Jurnal Tugas Akhir
ANALISA VIBRASI PADA VARIASI FLANGE PIPA PENYALUR HIDROKARBON AKIBAT ALIRAN INTERNAL Krishna Kurniawan Ramadhan1, Wisnu Wardhana2, Suntoyo3 1 Mahasiswa Teknik Kelautan, 2,3Staf Pengajar Teknik Kelautan Abstrak Flange pada pipa penyalur hidrokarbon menyebabkan adanya turbulensi aliran fluida di dalam pipa yang mengakibatkan terjadinya getaran (vibrasi). Analisa vibrasi dilakukan untuk mengetahui apakah frekuensi dan amplitudo getaran yang terjadi pada variasi flange yaitu Lap Joint Flange, Slip-On Flange, Socket Weld Flange, Reducing Flange, dan Orifice Flange masih berada pada batas aman atau tidak. Pressure dan velocity diperoleh dari hasil simulasi dengan menggunakan software flow3D, sedangkan untuk mendapatkan frekuensi natural, displacement dan sebaran tegangan von mises digunakan ANSYS Multiphysics. Dari hasil analisa menunjukkan bahwa turbulensi yang terjadi menyebabkan terjadinya getaran pada struktur pada saat beroperasi. Getaran yang terjadi pada flange berdasarkan OM-3 masih dalam batas aman yaitu amplitudo berupa displacement masih kurang dari 2.164 x 10-4 m, dan frekuensi natural kurang dari 134 Hz untuk mode 2. Kata kunci : vibrasi, flange, aliran internal. 1.
PENDAHULUAN
Eksplorasi minyak dan gas bumi semakin meningkat di perairan Indonesia yang memerlukan sarana transportasi yang efektif dan efisien. Penggunaan pipa bawah laut sebagai alternatif transportasi hasil eksplorasi yang harus memiliki tingkat integritas yang tinggi (Soegiono, 2004). Pitting corrosion yang menyebabkan kebocoran pipa kebanyakan terjadi pada flange atau sambungan pipa karena terbentuk ulegan yang terjadi secara kontinyu (Chevron, 2008). Kemudian diadakan suatu penelitian oleh Rouza (2009) mengenai pola aliran yang terjadi pada flange dengan memvariasikan jenis flange dan kecepatan fluida. Fenomena fluida di dalam pipa berkaitan dengan perubahan kecepatannya, jenis aliran (laminar atau turbulen) dan perubahan bentuk penampang pipa. Ketika pipa dialiri fluida yang bersifat turbulen, maka akan terjadi getaran (vibrasi) pada struktur pipa. Jika pipa tersebut tidak kuat maka pipa akan terjadi kegagalan karena beban dinamis yang mengenainya. Getaran (vibrasi) yang terjadi pada variasi flange dikaji dengan meninjau frekuensi dan amplitudo getaran yang terjadi memenuhi batas aman dengan memacu pada ASME OM-3. 2. DASAR TEORI 2.1. Perpipaan Sistem perpipaan selalu dilengkapi dengan komponen-komponen seperti valve, flange, elbow, fitting, bolting, tubes, dll. Menurut Raswari (2007), tipe sambungan pada sistem perpipaan dapat dikelompokkan sebagai berikut: 1. Sambungan langsung (stub in) 2. Menggunakan fitting 3. Menggunakan flange Sambungan pipa menggunakan flange yaitu dengan cara kedua pipa yang akan disambung dipasang
dengan flange kemudian diikat dengan baut (bolt dan nut). Jenis-jenis flange (Parisher, 2002) antara lain: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
weld neck flange threaded flange socket weld flange slip-on flange lap-joint flange reducing flange blind flange orifice flange
2.2. Fluida a. Aliran Laminar Aliran dalam pipa terhadap sumbu z tidak simetris sehingga diperlukan kontrol volume differensial. Bentuk kontrol volumenya adalah bentuk cincin dan dua sumbu yaitu sumbu x dan r (gambar 2.1).
Gambar 2.1 Kontrol Volume Cincin untuk Analisis Aliran dalam Pipa (Swierzawski, 2000) Dengan menyelesaikan persamaan tegangan pada luasan permukaan dalam dan permukaan luar cincin maka akan diperoleh distribusi kecepatan terhadap sumbu r didapat persamaan (2.1): (2.1) Distribusi tegangan geser persamaan (2.2): (2.2) Laju aliran volume adalah persamaan (2.3): 1
Jurnal Tugas Akhir
(2.3) Maka laju aliran volume fungsi penurunan tekanan adalah persamaan (2.4): (2.4) b.
Aliran Turbulen
Pada aliran turbulen tidak dapat diturunkan suatu persamaan umum antara medan tegangan dan kecepatan, sehingga semua persamaan untuk aliran turbulen adalah berdasarkan hasil percobaan. Yamaguchi (2008), hubungan empiris untuk λ dalam hidrodinamika permukaan pipa halus adalah valid untuk jangkauan Reynolds Number yang mengalami aliran turbulen. Hubungan antara kekasaran dengan Reynold Number dapat ditulis dalam persamaan (2.5)
Untuk aliran pipa dengan penampang bundar. Jika tidak ada fluida yang ditambahkan atau dipindahkan, maka volume fluida yang mengalir tiap satuan waktu adalah tetap, dan dapat konstan (white, dirumuskan dengan 1994). Persamaan tersebut adalah persamaan kontinuitas aliran dimana . Jika fluida mengalir di dalam pipa adalah incompressible maka sehingga (2.11) (2.12) Dengan, debit aliran (kg/ ) luas penampang ( ) kecepatan aliran fluida (m/s) 2. Persamaan Momentum Linear Hukum kedua dari Newton untuk suatu sistem, digunakan sebagai dasar guna mencari persamaan momentum linear untuk suatu volume kontrol. (2.13)
(2.5) Kecepatan aliran turbulen dapat ditulis dalam persamaan (2.6) (2.6) Dengan, y = r0 – r , wall distance. n = power index u = average velocity
3. Persamaan Energi Hukum pertama termodinamika untuk suatu sistem yang diberikan kepada menyatakan bahwa panas yang dilakukan sistem dikurangi dengan kerja oleh suatu sistem hanya bergantung pada keadaan awal serta keadaan akhir sistem itu. (2.14)
Untuk tegangan geser adalah persamaan (2.7)
(2.7)
(2.15) Energi intrinsik per massa satuan jarak serta gaya molekular.
disebabkan oleh (2.16)
Laju aliran volume adalah persamaan (2.8)
(2.8) c.
Persamaan-persamaan dasar untuk menganalisis gerakan fluida 1. Persamaan Kontinuitas Persamaan-persamaan kontinuitas dikembangkan dari asas-asas umum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa massa di dalam suatu sistem adalah tetap konstan terhadap waktu,
d. RNG Model model turbulen diturunkan dari RNG persamaan Navier Stokes, menggunakan teknik matematical yang disebut “renormalization group” (RNG). Hasil analisa model dengan konstanta model, ketentuan berbeda dari standard tambahan dan fungsi dalam persamaan transport dan . Persamaan transport untuk RNG untuk model mempunyai bentuk yang hampir sama model : dengan standard
(2.9) Persamaan kontinuitas untuk volume kontrol menyatakan bahwa laju pertambahan terhadap waktu untuk massa di dalam volume kontrol adalah tepat sama dengan laju bersih aliran-masuk massa ke dalam volume kontrol itu. (2.10)
(2.17)
(2.18) Dalam model standard k-epsilon viskositas eddy ditentukan dari skala panjang turbulensi tunggal, 2
Jurnal Tugas Akhir sehingga difusi turbulen yang terjadi dihitung pada skala yang ditentukan. Pendekatan RNG yang merupakan teknik matematika yang dapat digunakan untuk mendapatkan model turbulensi, mirip dengan k-epsilon, hasilnya dalam bentuk yang dimodifikasi dari persamaan epsilon, yang dapat menjelaskan berbagai skala gerak melalui perubahan jangka waktu produksi. 2.3. Getaran (Vibrasi) FIV (Flow Induced Vibration) bisa disebabkan karena adanya sesuatu yang dapat merubah aliran laminar menjadi aliran turbulen. Aliran turbulen inilah yang menyebabkan pipa mengalami vibrasi (getaran).
• Velocity • Acceleration Untuk analisa dinamis digunakan perhitungan dynamic response dari struktur yang terkena beban dinamis yang hasilnya berupa displacement, tegangan, regangan, dan gaya pada struktur pipa. Persamaan gerak secara umum untuk analisa dinamis dapat ditulis dalam persamaan (2.19) (2.19) Dengan, (M) = matriks massa (C) = matriks redaman (K) = matriks kekakuan = vektor percepatan = vektor kecepatan = vektor displacement = vektor beban
Getaran adalah suatu gerakan bolak-balik yang mempunyai amplitudo yang sama (Rao, 2004). Beberapa komponen penting pada getaran adalah sebagai berikut: 1. Frekuensi Frekuensi adalah banyaknya jumlah putaran atau gerakan dalam satu satuan waktu. Dinyatakan dalam satuan Hertz (Hz). 2. Amplitudo Amplitudo adalah simpangan terbesar dari titik normalnya. Amplitudo dapat dapat berupa : (1) Perpindahan (displacement) (2) Kecepatan (velocity) (3) Percepatan (acceleration) (4) Sudut Fase (phase angle) Sudut fase dapat diartikan sebagai perbedaan amplitudo dalam satu frekuensi. Analisa Vibrasi dapat didefinisikan sebagai studi dari pergerakan osilasi, dengan tujuan mengetahui efek dari vibrasi dalam hubungannya dengan performance dan keamanan sebuah sistem dan bagaimana mengontrolnya (Medio, 2008).
2.4. Vibrasi perpipaan yang diijinkan Berdasarkan teori yang digunakan pada ASME Operations and Maintenance Standards/Guides Part 3 untuk menghitung vibrasi pada operasi steady state, dapat menggunakan nomogram yang telah dikembangkan. Nomogram dapat digunakan untuk analisa jika frekuensi natural cocok dengan perhitungan frekuensi natural pada span. Ini membutuhkan asumsi-asumsi digunakan untuk perhitungan vibrasi akibat stress yang valid. Dynamic stress maksimum dapat dihitung menggunakan perhitungan vibration displacement maksimum dan stress intensity factors C2K2 yaitu 5.12. Vibration Amplitude maksimum yang diijinkan dapat dibaca secara langsung dari harga stress per mil. Nomogram ini memperbolehkan analisis untuk perhitungan cepat pada sistem perpipaan untuk perhitungan span yang mempunyai batas keamanan yang cukup. 2.5. Penggunaan Nomogram: 1. Menentukan frekuensi span pipa. Persamaan yang digunakan didalam nomogram yaitu: (2.20) dengan :
Gambar 2.2. Deskripsi Vibrasi Sederhana (Medio,2008) Seperti gambar 2.2, ketika massa ditarik kebawah lalu dilepaskan maka akan terjadi gerakan osilasi sampai periode tertentu. Dibutuhkan sedikit energi untuk menimbulkan frekuensi natural dari sebuah sistem, seperti halnya sebuah struktur yang ingin merespon frekuensi tertentu. Hasil dari vibrasi dapat berupa: • Displacement
= frekuensi (Hz) = Frekuensi faktor = outside diameter (inch) = panjang span (ft)
Untuk perhitungan pertama adalah menentukan frekuensi natural. Pertama dengan menghubungkan panjang span kepada outside diameter pada dan outside gambar A. Antara panjang span , ditandai dengan titik R pada diameter perpotongan dengan garis referensi (reference line). Tahap kedua adalah menentukan frekuensi natural dari span yaitu dengan menghubungkan garis dari dari karakteristik titik R ke frequency factor 3
Jurnal Tugas Akhir span pipa (constraint). Garis frekuensi dari natural tepat berada disebelah kanan dari garis referensi.
pada jenis data dan kebutuhan data untuk melakukan kajian.
2. Perhitungan vibrasi Stress per-mil. Persamaan yang digunakan di dalam nomogram yaitu:
Langkah kedua yaitu dengan melakukan pemodelan pada software flow3D untuk mendapatkan pola aliran yang outputnya berupa pressure dan velocity. Pada langkah ketiga, pressure yang didapat pada langkah sebelumnya menjadi input pada pemodelan struktur dengan ANSYS Multiphysics, outputnya berupa frekuensi natural dan displacement serta tegangan von mises. Setelah didapatkan frekuensi natural dan amplitudo berupa displacement dilakukan pengecekan dengan code yang ada yaitu ASME OM-3 yang dilakukan dengan penggunaan nomogram yang telah dikembangkan oleh Wachel (1995).
(2.21) dengan: = Deflection Stress Factor = Outside diameter (inch) = panjang span (ft) = Stess per-mil of vibration Untuk menentukan vibrasi karena stress per-mil, dengan menghubungkan titik R (reference line) . Stress per-mil kepada stress deflection factor yang didapatkan dari (s/y) adalah nominal stress dan tidak termasuk intensity factors . Untuk perhitungan ukuran vibration induced stresses, harus menggunakan persamaan, (2.22) 3. Amplitudo vibrasi yang diijinkan. Persamaan yang digunakan di dalam nomogram yaitu: (2.23) dengan : = Amplitudo vibrasi ijin (mil) = stress per-mil of vibration (psi/mil) Harga dari vibration displacement yang diterima dapat ditentukan pada lokasi yang sama pada stress per-mil dengan membaca bagian sisi sebrangnya dimana allowable vibration amplitude tertulis. 4.
3.2. Data-data yang digunakan Data pipa yang digunakan berdasarkan API RP 14E: • Diameter 12” dan wall thickness 0.375” • Diameter 8” dan wall thickness 0.32” Data flange yang digunakan berdasarkan MSS SP-4: • lap-joint flange 12” • slip-on flange 12” • socket weld flange 12” • reducing flange 12” • orifice flange 12” Fluida yang digunakan yaitu hidrokarbon: • Mass Density 39.44 lb/ft3 • Molecular weight 82.82 lb/mol • Flow Rate 34000 bpd • Viskositas 0.179 lb/in2 3.3. Analisa aliran fluida FLOW3D Untuk menganalisa aliran fluida menggunakan software flow3D, dilakukan pemodelan fluida yang bentuknya menyerupai geometri dalam pipa.
Amplitudo velocity yang diijinkan.
Velocity getaran yang diijinkan dapat ditentukan dari perhitungan vibration displacement yang diijinkan dengan menkonversi harga ini ke velocity. (2.24) dengan : = Velocity yang diinginkan (in/s) = displacement allowable (mil) = frekuensi natural (Hz) 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Algoritma Langkah pemodelan aliran fluida digunakan untuk memperoleh pola tekanan pada pipa dan menghasilkan respon pipa akibat aliran fluida di dalam pipa. Langkah pertama adalah melakukan studi literatur dengan cara mencari, mempelajari dan memahami berbagai sumber pustaka atau media elektronik untuk mendapatkan parameter koefisien persamaan getaran dan mendapatkan data yang diperlukan. Setelah itu, mengelompokan data ini sesuai dengan kriteria yang dititik beratkan pada
Gambar 3.1 pemodelan fluida akibat lap joint flange
Gambar 3.2 kontur velocity amplitude pada lap joint flange (v = 0.25m/s) Hasil output dari flow3D berupa kontur velocity magnitude dan pressure karena fluida tersebut. 3.4. Analisa dinamis struktur pipa Pemodelan geometri struktur pipa dan flange dilakukan pada ANSYS Multiphysics, bukan lagi memodelkan fluidanya. 4
Jurnal Tugas Akhir
Y X
Z
Gambar 3.3 pemodelan Struktur pipa dengan lap joint flange
Gambar 4.1 kontur velocity amplitude pada lap joint flange (v = 0.25m/s)
Dilakukan 2 macam pekerjaan yaitu untuk mencari frekuensi natural menggunakan modal analysis dan untuk mendapatkan tegangan dan displacement akibat beban fluida digunakan harmonic analysis.
Pada gambar 4.1 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat lap joint flange, kecepatan aliran pada lap joint flange semakin meningkat sebanding dengan peningkatan inlet velocity.
MX Y
Z
MN
.267388
4.808 2.538
X
9.348 7.078
13.888 11.618
18.429 16.158
20.699
Gambar 3.4 kontur tegangan von mises pada lap joint flange (v = 0.25m/s) 4. HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1. Analisa pola aliran fluida dalam pada Flange dengan FLOW3D
Gambar 4.2 kontur velocity magnitude pada slip-on flange (v = 0.25 m/s) Pada gambar 4.2 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat slip-on flange, kecepatan aliran pada slip-on flange semakin meningkat sebanding dengan peningkatan inlet velocity.
(4.1) Tabel 4.1 perhitungan Reynold Number Inlet velocity Reynold Number (m/s)
Jenis Aliran
Gambar 4.3 kontur velocity magnitude pada socket weld flange (v = 0.25 m/s) Pada gambar 4.3 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat socket weld flange, kecepatan aliran pada socket weld flange semakin meningkat sebanding dengan peningkatan inlet velocity.
0.25
7.9e+05
Turbulen
0.50
1.5e+05
Turbulen
0.75
2.3e+05
Turbulen
1.00
3.2e+06
Turbulen
1.25
4.0e+06
Turbulen
Dari hasil perhitungan pada table 4.1 maka didapatkan jenis aliran yang mengalir pada pipa bersifat turbulen, sehingga di dalam pemodelan menggunakan aliran turbulen untuk jenis aliran fluidanya. Aliran fluida didalam pipa dapat dianalisa dengan menganalisa pressure dan velocity akibat fluida yang mengalir pada daerah flange dengan bantuan software flow3D. Hasil output dapat dilihat dalam bentuk kontur velocity serta grafik pressure dan velocity. Velocity magnitude merupakan velocity resultan dari uvelocity, v-velocity dan w-velocity. Dari gambar tersebut dapat dilihat terjadinya perubahan aliran karena adanya flange, perubahan aliran ini menimbulkan vortex yang menyebabkan getaran.
Gambar 4.4 kontur velocity magnitude pada reducing flange (v = 0.25 m/s) Pada gambar 4.4 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat reducing flange, kecepatan aliran pada reducing flange semakin meningkat sebanding dengan peningkatan inlet velocity.
Gambar 4.5 kontur velocity magnitude pada orificeA flange (v = 0.25 m/s) Pada gambar 4.5 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat orifice flange, kecepatan aliran pada orifice flange semakin meningkat sebanding dengan peningkatan inlet velocity. Dan semakin kecil hole pada orifice flange, semakin bertambah besar velocity magnitude yang terjadi. 5
Jurnal Tugas Akhir
Tabel 4.2 output total pressure (MPa) pada flange Jenis flange
inlet velocity (m/s) 0.25 0.50
0.75
1.00
1.25
Lapjoint
4.21 4.81
5.07
5.48
6.48
Slip-on
2.50 2.60
2.89
3.20
3.59
Socket Weld
2.62 2.81
3.08
3.33
4.12
Reducer
10.90 40.90 163.00 355.00 562.00
Orifice A
7.25 17.60 85.10 191.00 587.00
Orifice B
22.40 54.10 107.00 145.00 412.00
Orifice C
10.50 14.70 34.50 132.00 141.00
Dari persamaan (2.20) didapatkan nilai frekuensi natural yang diijinkan adalah 203 Hz, maka dari variasi flange tersebut telah memenuhi frekuensi natural ijin untuk mode 1 dan mode 2. Sedangkan untuk mode 3 keatas struktur pipa akan mengalami kegagalan karena telah melewati batas frekuensi natural yang diijinkan. 4.3. Analisa dinamis flange dengan ANSYS Multiphysics Hasil output berupa kontur distribusi tegangan yang biasa disebut sebagai tegangan Von Mises (ANSYS 11.0), dimana tegangan Von Mises merupakan tegangan gabungan antara tegangan arah x, tegangan arah y dan tegangan arah z. MX Y
Z
MN
.267388
4.808 2.538
X
9.348
13.888
7.078
11.618
18.429 16.158
20.699
Gambar 4.7 kontur tegangan von mises pada lap joint flange (v = 0.25m/s) Gambar 4.7 adalah kontur tegangan von mises pada lap joint flange (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan meningkatnya pressure yang terjadi. Gambar 4.6 output total pressure pada flange akibat fluida. Pada gambar 4.6 terjadi peningkatan pressure seiring dengan meningkatnya velocity yang terjadi. Hasil pressure akibat fluida yang mengalir pada variasi flange terjadi nilai rata-rata terbesar pada reducing flange. Hal ini terjadi karena adanya penyempitan luas penampang pada reducing flange sedangkan gaya fluida yang mengalir tidak mengalami pengurangan sehingga pressure yang terjadi lebih besar.
Y Z
.115781
2.261 1.188
MX
MN
X
4.405
6.55
3.333
5.478
8.695 7.623
9.767
Gambar 4.8 kontur tegangan von mises pada slip-on flange (v = 0.25 m/s) Gambar 4.8 adalah kontur tegangan von mises pada slip-on flange (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan meningkatnya pressure yang terjadi. Y
4.2. Analisa frekuensi natural dengan ANSYS Multiphysics Output dari hasil pemodelan di modal analysis pada ANSYS Multiphysics adalah frekuansi natural beserta mode shapedapat dilihat pada tabel 4.3. Tabel 4.3 frekuensi natural pipa akibat variasi flange jenis flange Lapjoint
frekuensi natural (Hz) mode 1 mode 2 mode 3 mode 4 mode 5
Z
.116012
1.929 1.022
3.742 2.835
133.51 133.56 306.04 437.00 437.32
Socket Weld
131.19 131.20 301.85 436.75 436.93 105.36 105.50 258.12 391.26 391.54
Orifice A
127.82 128.13 290.99 435.56 436.18
Orifice B
128.00 128.29 291.06 435.55 436.14
Orifice C
128.23 128.51 291.20 435.58 436.15
7.368 6.461
8.274
Gambar 4.9 adalah kontur tegangan von mises pada socket weld flange (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan meningkatnya pressure yang terjadi. Y MN Z
X
MX
12.215
42.8 27.507
Reducing
5.555 4.648
Gambar 4.9 kontur tegangan von mises pada socket weld flange (v = 0.25 m/s)
134.15 134.16 309.09 442.22 442.29
Slip-on
MN
X MX
73.385 58.092
103.97 88.677
134.555 119.263
149.848
Gambar 4.10 kontur tegangan von mises pada reducing flange (v = 0.25 m/s) Gambar 4.10 adalah kontur tegangan von mises pada reducing flange (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan meningkatnya pressure yang terjadi.
6
Jurnal Tugas Akhir
Y Y
MNZ X MX
5.753
45.996 25.874
Z
MN
X MX
86.24 66.118
126.483 106.361
166.727 146.605
186.848
Gambar 4.11 kontur tegangan von mises pada orifice-A flange (v = 0.25 m/s)
Gambar 4.11 adalah kontur tegangan von mises pada orifice flange dengan hole 5/10D (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan meningkatnya pressure yang terjadi. Dan semakin kecil hole pada orifice flange, semakin bertambah besar tegangan yang terjadi. Tabel 4.4 Von mises stress maksimum (Mpa) jenis flange
inlet velocity (m/s) 0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
Lapjoint
23.775 27.163 28.631 30.947 36.594
Slip-on
10.858 11.293 12.552 13.899 15.593
Socket Weld
9.6668 10.368 11.364 12.286 15.201
Reducing
106.67 400.27 1595.2 3474.2 5291.2
Orifice A
168.54 409.15 3789.3 7429.1 13646
Orifice B
378.85 915.00 1809.7 2452.4 6968.2
Orifice C
101.87 123.99 334.72 1280.7 1368.0
Gambar 4.12 tegangan von mises maksimum Tegangan maksimum terbesar terjadi pada orifice flange dengan hole 5/10D sebesar 13.6 GPa, sedangkan tegangan maksimum terkecil terjadi pada socket weld flange sebesar 15.2 MPa untuk inlet velocity 1.25 m/s. Tabel 4.5 Output displacement pada variasi flange jenis flange
inlet velocity (m/s) 0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
Lapjoint
1.3E-11 1.5E-11 1.6E-11 1.7E-11 2.0E-11
Slip-on
5.9E-12 6.2E-12 6.9E-12 7.7E-12 8.6E-12
Socket Weld
5.5E-12 5.9E-12 6.4E-12 7.0E-12 8.6E-12
Reducing
2.6E-10 9.7E-10 3.9E-09 8.4E-09 1.3E-08
Orifice A
3.8E-10 9.1E-10 8.5E-09 1.8E-08 3.1E-08
Orifice B
8.0E-10 1.9E-09 3.8E-09 5.2E-09 1.5E-08
Orifice C
2.3E-10 3.2E-10 7.5E-10 2.9E-09 3.0E-09
Gambar 4.13 displacement pada variasi flange Dari gambar 4.13 dapat dilihat bahwa displacement terbesar terjadi pada orifice flange yang mempunyai hole 5/10D sebesar 3.05 x 10-8 m untuk inlet velocity 1.25 m/s. Untuk mengetahui batas ijin suatu getaran, dapat menggunakan persamaan-persamaan berdasarkan OM-3. Dari persamaan (2.21) didapat nilai Stess per-mil of vibration sebesar 352.2 psi/mil (2.428 MPa/mil). Dari persamaan (2.23) didapatkan nilai displacement yang diijinkan (yall) yaitu sebesar 8.52 mils (2.164 x 10-4 m). Displacement terbesar yang terjadi sebesar 3.05 x 10-8 m yaitu pada orifice flange dengan hole 5/10D berada dibawah batas yang diijinkan. Untuk variasi flange yang lainnya, besarnya displacement dapat dilihat pada tabel 4.5, variasi flange tersebut telah memenuhi batas yang diijinkan. 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan 1. Pada analisa fluida yang mengalir di dalam pipa didapatkan nilai pressure terbesar terjadi pada pada Orifice flange dengan hole 5/10D sebesar 587 MPa dan velocity terbesar akibat adanya turbulensi terjadi pada Orifice flange dengan hole 5/10D sebesar 0.0909 m/s. 2. Pada analisa struktur flange didapatkan frekuensi natural terbesar terjadi pada Lap Joint flange dengan nilai 134.16 Hz untuk mode 2 yang memenuhi batas dari frekuensi natural ijin yang ditentukan oleh OM-3 yaitu kurang dari 203 Hz. Sedangkan untuk mode diatas mode 2 akan terjadi kegagalan. Nilai frekuensi natural mulai dari yang terkecil hingga terbesar yaitu reducing flange, orifice flange (dari terkecil hingga terbesar yaitu dengan hole 5/10D, 6/10D, 7/10D), socket weld flange, slip-on flange, dan lapjoint flange. 3. Displacement terbesar yang terjadi sebesar 3.05 x 10-8 m yaitu pada orifice flange dengan hole 5/10D berada dibawah batas yang diijinkan oleh OM-3 yaitu 2.164 x 10-4 m. Nilai displacement mulai dari yang terkecil hingga terbesar yaitu socket weld flange, slip-on flange, lapjoint flange, reducing flange, dan orifice flange (dari terkecil hingga terbesar yaitu dengan hole 7/10D, 6/10D, 5/10D). Sedangkan tegangan von 7
Jurnal Tugas Akhir mises maksimum terbesar terjadi pada orifice flange dengan hole 5/10D sebesar 13.6 GPa. Nilai tegangan mulai dari yang terkecil hingga terbesar yaitu socket weld flange, slip-on flange, lapjoint flange, reducing flange, dan orifice flange (dari terkecil hingga terbesar yaitu dengan hole 7/10D, 6/10D, 5/10D). 5.2. Saran 1. Untuk mengetahui berapa umur struktur pipa karena variasi flange akibat aliran internal fluida diperlukan analisa kelelahan (fatigue analysis). 2. Diperlukan penelitian lebih lanjut mengenai sumber-sumber yang dapat menyebabkan vibrasi pada pipa selain akibat aliran internal, seperti adanya water hammer, slug flow, ataupun getaran mesin diesel di sekitar perpipaan. 3. Kecepatan fluida yang tinggi dapat menyebabkan korosi erosi sehingga menyebabkan ketebalan pipa menjadi berkurang dan mempengaruhi kekuatan pipa. Untuk itu diperlukan penelitian selanjutnya dengan analisa masalah erosi agar hasil yang diperoleh lebih sesuai dengan lapangan. Daftar Pustaka ANSYS Release 11.0. ANSYS Theory Reference. Documentation for ANSYS. API RP 14 E. 1991. “Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Pipe System, 5th Edition”. American Petrolium Institute, USA. Chevron Indonesia Company. 2008. “Fit For Purpose Report of 12” Oil Pipeline Sepinggan Tango to Lawe Terminal. Kalimantan Timur. Crane Company. 1957. “Flow of Fluids Trough Valves, Fittings, and Pipe”. Crane Co. Technical Paper No. 410, Chicago, Illnois. DOE, The Department of Energy. 1996. “Fundamental Handbook of Fluid Flow”. EG & G Idaho, Inc., USA. Irsyad, M., Zulhendri, H. 2007. Laporan Penelitian “Kaji eksperimental Aliran Dua Fase Gas-Cair Terhadap Getaran pada Pipa Belokan 90o”. Fakultas Teknik – UNILA, Lampung. Medio, Vladimer. 2008. Jurnal Tugas Akhir : “Analisa Vibrasi Sistem Pipa Penyalur GasLiquid (Multiphase) Untuk Meningkatkan Produktivitas Gas TOTAL E&P INDONESIE”. Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya. MSS SP-44. 1996. “Steel Pipeline Flange”. Manufacturers Standardization Society of the Valve and Fittings Industry, Inc., USA. Munson, Bruce R., Donald F.Y. Theodore H.O., 2002. Fundamentals of Fluid Mechanics, Fourth Edition. John Wiley & Sons, Inc., USA. Parisher Roy A. dan Robert A. Rhea. 2002. “Pipe Drafting and Desain 2nd edition”. Gulf Professional Publishing, USA. Rao, Singiresu S. 2004. “Mechanical Vibrations”. New Jersey. Pearson Prentice Hall.
Raswari. 2007. “Perencanaan dan Penggambaran Sistem Perpipaan”. UI-Press, Jakarta. Rouza, Eka S. 2009. Tugas Akhir : “Analisis Pola Aliran Terhadap Pengaruh Variasi Flange Pipa Penyalur Hidrokarbon”. Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya. Schlitching. H. 1979. “Boundaty Layer Theory”. McGraw Hill Book Company, New York. Setiawan, Arief. 2003. Laporan Penelitian “Aplikasi Metode Interasi Newton-Raphson dalam Peramalan Kinerja Aliran Fluida Dua Fasa pada Sistem Pipa Transportasi”. Jurusan Teknik Perminyakan FIKTM-ITB, Bandung. Soegiono. 2007. “Pipa Laut”. Airlangga University Press, Surabaya. Streeter, V. L. & E. Benjamin Wylie. 1985. “Fluid Mechanics 8th Edition”, McGraw-hill, New York. Swierzawski, Tadeusz J. 2000. “Flow of fluids Chapter B8”. Burlington, Massachusets. Thompson, S. P. & Gere J. 2000. Mekanika Bahan, Edisi keempat, jilid 1”. Erlangga, Jakarta. Wachel, J. C. 1995. “Displacement Method for Determining Acceptable Piping Vibration amplitudes”. San Antonio, Texas. White, Frank M. 1994. “Mekanika Fluida. Jilid 1 cetakan II”. Erlangga, Jakarta. Yamaguchi, H. 2008. “Engineering Fluid Mechanics”. Spriger.
8
Gambar A. Nomogram allowable piping vibration berdasarkan OM-3 (Wachel, 1995)
Jurnal Tugas Akhir
9
