Upload
others
View
27
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
37
ANALISA TEGANGAN PIPA PADA SISTEM PERPIPAAN HEAVY FUEL OIL DARI DAILY TANK UNIT 1 DAN UNIT 2 MENUJU HEAT
EXCHANGERDI PLTU BELAWAN
������������� ���������� 1,2Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus Usu
Medan 20155 Medan Indonesia email: [email protected]
Abstrak Dalam merancang suatu plant, tidak terlepas dari sistem perpipaan. Maka dalam hal ini perancangan perpipaan harus benar-benar aman dan memiliki fleksibilitas yang cukup. Dalam hal ini dibutuhkan suatu analisa tegangan pada perpipaan untuk menentukan ada atau tidaknya tegangan yang berlebih (overstress) dan analisa gaya dan momen yang berlebih pada sambungan (nozzle), agar tidak terjadi kebocoran yang diakibatkan oleh beban yang berlebih (overload) pada sambungan equipment dengan sistem perpipaan. Jika ditemukan kegagalan atau tegangan yang berlebih maka perlu dilakukan perancangan ulang untuk mempastikan bahwa sistem perpipaan ini dapat beroperasi dengan aman. Hasil dari tegangan, gaya dan momen harus sesuai dengan standar dan kode yang ditetapkan. Kata kunci: analisa tegangan pipa, gaya dan momen sambungan, sistem perpipaan
1. Pendahuluan
Dalam suatu perencangan plant tidak terlepas dari pada sistem perpipaan yang mana berfungsi sebagai jalur tranportasi fluida yang ingin dialirkan dari satu komponen ke komponen yang lain. Sistem perpipaan ini harus dirancang sedemikan rupa sehinga mampu menahan beban yang terjadi, baik beban statis dan dinamis yang terjadi. Analisa tergangan pada perpipaan adalah teknik yang dilakukan oleh engineer agar sistem perpipaan tanpa tegangan berlebih (over stress) dan pembebanan berlebih (over loading) pada kompenen pemipaan dengan komponen yang terhubung.
Kemampuan sistem perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menyebabkan kegagalan disebut fleksibilitas system perpipaan. Kegagalan pada sistem perpipaan ini dapat mengganggu proses operasi yang berlangsung. Maka dari itu, analisa fleksibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan perlu dilakukan untuk memastikan bahwa sistem perpipaan pada kondisi aman saat dioperasikan. Sistem perpipaan harus mempunyai fleksibilitas yang cukup, agar pada saat terjadi pemuaian termal dan kontraksi,
pergerakkan dari penyangga dan titik persambungan pada sistem perpipaan tidak akan menyebabkan:
1. Kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan
2. Kebocoran pada sambungan 3. Beban berlebih pada sambungan
dengan komponen Pada tugas ini akan membahas
mengenai perhitungan analisa tegangan sistem perpipaan pada system pemipaan proses yang mana mengacu kepada code ataupun standar internasional yaitu ASME B31.3 Process Piping, menganalisa gaya dan momen di setiap nozzle sambungan antara pipa dengan equipment seperti tank, filter, pompa dan heat exchanger. Proses menganalisa tegangan, gaya dan momen pada sistem pemipaan dibantu oleh program computer Coade Caesar II 5.1
2. Landasan Teori Dasar Perhitungan Ketebalan Pada Pipa
Ketebalan dibutuhkan dari pipa lurus, kode pipa telah mengatur perhitungan ketebalan pipa yang
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
38
diperbolehkan yang disebut dengan ketebalan minimum (���[1].
�� � � �������� � ��� � �
Dimana:
�� = ketebalan minimum yang dibutuhkan (mm)
t = ketebalan disign (mm)
P = tekanan dari dalam (KPa)
�� = diameter luar dari pipa (mm)
S = tegangan yang diijinkan pada suhu disign (KPa) appendix A1
A= ketebalan tambahan Tegangan pada Pipa Elemen dari suatu dinding pipa dihubungkan dengan empat tegangan yang dapat dilihat pada gambar 1 [2].
Gambar 1 Tegangan pada Pipa
Dimana: �� = tegangan Logitudinal (Longitudinal
Stress)
� = tegangan sirkumferensial (Circumferential Stress)
�!= tegangan Radial ( Radial Stress) �" = tegangan Geser (Shear Stress) Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) Tegangan logituginal disebabkan gaya aksial, tekanan pipa, momen lentur [3]. 1. Gaya aksial
Gaya yang diberikan baik berupa tekan atau tarik terhadap luas penampang pipa
�#$ ��%&'��
Dimana: �#$= Tegangan Logituginal akibat gaya
aksial (KPa) %&'= Gaya aksial (N)
��= Luas Penampang Pipa (���� 2. Tekanan Dalam Pipa
Tekanan dalam ini dikarenakan fluida yang ada didalam pipa, fluida ini akan memberikan tekanan baik searah dengan panjang pipa, dapt dilihat pada gambar 2.
Gambar 2 Tekanan Dalam Pipa
3. Tegangan longitudinal akibat momen
bending. Momen bending dikategorikan
menjadi dua komponen momen yang terjadi �( dan �), dapat dilihat gambar 3.
Gambar 3 Tegangan longitudinal
* ��+�*(� � �*)� �� ,-+�(� ��)�
�*= tegangan longitudinal akibat momen lentur ( KPa�
�(, �)= momen lentur pada penampang
pipa (N.mm) .= momen inersia penampang pipa (��/�
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
39
��= radius luar pipa (mm) -= modulus permukaan pipa
Tegangan Radial
Tegangan radial adalah tegangan yang bekerja pada dalam arah radial pipa atau arah jari-jari pipa. Besar tegangan ini bervariasi dari permukaan dalam pipa ke permukaan luarnya dan dapat dinyatakan dengan persamaan tegangan tangensial seperti pada gambar 4 [4].
Gambar 4 Tegangan radial
)22(
2
222
ir
or
r
orir
irP
RS
−
−
=
Dimana: �!= tegangan radial (KPa)
P = tekanan design (Kg/���) Tekanan Sirkumferensial atau Tegangan Tangensial (Hoop Stress)
Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa yang mana tekanan ini bersumber dari fluida dan nilainya selalu positif jika tegangan cenderung membela pipa menjadi dua. Seperti pada gambar 5[4].
Gambar 5 Tegangan Sirkuferensial
�0 � ���1� � 23425424 �
���� 6 �1��
Tegangan Geser
Tegangan geser adalah tegangan yang bekerja dalam penampang pipa atau luas permukaan pipa, tegangan ini diakibatkan oleh gaya geser dan momen puntir
Gaya geser
Rasio dari nilai maksimum dan nilai rata-ratanya disebut dengan faktor distribusi gaya geser, gaya geser dapat dilihat pada gambar 6.
Gambar 6. Gaya geser
�7�&' � %!��
Dimana:
7�&'= tegangan geser yang terjadi pada
pipa (KPa)
7'(��&'8 �7')��&'= tegangan geser pada X
dan Y (KPa)
%'�8 �%(= gaya geser yang bekerja pada x
dan y (N)
��= luas permukaan penampang (N)
Tegangan Berdasarkan Kode Standar
Pada sistem perpipaan ada dua dasar mode kegagalan (failure) yaitu kegagalan tegangan sustained (primer) dan kegagalan tegangan expansi (sekunder)[5].
a. Sustained Load Sustained load merupakan
tegangan primer yang menyebabkan kegagalan katastrofis. Jumlah dari seluruh tegangan logitudinal (�#� akibat tekanan, berat dan akibat beban sustain yang lain tidak boleh melebihi �0.
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
40
�# � %��
9��1�1�� � ����:��- � �;�
<� = �0
Dimana: �# = tegangan logitudinal (KPa� �� = luas penampang pipa (���) �1 = faktor intisifikasi (SIF) in-plane �� = faktor intisifikasi (SIF) out-plane �1 = momen lenduan in-plane karena
sustained load (N.mm) �:=momen lendutan out-plane karena
sustained load(N.mm)
b. Occasional load
Ocasional load adalah beban yang terjadi kadang-kadang selama proses operasi normal.
�# � �:>>&?1�@&� = ,ABB�0
�:>>&?1�@&�= Tegangan akibat occasional
load
c. Expansion Load
Expansion load adalah stress yang terjadi akibat adanya perubahan temperatur, jika temperatur naik akan mengakibatkan pemuaian sedangkan jika suhu menurun maka akan terjadi pengkerutan.
,-9��1�1�� � ������� � ��C�C�� = D�,A�E�> � FG�E�H�
3.Metodologi Penelitian
Lokasi Riset
Pelaksanaan riset yang dilakukan dalam permasalahan ini diambil di PT. PLN (Persero) Pembangkit Sumetera Bagian Utara, riset yang dilakukan adalah analisa tegangan pipa pada sistem perpipaan pada jalur heavy Fuel Oil (HFO) dari daily tank menuju heat exchanger (HE).
Proses Penelitian
Langkah-langkah dalam analisa tegangan pada sistem perpipaan dan analisa gaya dan momen pada nozzle adalah sebagai berikut:
1. Membuat gambar plant 3D dari sistem perpipaan ini.
2. Melakukan pemodelan dengan menggunakan program coade caesar, dengan cara input data-data yang dibutuhkan. Data yang dibutukan dalam pemodelan ini dapat dilihat pada iso drawing seperti : panjang pipa, diameter pipa, ketebalan pipa, jenis valve, jenis flange, elbow, serta letak support, dan lainya.
3. Kemudian dilakukan proses penganalisaan, disini dapat ditampilkan hasil analisa atau pembebanan yang bekerja dan mengetahui apakah pipa sudah layak untuk digunakan dan memenuhi standar-standar atau kode-kode yang telah.
4. Analisis terhadap sambungan pada tangki, filter, pompa dan heat exchanger berdasarkan gaya dan momen yang bekerja agar tidak melebihi atau masih sesuai dengan aturan standar dan kode API 610 dan WRC 107.
4. Hasil Dan Analisa
Pemodelan Plant Design 3D Dalam pembuatan model plant
design 3D ini penulis menggunakan program Autodesk Plant Design 3Dgambar ini digunakan untuk mengamati kondisi sebenarnya yang sesuai dengan kondisi lapangan dalam bentuk animasi tiga dimensi.
Tabel 7 Keterangan gambar daily tank menuju pompa
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
41
Tabel 1. Keterangan Gambar 7 NO Keterangan No Keterangan
1
2
3
4
5
6
7
Daily Tank Unit 1
Pipa 6 in (warna abu-
abu)
Filter unit 1
Pompa Unit 1
Filter Unit 2
Pompa Unit 2
Filter Unit 3
8
9
10
11
12
13
Pompa Unit 3
Filter Unit 4
Pompa Unit 4
Gate Valve
Gate valve
Daily Tank Unit 2
Gambar kedua yaitu sistem perpipaan menuju heat exchanger unit satu dan dua.
Gambar 8 Perpipaan Heat Exchanger
Tabel 2Keterangan gambar 8 NO Keterangan No Keterangan
1 2 3
Boiler Heat exchanger unit 2 Heat exchanger unit 1
4 5
Ball Valve Elbow 4”
Pemodelan Dan Analisa Pipa Daily Tank Menuju Filter
Pemodelan Pipa Daily Tank menuju Filter
Untuk pipa dari daily tank dimana terdapat dua unit daily tank yaitu unit 1 dan unit 2.
Gambar 9pipa dari daily tank
Tabel 3 Keterangan gambar 9 Node keterangan Node Keterangan
10
20
30
50
65
70
78
90
100
134
Ancor (nozzle daily
tank unit 1)
Flange (rigid)
Flange (rigit)
Gate Valve (rigit)
Support (restrain Y+)
Elbow
Support (restrain Y+)
Flange (rigit)
Gate Valve (rigit)
Support (restrain Y+)
141
140
145
150
170
190
200
300
310
2030
Support (restrain Y+)
Elbow
Support (restrain Y+)
Gate Valve(rigit)
Flange (rigit)
Flange ketank unit 1
Ancor(nozzle daily tank
unit 2)
Flange (rigit)
Gate Valve (rigit)
Flange (rigit)
Untuk dapat melihat jelas gambar pada bagian pipa menuju ke filter unit 1, 2, 3 dan 4 dapat dilihat pada gambar.
Gambar 10pipa menuju ke filter unit
Tabel4 Ketrangan gambar 10 Node keterangan Node Keterangan
400
460
470
1000
1020
1040
1060
1070
Tee
Flange (rigid)
Ancor (nozzle filter unit 1)
Elbow
Ball Valve (rigit)
Flange(rigit)
Flangefilter unit 3
Ancor (nozzle filter unit 2)
2090
3010
3020
3060
3070
4000
4060
4070
Tee
Flange (Rigit)
Ball valve (Rigit)
Flangefilter unit 2
Ancor (nozzle filter unit 2)
Elbow
Flangefilter unit 1
Ancor (nozzle filter unit 2)
Analisa Tegangan Pipa Daily Tank Menuju Filter
Tabel 5 Analisa tegangan pipa
Analisa Gaya dan Momen di nozzledaily tank
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
42
Tabel 6.Gaya dan momen nozzle (OPE1)
Tabel 7.Gaya dan momen nozzle (OPE2)
Analisa Gaya dan Momen di nozzlefilter
Tabel 8.Gaya dan momen nozzle (OPE1)
Tabel 9.Gaya dan momen nozzle (OPE2)
Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa 1 dan 2 Menuju Heat exchanger
Pemodelan Pipa Pompa 1 dan 2 menuju Heat exchanger
Gambar 11 pipa di pompa unit 1 dan 2
Gambar 12 pipa di Heat exchanger
Analisa Tegangan Pipa Dari Pompa 1 dan 2 Menuju HE 1 Dan 2
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
43
Tabel 10 Analisa tegangan pipa
Analisa Gaya dan Momen Nozzle Pompa
Tabel 11Analisa gaya dan momen(OPE1)
Tabel 12Analisa gaya dan momen(OPE2)
Analisa Gaya dan Momen Nozzle Pompa
Tabel 13Analisa gaya dan momen(OPE1)
Maka, hasil analisis resultan gaya dan momen di nozzle pada heat exchanger unit 1 dan unit 2 adalah:
� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat
exchanger unit 1
%!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��<L,FGF,����N� Aman ( √ ) �O�&���&*�I�� P ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� P BLBKGKE��N� Gagal ( X )
� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2 %!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��<LFKGF�����N� Aman ( √ ) �O�&���&*�I�� P ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� P BB�BGE,��N� Gagal ( X )
Tabel 14Analisa gaya dan momen(OPE2)
Maka, hasil analisa resultan gaya dan momen bending di nozzle pada heat exchanger unit 1 dan unit 2 adalah:
� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 1
%!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��,KBBGER����N� Aman ( √ ) �O�&���&*�I�� J ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,B<KGQR��N� Aman ( √ )
� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2 %!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��,KB�GRE����N� Aman ( √ ) �O�&���&*�I�� J ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,KKEGBE��N� Aman ( √ )
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
44
Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa Unit 3 dan 4 Menuju HE
Pemodelan Pipa Dari Pompa Unit 3 Dan 4 Menuju HE
Gambar 13 Pipa pompa unit 3 dan 4
Gambar 14 Pipa pompa unit 3 dan 4
Analisa Tegangan Pipa Pompa Unit 3 dan 4 Menuju HE
Tabel 15 Analisa tegangan pipa
Analisa gaya dan momen Nozzle pompa
Tabel 16 Analisa gaya dan momen(OPE1)
Tabel 17 Analisa gaya dan momen(OPE2)
Analisa Gaya dan Momen di Nozzle Heat exchanger
Tabel 18 Analisa gaya dan momen(OPE1)
Maka,hasil analisis resultan gaya dan resultan momen bending di nozzleheat exchanger unit 1 dan unit 2 dengan nilai yang diizinkan adalah: � Resultan gaya dan momen bending
pada nozzle pada heat exchanger unit 1 %!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��E�<RG�E����N� Aman (√ ) �O�&���&*�I�� P ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� P BR�<GRE��N� Gagal ( X )
� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2 %!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ��,KB�GRE����N� Aman (√ ) �O�&���&*�I�� J ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,B<KGQR��N� Aman ( √ )
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
45
Tabel 19 Analisa gaya dan momen(OPE2)
Maka,hasil resultan gaya dan momen bending di nozzleheat exchanger unit 1 dan unit 2 adalah:
� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 1 %!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ���B<FGL,����N� Aman ( √ ) �O�&���&*�I�� J ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,LLLG,��������N� Aman ( √ )
� Resultan gaya dan momen bending pada nozzle pada heat exchanger unit 2
%!�&���&*�I�� J ��%!�>&I?&2 �K<BLAE��M�� J ���B<FGFB����N� Aman ( √ ) �O�&���&*�I�� J ���O�>&I?&2 ��<QFALE��N�� J ,RBQGEL��N� Aman ( √ )
5. Kesimpulan 1. Adapun kesimpulan dari tegangan
yang terjadi pada sistem pemipaan ini adalah: a. Pada pipa penyalur dari daily
tank menuju filter nilai tegangan yang terbesar sebesar 51801.6 KPa.
b. Pada pipa penyalur pompa unit 1 dan 2 menuju heat exchanger unit 1 dan 2 nilai tegangan yang tertinggi sebesar 71999.5.
c. Pada pipa penyalur pompa unit 3 dan 4 menuju heat exchanger unit 1 dan 2 nilai tegangan yang tertinggi sebesar 72609.3 KPa.
d. Sistem pemipaan marine fuel oil dari daily tank menuju heat exchanger tidak mengalami tegangan berlebih(overstress).
2. Analisa gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan ini dapat disimpulkan: a. Gaya dan momen di nozzle
untuk daily tank tidak ada melebih batas allowable
b. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk filter unit 1,2,3 dan 4 tidak ada melebih batas allowable.
c. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk pompa unit 1,2,3 dan 4 tidak ada melebih batas allowable.
d. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk heat exchanger 1 dan 2 , pada kondisi OPE 1
dalam kondisi ,FFST�terjadi resultan momen bending yang melewati kondisi yang diizinkan(pipa dari pompa unit 1 dan 2)
e. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk heat exchanger 1 dan 2 , pada kondisi OPE 1
dalam kondisi ,FFST�terjadi resultan momen bending yang melewati kondisi yang diizinkan.(pipa dari pompa unit 3 dan unit 4)
f. Momen yang berlebih ini tidak berpengaruh dengan kondisi sekarang, karena momen yang berlebih hanya terjadi pada kondisi operasi dengan temperatur design bukan teperatur kerja sebenarnya.
DAFTAR PUSTAKA [1] API Std 610. 2004. Centrifugalg
Pumps for Petrolium, Petrochemical and Gas Industries. USA: Americal Petrolium Institute.
[2] ITT Grinnell Industrial. 1981. Piping Design and Engineering. New York: ITT Grinnell Press.
Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035
46
[3] Helguero M, Victor. 1986. Pipe Stress Handbook. Texas: Gulf Publishing Company.
[4] Peng, Ling-Chuan, dan Tsen Long Peng. 2009. Pipe Stress Engineering. USA: ASME Press
[5] The American Society of Mechanical Engineering. 2010. ASME B31.3 Process Piping. New York: ASME Press.