pressure vessel

12

BAB III

DASAR TEORI

3.1. Pengertian Bejana Tekan dan Separator

Tugas akhir ini mengangkat materi perancangan bejana tekan vertikal

yang berfungsi sebagai separator, oleh karena itu perlu dijelaskan pengertian

bejana tekan dan separator sebagai dasar perancangan.

3.1.1. Bejana tekan

Bejana tekan adalah suatu benda yang berfungsi untuk menampung atau

memproses suatu fluida. Contoh aplikasi bejana adalah sebagai berikut:

1. Storage tank

Fungsi untuk menampung fluida, contoh tangki bahan bakar.

2. Tempat proses atau reaksi

Fungsi untuk suatu proses kimia pada suatu fluida tertentu, contoh

separator, scrubber, dan slug catcher.

3. Alat bantu

Fungsi untuk menunjang suatu proses, contoh pada sistem pneumatik

diperlukan udara bertekanan yang disimpan di bejana tekan.

4. Transportation tank

Fungsi untuk mengangkut fluida, contoh mobil tangki bahan bakar.

Bejana tekan beroperasi pada tekanan operasi. Berdasarkan tinggi tekanan

operasi bejana tekan bisa dibagi menjadi sebagai berikut:

1. Atmospheric tanks

Beroperasi pada tekanan atmosfer atau pada tekanan maksimal 0,5

psig, contoh : atmospheric tanks atau silincer pada sistem geothermal.

2. Low pressure tanks

Beroperasi pada tekanan rendah (0,5 psig sampai 15 psig).

3. Pressure vessel

Beropersi pada tekanan tinggi lebih dari 15 psig.

4. Pressure vessel vakum

13

Beroperasi pada tekanan di bawah tekanan atmosfer (terjadi eksternal

pressure).

Berdasarkan hubungan tekanan operasi pada bejana tekan dengan udara

luar, tekanan operasi dapat dibedakan menjadi:

1. Tekanan internal

Bila tekanan dalam bejana melebihi tekanan atmosfer di luar bejana.

2. Tekanan eksternal

Bila tekanan dalam bejana kurang dari tekanan atmosfer dari luar,

termasuk juga bejana yang menderita tekanan vakum.

Bejana tekan dapat dibedakan berdasarkan bentuk shell. Shell mempunyai

beberapa bentuk, pemilihan bentuk mempertimbangkan tekanan operasi, fungsi,

dan harga. Jenis bejana tekan berdasarkan bentuk shell adalah sebagai berikut:

1. Silinder

Bentuk shell silinder dibuat untuk incompressible fluid dan mix.

2. Bola

Bentuk bola dibuat untuk compressible fluid. Dengan bentuk bola

pada ketebalan yang sama maka ketahanan menahan tekanan lebih

baik daripada bentuk silinder.

3. Rectangular

Bentuk sederhana dan pembuatan mudah. Bentuk persegi tidak

dipakai untuk tekanan tinggi, biasanya dipakai untuk menampung

fluida dengan tekanan hidrostatik. Bentuk rectangular sangat jarang

digunakan dan dirancang dengan standar API.

Bejana tekan silinder dapat dibedakan menjadi dua berdasarkan posisi

pemasangan shell:

1. Horisontal

Pada pressure vessel horisontal, vessel ditumpu oleh saddle.

Keuntunganya adalah kontruksi lebih mudah karena beban angin dan

gempa lebih kecil daripada vessel vertikal. Kerugian membutuhkan

tempat lebih luas.

14

2. Vertikal

Pada konstruksi posisi vessel vertikal, vessel ditumpu oleh skirt atau

leg. Keuntungan membutuhkan tempat lebih sempit daripada

horisontal. Kerugian beban angin dan gempa harus dipertimbangkan.

Contoh bejana tekan dapat dilihat pada Gambar 3.1. sebagai berikut.

Gambar 3.1. Contoh bejana tekan vertikal dalam proses pabrikasi

Pada tugas akhir ini akan dirancang pressure vessel atau bejana tekan

dengan bentuk shell silinder, dengan posisi vertikal. Bejana tekan yang dirancang

akan berfungsi sebagai separator pada instalasi geothermal. Bejana tekan

dirancang berdasarkan tekanan internal.

3.1.2. Separator

Separator adalah suatu alat untuk memisahkan fasa fluida. Dalam

perancangan ini separator diklasifikasikan sebagai separator dua fasa, separator

akan memisahkan brine dan uap dari sumur produksi geothermal. Brine kemudian

akan dialirkan ke silencer dan selanjutnya akan dipompa ke sumur injeksi. Uap

15

selanjutnya akan dialirkan ke scrubber dan selanjutnya akan digunakan untuk

menggerakkan turbin.

Jenis separator yang dipakai dalam perancangan ini adalah separator

vertikal. Fluida masuk melalui nozzle pada dinding samping. Proses pemisahan

fluida pertama aliran dua fasa masuk melalui cyclone inlet. Karena perbedaan

densitas, brine akan turun ke bawah dan keluar melalui nozzle pada bottom head.

Uap akan bergerak ke atas dan uap mengalir melalui lubang pipa yang ada di

bagian atas dan keluar melalui nozzle outlet di bottom head, kemudian uap

mengalir ke scrubber. Separator dilengkapi dengan peralatan internal dan

peralatan pendukung. Contoh separator pada lapangan geothermal dapat dilihat

pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Bejana tekan separator geothermal PT. Geodipa Energi Dieng

3.1.3. Kriteria desain

Kriteria perancangan merupakan kebutuhan minimum dalam

perancangan dan pemilihan material bejana tekan. Prosedur umum dalam

16

perancangan bejana tekan adalah dengan menentukan kondisi desain dan

pembebanan akibat gaya-gaya luar yang menyebabkan tegangan. Lingkup

pekerjaan perancangan bejana tekan meliputi juga nozzle dan opening sampai

muka flange-nya, penumpu, dan lifting lugs.

Code dasar dalam perancangan bejana tekan adalah ASME (Boiler and

Pressure Vessel Code), Section VIII divisi 1, penggunaan code atau metode

lain hanya terbatas pada kasus-kasus yang tidak tercakup pada code (ASME

VIII divisi 1). Simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle berdasarkan code

WRC 107.

3.1.4. Data perancangan

Kondisi perancangan harus diperhatikan sebelum perancangan. Data

operasi diperoleh dari Process Flow Diagram (PFD) dan perhitungan proses

untuk dimensi utama peralatan bejana tekan. Data-data tersebut meliputi

temperatur operasi, tekanan operasi, dimensi utama (diameter dalam,

tinggi/panjang), fasa/kondisi fluida. Data-data tersebut didapat dari lapangan

dengan menguji sumur produksi dan memasang separator uji coba. Gambar dari

sumur produksi dan separator uji coba dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Sumur produksi dan separator uji coba di geothermal Karaha

17

Bejana tekan dirancang untuk kondisi yang paling buruk terhadap tekanan

maupun temperatur seperti yang diperkirakan akan terjadi selama operasional

normal. Tekanan dan temperatur perancangan akan dipakai sebagai dasar

pemilihan material dan tidak boleh melebihi dari tekanan dan temperatur

maksimum sesuai data material. Kondisi lingkungan juga perlu diperhatikan

dalam perancangan. Data lingkungan yang dipakai dalam perancangan bejana

tekan meliputi intensitas angin, zona gempa, kelembaban, temperatur lingkungan,

dan tekanan atmosfer.

3.1.5. Pembebanan

Pembebanan yang terjadi pada bejana tekan perlu diperhitungkan agar

bejana tekan mampu menahan beban tersebut. Beban-beban yang dialami oleh

bejana tekan meliputi:

a. Tekanan internal perancangan

b. Berat bejana tekan, berat peralatan dan berat isi ketika operasi dan

pengujian.

c. Superposisi reaksi-reaksi statik dari berat peralatan yang menempel,

seperti: perpipaan, lining, dan isolasi.

d. Peralatan lain yang tertempel, seperti: platform dan ladder.

e. Peralatan internal.

f. Penumpu, seperti: skirt, saddle, lugs, dan legs

g. Reaksi-reaksi dinamik/siklik akibat variasi tekanan atau temperatur, atau

akibat peralatan yang menempel pada bejana

h. Angin dan gempa

i. Beban impak akibat aliran fluida yang masuk bejana

j. Ekspansi termal

3.2. Teori Tegangan

Teori tegangan pada bejana tekan secara umum merupakan pengembangan

dari teori tegangan dalam mekanika. Tegangan yang terjadi dalam bejana tekan

18

bisa disebabkan oleh tekanan internal bejana tekan dari fluida kerja, tekanan

eksternal dari udara luar, beban berat dari bejana tekan, beban akibat gaya luar

seperti beban angin, gempa dan beban eksentrik akibat perpipaan. Adapun

karakteristik hubungan antara tegangan regangan dapat dilihat pada kurva

tegangan regangan, yang di dalamnya mencakup tegangan luluh dan tegangan

ultimate. Kurva karakteristik antara tegangan regangan ditunjukkan pada Gambar

3.4. di bawah ini.

Gambar 3.4. Diagram tegangan regangan baja ulet (kiri) dan bahan getas

(kanan)

Titik tegangan luluh merupakan titik acuan sebagai batas tegangan ijin

dalam perancangan. Tegangan ultimate merupakan titik yang menunjukkan besar

tegangan maksimum yang mampu ditahan material sebelum mengalami

kegagalan. Titik kegagalan merupakan titik di mana material tersebut mengalami

kegagalan. Di bawah titik tegangan luluh material bersifat elastis dan di sebelah

kanan titik tegangan luluh, material bersifat plastis (bila diberi pembebanan pada

material tersebut dan beban ditiadakan, material akan berdeformasi).

3.2.1. Tegangan pada shell

Pada shell silindris, tekanan akan terbagi secara merata pada setiap

dinding. Tegangan yang terjadi pada shell karena tekanan internal P dapat

dihitung dari kesetimbangan statis. Dalam analisis tegangan shell dapat dibagi dua

19

yaitu shell tebal dan tipis. Shell tipis adalah shell dengan rasio dari ketebalan shell

t terhadap principal radius minimum dari kelengkungan adalah

atau

.

Dalam analisis tegangan diasumsikan shell adalah silinder panjang dan

tipis maka dan

. Selanjutnya kedua ujung shell ditutup dan

dikenai tekanan internal P, maka akan terjadi tegangan pada arah hoop

(sirkumferensial atau tangensial) dan arah aksial (longitudinal). Dalam

perancangan ini shell diasumsikan shell tipis.

3.2.1.1. Tegangan sirkumferensial (tangensial/hoop)

Tegangan sirkumferensial adalah tegangan yang arahnya sejajar dengan

sumbu sirkumferensial. Tegangan sirkumferensial disebut juga tegangan

tangensial atau tegangan hoop. Tegangan sirkumferensial c ditimbulkan oleh

tekanan internal yang bekerja secara tengensial dan besarnya bervariasi

tergantung pada tebal dinding. Untuk shell yang berdinding tipis dapat dilakukan

penyederhanaan penurunan rumus tegangan pipa dengan mengasumsikan gaya

akibat tekanan dalam bekerja sepanjang shell ditahan oleh dinding shell.

Persamaan tegangan sirkumferensial atau tangensial (hoop) dapat

dinyatakan dengan rumus sebagai berikut.

(3.1)

Dimana:

c = t = Tegangan sirkumferensial atau tangensial

P = Tekanan pada shell

t = Tebal shell

D = Diameter luar shell

Arah tekanan dan tegangan sirkumferensial yang terjadi pada shell dapat

dilihat pada Gambar 3.5.

20

Gambar 3.5. Tegangan sirkumferensial pada shell karena tekanan internal

3.2.1.2. Tegangan longitudinal

Tegangan longitudinal adalah tegangan yang searah dengan shell atau

pipa. Tegangan longitudinal ditimbulkan oleh gaya tekan internal p yang bekerja

pada dinding pipa searah sumbu pipa. Arah tekanan dan tegangan longitudinal

yang terjadi pada shell dapat dilihat pada Gambar 3.5. di bawah ini.

Gambar 3.5. Tegangan longitudinal pada shell karena tekanan internal

21

Persamaan tegangan longitudinal yang bekerja pada shell dapat dinyatakan

dengan rumus berikut.

(3.2)

Dimana:

l = Tegangan longitudinal (kPa)

P = Tekanan pada shell (kPa)

t = Tebal shell (mm)

D = Diameter luar shell (mm)

3.2.1.3. Tegangan Radial

Penggunaan persamaan tegangan untuk shell tipis berbeda untuk shell

tebal yang mempunyai rasio

. Shell tebal diasumsikan mempunyai radius

dalam dan radius luar, sehingga tegangan radial yang terjadi diperhitungkan.Besar

tegangan radial adalah bervariasi dari permukaan dalam shell ke permukaan

luarnya dan dapat dinyatakan dengan rumus di bawah ini.

(3.3)

Dimana:

R = Tegangan radial (kPa)

P = Tekanan pada pipa (kPa)

ri = Jari-jari dalam (mm)

ro = Jari-jari luar (mm)

Tegangan radial maksimum mak terjadi pada permukaan dalam shell dan

tegangan minimum min pada permukaan luarnya.

Tegangan sirkumferensial adalah tegangan terbesar yang terjadi di bejana

tekan akibat tekanan internal. Tegangan yang terjadi dibandingkan dengan

tegangan maksimum yang diijinkan di shell pada kondisi operasi. Tegangan

dinyatakan aman apabila tegangan yang terjadi tidak melebihi dari tegangan

maksimum yang diijinkan.

22

3.2.2. Tegangan pada ellipsoidal head

Head pada bejana tekan vertikal membatasi shell pada sisi atas dan bawah.

Head mempunyai beberapa jenis berdasarkan bentuk menyesuaikan dengan

tekanan kerja dan fungsi. Contoh bentuk head menurut Megyesy (1997) dapat

dilihat pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Jenis-jenis head berdasarkan bentuk

Tipe head Tebal minimum Tekanan maksimal

yang diijinkan

Hemispherical Head

2:1 ellipsoidal Head

Conical Head

ASME Flanged dan Dished Head

(Torispherical Head)

Jika

Jika

23

Berdasarkan ketebalan minimum dan tekanan maksimum yang diijinkan

pada beberapa head maka head yang dipilih dalam perancangan adalah antara

hemispherical head atau ellipsoidal head karena lebih dapat menahan tekanan.

Jika menggunakan hemispherical head maka tebal dinding akan lebih tipis

dibanding ellipsoidal head, tetapi hemispherical head mempunyai kesulitan yang

tinggi dan lebih mahal dalam pabrikasi sehingga dipilih ellipsoidal head. Jadi

jenis head yang dipilih dalam perancangan adalah ellipsoidal head dengan rasio

2:1.

Menurut Dennis Moss (2004), pada ellipsoidal head terdapat perbedaan

nilai radius dari satu titik ke titik yang lain (meridional radius Rm dan latitudinal

radius RL), persamaan untuk mencari nilai Rm dan RL adalah sebagai berikut.

Persamaan radius pada garis tangen:

(3.4)

(3.5)

Persamaan radius pada titik tengah head:

(3.6)

(3.7)

Persamaan radius pada titik X di manapun:

(

) (3.8)

(3.9)

Menurut Dennis Moss (2004), tegangan pada head terdiri dari dua arah

tegangan yaitu meridional dan latitudinal (hoop) , dan dapat dibedakan di

titik tengah head, titik pada garis tangen dan pada setiap titik X. Arah tegangan

dan data dimensi dari ellipsoidal head dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan 3.8.

berikut.

24

Gambar 3.7. Arah tegangan pada head

Gambar 3.8. Data dimensi pada head

Tegangan meridional atau longitudinal dan tegangan tangensial atau

latitudinal berbeda-beda pada setiap titik tertentu, dan dapat ditentukan dengan

rumus sebagai berikut.

Persamaan tegangan pada titik X di manapun:

Tegangan meridional atau longitudinal

(3.10)

Tegangan tangensial atau latitudinal

(

) (3.11)

Persamaan tegangan pada titik tengah head:


(3.12)

Tegangan tangensial atau latitudinal (3.13)

Persamaan tegangan pada garis tangen:


(3.14)

25

Tegangan tangensial atau latitudinal

(

) (3.15)

Tegangan dinyatakan aman apabila tegangan terbesar yang terjadi pada

head tidak melebihi dari tegangan maksimum yang diijinkan.

3.3. Perancangan Shell

Shell yang akan dirancang adalah jenis shell berbentuk silinder (cylindrical

shell). Shell mempunyai struktur yang bentuknya menyerupai plat melengkung.

Bentuk silinder shell merupakan bentuk jadi yang diperoleh dari lembaran plat

yang telah dilengkungkan lalu dirangkai dengan sambungan las sehingga menjadi

bentuk silinder dengan ukuran yang telah ditentukan. Pemilihan material shell

ditentukan berdasarkan kondisi kerja dari bejana tekan, dan secara khusus kondisi

yang sangat berpengaruh terhadap selubung shell. Pemilihan material terutama

ditentukan oleh temperatur operasi dan desain. Temperatur operasi temperatur

yang terjadi saat proses pada kondisi operasi normal. Pada perancangan bejana

tekan separator ini temperatur operasi diambil nilai maksimum saat operasi.

Temperatur desain adalah temperatur yang digunakan untuk desain bejana tekan,

temperatur desain mempunyai nilai lebih tinggi daripada tekanan operasi dengan

menambahkan margin. Temperatur desain mempengaruhi desain dalam pemilihan

material dan penentuan tegangan maksimum yang diijinkan pada material.

Ketebalan shell adalah parameter utama dalam mendesain dan dipengaruhi

oleh tekanan dan beban-beban yang terjadi. Tekanan operasi berupa tekanan

internal yang terjadi saat proses pada kondisi operasi normal. Tekanan desain

digunakan untuk desain bejana tekan,tekanan desain mempunyai nilai lebih tinggi

30 psig atau 10 % daripada tekanan operasi atau ditentukan perancang.

Plat mempunyai ketebalan tertentu sehingga dalam perancangan ketebalan

plat yang digunakan harus sesuai dengan ketebalan pada plat dipasaran.Sebagai

dasar pemilihan material dapat mengacu pada tabel yang ada di referensi dan

Lampiran 5.

26

3.3.1. Tebal minimum shell dan MAPNC shell

Penentuan tebal bejana, awalnya dilakukan dengan beban utama tekanan

internal. Penentuan tebal bejana silindrikal dilakukan berdasarkan circumferential

stress maupun longitudinal stress. Setelah ditambahkan corrosion allowance dan

penentuan dimensi penting lain, maka tingkat tegangan setiap komponen bejana

akan dianalisis secara lebih detail dengan memperhatikan pembebanan yang

mungkin terjadi selama operasional. Tebal minimum shell dan tekanan maksimal

yang diijinkan dapat dihitung berdasarkan diameter dalam atau diameter luar.

a. Berdasarkan diameter dalam

Ketebalan plat karena tekanan internal dan berdasarkan diameter dalam

dapat dihitung dari rumus berikut.

(3.16)

MAPNC (Maximum Allowable Pressure New and Cold) adalah tekanan

maksimum yang diijinkan pada bejana tekan pada kondisi baru difabrikasi dan

bekerja pada temperatur ruangan.Tekanan maksimum yang diijinkan pada kondisi

baru dan pada temperatur ruangan MAPNC (Maximum Allowable Pressure New

and Cold), untuk plat dengan ketebalan t, dapat dihitung menggunakan rumus

berikut.

(3.17)

Dimana:

tr = Tebal minimum shell (mm)

MAPNC = Maximum Allowable Pressure New and Cold shell (kPa)

R = Radius dalam shell kondisi terkorosi (mm)

S = Tegangan maksimum yang diijinkan oleh material shell (kPa)

E = Efisiensi sambungan las

CA = Corrosion allowance (mm)

27

b. Berdasarkan diameter luar

Ketebalan plat karena tekanan internal dan berdasarkan diameter luar,

dapat dihitung menggunakan rumus berikut.

(3.18)

Tekanan maksimum yang diijinkan pada kondisi baru dan pada temperatur

ruangan MAPNC (Maximum Allowable Pressure New and Cold). untuk plat

dengan ketebalan t

(3.19)

Dimana:

tr = Tebal minimum shell (mm)

t = Tebal nominal shell (mm)

MAPNC = Maximum Allowable Pressure New and Cold shell (kPa)

R = Radius luar shell kondisi terkorosi (mm)

S = Tegangan maksimum yang diijinkan oleh material shell (kPa)



Shell pada perancangan ini akan dihitung berdasarkan diameter dalam.

Dengan melihat ketersediaan ukuran tebal plat yang tersedia di pasaran, dipilih

tebal yang lebih besar dari tebal minimal yang diperlukan. Penentuan nilai S

(tegangan maksimum yang diijinkan oleh material shell), E (efisiensi sambungan

las), dan CA (corrosion allowance) ditentukan oleh perancang berdasarkan

pemilihan material, umur, dan metode pengelasan.

a. Pemilihan material

Pemilihan material bejana tekan ditentukan berdasarkan kondisi kerja dari

bejana tekan, dan secara khusus kondisi yang sangat berpengaruh terhadap

bejana tekan. Kondisi kerja ini menentukan kekuatan bejana tekan yang harus

dimiliki material bejana tekan. Tinggi rendahnya temperatur menjadi dasar

pemilihan material karena setiap jenis material memiliki kekuatan pada batas

28

temperatur tertentu. Material mempunyai tegangan maksimum yang diijinkan

yang harus diperhatikan.

Tegangan maksimum yang diijinkan (maximum allowable stress) adalah

tegangan maksimum yang diperbolehkan pada material yang dipakai untuk

bejana yang dirancang dan dibangun. Spesifikasi dan grade material dipilih

berdasarkan pada kriteria tegangan maksimum yang diijinkan dengan

pertimbangan-pertimbangan lain seperti ketahanan terhadap korosi, ketersediaan

di pasar dan ekonomis. Material yang dipilih diutamakan sama dengan material

yang digunakan pada bejana-bejana tekan sejenis pada instalasi transmisi

geothermal terpasang.

b. Corrosion allowance

Corrosion allowance adalah tambahan pada ketebalan minimum bejana

tekan. Bejana tekan maupun komponen-komponennya mengalami penipisan

dinding akibat korosi, erosi maupun pengikisan mekanis, sehingga memerlukan

tambahan ketebalan (corrosion allowance) dari tebal minimum yang diperlukan.

Tambahan tebal ditentukan oleh kebutuhan umur bejana. Perlindungan terhadap

korosi juga dapat dilakukan dengan cara lain. Tambahan ketebalan, atau lapisan

tidak dipertimbangkan dalam penghitungan kekuatan dinding bejana.

Tambahan tebal untuk nozzle, opening, dan manhole ditetapkan minimum

sama dengan harga untuk bejana. Corrosion allowance pada perancangan bejana

tekan dipilih sebesar 0.125 in atau 3.175 mm

c. Pengelasan

Pengelasan digunakan untuk menyambung pelat dinding bejana tekan dan

untuk menyambung komponen-komponen. Pengelasan dapat dibedakan menjadi

beberapa kategori dan tipe pengelasan. Setelah dilakukan pengelasan, lasan perlu

dites untuk mengetahui adanya cacat pada lasan.

Efisiensi las didasarkan pada tipe sambungan dan pengujian lasan. Tipe

sambungan pada shell adalah butt joint dilas single welding tanpa backing strip

dengan fully radiographed maka efisiensi las yang dipakai adalah satu.

29

Spesifikasi las, kualifikasi pengelas dan metode inspeksi bejana tekan

mengacu pada ASME Section IX. Teknik Pengelasan dalam praktek dapat

dilakukan pada posisi datar. Las yang dibentuk dari satu laluan tidak dapat

digunakan untuk menahan beban tekanan. Pengelasan harus mengikuti Welding

Procedure Specification (WPS) dan Procedure Qualification Record (PQR).

3.3.2. MAWP (Maximum Allowable Working Pressure) shell

Dalam perancangan bejana tekan, dihitung nilai MAWP (Maximum

Allowable Working Pressure). Di dalam praktiknya, MAWP digunakan sebagai

basis untuk menentukan peralatan pressure relieving untuk melindungi bejana

tekan. MAWP adalah tekanan maksimum yang diijinkan pada bejana tekan pada

kondisi operasi normal dan temperatur kerja. MAWP dihitung pada kondisi shell

yang terkorosi. Hasil dari perhitungan MAWP harus dikurangi dengan tekanan

hidrostatis dari fluida (PS).

(3.20)

MAWP shell dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.21)

3.3.3. Berat shell

Berat shell dapat dihitung dengan mengalikan volum shell dan densitas

shell. Berat shell dihitung dengan berdasar sketsa pada gambar 3.9.

Gambar 3.9. Sketsa ukuran perhitungan berat shell

30

Volum shell

(3.22)

Berat shell

(3.23)

Dimana:

Vs = Volum shell (mm3)

Di = Diameter dalam shell (mm)

Hs = Panjang shell (mm)

Ms = Berat shell (kg)

= Densitas material (kg/mm3)

3.4. Perancangan Head

Head pada bejana tekan vertikal membatasi shell pada sisi atas dan bawah.

Ukuran dari head tergantung dari ukuran shell berdasarkan parameter desain.

Material head biasanya sama dengan material shell.

3.4.1. Tebal minimum head

Tebal minimum head berdasarkan pada tekanan internal. Tebal minimum

head selanjutnya ditambahkan corrosion allowance. Tekanan maksimal yang

diijinkan didapat dari ketebalan head. Berdasarkan ketebalan minimum dan

tekanan maksimum yang diijinkan serta nilai fungsional dan ekonomis maka head

yang dipilih dalam perancangan adalah ellipsoidal head dengan rasio 2:1.

Perhitungan tebal minimum head adalah dengan menggunakan persamaan

sebagai berikut.

(3.24)

Dimana :

tr = Tebal minimum head (mm)

P = Tekanan total internal head (kPa)

31

R = Radius dalam shell kondisi terkorosi (mm)

S = Tegangan maksimum yang diijinkan oleh material head (kPa)



K = Faktor pengali head elipsoidal

Nilai K dapat ditentukan dengan persamaan berikut.

(

) [ (

) ] (3.25)

Dimana:

D = Diameter dalam head (mm)

h = Panjang head (mm)

Dengan melihat ketersediaan ukuran tebal plat yang tersedia di pasaran,

dipilih tebal yang lebih besar dari tebal minimal yang diperlukan.

3.4.2. MAPNC head

Tekanan maksimum yang diijinkan pada kondisi baru dan pada temperatur

ruangan MAPNC (maximum allowable pressure new and cold). untuk head

dengan ketebalan t dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut.

(3.26)

3.4.3. MAWP (Maximum Allowable Working Pressure Head)

Pada perancangan head juga dihitung nilai MAWP (Maximum Allowable

Working Pressure). MAWP adalah tekanan maksimum yang diijinkan pada bejana

tekan pada kondisi operasi normal dan temperatur kerja. MAWP dapat dihitung

dengan persamaan sebagai berikut.

(3.27)

Dimana PS merupakan tekanan hidrostatis fluida dalam bejana tekan.

32

3.4.4. Berat head

Berat head dapat dihitung dengan mengalikan volum head dan densitas

head. Berat head dapat dihitung dengan berdasarkan sketsa pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10. Sketsa ukuran perhitungan berat head

a. Berat head

Volume head (3.28)

Berat head dapat dicari dengan mengalikan volum dan densitas.

(3.29)

b. Berat straight flange

Volum straight flange (3.30)

(3.31)

Jadi berat total head

(3.32)

Dimana:

Velips

Vsf

Hsf

Mh

Dm

th

tsf

=

=

=

=

=

=

=

=

Volum elipsoidal head (mm3)

Volum straight flange (mm3)

Panjang straight flange (mm)

Berat head (kg)

Diameter dalam head (mm)

Tebal nominal head (mm)

Tebal nominal straight flange (mm)

Densitas material (kg/mm3)

33

3.4.5. Tekanan pengujian hidrostatis

Pengujian hidrostatis dilakukan dengan cara memasukan air ke dalam

bejana dan menekannya, tujuan hidrostatis tes untuk menguji kebocoran pada

material atau sambungan las. Pengujian hydrotest dilakukan pada temperatur air

normal yaitu 21oC. Menurut ASME VIII divisi 1 UG-99, tekanan hydrotest dapat

dihitung melalui persamaan berikut.

(3.33)

Dimana:

Ps

MAWP

S

Sa

=

=

=

=

Tekanan hidrotest (kPa)

Maximum allowable working pressure (kPa)

Tegangan maksimum yang diijinkan pada kondisi lingkungan (kPa)

Tegangan maksimum yang diijinkan pada kondisi temperatur

operasi (kPa)

Tekanan hydrotest total (Pst) dihitung dengan menambahkan tekanan

hydrotest (Ps) dengan tekanan hidrostatis liquid (Ph) atau .

Untuk memastikan bejana tekan dapat menerima tegangan yang

diakibatkan pada hydrotest, diperlukan analisis tegangan. Setelah didapat

tegangan yang ditimbulkan pada shell dan head, dibandingkan dengan tegangan

maksimum yang diijinkan pada hydrotest (tegangan yield).

3.5. Perancangan Nozzle

Bejana tekan dilengkapi berbagai nozzle untuk menghubungkan secara

fungsional bejana dengan perpipaan dan perlengkapan lainnya. Nozzle dibuat dari

bahan pipa. Perancangan nozzle meliputi perancangan pipa nozzle (nozzle neck),

flange, reinforcement pad, dan pengelasannya.

Perancangan yang dilakukan pada nozzle mencakup pemilihan tebal pipa

yang akan digunakan dan perhitungan kebutuhan reinforcement pad pada

opening. Aturan untuk opening ini didasarkan pada adanya intensifikasi

34

tegangan karena adanya lubang pada bejana yang sebelumnya berbentuk struktur

yang simetris.

Semua nozzle dan opening yang tertempel pada bagian bejana atau head

dipilih memiliki penampang melingkar (circular). Nozzle dan opening, jika

perlu, dirancang memiliki penguat sesuai dengan aturan UG-36 sampai UG-43

(CODE). Opening pada bejana silindrikal diperkuat sesuai dengan aturan UG-

37. Perancangan opening pada sisi bejana datar mengikuti aturan UG-39.

Hal yang harus diperhatikan dalam perancangan penguat secara efisien

adalah penguat tidak berlebih dan penguat di dekat opening. Digunakan fillet

dalam penyambungan untuk menghindarkan konsentrasi tegangan. Penampang

nozzle dapat dilihat pada Gambar 3.11. sebagai berikut.

Gambar 3.11. Penampang nozzle tanpa reinforcing pad (kiri)

dan nozzle dengan reinforcing pad (kanan)

3.5.1. Perancangan flange

Flange adalah bagian sistem perpipaan yang berfungsi untuk

menyambungkan dua buah pipa. Flange pada nozzle dilas pada nozzle neck.

Flange dirancang dengan berdasar standar ASME B16.5. dipilih dengan rating

class sesuai dengan tekanan maksimum yang dapat ditahan oleh flange. Pemilihan

rating tekanan didasarkan pada temperatur dan tekanan desain bejana tekan.

Pemilihan rating dapat dilihat pada tabel untuk menentukan rating tekanan flange.

Dalam perancangan ini dipilih flange dengan rating 300, dengan material

SA 105. Pemilihan tipe flange berdasarkan fungsi, contoh tipe flange ada pada

Gambar 3.12. Ukuran dari flange dapat ditentukan ukuran flange standar sesuai

35

ukuran pipa dan rating. Penentuan rating flange dapat dilakukan dengan

berdasarkan Tabel 3.2.

Gambar 3.12. Contoh jenis-jenis flange

Tabel 3.2. Penentuan rating flange (ASME B16.5)

36

3.5.2. Tebal minimum nozzle

Pemilihan material pipa ditentukan berdasarkan kekuatan yang dimiliki

bahan pipa pada temperatur desain. Semua nozzle dan opening yang tertempel

pada bagian bejana atau head memiliki penampang melingkar (circular).

Ketebalan dinding yang dibutuhkan untuk nozzle agar mampu menahan tekanan

P, dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.34)

Dimana:

tn = Tebal minimum nozzle yang diperlukan (mm)

P = MAWP shell + Ps (tekanan hidrostatik pada kondisi operasi) (kPa)

Rn = Radius dalam nozzle pada kondisi terkorosi (mm)

Sn = Tegangan maksimum yang diijinkan pada nozzle (kPa)

E = Efisiensi pengelasan

Pipa telah mempunyai ukuran standar berdasarkan diameter dan schedule.

Setelah didapat tebal minimum yang dibutuhkan nozzle maka dapat dipilih pipa

dengan ketebalan standar atau schedule.

3.5.3. Luasan penguat

Dinding shell yang berfungsi untuk pamasangan nozzle akan berlubang

sehingga akan terjadi konsentrasi tegangan, reinforcement pad adalah tambahan

material untuk membagi tegangan di sekitar lubang pada dinding shell. Nozzle

harus terpasang dalam kondisi yang aman sehingga perlu dilakukan analisis

kekuatan nozzle untuk mengetahui nozzle tersebut perlu reinforcement (penguat)

atau tidak. Perhitungan luasan penguat pada nozzle dapat dilihat pada Gambar

3.13.

Menurut ASME VIII Divisi 1 UG-37, perhitungan luasan menggunakan

faktor pengurangan kekuatan (strength reduction factor). Faktor pengurangan

kekuatan nozzle dan shell dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

(3.35)

37

Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan reinforcement pad dapat

dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

(3.36)

Dimana dipilih dengan nilai yang lebih rendah.

Faktor pengurangan kekuatan reinforcement pad dan shell dapat

dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

(3.37)

Gambar 3.13. Luasan nozzle dengan penguat (ASME VIII Divisi 1)

3.5.3.1. Luasan yang dibutuhkan nozzle jika tanpa reinforcing element

Area yang dibutuhkan pada shell atau head untuk menahan tekanan

internal.

(3.38)

38

Total area yang tersedia

1. A1, luas yang tersedia pada shell untuk menahan tekanan. Dipilih dengan nilai

yang terbesar.

) (3.39)

atau

(3.40)

2. A2, area yang tersedia pada proyeksi keluar nozzle, dipilih dengan nilai yang

terkecil

(3.41)

atau

(3.42)

3. A3, luas yang tersedia pada proyeksi kedalam nozzle

(3.43)

(3.44)

(3.45)

4. A4, area yang tersedia pengelasan

Nozzle dan reinforcement pad. (3.46)

Reinforcement pad dan shell (3.47)

Nozzle dan shell (3.48)

Total area yang tersedia = A1+A2+A3+A4

Pada pengelasan jika area yang tersedia lebih dari area yang dibutuhkan

, tambahan reinforcement tidak dibutuhkan. Jika area yang

tersedia kurang dari dari area yang dibutuhkan untuk reinforcement, tambahan

reinforcement pad dibutuhkan

3.5.3.2. Luasan yang dibutuhkan nozzle dengan Reinforcing Element

Area yang dibutuhkan pada shell atau head untuk menahan tekanan internal

(3.49)

39

Total area yang tersedia

1. A1, luas yang tersedia pada shell untuk menahan tekanan. Dipilih dengan nilai

yang terbesar.

) (3.50)

atau

(3.51)

2. A2, area yang tersedia pada proyeksi keluar nozzle. Dipilih dengan nilai yang

terkecil.

(3.52)

atau

(3.53)

3. Luas yang tersedia pada nozzle proyeksi ke dalam dipilih nilai yang terkecil.

(3.54)

(3.55)

(3.56)

4. A4, area las fillet

Nozzle dan reinforcement pad. (3.57)

Reinforcement pad dan shell (3.58)

Nozzle dan shell (3.59)

5. A5, area yang tersedia pada reinforcement pad

(3.60)

Total area yang tersedia = A1+A2+A3+A4+A5

Jika area yang tersedia lebih dari area yang dibutuhkan

maka tebal reinforcement pad dan diameter pad mencukupi.

Keterangan:

At = Luas penguat yang dibutuhkan (mm2)

A1 = Luas yang tersedia pada shell (mm2)

A2 = Luas yang tersedia pada nozzle (mm2)

A41 = Luas yang tersedia di pengelasan nozzle dan reinforcement pad (mm2)

A42 = Luas yang tersedia di pengelasan reinforcement pad dan shell (mm2)

40

A5 = Luas yang tersedia di reinforcement pad (mm2)

d = Radius dalam nozzle keadaan terkorosi (mm)

Dp = Radius luar pad (mm)

tr = Tebal shell minimum yang dibutuhkan (mm)

tn = Tebal nominal nozzle keadaan terkorosi (mm)

t = Tebal shell dalam keadaaan terkorosi (mm)

F = Faktor koreksi =1

fr1 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan shell

fr2 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan shell

fr3 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan reinforcement pad

fr4 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan reinforcement pad

trn = Tebal nozzle minimum yang dibutuhkan

E1 = Efisiensi pengelasan nozzle

Leg = Lebar kaki las (mm)

3.5.4. Tegangan yang diijinkan pada pengelasan

Tegangan untuk nozzle didasarkan pada adanya intensifikasi tegangan

karena adanya lubang pada bejana yang sebelumnya berbentuk struktur yang

simetris. Jika lubang pada plat dikenai tegangan tarik yang uniform maka akan

menimbulkan konsentrasi tegangan yang tinggi disekitar lubang.

Tegangan yang terjadi pada pengelasan adalah tegangan yang diijinkan

pada material nozzle dikalikan dengan faktor reduksi kekuatan. Beban pada

pengelasan nozzle adalah luas dikalikan tegangan.

Bagian-bagian nozzle digabungkan dengan cara pengelasan. Bagian yang

dilas adalah pipa nozzle dengan reinforcement pad, pipa nozzle dengan shell dan

reinforcement pad dengan shell. Gambar 3.14. berikut adalah nozzle dan posisi

pengelasan pada nozzle.

41

Gambar 3.14 Daerah pengelasan pada nozzle

Menurut ASME VIII divisi 1 appendix-L, Tegangan yang diijinkan pada

pengelasan nozlze adalah sebagai berikut.

Tegangan ijin tarik pada las groove shell (Sg) : 0.74 x S (3.61)

Tegangan ijin geser pada dinding nozzle (Sn) : 0.7 x Sn (3.62)

Tegangan ijin geser pada las inner fillet (Si) : 0.49 x Sn (3.63)

Tegangan ijin geser pada las outer fillet (So) : 0.49 x S (3.64)

Tegangan ijin pada pada las groove pad (Sgp) : 0.74 x S (3.65)

3.5.5. Beban pengelasan pada nozzle

Beban pengelasan pada nozzle dapat dianalisis sesuai jenis nozzle, jenis

nozzle dapat dengan neck inserted atau dengan proyeksi internal dan neck abutting

atau tanpa proyeksi ke dalam.

Las groove

shell (Sg)

Las groove

reinforcement pad

Las inner

Fillet (Si)

Las outer

Fillet (So)

42

3.5.5.1. Nozzle dengan neck inserted pada dinding vessel

Analisis kekuatan las untuk nozzle dengan neck inserted berdasarkan pada

garis path yang ditunjukan pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15. Sketsa analisis kekuatan las nozzle dengan neck inserted

Total beban pengelasan

[ ] (3.66)

Beban pengelasan untuk kekuatan path 1-1

[ ] (3.67)


[ ] (3.68)


[ ] (3.69)

Area A1 , A2, A3., A5 dan A4i dikalikan faktor frx

3.5.5.2. Nozzle dengan neck abutting pada dinding vessel

Analisis kekuatan las untuk nozzle dengan neck abbuting berdasarkan

pada garis path yang ditunjukan pada Gambar 3.16.

43

Gambar 3.16 Sketsa pengecekan kekuatan las nozzle dengan neck abbuting

Total beban pengelasan

[ ] (3.70)


[ ] (3.71)


[ ] (3.72)

Area A1, A2, A5, dan A4i dikalikan faktor frx

3.5.6. Kekuatan antar elemen pengelasan

Gaya antar elemen pengelasan perlu dibandingkan dengan kekuatan las

untuk memastikan lasan mampu menahan beban.

(a) Gaya geser pada las inner fillet

(

) (3.73)

(b) Gaya geser pada las dinding nozzle

(

) (3.74)

(c) Gaya tarik pada las groove

44

(

) (3.75)

(d) Gaya geser pada las outer fillet

(

) (3.76)

(e) Gaya tarik pada las upper groove

(

) (3.77)

3.5.7. Analisis kekuatan pengelasan

Berdasarkan ASME Divisi 1 UG-41, total beban yang terjadi tidak boleh

melebihi kekuatan hubungan antar elemen. Hubungan antar elemen disatukan

dengan garis kekuatan elemen yang dapat dilihat pada Gambar 3.15 dan 3.16.

Analisis kekuatan las di garis 1-1.

Garis 1-1 adalah elemen las pada dinding nozzle dan las outer fillet.

Desain aman apabila kekuatan las pada garis 1-1 lebih besar dari pembebanannya.

Persamaan analisis kekuatan las garis 1-1 adalah :

(b) + (d) > W 1-1 atau W (3.78)

Analisis kekuatan las di garis 2-2

Garis 2-2 adalah elemen las pada inner fillet, las groove dan las upper

groove. Desain aman apabila kekuatan las pada garis 2-2 lebih besar dari

pembebanannya. Persamaan analisis kekuatan las garis 2-2 adalah :

(a)+ (b) + (c) > W2-2 atau W (3.79)

Analisis kekuatan las di garis 3-3.

Garis 3-3 adalah elemen las pada las groove dan las outer fillet. Desain

aman apabila kekuatan las pada garis 3-3 lebih besar dari pembebanannya.

Persamaan analisis kekuatan las garis 3-3 adalah :

(a)+ (d) > W3-3 atau W (3.80)

45

3.5.8. Berat nozzle

Nozzle terdiri dari 3 komponen. Komponennya meliputi flange, pipa

nozzle (nozzle neck) dan reinforcement pad. Untuk menghitung berat nozzle, berat

ketiga komponen dijumlahkan.

Berikut adalah persamaan untuk menghitung berat nozzle.

a. Berat pipa nozzle

Wpipa = Lpipa x Wpipa per meter (3.81)

b. Berat flange

Berat flange didapatkan dalam standar ASME B.16.5. Rating flange yang

berbeda akan mempunyai berat flange yang berbeda juga.

c. Berat reinforcement pad

(

)

(3.82)

(3.83)

Dimana :

Wpipa = Berat pipa (kg)

Lpipa = Panjang pipa (mm)

Wpipa per meter = Berat pipa per satuan meter (kg/m)

Vpad = Volume reinforcement pad (mm3)

Wpad = Berat reinforcement pad (kg)

= Densitas material (kg/mm3)

3.6. Perlengkapan Pendukung

Bejana dilengkapi perlengkapan-perlengkapan untuk mendukung operasi

bejana tekan. Perlengkapan itu antara lain isolasi, instrumentasi, platform, ladder,

perlengkapan internal bejana tekan, dan lain-lain.

3.6.1. Isolasi

Tujuan dari memasang isolasi pada peralatan yang digunakan untuk

mengalirkan fluida dengan suhu tinggi adalah:

46

1. Mencegah kerugian energi yang disebabkan oleh kehilangan panas.

2. Mempertahankan suhu proses.

3. Sebagai perlindungan bagi manusia dalam kasus kontak langsung dengan

peralatan.

Isolasi termal harus sesuai untuk kondisi operasi dan desain yang

ditentukan. Ketebalan insulasi yang dapat disentuh sebagai bagian dari operasi

normal atau kegiatan pemeliharaan tidak melebihi 45C. Bahan Isolasi tidak

dibolehkan dengan asbes. Perpindahan panas pada isolasi dapat diturunkan dari

persamaan perpindahan panas.

Gambar 3.17. Perpindahan panas pada isolasi

3.6.2. Platform dan ladder

Platform dan ladder dipasang pada bejana tekan vertical dengan tujuan

untuk memudahkan pengecekan nozzle dan instrumentasi pada bejana tekan.

Platform dan ladder juga digunakan saat maintenance bejana tekan. Platform

didesain dengan mempertimbangkan posisi nozzle, luas dan ketinggian platform

menyesuaikan dengan bejana tekan.

Platform dapat didesain dengan grating atau dengan floor plate. Ladder

dapat didesain dengan sangkar sebagai pengaman pada ketinggian. Pada bejana

tekan vertical dirancang platform sirkular pada shell, dan platform rectangular

diatas top head. Platform dan ladder harus didesain sesuai standar agar mampu

menahan beban manusia dan aman untuk digunakan.

47

3.6.3. Instrumentasi

Bejana tekan dilengkapi dengan perlengkapan instrumentasi diantaranya

adalah:

1. Indikator tekanan

2. Indikator temperatur

3. Level gauge

4. Transmiter tekanan

5. Transmiter temperatur

6. Transmiter level gauge

Instrumen digunakan sebagai sensor untuk mengetahui kondisi opersai

bejana tekan. Instrumentasi terhubung pada nozzle ukuran 2 in ke shell. Posisi

Instrumen dapat dilihat pada P&ID (Process and Instrumentation Diagram)

pada Lampiran 2.

3.6.4. Perlengkapan internal

Perlengkapan internal dalam separator diantaranya adalah inlet diverter,

mist extractor dan vortex breaker.

1. Inlet diverter: cyclone inlet

Inlet diverter berfungsi untuk membantu memisahkan fluida yang

masuk menjadi dua fasa yang berbeda. Cylone inlet memisahkan fluida

dengan gaya sentrifugal.

Gambar 3.18. Cyclone Inlet

48

2. Mist extractor atau demister pad

Mist Extractor berfungsi untuk mengumpulkan titik-titik cairan

yang masih terdapat dalam gas. Mist Extractor mampu melepaskan

droplets yang berukuran hingga 10 micron.

Gambar 3.19. Mist Extractor dan support dari mist extractor

3. Vortex breaker

Vortex breaker berfungsi mencegah timbulnya vortex pada cairan

yang keluar.

Gambar 3.20. Vortex breaker

49

3.7. Perancangan Support

Support digunakan untuk menyangga bejana tekan ke pondasi. Support

terdiri dari beberapa jenis. Contoh jenis support untuk bejana tekan vertikal.

1. Leg support

Untuk bejana vertikal ukuran menengah hingga kecil.

2. Skirt support

Skirt semacam shell yang berbentuk silindris atau konikal sehingga beban

terdistribusi merata. Support yang dipakai dalam perancangan ini yaitu

jenis skirt silinder.

3.7.1. Perancangan skirt

Bejana tekan vertikal yang dirancang harus bisa berdiri dan ditumpu oleh

skirt silinder. Tumpuan skirt dilas langsung pada bagian bottom head bejana atau

shell. Perancangan tumpuan skirt ini dilakukan sesuai dengan diameter shell dan

berdasarkan berat vessel serta beban yang diderita. Komponen lain yang harus

diperhatikan adalah dasar skirt, ring bawah, lasan antara skirt dengan ring

bawah, ring penguat atas, dan penguat vertikal,

Ketebalan minimum diperlukan agar skirt dapat menyangga bejana tekan.

Faktor yang mempengaruhi diantaranya adalah berat bejana dan momen eksternal

akibat beban angin dan gempa. Ketebalan minimum dapat dicari menggunakan

rumus berikut.

(3.84)

Dimana:

D = Diameter luar skirt

E = Efisiensi sambungan skirt ke head

MT = Moment pada skirt

R = Radius luar

S = Tegangan

t = Tebal skirt yang dibutuhkan

W = berat vessel yang ditumpu skirt pada kondisi paling berat (hidrotes)

50

Pengelasan digunakan untuk menyambung skirt dan head. Efisiensi

sambungan skirt ke head adalah sebagai berikut:

a. 0.6 untuk butt weld

b. 0.45 untuk lap weld

Gambar 3.21. Pengelasan pada skirt ke head butt weld (kiri) dan lap weld (kanan)

3.7.2. Anchor bolt

Hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan anchor bolt sehingga

mampu menahan beban tarik yang timbul yaitu

a. Jumlah anchor bolt

b. Spasi dari anchor bolt

c. Diameter anchor bolt

Perhitungan anchor bolt dapat dilakukan dengan metode pendekatan sebagai

berikut.

Gaya tarik maksimum

(3.85)

Area yang dibutuhkan untuk satu baut BA

(3.86)

Tegangan pada anchor bolt

(3.87)

Dimana:

=

=

51

=

=

=

3.7.3. Base rings

Permukaan base ring harus cukup luas untuk mendistribusikan beban

merata pada pondasi beton. Ketebalan base ring harus mampu menahan tegangan

bending akibat gempa atau beban angin.

Gambar 3.22. Sketsa dimensi dari base ring

Perhitungan base ring dapat dilakukan dengan metode pendekatan sebagai

berikut.

Gaya desak maksimum.

(3.88)

Lebar base ring kira-kira

(3.89)

Tebal base ring kira-kira

(3.90)

Tegangan bearing

(3.91)

Tegangan bending

(3.92)

Dimana:

52

=

(3.93)

= skirt

=

=

=

=

=

=

3.7.4. Desain anchor bolt dan base ring

Anchor bolt dan base ring digunakan untuk menanam bejana tekan di atas

pondasi beton. Perancangan dimaksudkan agar bejana tekan dapat menahan beban

berat bejana tekan dan beban akibat angin dan gempa. Sketsa perancangan anchor

bolt dan base ring dapat dilihat pada Gambar 3.23.

Gambar 3.23. Sketsa perancangan anchor bolt dan base ring

Prosedur desain untuk memperoleh anchor bolt yang sesuai dengan base

ring adalah sebagai berikut.

53

Nilai dari konstanta dimensi k

(3.94)

Total area yang dibutuhkan anchor bolts

(3.95)

Hubungan antara tegangan desak maksimum yang diijinkan pada tepi luar base

ring dan bolt circle

(3.96)

(3.97)

Beban tarik pada anchor bolts

(3.98)

Tegangan tarik di anchor bolts.

(3.99)

Ketebalan ring dengan area sama dengan area dari anchor bolts.

(3.100)

Beban desak pada beton.

(3.101)

Tegangan desak pada beton.

(3.102)

Hubungan antara gaya tarik di baja dan desak di beton.

(3.103)

Ketebalan base ring tanpa gusset plate.

(3.104)

Ketebalan base ring dengan gusset plate.

(3.105)

Dimana:

b = jarak antara gusset plates, diukur dari arc bolt circle

54

Bt = Total area yang dibutuhkan untuk anchor bolt

Cc,Ct = Konstanta

d = Diameter lingkaran anchor bolt

D = Diameter lingkaran anchor bolt

fc = Tegangan tekan pada pondasi di edge terluar pada base ring

fcb = Tegangan tekan pada pondasi di lingkaran bolt.

j = Konstanta

l4 = l - ts = lebar base ring

M = Momen pada base akibat beban angin dan gempa.

Mmax = Mx atau My dipilih yang terbesar

n = Rasio modulus elastisitas dari baja dan beton

r = Radius lingkaran bolt

Sa = Tegangan tarik pada anchor bolt

S = Teganan maksimal yang diijinkan pada base

W = Berat bejana tekan saat operasi

z = Konstanta

Gusset plate, anchor chair, atau compression ring dapat digunakan untuk

distribusi tegangan yang lebih baik.

3.8. Berat Bejana Tekan

Berat perlu dihitung untuk memperkirakan biaya pembuatan dan

transportasi. Berat juga dipakai untuk perancangan support, pondasi dan lifting

lug. Berat dihitung dari total kebutuhan material minimum bejana tekan. Berat

dihitung dengan cara mengalikan volum dari bagian-bagian bejana tekan dengan

berat teoritis dari material.

Berat dapat dibedakan menjadi berat pabrikasi, berat pemasangan, berat

operasi, dan berat uji.

55

3.8.1. Berat pabrikasi

Berat total saat dibuat dipabrik. Berat pabrikasi terdiri dari dari berat:

1. shell

2. heads

3. Internal plate work

4. Tray support

5. Insulation rings

6. Openings

7. Skirt

8. Base ring

9. Anchor ring

10. Anchor lug

11. Misscellaneous

12. Ditambah 6% dari berat poin 1 sampai 11untuk kelebihan berat pada

plat dan berat dari lasan

3.8.2. Berat ereksi (pemasangan)

Berat ereksi adalah berat total saat pabrikasi ditambah berat dari

perlengkapan tambahan.

Perlengkapan tambahan

1. Insulation

2. Fireproofing

3. Platform

4. Ladder

5. Piping

6. Miscellaneous

56

3.8.3. Berat operasi

Berat kosong ditambah berat fluida pada kondisi operasi. Berat fluida

kerja dapat dicari dengan mengalikan volum fluida dengan densitas. Di dalam

separator terjadi pemisahan brine dan uap. Brine akan berada di bawah dan uap di

atas. Ketinggian brine dibatasi pada level tertentu. Berat brine dihitung pada

kondisi brine berada pada elevasi maksimal. Berat brine dapat dicari dengan

mengalikan volum dengan densitas brine. Berat uap dihitung dari volum vessel

dikurangi volum brine maksimal dan dikalikan dengan densitas dari uap.

3.8.4. Berat uji

Berat total ketika pengujian tekanan menggunakan air yang diisikan secara

penuh ke bejana tekan. Berat kosong ditambah berat fluida air pada kondisi

pengujian atau penuh. Berat fluida air dapat dicari dengan mengalikan volum

fluida dengan densitas air.

3.8.5. Titik berat bejana tekan

Titik berat dapat menentukan posisi titik angkat crane pada saat

pengangkatan (ereksi) dan gaya reaksi pada support. Menurut Moss, titik berat

bejana tekan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.106)

Dimana:

C = Titik pusat gravitasi dihitung dari garis tangen kiri (mm)

Ln = Jarak dari tangen line ke titik berat tiap komponen (mm)

Wn = Berat tiap komponen (kg)

W = Berat total bejana tekan (kg)

57

3.9. Pembebanan pada Bejana Tekan

Pembebanan yang terjadi pada bejana tekan perlu diperhitungkan agar

bejana tekan mampu menahan beban tersebut. Pembebanan luar pada bejana tekan

yang perlu diperhatikan adalah beban akibat beban angin dan gempa.

3.9.1. Beban angin

Angin adalah aliran udara turbulen pada permukaan bumi dengan

kecepatan bervariasi. Kecepatan angin dipengaruhi oleh gesekan pada permukaan

bumi. Besarnya kecepatan udara akan meningkat dengan bertambahnya

ketinggian dari permukaan bumi. Profil kecepatan angin tergantung dari

karakteristik permukaan dari suatu wilayah.

Angin akan menimbulkan momen yang menghasilkan tegangan pada shell

dan skirt untuk bejana vertikal. Beban angin dapat dikonsiderasikan berdasarkan

standar UBC 1997 atau bisa juga dengan standar ANSI/ASCE 7. Sebelum

dikonderasi perlu diketahui kecepatan angin basis di lokasi.

a. Konsiderasi dengan standar UBC-1997

Kecepatan angin didapat dari data lapangan, keceepatan angin desain

dipilih berdasarkan kecepatan angin maksimal yang mungkin terjadi. Dari

kecepatan angin dapat dicari parameter lain dari tabel yang telah disediakan oleh

UBC-1997. Persamaan yang digunakan pada standar UBC-1997

(3.107)

Dimana,

Ce = Faktor koefisien gust

Cq = Koefisien tekanan

qs = Tekanan angin stagnasi

I = Faktor importance

Nilai Ce Cq qs dan I diperoleh dari tabel 3.3. sampai dengan tabel 3.6. berikut yang

diambil dari UBC-1997.

58

Tabel 3.3. Tekanan angin stagnasi (qs) pada ketinggian standar 33 ft (UBC)

Kecepatan angin basis (mph) 70 80 90 100 110 120 130

Tekanan qs (psf) 12.6 16.4 20.8 25.6 31 36.9 43.3

Tabel 3.4. Koefisien Ce kombinasi ketinggian, exposure dan gust factor

(UBC)

Ketinggian diatas

permukaan tanah (feet)

Exposure D Exposure C Exposure B

0-15

20

25

30

40

60

80

100

120

160

200

300

400

1.39

1.45

1.5

1.54

1.62

1.73

1.81

1.88

1.93

2.02

2.1

2.23

2.34

1.06

1.13

1.19

1.23

1.31

1.43

1.53

1.62

1.67

1.79

1.87

2.05

2.19

0.62

0.67

0.72

0.76

0.84

0.95

1.04

1.13

1.20

1.31

1.42

1.63

1.80

Tabel 3.5. Koefisien tekanan Cq (UBC)

Struktur atau part thereof diskripsi Factor Cq

Chimney, tanks dan solid

tower

Square atau rectangular

Hexagonal atau octagonal

Round atau elliptical

1.4

1.1.

0.8

Open frame tower Square dan rectangular

Diagonal

Normal

Triangular

4.0

3.6

3.2

Aksesoris tower ( seperti

ladders, conduicts, light,

dan elevator)

Cylindrical members

Diameter 2 in atau kurang dari

Diameter lebih dari 2 in

Flat atau angular members

1

0.8

1.3

Tabel 3.6. Faktor importance I (UBC)

Kategori Occupancy Faktor importance angin I

I Fasilitas essential 1.15

II Fasilitas Hazardous 1.15

III Spesial struktur occupancy 1.00

IV Standar struktur occupancy 1.00

59

Konsiderasi beban angin perlu dilakukan sehingga bejana tekan mampu

menahan beban angin. Setelah dilakukan konsiderasi baban angin maka dapat

dilakukan perhitungan untuk mencari momen yang terjadi berdasarkan gambar

3.24. dan rumus sebagai berikut.

Gambar 3.24. Dimensi bejana tekan untuk konsiderasi beban angin

Gaya geser pada base.

(3.108)

Momen yang terjadi pada base akibat gaya geser.

(3.109)

Momen pada ketinggian hT .

(3.110)

Tegangan yang terjadi karena beban angin.

(3.111)

Tebal minimum yang dibutuhkan untuk menahan beban angin.

(3.112)

Keterangan:

D = Diameter luar skirt

H = Tinggi bejana

h = Lever arm =H/2

hT = Jarak dari base hingga bagian bawah dari shell

E = Efisiensi las

60

b. Konsiderasi dengan ANSI/ASCE 7-93

Konsiderasi dapat dilakukan juga menggunakan ANSI/ASCE 7-93

Desain tekanan angin

(3.113)

Dengan tekanan kecepatan

(3.114)

Dimana:

kz = Tekanan kecepatan koefisien exposure

I = Faktor importance

V = Kecepatan angin

G = Faktor respon Gust dimana lokasi tower

Cf = Faktor bentuk = 0,8 untuk silinder

Af = Area yang diproyeksikan

3.9.2. Beban gempa

Pembebanan gempa pada bejana tekan dapat juga menyebabkan momen.

Bejana tekan dapat diasumsikan sebagai cantilever beam yang mengalami

pembebanan. Pembebanan meningkat saat mendekati ujung secara uniform seperti

terlihat pada Gambar 3.25.

Gambar 3.25. Diagram beban seismic dan tegangan geser akibat beban seismic

61

Prosedur pembebanan karena gempa dapat dihitung dengan standar UBC

1997. Perhitungan gempa dengan peraturan UBC sering dipakai pada proyek-

proyek oil, gas dan juga geothermal.

Langkah-langkah perhitungan beban gempa dengan standar UBC 1997 adalah

sebagai berikut:

1. Faktor zona seismic

Zona seismic dapat diketahui dari peta gempa di Indonesia yang terdapat

pada Lampiran 6. Dari zona seismic dapat ditentukan faktor zona seismic UBC,

berikut penentuan faktor Z dari zona seismic.

Tabel 3.7. Faktor zona seismic (UBC)

Zone 1 2A 2B 3 4

Z 0.075 0.15 0.2 0.3 0.4

2. Tipe tanah

Tipe tanah sangat menentukan dalam kegempaan. Tipe tanah dapat

bernilai 1 sampai 5 secara lengkap dapat dilihat pada tabel 3.8. dibawah ini.

Tabel 3.8. Tipe tanah (UBC)

Staad value Tipe tanah Deskripsi tanah N-SPT

1 Sa Hard rock

2 Sb Rock

3 Sc Very dense >50

Soil/soft rock

4 Sd Stiff soil profile 15 sampai50

5 Se Sofy soil

62

Tabel 3.9. R value untuk bangunan struktur dan non building struktur (UBC)

R value Tipe Struktur

bangunan struktur

5.6 OBF untuk baja dan concrete

4.5 OMRF untuk baja

3.5 OMRF untuk concrete

non building struktur

2. ,2 Monumen, vessel, tank dan sperical tank, cantilever column

structure,

2.9 Bin dan hopper, distributed vertical mass such chimney, silo, truss

tower

3.6 Storage rack, signs, billboard, cooling tower

5. Faktor koefisien seismic

Dari nilai-nilai di atas dapat ditentukan faktor koefisien seismik Ca dan Cv . Ca

dan Cv akan digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi.

Tabel 3.10. Penentuan ditentukan faktor koefisien seismik Ca (UBC) faktor koefisien seismik Ca

Jenis profil

tanah

Seismic Zone Factor, Z

Z=0.075 Z=0.15 Z=0.2 Z=0.3 Z=0.4

SA 0.06 0.12 0.16 0.24 0.32Na

SB 0.08 0.15 0.2 0.3 0.40Na

SC 0.09 0.18 0.24 0.33 0.40Na

SD 0.12 0.22 0.28 0.36 0.44Na

SE 0.19 0.3 0.34 0.36 0.36Na

SF

Tabel 3.11. Penentuan ditentukan faktor koefisien seismik Cv (UBC) Faktor koefisien seismik Cv

Jenis profil

tanah

Seismic Zone Factor, Z

Z=0.075 Z=0.075 Z=0.075 Z=0.075 Z=0.075

SA 0.06 0.12 0.16 0.24 0.32Nv

SB 0.08 0.15 0.2 0.3 0.40Nv

SC 0.13 0.25 0.32 0.45 0.56Nv

SD 0.18 0.32 0.40 0.54 0.64Nv

SE 0.26 0.50 0.64 0.84 0.96Nv

SF

63

Investigasi geoteknik site secara spesifik dan analisis respon dinamik

harus dilakukan untuk menentukan seismic coefficient untuk tanah tipe SF. Nilai

Na dan Nv dapat ditentukan berdasarkan tipe dan jarak dari sumber gempa seperti

pada tabel 3.12 dan 3.13.

Tabel 3.12. Faktor kedekatan sumber gempa Na dan Nv (UBC 1997)

Tipe

sumber

seismic

Jarak terdekat ke sumber gempa

2km 5km 10km 15km

Na Nv Na Nv Na Nv Na Nv

A 2 1.5 1.6 1.2 1.2 1.0 1.0 1.0

B 1.6 1.3 1.2 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

C 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Tabel 3.13. Tipe sumber seismic (UBC 1997)

Tipe

sumber

seismic

Deskripsi sumber seismic

Definisi sumber seismic

Momen

magnitude

maksimum M

Slip rate SR

(mm/year)

A Patahan yang mempunyai

kapasitas produksi magnitude

dan aktivitas seismic tingkat

tinggi

M 7.0 SR 5

B Kecuali tipe A dan C M 7.0

M 2

SR < 2

C Patahan yang tidak mempunyai

kapasitas produksi magnitude

dan aktivitas seismic relatif

tingkat rendah

M < 6.5 SR 2

Setelah dilakukan konsiderasi beban gempa maka dapat dilakukan

perhitungan untuk mencari momen yang terjadi berdasarkan gambar 3.24. dan

rumus sebagai berikut.

Tegangan geser pada base, V (dimana V>V1 atau V2, V

64

(3.116)

(3.117)

Nilai V dengan syarat V>V1 atau V2, V

65

w = Berat vessel per satuan panjang dari ketinggian

t = Ketebalan skirt pada base

3.10. Perancangan Lifting Lug

Lifting lug digunakan untuk ereksi atau pengangkatan separator. Piranti

pengangkatan harus dipastikan memiliki kekuatan sambungan yang memadai

untuk mengangkat bejana dengan aman dan sekaligus tidak merusak dirinya

sendiri. Lifting lug didesain dengan berdasarkan data berat ereksi vessel dan titik

berat

W1 = Berat ereksi untuk perhitungan W * c (3.125)

Dimana:

W = Berat ereksi vessel

c = Faktor impact

Selanjutnya ditentukan jarak I dan L dimana:

I = Jarak dari CG ke R2 (base)

L = Jarak dari R1 (lubang lifting lug) ke R2,

Lifting lug terdiri dari tiga part yaitu lifting lug, pad, dan support. Bahan

yang digunakan dalam desain akan mempunyai tegangan yang diijinkan a yang

digunakan sebagai dasar dalam mendesain. Lifting lug akan menderita beban

akibat berat dari vessel. Dalam perancangan ini beban untuk lifting lug dapat

dibedakan pada posisi vertikal dan horisontal.

Posisi horizontal,

(3.126)

Posisi vertikal,

(3.127)

Bejana tekan dilengkapi juga dengan tailing lug yang terletak pada base

ring. Beban untuk tailing lug adalah sebagai berikut.

Posisi horizontal,

66

(3.128)

Posisi vertikal, untuk posisi vertikal pengangkatan bejana tekan hanya dengan

lifting lug, sehingga pada tailing lug

3.10.1. Desain reaksi dan tegangan yang diijinkan

Reaksi aktual yang terjadi pada setiap lifting lug adalah

. Desain reaksi

yang terjadi pada setiap lifting lug

(3.129)

Tegangan yang diijinkan pada lifting lug berdasarkan material yang

digunakan.

a = Tegangan yang diijinkan untuk tarik, desak dan bending

= Dipilih yang terkecil dari 1/3 t atau 2/3 y

a = Tegangan geser yang diijinkan

Lifting lug terdiri dari tiga part yaitu lifting lug, pad dan support. Dimensi

dari ketiga komponen tersebut perlu diperhitungkan agar mampu menahan bejana

tekan saat ereksi. Perhitungan juga dilakukan pada penyambungan. Sketsa lifting

lug sebagai dasar perhitungan dan perancangan ditunjukkan pada Gambar 3.26.

Perhitungan lifting lug mengacu pada moss (2004) dan desain PT Tripatra

Engineers and Constructors.

Gambar 3.26. Sketsa lifting lug

67

Keterangan :

a = Jarak antara lubang pin bagian atas dengan diameter atas

a' = Lebar support

b = Lebar pad

c = Tinggi pad

c' = Tinggi area tambahan lasan

d = Diameter pin

d' = Diameter setengah lingkaran untuk area tambahan lasan

e = Tinggi area tambahan lasan ditambah radius

h = Lebar lifting lug

l = Panjang support

l1 = Jarak vertikal titik tengah lubang pin dengan sisi atas support

l2 = Jarak vertikal sisi atas support dengan tangen line

l3 = Jarak vertikal tangen line dengan sisi bawah lifting lug

T = Tebal lifting lug

t = Tebal pad

t' = Tebal support

= sudut

Keterangan satuan yang digunakan dalam mm.

3.10.2. Kekuatan lifting lug saat pengangkatan posisi vertikal

Tegangan sirkumferensial dari ring dapat dihitung dengan persamaan

berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.

(3.130)

Dimana:

f(y)=Faktor tegangan, rasio y=a/d,

f(y) dapat diketahui dari tabel

Y= a/d f(y)

tw = tebal throat las fillet

tw1 = tebal throat lug-pad

tw1'= tebal throat lug-supp't

tw2 = tebal throat pad-shell

68

Tegangan tarik pada A-A dapat dihitung dengan persamaan berikut. Jika

kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman

(3.131)

Tegangan geser pada ring dapat dihitung dengan persamaan berikut. Jika

kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.

(3.132)

Dimana:

(3.133)

[(

)

(

) ] (3.134)

Kombinasi tegangan pada B-B dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.135)

(3.136)

Kombinasi tegangan pada B-B merupakan penjumlahan dari .

(3.137)

Tegangan yang diijinkan adalah sebagai berikut.

(3.138)

Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman

3.10.3. Kekuatan las saat pengangkatan posisi vertikal

Penyambungan antara lifting lug dan pad, lifting lug, dan support, pad

dan shell menggunakan las fillet. Saat pengangkatan posisi vertikal las akan

mengalami tegangan sehingga perlu dilakukan perhitungan.

Dimana:

tw = tebal las fillet

tw1 = tebal las lug-pad

tw1' = tebal las lug-support

69

tw2 = tebal las pad-shell

Efisiensi las

Tegangan geser pada sambungan lifting lug ke pad dapat dihitung

dengan rumus sebagai berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi

masih aman.

(3.139)

Tegangan geser pada sambungan lifting lug ke support dapat dihitung

dengan rumus sebagai berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi

masih aman.

(3.140)

Tegangan geser pada sambungan pad ke shell dapat dihitung dengan

rumus sebagai berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih

aman.

(3.141)

3.10.4. Kekuatan lifting lug saat pengangkatan posisi horisontal

Reaksi yang terjadi pada lifting lug saat terjada pengangkatan dalam posisi

horisontal dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.142)

(3.143)

(3.144)

Gambar 3.27. Arah gaya pada lifting lug saat pengangkatan dalam posisi

horisontal.

70

Tegangan bending dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut. Jika


(3.145)

(3.146)

(3.147)

Tegangan geser dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut. Jika


(3.148)

(3.149)

(3.150)

Tegangan maksimum dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.

*

+ (3.151)

Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.

(3.152)

3.10.5. Kekuatan las lifting lug saat pengangkatan posisi horisontal

Penyambungan antara lifting lug dan pad, lifting lug, dan support, pad dan

shell menggunakan las fillet. Saat pengangkatan posisi horisontal, las akan

mengalami tegangan sehingga perlu dilakukan perhitungan. Momen inersia polar

dari lasan (lifting lug ke lasan pad) dapat dihitung berdasarkan Gambar 3.28.

71

Gambar 3.28. Lasan pada lifting lug dan arah gaya pada posisi horizontal

Momen inersia polar dari lasan (lifting lug ke lasan pad) dapat dihitung

berdasarkan dengan persamaan berikut.

Sumbu netral (N-A) dari sumbu X

(3.153)

Sumbu netral (N-A) dari sumbu Y

(3.154)

Momen inersia polar

(3.155)

Maksimum radius dari las r1 dan sudut 1 dihitung dengan persamaan

berikut.

[(

)

(

)

] (3.156)

(3.157)

Maksimum radius dari las r2 dan sudut 2 dapat dihitung dengan persamaan

berikut.

72

[(

)

] (3.158)

(

)

(3.159)

a. Kekuatan lasan lifting lug ke pad

Tegangan geser langsung ke lasan dapat dihitung dengan persamaan

berikut.

(3.160)

Dimana = total throat area pada lasan

[ ( )] [ ] (3.161)

Tegangan geser akibat momen bending dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.162)

Tegangan geser maksimum dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.163)

Tegangan yang diijinkan diipilih nilai yang paling kecil diantara pad atau lug.

(3.164)

Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.

b. Kekuatan lasan lifting lug ke support

Tegangan geser langsung ke lasan dapat dihitung dengan persamaan

berikut.

(3.165)

Dimana , maka tegangan geser yang terjadi.

Tegangan geser akibat momen bending dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.166)

Tegangan geser maksimum dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.167)

Tegangan geser yang diijinkan

73

(3.168)

Dimana dipilih nilai yang paling kecil diantara support atau lug, Jika


Tegangan bending dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.169)

Dimana:

F=gaya reaksi pada las support

(3.170)

Z adalah modulus section dari lasan support

(3.171)

Jika kurang dari untuk support maka desain aman.

c. Kekuatan lasan pad ke shell

Tegangan geser pada lasan pad ke shell dapat dihitung dengan persamaan

sebagai berikut.

(3.172)

Dimana:

(3.173)

Jika kurang dari , maka tegangan yang terjadi masih aman.

3.10.6. Perancangan tailing lug.

Saat pengangkatan dengan posisi horisontal maka pengangkatan selain

menggunakan lifting lug juga dengan menggunakan tailing lug. Tailing lug

terletak pada base. Perancangan dilakukan agar tegangan yang terjadi tidak

melebihi tegangan yang diijinkan. Tegangan yang diijinkan pada lifting lug

berdasarkan material yang digunakan.

a = Tegangan yang diijinkan untuk tarik, desak, dan bending

= Dipilih yang terkecil dari 1/3 t atau 2/3 y

74

a = Tegangan geser yang diijinkan

Gambar 3.29. Sketsa tailing lug

Sketsa dari tailing lug dapat dilihat pada Gambar 3.29.

Keterangan :

Keterangan satuan panjang dalam mm.

Beban pada tailing lug (Fb) ,

Fb=R2 (3.174)

Tegangan sirkumferensial pada ring (1) dapat dihitung dengan persamaan

sebagai berikut.

(3.175)

Jika kurang dari maka desain aman.

L1 = Jarak titik tengah lubang dan base

L3 = Lebar tailing lug

R = Radius atas tailing lug

d = Diameter lubang

t = Ketebalan tailing lug

a = Jarak radius luar dengan radius lubang

f(y) = Faktor tegangan

E = Efisiensi las

a = Tegangan yang diijinkan

75

Tegangan geser dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.176)

Jika kurang dari maka desain aman

Bending stress ( 3 ) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.177)


3.10.7. Kekuatan lasan tailing lug

Penyambungan antara tailing lug dan base menggunakan las fillet. Saat

pengangkatan posisi horisontal, las akan mengalami tegangan sehingga perlu

dilakukan perhitungan.

Bending stress dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.178)


Tegangan geser dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.179)


Tegangan kombinasi (S) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

(3.180)

Tegangan yang diijinkan = E . Sa (3.181)

Jika tegangan kombinasi kurang dari E . Sa maka kekuatan tailing lug aman.

76

3.11. Pembebanan Eksentrik pada Nozzle dengan Analisis Tegangan Lokal

(WRC 107)

Bejana tekan terhubung dengan sistem perpipaan sehingga beban eksentrik

pada nozzle akibat sistem perpipaan harus dipertimbangkan.

3.11.1. Sistem perpipaan

Sistem perpipaan dalam operasi menerima beban yang kompleks, yaitu

meliputi beban sustain, beban ekspansi, beban operasi dan beban occasional.

Masing-masing beban yang terjadi pada sistem tersebut diakibatkan oleh

pembebanan akibat dari kondisi operasi sistem perpipaan sendiri maupun dari

lingkungan sekitar. Untuk memperoleh hasil rancangan sistem perpipaan yang

aman tiap komponen beban baik akibat kondisi dari beban internal maupun akibat

beban eksternal harus diperhatikan pada saat melakukan perancangan.

Penggolongan pembebanan pada sistem perpipaan berdasarkan pada jenis beban-

beban yang terjadi secara umum dapat diklasifikasikan secara sederhana meliputi

beban - beban sustain, beban ekspansi, beban operasi, dan beban occasional.

a. Beban sustain

Beban sustain adalah beban yang dialami oleh instalasi pada pipa yang

terjadi secara terus menerus. Beban ini merupakan kombinasi beban yang

diakibatkan oleh tekanan internal dan beban berat (berat fluida dan berat pipa).

Tegangan pada beban sustain = tegangan longitudinal akibat internal pressure +

tegangan akibat gaya berat sistem perpipaan.

b. Beban ekspansi

Tegangan yang terjadi pada beban ekspansi merupakan tegangan normal

maupun tegangan geser yang diakibatkan oleh adanya ekspansi material pipa

akibat perbedaan temperatur pipa dengan temperatur lingkungan sekitar.

c. Beban operasi

Beban operasi adalah beban yang diterima oleh pipa selama operasi

berlangsung, beban yang diterima pipa merupakan kombinasi dari beban sustain

dan beban termal. Beban operasi = beban sustain + beban ekspansi

77

d. Beban occasional

Beban occasional adalah beban yang terjadi kadangkadang pada sistem

perpipaan selama operasi normal. Ada beberapa hal yang dapat menyebabkan

timbulnya beban occasional, yaitu akibat gaya angin, gaya dinamik gempa, dan

gaya-gaya lain dalam beban occasional. Tegangan pada beban occasional =

tegangan akibat beban sustain + tegangan akibat gaya occasional.

3.11.2. Pembebanan eksentrik pada nozzle

Separator terhubung dengan perpipaan pada nozzle inlet dan outlet.

Tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan akan berpengaruh terhadap kekuatan

nozzle. Perpipaan yang menempel pada bejana tekan bagian luar dapat

mengakibatkan pertambahan tegangan pada nozzle. Sehingga perlu dilakukan

simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle untuk mengetahui kekuatan nozzle.

Pada saat beroperasi sistem perpipaan akan memberikan gaya dan momen

pada nozzle di kondisi sustained, expansion dan occasional. Pada perancangan

bejana tekan, perlu dianalisa pengaruh beban perpipaan pada nozzle agar tidak

melebihi tegangan yang diijinkan oleh bejana tekan dan nozzle. Jika tegangan

yang terjadi akibat beban eksternal perpipaan telah mencapai limit-nya maka

harus dievaluasi fleksibilitas nozzle dengan cara menambah ketebalan dan

diameter reinforcement pad ataupun ketebalan nozzle. Dalam perancangan ini

akan dianalisa pembebanan eksentrik pada nozzle inlet. Analisa dilakukan dengan

metode analisis tegangan lokal pada nozzle sesuai dengan WRC 107.

3.11.3. Analisis Tegangan Lokal pada Nozzle (WRC 107)

Perumusan secara umum analisis tegangan lokal adalah mencari hubungan

antar tegangan. Pembebebanan diasumsikan berlangsung pada titik pusat nozzle

dan titik pusat shell. Arah pembebanan dan momen dapat dilihat pada gambar.

Hubungan antara tegangan membran internal, tegangan lengkung internal dan

konsentrasi tegangan dapat dirumuskan sebagai berikut.

78

(3.182)

Dimana:

i = Tegangan arah i pada permukaan shell (kPa)

Kn = Konsentrasi tegangan tekan atau tarik

Kb = Konsentrasi tegangan lengkung

Mi = Momen bending pada arah i (kg/mm.mm)

Ni = Gaya membran per satuan unit pada arah I (kg/mm)

T = Tebal shell (mm)

Parameter shell () Parameter shell dapat dicari dengan persamaan berikut.

(3.183)

Parameter nozzle (), untuk nozzle yang berbentuk lingkaran, parameter

dapat dicari dengan persamaan berikut.

(3.184)

Dimana:

Rm = Diameter rata-rata shell (mm)

T = Tebal nominal shell (mm)

ro = Radius luar shell (mm)

Berikut adalah gambar 3.30 dan tabel 3.14 tentang perjanjian tanda dari

beban dan momen pada nozzle. Dari beban dan momen dapat ditentukan tegangan

lokal yang terjadi dengan langkah-langkah perhitungan sesuai pada WRC 107 dan

menggunakan grafik WRC 107.

Gambar 3.30. Perjanjian tanda WRC 107

79

Tabel 3.14. Perjanjian tanda untuk tegangan akibat beban dan momen pada

spherical shell (WRC 107)

Berikut langkah untuk menentukan tegangan akibat beban dan momen

berdasarkan WRC 107. Grafik mengacu pada grafik pada WRC 107 dan terdapat

pada Lampiran.

80

3.11.4. Tegangan akibat beban radial, P

a. Tegangan sirkumferensial

Langkah untuk menentukan tegangan sirkumferensial berdasarkan WRC 107.

1. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan Grafik 3C dan 4C (WRC

107) pada Lampiran 7 dan 8, kemudian ditentukan parameter tidak

berdimensi gaya membran (

).

2. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan pada Grafik 1C dan 2C-1

(WRC 107) pada Lampiran 9 dan 10, kemudian ditentukan parameter tak

berdimensi gaya membran (

).

3. Digunakan nilai dari P, Rm dan T untuk menghitung tegangan membran

sirkumferensial (

) dengan persamaan berikut.

(

) (

) (3.185)

4. Dengan menggunakan nilai dari P dan T, tegangan lengkung

sirkumferensial dihitung dengan persamaan berikut.

(

) (

) (

) (3.186)

5. Tegangan kombinasi antara tegangan membran dan tegangan lengkung

dihitung dengan persamaan berikut.

(3.187)

Dimana:

N = Gaya membran pada dinding shell pada arah sirkumferensial (kg/mm)

P = Gaya radial (N)

Rm = Radius rata-rata shell (mm)

M = Momen lengkung dinding shell arah sirkumferensial (mm. kg/mm)

= Tegangan sirkumferensial akibat pembebanan eksternal (kPa)

b. Tegangan longitudinal ( )

Langkah sama dengan tegangan sirkumferensial, kecuali (

) didapat

dari grafik 3C atau 4C pada Lampiran 7 dan 8. (

) didapat dari grafik 1C-1 atau

81

2C pada Lampiran 9 dan 10. Persamaan untuk menghitung tegangan longitudinal

adalah sebagai berikut.

(

) (

) (3.188)

(

) (

) (3.189)

(3.190)

Dimana:

Nx = Gaya membran pada dinding shell pada arah longitudinal (kg/mm)

Mx = Momen lengkung pada dinding shell arah longitudinal (mm.kg/mm)

x = Tegangan longitudinal akibat pembebanan eksternal (kPa)

T = Tebal shell (mm)

3.11.5. Tegangan karena momen sirkumferensial, Mc

a. Tegangan sirkumferensial (

Langkah untuk menentukan tegangan sirkumferensial berdasarkan WRC 107.

adalah sebagai berikut.

1. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan Grafik 3A pada Lampiran

11 kemudian ditentukan parameter tidak berdimensi gaya membran

(

)

2. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan Grafik 1A pada Lampiran

12 kemudian ditentukan parameter tak berdimensi momen lengkung

(

)

3. Digunakan nilai dari Mc, Rm, dan T, untuk menghitung tegangan

membran sirkumferensial dengan persamaan berikut.

(

)(

) (3.191)

4. Digunakan nilai dari Mc, Rm, dan T, untuk menghitung tegangan

lengkung sirkumferensial (

) dihitung persamaan berikut.

(

) (

) (3.192)

82

5. Tegangan gabungan antara tegangan membran dan tegangan lengkung

dapat dihitung dengan persamaan berikut.

(3.193)

b. Tegangan longitudinal

Langkah sama pada tegangan sirkumferensial karena momen

sirkumferensial, kecuali (

) didapat dari Grafik 4A pada Lampiran 13.

(

) menggunakan Grafik 2A pada Lampiran 14. Persamaan untuk

menghitung tegangan longitudinal adalah sebagai berikut.

(

)(

) (3.194)

(

) (

) (3.195)

(3.196)

3.11.6. Tegangan karena longitudinal momen, ML

a. Tegangan sirkumferensial ( )

Ikuti langkah pada tegangan sirkumferensial kecuali (

yang

didapat dari Gambar 3B pada Lampiran dan (

) dari Grafik 1B atau 1B-1

pada Lampiran 16 yang dinyatakan dengan persamaan berikut.

(

) (

) (3.197)

(

) (

) (3.198)

b. Tegangan longitudinal ( )

Dengan mengikuti langkah pada tegangan sirkumferensial kecuali

(

) yang didapat dari Grafik 4B pada Lampiran 15 dan (

) dari

83

Grafik 2B atau 2B-1 pada Lampiran 17 yang dinyatakan dengan persamaan

berikut.

(

) (

) (3.199)

(

) (

) (3.200)

3.11.7. Tegangan karena momen torsional (

Pada kasus nozzle yang berada pada shell silindris, momen torsional

diasumsikan menyebabkan tegangan geser. Tegangan geser () pada shell di titik

attachement adalah :

(3.201)

Jika hanya tegangan geser yang dipertimbangkan, dapat disimpulkan bahwa

intensitas tegangan adalah 2 kali tegangan geser yang terhitung.

Dim

pressure vessel

Documents