analisa tegangan pipa pada sistem perpipaan heavy …

Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035

37

ANALISA TEGANGAN PIPA PADA SISTEM PERPIPAAN HEAVY FUEL OIL DARI DAILY TANK UNIT 1 DAN UNIT 2 MENUJU HEAT

EXCHANGERDI PLTU BELAWAN

�� 1,2Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus Usu

Medan 20155 Medan Indonesia email: [email protected]

Abstrak Dalam merancang suatu plant, tidak terlepas dari sistem perpipaan. Maka dalam hal ini perancangan perpipaan harus benar-benar aman dan memiliki fleksibilitas yang cukup. Dalam hal ini dibutuhkan suatu analisa tegangan pada perpipaan untuk menentukan ada atau tidaknya tegangan yang berlebih (overstress) dan analisa gaya dan momen yang berlebih pada sambungan (nozzle), agar tidak terjadi kebocoran yang diakibatkan oleh beban yang berlebih (overload) pada sambungan equipment dengan sistem perpipaan. Jika ditemukan kegagalan atau tegangan yang berlebih maka perlu dilakukan perancangan ulang untuk mempastikan bahwa sistem perpipaan ini dapat beroperasi dengan aman. Hasil dari tegangan, gaya dan momen harus sesuai dengan standar dan kode yang ditetapkan. Kata kunci: analisa tegangan pipa, gaya dan momen sambungan, sistem perpipaan

1. Pendahuluan

Dalam suatu perencangan plant tidak terlepas dari pada sistem perpipaan yang mana berfungsi sebagai jalur tranportasi fluida yang ingin dialirkan dari satu komponen ke komponen yang lain. Sistem perpipaan ini harus dirancang sedemikan rupa sehinga mampu menahan beban yang terjadi, baik beban statis dan dinamis yang terjadi. Analisa tergangan pada perpipaan adalah teknik yang dilakukan oleh engineer agar sistem perpipaan tanpa tegangan berlebih (over stress) dan pembebanan berlebih (over loading) pada kompenen pemipaan dengan komponen yang terhubung.

Kemampuan sistem perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menyebabkan kegagalan disebut fleksibilitas system perpipaan. Kegagalan pada sistem perpipaan ini dapat mengganggu proses operasi yang berlangsung. Maka dari itu, analisa fleksibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan perlu dilakukan untuk memastikan bahwa sistem perpipaan pada kondisi aman saat dioperasikan. Sistem perpipaan harus mempunyai fleksibilitas yang cukup, agar pada saat terjadi pemuaian termal dan kontraksi,

pergerakkan dari penyangga dan titik persambungan pada sistem perpipaan tidak akan menyebabkan:

1. Kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan

2. Kebocoran pada sambungan 3. Beban berlebih pada sambungan

dengan komponen Pada tugas ini akan membahas

mengenai perhitungan analisa tegangan sistem perpipaan pada system pemipaan proses yang mana mengacu kepada code ataupun standar internasional yaitu ASME B31.3 Process Piping, menganalisa gaya dan momen di setiap nozzle sambungan antara pipa dengan equipment seperti tank, filter, pompa dan heat exchanger. Proses menganalisa tegangan, gaya dan momen pada sistem pemipaan dibantu oleh program computer Coade Caesar II 5.1

2. Landasan Teori Dasar Perhitungan Ketebalan Pada Pipa

Ketebalan dibutuhkan dari pipa lurus, kode pipa telah mengatur perhitungan ketebalan pipa yang


38

diperbolehkan yang disebut dengan ketebalan minimum (��[1].

��

Dimana:

�� = ketebalan minimum yang dibutuhkan (mm)

t = ketebalan disign (mm)

P = tekanan dari dalam (KPa)

�� = diameter luar dari pipa (mm)

S = tegangan yang diijinkan pada suhu disign (KPa) appendix A1

A= ketebalan tambahan Tegangan pada Pipa Elemen dari suatu dinding pipa dihubungkan dengan empat tegangan yang dapat dilihat pada gambar 1 [2].

Gambar 1 Tegangan pada Pipa

Dimana: �� = tegangan Logitudinal (Longitudinal

Stress)

� = tegangan sirkumferensial (Circumferential Stress)

�!= tegangan Radial ( Radial Stress) �" = tegangan Geser (Shear Stress) Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) Tegangan logituginal disebabkan gaya aksial, tekanan pipa, momen lentur [3]. 1. Gaya aksial

Gaya yang diberikan baik berupa tekan atau tarik terhadap luas penampang pipa

�#$ ��%&'��

Dimana: �#$= Tegangan Logituginal akibat gaya

aksial (KPa) %&'= Gaya aksial (N)

��= Luas Penampang Pipa (�� 2. Tekanan Dalam Pipa

Tekanan dalam ini dikarenakan fluida yang ada didalam pipa, fluida ini akan memberikan tekanan baik searah dengan panjang pipa, dapt dilihat pada gambar 2.

Gambar 2 Tekanan Dalam Pipa

3. Tegangan longitudinal akibat momen

bending. Momen bending dikategorikan

menjadi dua komponen momen yang terjadi �( dan �), dapat dilihat gambar 3.

Gambar 3 Tegangan longitudinal

* ��+�*(� � �*)� �� ,-+�(� ��)�

�*= tegangan longitudinal akibat momen lentur ( KPa�

�(, �)= momen lentur pada penampang

pipa (N.mm) .= momen inersia penampang pipa (��/�


39

��= radius luar pipa (mm) -= modulus permukaan pipa

Tegangan Radial

Tegangan radial adalah tegangan yang bekerja pada dalam arah radial pipa atau arah jari-jari pipa. Besar tegangan ini bervariasi dari permukaan dalam pipa ke permukaan luarnya dan dapat dinyatakan dengan persamaan tegangan tangensial seperti pada gambar 4 [4].

Gambar 4 Tegangan radial

)22(

2

222

ir

or

r

orir

irP

RS

−

−

=

Dimana: �!= tegangan radial (KPa)

P = tekanan design (Kg/��) Tekanan Sirkumferensial atau Tegangan Tangensial (Hoop Stress)

Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa yang mana tekanan ini bersumber dari fluida dan nilainya selalu positif jika tegangan cenderung membela pipa menjadi dua. Seperti pada gambar 5[4].

Gambar 5 Tegangan Sirkuferensial

�0 � ��1� � 23425424 �

�� 6 �1��

Tegangan Geser

Tegangan geser adalah tegangan yang bekerja dalam penampang pipa atau luas permukaan pipa, tegangan ini diakibatkan oleh gaya geser dan momen puntir

Gaya geser

Rasio dari nilai maksimum dan nilai rata-ratanya disebut dengan faktor distribusi gaya geser, gaya geser dapat dilihat pada gambar 6.

Gambar 6. Gaya geser

�7�&' � %!��

Dimana:

7�&'= tegangan geser yang terjadi pada

pipa (KPa)

7'(��&'8 �7')��&'= tegangan geser pada X

dan Y (KPa)

%'�8 �%(= gaya geser yang bekerja pada x

dan y (N)

��= luas permukaan penampang (N)

Tegangan Berdasarkan Kode Standar

Pada sistem perpipaan ada dua dasar mode kegagalan (failure) yaitu kegagalan tegangan sustained (primer) dan kegagalan tegangan expansi (sekunder)[5].

a. Sustained Load Sustained load merupakan

tegangan primer yang menyebabkan kegagalan katastrofis. Jumlah dari seluruh tegangan logitudinal (�#� akibat tekanan, berat dan akibat beban sustain yang lain tidak boleh melebihi �0.


40

�# � %��

9��1�1�� :��- � �;�

<� = �0

Dimana: �# = tegangan logitudinal (KPa� �� = luas penampang pipa (��) �1 = faktor intisifikasi (SIF) in-plane �� = faktor intisifikasi (SIF) out-plane �1 = momen lenduan in-plane karena

sustained load (N.mm) �:=momen lendutan out-plane karena

sustained load(N.mm)

b. Occasional load

Ocasional load adalah beban yang terjadi kadang-kadang selama proses operasi normal.

�# � �:>>&?1�@&� = ,ABB�0

�:>>&?1�@&�= Tegangan akibat occasional

load

c. Expansion Load

Expansion load adalah stress yang terjadi akibat adanya perubahan temperatur, jika temperatur naik akan mengakibatkan pemuaian sedangkan jika suhu menurun maka akan terjadi pengkerutan.

,-9��1�1�� C�C�� = D�,A�E�> � FG�E�H�

3.Metodologi Penelitian

Lokasi Riset

Pelaksanaan riset yang dilakukan dalam permasalahan ini diambil di PT. PLN (Persero) Pembangkit Sumetera Bagian Utara, riset yang dilakukan adalah analisa tegangan pipa pada sistem perpipaan pada jalur heavy Fuel Oil (HFO) dari daily tank menuju heat exchanger (HE).

Proses Penelitian

Langkah-langkah dalam analisa tegangan pada sistem perpipaan dan analisa gaya dan momen pada nozzle adalah sebagai berikut:

1. Membuat gambar plant 3D dari sistem perpipaan ini.

2. Melakukan pemodelan dengan menggunakan program coade caesar, dengan cara input data-data yang dibutuhkan. Data yang dibutukan dalam pemodelan ini dapat dilihat pada iso drawing seperti : panjang pipa, diameter pipa, ketebalan pipa, jenis valve, jenis flange, elbow, serta letak support, dan lainya.

3. Kemudian dilakukan proses penganalisaan, disini dapat ditampilkan hasil analisa atau pembebanan yang bekerja dan mengetahui apakah pipa sudah layak untuk digunakan dan memenuhi standar-standar atau kode-kode yang telah.

4. Analisis terhadap sambungan pada tangki, filter, pompa dan heat exchanger berdasarkan gaya dan momen yang bekerja agar tidak melebihi atau masih sesuai dengan aturan standar dan kode API 610 dan WRC 107.

4. Hasil Dan Analisa

Pemodelan Plant Design 3D Dalam pembuatan model plant

design 3D ini penulis menggunakan program Autodesk Plant Design 3Dgambar ini digunakan untuk mengamati kondisi sebenarnya yang sesuai dengan kondisi lapangan dalam bentuk animasi tiga dimensi.

Tabel 7 Keterangan gambar daily tank menuju pompa


41

Tabel 1. Keterangan Gambar 7 NO Keterangan No Keterangan

1

2

3

4

5

6

7

Daily Tank Unit 1

Pipa 6 in (warna abu-

abu)

Filter unit 1

Pompa Unit 1

Filter Unit 2

Pompa Unit 2

Filter Unit 3

8

9

10

11

12

13

Pompa Unit 3

Filter Unit 4

Pompa Unit 4

Gate Valve

Gate valve

Daily Tank Unit 2

Gambar kedua yaitu sistem perpipaan menuju heat exchanger unit satu dan dua.

Gambar 8 Perpipaan Heat Exchanger

Tabel 2Keterangan gambar 8 NO Keterangan No Keterangan

1 2 3

Boiler Heat exchanger unit 2 Heat exchanger unit 1

4 5

Ball Valve Elbow 4”

Pemodelan Dan Analisa Pipa Daily Tank Menuju Filter

Pemodelan Pipa Daily Tank menuju Filter

Untuk pipa dari daily tank dimana terdapat dua unit daily tank yaitu unit 1 dan unit 2.

Gambar 9pipa dari daily tank

Tabel 3 Keterangan gambar 9 Node keterangan Node Keterangan

10

20

30

50

65

70

78

90

100

134

Ancor (nozzle daily

tank unit 1)

Flange (rigid)

Flange (rigit)

Gate Valve (rigit)

Support (restrain Y+)

Elbow


Flange (rigit)

Gate Valve (rigit)


141

140

145

150

170

190

200

300

310

2030


Elbow


Gate Valve(rigit)

Flange (rigit)

Flange ketank unit 1

Ancor(nozzle daily tank

unit 2)

Flange (rigit)

Gate Valve (rigit)

Flange (rigit)

Untuk dapat melihat jelas gambar pada bagian pipa menuju ke filter unit 1, 2, 3 dan 4 dapat dilihat pada gambar.

Gambar 10pipa menuju ke filter unit

Tabel4 Ketrangan gambar 10 Node keterangan Node Keterangan

400

460

470

1000

1020

1040

1060

1070

Tee

Flange (rigid)

Ancor (nozzle filter unit 1)

Elbow

Ball Valve (rigit)

Flange(rigit)

Flangefilter unit 3


2090

3010

3020

3060

3070

4000

4060

4070

Tee

Flange (Rigit)

Ball valve (Rigit)

Flangefilter unit 2


Elbow

Flangefilter unit 1


Analisa Tegangan Pipa Daily Tank Menuju Filter

Tabel 5 Analisa tegangan pipa

Analisa Gaya dan Momen di nozzledaily tank


42

Tabel 6.Gaya dan momen nozzle (OPE1)


Analisa Gaya dan Momen di nozzlefilter



Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa 1 dan 2 Menuju Heat exchanger

Pemodelan Pipa Pompa 1 dan 2 menuju Heat exchanger

Gambar 11 pipa di pompa unit 1 dan 2

Gambar 12 pipa di Heat exchanger

Analisa Tegangan Pipa Dari Pompa 1 dan 2 Menuju HE 1 Dan 2


43


Analisa Gaya dan Momen Nozzle Pompa

Tabel 11Analisa gaya dan momen(OPE1)


Analisa Gaya dan Momen Nozzle Pompa


Maka, hasil analisis resultan gaya dan momen di nozzle pada heat exchanger unit 1 dan unit 2 adalah:

� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat

exchanger unit 1

%!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��<L,FGF,��N� Aman ( √ ) �O�&��&*�I�� P ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� P BLBKGKE��N� Gagal ( X )

� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2 %!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��<LFKGF��N� Aman ( √ ) �O�&��&*�I�� P ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� P BB�BGE,��N� Gagal ( X )


Maka, hasil analisa resultan gaya dan momen bending di nozzle pada heat exchanger unit 1 dan unit 2 adalah:

� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 1

%!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��,KBBGER��N� Aman ( √ ) �O�&��&*�I�� J ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,B<KGQR��N� Aman ( √ )

� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2 %!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��,KB�GRE��N� Aman ( √ ) �O�&��&*�I�� J ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,KKEGBE��N� Aman ( √ )


44

Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa Unit 3 dan 4 Menuju HE

Pemodelan Pipa Dari Pompa Unit 3 Dan 4 Menuju HE

Gambar 13 Pipa pompa unit 3 dan 4

Gambar 14 Pipa pompa unit 3 dan 4

Analisa Tegangan Pipa Pompa Unit 3 dan 4 Menuju HE


Analisa gaya dan momen Nozzle pompa

Tabel 16 Analisa gaya dan momen(OPE1)


Analisa Gaya dan Momen di Nozzle Heat exchanger


Maka,hasil analisis resultan gaya dan resultan momen bending di nozzleheat exchanger unit 1 dan unit 2 dengan nilai yang diizinkan adalah: � Resultan gaya dan momen bending

pada nozzle pada heat exchanger unit 1 %!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��E�<RG�E��N� Aman (√ ) �O�&��&*�I�� P ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� P BR�<GRE��N� Gagal ( X )

� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2 %!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��,KB�GRE��N� Aman (√ ) �O�&��&*�I�� J ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,B<KGQR��N� Aman ( √ )


45


Maka,hasil resultan gaya dan momen bending di nozzleheat exchanger unit 1 dan unit 2 adalah:

� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 1 %!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��B<FGL,��N� Aman ( √ ) �O�&��&*�I�� J ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,LLLG,��N� Aman ( √ )

� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2

%!�&��&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��B<FGFB��N� Aman ( √ ) �O�&��&*�I�� J ��O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,RBQGEL��N� Aman ( √ )

5. Kesimpulan 1. Adapun kesimpulan dari tegangan

yang terjadi pada sistem pemipaan ini adalah: a. Pada pipa penyalur dari daily

tank menuju filter nilai tegangan yang terbesar sebesar 51801.6 KPa.

b. Pada pipa penyalur pompa unit 1 dan 2 menuju heat exchanger unit 1 dan 2 nilai tegangan yang tertinggi sebesar 71999.5.

c. Pada pipa penyalur pompa unit 3 dan 4 menuju heat exchanger unit 1 dan 2 nilai tegangan yang tertinggi sebesar 72609.3 KPa.

d. Sistem pemipaan marine fuel oil dari daily tank menuju heat exchanger tidak mengalami tegangan berlebih(overstress).

2. Analisa gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan ini dapat disimpulkan: a. Gaya dan momen di nozzle

untuk daily tank tidak ada melebih batas allowable

b. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk filter unit 1,2,3 dan 4 tidak ada melebih batas allowable.

c. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk pompa unit 1,2,3 dan 4 tidak ada melebih batas allowable.

d. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk heat exchanger 1 dan 2 , pada kondisi OPE 1

dalam kondisi ,FFST�terjadi resultan momen bending yang melewati kondisi yang diizinkan(pipa dari pompa unit 1 dan 2)

e. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk heat exchanger 1 dan 2 , pada kondisi OPE 1

dalam kondisi ,FFST�terjadi resultan momen bending yang melewati kondisi yang diizinkan.(pipa dari pompa unit 3 dan unit 4)

f. Momen yang berlebih ini tidak berpengaruh dengan kondisi sekarang, karena momen yang berlebih hanya terjadi pada kondisi operasi dengan temperatur design bukan teperatur kerja sebenarnya.

DAFTAR PUSTAKA [1] API Std 610. 2004. Centrifugalg

Pumps for Petrolium, Petrochemical and Gas Industries. USA: Americal Petrolium Institute.

[2] ITT Grinnell Industrial. 1981. Piping Design and Engineering. New York: ITT Grinnell Press.


46

[3] Helguero M, Victor. 1986. Pipe Stress Handbook. Texas: Gulf Publishing Company.

[4] Peng, Ling-Chuan, dan Tsen Long Peng. 2009. Pipe Stress Engineering. USA: ASME Press

[5] The American Society of Mechanical Engineering. 2010. ASME B31.3 Process Piping. New York: ASME Press.

analisa tegangan pipa pada sistem perpipaan heavy …

Documents