stress pipa yang dianalisa berdasarkan
tabel 2.1
Tabel 2.1 Allowable Stress Berdasarkan ASME B31.3
Material
Yield
Strength (psi)
Basic Allowable
Stress (psi) pada Temperature (oF)
200 300
ASTM A333 Grade
6 35000 20000 20000
ASTM A106 Grade
B 35000 20000 20000
E. Analisa sesuai batasan vendor
Melakukan pengecekan terhadap gaya dan momen pada
equipment yang telah dimodelkan terhadap batasan gaya dan
momen yang diizinkan berdasarkan batasan vendor, bila
melebihi batas yang diizinkan, maka dilakukanlah modifikasi
pipe support. Batasan gaya dan momen pada equipment SNO-
E 5028 dan SNO-V 5029 berdasarkan tabel 2.2, sedangkan
untuk SNO-V 5027 berdasarkan tabel 2.3, sedangkan acuan
dalam arah gaya ditunjukkan pada gambar 2.2
Tabel 2.2 Allowable Nozzle Load SNO-E 5028 dan SNO-
V5029
Equipment Moments (kg.m) Forces (kg)
Mx My Mz Fx Fy Fz
SNO-E
5028
4730 6748 3602 2696 3390 3390
SNO-V
5029
6017 6943 6017 2645 3527 3527
Tabel 2.3 Allowable Nozzle Load SNO-V 5027
Equipment Moments (kg.m) Forces (kg)
Mr My Fr Fy
SNO-V 5027 8510,5 6943,7 4409,2 3527,4
3
Gambar 2.2 Arah momen dan gaya equipment
F. Isometric sistem perpipaan
Dalam analisa ini, isometric sistem perpipaan dibagi menjadi
dua bagian karena memiliki densitas fluida yang berbeda,
gambar 2.3 dan 2.4 merupakan isometric sistem perpipaan yang
dianalisa
Gambar 2.3 Isometric sistem perpipaan sheet 1
Gambar 2.4 Isometric sistem perpipaan sheet 2
G. Data sistem perpipaan
1) Data material pipa
Tabel 2.4 Data Material Pipa
III. HASIL DAN DISKUSI
A. Perhitungan allowable stress
Nilai tegangan ijin yang dijadikan acuan dalam analisa
adalah nilai tegangan ijin berdasarkan desain temperature.
Untuk sustain load, allowable stressnya adalah basic allowable
stress berdasarkan ASME, yaitu sebesar 20000 psi, sedangkan
untuk thermal load, perhitungan allowablenya adalah sebagai
berikut :
𝑆𝑒𝑘𝑠𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖 = 𝑓(1,25 𝑆𝑐 + 0,25 𝑆ℎ)= 1(1,25 𝑥 20000 + 0,25 𝑥 20000)
= 30000 psi
B. Perhitungan Jarak Antar Support
Tabel 3.1 Perhitungan Jarak Antar Support
Terlihat dari perhitungan allowable pipe span berdasarkan
defleksi menghasilkan nilai yang lebih rendah daripada batasan
tegangan sehingga jarak ini menjadi acuan. Terlihat dari
gambar isometric pipe span terjauh memiliki jarak 7000 mm
yang masih masuk dalam batasan defleksi maupun tegangan.
Properties Material
A106 Grade B (1) A333 Grade 6 (2)
Modulus
Elastisitas 28,7 x 106 psi 28,7 x 106 psi
Densitas Fluida 35,73 kg/m3 452 kg/m3
Temperature
Operasi 140oF 120oF
Temperature
Design 210oF 210oF
Pressure
Operasi 231,4 psi 227 psi
Pressure
Design 275 psi 275 psi
Maksimum
defleksi 0,5 in 0,5 in
Defleksi Stress
√128𝐸𝐼∆
𝑤
4
√10𝑍𝑆
𝑤
√128 𝑥 28,7 𝑥 106 𝑥 72,5 𝑥 0,5
4,15
4
√10 𝑥 16,81 𝑥 20 𝑥 103
4,15
10,75 m 22,86 m
4
C. Analisa tegangan CAESAR
1) Thermal load
Gambar 3.1 Hasil thermal load
Gambar 3.2 Distribusi tegangan thermal load
2) Sustain load
Gambar 3.3 Hasil sustain load
Gambar 3.4 Distribusi tegangan sustain load
Sustain load merupakan kondisi pembebanan yang
dipengaruhi oleh berat pipa, fluida dan komponen pipa lain
yang cenderung mengakibatkan pipa mengalami beban bending
ke bawah. Terlihat dari gambar 4.4 hasil analisa sustain load
sistem perpipaan yang diberi support jenis resting dan resting
dengan guide menghasilkan tegangan yang tidak melebihi
allowable stressnya. Tegangan terbesar untuk kedua jenis
support tersebut berada pada node 123 dan memiliki nilai yang
sama, yaitu 4662,3 psi atau sekitar 23,3%. Dari grafik juga
terlihat bahwa analisa tegangan pada resting dan resting dengan
guide tidak memiliki perbedaan yang jauh, namun pada node-
node tertentu support jenis resting menghasilkan tegangan yang
lebih tinggi daripada jenis resting dengan guide.
D. Nozzle check
Untuk analisa gaya dan momen nozzle pada equipment,
ditinjau dari gaya dan momen arah x, y dan z seperti pada
gambar 2.2. Terdapat 6 nozzle pada equipment yang dianlaisa,
yaitu nozzle pressure vessel SNO-V 5029 berada di node 51,
untuk nozzle pressure vessel SNO-V 5027 berada di node 490,
sedangkan untuk nozzle air condenser SNO-E 5028 berada di
node 1090,1121, 240, dan 271.
Gambar 3.5 Nozzle pressure vessel
91; 1096,3
104; 23949,8
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
350009
1
10
1
10
3
12
1
12
3
13
1
36
1
36
3
38
1
40
1
THER
MA
L ST
RES
S (P
SI)
NODE
Resting Guide Allowable Stress
123; 4662,3123; 4662,3
0
5000
10000
15000
20000
25000
91
10
1
10
3
12
1
12
3
13
1
36
1
36
3
38
1
40
1
SUST
AIN
LO
AD
(P
SI)
NODE
Resting Guide Allowable Stress
5
Gambar 3.6 Nozzle air condenser
Dari analisa nozzle check didapat bahwa pada pressure
vessel SNO-V 5029 dan air condenser SNO-E 5028 terdapat
kegagalan pada jenis guide, sehingga perlu dilakukanya
modifikasi dari support pada node 131 dan 101 yang semula
guide dengan resting menjadi resting, dan node 124 yang
semula guide dengan resting menjadi resting dengan limit stop.
Perubahan ini terlihat pada gambar berikut
Gambar 3.7 Modifikasi pipe support node 131 dan 124
Gambar 3.7 Modifikasi pipe support node 101
Dan berikut merupakan hasil analisa software setelah
dilakukan perubahan
Tabel 3.2 Gaya dan momen pada nozzle setelah modifikasi
Node Kondisi Jenis
Support Mx
(lb.ft) My
(lb.ft) Mz
(lb.ft)
1090 OPE (T.
Dgn)
Guide 1142,2 617,8 5142,9
Modifikasi 2384.6 1741.7 2584.7
Allowable 4730,4 6748,4 3602,0
Node Kondisi Jenis
Support Fx (lb) Fy (lb) Fz (lb)
51 OPE (T.
Dgn)
Guide 109 1300 5983
Modifikasi 389 352 757
Allowable 2645,5 3527,4 3527,4
Node Kondisi Jenis
Support Mx
(lb.ft) My
(lb.ft) Mz
(lb.ft)
51
OPE (T. Ope)
Guide 9877,8 53,2 417,0
Modifikasi 1382.4 1007.6 734.4
OPE (T. Dgn)
Guide 26145 59,9 956,6
Modifikasi 2593.8 1940.9 1531.9
Allowable 6017,9 6943,7 6017,9
IV. KESIMPULAN
Dari hasil percobaan pada kondisi thermal load, pipe support
jenis resting dengan guide memiliki stress yang sangat besar
dibandingkan dengan pipe support jenis resting. Tegangan
terbesar terjadi pada node 104 dengan nilai tegangan 23949,8
psi. Sedangkan pada support jenis resting tegangan terbesar
terjadi pada node 91 dengan nilai 1096,3 psi
Dari hasil percobaan pada kondisi sustain load, tegangan
antara resting dan resting dengan guide saling berhimpitan,
dimana keduanya memiliki tegagan terbesar yang sama yaitu
pada node 123 dengan nilai tegangan sebesar 4662,3 psi.
Sedangkan dari analisa nozzle, support jenis resting tidak
memiliki kegagalan pada setiap nozzle equipment, sedangkan
untuk support jenis resting dengan guide, terdapat kegagalan
pada nozzle pressure vessel SNO-V 5029 dan air condenser
SNO-E 5028 sehingga diperlukan adanya penggantian jenis
support pada node 124 menjadi limit stop, node 131 dan 101
menjadi resting.
Dari analisa tegangan untuk berbagai kondisi
pembebanan dan nozzle check pada equipment, didapat bahwa
jenis support yang paling optimal dalam mengakomodir
berbagai kondisi yang ada yaitu jenis resting.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Nayyar, Mohinder L. 2000. “Piping Handbook Seventh
Edition”. U.S.A. : McGraw-Hill Companies, Inc. [2] Peng, Liang-Chuan dan Peng, Tsen-Loong. 2009. “Pipe Stress
Engineering”. New York : ASME
[3] Smith, Paul R. 1987. “Piping and Pipe Support System”. U.S.A.
: McGraw-Hill Companies, Inc. [4] Chamsudi, Achmad. 2005. “Piping Stress Analysis”. Serpong :
Badan Tenaga Nuklir Nasional PUSPITEK.
[5] Kannappan, P.E., Sam. 1986. “Introduction to Pipe Stress
Analysis”. Canada : John Wiley & Sons, Inc. [6] Agustinus, Donny. 2009. “Pengantar Piping Stress Analysis
Dengan CAESAR II”. Jakarta : Entry Augisino Publisher
top related