ANALISA TEGANGAN PIPA PADA TURBIN RCC OFF GAS TO PROPYLENE PROJECT ( ROPP ) PERTAMINA BALONGAN MENGGUNAKAN PROGRAM CAESAR II 5.10
Abstrak Telah dilakukan analisa tentang tegangan pipa pada turbin Rcc Off Gas to Propylene Project ( ROPP ) PERTAMINA Balongan dengan menggunakan software CAESAR II 5.10. Analisa ini bertujuan untuk memastikan bahwa sistem perpipaan inlet dan exhaust pada turbin E802552 ROPP telah pada kondisi aman apabila akan diinstalasi dan diopersikan, menurut code dan standard international yang digunakan. Data berupa gambar isometrik line pipe inlet dan exhaust turbin E802552 ROPP, yang kemudian dimodelkan di software CAESAR II 5.10 untuk dianalisa. Besar nilai rasio tegangan pipa dan beban yang dialami nozzle pada sistem perpipaan inlet dan exhaust turbin E802552 ROPP telah berada di bawah batas nilai yang diijinkan ( allowable ), maka dapat disimpulkan bahwa sistem perpipaan pada turbin E802552 ROPP telah pada kondisi aman apabila akan diinstalasi maupun dioperasikan. Kata kunci: : CAESAR II 5.10, turbin, inlet, exhaust, sistem perpipaan, tegangan, nozzle. 1. Pendahuluan Sistem perpipaan berfungsi sebagai media untuk mengalirkan suatu fluida kerja dari suatu sistem komponen ke komponen lainnya. Sistem perpipan ini harus mampu menahan semua beban yang bekerja, yaitu beban yang besarnya tetap sepanjang waktu (beban statik) maupun beban yang
berubah-ubah menurut waktu (beban dinamik).
fungsi
Kemampuan sistem perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menimbulkan kegagalan dikenal sebagai fleksibilitas sistem 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 ekspansi termal dan kontraksi, pergerakkan dari penyangga dan titik persambungan pada sistem perpipaan tidak akan menyebabkan:
ROPP itu dioperasikan adalah dengan cara memodelkan sistem perpipaan pada turbin ROPP dengan menggunakan program CAESAR II 5.10. 2. Tinjauan Pustaka Analisa Tegangan Pipa adalah suatu metode terpenting untuk meyakinkan dan menetapkan secara numerik bahwa sistem perpipaan dalam engineering adalah aman. Tegangan yang tejadi pada sistem perpipaan dapat dikelompokkan menjadi dua kategori, yakni Tegangan Normal ( Normal Stress ) dan Tegangan Geser ( Shear Stress ).
1. Kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan ( overstress ). 2. Kebocoran pada sambungan 3. Beban nozzle yang berlebihan ( overload ) pada equipment (contohnya:pompa dan turbin) Tegangan normal terdiri dari yang dihasilkan akibat gaya dan momen pada sistem tiga komponen tegangan, yaitu: 1. Tegangan Longitudinal perpipaan. ( Longitudinal Stress ), yaitu tegangan yang searah dengan Peninjauan sistem perpipaan panjang pipa. adalah aman apabila beban 2. Tegangan Tangensial atau tegangan yang terjadi Tegangan Keliling mempunyai nilai rasio lebih (Circumferential Stress atau kecil atau sama dengan 1 dari Hoop Stress), yaitu tegangan harga yang diijinkan (allowable), yang searah dengan garis sebagaimana telah ditetapkan singgung penampang pipa. dalam Code dan Standard 3. Tegangan Radial ( Radial Internasional yang telah Stress ), yaitu tegangan yang ditentukan. searah dengan jari-jari Untuk mensimulasikan penampang pipa. keadaan yang mungkin terjadi pada saat sistem perpipaan turbin
Tegangan Geser terdiri dari dua komponen tegangan, yaitu: 1. Tegangan Geser (Shear Stress), yaitu tegangan akibat gaya geser. 2. Tegangan Puntir atau Tegangan Torsi (Torsional Stress), yaitu tegangan akibat momen puntir pada pipa. Code dan Standard Code adalah Dokumen yang mengatur persyaratan persyaratan minimal dari suatu desain, material, fabrikasi, instalasi, pengetesan, inspeksi dalam sistem perpipaan. Standard adalah Dokumen yang mengandung peraturan desain dan konstruksi dan persyaratan individu dari komponen perpipaan seperti pipa, elbow, fitting, flange, valve, gasket dll. Pemakaian Code dan Standard tersebut harus sesuai dengan proses pada sistem perpipaan yang digunakan. Prioritas utama apabila hendak melakukan suatu analisa flexibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan adalah harus memenuhi persyaratan Code yang benar. Batasan-batasan dalam Code dan Standard dapat dikelompokkan menjadi dua bagian, yakni batasan yang
berhubungan dengan tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan, dan batasan beban ( gaya dan momen ) yang terjadi pada nozzle equipment akibat beban operating dan sustain sistem perpipaan. Pada sistem perpipaan ada dua dasar mode kegagalan ( failure ) yaitu kegagalan tegangan sustain (primer) dan kegagalan tegangan expansi ( sekunder ). ANSI/ASME B31.1 adalah jenis code yang digunakan dalam analisa tegangan pada system power piping (perpipaan daerah proses atau sekitar proses contohnya: turbin dan reaktor). Nilai aktual terhadap batasan yang diijinkan dalam sistem ANSI/ASME B 31.1 pada setiap pembebenan dapat ditulis secara matematik sebagai berikut: a) Beban Sustain Tegangan yang terjadi (actual) pada beban sustain (tekanan, berat, dan beban mekanik sustain yang lain) dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: 0.75 4 1.0 … 2.1
0.75 1000 4 1.0 … 2.2
b) Beban Occasional Tegangan yang terjadi (actual) diakibatkan oleh adanya kombinasi tekanan, berat, beban sustain yang lain, dan beban occasional termasuk gempa dapat dilukiskan sebagaimana persamaan di bawah ini: 0.75 0.75 4 ! … 2.3 0.75 1000 4 0.75 1000 ! … 2.4
Untuk meyakinkan bahwa tegangan yang terjadi adalah masih memenuhi, maka diperlukan conservative values of stress check sebagai katalisator. Katalisator ini merupakan tegangan akibat gabungan beban sustain dan beban ekspansi termal, )* # yang dinyatakan dalam persamaan di bawah ini : 0.75 + )* # $ 4 & … 2.7
)* # 0.75 + $ 1000 1000 4 & … 2.8
Dimana: I= Faktor intensifikasi tegangan
c) Beban Ekspansi
3
Stress yang terjadi (actual) diakibatkan oleh adanya thermal expansion (penjalaran termal) atau kombinasi displacement pada equipment nozzle dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : # $ % & ' 2.5 # $ 1000 % & ' 2.06
d) Beban Sustain Ekspansi Termal
dan
Z= Section modulus pipa (in ) = 2
3
rm tnπ (mm ) Do= Diameter luar, in (mm) tn=Tebal dinding nominal, in (mm) P=Tekanan internal rancang, psi (kPa) Ma=Resultan beban momen akibat beban sustain, in-lbs (N.m) M =Jumlah beban momen akibat b beban
occasional,
termasuk
beban gempa, beban dorong dari relief/safety valve, in-lbs (N.m) Mc=Range dari jumlah momen akibat thermal expansion/contraksion,in-lbs (N.m) K = 1.15 untuk beban occasional yang bekerja kurang dari 10% periode operasi K = 1.20 untuk beban occasional yang bekerja kurang dari 1% periode operasi S =Tegangan longitudinal akibat ls
beban sustain, psi (kPa) S =Teg. ekspansi termal akibat e
ekspansi termal dan pergerakan anchor, psi (kPa) Sls+Se = Teg. longitudinal akibat beban sustain dan tegangan ekspansi termal, psi (kPa) Sa=Allowable stress range untuk expansion stress, psi (kPa) = Sa = f (1.25 Sc + 0.25 Sh) Sc=Basic
material
allowable
stress pada temperatur minimum dari table tegangan ijin, psi (kPa) Sh= Basic material allowable stress pada temperatur maksimum dari Tabel tegangan ijin, psi (kPa) f = Faktor pengurangan stress Standard NEMA SM 23
Ambang batas beban aktual yang diperkenankan untuk nozzle pada turbin telah ditetapkan dalam standard, yaitu Standard NEMA SM 23. Beban aktual yang terjadi dari hasil analisa dengan menggunakan perangkat lunak “Piping Stress” antara lain beban gaya dan momen pada nozzle turbine steam inlet, nozzle exhaust, dan hasil besar beban dan momen kombinasi antara keduanya. Nozzle bisa dikatakan aman apabila besar gaya dan momen yang ditimbulkan oleh sistem perpipaan inlet dan exhaust mempunyai nilai rasio lebih kecil atau sama dengan satu dari beban yang diperkenankan berdasarkan standard NEMA SM23. Perhitungan beban yang diperkenankan pada nozzle turbine steam dapat dinyatakan sebagai berikut : a) Total resultan gaya dan momen yang bekerja pada turbin steam pada sambungan inlet atau exhaust seharusnya nilainya tidak melebihi dari :
3FR + M R ≤ 500De
( 2.9 )
Dimana: FR = resultan gaya (lb) pada sambungan inlet atau exhaust
FR =
(F
2 x
)
+ Fy2 + Fz2 ( 2.10 )
DC = - .'#/ 0 #12*/ 0 untuk DC ≤ 9 ( 2.14 )
MR = Momen resultan (lb-ft) pada sambungan inlet atau exhaust MR =
(M
2 x
+ M y2 + M z2
)
(2.11) De = Dn = Ukuran pipa efektif (inci) pada sambungan inlet atau exhaust apabila diameter kurang dari 8 inci. Untuk ukuran diameter pipa sambungan inlet atau exhaust lebih besar dari 8 inci, maka:
De =
(16 + No min al Diameter ) 3 … … ( 2.12 )
b) Komponen dari resultan tersebut tidak boleh melebihi : Mx = 250 DC Fx = 50 DC Fy = 125 DC My = 125 DC Fz = 100 DC Mz = 125 DC c) Besar resultan kombinasi dari gaya dan momen pada sambungan inlet dan exhaust, seharusnya nilainya tidak melebihi dari :
2FC + M C ≤ 250DC (2.13)
DC =
345678 98:;< = 578 ;>?@AB< = C
……
untuk DC ≥ 9 ( 2.15 ) Dimana: ΣD1 $ D1 EF D1 FGHIJ (2.16) ΣDK $ DK EF DK FGHIJ (2.17)
ΣDL $ DL EF DL FGHIJ (2.18) Σ1 $ 1 EF 1 FGHIJ & DK EF DL EF M…(2.19)
ΣK $ K EF K FGHIJ DK EF & DL EF N…(2.20) ΣL $ L EF L FGHIJ & D1 EF M DK EF N…(2.21) D+ $ 6ΣD1 ΣDK ΣDL … (2.22) + $ 6Σ1 ΣK ΣL …(2.23)
Dengan : FC = Resultan gaya kombinasi dari inlet dan exhaust (lb) X,Y,C = jarak antara nozzle pada inlet dan exhaust MC= Resultan momen kombinasi dari inlet dan exhaust, dan momen yang diperoleh dari gaya (lb-ft) DC = Diameter kombinasi (inci)
Fx = komponen horizontal dari FC yang paralel dengan poros turbin Fy = Komponen vertikal dari FC Fz = Komponen horizontal dari FC pada sudut kanan dengan poros turbin Mx = Komponen dari MC yang berputar pada sumbu horizontal paralel dengan poros turbin My = Komponen dari MC yang berputar pada sumbu vertikal Mz = Komponen dari MC yang berputar pada sumbu horizontal pada sudut kanan dengan sumbu poros turbin. Komponen Fx, Fy, Fz diperoleh dari hasil analisa program CAESAR II 5.10.
Gambar 2.1 Sistem Koordinat pada Standard NEMA
3. Metodologi Data pada jurnal ini diperoleh dari PT.REKAYASA INDUSTRI yang sedang mengerjakan proyek RCC OFFGAS to PROPYLENE(ROP) milik PT.PERTAMINA di Balongan, Kab.Indramayu, Propinsi Jawa Barat. Data – data gambar isometrik yang diperoleh akan diinput-kan pada program CAESAR II 5.10 sebagai metode untuk menganalisa tegangan pipa pada turbin ROPP tersebut. Flow chart metodologi pada gambar 3.1 Case
Node
( HYD W+HP ) ( SUS 1 W+P1 ) ( SUS 2 W+P2 ) ( EXP 1 ) ( EXP 2 )
18 18 18 259 259
Stress ( kg/cm2 ) 8397.6 9402.5 9430.2 533.9 314.2
Allowable ( kg/cm2 ) 2214.4 1202.1 1202.1 2130.8 2130.8
Apabila terjadi overstress pada sistem perpipaan, dilakukan modifikasi pada sistem perpipaan tersebut. Beberapa cara modifikasi pada sistem perpipaan apabila terjadi overstress antara lain: a) Pemberian penyangga (support) pada sistem perpipaan pada program. b)Penambahan Gap ( ruang gerak ) pada penyangga tipe resting, guide atau limit yang sudah ada.
Rasio (%) 379.2 782.1 784.5 25.1 14.7
c)Rerouting pada sistem perpipaan. d)Memasang spring support pada sistem perpipaan. e)Memasang expantiont joint pada sistem perpipaan. 4. Analisa Hasil Data dan Pembahasan Untuk memastikan bahwa sistem perpipaan pada turbin ROPP pada kondisi aman saat diopersikan, maka dilakukan beberapa analisa sebagai berikut: a) Analisa Data Tegangan Pipa Tabel 4.1 Tabel hasil analisa tegangan pipa pada exhaust turbin tanpa penyangga. Tabel 4.2 Tabel hasil analisa tegangan pipa pada inlet turbin tanpa penyangga
Terjadinya tegangan berlebih (overstress) pada sistem perpipaan turbin, dikarenakan sistem perpipaan belum diberi penyangga ( support ), akibatnya beban sistem perpipaan tertumpu pada titik (node) pipa tertentu saja (overload ), dan pipa dapat bergerak bebas tanpa adanya
pembatas saat beroperasi maupun pada saat cycle. Untuk mengatasi tegangan berlebih ( overstress ), maka dilakukan langkah memodifikasi sistem perpipaan tersebut agar tidak terjadi overstress, seperti yang tertulis pada bab III mengenai langkah – langkah memodifikasi sistem perpipaan. Berdasarkan hasil analisa, pada sistem perpipaan turbin ini hanya memakai dua langkah, yaitu yang pertama pemberian penyangga ( support ) pada sistem perpipaan dengan jarak antar support nya berkisar antara 2500 mm sampai 6000 mm, atau lebih kecil lagi apabila terdapat perangkat instrument atau valve yang mempunyai beban cenderung besar. Pemberian penyangga dimaksudkan agar beban yang dialami pada sistem perpipaan tersebut tidak tertumpu pada titik (node) pipa tertentu, yang dapat mengakibatkan overstress pada sistem perpipaan. Beberapa macam penyangga yang digunakan pada kasus ini antara Case
Node
( HYD W+HP ) ( SUS 1 W+P1 ) ( SUS 2 W+P2 ) ( EXP 1 ) ( EXP 2 )
1500 1500 1500 18 18
Stress ( kg/cm2 ) 2861113.3 3378815 3378663 107.4 72
Allowable ( kg/cm2 ) 2214.4 972.6 972.6 1745 1803.2
lain adalah penyangga tanpa pembatas ( resting ) yaitu
Rasio (%) 129202 347398.8 347383.2 6.2 4.0
penyangga yang fungsinya hanya sebagai penyangga beban saja, penyangga penuntun ( guide ) yaitu berfungsi untuk membatasi pergeseran pipa secara lateral, sehingga pipa tidak keluar dari jalur pipa yang sudah ditentukan, dan penyangga stopper ( limit ) yaitu berfungsi sebagai pembatas pergeseran pipa secara aksial. Langkah kedua adalah pemberian ruang gerak ( gap ) pada penyangga, pemberian ruang gerak ini bertujuan untuk membagi beban tegangan pada pipa maupun gaya dan momen pada nozzle dan penyangga selama dioperasikan. Tabel 4.3 Tabel hasil analisa tegangan pipa pada exhaust turbin termodifikasi ( HYD W+HP )
Case
Node 256
Stress ( kg/cm2 ) 236.4
Allowable ( kg/cm2 ) 2214.4
Rasio (%) 10.7
( SUS 1 W+P1 )
256
158.2
1202.1
13.2
( SUS 2 W+P2 )
256
197.2
1202.1
16.4
( EXP 1 )
271
1747.6
2913.6
60
( EXP 2 )
271
1047.3
2913.6
35.9
Tabel 4.4 Tabel hasil analisa tegangan pipa pada inlet turbin termodifikasi Case
Node
( HYD W+HP )
1825
Stress ( kg/cm2 ) 1057.6
( SUS 1 W+P1 )
1825
861.6
972.6
( SUS 2 W+P2 )
1825
567.4
972.6
58.3
( EXP 1 )
2020
1924.4
2131.5
90.3
( EXP 2 )
2680
1335.8
2489.9
53.6
Allowable ( kg/cm2 ) 2214.4
Rasio (%) 48.6 88.6
Dari hasil analisa tegangan pipa yang terjadi pada sistem perpipaan exhaust dan inlet turbin di atas, terlihat bahwa besar nilai rasio tegangan untuk kedua kasus ( SUS dan EXP ) telah berada dibawah batas yang diijinkan berdasarkan code ASME B31.1, maka dapat dipastikan bahwa sistem perpipaan exhaust dan inlet turbin telah aman terhadap pengaruh tegangan pipa. b) Analisa Data Displecement (pergeseran) Pipa Analisa data pergeseran ( displacement ) pipa adalah serangkaian dari analisa tegangan pipa pada sistem perpipaan. Pergeseran pipa pada sistem perpipaan terjadi pada saat keadaan operasi, kondisi seperti itu adalah sesuatu hal yang wajar, namun apabila pergeseran pipa yang cenderung besar, dapat menyebabkan timbulnya tegangan yang berlebih ( overstrees ) pada sistem perpipaan tersebut.
Tabel 4.5 Data displacement terbesar yang terjadi pada sistem perpipaan exhaust turbin termodifikasi No
Node
1 2 3
259 269 200
Arah Sumbu koordinat X Y Z
Pergeseran D ( mm ) 86.124 42.051 20.395
( OPE 1 yaitu sistem perpipaan dalam keadaan operasi dengan temperature 325 ˚C dan bertekanan 7 kg/cm2 )
dengan menganalisa beban gaya dan momen ini, diharapkan tidak ada penyangga yang mengalami pembebanan yang berlebihan ( overload ), karena dapat mengakibatkan terjadinya tegangan pipa pada sistem perpipaan. d) Analisa Nozzle NEMA SM 23 pada Turbin Analisa terakhir untuk memastikan bahwa sistem perpipaan pada turbin ROPP pada kondisi aman apabila akan diinstalasi maupun dioperasikan, yaitu dengan menganalisa nozzle pada turbin dengan standard yang sudah ditentukan yaitu NEMA SM 23.
Tabel 4.6 Data displacement terbesar yang terjadi pada sistem perpipaan inlet turbin termodifikasi No
Node
1 2 3
2714 1629 1999
Arah Sumbu koordinat X Y Z
Pergeseran D ( mm ) 302.780 68.986 -224.627
( OPE 1 yaitu sistem perpipaan dalam keadaan operasi dengan temperature 390 ˚C dan 2 bertekanan 66.93 kg/cm ) c) Analisa Data Gaya dan Momen (Restraint Summary) pada Penyangga ( Support ) dan Nozzle Sistem Perpipaan Analisa beban ini sangat penting fungsinya, karena untuk memastikan bahwa penyangga pada sistem perpipaan mampu menahan beban gaya dan momen yang terjadi saat operasi ( OPE ) maupun pada kondisi tidak beroperasi ( Sustain ), jadi
Tabel. 4.7 Analisa Nozzle Turbin dengan NEMA SM 23
Nozzle
N od e
Fr (lb)
Mr (ft. lb)
3F + M
Allowable ( 925*D )
1
Exhaust
194
Inlet
119 4 198
17 76 56 5
5550
2
40 00 40 10
122
2775
Ra sio (% ) 32. 00 20. 37
Tabel. 4.8 Analisa kombinasi Nozzle Turbin dengan NEMA SM 23 N o
Nozzl e
FC (lb)
MC (ft. lb)
2FC + MC
Allowable ( 463*DC )
Rasi o (%)
1
Komb inasi
274
135 5
1910
3103
61.3 1
Dari hasil perhitungan analisa nozzle kombinasi pada tabel di atas, terlihat bahwa beban yang dialami nozzle telah berada dibawah batas nilai yang diijinkan, dengan nilai rasio kombinasi 61.31 %. Dengan melihat hasil tersebut, maka dapat dipastikan bahwa nozzle pada sistem perpipaan turbin telah aman untuk dioperasikan. 5. Kesimpulan Nilai rasio tegangan pipa, beban gaya dan momen nozzle pada sistem perpipaan turbin dengan nomer seri E802552 ( ROPP ) PERTAMINA balongan secara keseluruhan telah berada dibawah batas nilai yang diijinkan (allowable), maka dapat dipastikan bahwa sistem perpipaan tersebut pada kondisi aman apabila akan diinstalasi maupun dioperasikan.
Daftar pustaka Ervin L. Geiger,( 1978 ) Chapter Piping Components, dalam Mohinder L. Nayar ed Piping Handbook 7th Edition. Chamsudi. Achmad.,( 2005 ), Piping Stress Analysis, Badan Tenaga Nuklir Nasional PUSPITEK Serpong Kannappan. Sam ,P.E., ( 1986 ), Introduction to Pipe Analysis, John Wiley and Sons, Inc, New York. National Electrical Manufacturers Association. Publication No. SM 23, ( 1979 ), Sec. SM 23,8.06, Steam Turbine for Mechanical Drive Service. Nayyar. Mohinder L., ( 2000 ), Pipinghandbook, McGraw-Hill, United State of America. NEMA SM 23, ( 1991 ) ASME B31.1, ( 1998 ) Smith,( 1978 ), Piping and Pipe Support System, , McGraw-Hill, United State of America. www.rekayasa.co.id/intranet.
