Jurnal Tugas Akhir ANALISA TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN AIR FIN COOLER PADA PROJECT PETROCHEMICAL COMPLEX PT TRANS PASIFIC PETROCHEMICAL INDOTAMA-TUBAN Siti Makkatur Rohmah1, Achmad Chamsudi2 , Agoes Soetijono3 1Mahasiswa Fisika FMIPA ITS, 2Staf PRPN BATAN, 3Staf Pengajar Fisika FMIPA ITS
ABSTRAK Salah satu cara untuk meningkatkan produktivitas dengan tidak mengganggu proses produksi yaitu dengan menambahkan air fin cooler dan tanpa merubah konfigurasi sistem perpipaan. Hal ini tentunya akan mengakibatkan pipa mendapatkan beban dinamis yang lebih besar dari sebelumnya sehingga berpotensi terjadi stress yang melebihi limitasi yang akhirnya bisa menyebabkan pipa mengalami kegagalan. Dalam penelitian ini dilakukan suatu kajian mengenai penambahan air fin cooler di sekitar daerah operasi. Analisa dilakukan dengan pemodelan secara numerik untuk analisa kekuatan pipa secara statis dengan menggunakan software CAESAR 5.II. CAESAR 5.II mempunyai kemampuan dalam memberikan gambaran visual yang baik. Adapun gambaran yang disajikan oleh program Caesar ini berupa bentuk sistem perpipaan maupun hasil analisa mengenai tegangan, gaya, displacement dan momen yang terjadi serta melaporkan terjadinya overstress pada sistem perpiapaan yang akan dianalisa. Pada analisa didapatkan model sistem perpipaan yang sesuai dengan standart dan code ASME B.31.3 serta API 661 untuk heat exchanger dan API 610 untuk pompa. Kata kunci: air fin cooler, stress, CAESAR 5.II
1. PENDAHULUAN PT. Trans Pasific Petrochemical Indotama (PT TPPI) - Tuban merupakan perusahaan industri petrokimia hulu terpadu yang pembangunannya dilakukan sejak 1995. PT TPPI ini mulai memproduksi produk aromatik dan bahan bakar minyak secara komersial setelah pembangunan industri petrokimia hulu mengalami penundaan sejak 1998. Selain itu juga, PT TPPI-Tuban sebagai salah satu perusahan petrokimia yang kini juga bekerja sama dengan PT PERTAMINA (Persero) untuk memasok Premium RON 88 untuk keperluan distribusi di Jawa Timur. Oleh karena itu, PT TPPI berupaya untuk meningkatkan produktivitasnya dengan cara menambahkan air fin cooler tetapi dengan tidak mengganggu sistem perpipaan yang sudah ada sehingga diharapkan perusahaan akan mendapat keuntungan yang lebih. Dalam suatu plant, sistem perpipaan sangat penting sebagai media untuk mengalirkan suatu fluida kerja dari suatu sistem komponen ke komponen lainnya. Sistem perpipaan ini harus mampu menahan semua beban yang bekerja baik beban yang besarnya tetap sepanjang waktu (beban statik) maupun beban yang berubah-ubah menurut fungsi waktu (beban dinamik). Kemampuan sistem perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menimbulkan kegagalan yang dikenal sebagai fleksibilitas sistem perpipaan. Analisa fleksibilitas dan stress analisa merupakan analisa perlu dilakukan untuk
memastikan bahwa sistem perpipaan pada kondisi operasi yang aman. Sistem perpipaan harus mempunyai fleksibilitas yang cukup sehingga ekspansi termal dan kontraksi atau pergerakkan dari supports dan titik persambungan tidak akan menyebabkan : a. Kegagalan dari pipa atau support dari overstress atau fatique. b. Kebocoran pada sambungan. c. Distorsi pada pipa atau pada titik sambungan equipment (contohnya pompa, bejana, atau katup) yang dihasilkan akibat gaya atau momen pada pipa. 2. DASAR TEORI 2.1 Tegangan Tegangan adalah intensitas gaya yang tegak lurus atau normal terhadap irisan disebut tegangan normal (normal stress) pada sebuah titik. Klasifikasi tegangan yang terjadi dalam sistem perpipaan secara umum dapat digolongkan menjadi dua yaitu: 1. Tegangan normal terdiri dari tiga komponen tegangan,yaitu: a. Tegangan longitudinal (longitudinal stress), yaitu tegangan yang searah panajang pipa. b. Tegangan tangensial (circumferensial stress atau hoop stress), yaitu tegangan yanga searah garis singgung penampang pipa. c. Tegangan radial (radial stress), yaitu tegangan searah jari-jari penampang pipa. 2. Tegangan geser terdiri dari dua komponen tegangan, yaitu: 1
Jurnal Tugas Akhir
a. Tegangan geser (shear stress), yaitu tegangan akibat gaya geser. b. Tegangan puntir atau tegangan torsi (torsional stress), yaitu tegangan akibat momen puntir pada pipa.
dengan, ∆ = Ekspansi thermal yang dihasilkan (mm) L = Panjang pipa (mm) Α = Koefisien ekspansi thermal (mm/(mm.°C) T = Temperatur pipa (°C)
2.2 Regangan Jika sebuah batang diberikan pembebanan langsung kemudian timbul tegangan, panjang batang akan berubah. Jika panjang awal batang adalah L dan perubahan panjang batang adalah δ L maka regangan adalah hasil dari sebagai berikut : Perubahan Panjang δ L Regangan (ε) = = L (1) Panjang Awal
2.7 Pembebanan Pada perhitungan analisa tegangan yang diakibatkan perubahan temperatur maka akan mengembang dan timbul tegangan. Perumusan tegangan ini pada ASME B31.3 sebagai berikut:
S a = f (1, 25 S c + 0 , 25 S h )
Nilai f didapat dari Tabel 2.3 sebagai berikut: Tabel 2.1 Nilai faktor pengurang tegangan (f)
2.3 Hukum Hooke Selama material dalam batas elastisitas, deformasi yang dihasilkan oleh berbagai pembebanan akan secara menyeluruh pulih kedalam keadaan semula jika beban dihilangkan, dengan kata lain tidak ada deformasi permanen. Hukum Hooke secara sederhana dapat ditulis: (2)
Konstanta diberikan simbol E yang dinamakan modulus elastisitas atau modulus Young sehingga : σ F δL PL (3) = ÷ = E = A
A δL
L
ν =
lateral
regangan
aksial
= −
Nilai aktual terhadap batasan yang diijinkan pada setiap pembebanan dapat dijelaskan sebagai berikut : a) Beban Sustain Stress yang terjadi pada beban sustain merupakan jumlah stress longitudinal S akibat
regangan
lateral
regangan
aksial
efek tekanan, berat, dan beban sustain yang lain dengan tidak melebihi dari S . h
Dapat dinyatakan dalam bentuk matematis sebagai berikut: PD F ax + + (S b2 + 4 S t2 ) + S L ≤ S h (6) 4 tn
A
b) Beban Occasional Stress yang terjadi pada beban occasional merupakan jumlah stress longitudinal akibat tekanan, berat, dan beban sustain lain serta stress yang dihasilkan oleh beben occasional misalnya angin atau gempa. Stress ini tidak boleh melebihi 1.33S . F ax + A
2.6 Ekspansi Thermal Ekspansi thermal adalah perpanjangan karena pengaruh suhu secara paralel dengan arah panjang pipa (arah aksial). Dapat dihitung dengan cara sebagai berikut: T
hot
∫α T
dT
(S
2 b
+ 4 S t2
)+
h
S
L
≤ Sh
(7)
c)
Gambar 1 Perbandingan possion pada batang.
∆ = L
F 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
l
2.4 Perbandingan Poisson (Poisson’s Ratio) Perbandingan Poisson adalah hubungan konstan antara regangan lateral dengan regangan aksial. Selama bahan tetap elastis, homogen dan isentropis. Perbandingan Possion ditunjukkan sebagai berikut: regangan
Siklus (N) <7000 7000-14000 14000-22000 22000-45000 45000-100000 >100000
(ASME B31.3. Process Pipping. ASME. 2002)
Tegangan σ = = kons tan Re gangan ε
ε
(5)
(4)
Beban Ekspansi Stress yang diakibatkan oleh adanya expansi termal dan atau displacement (pergeseran) S akan dihitung sebagai berikut :
(S
Se =
Se =
1 Z
Se =
1000 Z
e
2 b
+ 4 S t2
(i i M i )2
)≤
S
(8)
a
+ (i o M
o
)2
+ M
2 t
(9)
cold
(i i M i )2
+ (i o M
o
)2
+ M
2 t
(10)
2
Jurnal Tugas Akhir
dengan : S
Sb =
S
(i i M i )2
=
b
t
+ Z
(i o M
(i i M i )2
1000
o
)2
+ (i o M
(11) o
)2
(12)
Z
M t 2 Z
=
psi
atauS = 1000 M t
t
kPa
2Z
Stress limit displacement dapat diberikan sebagai berikut: S e ≤ S a dan S
a
= f .(1 , 2 S c + 0 . 25 S
h
) ,psi(kPa)
2.8 Air Fin Cooler Fin Udara dingin atau Air Cooled Condenser, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.30 adalah sebuah sistem di mana udara kering digunakan sebagai media pendingin. Proses melibatkan pompa pendingin melalui tabung bersirip di atap kondensor pendinginan gedung dan memaksa udara keluar melalui atap. Ini adalah sistem yang relatif tidak efisien namun itu optimum kasus di mana suplai air tidak tersedia dengan cukup. Berikut ini bagianbagian dari komponen heat exchanger air cooler:
(13)
(2.32)
dengan : = resultan tegangan akibat beban lentur, psi b S = tegangan puntir, psi
S
t
M
i
= in-plane bending moment, in-lb
M
= out-of-plane bending moment, in-lb
i
= in-plane stress intensification factor
o
i
i o
Z S
a
= out-of-plane stress intensification factor
psi Sc = dingin Sh = tertentu f = S = l
Gambar 2.26 Komponen Heat
3
= section modulus of pipe, in = allowable stress untuk ekspansi termal, Gambar 4 Komponen heat exchanger untuk air fin cooler
tegangan pada pipa dalam keadaan
3.
tegangan pada pipa dalam keadaan suhu faktor pengurangan stress stress sustain yang terhitung, psi
METODOLOGI Metode yang dipakai dalam analisa tegangan pada penelitian ini adalah metode manual untuk menganalisa apakah tegangan yang terjadi masih dalam kategori allowable sesuai dengan code dan standart ASME B.31.3 serta API 661 untuk heat exchanger dan API 610 untuk pompa. Analisa dilakukan dengan bantuan software perpipaan yakni CAESAR 5.II 3.1 Data Tabel 3.1 Nomor Jalur Pipa Nomor Perhitungan
Gambar 2 Momen pada belokan
Nomor Jalur 4"- P-291115-A2A4-HC65
TPPI-CA-01-R1
6"- OF-12000562-A2A4-PP40 6"- OF-12000562-A2A4-ST40
Gambar 3 Momen pada percabangan
Gambar 5 Sistem Perpipaan TPPI-CA-01-R1
3
Jurnal Tugas Akhir
3.2 Komponen Bahan Pipa Pada sistem perpipaan ini menggunakan properties sebagai berikut : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Bahan Pipa Berat Jenis Pipa Suhu sekitar Faktor korosi (c) NPS SCH Material Temp Design Temp Operating Pressure Design Pressure Operating Pressure Hydrotest Density Fluid Insulation Insul Thick
: A53 Grade B : 7833,4399 kg/m3 : 26°C : 3 mm : 6” dan 4” :40 : A53 Grade B : 365°C : 120°C : 17 (kg/cm2) : 11.4 (kg/cm2) : 30.8 (kg/cm2) : 655 (kg/m3) : 132 (kg/m3) : 50 (mm)
3.3 Pemodelan Struktur
3.4 Analisa Nozzle pada Equipment (Air Fin Cooler dan Pompa) Setelah kita mendapatkan data besaran tegangan pada sistem perpipaan di area air fin cooler, kemudian dilanjutkan menganalisa displacement serta restraint yang terjadi. Kemudian dilanjutkan dengan menganalisa beban aktual yang diperbolehkan pada masingmasing nozzle yang ada pada air fin cooler. Proses analisa dapat dilakukan dengan memilih toolbox yang ada pada software CAESAR 5.II yang disesuaikan dengan standard dan code yang digunakan yakni API 661 untuk heat exchanger air fin cooler dan API 610 untuk pompa. Langkah selanjutnya adalah melakukan running. Jika output yang dihasilkan masih gagal karena besar momen dan gaya yang dihasilkan dari pemodelan melebihi batasan allowable dari code dan standard yang digunakan maka model yang sudah dibuat hasus dievaluasi lagi. Hasil running dapat dilihat dalam menu general post processor. Kemudian dari hasil running ini dilakukan analisa dan pembahasan.
Gambar 6 Gambar isometris TPPI-CA-01-R1 sebelum dilakukan analisa tegangan
Dan untuk menganalisa tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan di area air fin cooler, terlebih dahulu struktur dimodelkan sesuai dengan keadaan di lapangan dengan bantuan software CAESAR 5.II. Tahapan selanjutnya setelah pemodelan adalah melakukan analisa tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan. Jika sistem tersebut mengalami overstress maka harus dilakukan perubahan pada model. Berikut ini adalah Gambar tampilan pemodelan setelah dilakukan analisa tegangan pada sistem perpipaan diarea air fin cooler
Gambar 7 Gambar isometris TPPI-CA-01-R1 setelah dilakukan analisa tegangan
Gambar 8 Gambar isometris TPPI-CA-01-R1 sebelum dilakukan analisa
4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Analisa Statis dengan CAESAR Analisa piping stress adalah suatu cara perhitungan tegangan (stress) pada pipa yang diakibatkan oleh beban statis yang merupakan efek resultan dari gaya gravitasi, perubahaan temperatur, tekanan di dalam dan di luar pipa, jumlah debit fluida yang mengalir di dalam pipa dan pengaruh gaya seismic. Dalam stress analysis CAESAR menggunakan code ASME B31.3 sebagai perhitungan beban yang bekerja pada piping system yaitu kondisi sustain, kondisi operasi, kondisi hydrotes serta kondisi ekspansi dengan tujuan akhir diperoleh nilainilai beban tersebut harus di bawah allowablenya.
4
Jurnal Tugas Akhir
4.1.1 Hasil Analisa Tegangan Nomor Perhitungan TPPI-CA-01-R1 Dari pemasukan data isometris nomor perhitungan TPPI-CA-01-R1 yang telah didapatkan dari PT TPPI, dapat diketahui nilai tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan. Analisa tegangan yang diperoleh dibandingkan dengan code ASME B31.3 hanya terdapat pada kasus pembebanan Sustain, Operasi dan Expansion. Hasil perhitungan tegangan terbesar yang didapat dari analisa statis menggunakan program CAESAR II, diperlihatkan pada Tabel 4.3.
Dalam kasus pembebanan Operating, dan Sustain
Hydrotest,
Gaya dan Momen pada pembebanan Hydrotest pada sistem perpipaan dengan nomor perhitungan TPPI-CA-01-R1.
Gaya dan Momen pada pembebanan Operating pada sistem perpipaan dengan nomor perhitungan TPPI-CA-01-R1.
Gaya dan Momen pada pembebanan Sustain pada sistem perpipaan dengan nomor perhitungan TPPI-CA-01-R1.
Tabel 4.3 Hasil Analisa Tegangan Nomor Perhitungan TPPI-CA-01-R1 Case
Node
(Hyd) (Sus) (Sus) (Exp) (Exp)
270 430 430 470 470
Stress (kg/cm2) 1111.9 1316.8 1263.7 1371.1 1159.4
Allowable (kg/cm2) 2460.5 1167.7 1167.7 2947.7 2988
Persentase (%) 45.2 112.8 108.2 46.5 38.8
Dari Tabel 4.3 menunjukkan bahwa tegangan yang terjadi pada nomor perhitungan TPPI-CA-01-R1 mengalami overstress. Suatu tegangan aman jika tegangan aktual yang terjadi tidak melebihi material allowable stress yang telah ditentukan code ASME B31.3. Dapat terlihat dari Tabel 4.3 bahwa tegangan aktual yang terjadi pada kondisi sustain telah melebihi 100% material allowable stress ASME B31.3. Oleh karena itu dibutuhkan analisa lebih lanjut sehingga tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan dengan nomor perhitungan TPPI-CA01-R1 tidak mengalami overstress. Berikut ini adalah tabel hasil perhitungan tegangan terbesar yang didapat dari analisa statis menggunakan program CAESAR II, setelah dilakukan analisa lebih lanjut: Tabel 4.4 Hasil Analisa Tegangan Nomor Perhitungan TPPI-CA-01-R1 Case Node Stress Allowable Persentase (kg/cm2) (kg/cm2) (%) (Hyd)
358
385.8
2460.5
(Sus)
430
770.5
1167.7
15.7 66
(Sus)
430
717.4
1167.7
61.4
(Exp)
8298
1362.7
2849.4
47.8
(Exp)
8298
1280.9
2889.6
44.3
4.4.2 Hasil Analisa Momen dan Gaya Nomor Perhitungan TPPI-CA-01-R1 Analisa gaya dan momen diperlukan sebagai masukan untuk melanjutkan ke analisa API 661 dan API 610 untuk mengetahui allowable pada sistem perpipaan pada nozzle air fin cooler dan nozzle pompa . Berikut adalah grafik gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan dengan nomor perhitungan TPPI-CA-01-R1.
4.4.3 Hasil Analisa Displacement Nomor Perhitungan TPPI-CA-01-R1 Dalam sistem perpipaan bekerja bebanbeban (beban operating, beban sustain, beban expansion) maka terjadi defleksi pada pipa sehingga terjadi pergeseran nodal (displacement) pada sistem perpipaan.
5
Jurnal Tugas Akhir
Tabel 4.5 Hasil Analisa Displacement Nomor Perhitungan TPPI-CA-01-R1 Node Case (Hydrotest)
(Sustain)
(Sustain)
(Operasi)
(Operasi)
(Ekspansi)
(Ekspansi)
Displacement Orientasi
Nilai (mm)
8404
DX
-1.762
8000
DY
-11.794
7998
DZ
2.665
8005
DX
-1.724
8000
DY
-11.084
7998
DZ
2.542
8005
DX
-1.724
8000
DY
-11.084
7998
DZ
2.542
8499
DX
58.838
289
DY
30.747
8200
DZ
51.223
8499
DX
56.930
289
DY
27.395
8200
DZ
46.898
8499
DX
58.682
289
DY
29.994
8200
DZ
52.662
940
DX
56.774
289
DY
26.642
8200
DZ
48.336
4.4.4 Hasil Analisa Nozzle Air Fin Cooler Nomor Perhitungan TPPI-CA-01-R1 Batasan beban aktual yang diperbolehkan pada masing-masing nozzle yang tersambung dengan air fin cooler telah ditetapkan dalam standard, yaitu standard API (American Petroleum Institute) 661 untuk heat exchanger air fin cooler. Beban aktual yang terjadi dari hasil analisa dengan menggunakan CAESAR II dapat disebut sebagai beban yang diperkenankan pada nozzle Air fin cooler apabila beban-beban tersebut baik ditinjau sebagai beban individu masing-masing nozzle maupun beban sebagai kombinasi terhadap pusat gravitasi atau pada nozzle pembuangan (outlet nozzle) adalah keduanya lebih kecil dari beban yang diperkenankan berdasarkan standart API 661. Perhitungan individual dan gabungan (kombinasi) API 661 tidak dapat dipisahkan dan merupakan satu kesatuan yang harus dipenuhi oleh sistem perpipaan air fin cooler. Dari analisa diperoleh besarnya gaya dan momen yang diterima oleh nozzle pada air fin cooler dan nozzle pompa. Gaya dan momen tersebut kemudian dibandingkan dengan gaya dan momen maksimum yang diizinkan untuk nozzle pompa dan air fin cooler dengan standard. Hasil analisa yang didapatkan berupa nilai gaya dan momen yang bervariasi untuk
setiap nozzle pada air fin cooler bahkan melebihi batas gaya dan momen yang diijinkan oleh standard API 661. Hal ini disebabkan temperatur operasi pada pipa yang cukup tinggi, yakni 363˚C, sehingga untuk menghindari kegagalan pada sistem perpipaan ataupun overstress pada sistem perpipaan perlu dilakukan modofikasi sistem perpipaan. Dengan memodifikasi jalur pipa atau/dan perubahan letak dan jenis support (penyangga). Selain penyangga statis juga menambahkan support dinamis (penyangga dinamis) yang berupa spring hanger serta melakukan rerouting pipa di sekitar inlet nozzle. Modifikasi ini dilakukan agar gaya yang didistribusi pipa ke nozzle air fin cooler tidak melebihi gaya ijin nozzle. Setelah melalui beberapa kali iterasi modifikasi diperoleh bahwa semua nozzle masuk air fin cooler tidak akan menerima gaya yang melebihi batas ijinnya. Hasil analisa yang diperoleh menunjukkan gaya dan momen yang terjadi pada nozzle air fin cooler untuk arah x, y dan z tidak ada yang melewati batas yang diijinkan. Berarti untuk beban statik tidak akan terjadi kegagalan nozzle air fin cooler. Demikian pula gaya dan momen yang terjadi pada nozzle pompa tidak ada yang melewati batas yang diijinkan untuk arah x, y dan z. Dari analisa jalur pipa di atas kemudian gaya dan momen yang diperoleh disalurkan ke nozzle penukar panas dan pompa. Sedangkan hasil analisa nozzle pompa berhubungan dengan jalur inlet dan jalur outlet, menunjukkan bahwa, nozzle pompa tetap aman, lihat subbab 4.4.5. Disini terlihat bahwa semua gaya maupun momen yang mengenai nozzle penukar panas lebih kecil dari gaya dan momen yang diijinkan. Hal ini menunjukkan bahwa dengan jalur sistem perpipaan dengan nomor perhitungan TPPI-CA-01-R1 telah aman dari beban statik untuk setiap kasus pembebanan.
6
Jurnal Tugas Akhir
DAFTAR PUSTAKA Anonim., 2009, PT Trans Pacific Petrochemical Indotama Bangun Pabrik Paraxylene, (URL: http://industrikimia.com/berita/pttrans-pacific-petrochemical-indotamabangun-pabrik-paraxylene) ASME Code for Pressure Piping, B31.3, 1996, Process Piping, American Society of Mechanical Engineers, New York, including ASME B31.3a–1996 addenda. API Standard 610, 1995, Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industry , American Petroleum Institute, Washington, DC. API Standard 661, 1997, Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Services, American Petroleum Institute, Washington, DC. Chamsudi,Achmad.,2006. “Diktat Piping Stress Analysis” Kursus Analisis Tegangan Pipa, Pusdiklat-Batan, Jakarta. Nayyar,Mohinder L., 2000, Pipinghandbook, McGraw-Hill, United State of America. Nurmayanti, 2009, Pembangunan Pabrik Aromatik TPPI, Dua Perusahaan Minati Pembangunan TPPI, (URL:http://kontan.co.id/bisnis/ DuaPerusahaan-Minati-PembangunanTPPI-.htm)
7
