BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Fluida Fluida adalah suatu zat yang berubah secara terus-menerus (kontiyu) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser tersebut. Tegangan geser ini timbul akibat adanya gaya geser. Gaya geser yang terjadi adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan, kemudian gaya geser ini menyingung permukaan. Kemudian gaya geser ini yang dibagi dengan luas permukaan tersebut adalah tegangan geser rata-rata pada permukaan itu. (Streeter, Victor, 1983:63). Untuk aliran yang mengalir dalam pipa, diasumsikan bahwa pipa berisi penuh oleh fluida yang sedang dipindahkan. Pada keadaan seperti ini, gaya penggerak utamanya adalah gradient tekanan sepanjang pipa. Fluida dibagi dalam dua bagian yaitu cairan dan gas. Cairan tidak dapat dimampatkan dan bila terdapat dalam suatu tempat maka cairan tersebut akan mengambil tempat yang sesuai dengan bentuk tempatnya. Sedangkan gas dapat mudah dimampatkan dan dapat mengembang mengisi seluruh ruangan tempat tinggal nya dan tidak membentuk batas tertentu seperti cairan.[4]
8
2.1.1
Sifat-sifat Fluida
2.1.1.1
Kerapatan (Density) Kerapatan adalah jumlah suatu zat pada suatu unit volume, dapat dinyatakan
dalam tiga bentuk. [14] 1. Massa jenis (Mass Density)
ρ=
.................. <1>
Dimana:
ρ
=
Densitas (Kg/m3)
M
=
massa (N)
V
=
Volume (m3)
2. Berat jenis (Spesifik weight) Berat jenis adalah besarnya gaya gravitasi yang bekerja pada suatu masa dari suatu satuan volume, olek karena itu berat jenis dapat didefenisikan sebagai berat tiap satuan volume.
γ= =
=
=ρ.g ………………………<2>
γ
= Berat jenisdengan N/m3 untuk sistim SI atau kgf / m3 untuk sistim MKS
ρ
= Kerapatan zat, dalam kg/m3 untuk sistim SI, atau kgm untuk sistim MKS
g
= Percepatan gravitasi
Untuk air pada 4ºC => γ = 10.000 (N/m3)
9
3. Kerapatan Relatif - Spesifik weight (S.G) Merupakan perbandingan antara masa jenis dengan berat spesifik suatu zat terhadap masa jenis atau berat spesifik air (water). Jadi S.G tidak mempunyai satuan. 2.1.1.2
Vikositas (Kekentalan) Viskositas atau kekentalan dari suatu cairan adalah salah satu sifat cairan yang
menentukan besarnya perlawanan terhadap gaya geser. Viskositas terjadi terutama karena adanya interaksi antara molekul-molekul cairan.
Gambar 2. Perubahan bentuk akibat gaya-gaya geser tetap.
Viskositet merupakan kebalikan dari fluiditas. Zat cair yang kental fluiditasnya rendah. Apabila cairan kental mengalir terhadap bidang padat maka terjadi perubahan kecepatan (dalam arah tegak lurus) terhadap arah aliran yang disebabkan oleh viskositet. Makin dekat lapisan terhadap bidang padat, kecepatan lapisan (v) semakin kecil, pada y = 0 => v=0. Jadi tiap lapisan bergeser terhadap yang lainnya, sehingga timbul gaya gesek. 10
Menurut hipotesa Isaac Newton (1686) yang kemudian dibuktikan oleh N.P. Petrov (1883); Regangan geser (shear strain) tergantung pada jenis fluidadan juga jenis aliran. Untuk aliran laminar regangan tersebut sebanding dengan gradien kecepatan dalam arah tegak lurus aliran fluida. [14]
η = μ.
………………………………..<3>
Persamaan ini dikenal sebagai hukum Newton untuk viskositas, diman:
μ
= Viskositet absolute (viskositas dinamik)
dv
= Tambahan kecepatan yang sesuai dengan tambahan jarak (dy)
Gradien kecepatan (dv/dy) menggambarkan perubahan kecerpatan per-satuan panjang dalam arah (y) sehingga juga menyatakan tegangan geser zat cair pada suatu titik. Satuan yang sering dipakai untuk viskositet dinamik ini adalah centi poise (cP) sistem CGS, sementara kesetaraan dengan satuan lain adalah:
μ=
=
=
= Pa.s = 1000 mili . Pa.s = 1000cP (centi poise)
Ciri lain dari viskositet yang lebih sering dipakai adalah viskositet kinematik adalah V=
=
= 106.cST=104 St(stoke)……………………….<4>
Untuk gas-gas sifatnya adalah terbalik. Viskositet semakin bertambah mengikuti temperature. Hal demikian terjadi karena keadaan viskositet untuk gas berbeda terhadap zat cair.
11
Pada zat cair molekul-molekul lebih rapat susunannya dibanding gas dan viskositet adalah akibat dari gaya tarik antara molekul (kohesi). Gaya ini berkurang, sehingga viskositet juga menurun bila temperatur meningkat. Sedangkan pada gas-gas, viskositet itu terjadi karena pertukaran kalor yang semrawut antara molekulnya, sehingga bertambah dengan naiknya temperatur.
Gambar 3. Grafik Pengaruh temperature terhadap viskositet.[5] 2.1.1.3
Kemampu-mampatan (Kompresibilitas) Kompresibilitas
adalah
sebuah
sifat
yang
digunakan
untuk
mengkarakteristikan kemampu-mampatan adalah modulus borongan (bulk modulus) K yang didefenisikan sebagai. [15] K=-
=-
……………………….<5>
12
Yakni perubahan diferensial tekanan yang diperlukan untuk membuat perubahan diferensial volume dVdari sebuah volume V. Tanda negative (-) ditambahkan dalam persamaan karena peningkatan tekanan akan menyebabkan pengurangan volume. Karena pengurangan volume dari suatu masa, m = ρ.V
akan menyebabkan
peningkatan kerapatan maka kesetaraan persamaannya tampak seperti diatas. Nilai modulus yang besar menunjukan bahwa fluida relatif tidak mampu– mampat, artinya dibutuhkan perubahan tekanan yang besar untuk menghasilkan perubahan volume yang kecil. Sebagai contoh, pada tekanan atmosfir dan temperature 15.6 ºC, diperlukan tekanan sebesar 21.5 MPa untuk memampatkan satu satuan volume air sebesar 1% asumsi volume semula. 2.1.2
Aliran Fluida Gerak dan Persamaan Dasar
Ada tiga konsep penting dalam aliran benda cair yaitu: 1. Hukum kekalan masa, dimana dengan menggunakan hukum ini dapat diturunkan persamaan kontinyuitas. 2. Hukum –I Termodiinamika, dimana dengan prinsip ini dapat diturunkan persamaan energi kinetik, energi potensial dan energi internal dan persamaan – persamaan lain. 3. Hukum –II Newton tentang gerakan, merupakan teorema momentum yang menurunkan persaman-persamaan untuk gaya dinamis. 2.1.2.1
Jenis Aliran Parameter aliran seperti kecepatan, tekanan dan kerapatan yang akan
membericiri pada gerak aliran atau karakteristik aliran, pada dasarnya dapat kembali
13
menurut tempat atau dari satu waktu kewaktu yang lain, atau berubah menurut waktu dan tempat. Dengan adanya kemungkinan perubahan parameter terhadap waktu dan tempat tersebut, dapat dibedakan beberapa tipe aliran dengan defenisi sebagai berikut. [15] 1. Aliran tetap (Steady Flow) Adalah suatu aliran dimana parameter aliran tidak berubah menurut waktu (δt). Dalam hal ini kedalaman aliran (h) dan kecepatan aliran (v) tidak berubah menurut waktu, atau dapat dianggap tetap dalam suatu internal waktu tertentu. Hal ini dapat ditunjukan dengan persamaan-persamaan sebagai berikut:
=0
dan
=0
2. Aliran tidak tetap (Unsteady Flow) Adalah kebalikan dari aliran tetap. Dalam hal ini parameter aliran berubah menurut waktu (δt), yang dapat ditunjukan dengan persamaan-persamaan:
#0
dan
#0
3. Aliran seragam (Uniform Flow) Adalah aliran dimana parameter aliran tidak berubah menurut tempat (δs) die panjang aliran. Hal ini dapat ditunjukan dengan persamaan-persamaan:
=0
dan
=0
14
4. Aliran tidak seragam (Un-uniform Flow) Adalah aliran dimana parameter-parameter alirannya berubah menurut tempat (δs). Hal ini dapat ditunjukan dengan persamaan-persamaan berikut:
#0
#0
dan
Aliran tidak seragam dibagi dua yaitu aliran berubah lambat laun (gradually varied flow) dan aliran berubah dengan cepat (rapid varied flow). Kombinasi fungsi kecepatan (δv)
Terhadap (δt)
Aliran tetap seragam (steady uniform flow). Tipe
aliran
ini
disebut
waktu Terhadap tempat (δs)
=0
=0
=0
#0
#0
=0
#0
#0
aliran
beraturan. Aliran tidak seragam (steady un uniform flow). Tipe aliran ini banyak dijumpai dalam praktek yaitu aliran berubah lambat laun atau aliran berubah dengan cepat. Aliran seragam tidak tetap (unsteady uniform flow). Tipe ini hamper tidak pernah terjadi Aliran tidak seragam (unsteady ununiform flow).
15
Stream line adalah garis dalam fluida yang mengalir, garis singgung padanya pada sembarang titik menyatakan arah dari vector kecepatan pada titik tersebut. Gb.3a. Pada steady flow garis arus (stream line) maupun lintasan (path lines) selalu berimpit dan tak berubah terhadap waktu. Stream tube adalah ruang tubular yang dibatasi oleh permukaan yang terdiri dari garis arus, seperti Gb.3b. Bila stream tube dikontraksi menjadi →0 maka terjadi stream lines.
Gambar 4 [14]
(a) Stream Line
(b) Stream Tube
Pada setiap titik di permukaan stream tube, vector kecepatan (v) menyinggung terhadap permukaan. Tak ada komponen tegak lurus dari (v), tidak ada zat cair yang menembus stream tube kecuali pada penampang-penampang ujungnya. Stream tube ini terbungkus oleh selubung yang tak tembus cairan sehingga ia dianggap sebagai arus elementer. Selain itu stream
dianggap terbentuk dari
sekelompok stream tube elementer, karena kecepatan masing-masing tubes tidak sama, maka stream tube slip antara satu dengan lainnya tetapi tak sampai tercampur (semrawut). Penampang dalam aliran yang tegak lurus arus. Stream line dianggap parallel (walaupun slip), sehingga penampang arus berupa bidang datar.
16
2.1.2.2
Hukum Kekalan dan Persamaan Dasar
Persamaan persamaan dasar dalam mekanika fluida dapat diturunkan dengan beberapa metoda yakni pendekatan sistem, pendekatan volume kontrol (control volume) dan diferensiasi (differential), meskipun banyak referensi lebih menyarankan untuk memakai pendekatan volume kontrol dalam menyelesaikan permasalahan fluida bergerak, namun pada saat ini penulis akan menurunkannya dengan metoda pendekatan sistem yang dirasakan lebih mudah (familiar) seperti uraian dibawah ini: [1] 1) Kekekalan Massa – Persamaan kontinuyuitas Fenomena kontiyuitas
perlu dipahami
pada aliran
fluida.
Fenomena
kontinyuitas dijabarkan berdsarkan hokum kekalan massa yaitu massa tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, yang dapat dituliskan dengan persamaan umum sebagai berikut. Laju aliran massa neto didalam elemen adalah sama dengan laju perubahan massa tiap satuan waktu.
Ganbar 5. Pipa Lurus dengan Ukuran Tetap [1]
17
Aliran masa yang masuk melalui titik 1 = v1.ρ1.dA1 = ρ1.dQ1 [kg/s] Aliran masa yang masuk melalui titik 2 = v2.ρ2.dA2
= ρ2.d2 [kg/s]
Oleh karena itu, tidak ada masa yang hilang, maka v1.ρ1.dA1 = v2.ρ2.dA2 Pengintegralan persamaan tersebut meliputi seluruh luas permukaan saluran akan menghasilkan massa yang melalui medan aliran.
v1.ρ1.dA1 = v2.ρ2.dA2 untuk fluida tak mampu-mampat maka ρ1 = ρ2 sehingga v1.A1 = v2.A2 Atau
Q = v. A = Konstan.[1] ……………………………….<6>
Debit (rate of discharge) merupakan jumlah fluida yang mengalir tiap satuan waktu melalui suatu penampang, yang dibedakan dengan: Q
= Debit aliran volume fluida
m3/s
G
= Debit aliran berat fluida
N/s
W
= Debit aliran massa fluida
Kg/s
Jika diasumsikan penampang lintang dari suatu stream tube elementer dianggap sangat kecil kecepatan (v) dianggap formula maka:
dQ = V.dA ; dimana dA = luas penampang aliran dG = V.dQ dW = ρ.dQ = ρ.V.dA Persamaan kontinuitas berlaku: Untuk semua fluida (gas atau cairan) Untuk semua jenis aliran (laminar atau turbulen)
18
Untuk semua keadaan (steady ayau unsteady) Dengan atau tanpa adanya reaksi kimia didalam aliran tersebut. Fluida tak ada yang menembus dinding stream tube
2) Hk II Newton – Persamaan momentum linier Momentum suatu partikel atau benda merupakan perkalian massa (m) dengan kecepatan (v). Partikel-partikel aliran fluida mempunyai momentum, oleh karena kecepatan aliran berubah baik dalam besarannya dmaupun arahnya, maka momentum partikel-partikel fluida juga akan berubah. Menurut hokum Newton II, diperlukan gaya untuk melakukan perubahan tersebut yang sebangding dengan besarnya kecepatan perubahan momentum. Untuk menentukan besarnya perubahan momentum didalam aliran fluida, dipandang tabung aliran dengan luas permukaan dA seperti pada gambar berikut:
Gambar 6. Tabung aliran.[1]
19
Dalam hal ini dinggap bahwa aliran yang melalui tabung arus adalah permanent, maka persamaan momentum adalah:
P = m.v P = (ρ.V).v P = ρ.(s.A).v P = ρ.(∫ v.dt) A.v Jika momentum melalui tabung aliran ditinjau dalam waktu (dt) maka:
P = ρ.v.A.v P = ρ.v2.A P = ρ .Q.v ρ .Q ini tak lain adalah alairan massa, sementara percepatan rat-rata merupakan perubahan kecepatan ɑ = ∆v, dan berdasarkan hokum II Newton bahwasanya
F = m.a F = ρ .Q.∆v F = ρ .Q.(v2-v1) Jadi untuk masing-masing komponen (x,y,z) [1]:
F = ρ .Q.(vx2-vx1) F = ρ .Q.(vy2-vy1) F = ρ .Q.(vz2-vz1)
20
Dimana Resultan komponen gaya yang bekerja pada fluida adalah:
F= Persamaan ini menyatakan bahwa aliran fluida bergerak dapat menghasilkan gaya reaksi dengan cara berikut: Variasi aliran momentum linier dalam arah atau besarnya Gaya-gaya tekanan fluida Gaya-gaya gesekan Berat fluida 3) Hk I Termodinamika –persaman Energi ΔQk =ΔU +ΔW [15] ……………………………….<7> Inti pernyataan Hukum ini adalah Energi bersifat kekal, meskipun kalor (Qk) telah diubah menjadi energi mekanik (usaha luar (W ) dan energi dalam (U )) jumlah keseluruhan adalah tetap. Usaha luar (W) yang dimaksud adalah usaha yang dilakukan oleh gaya luar seperti gaya normal akibat tekanan dan gaya berat fluida, yakni
W = F.ΔS
W = (P.A).ΔS [6] …………………………………………....<8> W = P.(ΔV ) Dimana ΔS ini adalah pergeseran (displacement) dan sebagai catatan jika ΔS =0 (tidak ada pergeseran yang searah dengan bidang kerja) maka dianggap usaha yang dilakukan Nol (tidak ada). Energi dalam (U) ini salah satunya adalah energi kinetik Ek sangat umum.[1]
21
=
yang sudah
2.1.3.3 Persamaan Bernoulli (1700 – 1780) 1. Bernouli untuk fluida ideal (invicid). Asumsi: ideal liquid aliran berupa stream tube aliran steady flow gaya yang bekerja hanya gaya berat (Gravity) Rumus ini menyatakan hubungan antara tekanan (P) terhadap kecepatan alir (v).
Gambar 7. Stream Tube [6] . Pada penampang 1:
Pada penampang 2:
dA1; v1; P1, z1
dA2; v2; P2, z2
Untuk selang waktu (dt) gaya luar akan menggeser volume zat cair dari batas (1-2) ke (1‟ – 2‟). Teori mekanika bila diterapkan untuk fluida tersebut, menyatakan bahwa, “ usaha dari gaya luar dipakai untuk merubah energi kinetik benda”. Yang termasuk gaya luar adalah gaya normal akibat tekanan dan gaya berat.
22
Selama waktu (dt) dan mengacu pada persamaan (8) maka, usaha akibat tekanan pada: Penampang 1
: W1 = (P1.dA1 ).(ν1 .dt)
Penampang 2
: W2 = -(P2.dA2 ).(ν2 .dt)
Bertanda (-) karena berlawanan dengan arah pergeseran (displacement) dan juga sebagai reaksi gaya untuk menjaga kesetimbangan sistim. Selubung stream tube:
W3
=
Karena gaya ┴ perpindahan Usaha akibat gaya berat fluida:
W4 = F.Δz W4 = m.g.(z1 − z2) W4 = dG.(z1 − z2) [5] 2.1.3.4 Tipe Aliran[5] a. Aliran laminar : ketika bilangan Reynold, Re < 2300 b. Aliran transisi : ketika bilangan Reynold, 2300 ≤ Re ≤ 2300 c. Aliran Turbulen : ketika bilangan Reynold Re > 4000 d. Berdasarkan ordinatnya : aliran satu, dua dan tiga dimensi e. Aliran subsonic : kecepatan alirannya lebih kecil dari kecepatan suara f. Transonik : aliran dimana kecepatan alirannya sama dengan kecepatan suara g. Supersonik : aliran yan melebihi kecepatan suara h. Hypersonik : aliran yang sangat tinggi (lebih besar dari kecepatan suara)
23
0
2.1.3
Aliran Liminer dan Turbulen Perbandingan gaya-gaya yang yang disebabkan oleh gaya –gaya inersia,
gravitasi dan kekentalan dikenal sebagai bilangan Reynolds ditulis sebagai berikut [12]:
Re =
………………………………..<9>
atau bisa juga dituli
Re =
……………………..................<10>
dimana: U
= kecepatan rata-rata aliran (m/s)
D
= diameter pipa (m)
ρ
= massa jenis fluida (kg/m3)
µ
= viskositas dinamik (N.s/m2)
v
= viskositas kinematik (m2/s) Dalam hal ini, jika Re nya kecil, aliran akan meluncur diatas lapisan yang
lain yang dikenal sebagai aliran laminar, sedangkan jika aliran-aliran tadi tidak terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat, aliran ini disebut aliran turbulen.
24
Gambar 8. Aliran Laminer dan Turbulen Pada pipa: Aliran laminar terjadi jika Re < 2100 Aliran turbulen terjdi jika Re > 4000 Untuk kondisi 2100 < Re < 4000 aliran ini diklasifikasikan sebagai aliran transisi. Untuk saluran tertutup bilangan Reynolds telah dinyatakan sebagai:
Re =
…………………………………………<11>
Sedangkan: R=
=
=
………………………………….<12>
4R = D [12] ………………………………………………..<13> Dimana: D = Diameter Pipa (m) A = Luas Penampang (m2) P = Keliling basah (m) R = Jari-jari hidrolis (m)
25
2.2
Sistem Flare Sistim Flare allternatif terkenal dengan nama Flare stack yaitu sistim
pemipaan yang berisi perangkat pembakaran gas yang digunakan pada industrial plant seperti Kilang Minyak (Petroleum refineries), Pabrik Kimia (Chemical Plants), Pabrik pengolahan Gas alam (Natural Gas Processing Plants) serta dilokasi produksi minyak dan gas, yang memiliki sumur minyak (oil wells), sumur gas (gas wells) dan anjungan minyak dan gas lepas pantai (offshore oil and gas rigs).[16]
Gambar 9. Elevated Flare Pembakaran adalah suatu suatu proses reaksi kimia yang menggunakan fuel, panas dan oksigen. Pembakaran gas khususnya yang menggunakan gas metana CH4 dan udara. Metana adalah komponen utama dalam gas alam, pembakaran dari metana
26
menghasilkan karbondioksida (CO2) dan uap air (H2O). Persamaan reaksi tersebut adalah: CH4 + 2O2 →CO2 + 2H2O Persamaan stoikiometri menunjukan bahwa molekul metana tersusun dari empat buah atom hydrogen dalam satu karbon, diareaksikan dengan dua buah atom oksigen. Persamaan stoikiometri adalah persamaan yang setara, yaitu jumlah atom reaktan sama dengan jumlah atom produk, artinya jumlah masa direaktan sama dengan jumlah masa di produk. Gas dalam flaring yang akan dibuang termasuk exothermic flare gases artinya gas tersebut mempunya inilai heating value yang cukup (pada umumnya lebih dari 300 BTU/SCF) untuk menjaga gas tersebut dapat terbakar sendiri tanpa dibutuhkan penambahan fuel. Endhothermic gas dapat dibuang menggunakan desain khusus seperti single point flare, multi point flare dan enclosed ground flare.[7] Sistim pemipaan flare didesign untuk menampung pipa-pipa gas buangan dari dari equipment seperti Pig Receiver, Slug Catcher, Gas Scrubber, Condensate metering, Gas metering, Condensate Pump. Dan juga gas buangan dari process line dari sistim piping yang di release melalui blowdown valve, pressure safety valve dan restriction orifice. Pada dasarnya flare system memiliki filosofi desain yang berhubungan dengan, Over pressure protection filosofi, emergency shutdown filosofi dan emergency depressurisizing filosofi.
27
2.2.1
Flare Flaring mempunyai beberapa tipe aplikasi yang di gunakan dala proses
industry, pada umumnya flaring dilakukan diketinggian tertentu, dilokasikan secara terbuka diudara dengan desain burner tip menggunakan fuel, steam atau udara. Proses flaring dapat menghasilkan produk samping yang tidak diinginkan seperti suara, asap, radiasi panas, cahaya, SOx, NOx , dan CO sehingga desain yang tepat dibutuhkan untuk mengurangi hal tersebut. Pada industry pengolahan minyak bumi, terminal penampungan, petrokimia dan dalam area yang padat profile closed ground flare dengan no visible flame dan no noise atau thermal radiation dikombinasikan dengan efisiensi untuk pembakaran tanpa asap menjadi menarik. Enclosed flare (dapat disebut juga thermal oxider) sangat berhubungan dengan persyaratan keamanan, sebelum unit tersebut dapat dioperasikan secara online, fully automatic control diharuskan melakukan pengecekan terhadap seluruh alat pengamanan atau safe guards. Setiap pilot sebagai contoh harus di lengkapi dengan UV scanner yang akan memastikan pilot tersebut berjalan sebelum burner utama dioperasikan.[2]
28
Gambar 10. Steam Elevated Flare System (http://www.argoflares.com) Flare yang digunakan pada industry secara umum dikategorikan sebagai berikut: 1. Single point 2. Multi point 3. Eclosed point
29
2.2.1.1
Single Point
Single point flare pada umumnya dapat diaplikasikan dan didesain tanpa timbulnya asap
dan
secara
umum
dilokasikan
pada
ketinggian
tertentu
dengan
mempertimbangkan tingkat kebisingan, radiasi panas dan akses terhadap peralatan proses. Single point flare pada umumnya terdiri dari beberapa item dibawah ini: 1. Flare burner a. Pilot b. Pilot ignator c. Pendeteksi api 2. Struktur pendukung perpipaan 3. Pressure vessel 4. Instrumentasi 2.2.1.2 Multi
Multi Point point
flare
digunakan
untuk
meningkatkan
pembakaran
dengan
memanfaatkan aliran gas dan jumlah dari titik pembakaran. Pada industry pengilangan, petrokimia, flare tipe ini didesain dengan harapan dapat menghasilkan pembakaran tanpa asap disetiap jumlah laju alir.[2] Multi point flare pada umumnya terdiri dari bebrapa item dibawah ini: 1. Flare burner dengan jumlah lebih dari satu 2. Pilot, pilot ignitor 3. Flame detector 4. Pressure vessel 30
5. Perpipaan 6. Instrumentasi 2.2.1.3
Enclosed flares
Enclosed flare diciptakan dengan konstruksi tertutup, pembakaran dan nyala api tidak terlihat dan terjadi didalam chamber. Enclosed flare mempunyai keuntungan dapat mengurangi tingkat kenisingan suara disekitarnya dan mengurangi radiasi panas. Flare tipe ini digunakan untuk menutupi tampak api sehingga dapat mengurangi dampak terhadap lingkungan disekitar. Enclosed flare pada umumnya terdiri dari beberapa item dibawa ini: 1. Flare burner 2. Pilot, pilot ignitor 3. Struktur tertutup untuk menyembunyikan api 4. Pagar untuk akses terbatas 5. Perpipaan 6. Pressure vessel 2.2.1.4
Thermal Oxidizer
Thermal oxidizer pada umumnya berfungsi seperti incinerator dengan membakar gas buang yang mempunyai nilai heating value yang rendah. Gas buang tersebut tidak dapat membakar dirinya sendiri sehingga dibutuhkan penambahan fuel untuk menaikan nilai heating value, oleh karena itu desain thermal oxidizer dilengkapi dengan burner yang berfungsi sebagai added fuel. Desain konstruksi secara umum seperti enclosed ground flare.[2]
31
2.2.2
Desain Flare
Flare yang aman dapat dioperasikan dengan optimum membutuhkan keahlian dan persyaratan khusu untuk membuatnya, dibutuhkan perhatian yang tinggi terhadap faktor-faktor yang menyebabkan ukuran, keamanan, regulasi dan biaya yang optimum. Secara garis besar factor yang mempengaruhi dalam mendesain flare adalah: 1. Laju alir 2. Komposisi gas 3. Temperature gas 4. Tekanan gas yang tersedia 5. Utility cost 6. Persyaratan keamanan Untuk mendesain flare yang aman dibutuhkan informasi diatas dan umumnya informasi tersebut dimiliki oleh pemilik plant, dan informasi tersebut harus dimiliki oleh seorang desainer untuk membuat desain yang layak. Secara teknis empat informasi utama adalah mutlak dibutuhkan untuk mendesain flare, dan informasi berikutnya akan berhubungan dengan fasilitas dan lokasi plant tersebut. 2.2.2.1
Laju Alir
Sistem suatu flare didesain berdasarkan suatu kondisi laju alir tertentu, sehingga informasi laju alir suatu gas yang akan dibakar harus ditentukan terlebih dahulu yang berhubungan dengan beberapa scenario yang terjadi dalam suatu proses. Estimasi laju alir yang berlebihan akan menyebabkan peningkatan modal investasi awal yang besar dan biaya operasional yang tinggi, estimasi laju alir yang terlalu rendah dapat menyebabkan hasil yang tidak aman dan efektif. Laju air akan sangat 32
berdampak dalam menetukan ukuran peralatan, penetuan tersebut akan mempengaruhi ketinggian dan besar suatu peralatan tersebut. 2.2.2.2
Komposisi Gas
Komposisi gas dapat mempengaruhi desain suatu flare, komposisi gas dibutuhkan untuk melihat karakteristik gas pada setiap laju alirtertentu, dan juga melihat gas khusus yang dapat digunakan sebagai pilot dan purge gas. Komposisi gas yang diketahui dapat menetukan karakteristik pembakaran yang akan terjadi. Informasi komposisi gas sebagai contoh perbandingan hydrogen dan karbon, rasio hydrogen dan karbon dapat menjadi parameter terjadi dan munculnya asap pada pembakaran. Tingkat perbandingan H/C semakin rendah menyebabkan kemungkinan terjadinya asap dalam pembakaran. Komposis gas dapat juga terlihat komponen hidrokarbon seperti H2S dan pengotor, dimana karakteristik gas khusus yang mengandung H2S yang tinggi dibutuhkan penaganan khusus terhadap tingkat konsentrasi dipermukaan tanah. 2.2.2.3
Tekanan Gas Yang Tersedia
Tekanan gas yang tersedia pada suatu fasilitas sistem flare dapat menetukan analisa secara keseluruhan dari system pressure relief dan peralatan menuju flare burner. Skenario kondisi operasi yang terjadi dapat dianalisa untuk menentukan tekanan disetiap peralatan dan skenario vent disetiap cabang flare header. Tekanan tersebut adalah tekanan rendah yang diizinkan untuk kembali atau allowable back pressure pada setiap peralatan. Tekanan yang optimum pada flare tip dapat mengurangi biaya yang akan timbul.
33
2.2.2.4
Utility Cost
System flare pada kasusu tertentu tidak hanya dibutuhkan alairan gas untuk menghasilkan pembakaran tanpa asap. Pada suatu kondisi tertentu dibutuhkan aliran lain seperti steam untuk meningkatkan kualitas pembakaran tanpa asap. Steam digunakan dengan menginjeksikan melalui lubang aliran dan juga alternatif menggunakan udara bertekanan dari blower. Biaya yang timbul akibat hal tersebut harus diperhitungkan dan kelayakan desain dengan kondisi tersebut. 2.2.2.5
Persyaratan Keamanan
Sistem flare sangat berhubungan dengan factor kesalamatan. Perhatian terhadap factor keselamatan terhadap radiasi panas yang ditimbulkan api dan juga pemantik ayng layak. Persyaratan keamanan berdasarkan Amerikan Petroleum Instutte (API) Recomendation and Practice (RP) 521. Radiation
Time
Intensity
Threshold
BTU per Hour
Kilowatt
per
Second
per Square Foot
Square Meter
550
1.74
60
740
2.33
40
920
2.90
30
1500
4.73
16
2200
6.94
9
3000
9.46
6
700
11.67
4
6300
19.87
2
Tabel 2.1 Batas Ambang Radiasi Panas
34
to
Pain
2.2.3
Komponen - Komponen Flare
Peningkatan teknologi pengolahan gas terus dilakukan untuk menghasilkan efesiensi dalam proses industry, berbagai metode digunakan untuk meningkatkan berbagai macam produk akhir, mengurangi produk samping yang tidak diinginkan dalam berbagai bentuk seperti gas, cair atau padatan. Komponen hidrokarbon yang menjadi produk samping harus mempunyai kandungan yang aman dan tidak berpotensi merusak lingkungan. Produk samping dalam industry pengolahan gas bumi, minyak bumi dan petrokimia yang tidak diinginkan telah diciptakan berbagai metode untuk menghuilangkan produk samping tersebut, berbagai cara seperti membuang diarea yang aman, menginjeksikan kembali kedalam sumur.[7] Pada aplikasi umum uap tidak dapat disimpan dan harus diolah kembali. Metode yang efisien untuk penanganan komponen tersebut dengan pembakaran oksida pada suhu yang tinggi (1000ºC) atau yang dikenal dengan enclosed ground flare atau thermal oxidizer. Enclosed ground flare dengan suhu tinggi secara cepat dan efektif akan menghancurkan komponen hidrokarbon yang akan dibuang, merubah karbon dan oksigen menjadi kondioksida dan uap air. Faktor yang menentukan desain enclosed ground flare seperti komposisi gas buang dan laju alir akan berdampak pada ukuran, material dan perlengkapan konstruksi. Pertimbangan faktor ekonomi dari modal investasi dan biaya operasi akan diperhitungkan dalam studi kelayakan. Peraturan untuk penanganan gas buang berbahaya seperti H2S menjadi perhatian penting utuk diaplikasikan.[7]
35
2.2.3.1
Stack
Enclosed ground flare mempunyai konstruksi dengan menggunakan stack atau cerobong bakar, pada umumnya mengunakan material logam carbon steel dengan spesifikasi yang diatur oleh standar internasional seperti ASTM (American Society of Testing and Material), SNI dan lain-lain.
Gambar 11. Stack Enclosed Ground Flare (www.c-deg-eu) 2.2.3.2
Burner Enclosed ground flare didesain dengan pembakaran didalam suatu body shell
dimana pembakaran terjadi menggunakan burner baik pembakaran langsung ataupun bertingkat yang disebut multiple burner. Burner didesain untuk menghasilkan pembakaran yang baik berdasarkan kaapasitas gas buang yang akan dibakar. Burner tang terjadi pada suhu yang tinggi
36
dibutuhkan konstruksi material yang mampu menahan temperatur tinggi, karena itu pemilihan material burner menggunakan material stainless steel.
Gambar 12. Burner (www.prema-service.com) 2.2.3.3 Pilot Proses pembakaran didalam enclosed ground flare menggunakan pilot yaitu pemantik elektronik dari busi dan sumber bakar disuplai fuel. Pilot digunakan sebagai nyala api pertama sebelum digunakan untuk membakar gas buang. Penyalaan mengunakan sebuah transformer dimana terjadi peningkatan dari teganagan rendah ketegangan tinggi. Pada umumnya digunakan tegangan rendah 110-240 VAC untuk ditingkatkan menjadi sekitar 5000 volt. Material pilot menggunakan stainless steel yang berbentuk pipa dengan ukuran ½” sampai 1”.
37
Gambar 13. Pilot Model 2.2.4
Aplikasi Software
Desain suatu flare melibatkan komposisi gas, karakteristik, physical properties, chemical properties, dan lain-lain membuat desain flare memiliki kompleksitas yang cukup tinggi, oleh karena itu penggunaan tools sebagai bantuan untuk mendesain sangat menguntungkan desainer. Pada desain flare dapat digunakan beberap software yang berguna untuk membantu memeudahkan pekerjaan diantaranya adalah HYSYS ®, FLARENET ®, CFD, dan STACKDES
38
2.3
Getaran Getaran adalah suatu gerakan bolak-balik suatu benda yang mempunyai
amplitude yang sama (Wikipedia.org). Beberapa komponen penting yang berhubungan dengan getaran adalah sebagai berikut: 1. Frekuensi Frekuensi adalah banyaknya jumlah putaran atau gerakan dalam satu satuan waktu.[8] Dinyatakan dalam satuan Hertz (Hz). 2. Amplitudo Amplitudo adalah simpangan terbesar dari titik normalnya (Rao, Sangiresu S, 2004, 51). Amplitudo dapat berupa: 1. Perpindahan (Displacement) 2. Kecepatan (Velocity) 3. Percepatan (Accelaretion) 4. Sudut Fase (Phase angle) Sudut fase dapat diartikan sebagai perbedaan amplitude dalam satu frekwensi.[7]
39
Gambar 14. Vibrasi Sederhana yang Menggunakan Sistim Masa Pegas Klasifikasi getaran secara umum dapat digolongkan menjadi dua yaitu: 1. Getaran bebas Getaran Bebas adalah suatu getaran yang terjadi secara alami pada suatu sistim yang tidak dipengaruhi oleh gaya luar (external force). 2. Getaran paksa Getaran paksa adalah getaran yang terjadi akibat adanya rangsangan gaya dari luar (external force). Jika rangsangana tersebut berosilasi, maka sistim tersebut dipaksa untuk bergetar pada frekuensi rangsangan.Apabila frekuensi rangsangan sama dengan frekuensi natural sistim, maka akan terjadi resonansi yang nantinya akan mengakibatkan pembesaran amplitudo. Keadaan resonansi ini bisa menyebabkan kerusakan pada sistim perpipaan seperti patah atau retak 2.3.1
Vibrasi pada Piping
Vibrasi pada piping system adalah fungsi dari frekuensi natural pipa itu sendiri (tergantung pada nilai diameter pipa, panjang bentangan dan jenis support), dan kondisi
40
operasional piping sytem seperti tekanan, suhu dan aliran (Wachel, 1995). Secara umum kegagalan dinamis pada piping system disebabkan oleh resonansi dari vibrasi bentangan pipa tersebut. Tegangan yang terjadi dari bentangan pipa yang merupakan resonansi dari vibrasi secara langsung berbanding lurus dengan amplitudo vibrasi maksimum (displacement, velocity, acceleration) dari bentangan pipa. Dalam rangka memutuskan apakah pengukuran amplitude vibrasi dari piping system bersifat acceptable, maka tegangan dinamis (Dynamic stress) yang disebabkan oleh vibrasi harus dibandingkan dengan limitasi daya tahan (endurance) material pipa yang digunakan.[11] Vibrasi pada piping umumnya disebabkan oleh, Flow induced turbulence, mechanical excitation, Pulsation, high frequency acoustic excitation, surge/momentum change due to valve operation, cavitation dan flashing. Sumber yang dominan dari frekwensi rendah tekanan pulsation yang banyak terjadi adalah, Reciprocating/positive displacement pumps dan kompresor, Sentrifugal kompresor (Rotating Stall) dan Flow induced Excitation. Vibrasi pada sistim pemipaan disebabkan oleh dinamik stress, yang mana jika berada diatas level kritikal akan menghasilkan permulaan dan perambatan dari fatigue crack. Fatigue crack yang tidak diperiksa akan membawa pada peretakan ketebalan dan berikutnya bisa membuat pecah atau putus seperti tampak pada gambar 15 dibawah ini. Komponen yang mengalami fatigue crack, jangka hidupnya akan menjadi pendek ( dalam beberapa kasus terjadi dalam hitungan menit atau hari). Bagaimanapun vibrasi yang terjadi dalam waktu yang singkat (intermittent) maka jangka hidup dari
41
komponen yang fatigue akan lebih lama tergantung dari amplitude dinamik stress dan frekwensi dari vibrasi.[5]
Gambar 15. Fatigue Crack pada Koneksi Header Lokasi yang paling sensitive dari fatigue adalah welded joint, termasuk line utama dan koneksi cabang kecil (small bore). Tipikal fatigue failure dari koneksi cabang kecil terjadi pada sambungan dengan pipa induk, seperti pada gambar 15.
42
Gambar 16. Fatigue Crack pada SBC.
2.3.1.1
Flow Induced Turbulence Turbulen akan terjadi di kebanyakan piping sistem dan ini ditemukan dalam
praktiknya. Pada pipa lurus hal ini disebabkan oleh turbulen boundary layers pada dinding pipa, dan kekerasannya tergantung pada kekuatan aliran yang di kenal dengan Reynolds number. Bagaimanapun, pada kebanyakan kasus yang terjadi dalam praktik, yang menjadi sumber dari turbulen adalah aliran besar yang tidak bersambung (major flow discontinuities) pada sistim. Seperti terjadi pada proses equipment, sebagian closed valves, short radius atau mitred bends, tees atau reducer.
43
Hal ini berpotensi menimbulkan jalur lebar tingkat tinggi dari energi kinetik lokal menuju sumber turbulen. (Lihat figure 17).
Gambar 17. Distribusi Enegi Kinetik oleh Flow Induced Turbulence. Walaupun energi yang didistribusikan melalui tingkat frekwensi yang luas, mayoritas dari eksitasi berpusat pada frekwensi rendah (< 100Hz); frekwensi terendah, tingkat tertinggi eksitasi dari turbulen (lihat gambar 17). Ini mendorong terjadinya eksitasi dari frekwensi rendah dari mode vibrasi pada pipa kerja. [5]
Gambar 18. Grafik Energi Turbulen sebagai Fungsi dari Frekwensi
44
2.3.1.2
Periode Flow Induced Excitation Aliran yang melalui bodi menyebabkan pusaran air (vortices) akan dialirkan
pada frekwensi khusus sesuai dengan persamaan.
Ƒ =
…………………………………<14>
Dimana: V
= Kecepatan Fluida
D
= Dimensi
S
= Bilangan Strouhal
Periode gangguan tekanan pada frekwensi rendah dapat terjadi di: ● Aliran yang melalui ujung dari cabang kaki mati (dead leg branch), biasanya terjadi pada downstream dari Relief line. ● Aliran yang melalui komponen yang disisipkan pada fluida stream atau aliran nonsymetrical pada vessel. Secara relatif, sistim gas pada kecepatan aliran yang tinggi akan membentuk tonal eksitasi yang dihasilkan ketika aliran melewati ujung mati (dead leg) dari sebuah cabang, sehingga menimbulkan ketidak stabilan pada mulut sambungan cabang (lihat gambar 19 dibawah ini).
45
Gambar 19. Dead leg Branch
2.3.2
Frekwensi Tinggi Akuistik Eksitasi Pada sistim pemipaan gas, tingkat tertingi dari energi frekwensi akuistik
dihasilkan oleh peralatan pengubah tekanan seperti relief valve, control valve dan orifice plate. Perhatian khusus terhadap acouistic fatigue yang cenderung berakibat pada safety (relief and Blowdown) sistim. Sebagai tambahan, waktu untuk terjadinya kegagalan sangat pendek (biasanya beberapa menit atau jam) dikarenakan respon yang tinggi dari frekwensi. Sebaik mungkin memberikan kenaikan tingkat kebisingan luar kepada pipa, dimana keadaan ini merangsang terjadinya vibrasi tingkat tinggi yang hebat pada dinding pipa. Vibrasi akan membentuk pelemahan lokal pada dinding pipa (shell flexural mode of vibration) yang menghasilkan potensi dinamik stres tingkat tinggi pada keliling dinding pipa yang terputus ( circumferential discontinuities) seperti pada sambungan cabang yang kecil (small bore), fabrikasi tee atau pipe support yang dilas.Tingkat kebisingan yang tinggi yang dihasilkan oleh kecepatan tinggi fluida yang menubruk dinding pipadan campuran dari turbulensi dan aliran yang tercekik
46
(choke flow), aliran yang tergoncang (shockwave) pada downstream dari aliran yang tertahan. Semuanya itu adalah akibat dari pressure drop yang melewati alat-alat pengubah tekanan dan mass flow rate dari gas. Tipikal frekwensi yang dominan dari frekwensi akuistik tingkat tinggi adalah antara 500Hz sampai dengan 2000 Hz. 2.3.2.1
Perluasan eksitasi (Extent of excitation) Respon yang disebabkan oleh akuistik eksitasi frekwensi tinggi mengakibatkan
downstream dari pipa kerja yang bersumber dari vessel, separator dan KO drum. Penilaian yang dilakukan pada main line likelihood of failure (LOF) dari setiap welded discontinuity seperti small bore connection (SBC), welded Tee, dan welded support. Apabila nilai dari diskontitas LOF sama dengan satu, maka tindakan koreksi harus dilakukan.[5] Sumber dari eksitasi akuistik frekwensi tinggi adalah peralatan pengubah tekanan seperti control / relief valve, restriction orifices atau branch connection.
47
Sy Input
m
Units
bol
De
External diameter of the main line
mm
xt
dex
External diameter of branch
mm
t
Internal diameter of main line
Dint
Distance between source and the welded
Ldi
discontinuity
s
Molecular weight of gas
mm m
M
Grams
w
/mol Pa
Pressure upstream of pressure reducing device
P1
absolu te Pa
Pressure downstream of pressure reducing device
P2
absolu te
Wall thickness of the main line
T
mm
Wall thickness of the branch line
t
mm
Upstream temperature
Te
K
Mass flow rate
W
Kg/s
Tabel 2.2 Parameter Penilaian LOF
48
2.3.3
Penilaian Risiko
2.3.3.1
Likelihood of Failure Likelihood of failure (LOF) adalah bentuk skoring yang digunakan untuk
tujuan skrining. LOF bukan suatu bentuk kemungkinan yang mutlak dari kegagalan maupun suatu pengukuran yang
mutlak dari kegagalan (failure). Perhitungan
didasarkan pada penyederhanan model untuk meyakinkan kemudahan dari aplikasi dan tentunya sangat konservatif. Inisial fokus dari penilain adalah sistim yang dipertimbangkan sebagai kritikal sistim dalam hal keselamatan. 2.3.3.2
Kuantitatif penilaian LOF untuk header. Penilaian kuantitatif dilakukan untuk setiap mekanisme eksitasi yang di
identifikasi dari penilaian kualitatif. Ini akan menghasilkan LOF skor dari setiap main line pada sistim, untuk setiap mekanisme identifikasi. LOF skor untuk beberapa mekanisme eksitasi adalah diameter pipa dan ketebalan pipa itu sendiri ( e.g. flow induced turbulence). Oleh karena itu ketika bekerja pada proses sistim, perubahan diameter pipa dan spesifikasi akan menghasilkan perubahan LOF skor pada sistim yang sama untuk mekanisme eksitasi yang sama. Perlu dicatat, jika main line memiliki LOF skor lebih besar dari 0.5, maka pengecekan perlu dilakukan pada peralihan vibrasi kepada jaringan pipa yang berdekatan. Juga apabila LOF skor untuk Slug flow yang tidak ada dalam referensi maka skor untuk main line nya adalah LOF=1. 49
2.3.3.3
Kuantitatif penilaian LOF untuk Small bore connection (SBC). Penilaian LOF terhadap SBC tidak perlu mempertimbangkan LOF skor dari
main line. Bagaimanapun perlu dicatat bahwa pada kasus ini main line LOF skor adalah.1.0. Sebagai tambahan, jika SBC pada main line adalah subyek kepada tonal eksitasi, bersaman antara struktural natural frekwensi pada SBC dan frekwensi dari tonal eksitasi yang harus dihindari. Eksitasi tonal terjadi karena beberapa mekanisme eksitasi antara lain: ● Mekanikal eksitasi ● Pulsation : Reciprocating/positive displacement pumps and compressors ● Pulsation: Rotating stall ● Pulsation: Flow Induced Excitation Informasi penting yang dibutuhkan adalah: ●
Main line LOF =1.0
●
SBC geometry dan lokasi
50
Main line LOF
SBC Modifier
Multiply main line LOF by 1.42
Minimum of both inputs
SBC LOF Flowchart penentuan SBC LOF skor
Gambar 20. Kritikal Matrik Kalkulasi LOF Skor dan Resiko
51
Skor
Langkah Penanganan
LOF ≥1.0
Main line harus di desain ulang, disupport dan detailnya dianalisa lagi, dan perhatian terhadap vibrasi pada main line harus dilakukan. (Note 1). Tindakan koreksi dan pengujian harus dilakukan jika dianggap penting. Koneksi SBC ke main line harus dinilai kembali. Pengamatan visual harus dilakukan untuk mengecek konstruksi yang tidak tepat dan atau geometrid dan support pada main line atau potensi penyebaran vibrasi pada pipa kerja disekitarnya.
1.0
Main line harus di desain ulang, disupport dan detailnya dianalisa lagi, dan perhatian terhadap vibrasi pada main line harus dilakukan. (Note 1). Tindakan koreksi dan pengujian harus dilakukan jika dianggap penting. Koneksi SBC ke main line harus dinilai kembali. Pengamatan visual harus dilakukan untuk mengecek konstruksi yang tidak tepat dan atau geometrid dan support pada main line atau potensi penyebaran vibrasi pada pipa kerja disekitarnya.
0.5
Koneksi SBC ke main line harus dinilai kembali. Pengamatan visual harus dilakukan untuk mengecek konstruksi yang tidak tepat dan atau geometrid dan support pada main line atau potensi penyebaran vibrasi dari sumber line.
LOF<0.3
Pengamatan visual harus dilakukan untuk mengecek konstruksi yang tidak tepat dan atau geometrid dan support pada main line atau potensi penyebaran vibrasi dari sumber line.
Tabel 2.3 Koreksi pada Main Line sesuai LOF Skor
52
Notes: 1. Untuk mekanisme vibrasi sementara tertentu, teknik pengukuran khusus dibutuhkan. 2. Untuk kasus acoustic excitation dengan frekwensi tinggi, mekanisme ini berlaku untuk main line. SBC pada main line hanya membutuhkan pengujian jika ada mekanisme eksitasi lain yang berpengaruh kepada main line. Skor
Langkah Penanganan
LOF ≥0.7
SBC harus di desain ulang, disupport dan detailnya dianalisa lagi dan perhatian terhadap vibrasi pada SBC harus dilakukan. Pengamatan secara visual harus dilakukan untuk mengecek konstruksi yang tidak tepat atau SBC geometri dan instrument tubing.
0.7>LOF≥0.4
Pemantauan terhadap vibrasi pada SBC harus dilakukan, alternative yang mungkin adalah desai kembali SBC, disupport dan detailnya dianalisa lagi. Pengamataan secara visual harus dilakukan untuk mengecek konstruksi yang tidak tepat atau SBC geometri dan instrument tubing.
LOF <0.4
Pengamataan secara visual harus dilakukan untuk mengecek konstruksi yang tidak tepat atau SBC geometrid an instrument tubing.
Tabel 2.4 Koreksi pada SBC line sesuai LOF Skor
53
Skor
Langkah Penanganan
LOF = 1.0
Mengubah thermowell atau menganalisa detail.
LOF = 0.29
Tidak ada aksi yang dibutuhkan.
Tabel 2.5 Koreksi Pada Thermowell sesuai LOF Skor[5] 2.3.4
Penilaian kuantitatif terhadap main line LOF
2.3.4.1 Penentuan Akuistik energy (SWL) Prosedur untuk memprediksi Akuistik energi yang terjadi pada Piping system didasarkan pada parameter-parameter berikut: Upstream dan downstream pressure (P1 dan P2) Mass Flow Rate (W) Upstream Temperatur (T) Molecular Weight (Mw) Akuistik energi dinyatakan sebagai Sound Power Level (SWL) dan dihitung dengan pendekatan berikut. 2.3.4.2
Menentukan Sumber dari SWL
Untuk masing-masing alat pengurangan tekanan seperti PSV dan BDV Valves, koneksi cabang dengan aliran sonic, dll. SWL dapat dihitung dengan formula berikut:
SWLS = 10 Log [(
3.6
w2 (
1.2
]+126.1
Dimana; SWLS = Source Sound power level yang dihasilkan oleh Upstream pressure reducer
54
Variabel
Defenition
Metric Unit
SWL
Sound Power Level
dB
P1
Upstream pressure (absolute)
bara
P2
Downstream pressure (absolute)
bara
ΔP
P1-P2
bara
W
Mass Flow rate
Kg/S
T
Upstream temperatur
K
Mw
Molecular weight
-
Tabel 2.6 Deskripsi formula 2.3.4.3
Menentukan Pengaruh Kebisingan terhadap Pelemahan Sepanjang Dinding
Pipa. Kebisingan aliran sepanjang pipa dapat melemahkan pada batas tertentu dikarenakan kehilangan kekentalan dan konduksi panas. Pelemahan ini berkisar pada 6 dB per 100 diameter pipa. Oleh karena itu SWL pada suatu titik yan berada pada downstream dari sumber dapat dihitung dengan formula berikut.
SWL= SWLS –AT = SWLS – 0.6 Dimana; SWL = Sound power level pada lokasi pipa Ldwnstrm meter downstream dari sumber. SWLS = Source sound power level yng dihasilkan oleh Upstream pressure reducer. AT
= Power Attenuation term (dB)
Ldwnstrm = Distance of location downstream of pressure let- down device (m)
55
ID
= Internal diameter of line downstream of the let-down device (m)
2.3.4.4
Kriteria Desain sesuai General Specification
SWL yang dizinkan untuk design AIV sebagai sebuah fungsi dari perbandingan Diameter pipa dan thickness (D/T) ditunjukan pada plot dibawah ini.
Gambar 21. Kriteria Pipe Desain – SWL vs D/t Kurva diatas terdiri dari perhitungan Sumber dari akuistik energi SWL (sumbu vertikal) dengan rasio dari Outside diameter pipa dibagi thickness dinding pipa (sumbu horizontal). Dengan sistim prediksi SWL yang melebihi batas desain dari kurva harus mengalami perubahan salah satu dari dua yaitu mengurangi akuistik energi atau mengeliminasi defisiensi yang bisa menyebabkan fatigue failure. Berdasarkan pengalaman, asymmetric discontinuities pada dinding pipa, seperti pada koneksi cabang, support saddles, dan restrain attachment adalah berpotensi menjadi titik dari fatigue failure. Fatigue failure disebabkan oleh peak cyclic stresses 56
(tegangan puncak yang berulang-ulang) yang terjadi pada detail dimana dinding pipa bergetar secara tiba-tiba tertahan oleh diskontinuitas asimetris. Axi- symmetric diskontinuitas pada dinding pipa seperti di flange, valves, dan stiffening rings diketahui tidak menjadi potensi dari titik fatique failure. Ini karena amplitudo getaran dinding pipa damp out secara bertahap mendekati axi-symmetric discontinuity, dikarenakan efek dari cylindrical shell stiffening. Oleh karena itu SWL dinilai pada tiap-tiap asymmetric discontinuity. Kurva warna biru menggambarkan pemakaian secara terus-menerus sedangkan kurva warna merah menggambarkan pemakaian yang sekali-sekali. 2.3.4.5
Kalkulasi likelihood of failure
Berdasarkan “Guidelines for the Avoidance of Vibration Induced Fatigue Failure in Process Pipework”, Sound Power Level akan dinilai dan Likelihood of failure (LOF) dihitung sebagaimana yang dijelaskan oleh flowchart dibawah ini.
57
Bersambung ke Flowchart dihalaman berikutnya.
58
Gambar 22. Flowchart Perhitungan SWL dan LOF[5] Dimana: N = Number of cycles to failure FLM = Fatigue life multiplier for stage i PWL = Soud Power Level SFF = A correction factor to account for sonic flow. If sonic conditions exist then SFF=6; Otherwise SFF=0 59
2.3.5
Tindakan Koreksi pada Piping Sistem
2.3.5.1
Penurunan Mass Flow Rate Salah satu metode efektif untuk menurunkan tingkat kebisingan pada sumber
bunyi adalah dengan menurunkan mass flow rate yang melewati valve, baik itu menggunakan beberapa valve maupun memperpanjang waktu untuk proses relief atau blowdown pada sistim. Petunjuk umum menyatakan bahwa pembatasan bilangan mach pada fluida yang keluar dari valve, (rasio dari kecepatan fluida pada sisi keluaran valve dengan kecepatan sonik dari fluida yang diberikan suhu) adalah 0.4 mach untuk pengoperasian sistim yang terus menerus (continues) dan 0.5 mach untuk pengoperasian sistim yang jarang (intermittent). Hal ini menghasilkan hubungan antara penurunan mass flow rate dengan tingkat akuistik energi yang rendah. Walaupun hal ini pada prakteknya sangat sulit diterapkan pada sebagian relief sistim. 2.3.5.2
Mengganti Valve Trim Penggunaan multi stage pressure drop pada internal kontrol valve dapat
membantu menurunkan tingkat kebisingan pada sumber sehingga dapat mengurangi resiko akuistik fatigue failure. Bagaimanapun informasinya harus diperlihatkan oleh manufaktur valve untuk memastikan bahwa penurunan tekanan dari tingkat kebisingan akan terjadi jika valve dilengkapi dengan low noise trim seperti hole cage dan labyrinth cage teknologi. Ini juga mengurangi penggunaan akuistik insulasi pada bagian luar pipa, yang mana merupakan keuntungan langsung dari prespektif pengaratan. Perlu diketahui bahwa proses merubah valve trim tidak selalu benar. Penggunaan lagging tidak memberikan pengaruh yang signifikan atas respon dari frekwensi tinggi pada pipa yang bisa menyebabkan akuistik fatigue failure. 60
Bagaimanapun, penggunaan dari low noise trim bukan merupakan suatu pilihan khususnya pada relief valve. 2.3.5.3
Merubah Panjang Pipa-Pelemahan dengan Jarak. Perubahan panjang pipa dapat dipertimbangkan pada tahapan desain. Tipikal
figure dari kekuatan bunyi dengan jarak adalah 3dB per 50 diameter pipa downstream. Oleh karena itu peningkatan panjang pipa antara valve dan lokasi yang beresiko tinggi pada downstream valve, dapat mengurangi akuistik energi pada level yang diterima. 2.3.5.4
Akuistik silencers Akuistik silencer dapat dipertimbangkan jika tidak ada kemungkinan untuk
menurunkan frekwensi tingkat tinggi dari sumber akuistik energi. Walaupun akuistik silencer adalah suatu alternatif , tetapi penggunaanya tidak direkomendasikan karena tingkat keberhasilan dan daya tahan yang terbatas. Silencer akan menyingkap akuistik energi tingkat tinggi yang dapat menghasilkan fatigue failure pada silencer itu sendiri.
2.3.6
Respon pada Main line
2.3.6.1
Mengganti Ketebalan Pipa Peningkatan ketebalan pada dinding pipa setempat adalah salah satu opsi dari
sebuah desian baru yang dapat mengurangi frekwensi tinggi dari tingkat dinamik stress pada keliling diskontinuitas. Dengan alternatif full wrap reinfrorcement pada support dan koneksi cabang akan dicapai tujuan tersebut. Parsial reinforcement tidak dapat digunakan . Mengurangi diameter dari rasio ketebalan dinding pipa pada lokasi yang sensitif adalah efektif dan pada kebanyakan kasus, pendekatan nya adalah pada tahapan design. 61
2.3.6.2
Menghilangkan Circumferential Diskontinitas Circumfrential discontinuities seperti small bore conection (SBC) harus
didesain sedemikian rupa agar terhindar dari hal diatas, karena SBC adalah lokasi utama yang sensitive yang memicu terjadinya fatigue. Atau bisa berubah menjadi axisymetri discontinuity jika sambungan menggunakan full wrap atau reinforcement pad . Penggunaan jenis sambungan seperti forged dan extruded tee lebih dipertimbangkan sebagai alternative dari pada weldolets atau welded / stabbing tees yang sangat rentan untuk terjadinya fatigue geometri. Perlu di ingat bahwa akustik fatigue failure pada bagian dari pipa tanpa circumferential discontinuity telah dilaporkan terjadi. Oleh karena itu pipe kerja yang tidak ada pembentukan circumferential discontinuity maka tindakan yang perlu untuk pencegahan adalah memastikan kwalitas yang baik dari penetrasi pengelasan tanpa under cut. 2.3.6.3
Penggunaan Circumferential Stiffening Ring. Penggunaan circumferential stiffener ring lokal adalah efektif untuk beberapa
kasus. Ini dapat merubah frekwensi tinggi dari structural karakteristik pada dinding pipa, yang kemudian menghasilkan tingkat dinamik stress yang rendah pada sambungan pipa ke main line. Lokasi dari stiffening ring akan ditentukan oleh lokal geometri akan dicek oleh beberapa bentuk analisis seperti finite element methods untuk memprediksi kemungkinan perubahan
tingkat respon. Walaupun sebagai suatu
petunjuk awal, akan tetapi harus ditempatkan kira-kira 2D upstream dan downstream sambungan (dimana D= Diameter dari sambungan pipa).[5]
62
Penggunaan pipe clamp support atau saddle
2.3.6.4
Pengunaan full encirclement pipe clamp atau full encirclement pipe saddle dengan guide, stopper dan holdown adalah salah satu metode untuk meredam atau mengurangi vibrasi pada downstream Pressure Relief Valve. Hal ini sangat efektif karena daerah ini adalah yang sangat rentan timbulnya circumferential discontinuity yang bisa membawah kepada fatigue failure. 2.4
Piping Stress Teori
2.4.1
Defenisi Stress Piping Stress analysis adalah suatu cara perhitungan tegangan (stress) pada
pipa yang diakibatkan oleh beban statis dan beban dinamis yang merupakan efek resultan dari gaya gravitasi, perubahaan suhu, tekanan di dalam dan di luar pipa, perubahan jumlah debit fluida yang mengalir di dalam pipa dan pengaruh gaya seismik. Process piping dan power piping adalah contoh system perpipaan yang membutuhkan analisa perhitungan piping stressnya yang dilakukan tentunya oleh pipe stress engineer untuk memastikan rute pipa, beban pada nozzle, dan tumpuan pipa telah dipilih dan diletakkan tepat pada tempatnya sehingga tegangan (stress) yang terjadi tidak melebihi limitasi besaran maksimal tegangan yang diatur oleh ASME atau peraturan lainnya (codes/standard) dan peraturan pemerintah (government regulations). Untuk melakukan sebuah pipe stress analysis biasanya para piping engineer memakai pendekatan finite element method dengan memakai beberapa software umum di dunia perpipaan yaitu CAESAR II, AutoPipe, ROHR2 atau CAEPIPE. Tujuan utama dari piping stress analysis adalah untuk memastikan beberapa hal berikut:[8] 63
a) Keselamatan sistem perpipaan termasuk semua komponennya. b) Keselamatan sistem peralatan yang berhubungan lansung dengan sistem perpipaan dan struktur bangunan pendukung sistem tersebut. c) Defleksi pipa agar tidak melebihi limitasinya. d) Untuk mengatasi problem vibrasi pada sisitim perpipaan. 2.4.2
Kategori Stres
2.4.2.1
Primari Stres
Terjadi karena respon dari pembebabanan (statis dan dinamis) untuk memenuhi persamaan antara gaya keluar dan gaya ke dalam, serta gaya momen dari sebuah sistem pipa. Primary stresses are not self-limiting. Primary Stress merupakan Stress yang paling berbahaya yang diakibatkan oleh Sustained Load. Kenapa disebut berbahaya, karena jika timbul stress ini, maka efeknya catasthropic, yaitu rusaknya atau pecahnya pipa karena tidak mampu menahan berat atau beban yang ditimpakan kepadanya. Primary Stress adalah direct stress, shear atau bending stresses yang dihasilkan oleh beban yang menimpa piping. Beban tersebut bisa datang dari pengaruh beban luar pipa seperti longitudinal dan circumferential stresses due to internal pressure dan bending dan torsional stresses karena berat pipa itu sendiri, salju (snow), Es (ice), Angin (wind) atau gempa bumi (earthquake). Sebagai tambahan akan ada bending dan torsional stress akibat dipasang anchor atau jenis support lainnya yang juga menimpa pipa. Sehingga pipa diharapkan mampu menahan beban-beban tersebut dengan aman tanpa harus mengalami pecah atau gagal. [8] 64
Gambar 23. Kurva Stress - Strain Karakteristik beban primer: a. Biasanya disebabkan oleh gaya (force), seperti tekanan, gaya berat (bobot mati), gaya spring, gaya dari relief valve & hammering b. Tidak bersifat membatas diri sendiri (Non-Self Limiting) --> Jika deformasi plastis terjadi dan pembebanan masih terus bekarja maka deformasi akan terus berlanjut sampai kesetimbangan gaya tercapai atau terjadinya patah/ kerusakan. c. Sifatnya tidak berulang (kecuali beban pulsasi dan variasi tekanan yang selain dikategorikan sebagai beban primer, juga merupakan beban sekunder) d. Batas tegangan izin diperoleh dari teori kegagalan VON MISES, TRESCA dan RANKINE berdasarkan Sy, S-ultimate atau RUPTURE e. Kegagalan dapat terjadi oleh satu beban tunggal yang menimbulkan deformasi plastis total menyeluruh dan patah.
65
2.4.2.2
Secondary Stress Terjadi karena perubahan displacement dari struktur yang terjadi karena
thermal expansion dan atau karena perpindahan posisi tumpuan. Secondary stresses are self-limiting. Secondary stress merupakan stress yang diakibatkan oleh thermal loads, yaitu akibat temperatur fluida yang mengalir yang menyebabkan pipa akan mengalami pemuaian atau pengkerutan (expansion or contraction). Pipa akan menerima apa yang disebut bending nature yang bekerja pada penampang pipa (accross wall thickness) dan bervariasi dari negatif ke positif dan timbul karena terjadinya beda defleksi secara radial dari pipe wall. Secondary Stress bukanlah sebagai penyebab terjadinya kegagalan material secara langsung akibat beban tunggal. Jika pun terjadi stress yang melewati Yield Strenght, maka efek nya hanyalah terjadinya “local deformation” yang berkibat berkurangnya stress pada kondisi operasi. Hanya saja jika hal ini berlangsung berulang-ulang (cyclic), maka akan timbullah apa yang disebut “local strain range” yang berpotensi menjadi penyebab timbulnya Fatigue Failure Karakteristik beban sekunder: a. Biasanya disebabkan oleh perpindahan (displacement), seperti ekspansi thermal, getaran, perpindahan anchor/ Nozzle dan Settlement. b. Selalu bersifat membatasi diri sendiri (Self Limiting) --> Setelah deformasi plastis, deformasi tidak berlanjut karena pembebanan/ tegangan berkurang dengan sendirinya dan cenderung menghilang. 66
c. Sifatnya berulang (kecuali Settlement) . d. Batas tegangan izin diperoleh dari jumlah siklus beban dari kegagalan lelah metal (kurva SN). e. Kegagalan tidak dapat terjadi oleh satu beban tunggal, tetapi kerusakan katastrofis dapat tejadi setelah sejumlah beban berulang bekerja pada sistem pemipaan. 2.4.3.3
Peak Stress
Tidak seperti kondisi pembebanan pada secondary stress yang menyebabkan distorsi, peak stresses tidak menyebabkan distorsi yang signifikan. Peak stresses adalah tegangan tertinggi yang bisa menyebabkan terjadinya kegagalan kelelahan (fatigue failure).[8]
2.4.3
Kategori Pembebanan (Load)
2.4.3.1
Primary Load Tipe Load ini merupakan tipe sustained load, seperti internal fluid pressure,
external pressure, gaya gravitasi yang bekerja pada pipa seperti berat fluida dan pipa, gaya pada reliev valve, water hamer, dan lain-lain. Gaya pada relief valve dan water hammer sebenarnya bukan merupakan sustained load. Namun kedua gaya tersebut masuk ke dalam primary load, karena ada gaya yang dihasilkan oleh fenomena tersebut. Pada kenyataannya, primary load biasanya diakibatkan oleh adanya gaya yang bekerja pada pipa yang menyebabkan pipa mengalami tension, compression, dan lain -lain yang mengakibatkan terjadinya tegangan normal dan tegangan geser (shear stress) pada pipa. Primary load “tidak self limiting”. Artinya bahwa selama ada gaya 67
yang mengenai pipa, tegangan (stress) akan terus ada dan stress tersebut tidak akan hilang seiring berjalannya waktu atau dengan adanya deformasi pada pipa. Jenis kegagalan akibat load jenis primary adalah adanya deformasi yang terus menerus, yang akan membawa kepada rupture. Kerusakan karena primary load ini biasa disebut “Catasthropic failure” 2.4.3.2
Secondary Load Jenis Load ini disebabkan oleh adanya displacement pada pipa. Jenis Load ini
adalah “self limiting”. Artinya bahwa tegangan (stress) yang muncul akibat secondary load, akan berkurang dan lama kelamaan hilang, seiring dengan terjadinya lokal yielding pada pipa. Contoh daripada secondary stress adalah bending pada elbow seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 24. Displacement Figure Ketika sistem perpipaan mencapai temperatur operatingnya, bending strain (stress) di elbow akan mencapai nilai maksimum dan kemudian strain (stress) tersebut akan di redam dengan terjadinya local yielding atau deformasi di elbow. Sehingga lama kelamaan stress itu akan hilang. Dalam hal ini dapat dilihat bahwa secondary
68
stress berhubungan dengan kondisi cyclic seperti adanya penurunan dan kenaikan temperatur. Jenis kegagalan akibat secondary load ini adalah terjadinya crack akibat fatique, yang kemudian akan menyebar ke sepanjang permukaan pipa, sehingga dapat menyebabkan kebocoran pada pipa.[8] 2.4.4
Jenis-jenis Pembebanan (Loads)
2.4.4.1
Sustain Loads Pembebanan jenis ini adalah penjumlah dari berat pipa dan piping komponen
seperti flange, bends, tees, bolts, valve, insulation dan fluida yang mengalir dalam pipa tersebut. Tekanan dalam (internal pressure) pada piping biasanya menyebabkan stress pada dinding pipa lebih dari beban yang diberikan oleh pipe support. Ini karena gaya-gaya nya merata diseluruh dinding pipa, yang menghasilkan tidak ada pembebanan pada pipe support.[8] Contoh yang ada dalam laporan stress. Load
Load
Case
Remarks
Case
Combination
Type
L4
W+P1
SUS
Sustained
L5
W+P2
SUS
Sustained
L6
WNC
SUS
Sustained
Tabel 2.7 Sustain Load pada laporan stress Sustained loads menghasilkan primary stress dan pembebanan nya tidak terbatas. Jumlah dari beban berat mati (dead weight), Axial loads yang disebabkan oleh internal pressure dan beban aksial yang lain yang bukan disebabkan oleh thermal expansion. 69
2.4.4.2
Occasional Loads Occasional sesuai namanya adalah kadang kadang atau jarang. Beban
occasional dapat diartikan adalah beban yang jarang terjadi ada, namun tetap di perhitungkan dalam sistim pemipaan jika memang beban tersebut terjadi. Contoh dari Occasional load ini adalah angin, gempa, salju (snow), fenomena alam lainya, unussual plant operating (seperti relief valve), dan lain sebagainya. Intinya adalah beban yang di kategorikan sebagai occasional load itu hanya bekerja sekitar 110% dari total operasional sistem.[8] Contoh yang ada dalam laporan stress. Load
Load
Case
Remarks
Case
Combination
Type
L3
W+P2+T2
OPE
Operating Temperatur
L7
W+P1+T1+WIN1
OPE
Design operating max.Temp.+win1
L8
W+P1+T1+WIN2
OPE
Design operating max.Temp.+win2
L9
W+P1+T1+WIN3
OPE
Design operating max.Temp.+win3
L41
L7-L3
SUS
Sustained
L42
L8-L3
SUS
Sustained
L43
L9-l3
SUS
Sustained
Tabel 2.8 Occasional Load pada Laporan Stress
70
Yang membedakan dengan sustain load adalah beban tumpuan pada occasional load itu tidak sama dengan beban sustain. Kalau beban sustain di angap homogen, ditopang oleh seluruh pipa (terdistribusi merata pada pipa), namun tidak untuk occasional. Misalnya, ketika salju turun, dia akan turun dimanapun ia mau, hal tersebut yang membuat kita perlu memperhatikan pula beban occasional. Jadi system di desain harus mampu menahan beban occasional degan sustain. 2.4.4.3
Expansion Loads
Expansion ini maksudnya adalah pertambahan panjang. Jadi setiap beban yang diakibatkan oleh pertambahan panjang dari pipa, digolongkan dalam expansion load. Expansion load diartikan sebagai beban yang ditimbulkan akibat ditahannya ekspansi atau konstraksi suatu pipa, yang mengalami pemuaian ataupun pengkerutan akibat temperatur fluida yang mengalir didalamnya.[8] Contoh yang ada dalam laporan stress. Load
Load
Case
Remarks
Case
Combination
Type
L2
W+P1+T1
OPE
Operating Temperatur
L3
W+P2+T2
OPE
Operating Temperatur
L4
W+P1
SUS
Sustained
L5
W+P2
SUS
Sustained
L73
L2-L4
EXP
Expansion Stress (T1)
L74
L3-L5
SUS
Expansion Stress (T2)
Table 2.9 Expansion Load pada Laporan Stess
71
Jadi jikalau pipa terkena panas yang cukup tinggi, maka pipa akan memuai. Apabila pemuaiannya itu di tahan, maka ia akan menimbukan tegangan yang sangat tinggi, oleh karenannya kita perlu membiarkan pipa itu meregang tanpa menimbulkan tegangan yang berlebihan. Kita perlu mengendalikan perubahan panjang pipa itu, biasanya kita akan mengunakan expansion loop. 2.4.5
Teori Kegagalan Yang dimaksud kegagalan (failure) pada sistim perpipaan adalah ketika
tegangan yang telah dihitung memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan tegangan yang di izinkan oleh kekuatan material yang dimiliki. Jika tegangan yang dihitung melebihi tegangan yang diizinkan dari material diasumsikan kegagalan dari material (material failure) terjadi.[10] Ada beberapa teori kegagalan yang sering dipergunakan yaitu: 2.4.5.1
Teori kegagalan Von Mises
Teori ini biasa disebut Octahedral shear theory. Teori tegangan geser oktahedral menyatakan : “Kegagalan terjadi jika tegangan geser oktahedral pada suatu titik dipipa, sama atau lebih besar dari tegangan geser octahedral pada saaat material lelah (yield) dites beban tarik unaxial”.
72
Tegangan geser oktahedral didefenisikan sebagai berikut:
τoct =
2
2
2
(S1 - S2) + (S2 - S3) + (S3 - S1) ………………<10>
Untuk test beban tarik unaxial berlaku S1=Syield dan S2=S3=0, sehingga kegagalan diasumsikan terjadi jika pertidaksamaan berikut ini berlaku.
τoct ≥
yield …………………………………………….<11>
Dengan demilian dapat disimpulkan: Deformasi plastis terjadi apabila Oktahedral shear stress melebihi dari 2 ½ x Syield / 3 2.4.5.2
Teori kegagalan Tresca
Teori ini biasa disebut maximum shear stress theory atau teori kegagalan tegangan geser maksimum mengatakan: “Kegagalan terjadi jika tegangan geser maksimum pada suatu titik dipipa sama atau lebih besar dari tegangan geser maksimum pada saat material lelah (yield) dites beban tarik unaxial”. Tegangan geser maksimum didefenisikan sebagai berikut:
τmax =
(S1-S3) ………………………………….<12>
Untuk tes beban tarik unaxial berlaku S1=syield dan S2=S3=0, sehingga kegagalan diasumsikan terjadi jika pertidaksamaan ini berlaku:
73
τmax =Syield / 2 …………………………………………..<13> Dengan demilian dapat disimpulkan: Deformasi plastis terjadi apabila maxsimum shear stress melebihi dari Syield / 2 2.4.5.3
Teori kegagalan Rankine Teori ini biasa disebut maximum stress theory atau teori tegangan maksimum
yang menyatakan: “Kegagalan terjadi jika tegangan tarik maksimum pada suatu titik dipipa sama atau lebih besar dan tegangan tarik maksimum pada saat material lelah (yield) dites beban tarik unaxial”. Tegangan tarik maksimum menurut defenisi adalah tegangan prinsip positif terbesar = S1 Kebanyakan standar kode perpipaan menggunakan teori kegagalan Tresca dikali dua dan setelah itu tegangan prinsip ditulis dalam term SL, SH dan η teori kegagalan menjadi: (SL+SH)2 + 4η2 ≥ Syield ......................................................<14> Dengan mempertimbangkan kegagalan karena kelelahan material (metal fatigue) maka tegangan karena tekanan dapat diabaikan dan tegangan yang yang diizinkan dikalikan dengan factor keamanan (safety factor = SF), ASME/ANSI B31.3 menspesifikasikan maximum stress intensity criterion sebagai berikut:[10] (SL + SH)2 + 4η2 ≥ Syield …………………………………<15>
74
Dimana: Sb = SL (Tegangan longitudinal) hanya karena momen lendutan MB St = η (tegangan geser) karena moment punter MT SA = tegangan yang di izinkan untuk kasus beban tertentu = SF x Syield
2.4.6
Kelelahan Metal (Fatique)
2.4.6.1
Fenomena Fatigue Modus kegagalan yang diuraikan diatas
cukup teliti untuk memprediksi
kegagalan yang bersifat katastrofis yang diakibatkan oleh beban sekali kerja. Sementara itu pipa, bejana, dan peralatan nya sering mengalami kerusakan yang terjadi setelah beroperasi bertahun-tahun. Kegagalan jenis yang terakhir ini dikenal dengan fenomena kelelahan metal (metal fatique) yang diakibatkan oleh beban berulang yang besarnya relatif rendah. Yang perlu diperhatikan pada kegagalan karena metal lelah ini adalah kegagalan bahkan dapat terjadi dimana tegangan pipa lebih rendah dari pada tegangan leleh (yield stress Syield). Ini dapat terjadi karena konsentrasi tegangan local yang besar menyebabkan deformasi plastis yang pada akhirnya menyebabkan timbulnya retakan-retakan halus sementara tegangan rat-rata pada keseluruhan penampang pipa atau bejana tekan jauh dibawah tegangan leleh. Jika beban ini terjadi berulang kali maka retakan halus itu akan merambat samapai kegagalan yang menyeluruh pada dinding pipa itu terjadi. Kekuatan material menghadapi metal lelah dapat dinyatakan dalam jumlah siklus beban berulang yang diperlukan untuk mengakibatkan kerusakan yang 75
menyeluruh terjadi pada material. Kekuatan ini bisa digambarkan oleh kurva kelelahan metal (fatique curve). Parameter lain yang menjelaskan sifat kekuatan material terhadap metal lelah ini adalah “tegangan batas” (fatique limit/ fatique endurance) yaitu besar tegangan tertentu dimana tidak akan terjadi kegagalan karena metal lelah berapapun jumlah siklus beban berulang terjadi. Kurva fatique untuk baja karbon dan baja alloy diambil dari ASME VIII-2 diperlihatkan dalam gambar berikut.
Gambar 25. Kurva Fatigue Baja karbon dan Baja Alloy Kurva fatique untuk tiap metal berbeda, biasanya diperoleh melalui percobaan (fatique test). Secara umum kelelahan metal disebabkan oleh beban perpindahan, bukannya beban gaya (force load). Beban perpindahan (displacement load) mempunyai karakteristik
76
self limiting, yaitu besar tegangan yang terjadi akibat beban perpindahan akan membatasi diri sendiri oleh mekanisme yang disebut relaksasi atau Elastic shakedown. Jika beban perpindahan meenyebabkan tegangan lokal dimaterial pipa yang melebihi titik plastis (tegangan luluh/yield stress), sehingga akibat fenomena plastis, setelah beban perpindahan ini hilang dari system, kembali kekondisi awal maka akan terjadi dua hal penting. Pertama, tegangan residu (sisa) terjadi pada saat beban telah dihilangkan. Kedua, titik plastis dari material titik plastis dari material pindah karena efek hardening. Jika beban perpindahan ini diulang, maka tegangan residu harus dilawan dahulu baru tegangan luluh yang baru dilampaui. Hal ini bisa berulang selama beban perpindahan tidak melebihi maksimum strain dimana kerusakan katastrofis akan terjadi. Fenomena ini menghasilkan tegangan absolut yang lebih rendah
dari beban
perpindahan yang sama besar seperti terlihat pada gambar berikut dimana maksimum range dari tegangan dibatasi sebesar dua kali setengah luluh (2Sy).
Gambar 26. Maksimum Range Dibatasi dua kali Tegangan Luluh 77
Berdasarkan fenomena ini, besar maksimum dari perbedaan tegangan ekspansi (stress expansion range) pada pipa adalah dua kali tegangan h pada kondisi dingin lebih tepatnya jumlah dari tegangan leleh (Sc) dan tegangan leleh pada kondisi panas (SH). Dengan memperhatikan factor keamanan F, tegangan ekpansi yang diizinkan adalah: SE≤F (SC + SH) ..............................................................<16> 2.4.6.2
Faktor Reduksi Tegangan Berulang Kurva kelelahan metal (fatique curve) memperlihahatkan bahwa kekuatan
fatique berkurang jika jumlah siklus beban semakin banyak. Karena ini tegangan izin untuk tegangan ekspansi juga harus dikurangi. Sebuah factor reduksi f yang nilainya tergantung pada jumlah siklus beban diterapkan dalam rumus untuk tegangan izin ekspansi yaitu: SE≤F. F (SC + SH) [3] ..........................................<17> Berikut ini adalah contoh factor reduksi untuk kode pipa ASME B31.3 JUMLAH
SIKLUS
BEBAN N
FAKTOR f
1
-
7000
1.0
7001
-
14000
0.9
14001
-
22000
0.8
22001
-
45000
0.7
45001
-
100000
0.6
100001
-
200000
0.5
200001
-
700000
0.4
700001
-
2000000
0.3
Tabel.2.10 Nilai Faktor Reduksi ASME B31.3
78
Nilai faktor reduksi ini ditampilkan kembali dalam bentuk grafik berikut dengan juga konversi jumlah siklus beban dalam periode 20 tahun umur instalasi pipa.
Gambar 27. Grafik Reduksi Siklus beban Periode 20 Tahun
2.4.6.3
Efek Beban Sustain pada Fatique Pada umumnya, kurva kelelahan metal dibuat untuk tegangan rata-rata (Sm)
sama dengan nol. Eksperimen membuktikan bahwa tegangan rata-rata menyebabkan berkurangnya kekuatan material terhadap metal lelah. Ada beberapa teori yang dikenal untuk memperhitungkan efek tegangan rata-rata yang tidak nol pada fatique seperti persamaan Soderberg:
79
SSoderberg = SF(R=1) (1-
.........................<18>
Dimana R
=Smin / Smax
SF(R= -1)
= Tegangan Fatique untuk R= -1
Smin
=Tegangan absolute minimum (cold stress)
Smax
= Tegangan absolute maksimum (hot stress)
Untuk analisis kelelahan pada sistim pipa, efek tegangan rata-rata ini diterapkan secara konservatif, yaitu tegangan karena beban tetap (sustained load) seperti bobot mati dan tekanan diasumsikan sebagai tekanan rata-rata dan tegangan yang diizinkan untuk ekspansi dikurangi dengan tegangan tetap Ssus ini menjadi:
SE≤F.f (Sc + SH – Ssus) 2.4.6.4
[3]......................................<
19>
Stress Intensification Factor (SIF) Ekperimen mengenai kelelahan metal pada pipa pertama kali dilakukan oleh
Markl dan kawan-kawan diawal tahun 50-an. Hasil penelitian ini memperlihatkan bahwa kegagalan metal lelah tidak terjadi ditengah-tengah segmen pipa lurus, melainkan didaerah dekat fitting (daerah diskontinuitas geometri).Selain fatique terjadi pada kombinasi tegangan dengan jumlah siklus yang lebih rendah dari kegagalan yang terjadi pada pipa lurus. Penjelasan dari fenomena ini terletak pada kenaikan tegangan lokal daerah dekat fitting (elbow, tees, butt welded) dibandingkan dengan pipa lurus. Laporan eksperimen dari Markl dan kawan-kawan menjadi dasar penerapanStress Intensification Factor (SIF) dalam kode pipa.SIF ini didefenisikan sebagai rasio
80
tegangan lokal maksimim yang terjadi terhadap tegangan nominal. Istilah lain dari SIF ini yang lebih sering dipakai dibuku teks adalah faktor konsentrasi tegangan K (Stress concentration Factor SCF). Gambar berikut memperlihatkan distribusi tegangan akibat adanya diskotinuitas geometri.
Gambar 28. Distribusi Tegangan Akibat Diskontinuitas Geometri
Nilai faktor konsentrasi ini tergantung pada parameter geometri dari dimensi nominal system dan dimensi diskontinuitasnya, misalnya untuk kasus diatas nilai K diperlihatkan pada grafik berikut.
81
Gambar 29. Grafik Parameter dari Dimensi Nominal dan Diskontinuitas SIF intuk komponen pipa karena dibending dibedakan menurut arah bebannya yaitu in-plane dan out of plane seperti diperlihatkan dalam gambar berikut.
Gambar 30. Arah Beban In -Plane dan Out of Plan
82
Nilai SIF untuk elbow bsesarannya adalah menurut kode ASME B31.3 adalah: Io = out of intensification factor Ii= in of plane intensification factor t = karakteristik flesibilitas
= t R / r2 t = tebal dinding pipa R = radius elbow r = radius rata-rata pipa. Penelitian mengenai SIF untuk komponen pipa ini tidak berhenti pada hasil karya monumental dari Markl. Keterbatasan konfigurasi pipa yang dites oleh Markl terbukti penyebab tidak akuratnya SIF untuk kasus seperti reducing tee. Selain diabaikannya SIF untuk torsi juga masalah untuk kasus tertentu. Upaya untuk memperbaiki nilai SIF terus dilakukan seperti yang dirangkum oleh Rodabaugh dalam bulletin Welding Reserch Council (WRC) nomor 330. Rodabaugh menyimpulkan faktor kesulitan yang ditemui dalam upaya memperbaiki SIF ini sangat tinggi. Menurut dia untuk menetukan SIF elbow lima kali lebih sulit dari pada pipa lurus, sedangkan untuk branch 500 kali lebih sulit.[8] 2.4.7
Analisis Tegangan Pipa Untuk merancang sisti pemipaan dengan benar, enginer harus memahami
perilaku sistim pipa akibat pembebanan dan regulasi (kode standard desain) yang mengatur perancangan sistim pipa. Perilaku sistim pipa ini antara nya digambarkan oleh parameter-parameter fisis, seperti perpindahan, percepatan, tegangan, gaya, 83
momen dan besaran lainnya. Kegiatan perekayasaan untuk memperoleh perilaku sistim pipa ini dikenal sebagai analisis tegangan pipa atau dahulu disebut juga analisisfleksibilitas. Secara umum tujuan dari analisis fleksibilitas (analisis tegangan pipa) antara lain: a. Menghitung tegangan pada pipa agar tetap masuk dalam harga tegangan yang diperbolehkan berdasarkan kode standar desain pipa yng dipakai. b. Menghitung gaya yang bekerja pada nozzle dari peralatan seperti bejana tekan, tanki dan lainnya, untuk kemudian dibandingkan dengan kekuatan dari nozzle tersebut. c. Menghitung beban perancangan pada tumpuan pipa (piping support) agar tetap berada pada batas beban yang diizinkan. d. Menghitung perpindahan pipa terbesar (displacement) untuk mengantisipasi kemungkinan interferensi antar pipa atau pipa dengan struktur. e. Mencari solusi untuk masalah dinamis seperti getaran mekanis dari peralatan, fluid hammer, trancient flow dan sebagainya. f. Mengoptimasikan perancangan tata letak pipa dan tumpuan pipa. Kode standar desain dibuat sebagai kompilasi dari pengalaman, kompromi dan simplifikasi selama lebih dari sepuluh dasa warsa dinegara industry maju terutama Amerika Serikat. Pada saat ini ada beberapa kode standar dari komite, dan B31 ini yang sering dipakai sebagai acuan di Indonesia sesuai kebutuhan dibidang industry, yaitu: ASME/ANSI
B31.1 untuk sistim perpipan di industry pembangkit listrik.
ASME/ANSI
B31.3 untuk sistim perpipaan di industry proses dan petrokimia.
ASME/ANSI
B31.4
untuk
pipa
transport 84
minyak
dan
zat
cair
lain.
ASME/ANSI B31.5 untuk sistim perpipaan pendingin. ASME/ANSI B31.8 untuk pipa transport gas. Pada tugas akhir ini pembahasan akan difoukuskan pada analisis ASME/ANSI B31.3 ASME/ANSI B31.3 adalah kode yang sering digunakan dalam analisis pipa pada chemical plant dan petroleum.
85
