BAB II LANDASAN TEORI
2.1.
Sejarah dan Pedahuluan Sistem Perpipaan Sejak dahulu kala sistem perpipaan sudah dikenal untuk berbagai
kebutuhan sehari-hari seperti saluran air maupun untuk saluran pembuangan, hanya saja belum memiliki tingkat kompleksitas yang tinggi seperti saat ini. Material yang digunakannya pun hanya sebatas bambu seperti pada jaman Romawi, namun ketika dunia sudah mengenal pengecoran logam untuk pertama kalinya pipa dibuat dengan material lead dan bronze. Pada saat ini industri-industri berkembang sangat pesat terutama industri migas, petrokimia, pertambangan dan sebagainya yang berhubungan dengan kebutuhan manusia dan dunia akan energi yang terus digali dari perut bumi dan mengolahnya agar lebih bermanfaat dan efisien. Piping atau pekerjaan pipa mempunyai porsi yang cukup besar dalam pembangunan suatu industri bila dibandingkan dengan disiplin ilmu yang lain karena pipa merupakan komponen utama yang harus dipersiapkan dengan matang agar tidak terjadi kegagalan produksi. 7
Sebagai kontraktor, perusahaan EPC (Engineering, Procurement, and Construction) mempunyai peran serta dalam memberikan jasa pemikiran, perancangan, pemilihan, dan analisa terhadap suatu proyek yang telah dimenangkan atau didapatkan dari pemilih pabrik dalam suatu tender yang telah dimenangkannya. Untuk itu perkembangan perusahaan EPC juga sangat pesat seiring dengan perkembangan industrinya sehingga membutuhkan tenaga engineer yang handal dalam menyelesaikan proyek tersebut. Kode dan standar dalam perancangan sudah ada dan dibuat untuk membatasi pekerjaan tersebut agar mengacu pada safety yang merupakan hal yang pokok dalam sistem pemipaaan. Saat ini sudah banyak software-software yang dibuat untuk perancangan maupun analisa sistem perpipaan agar sesuai dengan kode dan standar tersebut. Software-software tersebut diantaranya, untuk perancangan ( PDS, PDMS, SP3D, dan lain-lain), dan untuk analisa ( CAESAR, AutoPipe, dan lain-lain). Analisa kekuatan sambungan pipa merupakan hal yang sangat penting dalam perancangan sistem perpipaan dan merupakan proses akhir setelah perancangan dari designer sebelum dilakukan tahap konstruksi di lapangan (site). Analisa ini bertanggung jawab dalam menjamin tegangan yang terjadi tidak melebihi batasan akibat faktor internal maupun eksternal yang memungkinkan terjadi pergeseran dan pergerakan.
8
2.2.
Perancangan Sistem Perpipaan Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang berupa jalur-jalur (routing)
yang berfungsi untuk mengalirkan cairan maupun gas dari suatu tempat ke tempat lain dengan menggunakan beberapa komponen-komponen yang biasa disebut komponen perpipaan. Komponen tersebut antara lain : pipa, valve, fittings, flange, gasket, spesial komponen, dan lain sebagainya. 2.2.1. Filosofi Design Dalam perancangan sistem perpipaan ada beberapa hal pokok atau yang biasa disebut dengan filosofi design antara lain : -
Safety Perancangan yang dibuat tidak membahayakan keselamatan operator, orang-orang yang ada disekitarnya, dan lingkungan.
-
Load Nilai beban yang terjadi harus benar-benar diketahui agar tidak terjadi kelebihan beban (over stress) yang memungkinkan kegagalan.
-
Material Penentuan material yang akan digunakan berdasarkan hasil perhitungan load dan sesuai standar pemilihan material.
-
Dimensi
9
Ukuran komponen dari suatu material disesuaikan dengan load, material, dan ruang yang disediakan. -
Maintenance Adanya akses untuk dilakukan perbaikan dan perawatan terhadap suatu komponen.
-
Pengoperasian Ketersediaan akses untuk pengoperasian pada komponen-komponen tertentu dalam proses produksi.
-
Estetika Memiliki nilai keindahan dan kerapian routing pipa.
-
Ekonomis (biaya). Efisiensi penggunaan komponen sejauh tidak menyalahi prosedur dan fleksibilitas sistem perpipaan.
Filosofi tersebut harus dipegang oleh designer dan engineer dalam setiap perancangan yang dilakukannya agar memenuhi persyaratan-persyaratan sesuai standar yang telah disepakati. 2.2.2. Spesifikasi dan Kriteria Perancangan Sistem Perpipaan Dalam perancangan suatu proyek memerlukan data-data pendukung untuk proses engineering yang memiliki keterkaitan satu dokumen dengan dokumen yang lainnya yang merupakan kumpulan atau ringkasan yang telah 10
disederhanakan dari berbagai spesifikasi dan ketentuan suatu proyek. Dokumen ini biasa disebut dengan data design. Dokumen-dokumen tersebut antara lain : -
Plot Plan Gambar keseluruhan area plant yang meliputi letak equipment dan struktur pondasi.
-
P&ID (Piping and Instrument Diagram) Berisi diagram yang menerangkan arah aliran, sambungan, percabangan, komponen-komponen yang ada pada jalur tersebut, instrumentasi, dan lain sebagainya.
-
Line Data List Format dokumen ini berupa tabel yang menjelaskan masing-masing line dengan karateristiknya seperti suhu operasi, suhu perancangan, tekanan kerja, tekanan perancangan, servise jalur tersebut dan juga menerangkan koneksinya serta data penunjang lainnya.
-
Material Class Dokumen ini berisi tentang pemilihan material pada suatu jalur, koneksi percabangan, dan jenis-jenis komponen untuk masing-masing ukuran.
-
PFD (Process Flow Diagram) Data ini lebih secara khusus menerangkan alur proses jalur perpipaan.
11
Acuan atau guidelines menjadi dasar dalam melakukan perencanaan sampai tahap konstruksi yang dapat berupa spesifikasi maupun standar dan kode. Pada umumnya setiap proyek mempunyai spesifikasi tersendiri yang dibuat secara detail terhadap pekerjaan yang dijalani agar konsisten dan seragam. Umumnya spesifikasi pada sistem perpipaan berisi tentang arrangement design, material class, pipng layout, valve, fittings, insulasi, fabrikasi, dan analisa fleksibilitas. Beberapa kriteria dalam perancangan suatu jalur pipa yang merupakan rangkaian atau urutan prosedur agar perancangan yang dihasilkan sesuai standar dan kode yang dipergunakan yaitu : -
Menentukan spesifikasi material pipa sesuai kebutuhan
-
Menghitung ketebalan pipa untuk menentukan schedule yang digunakan
-
Melakukan perancangan (routing) pipa dan komponen pendukungnya
-
Menentukan jenis penyangga dan menghitung jarak antar penyangga
-
Menganalisa fleksibilitas pipa.
2.3.
Standar dan Kode Standar dan kode digunakan sebagai dasar dalam perancangan sistem
perpipaan dengan tujuan membatasi atau memberi arahan dalam perancangan. Merancang arah dan belokan jalur pipa merupakan hak atau mandatory seorang designer, cara pikir dan kreatifitas yang berbeda-beda menghasilkan perancangan yang berbeda-beda pula tetapi perancangan yang dibuat harus sesuai standar dan 12
kode yang telah dipilih. Badan akreditasi yang mengeluarkan standar dan kode yang berhubungan dengan sistem perpipaan diantaranya, ASME (American Society of Mechanical Engineers), ANSI (American National Standard Institute), ASTM (American Society of Testing and Materials), EJMA (Expansion Joint Manufacture Asosiation), API (American Petrolium Institute), dan lain-lain. Berbagai macam standar dan kode ASME B31 dalam sistem perpipaan mempunyai masing-masing cakupan tersendiri, antara lain seperti dibawah ini : -
ASME B31.1
Power Piping
-
ASME B31.3
Process Piping
-
ASME B31.4
Pipeline Transportation for Liquid Hydrocarbon and Other Liquid
-
ASME B31.5
Refrigeneration Piping
-
ASME B31.8
Gas Transportation and Distribution Piping System
-
ASME B31.9
Building Services Piping
-
ASME B31.11
Slurry Transportation Piping System
Pada analisa fleksibilitas tentu saja tidak memakai semua standar dan kode yang ada tetapi lebih fokus pada standar dan kode yang berhubungan dengan perancangan dan perhitungan analisa. Standar dan kode yang digunakan dalam analisa fleksibilitas jalur perpipaan dari tangki ke pompa yaitu : -
ASME B31.3
standar dan kode yang berisi tentang sistem perpipaan pada plant (proses) 13
-
API 650
standar dan kode untuk tangki
-
API 610
standar dan kode untuk pompa sentrifugal
-
EJMA
standar dan kode untuk expansion joint
2.4.
Material Sistem Perpipaan Seiring perkembangan jaman dan teknologi, material yang digunakan
dalam sistem perpipaan semakin bervariasi baik logam maupun non logam sesuai dengan kebutuhan dan persyaratan dalam perancangan. Sistem perpipaan merupakan sambungan dari titik ke titik dari setiap bagian mempunyai penyetelan kondisi design yang sama. Dasar-dasar pemilihan material sistem perpipaan : -
Service dari jalur pipa tersebut
-
Pengetahuan tentang properti korosi
-
Kondisi tekanan dan temperature
-
Tegangan dan karakter engineering
-
Biaya Sistem perpipaan tidak hanya terdiri dari pipa saja tetapi juga valve,
fitting, flange, gasket, komponen khusus (special component) dan lain sebagainya. Macam-macam material sistem perpipaan : -
Logam
14
o Ferrous : Cast iron, Carbon steel, Alloy carbon steel, Stainless steel, Special alloys o Non ferrous : copper + cooper alloy, aluminium + aluminium alloy, nickel + nickel alloy, lead -
Non logam : PVC, CPVC, PP, HDPE, UHMW-HDPE, FRP, PTFE, LDPE, LLDPE, Glass, keramik, cement
-
Lined : MSGL, MSRL, MS PTFE lined, MS PP lined, MS PVDF lined, MS cement lined, MS lead lined, MS cement lined, FRP PP lined
2.4.1. Pipa Ukuran pipa diidentifikasikan dengan beberapa kategori yaitu NPS (nominal pipe size), ID (inside diameter), dan OD (outside diameter). Biasanya untuk penyebutannya hanya menggunakan NPS saja dengan keterangan schedule (SCH), misalnya pipa NPS 8” SCH20. Schedule mengidentifikasikan sebagai ketebalan pipa itu sendiri. Klasifikasi pipa dibagi menjadi 2 jenis berdasarkan cara pembuatannya yaitu seamless dan welded. 1. Seamless Dibuat dengan cara menusukkan batang baja yang mendekati suhu cair dengan menggunakan mandrel. Biasanya harga pipa seamless lebih mahal dibandingkan dengan pipa welded karena keterbatasan peralatan yang digunakan. 15
Gambar 2.1 Teknik Pembuatan Pipa Seamless Referensi : Roy A.Parisher and Robert A. Rhea 2002, Pipe and Drafting Design
2. Welded Dibuat dengan cara memasukkan pelat baja panas melalui pembentuk (shapers dan shape rollers) yang akan merolnya menjadi bentuk batangan pipa yang berlubang. Penekanan yang sangat kuat pada kedua sisi-sisi pelat akan menghasilkan sambungan las.
Gambar 2.2 Teknik Pembuatan Pipa Welded Referensi : Roy A.Parisher and Robert A. Rhea 2002, Pipe and Drafting Design
16
2.4.2. Valve dan Fitting Jenis dan fungsi valve : -
Gate valve, berfungsi untuk bukaan atau tutupan penuh
-
Globe valve, berfungsi untuk throtling
-
Angle valve, berfungsi sama seperti globe valve yaitu sebagai throtling hanya saja arah aliran keluaran valve ini tidak searah tetapi dibelokkan 90°
-
Relief valve, berfungsi untuk melepaskan tekanan berlebih pada jalur pipa jika melampaui batas yang telah diatur pada valve tersebut
-
Check valve, berfungsi sebagai pencegah aliran balik
-
Plug valve, berfungsi sebagai bukaan atau tutupan penuh seperti gate valve tetapi lebih cepat
-
Ball valve, bisanya digunakan pada jalur pipa yang bertekanan tinggi
-
Control valve, berfungi untuk mengontrol kondisi operasi seperti tekanan, temperature, aliran, dan level cairan secara otomatis menggunakan controller Sedangkan fitting adalah komponen-komponen penghubung antar pipa
yang berfungsi untuk membelokkan, percabangan, dan mengecilkan atau memperbesar diameter pipa. Macam-macam fitting antara lain : elbow, tee, reducer, stub in, cap, coupling, dan lain sebagainya.
17
2.4.3. Flange dan Gasket Flange berfungsi untuk penyambungan secara mekanis menggunakan mur dan baut dengan perapat, biasanya digunakan untuk sambungan ke nozzle, valve, dan komponen-komponen khusus yang membutuhkan maintenance. Berbagai macam jenis flange berdasarkan bentuk dan fungsinya antara lain : welneck flange, slip-on flange, blind flange, threaded flange, socketwelded flange, lapjoint flange, orifice flange. Gasket berfungsi sebagai perapat dari sambungan antar flange agar tidak terjadi kebocoran. Jenis-jenis gasket pada umumnya mengikuti bentuk permukaan flangenya seperti rice face, full face. 2.4.4. Penjelasan dan Jenis Expansion Joint Berbagai macam komponen perpipaan dengan fungsinya masing-masing memberikan pilihan bagi designer untuk menghasilkan rancangan yang efisien dalam segi design sistem perpipaan. Salah satu komponen tersebut adalah expansion joint. Expansion joint merupakan komponen perpipaan yang secara konstruksinya memiliki kemampuan untuk meredam getaran, membuat pipa lebih fleksibel dalam melakukan pergerakan, dan mampu mengurangi beban thermal yang terjadi pada pipa. Secara umum expansion joint banyak dipakai dalam berbagai kasus khususnya untuk sistem perpipaan yang melayani operasi tekanan tinggi dan suhu tinggi. Harga expansion joint relatif lebih mahal bila dibandingkan komponenkomponen perpipaan yang lainnya karena material dan konstruksinya khusus. 18
Biasanya pemasangan expansion joint merupakan alternatif terakhir bila dijumpai kasus yang tidak mampu diselesaikan dengan cara membuat loop dan leg (belokan. Standar yang digunakan expansion joint yaitu EJMA (Expansion Joint Manufacturers Association), dalam standar ini mengatur semua hal yang berhubungan dengan expansion joint mulai dari perhitungan, manufakturnya, pemilihan, aplikasinya, pengetesan, dan pemasangan. Expansion joint mampu menahan beban dari pergerakan secara aksial (axial movement), defleksi lateral, angular rotation, dan pergerakan kombinasi. Jenis-jenis expansion joint berdasarkan fungsinya dapat dikelompokkan menjadi sebagai berikut :
Single expansion joint
Gambar 2.3 Routing Pipa Dengan Pemasangan Single Expansion Joint Referensi : EJMA hal. 2-7
19
Universal expansion joint
Gambar 2.4 Routing Pipa Dengan Pemasangan Universal Expansion Joint Referensi : EJMA hal. 2-9
Pressure balanced expansion joint
Gambar 2.5 Routing Pipa Dengan Pemasangan Pressure Balanced Expansion Joint Referensi : EJMA hal. 2-13
20
Hinged expansion joint
Gambar 2.6 Routing Pipa Dengan Pemasangan Hinged Expansion Joint Referensi : EJMA hal. 2-16
Gimbal expansion joint
Gambar 2.7 Routing Pipa Dengan Pemasangan Gimbal Expansion Joint Referensi : EJMA hal. 2-22
2.5.
Analisa Tegangan Dalam sistem perpipaan, analisa tegangan menjadi bagian yang sangat
penting dalam suatu perancangan agar sistem perpipaan mampu menahan beban
21
kerja dari suatu sistem proses sesuai dengan persyaratan yang telah disepakati berdasarkan standar dan kode. Tujuan dari analisa kekuatan atau tegangan yaitu : -
Mengetahui tegangan yang terjadi akibat beban-beban sehingga dapat dilakukan tindakan jika melebihi batasan.
-
Memastikan rancangan jalur pipa memiliki fleksibilitas yang cukup.
-
Mengevaluasi beban yang terjadi pada nozzle equipment.
-
Menentukan dan menghitung beban pada masing-masing tumpuan pipa sehingga dapat menentukan jenis dan jarak tumpuan.
-
Mengantisipasi bertabrakannya antar pipa yang memiliki fleksibilitas. Analisa tegangan merupakan analisa dan tindakan yang dilakukan agar
sistem perpipaan dikatakan aman pada saat operasi dengan berbagai cara penyelesaian kasus jika diketahui jalur pipa tersebut over stress. Pemilihan penyelesain kasus bisa dilakukan dengan cara yaitu 1. Dengan expansion loop Pada bagian jalur pipa yang kaku dibuat belokan seperti kantong dengan penambahan empat elbow yang memungkinkan pipa mampu melakukan pergerakan pada kantong tersebut.
22
Gambar 2.8 Contoh Penyelesaian Kasus Dengan Expansion Loop Referensi : software PDMS 12.0 SP4
2. Dengan expansion leg Cara ini dilakukan dengan jalan memutar atau menggeser salah satu orientasi nozzle sehingga tidak berhadap-hadapan secara langsung dan pipa bisa dibuat berkelok-kelok.
Gambar 2.9 Contoh Penyelesaian Kasus Dengan Expansion Leg Referensi : software PDMS 12.0 SP4
3. Dengan pemasangan expansion joint
23
Pemasangan expansion joint dimaksudkan agar pergerakan pipa akibat menerima beban dapat diserap karena kontruksinya memungkinkan hal itu terjadi.
Gambar 2.10 Contoh Penyelesaian Kasus Dengan Pemasangan Expansion Joint Referensi : software PDMS 12.0 SP4
2.6.
Critical Line dan Checking Grade Pembagian sistem perpipaan dalam perancangan dan analisa ada dua
macam, yaitu jalur pipa yang dinyatakan kritis (critical line) dan jalur pipa yang tidak kritis (non critical line). Jalur pipa yang dinyatakan kritis adalah semua jalur pipa yang harus dipertimbangkan atau diperhitungakan dalam analisa fleksinilitas, karena suhu fluida atau gas dalam pipa memenuhi sebagaimana yang ditetapkan dalam kriteria. Sedangkan jalur pipa yng tidak kritis adalah semua jalur pipa yang tidak perlu dipertimbangkan dalam analisa, karena suhu fluida dan gas dalam pipa tidak memenuhi ketetapan dalam kriteria. Kriteria untuk critical line merupakan fungsi temperature dan diameter pipa yang ditunjukkan dalam bentuk grafik, dimana sumbu x (aksis) menerangkan 24
perubahan dimeter pipa dan sumbu y (ordinat) menerangkan perubahan temperature yang bekerja pada sistem perpipaan. Seleksi checking grade atau yang biasa disebut juga dengan pemilihan kriteria tersebut dibagi dua kategori, yaitu kategori satu (1) untuk kriteria dimana sistem perpipaan dihubungkan dengan nozzle static equipment dan kategori dua (2) untuk sistem perpipaan yang dihubungkan dengan nozzle mesin rotasi (Turbine, Compressor, Pump, Air Cooler, dan lain-lain). Kategori 1 : Sistem Perpipaan yang dihubungkan dengan Nozzle Static Equipment
Grafik 2.1 Pemilihan Kriteria Critical Line Sistem Perpipaan yang Dihubungkan Dengan Nozzle Static Equipment Referensi : Diktat Piping Stress Analisis PT. IKPT hal.3
25
Semua piping yang tidak berada pada kriteria C pada grafik di atas penempatan penyangga harus di koreksi secara sederhana terhadap standar span support yang sudah ada, atau dengan menggunakan metode analitik acceptabilitas yang komprehensif. Kategori 2: Sistem Pipa yang dihubungkan dengan Nozzle Rotating Equipment
Grafik 2.2 Pemilihan Kriteria Critical Line Sistem Perpipaan yang Dihubungkan Dengan Nozzle Rotating Equipment Referensi : Diktat Piping Stress Analisis PT. IKPT hal.4
1.) Kriteria “A” : Tidak perlu dianalisa. 2.) Kriteria “B” : Harus dikoreksi dengan metode sederhana yang ada. 3.) Kriteria “C” : Analisa harus dilakukan secara detail dengan bantuan software komputer. 26
2.7.
Teori Tegangan dan Gaya Dasar dari analisa tegangan yaitu dengan menggunakan Hukum Hooke : Tegangan = Modulus Elastisitas x Regangan
σ=εxΕ Sifat material mempunyai karakteristik berbeba-beda, namun mempunyai kesamaan prinsip dalam menerima beban dan tegangan yaitu setiap material mampu melakukan ekspansi jika masih dalam batas elastisnya, hingga mencapai batas elastisnya (yield point) dan akan bersifat plastis jika pembebanan bertambah yang mengakibatkan material tidak bisa kembali ke bentuk semula (deformasi). Material akan patah setelah melewati fasa plastis.
Grafik 2.3 Diagram Stress-Strain Referensi : http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-iii/solids-andfluids/elasticity-modulus.php#
27
Faktor penentu terhadap keberhasilan dari suatu rancangan adalah memahami dan mengerti nilai dari tegangan
yang terjadi terhadap batasan-
batasan dalam standar dan kode, dan mengetahui gaya-gaya apa saja yang terjadi pada rancangan tersebut.
2.7.1. Gaya Gaya atau beban adalah massa dikali dengan grafitasi (m x g), satuannya dalam N (kg x m/s2). Pembebanan yang terjadi pada sistem perpipaan antara lain : 1. Beban sustain Beban ini terjadi karena berat sistem perpipaan, tekanan, dan momen sehingga menyebabkan terjadinya tegangan tangensial, tegangan longitudinal, tegangan radial, tegangan geser, bending moment, dan momen puntir. 2. Beban thermal Beban yang dikarenakan terjadinya perubahan temperature yang menyebabkan perubahan panjang pipa (displacement) tetapi tertahan oleh anchor atau nozzle equipment. 3. Beban occasional
28
Beban yang terjadi karena angin, gempa bumi, dan akibat tekanan kerja dari PSV (pressure safety valve). Beban ini termasuk dalam kategori beban dinamis. 2.7.2. Tegangan Tegangan adalah beban atau gaya dibagi dengan luas areanya (F/A). Satuan dalam N/mm2. Beban tersebut meliputi berat total (berat pipa itu sendiri (Wp) + berat insulasi (Wi) + berat content (Wc)), perubahan temperature, tekanan,
dan lain-lain
yang
menyebabkan perubahan bentuk sehingga
menimbulkan tegangan. Penerapan standar dan kode pada sistem perpipaan merupakan hal yang mutlak dalam analisa tegangan seperti yang tertuang dalam ASME B31.3 (process piping) yang menyatakan bahwa tegangan yang bekerja pada bagian pipa terdiri dari 3 (tiga) tegangan yaitu tegangan tangensial, tegangan longitudinal, tegangan radial. Akan tetapi tegangan radial pada umumnya tidak diperhitungkan karena arahnya negatif dan membuat vakum maka SR = -P, sedangkan tegangan geser tetap menjadi perhitungan.
29
Gambar 2.11 Arah Beban Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver
1. Tegangan Longitudinal (SL): Tegangan yang bekerja searah dengan sumbu pipa. Tegangan ini disebabkan oleh pembebanan secara aksial akibat adanya beban aksial, tekanan dan momen.
Akibat beban aksial
Gambar 2.12 Tegangan Akibat Beban Aksial Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver
... (2.1) Fax
= gaya aksial (N)
Am
= luas penampang pipa (mm2) = π . (do2 – di2) / 4
do
= diameter luar pipa (mm)
di
= diameter dalam pipa (mm)
30
... (2.2)
Akibat tekanan
Gambar 2.13 Tegangan Akibat Tekanan Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver
... (2.3)
... (2.4)
P
= tekanan (N/mm2)
Ai
= luas penampang diameter dalam pipa (mm2)
t
= tebal dinding pipa (mm)
Akibat bending moment
Gambar 2.14 Tegangan Akibat Bending Moment Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver 31
... (2.5)
... (2.6) Mb
= bending moment (N.mm) =
ii
... (2.7)
= faktor intensifikasi tegangan pada bidang dalam
... (2.8) io
= faktor intensifikasi tegangan pada bidang luar
... (2.9) h
= karakteristik fleksibilitas
... (2.10) Relb
= radius elbow (mm)
r
= radius rata-rata pipa (mm)
t
= tebal dinding pipa (mm)
Mi
= momen bending pada diameter dalam pipa (N.mm) 32
Mo
= momen bending pada diameter luar pipa (N.mm)
C
= jarak dari garis sumbu pipa ke titik untuk perhitungan bending moment (mm)
dikarenakan gaya terbesar terdapat pada titik terluar berdasarkan perhitungan momen maka, C = Ro Ro
= radius luar pipa (mm)
I
= momen inersia (mm4) = π . (do4 – di4) / 64
Z
... (2.11)
= modulus of section pipa (mm3) = 1 / Ro
... (2.12)
Jadi total tegangan longitudinalnya,
... (2.13)
Gambar 2.15 Tegangan Longitudinal Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver 33
2. Tegangan Tangensial, atau disebut juga dengan tegangan hoop (SH) : tegangan ini bekerja sejajar dengan arah gaya tangensialnya. Tegangan
ini
disebabkan
oleh
tekanan
dari
dalam
yang
memungkinkan pipa terbelah menjadi dua.
Gambar 2.16 Tegangan Tangensial Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver
... (2.14) Atau
... (2.15) l
= panjang pipa yang diperhitungan (mm)
3. Tegangan Geser (τmax) : tegangan ini bekerja sejajar dengan permukaan pipa yang diakibatkan oleh gaya geser dan momen puntir.
Akibat gaya geser
34
Pada umumnya tegangan akibat gaya geser ini diabaikan karena beban V menyebabkan tegangan bending juga.
Gambar 2.17 Tegangan Akibat Gaya Geser Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver
... (2.16)
V
= gaya geser (N)
Q
= faktor bentuk tegangan geser (1.33 untuk silinder)
Akibat momen puntir Tegangan yang diakibatkan momen puntir mempunyai pengaruh yang cukup signifikan terhadap pembebanan.
35
Gambar 2.18 Tegangan Akibat Momen Puntir Referensi : Process Piping Design vol. 1&2, Rip Weaver
... (2.17) MT
= momen puntir (N.mm)
2.7.3. Displacement Displacement atau pergerakan pipa merupakan perubahan panjang pipa baik menjadi lebih panjang maupun menjadi lebih pendek dikarenakan setiap material mempunyai sifat dasar memuai bila dipanaskan dan menyusut bila didinginkan. Hal ini menjadi masalah jika masing-masing ujung pipa ditahan oleh achor ataupun nozzle equipment sehingga pergerakan pipa mendorong nozzle. Kemampuan nozzle menahan beban mempunyai batasan yang biasa disebut allowable nozzle load yang nilainya bisa diketahui pada standar dan kode atau pada gambar dari pembuatnya. Nilai displacement = perubahan panjang (mm) = Δl
... (2.18) α
= koefisien muai material (mm/mm.ºC)
Ln
= panjang material atau nozzle (mm)
ΔT
= selisih suhu (ºC)
Dibawah ini merupakan standar batasan beban nozzle yang diambil dari API 610, standar ini digunakan apabila di gambar dari vendor tidak mencantumkan batasan secara khusus. 36
Tabel 2.1 Batasan Beban Nozzle Pompa
Pegaruh perubahan suhu tidak hanya pada bagian nozzle saja, tetapi berakibat terjadinya kenaikan internal stress pada pipa karena ujung-ujung pipa yang seharusnya bisa bergerak tetapi tertahan oleh anchor atau nozzle. Dalam kasus ini, yang menjadi kendala adalah apakah kenaikan internal stress ini masih dalam batasan tegangan yang diijinkan standar. 2.7.4. Tegangan yang Diijinkan (Allowable Stress) Tegangan yang diijinkan dalam perancangan dan analisa tegangan pada sistem perpipaan diartikan sebagai batasan tegangan maksimal yang diijinkan oleh standar dan kode pada ASME B31.3. Tegangan yang diijinkan dapat diterapkan 37
pada beberapa kasus pembebanan pada sistem perpipaan tersebut yaitu tegangan karena beban tetap (sustained load), tegangan karena beban thermal (expansion load), tegangan karena beban okasional (occasional load). Ini berarti bahwa nilai tegangan akibat pembebanan tersebut tidak boleh melebihi nilai tegangan ijin. Tegangan yang diijinkan (allowable stress) = SA (N.mm) tergantung pada material dan suhu. Tegangan yang diijinkan pada suhu minimum pada tegangan ijin = Sc (N.mm), sedangkan tegangan yang diijinkan pada suhu maksimum pada tegangan ijin = Sh (N.mm).
... (2.19) 1. Tegangan karena beban tetap (sustained load)
... (2.20)
... (2.13)
... (2.21) 2. Tegangan karena beban thermal (expansion load)
... (2.22) ... (2.23)
38
f
= faktor pengurangan stress
3. Tegangan karena beban okasional (occasional load)
... (2.24)
2.7.5. Perhitungan Tebal Dinding Pipa Perhitungan tebal dinding pipa menentukan keberhasilan dalam analisa fleksibilitas sehingga hal ini harus dilakukan sebelum dilakukan analisa. Hasil perhitungan harus disesuaikan dengan ketersediaan schedule pipa yang ada dipasaran dengan mengambil dinding yang sama atau lebih tebal dari hasil perhitungan. Berikut ini perhitungan tebal dinding pipa menurut ASME B31.3 :
... (2.25) t = tebal dinding pipa (mm) P = pressure design (N/mm2) do = diameter luar pipa (mm) Sh = tegangan yang diijinkan pada suhu maksimal (N/mm2) E = Faktor kualitas produksi Y = koefisien material c = laju korosi (mm)
39
2.8.
Pipe Support
Penyangga sistem perpipaan (Pipe support) merupakan bagian yang penting dalam perancangan sistem perpipaan pada suatu proyek pembangunan plant. Pipe support berfungsi untuk menahan dan mengkondisikan suatu sistem perpipaan sehingga aman berdasarkan standar dan kode sampai waktu yang telah ditentukan dan bahkan diharapkan berfungsi selama plant beroperasi. 2.8.1. Filosofi Pipe Support -
Pembebanan atau gaya yang terjadi pada sistem perpipaan yang meliputi berat pipa beserta isinya, insulasi, dan juga akibat gaya-gaya lain dibeban pada penyangga yang kemudian gaya-gaya tersebut akan di distribusikan pada seluruh sistem penyangga sebelum diteruskan ke pondasi.
-
Bagian penyangga yang bersentuhan langsung dengan sistem perpipaan harus kuat dan mampu menahan beban tersebut dalam jangka waktu lama.
-
Perencanaan dan penentuan penyangga harus memperhatikan hal-hal berikut:
Material pipa harus mampu menahan berat pipa beserta isinya, insulasi, dan beban lainnya yang ada dalam sistem perpipaan tersebut.
Penyangga berupa steel (structure), pondasi, concrete dan sleeper harus kuat menahan gaya-gaya yang terjadi.
-
Memperhatikan pemasangan penyangga tidak menggangu akses untuk pengoprasian dan maintenance.
2.8.2. Jenis-Jenis Pipe Support Berdasarkan pemakaiannya pipe support dapat dibagi menjadi lima jenis, yaitu : 40
1. Y-Stop : penyangga yang berfungsi untuk menahan gerakan pipa kearah bawah (weight support). 2. Guide : penyangga yang berfungsi untuk menahan gerakan pipa pada arah lateral. 3. Line Stop : penyangga yang berfungsi untuk menahan gerakan pipa searah longitudinal (axial) dari pipa. 4. Anchor : penyangga yang berfungsi untuk menahan pipa agar tidak bergerak ke berbagai arah. Anchor ada 2(dua) macam:
Fixed Anchor, dimana ada transfer momen ke sistem penyangga, misalnya di las.
Guide–Line Stop, tidak ada transfer momen ke sistem penyangga
5. Spring : penyangga khusus yang penggunaanya berdasarkan hasil analisa stress engineer. Selain jenis-jenis penyangga yang disebutkan diatas, terdapat pilihan juga untuk pemasangan penyangga secara khusus berdasarkan kebutuhan yang tidak bisa dipenuhi penyangga standar biasa. Jenis penyangga ini disebut dengan special pipe support, dimana bentuk dan fungsinya disesuaikan dengan kebutuhan tertentu. 2.8.3. Jarak penyangga (Span Support) Penempatan penyangga sangat berpengaruh terhadap kestabilan suatu sistem perpipaan, untuk itu harus diperhitungkan jarak masing-masing penyangga dalam pemilihan dan penggunaan penyangga atau yang biasa disebut juga dengan span support. Span support adalah jarak minimal antara penyangga pertama dengan penyanga kedua (jarak antar penyangga), dimana sistem perpipaan masih 41
dalam kondisi aman dari tegangan dan defleksi. Span support didapat dari hasil perhitungan dengan menggunakan formula khusus atau juga dapat dilihat pada tabel yang telah disediakan oleh standar.
Tabel 2.2 Standar Span Support
Dengan perhitungan secara sederhana menggunakan rumus dibawah ini,
... (2.26) Z = modulus of section pipa (mm3)
... (2.27) L = jarak tumpuan maksimum pipa (mm) W = berat total sistem perpipaan persatuan panjang (N/mm) W = WP + WC + WI
... (2.28)
WP = berat pipa 42
= π/4 . (do2-di2) . (density of steel)
... (2.29)
WC = berat isi = π/4 . (di2) . (density of fluida)
... (2.30)
WI = berat insulasi = π/4 . (do insul2-do2) . (density of insulation)
2.9.
... (2.31)
Langkah-Langkah Analisa Dengan Software CAESAR II Perhitungan dan analisa tegangan tentunya menjadi kendala dalam
terbatasnya penjadwalan pada suatu proyek karena menyita waktu dan tenaga bila dilakukan secara manual. Untuk itu diperlukan software komputer untuk membantu dalam analisa tegangan, salah satunya dengan CAESAR II. Software ini memang diperuntukkan dan dirancang untuk analisa kekuatan atau tegangan sistem perpipaan baik yang sederhana maupun sangat kompleks. 2.9.1.
Permodelan Pada tahapan ini, jalur pipa yang sudah dirancang oleh designer dalam
bentuk tampilan gambar isometrik lengkap dengan ukuran, material yang digunakan, dan komponen yang ada pada jalur tersebut dibuat permodelannya pada software analisa CAESAR II. Permodelan tersebut terbagi dari beberapa titik (node) yang merupakan titik-titik tertentu pada sambungan dari tiap komponennya sebagai titik untuk mendeteksi beban yang terjadi pada analisa. Kemampuan software ini tidak hanya menganalisa saja tetapi juga untuk menyelesaikan masalah jalur pipa yang over stress dengan mengubah routing jalur pipa maupun
43
dengan cara lain seperti penambahan, pengurangan, dan perubahan sistem penyangga hingga dihasilkan jalur pipa yang aman. Berikut langkah-langkah dalam permodelan CAESAR II :
-
Pendefinisian sistem unit untuk memberi informasi ke program.
Gambar 2.19 Tampilan Sistem Unit Referensi : software CAESAR II
44
-
Memasukkan data-data pipa seperti diameter, panjang pipa, tebal dinding pipa, suhu dan tekanan design, suhu dan tekanan operasi, jenis penyangga, dan lain-lain.
Gambar 2.20 Tampilan Halaman Input Permodelan Referensi : software CAESAR II
45
-
Tampilan hasil permodelan
Gambar 2.21 Contoh Tampilan Hasil Permodelan Referensi : software CAESAR II
2.9.2. Tahap Analisa Tahapan analisa terhadap permodelan beserta data-data input untuk menghasilkan data ouput yang digunakan sebagai dasar untuk mengetahui titiktitik dimana terjadi pembebanan baik yang diijinkan maupun yang melebihi batas yang telah diijinkan. Dari hasil analisa tersebut dapat dilakukan perbaikan jika jalur pipa menerima pembebanan yang berlebih dengan membuat atau mengubah 46
jalur pipa, dengan menambah atau mengurangi penyangga, dan lain-lain sehingga dihasilkan jalur pipa dengan beban sesuai standar. Berikut ini langkah-langkah untuk melakukan analisa jalur pipa pada software CAESAR II : -
Permodelan yang telah dibuat dicek run untuk mengetahui ada kesalahan atau tidak, dengan menampilkan kesalahan atau informasi-informasi lain yang ada dalam permodelan, tetapi jika tidak terindikasi masalah maka akan lanjut ke tahap selanjutnya.
Gambar 2.22 Tampilan “Error and Warning” Permodelan Referensi : software CAESAR II
-
Dilakukan proses run untuk memulai proses analisa oleh software.
-
Pemilihan output hasil analisa secara pembebanan operating, sustain, expansion, dan atau occasional.
47
Gambar 2.23 Tampilan Pemilihan Hasil Output Referensi : software CAESAR II
-
Tampilan reaksi jalur pipa pada saat operasi sesuai kondisi data-data input.
Gambar 2.24 Tampilan Reaksi Jalur Pipa Pada Saat Operasi Referensi : software CAESAR II
48
-
Tampilan hasil analisa.
Gambar 2.25 Tampilan Hasil Analisa Referensi : software CAESAR II
49
