BAB III METODE PENELITIAN
3.1.
Diagram Alir ( Flow Chart ) Diagram alir studi perencanaan jalur perpipaan dari free water knock out
(FWKO) ke pump suction diberikan pada Gambar 3.1 Mulai
Perumusan Masalah
Penyiapan data
Penghitungan
Analisa Tegangan dengan Caesar II
Hasil
Tidak
Ya Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.1. Diagram Alir langkah-langkah studi perencanaan jalur perpipaan dari free water knock out (FWKO) ke pump suction.
26
3.2.
Tinjauan Perencanaan Perencanaan dan konstruksi jalur pipa harus mengacu pada aturan-aturan
yang terdapat dalam standard atau code yang bersifat mengikat, artinya setiap perusahaan yang akan merancang jalur pipa harus mengikuti aturan-aturan tersebut. Dalam perancangan dan pembuatan jalur pipa dari free water knock out (FWKO) ke pump suction mengacu pada aturan-aturan yang terdapat pada standard ASME B 31.3 Petroleum Refinery Piping (panitia seksi pipa pengilangan). Hal-hal yang diatur dalam ASME CODE B 31.3 adalah : a. Referensi spesifikasi material dan komponen-komponen yang digunakan. b. Hal-hal yang harus dipenuhi dalam desain komponen dan pemasangannya. c. Hal-hal yang harus dipenuhi untuk tegangan, gaya-gaya reaksi dan pergerakan akibat temperatur, tekanan dan lain-lain. d. Tuntunan untuk memilih material, komponen dan sistem sambungan. e. Hal-hal yang harus dipenuhi untuk fabrikasi, pemasangan dan installasi. f. Hal-hal yang harus dipenuhi untuk pemeriksaan, inspeksi dan pengujian sistem pipa. g. Prosedur yang aman untuk pengoperasian dan perawatan bagi publik. Standard / code ASME B 31.3 ini, bukan suatu buku desain bagi perancang jalur pipa, namun suatu pedoman yang berisi tentang segala hal yang berkaitan dengan proses perancangan yang akan dilakukan oleh perusahaan tersebut dan berisi tentang aturan-aturan yang membatasi ruang lingkup suatu perancangan guna mendapatkan hasil perancangan yang ideal. Sehingga segala
27
aturan perencanaan suatu jalur perpipaan harus memenuhi ketentuan-ketentuan yang telah diatur dalam ASME B 31.3.
3.3.
Proses yang Terjadi Pada Sistem Proses pada system perpipaan dari free water knock out (FWKO) ke pump suction diperlihatkan pada gambar 3.2.
Gambar 3.2. Diagram Aliran proses pada free water knock out (FWKO) Cracking gas gas yang berasal dari upstream equipment (FWKO) akan di pisahkan antara gas dan liquidnya di FWKO. Pemisahan ini menggunakan internal device yang akan membuat gas dan velocity menabrak internal vessel, lalu gas dan gas jatuh kebawah.
3.4.
Penentuan Material Pipa Pemilihan material pipa didasarkan pada dua jenis standar material pipa
yang digunakan, yaitu ASTM (American Society of Testing Materials) dan API
28
(American Petroleum Institute). Untuk standar ASTM dan API beserta batas kekuatan tariknya dapat dilihat pada Tabel 3.1. Tabel 3.1. Jenis Pipa Carbon Steel menurut Standar ASTM
Spec. No. API 5L API 5L API 5L API 5L API 5L API 5L API 5L API 5L API 5L API 5L API 5L ASTM A 53 ASTM A 106 ASTM A 106 ASTM A 106 ASTM A 153 ASTM A 153 ASTM A 134
Grade A25 A B X42 X46 X52 X56 X60 X65 X70 X80 A B A B C A B
Tipe BW, ERW, Smls, ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls, DSA ERW, Smls ERW, Smls Smls Smls Smls ERW ERW
SMYS, psi 25.000 30.000 35.000 42.000 46.000 52.000 56.000 60.000 65.000 70.000 80.000 30.000 35.000 30.000 35.000 40.000 30.000 35.000
Perancangan jalur pipa dari free water knock out (FWKO) ke pump suction ini akan megacu pada code ASME B 31.3. Standar yang digunakan adalah ASTM dan akan dipilih material pipa ASTM A106 GR B CS STD WT.. Sesuaai dengan spesifikasi material yang telah ditentukan. Mengingat tegangan maksimum (σa) hasil perhitungan karena siklus yang berulang-ulang sebesar 44600 Psi, maka jika dilihat pada Tabel 3.1 jenis pipa yang memenuhi standar dari Tabel tersebut adalah ASTM A106 GR B. Tetapi untuk mempertinggi faktor keamanan, maka perusahaan mengisya-ratkan penggunaan material ASTM A106 GR B. yang memiliki kekuatan sekitar 35.000 Psi jenis seamless. Hal ini dilakukan untuk melindungi fasilitas migas yang ada di sekitar jalur yang akan dibangun.
29
Sedangkan untuk menentukan jenis rating flange yang akan digunakan dapat dilihat pada Piping Material Class Specification yang telah ditetapkan oleh perusahaan. Seperti pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2. Tabel pemilihan jenis flanges berdasarkan suhu dan tekanannya. PRESSURE-TEMPERATURE RATING FOR CARBON STEEL FLANGES ALLOWABLE PRESSURE (PSIG) ANSI ANSI ANSI ANSI ANSI ANSI TEMPERATURE F C 150# 300# 600# 900# 1.500# 2.500# -20 to 100 -20 to 38 285 740 1.480 2.220 3.705 6.170 200 93 260 675 1.350 2.025 3.375 5.625 300 149 230 655 1.315 1.970 3.280 5.470 400 204 635 1.270 1.900 3.170 5.280 500 260 600 1.200 1.795 2.995 4.990 HYDROTEST PRESSURE ANSI B31.3 428 1.110 2.220 3.330 5.558 9.255 ANSI B31.4 357 925 1.850 -
Desain pressure pada jalur pipa diperkirakan sebesar 270 0F sedangkan besar temperatur pada saat beroperasi kurang dari 200 0F dan operating pressure sebesar 108 Psi. sehingga bila dilihat dari Tabel 3.2 dapat diketahui bahwa pemakaian flanges pada kondisi tersebut cukup memakai jenis flange dengan rating 150# . Berdasarkan ketentuan pemakaian material dari spec 1B di dapatkan berbagai macam pemilihan material pendukung lainnya yang digunakan pada jalur pipa tersebut, beberapa jenis material tersebut antara lain : - Pipa menggunakan material ASTM A106 GR B - Fitting menggunakan material ASTM A234 GR WPB - Flanges menggunakan material ASTM A105 - Stud bolts & Nuts menggunakan material A-193 Gr.B7/ASTM A-194 GR 2H
30
3.5.
Penentuan Diameter dan Ketebalan Pipa Diameter dan ketebalan pipa adalah salah satu unsur penting dalam
merencanakan sistem perpipaan, sehingga harus diperhatikan, agar aliran fluida yang akan melalui pipa dapat mengalir dengan debit yang diinginkan dan sistem perpipaan terjamin keamanannya dari tekanan fluida yang mengalir didalamnya.
3.5.1. Penentuan Diameter Perhitungan diameter pipa dilakukan untuk memastikan bahwa aliran fluida yang akan melalui pipa, dapat mengalir dengan debit dan kecepatan yang diinginkan. Data fluida yang didapat adalah : V = 1 m/s (kecepatan minimum menurut kode standar API RP14) Q = 45.8 m3/hr = 0.0127 m3/s Luas penampang dalam pipa ( A ) adalah :
A =
Q = Volume flow V
A =
0.0127 m 3 / s 1m / s
A = 0.0127 m2 Diameter luar pipa ( d ) adalah : 2 A = π.d m2 4 0.0127 x 4 d2 = π
d = 0.12716 m = 127.16 mm
31
Dari tabel mengenai ukuran standar pipa bahwa untuk pipa dengan ukuran 127.16mm nominal terdekatnya adalah pipa dengan diameter 10 inch memiliki diameter 273 mm. Dari analisa perhitungan untuk mendapatkan diameter pipa hasilnya sudah sesuai dengan spesifikasi material pipa yang digunakan.
3.5.2. Penentuan Ketebalan Pipa
Penentuan ketebalan pipa adalah suatu proses dimana akan ditentukan schedule pipa yang akan digunakan. Diameter pipa sudah ditentukan, namun untuk menentukan ketebalan ternyata terdapat bermacam-macam schedule yang ketebalannya berbeda-beda. Misalkan untuk standar ketebalan pipa 10 inch pada ada tujuh jenis ketebalan yang tersedia. Adapun untuk menentukan ketebalan pipa yang diperlukan menggunakan rumus sebagai berikut : tm = (
P.D )+C 2(σE + PY)
(2.1)
tm : tebal dinding pipa (mm) P : tekanan internal disain (N/mm2) D : diameter luar (mm) σ : stress pada temperatur disain (N/mm2)
E : faktor efisiensi sambungan Y : faktor bahan (Tabel 2.1) C : corrosion allowance Data-data yang digunakan pada study perencanaan sistem perpipaan dari free water knock out (FWKO) ke pump suction adalah sebagai berikut :
P = 75 psig = 270 Mpa (N/mm 2 ) (Tekanan desain pada free water knock out (FWKO )
32
D = 273. mm (pipa 10 inch)
σ=
Tegangan maximum yang diijinkan
= 35000 Psi = 241,317 MPa (N/mm 2 ) Dari Tabel A-1 ASME B31.3 untuk material pipa smls ASTM A106 GR B CS STD WT. E = 1 (untuk pipa smls, pada standar ASME B 31.3) Y = 0,4 (untuk t kurang dari D/6) C = 3 tm = (
P.D )+C 2(σE + PY)
0.51711 x 273 . ) + 3 mm tm = ( 2(241.317 x 1 + 1.862x0,4 t m = 4.414 mm Berdasarkan perhitungan diatas diperoleh ketebalan dinding pipa 4.414 mm. Selanjutnya dicari pada Tabel 3.4 untuk ukuran pipa dengan diameter 273 mm (10 inch) dan ketebalannya 4.414 mm. Dari Tabel 3.4 terlihat bahwa ukuran pipa yang mendekati adalah pipa dengan diameter luar (OD) 10 inch (273 mm) dan ketebalan dinding 9,3 mm (sch.std). Dibandingkan dengan hasil perhitungan diatas. Pemilihan ketebalan pipa pada perencanaan jalur perpipaan dari free water knock out (FWKO) ke pump suction jauh lebih aman karena di rekomendasikan untuk menggunakan pipe 10” Sch Std. hal ini dilakukan karena fluida yang mengalir masih mengandung pasir yang dikhawatirkan terjadinya pengikisan dari dalam pipa. Sehingga ketebalan pipa sengaja dipilih dengan ketebalan yang lebih besar. Data-data yang dapat diketahui dari hasil studi perencanaan jalur pipa dari free water knock out (FWKO) ke pump suction ditentukan pada Tabel 3.5
33
Tabel 3.3. Data-data perencanaan jalur pipa. NO 1.0 1.1 1.2 1.3 2.0 2.1 2.1 3.0 3.1 3.2 3.3 4.0 4.1 4.2 4.3 5.0
ITEMS SIZING Outside Diameter Wall Thickness Corrosion Allowance MATERIAL Grade Yield Strength PRESSURE Design Operating Hydrotest TEMPERATURE Design Operating Hydrotest APLICATION CODE
DATA
UNITS
273 9.3 3
mm mm mm
A 106B 65,000
Psi
270 108 405
Psi Psi Psi
200 140 AMB ASME B 31.3
deg F deg F
Penentuan pemakaian ketebalan pipa juga didasarkan kepada material yang ada di pasaran. Hal ini perlu dipertimbangkan karena akan menyangkut pada biaya dan waktu yang diperlukan dalam konstruksi, karena apabila material tersebut tidak biasa ada di pasaran maka harus dilakukan pemesanan terlebih dahulu sehingga dibutukan waktu yang lebih lama. Jenis material pipa dan ketebalannya selalu diberikan dalam bentuk tabel oleh suplaiyer dan terkadang setiap suplaiyer yang berbeda memiliki perbedaan ketebalan. Contoh dari table tersebut seperti terlihat pada Tabel 3.4. di bawah.
34
Tabel 3.4. Tabel ketebalan pipa. pipe size inches 1/2 3/4 1 1.1/2 2 3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
3.6.
O.D mm 21,3 26,7 33,4 48,3 60,3 88,9 114,3 141,3 168,3 219,1 273,0 323,9 355,6 406,4 457,2 506,0 558,8 609,6 660,4 711,2 762,0 812,8 863,6 914,4
Sch 10
6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 7,9 7,9 7,9 7,9 7,9 7,9
Sch 20
6,4 6,4 6,4 7,9 7,9 7,9 9,5 9,5 9,5 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7
Sch 30
7,0 7.8 804 9.5 9.5 11.1 12.7 12.7 14.3 15.9 15.9 15.9 15.9 15.9
Sch std 2.8 2.9 3.4 3.7 3.9 5.5 6,0 6.6 7.1 8.2 9.3 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5
Sch 40 2.8 2.9 3.4 3.7 3.9 5.5 6,0 6.6 7.1 8.2 9.3 10.3 11.1 12.7 14.3 15.1
Sch 60
10.3 12.7 14.3 15.1 16.7 19,0 20.6 22.2 17.4 24.6
xs 3.7 3.9 4.5 5.1 5.5 7.6 8.6 9.5 11,0 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7
Sch 80 3.7 3.9 4.5 5.1 5.5 7.6 8.6 9.5 11,0 12.7 15.1 17.4 19,0 21.4 23.8 26.2 28.6 30.9
Sch 100
Sch 120
Sch 140
15.1 18.3 21.4 23.8 26.2 29.4 32.5 34.9 38.9
11.1 12.7 14.3 18.3 21.4 25.4 27.8 30.9 34.6 38.1 41.3 46,0
20.6 25.4 28.6 31.8 36.5 39.7 44.4 47.6 52.4
Sch 160 4.8 5.6 6.4 7.1 8.7 11.1 13.5 15.9 18.3 23,0 28.6 33.3 35.7 40.5 45.2 50,0 54,0 59.5
Penentuan Jalur dan Spesifikasi Material
Jalur pipa dari free water knock out (FWKO) ke pump suction ini akan mengalirkan gas dengan kandungan air yang cukup tinggi (Wet Gas) dengan tekanan desain 270 Psi dan tekanan pada saat beroperasi berkisar antara 108 Psi, sedangkan temperatur disain 200 0 F dan temperatur operasional berkisar 140 0 F dan dengan ketinggian sekitar 20 m diatas permukaan air laut, dengan konstruksi seperti pada 3D design berikut, dimana jalur pipa dilewatkan melalui sela sela
35
xxs 7.5 7.8 9.1 10.2 11.1 15.2 17.1 19,0 21.9 22.2 25.4 25.4
pipa dan equipment yang telah terpasang sebelumnya yang dihubungkan antara free water knock out (FWKO) ke pump suction seperti pada Gambar 3.3. dan 3.4.
Gambar 3.3. Gambar perencanaan tampak atas dan samping Pada Gambar 3.3. dan 3.4. terlihat bahwa dalam perancanaan suatu jalur perpipaan dapat dibuat simetri sehingga akan memudahkan dalam pengoperasian dan dalam perbaikan. Sehingga memiliki kesamaan dalam routing dan jumlah material yang digunakan, kecuali panjang pipanya saja yang berbeda. Hal ini berdampak pada saat melakukan perhitungan secara analisis melalui program Caesar II akan di dapat hasil perhitungan yang hampir sama pula. Guna membatasi agar pembahasan tidak terlalu meluas, maka akan diambil satu jalur perpipaan sebagai contoh dalam perhitungan analisis tegangan perhitungan material yang digunakan, seperti yang terlihat pada Gambar 3.5.
36
Gambar 3.4. Gambar perencanaan satu jalur pipa pada tampilan 3 dimensi
Tabel 3.5. Kebutuhan material pipa pada Gambar 3.5. No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Keterangan PIPE SMLS BE A-106 GrB OR API 5L rB 90%%D ELBOW STEEL, BW A234 Gr. WPB. EQUAL TEE STEEL, BW A234 Gr. WPB. ECC. RED. (TF) SCH 40 STEEL, BW A234 Gr. WPB. RF. WN. FLANGE SCH. 40 BORE. ASTM A-105 RF. WN. FLANGE SCH. 40 BORE. ASTM A-105 GASKET SPIRAL WOUND 1/8" THK. CS. RING FLEXITALLIC GASKET SPIRAL WOUND 1/8" THK. CS. RING FLEXITALLIC 3/4"x115 mm LG BOLT & NUT ASTM A-193 Gr.B7/A-194 Gr.2H 7/8"x130 mm LG BOLT & NUT ASTM A-193 Gr.B7/A-194 Gr.2H RF BALL VALVE RF "Y" STRAINER
37
Size 10" 10" 10” 10”x8” 8” 10”
Sch/Rating 40 40 40 40 150# 150#
Jumlah 10 M 5EA 2EA 2EA 2EA 7EA
8”
150#
2EA
10”
150#
9EA
8”
150#
16EA
10” 10” 10”
150# 150# 150#
108EA 3EA 2EA
3.7.
Rentang Pipa (Pipe Span)
Pipa akan mengalami lenturan dan defleksi karena berat pipa itu sendiri dan berat fluida yang mengalir di dalam pipa. Panjang rentang pipa antara dua tumpuan untuk pipa lurus dan tidak ada beban luar ( L ) adalah : L =
8.Z. σa 1,25W
mm
(2.2)
Untuk pipa 10 inch Sch.std dengan ketebalan 9.3 mm
σa :
Tegangan yang diijinkan
: 35.000 Psi = 241.3165 N/mm2 (dari Tabel 3.1) Z : Modulus section pipa Z =
Z =
π ⎛ d 04 - d 14 ⎞
⎜ 32 ⎜⎝
d0
⎟⎟ mm3 ⎠
π ⎛ 273,0 4 - 154.14 ⎞
⎜ 32 ⎜⎝
273,0
⎟⎟ mm3 ⎠
= 490975.9072 mm3 W = Berat pipa + berat fluida di dalam pipa per satuan panjang = 111.11 kg/m = 1.092 N/mm L =
8 x 490975.9072x241.3165 mm 1,25 x 1.092
L = 26351.313 mm Setelah di dapat jarak rentang antara dua tumpuan ( L ) maka besar defleksi ( δ ) yang terjadi dapat dicari dengan rumus bentangan pipa diatas tumpuan sederhana. Defleksi maksimum terjadi ditengah-tengah antara dua tumpuan dapat dicari dengan rumus :
38
δ =
5 . W . L4 384 . E . I
(2.3)
Di mana : E : Modulus elastisitas material pipa = 27.7 psi = 190.9848 = 0.191 N/mm I
: Momen Inertia dari penampang pipa
I
=
=
π 64
(d
4 0
)
- d 14 mm4
π
(273,0 64
4
)
- 254.4 4 mm4
= 67018.211 mm4
5 x 1.092 x 26351.313 4 mm 384 x (0.191 x10 5 ) x 67018.211
δ
=
δ
= 3321 mm
Ternyata defleksi yang terjadi adalah terlalu besar, maksimum defleksi yang diizinkan menurut standar perpipaan yang biasa dipakai adalah 10 mm. Bila harga ini dimasukkan ke dalam rumus di atas maka didapat jarak rentang pipa antara dua tumpuan adalah : δ =
5 . W . L4 384 . E . I
10 =
5 x 1.092 x (L) 4 384 x 0.191 x 67018.211
L = 1082 mm
39
Untuk mengetahui jarak rentang pipa secara lebih detail berdasarkan acuan dari standar B31.3, kita dapat mencari jarak rentang pipa dari berbagai jenis ketebalan dan diameter pipa dengan mengacu pada Tabel S-1 Span of horizontal pipe pada lampiran-3.
3.8.
Perhitungan Gaya, Momen dan Tegangan
Perhitungan gaya dan momen dilakukan dengan menggunakan program Caesar II dengan berdasarkan pada berat pipa dan fluida didalamnya, tekanan, thermal seismic, beban static dan beban dinamic.
40
