Analisa Statik Dan Dinamik Sistem Perpipaan
May 11, 2017 | Author: Ragerishcire Kanaalaq | Category: N/A
Short Description
Download Analisa Statik Dan Dinamik Sistem Perpipaan...
Description
BAB I Pendahuluan
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Indonesia merupakan salah satu negara berkembang yang banyak memerlukan pembangunan demi kemajuannya. Tak bisa dipungkiri bahwa dalam pembangunan, biasanya diikuti dengan berkembangnya sektor-sektor lain, salah satunya ialah sektor industri. Perkembangan perindustrian di Indonesia itu sendiri dimulai pada zaman penjajahan oleh kolonial belanda (VOC) disekitar tahun 1870-an lewat industri pengeboran minyak, dan terus berkembang sehingga mengakibatkan banyaknya dibangun pabrik-pabrik. Suatu pabrik biasanya terdiri dari peralatan-peralatan yang dihubungkan sehingga membentuk suatu sistem yang berfungsi untuk memproduksi suatu produk. Salah satu peralatan yang mendukung kegiatan produksi tersebut ialah pipa. Dimana pipa digunakan sebagai sarana transportasi fluida. Suatu perindustrian dan perpipaan biasanya satu kesatuan yang tidak bisa dipisahkan. Sebuah sistem perpipaan merupakan suatu interkoneksi dari pipa-pipa, termasuk di dalamnya komponen-komponen dan peralatan-peralatan instalasi. Sistem perpipaan merupakan sarana yang sangat penting dan paling sering digunakan dalam setiap kasus pemindahan fluida, hal ini dikarenakan bila terjadi kesalahan dalam rancangan sistem perpipaan dan tidak sesuai dengan kode standard yang ditetapkan dan gangguan-gangguan dari luar pipa, dapat
I-1
I-2 BAB I Pendahuluan
membahayakan jiwa manusia. Kenyataannya banyak kecelakaan fatal sering terjadi, baik itu ledakan, kebakaran dan lebih jauh dari itu, dapat menimbulkan kerugian bagi perusahaan atas investasi instalasi perpipaan tersebut. Dari beberapa uraian di atas, penulis tertarik untuk memilih jenis skripsi dibidang perpipaan dengan judul Analisa Statik dan Dinamik Sistem Perpipaan Unit Penyulingan Minyak Mentah Dari Cooler 4-1 Ke Pompa 33 Dengan Menggunakan Program Caesar II Versi 5.10. B. Batasan Masalah Keamanan dan kelancaran suatu sistem perpipaan merupakan salah satu kunci keberhasilan suatu industri atau pabrik dalam melaksanakan fungsinya. Dimana perpipaan merupakan sarana atau alat transportasi fluida pada suatu industri, seperti industri perminyakan, industri pembangkit tenaga, sistem pendingin, sistem pengairan, dan sistem-sistem lainnya. PT.Pertamina RU III merupakan salah satu unit proses operasi produksi yaitu pengolahan yang terdapat di Sumatera Selatan. Kilang Pertamina RU III meliputi (Kilang BBM dan Non BBM atau Petrokimia di Plaju) dan (Kilang BBM di Sungai Gerong). Pada penulisan tugas akhir ini, penulis melakukan analisa statik dan dinamik sistem perpipaan yang ada pada Crude Distillation Unit (CDU) V yang terdapat pada kilang Pertamina RU III Plaju yaitu sistem perpipaan dari cooler 4-1 ke suction pompa 33, dengan kerosin atau minyak tanah sebagai fluida yang dialirkan dan telah diatur pada kode standard ASME/ANSI B31.3. Untuk itu, pembatasan masalah yang dilakukan hanya sebatas analisa
I-3 BAB I Pendahuluan
statik dan dinamik sistem perpipaan. Analisa tersebut dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Caesar II versi 5.10. C. Tujuan Penulisan Tujuan dari penulisan skripsi tentang analisa statik dan dinamik pada sistem perpipaan ini adalah sebagai berikut : 1. Menentukan parameter-parameter fisik yang dapat digunakan untuk menganalisa perilaku suatu sistem perpipaan seperti : gaya dan momen, perpindahan, reaksi tumpuan, tegangan dan regangan, getaran, dan lain-lain, agar tetap masuk dalam nilai batas yang diizinkan berdasarkan kode standard desain pipa yang dipakai. 2. Menggunakan Program Caesar II versi 5.10 dalam menganalisa perilaku statik dan dinamik suatu sistem perpipaan. D. Metodologi Penulisan Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini terdiri dari tiga tahap, yaitu : 1. Studi Literatur Yaitu mengumpulkan berbagai informasi dari berbagai buku teks, makalah-makalah teknik, dan sumber bacaan lainnya yang berhubungan dengan judul tugas akhir yang ditulis, yang berguna sebagai referensi dan dapat menambah pengetahuan. 2. Studi Lapangan Yaitu dilakukan dengan mengumpulkan data-data yang diperlukan dan melihat langsung kondisi suatu sistem perpipaan di lapangan.
I-4 BAB I Pendahuluan
3. Metode Diskusi Penulis melakukan diskusi terutama dengan dosen pembimbing skripsi dan juga teman-teman sesama mahasiswa, untuk bertukar pikiran dan menemukan jalan keluar dari masalah yang penulis temukan saat mengerjakan skripsi ini. E. Sistematika Penulisan Untuk memudahkan penulisan, maka perlu dibuat sistematika penulisan. Sistematika ini juga dapat digunakan sebagai acuan dalam penulisan dan untuk mempersingkat waktu pembacaan, karena berisi penjelasan dari setiap bab secara garis besarnya. BAB I
PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang, maksud dan tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II
LANDASAN TEORI Bab ini berisi tentang teori dasar yang berhubungan dengan analisis sistem perpipaan secara umum.
BAB III
ANALISA PERHITUNGAN FLEKSIBILITAS Bab ini berisi tentang perhitungan konstruksi sistem pipa yang dilakukan pada sistem perpipaan dari cooler 4-1 ke suction pompa 33 di Crude Distillation Unit (CDU) V Pertamina RU III Plaju, dengan menggunakan Program Caesar II versi 5.10.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini berisi tentang pembahasan hasil analisis konstruksi sistem
I-5 BAB I Pendahuluan
pipa yang terjadi dengan menggunakan Program Caesar II versi 5.10. BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi tentang kesimpulan dari pembahasan dan saran-saran mengenai penyelesaian permasalahan yang ada.
BAB II Landasan Teori
BAB II LANDASAN TEORI
A. Pengenalan Pipa Pipa merupakan suatu peralatan berbentuk silinder
yang digunakan
untuk menghantar fluida atau meneruskan tekanan fluida baik berupa gas, cairan, endapan dan partikel halus lainnya. Pipa dapat terbuat dari bahan-bahan seperti logam, plastik, beton, fiberglass dan bahan lainnya.
Gambar 1. Sepotong Pipa Sederhana. (Grinnell, 1981) Semakin kompleks suatu pabrik berdampak pada semakin rumitnya sistem perpipaan yang ada, sehingga untuk merancang suatu sistem perpipaan perlu diperhitungkan dengan matang berdasarkan klasifikasi, spesifikasi dan standarisasi yang terdaftar dalam bentuk kode dan simbol yang telah umum dipakai secara internasional, sehingga fluida dapat mengalir tanpa masalah di sepanjang jalur pipa yang ada. Untuk melayani jenis-jenis penggunaan dari pipa, maka pipa-pipa telah dibedakan menjadi beberapa jenis. Berikut hanya beberapa klasifikasi dari keseluruhan klasifikasi pipa, antara lain :
II-1
II-2 BAB II Landasan Teori 1. Berdasarkan jenis fluida yang dialirkan. • Pipa air
• Pipa udara
• Pipa minyak
• Pipa lumpur
• Pipa gas
• Pipa drainage
• Pipa uap
• dan sebagainya
2. Berdasarkan bahan pembuatnya. • Pipa logam • Pipa non logam 3. Berdasarkan jenis instalasinya. • Pipa proses
• Pipa transportasi
• Pipa service
• Pipa sipil
• Pipa utilitas
• Plumbing
• Pipa kelautan (marine piping) Setiap jenis pipa hendaknya dipergunakan juga sesuai dengan spesifikasinya. Demikian pula setiap kondisi kebutuhan pengaliran fluida tertentu hendaknya dipilih spesifikasi pipa dan peralatan instalasinya yang tepat karena keberhasilan instalasi banyak ditentukan oleh kesempurnaan spesifikasi ini. Berikut spesifikasi pipa menurut diameter dan tebal pipa : 1. Diameter pipa ditunjukkan dalam ukuran nominalnya (Nominal Pipe Size, NPS). NPS tidak mencerminkan diameter luar maupun diameter dalam suatu pipa. Khusus untuk pipa 14 NPS dan lebih besar, diameter luar sama dengan diameter nominalnya. 2. Ketebalan pipa dinyatakan dengan Schedule Number. Pipa dengan berbagai ukuran dibuat berdasarkan ketebalan dindingnya untuk tiap ukuran. Untuk itu, beberapa sumber ketentuan dapat kita ikuti. Di Amerika, ada tiga
II-3 BAB II Landasan Teori
sumber ukuran yang berbeda dapat kita jumpai, yaitu : • American National Standard Institute, dengan ukuran berdasarkan “schedule”. Seperti : schedule 5, schedule 10, schedule 20, dan lain-lain. • American Society of Mechanical Engineers (ASME) dan American Society for Testing Materials (ASTM), dengan ukuran : Standard (STD), extra strong (XS) dan double extra strong (XXS). • American Petrolium Institute (API), dengan ukuran standard 5L dan 5 LX. Ukuran-ukuran ini tidak mempunyai acuan untuk ukuran-ukuran individu dan ketebalan dinding. Pada suatu proyek perancangan sebuah pabrik, sistem perpipaan mengambil bagian pekerjaan hingga 40% dari total keseluruhan bidang proyek perancangan. Dimana analisa tegangan atau analisa fleksibilitas merupakan bagian yang paling bertanggung jawab atas desain dan pelaksanaan sistem perpipaan. Dalam pemecahan masalah sistem perpipaan dalam industri dan praktisi telah dikenal beberapa metode pemecahan yang diyakini dapat dijadikan dasar dalam pemecahan masalah sistem perpipaan. Berikut beberapa metode yang sering digunakan dalam pemecahan masalah tersebut : a. ITT Grinell b. M.W kellog c. Digital computer solution seperti Caesar II, SAP 2000 dan lain-lain. Metode yang digunakan diatas pada dasarnya ialah untuk mencari tegangan yang terjadi pada pipa, dan membandingkan dengan nilai tegangan
II-4 BAB II Landasan Teori
izin dari suatu bahan. Sehingga pipa dapat dikategorikan aman jika tegangan tersebut lebih kecil dari pada tegangan izin bahannya. B. Tegangan-tegangan Yang Terjadi Pada Pipa Suatu gaya yang dikenakan pada suatu sistem perpipaan dapat mengakibatkan terjadinya beberapa tegangan pada suatu sistem perpipaan. Dimana tegangan didefinisikan sebagai suatu gaya yang dikenakan pada suatu luas permukaan. Tegangan juga digunakan sebagai suatu besaran mekanik yang menyatakan suatu tahanan terhadap gaya-gaya luar pada suatu material. Tegangan-tegangan yang terjadi pada pipa dibagi menjadi beberapa jenis berdasarkan arahnya yang sesuai dengan arah sistem koordinat yang ada. Tegangan akan bernilai positif jika yang bekerja ialah tegangan tarik dan bernilai negatif jika yang bekerja ialah tegangan tekan. Berikut gambar sebuah pipa dan suatu elemen tiga dimensi yang diambil dari pipa yang digunakan untuk memudahkan kita menentukan jenis tegangan yang terjadi.
Gambar 2. Sebuah Pipa dan Elemen Tiga Dimensinya (Haldi Bina, 2009) Dimana : SL : Tegangan longitudinal SC : Tegangan circumferensial atau tegangan keliling
II-5 BAB II Landasan Teori
SR : Tegangan radial ST : Tegangan torsi atau geser Di : Diameter dalam pipa Do : Diameter luar pipa Tegangan pada pipa dapat diuraikan berdasarkan arahnya yang sesuai dengan arah sistem koordinat yang ada adalah sebagai berikut : B.1. Tegangan Longitudinal (SL) Tegangan longitudinal merupakan tegangan yang terjadi di sepanjang sumbu longitudinal atau aksial sebuah pipa. Berdasarkan gaya penyebabnya, tegangan longitudinal dibagi menjadi tiga, yaitu : a. Tegangan Aksial, yang terjadi akibat gaya dalam aksial.
Gambar 3. Tegangan Aksial (Literatur 1) Sax =
………………………..……………...……… (Lit. 1, hal 1-8)
Dimana : Sax : Tegangan akibat gaya dalam aksial (Psi) Fax : Gaya dalam aksial (lb) Am : Luas penampang material pipa = π(do2 – di2)/4 = πdmt (in2) dm : diameter rata-rata pipa = do : diameter luar pipa (in) di : diameter dalam pipa (in)
(in)
II-6 BAB II Landasan Teori
b. Tegangan longitudinal yang terjadi karena tekanan dalam. Sp = P
……………………….…………...……….. (Lit. 1, hal 1-9)
Dimana : Sp : Tegangan akibat tekanan dalam pipa (Psi) P : Tekanan dalam pipa (pressure gauge), (Psi) : Luas penampang dalam pipa =
Am : Luas penampang material pipa =
(in2) (in2)
t : Tebal pipa (in) Jadi, tegangan longitudinal karena tekanan dalam pipa adalah Sp = Untuk sederhananya, rumus dapat ditulis : Sp =
Gambar 4. Tegangan Akibat Tekanan Dalam Pipa (Haldi Bina, 2009) c. Tegangan lentur yang terjadi akibat ekspansi thermal. Sb =
…………………………….…………...……. (Lit. 1, hal 1-10)
Dimana : Mb : Momen lentur (lb-in) c : Jarak dari sumbu netral ke titik yang diperhatikan (in) I : Momen inersia pipa
II-7 BAB II Landasan Teori
(in4)
=
Tegangan lentur bernilai nol pada sumbu netral pipa dan memiliki harga maksimum di luar penampang pipa, maka tegangan lentur maksimum, nilai c = ro : tegangan tekan maksimum tegangan tekan maksimum nol tegangan lentur tegangan tarik maksimum tegangan tarik maksimum Gambar 5. Distribusi Momen Lentur (Literatur 1) Untuk pipa lurus : Sb =
=
………………...…..……………….... (Lit. 1, hal 1-10)
Untuk pipa lengkung :
.
Sb =
…………..……...…………………. (Lit. 2, hal 1-10)
Dimana : Sb : Tegangan lentur (Psi) Ro : Radius luar pipa (in) : Faktor intensitas tegangan Z : Modulus penampang pipa =
(in3)
Mb : Momen lentur (lb-in) Maka tegangan longitudinal secara keseluruhan adalah : SL =
+
+
……………….…….………. (Lit. 1, hal 1-10)
B.2. Tegangan Sirkumferensial (SH) atau Tegangan Keliling
II-8 BAB II Landasan Teori
Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa, dan bernilai positif jika tegangan cenderung membelah pipa menjadi dua. Besar tegangan ini menurut persamaan Lame adalah :
SH =
…………………..……...………..….. (Lit. 1, hal 1-10)
Dimana : : Radius luar pipa (in) : Radius dalam pipa (in)
r : jarak radius ke titik yang sedang diperhatikan (in) Untuk pipa yang tipis dapat dilakukan penyederhanaan rumus tegangan keliling dengan mengasumsikan gaya akibat tekanan dalam yang bekerja sepanjang pipa, yaitu : F = Am =
, ditahan oleh dinding pipa seluas
, sehingga rumus untuk tegangan keliling dapat ditulis sebagai
berikut : SH =
=
atau SH =
…………….…...…….... (Lit. 1, hal 1-11)
Tegangan circumferensial dapat dilihat pada ( Gambar 6 ) :
Gambar 6. Tegangan Circumferensial (Literatur 1) B.3. Tegangan Radial (SR)
II-9 BAB II Landasan Teori
Tegangan radial ini berupa tegangan yang searah jari-jari, menuju ke pusat jari-jari atau keluar pusat jari-jari, tegangan yang dihasilkan adalah :
SR =
……………..………………...…..…… (Lit. 1, hal 1-11) Karena jika r = ro maka SR = 0 dan jika r = ri maka SR = -P yang
artinya tegangan ini nol pada titik dimana tegangan lendutan maksimum, biasanya tegangan ini diabaikan. B.4. Tegangan geser (τ) Tegangan geser adalah tegangan yang arahnya paralel dengan penampang permukaan pipa, terjadi jika dua atau lebih tegangan normal yang diuraikan di atas bekerja pada satu titik. Tegangan geser pada sistem pipa antara lain akibat gaya dari tumpuan pipa (pipe support) dikombinasikan dengan gaya lentur. Berdasarkan gaya yang terjadi, tegangan geser dibagi menjadi dua, yaitu : a. Tegangan geser yang terjadi karena adanya gaya geser langsung. τmax =
…………………………...………….…… (Lit. 1, hal 1-12)
Dimana : τmax : Tegangan geser maksimum (Psi) V : Gaya geser (lb) Q : Faktor bentuk tegangan geser : 1,33 untuk silinder solid Tegangan ini maksimum di sumbu netral (di sumbu simetri pipa) dan nol pada titik dimana tegangan lentur maksimum (pada permukaan luar dinding pipa). Besarnya tegangan ini biasanya sangat kecil, maka
II-10 BAB II Landasan Teori
tegangan ini diabaikan. Tegangan akibat gaya geser dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 7. Tegangan Akibat Gaya Geser (Haldi Bina, 2009) b. Tegangan geser yang terjadi akibat ekspansi termal Tegangan ini hanya terjadi pada sistem konstruksi pipa bidang jamak (multi-plane pipe construction system), yang besarnya : ……………..………………….....…….. (Lit. 1, hal 1-13) Dimana : MT : Momen torsi (lb-in) c : Jarak dari pusat torsional (in) R : Resistansi torsional (in4) = 2 I
Gambar 8. Tegangan Akibat Momen Puntir (Haldi Bina, 2009) Tegangan torsi maksimum terjadi pada jari-jari luar pipa, maka : …………………………….…. (Lit. 1, hal 1-13) Dimana : ro : Jari-jari terluar pipa (in) MT : Momen torsi (lb-in)
II-11 BAB II Landasan Teori
Z : Modulus penampang pipa (in3) C. Kode Standard Untuk Sistem Perpipaan Kode standard untuk sistem perpipaan yang pada saat ini sering dipakai dari komite B31 adalah : ▪ ASME / ANSI B31.1 – 1992, untuk sistem perpipaan di industri pembangkit listrik. ▪ ASME / ANSI B31.2 – 1968, untuk sistem perpipaan minyak dan gas. ▪ ASME / ANSI B31.3 – 1993, untuk sistem perpipaan di industri perpipaan dan pengolahan minyak. ▪ ASME / ANSI B31.4 – 1992, untuk pipa transport minyak dan zat cair lainnya. ▪ ASME / ANSI B31.5 – 1992, untuk sistem perpipaan dingin. ▪ ASME / ANSI B31.8, untuk sistem perpipaan transport gas. ▪ ASME / ANSI B31.9 – 1988, untuk sistem perpipaan biasa. Selain ASME Code B31 ada beberapa kode standard pipa yang lain baik dari Amerika maupun dari Negara lain seperti : ▪ ASME Boiler and Pressure Vessel, Section III, subsection NB, NC, ND, untuk sistem perpipaan di industri pembangkit listrik tenaga nuklir. ▪ API kode seri untuk industri dibidang migas. ▪ Stoomwezen dari Belanda. ▪ SNCT kode Perancis untuk petrokimia. ▪ Canadian Z662 dari Kanada. ▪ BS7159 dari Inggris.
II-12 BAB II Landasan Teori
▪ Norwegian dan DNV dari Norwegia. Pada industri perminyakan kode standard yang sering dipakai adalah ASME B31.3. Dasar penggunaan kode standard ini adalah karena ASME B31.3 memuat persyaratan untuk material, perancangan, fabrikasi, perakitan, pembangunan, pemeriksaan, inspeksi dan pengujian sistem perpipaan. Kode ini berlaku untuk semua fluida, antara lain : ▪ Bahan kimia yang dapat berupa bahan baku, bahan setengah jadi maupun bahan jadi. ▪ Produk-produk perminyakan. ▪ Gas, uap air, udara dan air. ▪ zat padat yang dijadikan cair (Fluidezed solids). ▪ Fluida dingin (Refrigerant). D. Beban-beban Pada Sistem Perpipaan Suatu sistem perpipaan akan mengalami beberapa kondisi pembebanan, hingga menghasilkan suatu tegangan pada setiap kondisi pembebanan tersebut. Kode ASME/ANSI B31.3 membagi tegangan berdasarkan beban yang terjadi menjadi tiga macam, yaitu : 1. Tegangan karena beban tetap (Sustained load) Tegangan longitudinal pipa disebabkan oleh bobot berat dan tekanan. Sl =
…..…… (Lit. 1, hal 1-47)
Dimana : Sl
: Tegangan longitudinal karena beban tetap (Psi)
Fax : Gaya aksial karena beban tetap (lb)
II-13 BAB II Landasan Teori
Mi : Momen lentur sebidang (in-plane) karena beban tetap (in-lb) Mo : Momen lentur tidak sebidang (out-plane) karena beban tetap (in-lb) : Besar kenaikan tegangan (SIF) in-plane dan out-plane, dari Appendix D dari ASME/ANSI B31.3 lihat (Lampiran E) Sh : Tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut Appendix A dari ASME/ANSI B31.3 lihat (Lampiran E) 2. Tegangan karena beban ekspansi (Expansion load) Tegangan kombinasi pipa disebabkan oleh perbedaan temperatur (beban ekspansi termal).
SE =
…………………..… (Lit. 1, hal 1-48)
………………………………...……… (Lit. 1, hal 1-48) Dimana : SE : Tegangan karena beban ekspansi (Psi) Mi : Perbedaan momen lentur sebidang (in-plane) karena beban ekspansi (in-lb) Mo : Perbedaan momen lentur tidak sebidang (out-plane) karena beban ekspansi (in-lb) MT : Perbedaan momen puntir karena beban ekspansi (in-lb) Sc : Tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut Appendix A dari ASME/ANSI B31.3, pada temperatur terendah (dingin),
II-14 BAB II Landasan Teori
lihat pada (Lampiran E) Sh : Tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut Appendix A dari ASME/ANSI B31.3, pada temperatur tertinggi (panas), lihat pada (Lampiran E) : Faktor reduksi dengan mempertimbangkan kelelahan material (beban dinamis yang berulang)
SA : Tegangan yang diizinkan material (Psi) Untuk nilai
dapat dilihat pada ( Tabel 1) di bawah ini :
Tabel 1. Faktor Pengurangan Tegangan JUMLAH SIKLUS TEMPERATUR Kurang dari 7000
1,0
7000 - 14000
0,9
14000 - 22000
0,8
22000 - 45000
0,7
45000 - 100000
0,6
100000 atau lebih
0,5
Sumber : Literatur 1 3. Tegangan karena beban tidak terduga (Occasional Load) Tegangan kombinasi pipa ini disebabkan karena beban perpindahan tumpuan dan anchor, misalnya akibat pengaruh pengaturan tekanan pada katup dan water hammer, beban angin, beban gempa, dan beban tidak terduga lainnya. E. Analisa Tegangan Pipa Dengan Program Komputer
II-15 BAB II Landasan Teori
Berkembangnya teknologi komputer turut membantu para engineer dalam pemecahan permasalahan analisa tegangan pada semua jenis elemen. Dimana banyak dikembangkan program analisa tegangan yang menggunakan pripsip Metode Elemen Hingga, salah satunya ialah program Caesar II versi 5.10. Dalam hal sistem perpipaan, beberapa asumsi yang umum digunakan oleh program Metode Elemen Hingga untuk analisa tegangan pipa adalah sebagai berikut : a. Stabilitas struktur (local buckling) diabaikan pada seluruh elemen pipa. b. Bidang penampang pipa tetap sebelum dan sesudah deformasi. c. Hukum Hooke berlaku diseluruh penampang pipa. d. Gaya dan momen diasumsikan bekerja pada sumbu netral pipa. e. Deformasi rotasi diasumsikan sangat kecil. Salah satu bagian yang sangat penting dalam menggunakan program Metode Elemen Hingga adalah permodelan kondisi batas, dalam hal analisa tegangan pipa adalah tumpuan pipa (piping restraint). Sangat penting dalam tipe tumpuan pipa adalah parameter yang berkaitan dengan derajat kebebasan yang ditahan, kekakuan, efek tak-linear, koefisien friksi, dan lainnya. Pemodelan tumpuan pipa harus dapat menggambarkan sebaik mungkin keadaan fisik tumpuan yang sebenarnya. Berbagai tipe tumpuan pipa serta pemodelan pada program Caesar II dan arah derajat kebebasan yang harus ditahan adalah sebagai berikut, dengan sumbu vertikal pipa adalah sejajar dengan sumbu global Y :
II-16 BAB II Landasan Teori
1. Anchor Yaitu tumpuan dimana seluruh derajat kebebasan (X,Y,Z,RX,RY,RZ) sepenuhnya ditahan. Anchor
dapat ditemukan pada tumpuan sebagai
berikut : a. Anchor yang sengaja dibuat, biasanya pipa dilas ke struktur atau menggunakan kombinasi Clamp dengan baut yang dihubungkan kaku ke struktur. b. Anchor yang terjadi pada penetrasi ke dinding atau lantai beton. c. Anchor yang diciptakan karena sambungan pipa ke peralatan seperti : vessel dan pompa. 2. Restraint Yaitu tumpuan yang kaku atau rigid dan ditahan pada satu atau lebih derajat kebebasan dimana minimal satu derajat kebebasan tetap bebas. Restraint dapat dibedakan sesuai dengan arah penahanannya yaitu : a. Axial restraint Ditahan pada arah aksial atau longitudinal pipa. Tipe restraint pada Caesar II adalah X atau Y untuk aksial pipa, dikombinasikan dengan Z atau X untuk arah tegak lurus mendatar pipa, dan Y dengan Gap jika diperlukan, jenis axial restraint dapat dilihat pada gambar :
II-17 BAB II Landasan Teori
Gambar 9. Axial Restraint (Literatur 1) b. Rod hanger Menahan gerakan kebawah dari bobot mati pipa dimana titik diamnya (pivot) berada diatas pipa dengan menggunakan pin, jenis Rod Hanger dapat dilihat pada gambar :
Gambar 10. Rod Hanger (Literatur 1) c. Sway strut Kombinasi dua pin membebaskan tiga arah rotasi dan translasi lateral dan aksial, Sway Strut dapat dilihat pada gambar :
Gambar 11. Sway Strut (Literatur 1) d. Structural steel restraint Terbuat dari struktur baja yang menahan pipa dengan rigid. Arah penahan tergantung pada konfigurasi struktur baja, jenis Structural steel restraint dapat dilihat pada gambar :
II-18 BAB II Landasan Teori
Gambar 12. Structural Steel Restraint (Literatur 1) e. Penetrasi di dinding/ lantai Dengan lugs sebagai penyangga, dua arah lateral translasi dan dua arah rotasi ditahan, jenis penetrasi di dinding/ lantai dapat dilihat pada gambar :
Gambar 13. Penetrasi di Dinding/ Lantai (Literatur 1) f. Guide Fungsinya menahan arah translasi lateral (tegak lurus dengan pipa) dibandingkan mendatar atau di dua arah lateral, jika pipa dipasang vertikal. g. Slide support Menahan arah vertikal dari bawah dimana ada friksi antar pipa atau plat slide dengan tumpuan, Slide support dapat dilihat pada gambar :
II-19 BAB II Landasan Teori
Gambar 14. Slide Support (Literatur 1) 3. Variabel Spring Hanger Support Yaitu tumpuan yang menahan pipa dari gerakan ke bawah dengan kekakuan tertentu (spring) sedemikian hingga cukup untuk menahan bobot mati dari pipa, sementara pergerakan tetap dimungkinkan untuk ekspansi pipa panas,
jenis Variabel Spring Hanger Support dapat dilihat pada
gambar :
Gambar 15. Variabel Spring Hanger Support (Literatur 1) 4. Constant Spring Hanger Yaitu tumpuan yang menahan pipa dari gerakan ke bawah dengan besar gaya yang tetap, sehingga cukup untuk menahan bobot mati dari pipa sementara pergerakan tetap dimungkinkan untuk ekspansi pipa panas, lihat pada gambar :
II-20 BAB II Landasan Teori
Gambar 16. Constant Spring Hanger (Literatur 1) 5. Snubber Yaitu tumpuan yang dibuat khusus untuk menahan gerakan yang cepat dan tidak punya tahanan sama sekali, untuk beban statis yang bekerja sangat lambat, seperti : berat mati dan ekspansi termal. Snubber dapat dilihat pada gambar :
Gambar 17. Snubber (Literatur 1)
6. Sway brace Yaitu tumpuan dengan kekakuan tertentu, yang dihubungkan dengan strut, bisanya digunakan untuk merubah karakteristik dinamis dari sistem pipa untuk menghindari masalah resonansi. Untuk lebih jelas lihat gambar :
II-21 BAB II Landasan Teori
Gambar 18. Sway Brace (Literatur 1) F. Penggunaan Metode Elemen Hingga Pada Program Caesar II Versi 5.10 Program komputer untuk menganalisa tegangan pipa bekerja dengan prinsip Metode Elemen Hingga yang dapat dibedakan menjadi dua, yaitu : 1. Metode fleksibilitas (Flexibility method) dimana besaran yang dicari adalah gaya dan momen. 2. Metode kekakuan (Stiffness method) dimana besaran yang dicari adalah translasi dan rotasi, gaya dan momen dihitung kemudian dengan menggunakan persamaan kekakuan setelah translasi dan rotasi yang sudah diketahui. Program komputer untuk analisa tegangan pipa yang tersedia sekarang umumnya menggunakan metode kekakuan, demikian juga halnya dengan Caesar II. Metode Elemen Hingga secara umum memakai beberapa asumsi. Asumsi dasar yang dipakai oleh program elemen hingga untuk analisa tegangan pipa adalah pipa dimodelkan sebagai elemen garis (Elemen 1-D) yang bertepatan dengan sumbu simetri pipa. Elemen garis dihubungkan dengan dua titik nodal (satu pada ujung “ from ” dan yang lainnya pada ujung “ end “). Setiap titik nodal memiliki koordinat ruang dengan enam derajat kebebasan (3
II-22 BAB II Landasan Teori
translasi dan 3 rotasi). Pada elemen garis ini didefinisikan parameter kekakuan yaitu sifat material dan geometri penampang pipa, yang diasumsikan konstan sepanjang elemen. Secara umum langkah-langkah yang dilakukan dalam menggunakan Metode Elemen Hingga dirumuskan sebagai berikut : Langkah 1. Pemilihan tipe elemen dan diskritisasi. Amatilah benda atau struktur yangakan dianalisa, apakah satu dimensi (contoh batang panjang), dua dimensi (plate datar) atau tiga dimensi (seperti balok). a. Elemen garis (1-Dimensi)
Gambar 19. Elemen garis (Juliyanto, 2010) b. Elemen 2-Dimensi
Gambar 20. Elemen 2 dimensi (Juliyanto, 2010) c. Elemen 3-Dimensi
Gambar 21. Elemen 3 dimensi (Juliyanto, 2010)
II-23 BAB II Landasan Teori
d. Elemen axismetri
Gambar 22. Elemen Axismetri, a. Quadritarial, b. Triangular Ring (Juliyanto, 2010) Bagilah/potong benda dalam bagian-bagian kecil (disebut elemen). Langkah ini disebut sebagai langkah diskritisasi. Banyaknya potongan yang dibentuk bergantung pada geometri dari benda yang akan dianalisa, sedangkan bentuk elemen yang diambil bergantung pada dimensinya.
.
Gambar 23. Contoh Diskritisasi Pada Elemen Silinder (Juliyanto, 2010) Langkah 2. Pemilihan fungsi pemindah/fungsi interpolasi. Jenis-jenis fungsi yang sering digunakan adalah fungsi linear, fungsi kuadratik, kubik atau polinomial derajat tinggi. Langkah 3. Mencari hubungan strain/displacement dan stress/strain. Sebagai contoh, hubungan ini untuk kasus satu dimensi berlaku : ∊x = du/dx
dan
Dimana : ∊x = Strain
x
= E ∊x
II-24 BAB II Landasan Teori
x
= Stress
E = Modulus elastisitas u = Displacement Langkah 4. Dapatkan matrik kekakuan dari elemen yang dibuat. Untuk benda yang terdiri dari beberapa buah elemen, lakukan penggabungan (assemblage) dari matrik kekakuan elemen menjadi matrik kekakuan global yang berlaku untuk semua benda atau struktur. a. Matrik Kekauan Lokal Matrik kekauan local adalah matrik yang memenuhi hubungan antara gaya yang diberikan ( F ) dengan perpindahan/ displacement yang dihasilkan ( d ) melalui persamaan : F=kd
Gambar 24. Elemen Batang Ekuivalen Dengan Sebuah Pegas Linear (Juliyanto, 2010) Sebuah batang dengan dimensi panjang lebih besar dari diameternya dapat di umpamakan menjadi elemen garis. Pemberian nomor mempunyai metode khusus, yakni : k
Æ Menandakan elemen
Angka
Æ Menandakan titik nodal
Persamaan kesetimbangan gaya yang bekerja :
II-25 BAB II Landasan Teori
f1x = k ( d1x – d2x ) f2x = k ( d2x – d1x ) Dalam bentuk matrik persamaan diatas ditulis sebagai :
Matrik kekakuan local b. Matrik Kekakuan Global Matrik kekakuan global terbentuk jika jumlah element lebih dari satu sehingga mempunyai minimal 2 matrik local. Dapat di contohkan dalam kasus dibawah ini . k
k2
f2 1
3
1
Gambar 25. Dua Elemen Dengan 3 Node (Juliyanto, 2010) Matrik kekakuan lokal Untuk elemen 1 : 1
k1
3
Matrik kekakuan lokal elemen 1 untuk elemen 2 : 3
k2
2
II-26 BAB II Landasan Teori
Matrik kekakuan lokal elemen 2 Matrik kekakuan global Untuk menentukan matrik kekakuan global , dapat ditempuh dua macam cara sebagai berikut : • Assembly menggambungkan matrik- matrik elemen yang ada. Dengan menuliskan matrik
dalam urutan dari atas kebawah
dengan nomor yang membesar. Persamaan ( a ) telah memenuhi, sedangkan persamaan ( b ) diubah menjadi :
Kemudian lakukan penggabungan ( assemblage ) dari kedua matrik, sehingga di peroleh :
Matrik kekakuan global untuk seluruh sistem • Persamaan kesetimbangan gaya global
f2 3
2
Gambar 26. Kesteimbangan Gaya Global (Juliyanto, 2010)
II-27 BAB II Landasan Teori
f1x
= k1 ( d1x – d3x ) = k1 d1x + 0 d2x - k1 d3x
f2x
= k2 ( d2x – d2x ) = 0 d1x + k2 d2x - k2 d3x
f1x
= k1 ( d3x – d1x ) + k2 ( d3x - d2x ) = -k1 d1x – k2 d2x + ( k1 - d2x )
Dari ketiga persamaan terakhir ini ditulis menjadi :
Matrik kekakuan global untuk seluruh sistem Langkah 5. Gunakan persamaan kesetimbangan { F } = [ k ] { d } Dengan persamaan ini masukan syarat batas yang diketahui dalam soal. Langkah 6. Selesaikan persamaan pada langkah 5, dengan menghitung harga yang belum diketahui. Jika perhitungan melibatkan matrik dengan ukuran yang kecil, biasanya ditempuh cara partitioning matrik (diterangkan pada bagian selanjutnya), tetapi jika perhitungan melibatkan matrik dengan ukuran yang besar, komputer adalah jalan terbaik dalam mendapatkan solusinya. Langkah 7. Hitung strain dan stress dari tiap elemen. Langkah 8. Interpresentasikan kembali hasil-hasil perhitungan yang diperoleh.
BAB III Metodologi Penelitian
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
A. Data-data Analisa Konstruksi Berdasarkan survey data yang telah dilakukan di PT.PERTAMINA RU III PLAJU/SUNGAI GERONG, diperoleh data-data utama konstruksi sistem perpipaan, terlihat pada gambar isometrik sistem perpipaan. Data-data konstruksi sistem pipa tersebut adalah sebagai berikut : 1. Diameter pipa : 3 inch 2. Schedule number : 80 3. Material : ASTM A-53 Grade B, Seamless 4. Temperatur kerja : 147,6 oF 5. Tekanan : 99,54 psi 6. Fluida : Kerosene 7. Long radius 90o elbow Gambar isometrik sistem perpipaan yang dianalisa terlihat pada (Gambar 27) berikut :
III-1
III-2 BAB III Metodologi Penelitian
Gambar 27. Gambar Isometrik Sistem Perpipaan B. Alat Bantu Analisa Konstruksi Untuk analisa tegangan, pada saat ini telah tersedia program komputer yang berguna membantu mempercepat penganalisaan sistem perpipaan seperti program komputer Caesar II Versi 5.10. Caesar II adalah sebuah perangkat lunak yang digunakan dalam desain mekanik dan analisa sistem perpipaan. Penggunaannya dapat memodelkan sistem perpipaan dengan elemen beam sederhana dan menentukan pembebanan pada sistem. Dengan input tersebut Caesar II akan menghasilkan output data berupa translasi, rotasi, gaya-gaya reaksi, momen dan tegangan yang terjadi di seluruh sistem. Selanjutnya Caesar II akan membandingkan besar tegangan yang terjadi dengan kekuatan material yang diizinkan berdasarkan kode standard yang digunakan.
III-3 BAB III Metodologi Penelitian
Sistem perpipaan sering mengalami pemanjangan dan pemendekan pipa yang disebut masalah fleksibilitas pipa, yang disebabkan oleh pemanasan dan pendinginan pipa. Pada saat sistem perpipaan mengalami pemanasan, sistem perpipaan ini menunjukkan masalah yang unik (struktur ini mengalami regangan, dimana harus diserap oleh pipa penyangga dan perlengkapan yang ada). Struktur ini harus cukup kuat untuk menyangga bebannya sendiri dan cukup fleksibel untuk menerima kenaikan termal. Translasi, rotasi, gaya-gaya, momen dan tegangan dapat diperkirakan dalam analisa model perpipaan dengan Caesar II, untuk membantu analisa dalam mendesain, Caesar II menggabungkan batas-batas pada sistem dan alat yang ada. Batas-batas tersebut ditetapkan secara khusus dalam standarisasi. Caesar II tidak terbatas pada analisa termal pada sistem perpipaan, Ceasar II juga mempunyai kemampuan untuk memodel dan menganalisa seluruh beban statis yang mungkin terjadi pada sistem. Caesar II bukan hanya alat untuk membuat desain baru tetapi juga dapat memecahkan atau mendesain ulang sistem yang ada. Satu hal lagi Caesar II dapat menentukan penyebab kegagalan atau mengevaluasi terputusnya kondisi operasi yang tidak terantisipasi sebelumnya, seperti interaksi fluida atau perpindahan fluida dan juga getaran mekanis akibat perputaran alat. Adapun diagram alir dari Caesar II dapat dilihat pada (Gambar 28) di bawah ini :
III-4 BAB III Metodologi Penelitian
Start
Modeling: Input geometri, beban,temperature, material, fluida
Check run
Tidak
Ya Pemilihan beban (operasi,sustain,ekspansi Analisa End Graphical display
Output: tegangan
Numerical display
Stop
Report
Gambar 28. Diagram Alir Analisis Statik Caesar II
Berikut diagram alir dari Caesar II untuk analisa dinamik tipe modal dapat dilihat pada (Gambar 29) di bawah ini :
III-5 BAB III Metodologi Penelitian
Start Analisa Statik Start Analisa Dinamik
Pemilihan Tipe Analisis : Modal, Harmonic, Earthquake (spectrum), Relief Loads (spectrum), Water Hammer/Slug Flow (spectrum). Time History.
Input Data Tipe Analisis Modal: Massa terkonsentrasi, kekakuan tumpuan, mengontrol Parameter, Lanjutan.
Check run
Tidak
Ya Analisa (RUN) End Graphical display
Output: Frekuensi Pribadi (Natural Frequencies)
Numerical display
Stop
Report
Gambar 29. Diagram Alir Analisa Dinamik Tipe Modal Caesar II
III-6 BAB III Metodologi Penelitian
C. Penggunaan CAESAR II Untuk memudahkan dalam memahami apa itu Caesar II dan bagaimana penggunaannya, dari Gambar 19 dapat dianalisa tegangan yang terjadi pada suatu desain sistem perpipaan tersebut. Dari gambar tersebut dapat diketahui hal-hal sebagai berikut : a. Panjang pipa b. Diameter pipa c. Peralatan-peralatan sistem perpipaan, seperti : valve dan elbow d. Dengan menganggap bahwa sambungan pada pompa sebagai anchor, maka dapat diketahui : Jumlah dan letak penyangga yang ada Jarak antara penyangga yang satu dengan yang lain Jumlah dan letak anchor e. Penandaan node atau titik-titik sebuah elemen terletak pada dua buah node dan penomorannya menggnakan bilangan puluhan, ratusan dan sebagainya, agar dapat menyisipkan node lain jika nanti diperlukan. f. Jarak antar node yang satu dengan yang lain. g. Dimensi dan arah dari setiap elemen. Setelah data-data tersebut didapatkan, penggunaan Caesar II dapat dimulai dengan tahap-tahap sebagai berikut : C.1. PENENTUAN JOB NAME Untuk identifikasi masukkan job name pada New Job Name Specification, dan klik Piping Input Option.
III-7 BAB III Metodologi Penelitian
C.2. MASUKKAN INPUT Masukkan input pada MAIN MENU, maka akan didapatkan Piping Input atau Input Spreadsheet, data-data yang digunakan terlihat pada Input Caesar II (Lampiran B). Dengan memasukkan data-data yang ada, akan didapat model konstruksi pipa, terlihat pada (Gambar 30) di bawah ini :
Gambar 30. Sistem Perpipaan dalam 3 Dimensi
III-8 BAB III Metodologi Penelitian
C.3. RUNNING Jika dalam memasukkan data tidak terjadi kesalahan, maka model yang telah dibuat dapat di Run, untuk mendapatkan hasil analisa Caesar II yaitu, analisa statis yang menunjukkan besarnya translasi, rotasi, gaya-gaya, momen dan tegangan yang terjadi di setiap titik, tegangan maksimm, overstress (jika ada). Apabila ada kesalahan dalam memasukkan data ataupun terjadi kekurangan data maka program Caesar II akan menampilkan Piping Error Checker. Pada Piping Error Checker akan diperlihatkan peringatan-peringatan yang berisi keesalahan yang terdapat pada elemen pipa yang dibuat dan harus diperbaiki, dan apabila tidak diperbaiki maka Caesar II tidak akan dapat dijalankan (Running). Jika tidak ada lagi kesalahan maka dapat langsung dijalankan baik untuk analisa statik maupun analisa dinamik. Hasil analisa statik dapat dilihat pada output Caesar II (Lampiran C), pada output Caesar II terdapat tiga macam jenis analisa antara lain : 1. Case 1, W+T1+P1(OPE) atau OPERATING Hasil analisanya pada keadaan operasi, dengan data pembebanan akibat berat, temperatur dan tekanan. 2. Case 2, W+P1(SUS) atau SUSTAINED LOAD CASE Hasil analisanya pada keadaan beban terpasang, dengan data berat dan tekanan. 3. Case 3, DS1-DS2 (EXP) atau EXPANSION LOAD CASE
III-9 BAB III Metodologi Penelitian
Hasil analisanya pada keadaan ekspansi, dimana analisa datanya adalah beda displacement. Adapun untuk analisa dinamik, dapat dilakukan setelah kita melakukan analisa statik. Untuk analisa dinamik, Caesar II memiliki beberapa pilihan kasus sesuai dengan data dan analisa yang akan kita pilih. Terdapat beberapa pilihan tipe analisa dinamik pada Caesar II yaitu, analisa modal (Natural Frequency Analysis), analisa harmonik (Harmonic), analisa spectrum responsis (Earthquake), analisa spectrum gaya (Relief Loads & Water Hammer/Slug Flow), analisa transient (Time History). Pada penulisan tugas akhir ini penulis hanya menggunakan analisa dinamik untuk analisa modal, yaitu analisa yang dilakukan untuk mendapatkan frekuensi pribadi dari sistem perpipaan. Untuk menjalankan analisa modal, ada sedikit perubahan pada input sistem perpipaan. Berikut tampilan untuk pilihan tipe analisis pada analisa dinamik. Setelah kita memilih tipe analisa dinamik, yaitu untuk analisa modal. Selanjutnya kita memasukkan data-data yang diperlukan pada masukkan sub menu analisa modal tertsebut. Langkah-langkah untuk analisa modal, yaitu : • Merubah distribusi massa dari model statik (Lumped Masses) • Menambah kekakuan model statik (Snubber) • Mengontrol parameter analisa dinamik (Control Parameter)
III-10 BAB III Metodologi Penelitian
• Analisa dan melihat hasil perhitungan Setelah memasukkan data-data yang diperlukan pada masukkan pada analisis modal maka selanjutnya dapat di running. Jika tidak terdapat kesalahan pada masukkan maka akan didapat output berupa frekuensi pribadi dari sistem perpipaan. Berikut tampilan keluaran hasil analisa modal. Dari tampilan output analisis dinamik tipe modal (Lampiran C) dapat diketahui frekuensi pribadi yang dihasilkan. D. Cara Pengisian Input atau Input Spreadsheet Pengisian Input dilakukan dengan mengisi Spreadsheet yang tersedia pada Menu Input dengan cara-cara yang telah ditentukan oleh program. Untuk memudahkan pengisian spreadsheet maka sistem perpipaan yang akan dianalisa disiapkan dahulu gambar isometriknya. Selanjutnya pengisian spreadsheet biasanya dilakukan dengan cara sebagai berikut, dapat dilihat pada (Tabel 2) di bawah ini : Tabel 2. Cara-cara Pengisian Input Spreadsheet Sub Menu
Keterangan
From
Diisi dengan nomor node atau titik sesuai dengan pemodelan
To
gambar 3 dimensi yang telah disiapkan, dengan bilangan dari 10 sampai dengan 250.
DX
Jarak yang sesuai dengan arah sumbu yang disebut dari
DY
nodal ke nodal yang bersangkutan, dengan satuan sistem
DZ
British : ft-in. Contoh penomoran: Gambar 31. Contoh Penomoran
III-11 BAB III Metodologi Penelitian
Diameter
Diameter diisi dengan besarnya diameter nominal pipa dalam satuan Inchi.
Wt/Sch
Bisa diisi dengan schedule pipa atau langsung diisi dengan tebal pipa dalam satuan Inchi.
Mil Tol%
Mill tolerance, akan terisi secara otomatis karena didapat dari jenis kode pipa yang digunakan.
Seam
Sambungan pengelasan, harga faktor korosi dan tabel isolasi,
Welded
berguna untuk analisa berdasarkan jenis kode standar yang
Insul Thk
digunakan yaitu B31.3 dan akan terisi secara otomatis bila
Corrosion
diameter dan tebal pipa telah diisi.
Temp 1
Diisi dengan temperatur dan tekanan yang terjadi selama
Temp 2
operasi bila analisa tegangan akan dilakukan untuk beberapa
Temp 3 Pressure1 Pressure 2
temperatur dan tekanan, maka dapat diisikan tiga kondisi temperatur dan tekanan yang berbeda. Temperatur dalam oF dan tekanan dalam satuan Psi.
Bend
Bend Tekan bend dengan cursor bila terdapat bend pada gambar 2 dimensi yang telah disiapkan. Penomoran atau node pada bend.
Gambar 32. Penomoran Pada Bend Rigid
Rigid Tekan rigid dengan cursor bila terdapat rigid pada gambar 2 dimensi yang telah disiapkan. Contoh rigid : valve,flange
III-12 BAB III Metodologi Penelitian
dan lain-lain. Penomoran atau node rigid.
Gambar 33. Gate Valve Expansion
Expansion joint Tekan Expansion joint dengan cursor bila terdapat Expansion joint pada gambar 2 dimensi yang telah disiapkan.
Restraints
Restraints adalah penyangga pipa. Tekan Restraints dengan cursor,dan akan muncul isian di samping kanan monitor, pilih jenis Restraints yang ada pada gambar 2 dimensi yang akan dianalisa, misalnya: Anchor.
Hanger
Tekan Hanger dengan cursor, dan akan muncul isian di samping kanan monitor, isilah sesuai dengan data-data yang ada.
Nozzles
Tekanan Nozzles dengan kursor, dan akan muncul isian di samping kanan monitor, istilah sesuai dengan data-data yang ada.
Displacement
Tekan Displacement dengan cursor, dan akan muncul isian
Equipment
di samping kanan monitor, isilah sesuai data-data yang ada.
Material
Diisi sesuai dengan material pipa yang bersangkutan dengan memilih nomor dari daftar material pada daftar pustaka CAESAR II.
III-13 BAB III Metodologi Penelitian
Stress
Tekan Allowable stress dengan cursor, dan akan muncul
Allowable
isian di samping kanan monitor, Pilih kode yang diikuti, misalnya ANSI B 31.3.
Elastic
Akan terisi secara otomatis bila material yang digunakan
Modulus(C)
telah diisi.
Ratio Poisson’s Pipe Density
Akan terisi secara otomatis bila material yang digunakan telah terisi.
Fluid Density
Diisi dengan spesific gravity dari fluida yang digunakan.
Insulation
Diisi dengan berat isolasi, jika sistem perpipaan
Density
menggunakan Isolasi.
Berikut cara pengisian Sub menu yang biasanya dilakukan untuk analisa dinamik tipe modal, dapat dilihat pada (Tabel 3) di bawah ini : Tabel 3. Cara-cara Pengisian Input Sub Menu Pada Analisa Dinamik Tipe Modal. Sub Menu
Keterangan
Lumped
Diisi dengan massa pipa per-elemen, dimana massa elemen
Masses
terkonsentrasi pada setiap node .
Snubbers
Diisi dengan nilai kekakuan tumpuan snubbers, jika tumpuan snubbers rigid maka diisi dengan nilai default value 1.0E12
Control
Diisi dengan parameter-parameter yang berhubungan
Parameter
dengan analisa dinamik.
Advanced
Pengaturan lanjutan untuk menganalisa dinamik.
BAB IV Hasil dan Pembahasan
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Program CAESAR II adalah program komputer untuk perhitungan analisis tegangan yang mampu mengakomodasi kebutuhan perhitungan analisis tegangan dalam desain mechanical dan sistem perpipaan. Program Caesar II dapat membuat permodelan sistem perpipaan dengan menggunakan elemen beam sederhana kemudian menentukan kondisi pembebanan sesuai dengan kondisi yang dikehendaki. Selanjutnya dengan memberikan atau mengisi inputan tersebut, Caesar II mampu melakukan perhitungan atau analisis yang kita inginkan sesuai dengan permasalahan yang kita simulasikan, yaitu sebagai berikut : Statik, Dinamik, SIFs dan lain-lain. Beberapa aplikasi Caesar II, antara lain : - Merancang sistem perpipaan baru ( Mechanical Design ). - Penentuan jenis dan struktur tumpuan. - Evaluasi, troubleshooting, mendesain ulang instalasi pipa yang sudah ada. - Analisa kegagalan instalasi perpipaan. - Analisa getaran pada instalasi perpipaan. A. Analisa Statik Metode Analisa Statik adalah memperhitungkan beban statik, yang akan menimpa pipa secara perlahan sehingga dengan demikian sistem perpipaan memiliki cukup waktu untuk menerima, bereaksi dan mendistribusikan beban tersebut keseluruh bagian pipa, hingga tercapainya keseimbangan.
IV-1
IV-2 BAB IV Hasil dan Pembahasan Ada berbagai macam jenis pembebanan (load case) yang dapat kita gunakan dalam analisa statik pada Caesar II. Load case ini akan mendefinisikan pembebanan yang terjadi pada pipa, baik beban akibat berat pipa itu sendiri ataupun beban akibat faktor yang lain. Berikut load case yang dihasilkan setelah memasukkan semua data pada Piping Spreadsheet. Caesar II akan melakukan analisa statik dan hasilnya akan menunjukkan hal-hal sebagai berikut : 1. Case 1, W+T1+P1(OPE) atau OPERATING Hasil analisanya pada keadaan operasi, dengan data pembebanan akibat berat, temperatur dan tekanan. 2. Case 2, W+P1(SUS) atau SUSTAINED LOAD CASE Hasil analisanya pada keadaan beban terpasang, dengan data berat dan tekanan. 3. Case 3, DS1-DS2 (EXP) atau EXPANSION LOAD CASE Hasil analisanya pada keadaan ekspansi, dimana analisa datanya adalah beda displacement. Kesimpulan dari masing-masing kasus pembebanan mengenai tegangan terbesar terdiri dari : - Code Stress - Stress - Bending Stress - Torsional Stress - Axial Stress - 3D Max Intensity
IV-3 BAB IV Hasil dan Pembahasan
A. 1. Case 1, W+T1+P1(OPE) atau OPERATING Analisa perhitungan konstruksi ini, diutamakan pada analisa akibat fleksibilitas pipa yang disebabkan oleh pemanasan dan pendinginan pipa, jadi analisa yang dihitung adalah analisa pada keadaan operasi dengan data pembebanan akibat berat, temperatur dan tekanan atau juga dibatasi pada pengaruh termal akibat temperatur fluida, yaitu Case 1, W+T1+P1(OPE). Pengaruh ini dapat menyebabkan terjadinya translasi, rotasi, gaya, momen dan tegangan pada sistem perpipaan tersebut. Untuk lengkapnya dapat dilihat pada tabel-tabel dibawah ini : Tabel 4. Translasi dan Rotasi pada masing-masing node NODE 10 20 30 38 39 40 50 60 70 78 79 80 90 100 110 118 119 120 130 140 150 158 159
DX in. -0.0000 0.0859 0.1718 0.1887 0.1899 0.1898 0.1801 0.1319 0.1029 0.1027 0.1035 0.1051 0.1220 0.2079 0.2938 0.3107 0.3110 0.3083 0.2714 0.0437 -0.1667 -0.1969 -0.2001
Translasi DY in. -0.0000 -0.0000 -0.0000 0.0181 0.0188 0.0178 -0.0000 -0.0000 -0.0000 0.0173 0.0184 0.0176 -0.0000 -0.0000 -0.0000 0.0306 0.0322 0.0308 -0.0000 -0.0000 -0.0000 0.0055 0.0048
DZ in. -0.0000 0.0055 0.0293 0.0371 0.0385 0.0404 0.0573 0.1336 0.2100 0.2269 0.2284 0.2288 0.2241 0.1553 0.0197 -0.0139 -0.0178 -0.0206 -0.0375 -0.1330 -0.2285 -0.2454 -0.2459
RX deg. 0.0000 0.0123 0.0247 0.0271 0.0276 0.0282 0.0319 -0.0002 -0.0309 -0.0282 -0.0283 -0.0283 -0.0298 -0.0374 -0.0449 -0.0464 -0.0467 -0.0473 -0.0572 0.0083 0.0240 -0.0021 -0.0066
Rotasi RY deg. -0.0000 -0.0041 -0.0119 -0.0138 -0.0144 -0.0151 -0.0167 -0.0162 -0.0027 0.0020 0.0036 0.0052 0.0102 0.0336 0.0535 0.0570 0.0580 0.0591 0.0621 0.0671 0.0520 0.0472 0.0456
RZ deg. -0.0000 -0.0092 0.0370 0.0256 0.0244 0.0238 0.0194 -0.0002 -0.0198 -0.0242 -0.0247 -0.0256 -0.0349 -0.0043 0.0524 0.0494 0.0489 0.0485 0.0461 0.0321 0.0181 0.0156 0.0163
IV-4 BAB IV Hasil dan Pembahasan
NODE 160 168 169 170 180 190 200 210 218 219 220 228 229 230 238 239 240 250
DX in. -0.2027 -0.2365 -0.2373 -0.2357 -0.1974 -0.1863 -0.1182 -0.1017 -0.0189 -0.0095 -0.0041 0.0011 0.0028 0.0038 0.0046 0.0041 0.0026 0.0000
Translasi DY in. 0.0037 -0.0160 -0.0184 -0.0208 -0.0377 -0.0415 -0.0605 -0.0644 -0.0811 -0.0789 -0.0703 -0.0397 -0.0293 -0.0206 -0.0025 0.0004 0.0003 -0.0000
DZ in. -0.2440 -0.1967 -0.1937 -0.1900 -0.1515 -0.1415 -0.0865 -0.0741 -0.0151 -0.0094 -0.0075 -0.0092 -0.0089 -0.0075 -0.0024 -0.0007 -0.0000 0.0000
RX deg. -0.0090 -0.0491 -0.0514 -0.0555 -0.0711 -0.0711 -0.0890 -0.0890 -0.1050 -0.1098 -0.1127 -0.1191 -0.1142 -0.1037 -0.0816 -0.0511 -0.0320 -0.0000
Rotasi RY deg. 0.0439 0.0339 0.0334 0.0335 0.0272 0.0272 0.0201 0.0201 0.0138 0.0120 0.0097 0.0082 0.0066 0.0051 0.0036 0.0022 0.0007 0.0000
RZ deg. 0.0164 0.0265 0.0359 0.0463 0.0797 0.0798 0.1184 0.1185 0.1536 0.1636 0.1672 0.1520 0.1215 0.0995 0.0457 0.0323 0.0107 0.0000
Translasi terbesar terjadi pada sumbu X pada node 119 sebesar 0,3110 inchi, sedangkan translasi terkecil terjadi pada sumbu Z pada node 159 sebesar -0,2459 inchi. Rotasi terbesar terjadi pada sumbu Z pada node 220 sebesar 0,1672 degree, sedangkan rotasi terkecil terjadi pada sumbu X pada node 228 sebesar -0,1191 degree. Adapun gaya-gaya yang terjadi pada keadaan operasi ( Case 1 ) dengan data pembebanan akibat berat, temperatur dan tekanan (Tabel 4).
IV-5 BAB IV Hasil dan Pembahasan Tabel 5. Gaya dan Momen pada masing-masing node
10 20
FX lb. 1 -1
Gaya FY lb. 90 97
FZ lb. 0 -0
MX ft.lb. -9.0 9.0
Momen MY ft.lb. 2.2 -5.6
MZ ft.lb. 212.1 -264.2
20 30
1 -1
104 83
0 -0
-9.0 9.0
5.6 -9.0
264.2 -107.4
30 38
1 -1
49 -12
0 -0
-9.0 9.0
9.0 -9.6
107.4 -19.6
38 39
1 -1
12 -8
0 -0
-9.0 8.0
9.6 -9.6
19.6 -16.9
39 40
1 -1
8 -4
0 -0
-8.0 6.3
9.6 -9.3
16.9 -16.1
40 50
1 -1
4 32
0 -0
-6.3 46.8
9.3 -6.3
16.1 -16.1
50 60
1 -1
68 98
0 -0
-46.8 247.6
6.3 7.4
16.1 -16.1
60 70
1 -1
98 68
0 -0
-247.6 50.0
-7.4 21.1
16.1 -16.1
70 78
1 -1
38 -1
0 -0
-50.0 -6.2
-21.1 24.1
16.1 -16.1
78 79
1 -1
1 3
0 -0
6.2 -6.0
-24.1 24.4
16.1 -16.3
79 80
1 -1
-3 6
0 -0
6.0 -5.5
-24.4 24.4
16.3 -17.6
80 90
1 -1
-6 43
0 -0
5.5 -5.5
-24.4 23.8
17.6 -89.7
90 100
1 -1
78 108
0 -0
5.5 -5.5
-23.8 20.4
89.7 -311.5
100 110
1 -1
112 75
0 -0
5.5 -5.5
-20.4 17.0
311.5 -40.4
NODE
IV-6 BAB IV Hasil dan Pembahasan
FX lb.
Gaya FY lb.
FZ lb.
MX ft.lb.
Momen MY ft.lb.
MZ ft.lb.
110 118
1 -1
30 6
0 -0
5.5 -5.5
-17.0 16.3
40.4 -5.8
118 119
1 -1
-6 10
0 -0
5.5 -6.5
-16.3 16.2
5.8 -7.9
119 120
1 -1
-10 14
0 -0
6.5 -9.7
-16.2 15.9
7.9 -9.2
120 130
1 -1
-14 51
0 -0
9.7 -103.3
-15.9 12.8
9.2 -9.2
130 140
1 -1
88 119
0 -0
103.3 -352.0
-12.8 -4.3
9.2 -9.2
140 150
1 -1
114 94
0 -0
352.0 -187.8
4.3 -21.4
9.2 -9.2
150 158
1 -1
55 -19
0 -0
187.8 -80.3
21.4 -24.5
9.2 -9.2
158 159
1 -1
19 -15
0 -0
80.3 -75.9
24.5 -24.7
9.2 -11.0
159 160
1 -1
15 -11
0 -0
75.9 -74.4
24.7 -24.8
11.0 -14.4
160 168
1 -1
11 62
0 -0
74.4 -74.4
24.8 -23.4
14.4 133.9
168 169
1 -1
-62 66
0 -0
74.4 -74.4
23.4 -23.4
-133.9 150.9
169 170
1 -1
-66 70
0 -0
74.4 -74.4
23.4 -23.3
-150.9 158.6
170 180
1 -1
-70 106
0 -0
74.4 -75.1
23.3 -23.3
-158.6 161.6
180 190
1 -1
-106 258
0 -0
75.1 -75.3
23.3 -23.3
-161.6 162.3
NODE
IV-7 BAB IV Hasil dan Pembahasan
FX lb.
Gaya FY lb.
FZ lb.
MX ft.lb.
Momen MY ft.lb.
MZ ft.lb.
190 200
1 -1
-258 299
0 -0
75.3 -76.0
23.3 -23.3
-162.3 165.7
200 210
1 -1
-299 451
0 -0
76.0 -76.2
23.3 -23.3
-165.7 166.4
210 218
1 -1
-451 488
0 -0
76.2 -76.8
23.3 -23.3
-166.4 169.5
218 219
1 -1
-488 491
0 -0
76.8 -76.9
23.3 -23.4
-169.5 115.9
219 220
1 -1
-491 495
0 -0
76.9 -76.9
23.4 -23.4
-115.9 -14.8
220 228
1 -1
-495 506
0 -0
76.9 -76.9
23.4 -23.6
14.8 -460.7
228 229
1 -1
-506 510
0 -0
76.9 -21.0
23.6 -23.6
460.7 -595.4
229 230
1 -1
-510 514
0 -0
21.0 114.8
23.6 -23.3
595.4 -651.6
230 238
1 -1
-514 525
0 -0
-114.8 577.3
23.3 -22.4
651.6 -651.6
238 239
1 -1
-525 529
0 -0
-577.3 717.0
22.4 -22.1
651.6 -593.7
239 240
1 -1
-529 533
0 -0
-717.0 775.2
22.1 -21.9
593.7 -452.9
240 250
1 -1
-533 538
0 -0
-775.2 775.2
21.9 -21.8
452.9 -214.6
NODE
IV-8 BAB IV Hasil dan Pembahasan Tegangan yang terjadi pada masing-masing node pada Case Operating Satuan Tegangan
: (lb./sq.in.)
Rasio Tegangan OPE (%) : 0.0
@Node
240
Tegangan Operasi
: 5253.6 Allowable: 0.0
Tegangan Aksial
: 218.3
@Node
160
Tegangan Lentur
: 3575.6 @Node
238
Tegangan Torsi
: 2498.7 @Node
239
Tegangan Hoop
: 481.1
20
@Node
Tabel 6. Tegangan Yang Terjadi Pada Masing-Masing Node. Node 10 20
Bending Torsion SIF In Stress Stress Plane lb./sq.in. lb./sq.in 1143.8 -24.3 1.000 1425.2 24.3 1.000
SIF Out Plane 1.000 1.000
Code Allowable Ratio Piping Stress Stress % Code lb./sq.in lb./sq.in. 1362.4 0.0 0.0 B31.3 1643.7 0.0 0.0 B31.3
20 30
1425.2 581.2
-24.3 24.3
1.000 1.000
1.000 1.000
1643.7 800.9
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
30 38
581.2 117.7
-24.3 24.3
1.000 1.000
1.000 1.000
800.9 344.9
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
38 39
140.7 130.0
-24.3 -17.0
1.377 1.377
1.147 1.147
366.5 352.1
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
39 40
130.0 79.6
17.0 -43.5
1.377 1.377
1.147 1.147
352.1 335.8
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
40 50
60.8 254.5
43.5 -43.5
1.000 1.000
1.000 1.000
324.1 486.9
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
50 60
254.5 1335.8
43.5 -43.5
1.000 1.000
1.000 1.000
486.9 1556.5
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
60 70
1335.8 292.4
43.5 -43.5
1.000 1.000
1.000 1.000
1556.5 523.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
IV-9 BAB IV Hasil dan Pembahasan
Node 70 78
Bending Torsion SIF In Stress Stress Plane lb./sq.in. lb./sq.in 292.4 43.5 1.000 134.4 -43.5 1.000
SIF Out Plane 1.000 1.000
Code Allowable Ratio Piping Stress Stress % Code lb./sq.in lb./sq.in. 523.0 0.0 0.0 B31.3 378.0 0.0 0.0 B31.3
78 79
183.2 186.7
43.5 -42.4
1.377 1.377
1.147 1.147
420.8 422.8
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
79 80
186.7 211.5
42.4 -14.9
1.377 1.377
1.147 1.147
422.8 431.2
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
80 90
162.3 500.5
14.9 -14.9
1.000 1.000
1.000 1.000
382.6 719.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
90 100
500.5 1683.2
14.9 -14.9
1.000 1.000
1.000 1.000
719.0 1901.2
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
100 110
1683.2 236.6
14.9 -14.9
1.000 1.000
1.000 1.000
1901.2 456.1
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
110 118
236.6 93.5
14.9 -14.9
1.000 1.000
1.000 1.000
456.1 315.7
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
118 119
126.5 135.6
14.9 2.7
1.377 1.377
1.147 1.147
347.6 353.5
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
119 120
135.6 132.2
-2.7 24.8
1.377 1.377
1.147 1.147
353.5 359.3
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
120 130
100.3 561.3
-24.8 24.8
1.000 1.000
1.000 1.000
329.9 781.6
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
130 140
561.3 1898.4
-24.8 24.8
1.000 1.000
1.000 1.000
781.6 2117.1
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
140 150
1898.4 1019.4
-24.8 24.8
1.000 1.000
1.000 1.000
2117.1 1238.7
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
150 158
1019.4 452.8
-24.8 24.8
1.000 1.000
1.000 1.000
1238.7 673.6
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
158 159
529.2 338.0
-24.8 165.5
1.377 1.377
1.147 1.147
749.6 691.4
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
IV-10 BAB IV Hasil dan Pembahasan
Node 159 160
Bending Torsion SIF In Stress Stress Plane lb./sq.in. lb./sq.in 338.0 -165.5 1.377 204.3 200.5 1.377
SIF Out Plane 1.147 1.147
Code Allowable Ratio Piping Stress Stress % Code lb./sq.in lb./sq.in. 691.4 0.0 0.0 B31.3 668.4 0.0 0.0 B31.3
160 168
154.5 732.8
-200.5 200.5
1.000 1.000
1.000 1.000
648.0 1053.6
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
168 169
1004.3 1142.6
-200.5 186.4
1.377 1.377
1.147 1.147
1299.8 1404.7
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
169 170
1142.6 1264.3
-186.4 62.9
1.377 1.377
1.147 1.147
1404.7 1465.5
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
170 180
944.7 961.1
-62.9 62.9
1.000 1.000
1.000 1.000
1148.0 1152.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
180 190
0.0 0.0
0.0 0.0
0.000 0.000
0.000 0.000
0.0 0.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
190 200
964.8 983.3
-62.9 62.9
1.000 1.000
1.000 1.000
1105.5 1110.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
200 210
0.0 0.0
0.0 0.0
0.000 0.000
0.000 0.000
0.0 0.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
210 218
987.0 1003.4
-62.9 62.9
1.000 1.000
1.000 1.000
1063.5 1067.6
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
218 219
1345.1 966.0
-62.9 -102.0
1.377 1.377
1.147 1.147
1407.3 1089.8
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
219 220
966.0 181.9
102.0 -207.4
1.377 1.377
1.147 1.147
1089.8 670.6
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
220 228
149.4 2487.5
207.4 -207.4
1.000 1.000
1.000 1.000
658.5 2739.5
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
228 229
2855.8 2519.1
207.4 -1175.3
1.377 1.377
1.147 1.147
3103.4 3663.1
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
229 230
2519.1 730.8
1175.3 -1756.8
1.377 1.377
1.147 1.147
3663.1 3806.8
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
IV-11 BAB IV Hasil dan Pembahasan
Node 230 238
Bending Torsion SIF In Stress Stress Plane lb./sq.in. lb./sq.in 631.5 1756.8 1.000 3115.3 -1756.8 1.000
SIF Out Plane 1.000 1.000
Code Allowable Ratio Piping Stress Stress % Code lb./sq.in lb./sq.in. 3787.9 0.0 0.0 B31.3 4913.8 0.0 0.0 B31.3
238 239
3575.6 563.9
1756.8 -2498.7
1.377 1.377
1.147 1.147
5231.0 5247.4
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
239 240
563.9 2807.0
2498.7 -2090.1
1.377 1.377
1.147 1.147
5247.4 5253.6
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
240 250
2445.2 1163.1
2090.1 -2090.1
1.000 1.000
1.000 1.000
5061.2 4557.4
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
A.
2. Case 2, W+P1(SUS) atau SUSTAINED LOAD CASE Caesar II menganggap beban displacement (translasi dan rotasi) sebagai beban yang bekerja, karena itu tegangan yang diizinkan muncul dalam Output Caesar adalah pada saat beban terpasang, karena selama tahap konstruksi pipa, lay-out mengikuti kondisi batas medan tanpa menyertakan pengaruh termal fluida ( temperatur ). Jadi beban yang ada adalah berat pipa dan tekanan fluida, karena itu pembebanan yang digunakan adalah Sustain Load. Untuk lebih lengkapnya dapat dilihat pada ( Tabel 7 ) di bawah ini : Kode Standard Pipa : B31.3 = B31.3 -2006, May 31, 2007 Satuan Tegangan
: (lb./sq.in.)
Rasio Tegangan Kode (%) : 18.9
@Node
238
Tegangan Kode
: 3771.5 Allowable: 20000.0
Tegangan Aksial
: 218.2
@Node
159
Tegangan Lentur
: 3553.6 @Node
238
IV-12 BAB IV Hasil dan Pembahasan Tegangan Torsi
: 2542.0 @Node
239
Tegangan Hoop
: 481.1
20
@Node
Tabel 7. Tegangan yang terjadi saat beban terpasang dengan data berat dan tekanan pada masing-masing node Node 10 20
Bending Torsion SIF SIF Code Allowable Ratio Piping Stress Stress In Out Stress Stress % Code lb./sq.in. lb./sq.in. Plane Plane lb./sq.in. lb./sq.in. 1143.9 -24.3 1.000 1.000 1361.7 20000.0 6.8 B31.3 1424.8 24.3 1.000 1.000 1642.7 20000.0 8.2 B31.3
20 30
1424.8 579.5
-24.3 24.3
1.000 1.000 1.000 1.000
1642.7 797.3
20000.0 20000.0
8.2 4.0
B31.3 B31.3
30 38
579.5 107.3
-24.3 24.3
1.000 1.000 1.000 1.000
797.3 325.1
20000.0 20000.0
4.0 1.6
B31.3 B31.3
38 39
123.9 111.8
-24.3 -17.1
1.377 1.147 1.377 1.147
341.7 329.6
20000.0 20000.0
1.7 1.6
B31.3 B31.3
39 40
111.8 46.1
17.1 -43.6
1.377 1.147 1.377 1.147
329.6 264.0
20000.0 20000.0
1.6 1.3
B31.3 B31.3
40 50
38.4 252.5
43.6 -43.6
1.000 1.000 1.000 1.000
256.3 470.4
20000.0 20000.0
1.3 2.4
B31.3 B31.3
50 60
252.5 1335.5
43.6 -43.6
1.000 1.000 1.000 1.000
470.4 1553.4
20000.0 20000.0
2.4 7.8
B31.3 B31.3
60 70
1335.5 277.1
43.6 -43.6
1.000 1.000 1.000 1.000
1553.4 495.0
20000.0 20000.0
7.8 2.5
B31.3 B31.3
70 78
277.1 83.1
43.6 -43.6
1.000 1.000 1.000 1.000
495.0 301.0
20000.0 20000.0
2.5 1.5
B31.3 B31.3
78 79
110.7 110.9
43.6 -44.1
1.377 1.147 1.377 1.147
328.7 328.8
20000.0 20000.0
1.6 1.6
B31.3 B31.3
79 80
110.9 149.3
44.1 -17.3
1.377 1.147 1.377 1.147
328.8 367.1
20000.0 20000.0
1.6 1.8
B31.3 B31.3
80 90
120.3 484.6
17.3 -17.3
1.000 1.000 1.000 1.000
338.1 702.5
20000.0 20000.0
1.7 3.5
B31.3 B31.3
IV-13 BAB IV Hasil dan Pembahasan
Node
Bending Torsion SIF SIF Code Allowable Ratio Piping Stress Stress In Out Stress Stress % Code lb./sq.in. lb./sq.in. Plane Plane lb./sq.in. lb./sq.in.
90 100
484.6 1689.6
17.3 -17.3
1.000 1.000 1.000 1.000
702.5 1907.4
20000.0 20000.0
3.5 9.5
B31.3 B31.3
100 110
1689.6 189.4
17.3 -17.3
1.000 1.000 1.000 1.000
1907.4 407.2
20000.0 20000.0
9.5 2.0
B31.3 B31.3
110 118
189.4 42.9
17.3 -17.3
1.000 1.000 1.000 1.000
407.2 260.7
20000.0 20000.0
2.0 1.3
B31.3 B31.3
118 119
55.2 47.2
17.3 -20.2
1.377 1.147 1.377 1.147
273.0 265.2
20000.0 20000.0
1.4 1.3
B31.3 B31.3
119 120
47.2 75.1
20.2 -6.3
1.377 1.147 1.377 1.147
265.2 293.2
20000.0 20000.0
1.3 1.5
B31.3 B31.3
120 130
62.1 532.3
6.3 -6.3
1.000 1.000 1.000 1.000
280.2 750.4
20000.0 20000.0
1.4 3.8
B31.3 B31.3
130 140
532.3 1882.3
6.3 -6.3
1.000 1.000 1.000 1.000
750.4 2100.4
20000.0 20000.0
3.8 10.5
B31.3 B31.3
140 150
1882.3 1104.8
6.3 -6.3
1.000 1.000 1.000 1.000
2100.4 1322.8
20000.0 20000.0
10.5 6.6
B31.3 B31.3
150 158
1104.8 426.3
6.3 -6.3
1.000 1.000 1.000 1.000
1322.8 644.4
20000.0 20000.0
6.6 3.2
B31.3 B31.3
158 159
492.9 330.7
6.3 136.5
1.377 1.147 1.377 1.147
710.9 548.9
20000.0 20000.0
3.6 2.7
B31.3 B31.3
159 160
330.7 115.0
-136.5 186.6
1.377 1.147 1.377 1.147
548.9 333.2
20000.0 20000.0
2.7 1.7
B31.3 B31.3
160 168
85.0 567.4
-186.6 186.6
1.000 1.000 1.000 1.000
303.2 785.6
20000.0 20000.0
1.5 3.9
B31.3 B31.3
168 169
779.2 920.9
-186.6 157.7
1.377 1.147 1.377 1.147
997.4 1125.1
20000.0 20000.0
5.0 5.6
B31.3 B31.3
169 170
920.9 1031.8
-157.7 36.3
1.377 1.147 1.377 1.147
1125.1 1228.9
20000.0 20000.0
5.6 6.1
B31.3 B31.3
IV-14 BAB IV Hasil dan Pembahasan
Node
Bending Torsion SIF SIF Code Allowable Ratio Piping Stress Stress In Out Stress Stress % Code lb./sq.in. lb./sq.in. Plane Plane lb./sq.in. lb./sq.in.
170 180
777.3 786.3
-36.3 36.3
1.000 1.000 1.000 1.000
974.4 971.2
20000.0 20000.0
4.9 4.9
B31.3 B31.3
180 190
0.0 0.0
0.0 0.0
0.000 0.000 0.000 0.000
0.0 0.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
190 200
788.3 798.4
-36.3 36.3
1.000 1.000 1.000 1.000
923.0 919.4
20000.0 20000.0
4.6 4.6
B31.3 B31.3
200 210
0.0 0.0
0.0 0.0
0.000 0.000 0.000 0.000
0.0 0.0
0.0 0.0
0.0 0.0
B31.3 B31.3
210 218
800.5 809.4
-36.3 36.3
1.000 1.000 1.000 1.000
871.1 867.9
20000.0 20000.0
4.4 4.3
B31.3 B31.3
218 219
1075.1 694.6
-36.3 -110.9
1.377 1.147 1.377 1.147
1133.5 798.8
20000.0 20000.0
5.7 4.0
B31.3 B31.3
219 220
694.6 380.9
110.9 -193.3
1.377 1.147 1.377 1.147
798.8 598.7
20000.0 20000.0
4.0 3.0
B31.3 B31.3
220 228
279.6 2643.5
193.3 -193.3
1.000 1.000 1.000 1.000
497.4 2861.3
20000.0 20000.0
2.5 14.3
B31.3 B31.3
228 229
3033.6 2655.4
193.3 -1219.3
1.377 1.147 1.377 1.147
3251.4 2873.2
20000.0 20000.0
16.3 14.4
B31.3 B31.3
229 230
2655.4 734.1
1219.3 -1829.2
1.377 1.147 1.377 1.147
2873.2 952.0
20000.0 20000.0
14.4 4.8
B31.3 B31.3
230 238
637.9 3096.8
1829.2 -1829.2
1.000 1.000 1.000 1.000
855.8 3314.7
20000.0 20000.0
4.3 16.6
B31.3 B31.3
238 239
3553.6 408.9
1829.2 -2542.0
1.377 1.147 1.377 1.147
3771.5 627.0
20000.0 20000.0
18.9 3.1
B31.3 B31.3
239 240
408.9 2985.3
2542.0 -2074.9
1.377 1.147 1.377 1.147
627.0 3203.5
20000.0 20000.0
3.1 16.0
B31.3 B31.3
240 250
2601.5 1333.0
2074.9 -2074.9
1.000 1.000 1.000 1.000
2819.6 1551.2
20000.0 20000.0
14.1 7.8
B31.3 B31.3
IV-15 BAB IV Hasil dan Pembahasan Berdasarkan ( Tabel 7 ) diatas, tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan CDUV Plaju ini memiliki tegangan maksimum pada node 238, yaitu 3771.5 lb/in2, sedangkan harga tegangan yang diizinkan oleh kode standar B31.3 adalah 20000 lb/in2. Jadi masih berada di bawah tegangan izin yaitu : Sl ≤ Sh 3771.5 lb/in2 ≤ 20000 lb/in2 dengan demikian sistem perpipaan dari cooler 4-1 ke pompa 33 di Crude Distillation Unit (CDU) V Plaju yang terpasang dalam keadaan aman.
IV-16 BAB IV Hasil dan Pembahasan
B. Analisa Dinamik Pada analisa dinamik, yaitu beban yang terjadi berubah cepat seiring waktu, pipa tidak punya cukup waktu untuk mendistribusikan beban keseluruh bagiannya, sehingga tidak tercapai keseimbangan. Kita mengetahui bahwa semua benda jika dipukul akan bergetar. Bergetarnya benda tersebut selalu mempunyai frekuensi tertentu. Besarnya frekuensi yang terjadi itulah yang disebut frekuensi eksitasi. Dimana frekuensi eksitasi didefinisikan sebagai frekuensi getaran yang terjadi karena adanya gaya dari luar sistem. Sedangkan setiap benda mempunyai frekuensi pribadi tertentu dengan sendirinya. Dimana frekuensi pribadi didefinisikan sebagai frekuensi getaran sistem yang terjadi karena bukan gaya dari luar. Dalam hal sistem perpipaan, frekuensi pribadi disebabkan oleh : • Geometri atau dimensi benda • Spesifikasi material benda General Rule mengatakan bahwa : Bila frekuensi pribadi getaran sebuah mesin atau struktur sama dengan frekuensi eksitasi luar, fenomena yang muncul disebut resonansi, yang akan menyebabkan defleksi yang berlebihan dan kegagalan bahan. [12] Disinilah perlunya analisa yang berbeda, melalui analisis frekuensi pada pembebanan dinamik yang juga menghasilkan beberapa modus getarnya terhadap suatu interval waktu. Ketika mengalami getaran (vibrasi), tentu saja sistem perpipaan akan mengalami fenomena resonansi atau tidak. Besarnya frekuensi pribadi sistem
IV-17 BAB IV Hasil dan Pembahasan perpipaan tidaklah boleh sama dengan frekuensi eksitasi dari peralatan dalam waktu yang cukup lama, yang mana jika resonansi yang terjadi dalam waktu yang cukup lama maka akan mengakibatkan defleksi yang berlebihan dan kegagalan bahan sehingga sistem dalam keadaan berbahaya atau tidak aman. Pada perhitungan frekuensi pribadi pada tugas akhir ini, penulis menggunakan bantuan Program Caesar II versi 5.10 pada analisa dinamik untuk tipe analisa modal pada Caesar II. Berikut besaran frekuensi pribadi yang terjadi hasil keluaran program Caesar II. B. 1. Frekuensi Pribadi (
)
Hasil keluaran program Caesar II untuk analisis tipe Modal pada analisa dinamik berupa frekuensi pribadi dari sistem perpipaan. Berikut hasil untuk 5 frekuensi pribadi hasil keluaran Caesar II : Frekuensi pribadi I
: 2,186 rad/sec, dengan Periode : 2,875 sec
Frekuensi pribadi II
: 2,902 rad/sec, dengan Periode : 2,165 sec
Frekuensi pribadi III
: 6,195 rad/sec, dengan Periode : 1,014 sec
Frekuensi pribadi IV
: 10,278 rad/sec, dengan Periode : 0,611 sec
Frekuensi pribadi V
: 14,163 rad/sec, dengan Periode : 0,444 sec
B. 2. Frekuensi Eksitasi (ω) Pergerakan dari komponen berputar pada saat mulai proses operasi hingga mencapai putaran stasioner operasi akan menimbulkan getaran yang mempunyai frekuensi eksitasi tertentu. Putaran (n) stasioner operasi dari motor penggerak dari data diketahui sebesar 110 rpm. Sehingga
IV-18 BAB IV Hasil dan Pembahasan didapat nilai frekuensi eksitasi (ω) pada putaran stasioner operasi, dari persamaan :
f
(Hertz)
Dimana, n = putaran stasioner motor = 110 rpm maka, f= = 1,833 Hertz Sehingga, ω = 2πf
= 2(3,14)1,833 = 11,51 rad/s berdasarkan perhitungan diatas, dapat diambil beberapa kasus dari 5 modus getar frekuensi pribadi sistem perpipaan yang akan dibandingkan dengan frekuensi eksitasinya, kasus-kasus tersebut yaitu : 1. Modus getar ke-1, frekuensi pribadi (
) = 2,186 rad/sec, dengan
Periode : 2,875 sec. Pada kasus ini, pada sistem perpipaan terjadi resonansi pada saat frekuensi eksitasi dari putaran motor (n) =
=
= 20,885 rpm, akan tetapi resonansi yang terjadi hanya sesaat seiring naiknya putaran motor, sehingga tidak mengakibatkan defleksi yang
IV-19 BAB IV Hasil dan Pembahasan berlebihan dan tidak mengalami kegagalan bahan. Dengan demikian sistem perpipaan masih dalam keadaan aman. 2. Modus getar ke-2, frekuensi pribadi (
) = 2,902 rad/sec, dengan
Periode : 2,165 sec. Pada kasus ini, pada sistem perpipaan terjadi resonansi pada saat frekuensi eksitasi dari putaran motor (n) =
=
= 27,726 rpm, akan tetapi resonansi yang terjadi hanya sesaat seiring naiknya putaran motor, sehingga tidak mengakibatkan defleksi yang berlebihan dan tidak mengalami kegagalan bahan. Dengan demikian sistem perpipaan masih dalam keadaan aman. 3. Modus getar ke-3, frekuensi pribadi (
) = 6,195 rad/sec, dengan
Periode : 1,014 sec. Pada kasus ini, pada sistem perpipaan terjadi resonansi pada saat frekuensi eksitasi dari putaran motor (n) =
=
= 59,188 rpm, akan tetapi resonansi yang terjadi hanya sesaat seiring naiknya putaran motor, sehingga tidak mengakibatkan defleksi yang berlebihan dan tidak mengalami kegagalan bahan. Dengan demikian sistem perpipaan masih dalam keadaan aman. 4.
Modus getar ke-4, frekuensi pribadi (
) =
10,278 rad/sec, dengan Periode : 0,611 sec. Pada kasus ini, pada sistem perpipaan terjadi resonansi pada saat frekuensi eksitasi dari putaran motor (n) =
=
IV-20 BAB IV Hasil dan Pembahasan = 98,197 rpm, akan tetapi resonansi yang terjadi hanya sesaat seiring naiknya putaran motor, sehingga tidak mengakibatkan defleksi yang berlebihan dan tidak mengalami kegagalan bahan. Dengan demikian sistem perpipaan masih dalam keadaan aman. 5. Modus getar ke-5, frekuensi pribadi (
) = 14,163 rad/sec, dengan
Periode : 0,444 sec. Pada kasus ini, pada sistem perpipaan tidak terjadi resonansi, karena pada saat frekuensi eksitasi mulai terjadi sampai pada putaran stasioner operasi motor (n) = 110 rpm, sebesar 11,51 rad/s masih berada di bawah frekuensi pribadi sistem perpipaan, sehingga sistem perpipaan masih dalam keadaan aman. Dengan demikian dapat diambil kesimpulan bahwa sistem perpipaan dari cooler 4-1 ke pompa 33 di Crude Distillation Unit (CDU) V Plaju yang terpasang terjadi resonansi pada kasus atau modus getar pertama hingga modus getar ke empat akan tetapi resonansi yang terjadi tidak sampai membahayakan sistem perpipaan. Untuk kasus atau modus getar ke lima sistem perpipaan tidak mengalami resonansi dan sistem perpipaan dalam keadaan aman.
BAB V Kesimpulan dan Saran
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan Berdasarkan analisa dan pembahasan yang telah dibahas pada bab-bab sebelumnya, maka dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Konstruksi sistem perpipaan yang dianalisa adalah pipa CDU-V dari Cooler 4-1 ke pompa 33 di Kilang Plaju, dengan memakai kode standard ASME/ANSI B31.3. 2. Dari hasil perhitungan konstruksi dengan menggunakan program Caesar II diperoleh tegangan maksimum pada node 238, sebesar 3771,5 lb/in2. Sedangkan harga tegangan yang diizinkan oleh material ASTM A-53 Grade B dengan kode standard pipa ASME/ANSI B31.3 adalah 20000 lb/in2. Jadi, tegangan maksimum yang terjadi lebih kecil dari tegangan kode standard yang diizinkan, yaitu ; Sl ≤ Sh 3771,5 lb/in2 ≤ 20000 lb/in2 Dengan demikian sistem perpipaan dari cooler 4-1 ke pompa 33 di Crude Distillation Unit (CDU) V Plaju yang terpasang dalam keadaan aman. 3. Dari hasil perhitungan Analisis Dinamik, dapat diambil kesimpulan bahwa sistem perpipaan dari cooler 4-1 ke pompa 33 di Crude Distillation Unit (CDU) V Plaju yang terpasang terjadi resonansi pada kasus atau modus getar pertama hingga modus getar ke empat akan tetapi resonansi yang
V-1
V-2 BAB V Kesimpulan dan Saran
terjadi tidak sampai membahayakan sistem perpipaan. Untuk kasus atau modus getar ke lima sistem perpipaan tidak mengalami resonansi dan sistem perpipaan dalam keadaan aman. B. Saran Dari beberapa kesimpulan di atas, maka saran-saran yang dapat dikemukakan, ialah : 1. Permodelan sistem perpipaan diharapkan dibuat menyerupai dengan bentuk model aktualnya. Oleh sebab itu, data–data geometri pipa dan data lainnya yang akan dikaji ulang haruslah lengkap. 2. Untuk mendapatkan hasil analisis yang maksimal hendaknya para engineer melakukan perbandingan dengan menggunakan metode dan program analisa tegangan lainnya, seperti : Metode Grinell, Program Bentley AutoPipe, CosmosWork, SAP2000 dan lain-lain. 3. Walaupun konstruksi sistem pipa tersebut merupakan konstruksi sistem pipa yang aman, pihak Pertamina hendaknya selalu memantau dan melakukan inspeksi serta perawatan yang baik terhadap konstruksi sistem pipa tersebut.
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR PUSTAKA
1.
ENGINEERING PHYSICS CORPORATION, (1993), “Pipe Stress Analysis Seminar Notes”, Coade, Inc, Houston, Texas.
2.
Grinnell, (1981), ”Piping Design and Engineering”, Second Edition, Grinnell Company Inc.
3.
PT. PERTAMINA UP III, (2008), “Peralatan Non Rotating Equipment (Piping, Valve & Fitting)”, Plaju.
4.
ASME B31.3, “Process Piping”, Edisi 2002, American National Standard, New York.
5.
COADE Engineering Software, 2000, Caesar II Technical Reference Manual, Houston.
6. COADE Engineering Software, 2000, Caesar II Aplication Guide, Houston. 7.
COADE Engineering Software, 2000, Caesar II User Guide , Houston.
8.
COADE Engineering Software, 2000, Caesar II Quick Reference Guide, Houston.
9. http://www.simetric.co.uk 10. Raswari, (1986), “Teknologi dan Perencanaan Sistem Perpipaan”, UI-Press, Jakarta. 11. Raswari, (1986), “Perencanaan dan Penggambaran Sistem Perpipaan”, UI-Press, Jakarta. 12. Jimmy D.N. ST. MT., (2004), “Catatan Kuliah Getaran Mekanik Dengan Teori dan Latihan”, UNSRI, Indralaya.
View more...
Comments
