BAB II DASAR TEORI SISTEM PEMIPAAN
2.1
DEFINISI SISTEM PEMIPAAN Desain/Perancangan Sistem Pemipaan pada dasarnya bertanggung jawab untuk mempelajari dan menghasilkan sebuah sistem perpipaan untuk mentransportasikan fluida yang mengalir di dalam pipa dengan efektif dan efisien berdasar kode dan standar yang berlaku. Sistem pemipaan tidak hanya terdiri dari pipa, tapi merupakan hasil interkoneksi antar pipa dan antara berbagai komponen pipa (tee, elbow, reducer,dll) ditambah juga katup, sambungan ekspansi yang saling terhubung untuk membentuk sebuah sistem yang dapat bekerja sesuai tujuannya atau fungsinya.
2.2
PIPA Secara umum, pipa diartikan sebagai sebuah benda yang mempunyai penampang melintang
yang
bulat
dan
berlubang,
yang
digunakan
untuk
mengangkut/mendistribusikan fluida seperti minyak, gas, air, bahan kimia, dll.
2.5.1
UKURAN PIPA Dulu biasa disebut dengan inisial IPS (iron pipe size) untuk penamaan pipa berdasarkan ukuran diameternya dalam satuan inch, misal, pipa IPS 6 adalah pipa dengan ukuran diameter yang mendekati 6 inch, seiring dengan perkembangan kebutuhan akan ketebalan dinding yang lebih tipis dan desain pada kekuatan dan ketahanan korosi material pipa membuat penamaan baru untuk ukuran dan tebal pipa. NPS menggantikan IPS dan istilah schedule (SCH) digunakan untuk nominal tebal dinding pipa.
5
2.5.2
MATERIAL PIPA Material pipa dibagi dalam 2 kategori yaitu : logam dan non-logam. Pipa logam biasa dibuat dari material yang bersifat korosif dan non-korosif, untuk material yang bersifat korosif seperti besi tuang, baja karbon dan baja paduan, yang bersifat non-korosif adalah tembaga, alumunium, dll
2.5.3
KOMPONEN-KOMPONEN PIPA Komponen-komponen pipa ini berfungsi untuk menyambung pipa (misal, union,coupling),
membelokan
pipa
(misal
:siku/elbow),
membuat
percabangan (misal : tee,cross,Y) mengubah ukuran pipa (misal : reducer), menutup aliran (misal : cap, plug, blind).
Gambar 2.1 Komponen-komponen pemipaan (Sumber : Pipe Drafting And Design 2nd Edition)
2.5.4
KATUP Sebuah katup adalah sebuak alat mekanik yang berfungsi untuk mengatur aliran dan atau tekanan fluida yang mengalir di dalam pipa. Ada beberapa fungsi katup yang akan dibahas di bawah ini : 6
•
Katup yang berfungsi buka-tutup, ini adalah jenis katup yang berfungsi untuk membuka penuh atau menutup aliran fluida, jenis katup yang biasa digunakan adalah katup pintu (gate), bola (ball), globe, plug.
Gambar 2.2 katup pintu (gate) (Sumber : Valve Selection Handbook 4nd Edition)
•
Katup yang berfungsi untuk mengatur aliran fluida, yang biasa digunakan untuk fungsi ini adalah katup globe, bola.
Gambar 2.3 Katup control (Sumber : Valve Selection Handbook 4nd Edition)
7
•
Katup yang berfungsi untuk memisahkan aliran, katup jenis ini biasanya memiliki lubang keluar lebih dari satu/multiport, biasa digunakan katup jenis plug dan bola untuk fungsi ini.
Gambar 2.3 Three Way Valve (Sumber : Valve Selection Handbook 4nd Edition)
•
Katup yang berfungsi untuk mencegah aliran balik, katup ini berfungsi untuk mencegah aliran fluida, yang dipakai untuk fungsi ini adalah katup check, biasa dipasang pada saluran keluar pompa.
Gambar 2.4 Katup check jenis swing & lift (Sumber : Valve Selection Handbook 4nd Edition)
8
2.3
KODE DAN STANDAR Sebelum memilih kode yang akan digunakan, sedikit pembahasan tentang kode dan standard akan kami jabarkan di sini. Kode biasanya menetapkan atau berisi syarat-syarat tentang desain, material, fabrikasi, ereksi, pengujian, dan inspeksi sistem pemipaaan. Standar berisi aturan dan persyaratan desain dan konstruksi untuk masing komponen-komponen pemipaan seperti belokan/elbow, tee, flanges, katup dll. Selain itu ada Recommended Practices yaitu berupa dokumen yang dipersiapkan oleh professional- professional untuk menyarankan sebuah aturan praktis yang efisien tapi bersifat optional. Berkembangnya kode dan standar pemipaan berdasar pada kebutuhan untuk penyesuaian dengan variasi desain suhu dan tekanan operasi, B31 kode untuk pipa bertekanan yang dikembangkan ASA atau American Standard Association (sejak 1969 berubah nama menjadi ANSI) yang untuk selanjutnya kode ini diadopsi oleh ASME. Selama tahun 1950-an, kode itu tersegmentasi untuk memenuhi kebutuhan individu dari berbagai mengembangkan industri pipa, dengan kode-kode yang diterbitkan untuk kekuasaan, petrokimia dan industri transmisi gas antara lain. 1960-an dan 1970-an mencakup periode pengembangan konsep standar, persyaratan dan metodologi. Pengembangan dan penggunaan komputer model matematika sistem pipa telah membawa analisis, desain dan penyusunan untuk tingkat kecanggihan baru. Peraturan dan standar yang dibentuk untuk memberikan metode manufaktur, pencatatan dan pelaporan data desain. "Sebuah standar adalah satu set spesifikasi untuk suku cadang, bahan atau proses dimaksudkan untuk mencapai keseragaman, efisiensi dan kualitas tertentu". Dasar Tujuan dari standar ini adalah untuk menempatkan batas maksimal jumlah item dalam spesifikasi, sehingga dapat memberikan suatu akal inventarisasi tooling, ukuran dan bentuk dan variasi [4]. Beberapa dokumen penting yang berkaitan dengan pipa adalah: •
American Society of Mechanical Engineers (ASME)
•
American National Standards Institute (ANSI) 9
•
American Society of Testing and Materials (ASTM)
•
Pipe Fabrication Institute (PFI)
•
American Welding Institute (AWS)
•
Nuclear Regulatory Commission (NRC)
•
American Welding Institute (AWS)
Tujuan dasar kode adalah untuk menyediakan kriteria desain seperti material konstruksi, diijinkan bekerja stres dan beban set digunakan untuk desain kekuasaan komersial dan industri sistem pipa Bagian ini memiliki bagian sub berikut [1]. B31.1 Power Piping. B31.3 Procces Piping. B31.4 Liquid transportation System For Hydrocarbons B31.5 Refrigeration Piping. B31.8 Gas Transportation And Distribution Piping System. Untuk sistem pemipaan pada Fasilitas Produksi Air Itam yang berkenaan dengan proses produksi hidrokarbon, maka termasuk dalam lingkup ASME B31.3 Proccess Piping dimana dalam kode ini mencakup sistem pemipaan pada unit pengolahan minyak, bahan kimia, farmasi, tekstil, kertas, semikonduktor, dan lainnya yang berkaitan.
2.4
PENOPANG PIPA (PIPE SUPPORT) Penopang pipa harus di desain sedemikian rupa sehingga dapat menyangga dengan baik semua beban-beban pada pipa dan peralatan yang terkoneksi dan untuk membuat kemiringan/slope, mengakomodasi ekspansi pipa, anchorage dan insulasi.
Keahlian desainer pemipaan dalam memahami dan kebiasaan
menggunakan praktek standar, pengetahuan tentang pasar komersil yang 10
mendukung dan juga pengalaman praktek, semua itu bersama-sama dapat membantu dalam mencapai hasil yang diinginkan. Desain layout dan pemipaan yang baik sangat membantu dalam desain penopang pipa. Misalnya, dengan pertimbangan-pertimbangan lainnya dianggap sama, pipa arus diarahkan mendekat ke struktur-struktur di sekitarnya untuk kemudahan dalam mengikat pipa ke struktur, memasang anchor, dsb, pipa juga sebaiknya dirouting dengan dikelompokkan ke dalam grup-grup untuk meminimalkan jumlah tumpuan yang harus dipasang, dari berbagai tipe penopang pipa (pipe support) yang sering digunakan, menurut fungsinya, di sini akan kami jelaskan beberapanya dari berbagai macam penopang pipa, antara lain
2.5.1
Weight support Tipe tumpuan ini hanya digunakan untuk menyangga beban vertical pada arah gravitasi, macamnya antara lain, sleeper, hanger, shoe, variable spring support, constant spring support.
Gambar 2.9 Macam-macam tipe weight support (Sumber : Piping & Pipe Support Systems Design Engineering) 1
1
Lihat Daftar Pustaka no 2
11
2.5.2
Rigid restraint adalah macam-macam tumpuan yang digunakan untuk menahan pergerakan pipa akibat beban temperatur, berat, dan lain-lain. Tumpuan ini dipilih bila pergerakan pipa akibat temperatur cukup kecil sehingga tidak memerlukan tumpuan seperti pegas atau snubber. Bila diinginkan untuk menahan pergerakan pipa ke semua arah maka biasa digunakan tumpuan jenis jangkar/anchor, penahan/guide biasa untuk menahan gerakan pipa ke samping, juga stopper yang digunakan untuk megizinkan gerakan pipa yang searah sumbu aksial pipa.
Gambar 2.10 Pipe anchor (Sumber : Pipe Drafting And Design 2nd Edition)
2.5
ANALISA TEGANGAN PADA SISTEM PEMIPAAN
Dalam sistem pemipaan terjadi berbagai reaksi akibat beban-beban (loading) yang terjadi pada sistem pemipaan tersebut. Misalnya, pada sebuah sistem pemipaan yang beroperasi pada kondisi tekanan dan temperatur tertentu akan mengakibatkan reaksi pada pipa-pipa yang akan berkontraksi atau berekspansi jika koefisien ekspansi material tidak mampu menahan lagi dinamika tekanan dan temperatur yang terjadi di dalam pipa. Pembebanan pada pipa juga bisa terjadi karena berat material pipa, fluida yang mengalir di dalam pipa, juga berat-berat dari komponen-komponen pipa, dll, beban-beban ini bersifat permanen terhadap sistem pemipaan tersebut. Beban pada pipa dapat diklasifikasikan sebagai beban primer dan beban sekunder. Beban primer terjadi akibat beban-beban tetap/sustained seperti berat pipa, katup,
12
insulasi dan komponen-komponen pipa lainnya. Sedangkan beban sekunder berhubungan dengan ekspansi thermal karena beban temperatur pada pipa. Dalam kaitannya dengan denah atau tata letak peralatan dalam sebuah pabrik atau fasilitas produksi minyak, dll, analisa tegangan pipa sangat bergantung dengan denah/layout pemipaan dan desain tumpuan/support, denah sistem pemipaan harus diperhitungkan sedemikian rupa sehingga memenuhi kriteria dari batasan tegangan pipa dan penopang pipa, sehingga bila perlu denah sistem pemipaan bisa berubah karena tidak memenuhi persyaratan dari analisa tegangan yang sudah diperhitungkan.
2.5.1
TEGANGAN DAN REGANGAN Jika suatu material dikenai tegangan yang membesar hingga melebihi kemampuan tegangan maksimum yang bisa ditahan, material itu pasti akan rusak/gagal/fail. Tegangan atau stress adalah jumlah gaya yang diberikan per satuan luas. …………………………………pers. 2.5.1
σ
= Tegangan, N/m2
F
= Gaya pada benda, N
A
= Luas penampang benda, mm2
Regangan atau strain adalah rasio antara panjang pemuluran benda dan panjang benda semula
…………………………………pers. 2.5.2
e
= regangan
∆L
= panjang pemuluran benda
L
= panjang awal benda 13
2.5.2
TEGANGAN PADA PIPA Tekanan internal di pipa akan menimbulkan tiga jenis tegangan seperti gambar di bawah ini,
Gambar 2.6 Arah Tegangan hoop (h), longitudinal (l), radial (r) Tegangan hoop, adalah tegangan keliling (circumferential stress) dalam benda yang berbentuk silindris sebagai akibat tekanan internal atau eksternal itulah definisi dari tegangan hoop, tegangan ini bekerja tegak lurus baik dengan sumbu dan jari-jari benda atau bekerja secara circumferentially. Jika perbandingan antara diameter pipa dengan tebal dinding pipa lebih dari 20 maka termasuk dalam jenis pipa berdinding tipis, pada kasus ini, tegangan hoop yang melewati dinding pipa mendekati konstan atau sama dengan, ………………………………….pers. 2.5.3 P
= tekanan desain, kPa
D
= diameter luar pipa, mm
t
= tebal dinding pipa, mm
Tegangan longitudinal adalah tegangan yang arahnya sejajar dengan sumbu pipa, seperti tegangan akibat berat dan temperatur, bending, dan
14
akibat tekanan dalam. Tegangan-tegangan tersebut dirumuskan sebagai berikut : • Tegangan longitudinal akibat temperatur dan gaya berat dirumuskan sebagai berikut :
………………………..……..pers. 2.5.4
= tegangan longitudinal, N/m2 FA
= gaya pada permukaan, N
A
= luas penampang pipa, m2 =
• Tegangan bengkok/bending karena temperatur, berat pipa, fluida yang mengalir di dalam pipa, insulasi, angin atau gempa bumi dihitung dengan rumus sebagai berikut : ………………………….pers. 2.5.5
Mi
= momen in-plane, kg.m
Mo
= momen out-plane, kg.m
Ii
= in-plane stress intensification factor
Io
= out-plane stress intensification factor
Z
= section modulus, mm3
• Tegangan longitudinal akibat tekanan dalam Dirumuskan sebagai berikut : ……….………………………….pers. 2.5.6
15
Ketiga tegangan tegangan diatas bearah sejajar dengan sumbu pipa sehingga tegangan longitudinal yang terjadi pada pipa adalah penjumlahan ketiga tegangan diatas : σ L = σ l + σ b + σ p ……………………………..pers. 2.5.7 Tegangan radial, terutama karena tekanan internal adalah sama dengan P
2.6
PROSEDUR ANALISA TEGANGAN PADA PIPA Diagram alir di bawah ini menggambarkan langkah-langkah umum dalam penganalisaan dalam sebuah sistem pemipaan
DESAIN SISTEM PEMIPAAN
DATA PROSES
GAMBAR ISOMETRIS
RE-ROUTING DAN DESAIN TUMPUAN
ANALISA SISTEM PEMIPAAN
Gambar 2.7 Diagram Aliran Analisa Tegangan pada Pipa
Denah pipa (Piping Layout) harus dianalisa dengan pertimbangan individual dari masing-masing jalur yang dipengaruhi oleh restraint untuk memperkirakan reaksi pada anchor dan titik terminal dan tegangan pada pipa. Metode analisa diklasifikasikan dalam level-level analisa tegangan
16
Gambar 2.8 Diagram Level Analisa Tegangan pada Pipa (Sumber : Piping Flexibility Analysist) 2
Level-level persyaratan dan metode analisa yang berhubungan yang digambarkan diagram di atas didefinisikan sebagai berikut : •
Level 1 : pemeriksaan visual yang berdasar pengalaman Metode inspeksi visual adalah metode perkiraan, dalam hal ini sudah barang tentu seorang Stress Engineer harus memiliki pengalaman yang luas. Dilihat pada diagram diatas maka level ini berada pada rentang temperature -30 hingga 150 oC dan diperuntukkan untuk pipa ukuran 1 inchi hingga 10 inchi. Metode ini harus dibatasi untuk jalur-jalur yang sejenis dengan jalur-jalur lainnya yang terkalkulasi, atau jalur yang mempunyai fleksibilitas yang cukup. Dalam hal untuk memastikan, jalur level ini bisa diklasifikasikan ke level 2 atau 3.
2
Lihat Daftar Pustaka no. 9
17
Tidak ada nilai aktual dari gaya dan momen yang beraksi pada penopang yang dihasilkan untuk analisa level 1. •
Level 2 : analisa sederhana Metode ini termasuk menggunakan tabel, nomographs dan rumus sederhana yang boleh digunakan jika digunakan untuk range konfigurasi dimana tingkat akurasi hasil perhitungannya masih bisa diterima. Level ini mempunyai rentang temperature lebih rendah dari sebelumnya yang mencapai -50 oC hingga 250 oC, dan untuk pipa dengan diameter hingga 20 inchi. Dalam hal untuk memastikan, jalur level ini bisa diklasifikasikan ke level 3 Hasil dari analisa level 2 hanya menampilkan perhitungan isometric, atau dalam laporan sederhana termasuk isometric dan output perhitungan computer untuk restraint summary
•
Level 3 : analisa komprehensif Metode komprehensif terdiri dari prosedur analitis dengan menggunakan bagan grafik untuk mencapai evaluasi mengenai gaya, momen dan tegangan yang disebabkan oleh tegangan geser. Rentang temperature untuk level 3 daerah yang tidak dijangkau oleh level 2 baik di baas atas maupun bawahnya dengan ukuran diameter pipa di atas level 2. Penyelesaian untuk metode komprehensif ini harus dilakukan computer sebab akhir-akhir ini pekerjaan untuk level ini meliputi banyak data dalam angka, maka jelas tidak lagi ekonomis untuk melakukan perhitungan dengan tangan. Ada cukup banyak program-program computer yang sanggup memproseskan denah pipa yang meliputi ratusan percabangn.
Menurut ASME B31.3 par. 319.4.1, perhitungan tegangan tidak harus dilakukan pada sistem pemipaan di bawah ini : •
Pipa-pipa yang berukuran sama.
•
Pipa-pipa yang dipasang melalui dua titik sambung saja.
•
Tidak ada penghalang di sepanjang pipa tersebut. 18
•
Sistem pemipaan
yang
langsung
dapat
dianalisa
hanya
dengan
membandingkan dengan system yang sudah dianalisa sebelumnya atau merupakan duplikasi dari sistem sebelumnya.
Untuk sistem-sistem pipa yang dikategorikan diatas dapat dihitung dengan persaman sederhana berikut ini : ………………………………..pers. 2.6.1
D = Diameter luar pipa, mm y = resultan dari regangan geser yang terjadi, mm L = panjang total pipa yang terletak diantara anchor , m U = jarak lurus/terdekat antar anchor, m K 1 = 208.000 S a /E a (mm/m)2 2.7
KETENTUAN-KETENTUAN FLEKSIBILITAS MINIMUM Pipa-pipa umumnya difabrikasi dengan suhu lingkungan setempat, misalnya pada suhu lingkungan, bilamana pipa digunakan dalam sebuah kilang minyak, mungkin sekali pipa tersebut akan mengalami temperatur tinggi yang bisa mencapai 6000 o
C pada saluran pipa reactor, atau pada suhu dingin -150 oC bilamana dipakai
dalam sebuah system pendingin ethanol. Kenaikan atau penurunan temperature seperti diatas akan mengakibatkan pemuaian atau penyusutan dari panjang pipa. Jikalau pipa tersebut terbuat dari low alloy steel, setiap 100 kaki akan memuai antara ¾ samapai 1 inchi setiap kenaikan temperature 100 oF (terdapat dalam Tabel 319.3.1A dari standar ASME B31.1), jadi jika ada sepotong pipa antara dua buah peralatan/equipment sejauh 100 kaki kemungkinan besar akan memanjang ¾ inchi atau lebih jika panasnya meningkat. Tetapi karena kedua ujungnya terikat dengan peralatan atau tidak bebas bergerak, pemanjangan tersebut akan menimbulkan tegangan dalam pipa, hal ini tidak terjadi jika kedua ujung pipa dalam kondisi bebas, bila pipa tidak dalam kondisi kerja maka pemanjangan atau 19
ekspansi akan kembali nol, maka tegangan yang terjadi pada pipa yang terikat tadi juga menghilang. Apabila hal diatas terjadi pada pipa tersebut berulang-ulang, jenis tegangan seperti ini akan menimbulkan retak. Keretakan akan muncul pada salah satu titik atau pada beberapa titik sekaligus, hal ini disebut fatigue failure (gagal karena kelelahan). Jikalau pipa tersebut sedang membawa fluida yang mudah terbakar atau meledak atau yang bersuhu tinggi, maka bisa jadi akan menimbulkan bahaya kebakaran atau ledakan.Untuk itu harus ditentukan batas-batas tegangan maksimum yang diizinkan terjadi pada pipa bilamana temperature-nya meningkat hingga temperatur desain maksimumnya. Nilai-nilai batas ini dikenal sebagai allowable expansion stress range, yang diatur dalam ASME B31.3 dengan rumusan sebagai berikut :
…………….………….pers 2.7.1
S a = allowable expansion stress range, MPa S c = stress yang diijinkan untuk bahan pipa dalam keadaan dingin, MPa S h = stress yang diijinkan untuk bahan pipa dalam keadaan dingin, MPa f = faktor yang ditentukan siklus yang dialami (Tercantum dalam Tabel 302.3.5 di bawah ini yang diambil dari ASME B31.3)
20
2.8
PERHITUNGAN KETEBALAN PIPA Langkah pertama dalam menghitung dan menganalisa tegangan pipa adalah menghitung ketebalan pipa yang dibutuhkan, agar pipa bisa bekerja di bawah tekanan dan temperatur yang kita inginkan, maka kita perlu menghitung ketebalan dinding pipa minimum, jadi tebal pipa minimum tidak boleh kurang dari perhitungan berikut :
…………………….pers. 2.8.1 t m = tebal minimum dari dinding pipa, termasuk faktor korosi, dll, dalam mm P = tekanan desain, N/m2 D o = diameter luar pipa, mm S = nilai batas tegangan untuk material pada temperatur desain diambil dari Tabel A-1 ASME B31.3 E = faktor sambungan lasan pada Tabel A-1A dan A-1B ASME B31.3 Y = koefisien dari Tabel 304.1.1 ASME B31.3, akurat untuk nilai t < D/6 dan Material- material yang di dalam tabel, untuk t ≥ D/6 nilai Y bisa diinterpolasikan dengan, ……..…………………………..pers. 2.8.2
c = jumlah dari faktor-faktor seperti korosi, dalam ulir, dll.
21
Tabel 2.1 Tabel nilai Y yang diambil dari ASME B31.3
2.9
PERHITUNGAN TEKANAN KERJA YANG DIIJINKAN Tekanan operasi yang diijinkan dapat dihitung dengan persamaan berikut :
…………………………………….pers. 2.9.1
t
= tebal dinding pipa yang sudah dipilih/aktual, mm
Untuk pipa belokan seperti siku/elbow ketebalan dindingnya tidak boleh kurang dari tebal minimum yang dibutuhkan pada pipa lurus.
2.10 PERHITUNGAN BEBAN SUSTAINED Beban ini termasuk beban karena berat maupun tekanan, dan beban jenis ini selalu ada selama masa operasional, sehingga desain tumpuan untuk pipa harus memperhitungkan agar mampu menahan beban-beban ini, misalnya adalah berat pipa, fluida yang mengalir di dalam pipa, komponen-komponen pipa, insulasi, dan termasuk tumpuan itu sendiri, Berat pipa =
……………….... pers. 2.9.1
Berat pipa =
………………………… pers 2.9.2 22
D o = diameter luar pipa, mm D i = diameter dalam pipa, mm g = percepatan gravitasi, mm/s2 ρ pipa = massa jenis pipa, kg/mm3 ρ fluida = massa jenis fluida, kg/mm3
2.11 PERHITUNGAN BEBAN THERMAL Pipa akan memuai jika terkena panas akibat temperatur fluida yang mengalir di dalamnya, khususnya memuai panjangnya, hal ini akan menimbulkan tegangan pada pipa, bahkan dalam kondisi ekstrim, akan mnyebabkan pipa patah. Nilai dari ekspansi dapat dihitung denga persamaan berikut, Ekspansi = α x L x ∆T …………………………….pers 2.10.1 L = panjang pipa, m ∆T = perbedaan temperatur antara lingkungan dan temperatur operasi, °C α = koefisien ekspansi
2.12 JARAK ANTAR PIPA (PIPE SPAN) YANG DIIJINKAN Dalam menghitung jarak antar pipa secara manual, kita ambil batas dari tegangan akibat beban mati (dead load) misal : berat pipa dan komponennya,
, sehingga
kita tidak perlu menghitung jumlah tegangan longitudinal plus tegangan akibat beban mati (
tegangan yang diijinkan pada temperatur maksimum, berdasar
Kode ASME B31.3) Dengan mengasumsikan pipa sebagai sebuah balok lurus dan bebas pada kedua ujungnya (simply supported), persamaan di bawah ini berdasar batas tegangan : …………………….……….pers. 2.11.2
23
