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