TUGAS AKHIR – MO 091336

“ANALISA FATIGUE AKIBAT TEKANAN INTERNAL SIKLIS PADA DENTED PIPE”

DISUSUN OLEH :NUGRAHA PRAYOGA

(4305.100.050)

DOSEN PEMBIMBINGIr. JUSUF SUTOMO, M.Sc

Dr. Ir. WISNU WARDHANA, SE, M.Sc

AGENDA PRESENTASI P3

LATAR BELAKANG PENELITIAN

TUJUAN PENELITIAN

BATASAN MASALAH PENELITIAN

PROSES KERJA PENELITIAN

HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN

KESIMPULAN DAN SARAN

DAFTAR PUSTAKA

LATAR BELAKANG

Kerusakan yang terjadi padapipa berupa dent disebabkankarena adanya ketidakmampuanmaterial pipa dalam menahantekanan baik itu disebabkan daribeban luar maupun beban daridalam.Adanya dented pipe tersebutakan menimbulkan konsentrasitegangan lokal. Sehinggamenyebabkan ketahanan pipaterhadap beban statis maupunsiklis berkurang.Dented pipe dapat berpengaruhterhadap kelangsungan dari umurpipa saat beroperasi

TUJUAN PENELITIAN

Mengetahui aliran fluida yang terjadi di sekitar dentedpipe.

Mengetahui pengaruh aliran fluida terhadap tekananinternal fluida pada dented pipe.

Mengetahui tegangan dented pipe yang terjadi akibataliran fluida.

Mengetahui nilai fatigue dan fatigue life pada dentedpipe.

BATASAN MASALAH PENELITIAN

Data pipa diambil dari API SPEC 5 L.

Pipa dikondisikan mengalami cacat dent sehingga penyebab dent diabaikan.

Variasi pada kedalaman dent yaitu 5%,10%,15% dan20%.

Pemodelan fluida pada dented pipe menggunakan software FLOW 3D.

Dinding pipa saat pemodelan dianggap sebagai smooth wall.

Fluida diasumsikan uniform, viscous dan compressible.

Variasi kecepatan fluida yaitu 2 m/s, 3.5 m/s, dan 5 m/s.

Beban eksternal berupa gelombang dan arus air laut dianggap tidak ada.

Pemodelan distribusi tegangan pada dented pipe menggunakan software ANSYS Multiphysics.

Perhitungan fatigue menggunakan pendekatan 3 metode adalah metode punching shear, metode hot spot stress dan metode fracture mechanics.

PROSES KERJA PENELITIAN

Pengumpulan Data

Pemodelan Dented Pipe Dengan CFD (FLOW 3D)

Analisa Aliran Fluida Vortex

Perhitungan Parameter VIV

Analisa Gaya Dan Tekanan Internal Aliran Fluida

Pemodelan Dented Pipe Dengan ANSYS Multiphysics

Analisa Distribusi Tegangan

Perhitungan Konsentrasi Tegangan

Perhitungan Fatifue Dented Pipe Dengan 3 Metode

Metode Punching Shear Stress

Metode Hot Spot Stress

Metode Fracture Mechanics

Perhitungan Fatigue Life Dented Pipe

Perhitungan Stress Range

Perhitungan Nilai Fatigue

DIAGRAM ALIR PROSES KERJA

Mulai

Data Pipa dan Ukuran Kedalaman

Dent Pada Pipa

Pemodelan Geometri Dented Pipe

Dengan Ansys Multiphysics

Variasi Dented Pipe d (kedalaman dent) : 0.023 m, 0.046 m, 0.06 m, dan

0.1 m

Meshing Model Dengan Ansys Multiphysiscs

Pembebanan Pada Model Gaya fluida hasil dari running Flow 3D

Running Model Dengan Ansys Multiphysics

Error ??

Analisa SCF (Stress Concentration

Factors) dan Rentang Tegangan

Tidak

Perhitungan Fatigue (N) dan Umur Fatigue Pada Model Dented Pipe

Selesai

Ya

Analisa Tegangan Pada Dented

Pipe

Flowchart Pemodelan Fluida Flowchart Analisis Tegangan dan Fatigue

Mulai

Data Ukuran Pipa dan Ukuran

Kedalaman Dent Pada Pipa

Pemodelan Aliran Fluida Dented

Pipe Dengan Software CFD (Flow 3D)

Meshing Model Pada Flow 3D

Pembebanan dan Boundary

Condition

Input Velocity Fluida Gas (2 m/s, 3.5 m/s dan 5 m/s)

Running Model Pada Flow 3d

Error ??

Analisa Pola Aliran dan Perhitungan Parameter VIV (Re,

St, fs, Vr dan Kc)

Tidak

Selesai

Ya

Variasi Dented Pipe (d/D) : 5%, 10%, 15%, dan 20%

PEMODELAN FLUIDA DENGAN SOFTWARE FLOW 3D

Bentuk dent

Bentuk dent

NEXT…..

zz

z

y

NEXT….

Hasil Tabel Gaya danTekanan Internal Aliran Vortex

Model dented pipe (d/D)Gaya FluidaVortex (N)

5%

444.782

1595.577

2095.874

10%

756.556

2436.232

3772.513

15%

1653.012

3448.424

4457.620

20%

2156.230

4889.560

5863.250

Model dented pipe (d/D) Pressure Fluida (MPa)

1.53

2.63

4.97

2.31

4.55

5.44

5.65

6.07

7.61

8.84

9.35

9.61

5%

10%

15%

20%

HASIL PERHITUNGAN PARAMETER VIV

Variasi Dented Pipe (d/D) Kecepatan Fluida (m/s) Re St fs (Hz) Vr fn (Hz)

2 1.05E+05 0.62 1.18 1.967

3.5 1.83E+05 1.09 2.07 1.961

5 2.62E+05 1.55 2.97 1.951

2 1.05E+05 0.62 1.18 1.967

3.5 1.83E+05 1.08 2.07 1.961

5 2.62E+05 1.55 2.97 1.951

2 1.05E+05 0.61 1.18 1.967

3.5 1.83E+05 1.08 2.07 1.961

5 2.62E+05 1.54 2.97 1.951

2 1.05E+05 0.61 1.18 1.967

3.5 1.83E+05 1.07 2.07 1.961

5 2.62E+05 1.53 2.97 1.951

5%

10%

15%

20%

Perhitungan Parameter Vortex Induced Vibration (VIV) Dented Pipe

0.269

0.267

0.266

0.264

PEMODELAN DENTED PIPE DENGAN SOFTWARE ANSYS MULTIPHYSICS

NEXT…………

Hasil Tegangan Pada ANSYS Multiphysics

Model dented pipe (d/D) Tekanan Internal Fluida (MPa) Tegangan Maximum (MPa)

1.53 21.65

2.63 82.34

4.97 111.11

2.31 38.41

4.55 131.03

5.44 207.44

5.65 85.55

6.07 215.95

7.61 305.42

8.84 115.62

9.35 312.04

9.61 420.52

15%

20%

5%

10%

NEXT…………

Perhitungan SCF pada dented pipe

Model dented pipe (d/D) Tegangan Maximum (MPa) Tegangan Nominal (MPa) SCF

21.65 7.60 2.85

82.34 27.25 3.02

111.11 35.80 3.10

38.41 12.92 2.97

131.03 41.61 3.15

207.44 64.44 3.22

85.55 28.23 3.03

215.95 58.90 3.67

305.42 76.14 4.01

115.62 36.83 3.14

312.04 83.52 3.74

420.52 100.15 4.20

5%

10%

15%

20%

HASIL PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE

1. Metode Punching Shear

Dented Pipe (d/D) Beban Velocity fluida (m/s) fs (Hz) n (cycle / 20 tahun) τ σA (MPa) σB (MPa) σP (MPa) N (cycles) D (n/N) Dtotal

2 0.62 3.92E+06 1 1.13 12.86 13.99 4.49E+08 0.01

3.5 1.09 6.86E+06 1 3.56 20.47 24.03 4.43E+07 0.15

5 1.55 9.80E+06 1 5.59 27.59 33.18 3.37E+07 0.29

2 0.62 3.90E+06 1 2.13 15.20 17.33 2.36E+08 0.02

3.5 1.08 6.83E+06 1 5.60 35.60 41.20 3.43E+07 0.39

5 1.55 9.75E+06 1 7.70 55.39 63.09 1.76E+07 0.28

2 0.61 3.88E+06 1 4.73 18.09 22.82 1.03E+08 0.04

3.5 1.08 6.79E+06 1 8.33 44.86 53.19 2.09E+07 0.46

5 1.54 9.70E+06 1 14.72 64.63 79.35 1.47E+07 0.46

2 0.61 3.86E+06 1 8.33 22.39 30.72 4.24E+07 0.09

3.5 1.07 6.75E+06 1 10.32 57.32 67.64 2.78E+07 0.24

5 1.53 9.64E+06 1 19.26 73.77 93.03 1.45E+07 0.66

15%

20%

0.96

1.00

PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE DENGAN METODE PUNCHING SHEAR

5% 0.45

10% 0.69

NEXT…………

2. Metode Hot Spot Stress

Dented Pipe (d/D) Beban Velocity fluida (m/s) fs (Hz) n (cycle / 20 tahun) SCF axial SCF bending σA (Mpa) σB (Mpa) SCF x σA SCF x σB σtotal (Mpa) N (cycles) D (n/N) Dtotal

2 0.62 3.92E+06 0.16 1.42 1.13 12.86 1.60 18.20 19.80 1.59E+08 0.02

3.5 1.09 6.86E+06 0.14 1.55 3.56 20.47 5.53 31.79 37.32 1.18E+08 0.06

5 1.55 9.80E+06 0.13 1.19 5.59 27.59 6.63 32.72 39.35 2.02E+07 0.49

2 0.62 3.90E+06 0.18 1.26 2.13 15.20 2.68 19.14 21.82 1.18E+08 0.03

3.5 1.08 6.83E+06 0.15 1.19 5.60 35.60 6.68 42.50 49.18 4.40E+07 0.22

5 1.55 9.75E+06 0.13 1.07 7.70 55.39 8.24 59.26 67.50 1.29E+07 0.53

2 0.61 3.88E+06 0.19 0.74 4.73 18.09 3.50 13.37 16.87 2.56E+08 0.02

3.5 1.08 6.79E+06 0.18 0.71 8.33 44.86 5.88 31.68 37.56 2.32E+07 0.29

5 1.54 9.70E+06 0.28 1.05 14.72 64.63 15.51 68.10 83.61 1.43E+07 0.68

2 0.61 3.86E+06 0.29 1.14 8.33 22.39 9.54 25.63 35.16 2.83E+08 0.01

3.5 1.07 6.75E+06 0.19 0.75 10.32 57.32 7.69 42.71 50.40 4.80E+07 0.14

5 1.53 9.64E+06 0.28 1.08 19.26 73.77 20.81 79.72 100.54 1.14E+07 0.85

5% 0.57

10%

PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE DENGAN METODE HOT SPOT STRESS

15%

20%

0.78

0.99

1.00

NEXT…………

3. Metode Fracture Mechanics

Dented Pipe (d/D) Beban Velocity fluida (m/s) fs (Hz) n (cycle / 20 tahun) ∑n Local Stress (MPa) n(σC^m) ∑n(σC^m) Sh (MPA) N D

2 0.62 3.92E+06 19.80 3.04E+10

3.5 1.09 6.86E+06 37.32 3.57E+11

5 1.55 9.80E+06 39.35 5.98E+11

2 0.62 3.90E+06 21.82 4.05E+10

3.5 1.08 6.83E+06 49.18 8.12E+11

5 1.55 9.75E+06 67.50 3.00E+12

2 0.61 3.88E+06 16.87 1.86E+10

3.5 1.08 6.79E+06 37.56 3.60E+11

5 1.54 9.70E+06 83.61 5.67E+12

2 0.61 3.86E+06 35.16 1.68E+11

3.5 1.07 6.75E+06 50.40 8.64E+11

5 1.53 9.64E+06 100.54 9.80E+12

5%

10%

15%

20%

2.06E+07

2.05E+07

2.04E+07

2.02E+07

3.85E+12

6.05E+12

1.08E+13

36.29 3.86E+07

81.24 2.02E+07 1.00

PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE DENGAN METODE FRACTURE MECHANICS

0.53

0.7857.28 2.62E+07

66.67 2.08E+07 0.98

9.85E+11

HASIL PERHITUNGAN FATIGUE LIFE DENTED PIPE

Grafik Perhitungan Fatigue Life Dented PIpe

Perhitungan Metode 1

Model Dented Pipe (d/D) Fatigue Life (tahun)

5% 43.98

10% 29.03

15% 20.79

20% 20.05

Perhitungan Metode 2

Model Dented Pipe (d/D) Fatigue Life (tahun)

5.00% 35.17

10.00% 25.55

15.00% 20.30

20.00% 19.97

Perhitungan Metode 3

Model Dented Pipe (d/D) Fatigue Life (tahun)

5.00% 37.50

10.00% 25.57

15.00% 20.39

20.00% 19.94

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

1. Hasil pemodelan aliran fluida dengan software FLOW 3D membuktikan adanyapola aliran berupa aliran vortex di area sekitar dented pipe. Hal tersebut terlihatjuga dari hasil perhitungan parameter vortex induced vibration yaitu pada nilaiReynold Number yang hasilnya termasuk dalam kategori aliran vortex turbulent.

2. Hasil output FLOW 3D menunjukkan bahwa gaya internal dan tekanan internalyang dihasilkan oleh aliran fluida vortex yang terjadi di area sekitar dented pipetersebut semakin besar. Hal tersebut bisa terjadi karena pengaruh variasikedalaman dented pipe yang semakin besar.

3. Pada pemodelan pada ANSYS Multiphysics menunjukkan bahwa semakin besarvariasi kedalaman dented pipe maka distribusi tegangan local dan konsentrasitegangan yang terjadi pada dented pipe yang semakin besar. Adanya distribusitegangan lokal dan konsentrasi tegangan yang semakin besar pada dented pipemaka akan mempengaruhi kekuatan dari pipa tersebut pada saat beroperasi.

4. Dari hasil perhitungan fatigue dan fatigue life pada dented pipe menunjukkanbahwa dented pipe dengan variasi (d/D) yaitu 15% dan 20% memiliki nilai ratiokumulatif mendekati dan bahkan mencapai angka satu. Dengan nilai D mencapaiangka satu maka struktur tersebut cenderung untuk terjadi kegagalan danfatigue life yang terjadi kurang dari umur operasi dari design pipa yang telahditentukan tersebut.

NEXT…………

Saran

1. Perlu dilakukan untuk percobaan uji fisik dented pipe di laboratorium,terutama melakukan uji fatigue pada dented pipe tersebut. Sehinggamendapatkan hasil yang lebih akurat terutama pada kurva S-N dan rentangtegangan yang terjadi.

2. Karena dalam pemodelan pada penelitian ini tidak ada initial crack makapenelitian berikutnya perlu dilakukan pemodelan bentuk crack sebagaipendukung untuk analisa fracture di area sekitar dented pipe tersebutsehingga mendapatkan hasil yang maksimal.

3. Perlu dilakukan analisa keandalan pada pipa yang mengalami cacatberupa dent untuk beban internal dan beban eksternal.

4. Perlu dilakukan lebih lanjut tentang analisa keandalan pada dented pipedengan ada cacat lain berupa crack serta pembebanan berupa bebaneksternal dan internal.

5. Dalam kasus ini jumlah dent hanya satu oleh karena itu perludikembangkan lebih lanjut untuk jumlah dent terhadap kekuatan pipatersebut.

DAFTAR PUSTAKA

ASME B 31.3. 2002.Process Piping.

ASME B 31.8.2000.Gas Transmission and Distribution Piping Systems.

API Spec 5L.2000.Specification For Line Pipe 42nd Edition.Washington.

Bai. Y.2001.Pipelines and Risers.Elsevier Ocean Engineering Book Series Vol.3.

DNV-RP F105.2001.Free Spanning Pipelines.

Doretha.2007.Analisa Pengaruh Dent Pada Struktur Pipa Bawah Laut Terhadap Integritas Pipa.Teknik Kelautan-ITS.Surabaya.

Medio,V.2009.Analisa Vibrasi Sistem Pipa Penyalur Gas-Liquid (Multiphase) Untuk Meningkatkan Produktivitas Gas Total E&P Indonesie.Teknik Kelautan-ITS.Surabaya.

Murdani,A.Y.2007.Analisa Beban Impact Akibat Trawl Gear Pada Pipa Bawah Laut.Teknik Kelautan-ITS.Surabaya.

Djatmiko, E.B. 2003. Analisis Keandalan dan Kelelahan. Offshore Structure Design and Modelling Ocean Engineering Training Center, Jurusan Teknik Kelautan-ITS.

N.Cheraghi,G.P.Zou,F.Taheri.2004.Fluid Induced Vibration Of Composite Natural Gas Pipeline.Departemen Of Civil Engineering.Dalhouise University Canada.

Popov. 1996. Mekanika Teknik.Jakarta.Erlangga.

Pinhero dan Pasqualino.2008.Fatigue Analysis Of Damage Steel Pipelines Under Cyclic Internal Pressure.Federal University Of Rio de Janeiro.Brazil

Rao, Singiresu S. 2004.Mechanical Vibrations. Cetakan IV. New Jersey. Pearson Prentice Hall.

Streeter,Victor.1986:3.Mechanical Fluida.New York.

Soegiono.2007.Pipa Laut.Teknik Kelautan.Surabaya

Thomson, William T. dan Professor Emeritus. 1993.Theory of Vibration with Applications. New York. Chapman & Hill.

Wardana, I.N.G. 2000. Getaran Pipa Akibat Aliran Fluida. Piping Technology Seminar Proceeding, 2000.

White, Frank M. 1994.Mekanika Fluida. Jilid 1, cetakan II. Jakarta. Erlangga

……..SEKIAN………

&

……TERIMAKASIH…….