BAB III METODE PENELITIAN
3.1.
Diagram Alir ( Flow Chart )
Mulai
Perumusan Masalah Mengetahui tegangan pada system perpipaan & mengetahui jumlah penyangga pipa (pipe support)
Penyiapan data yang di masukan untuk analisa: Material, Tekanan (desain & operasi), Temperatur (desain&operasi), code stansard (ANSI B31.3), jenis fungsi support, jarak penyangga (Span pipe support) Analisa Teganagn dengan program Caesar II.5.1
Analisa Tegangan dengan Caesar II
Hasil
Tidak (Analisa ulang)
Ya (tidak perlu analisa ulang) Kesimpulan hasil analisa Hasil analisa tidak melebihi batas yang diijinkan dengan menggunakan software Caesar
Selesai Gambar 3.1. Diagram Alir perencanaan jalur pipa
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 sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi mengacu pada aturan-aturan yang terdapat pada standard ASME B 31.3 Petroleum Refenery Piping (panitia seksi pipa pengkilangan). 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. Hal-hal yang harus dipenuhi untuk fabrikasi, pemasangan dan installasi. 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 aturan
27
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 sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi diperlihatkan pada gambar 3.2 & 3.3
Gambar 3.2. Diagram arah aliran fluida pada pipa (Piping Flow Diagram) Diagram arah aliran fluida pada piping (Piping Flow Diagram) yang di buat oleh orang proses (Porocess Dept.) bertujuan untuk mengetahui arah aliran fluida
28
Gambar 3.3. Diagram jalur pipa dan instrumen (Piping & Instument Diagram) Diagram arah aliran fluida pada pipa (Piping Flow Diagram) yang di buat oleh orang proses (Porocess Dept.) bertujuan untuk mengetahui jalur fluida yang melalui perantara pipa beserta komponen yang di butuhkan dalam system pemipaan dan dapat mengetahui komponen instrument yang di gunakan dalam mendesain pipa.
3.4 Penentuan Material Pipa Pemilihan material pipa didasarkan pada dua jenis standard material pipa yang digunakan, yaitu ASTM (American Society of Testing Materials) dan API (American Petroleum Institute). Untuk standar ASTM dan API beserta batas kekuatan tariknya dapat dilihat pada Tabel 3.1.
29
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 sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi ini akan megacu pada code ASME B 31.3. Standar yang digunakan adalah ASTM dan akan dipilih material pipa ASTM A106 GR B SMLS BE CS SCH 80. Sesuai dengan spesifikasi material yang telah ditentukan. Mengingat tegangan maksimum (Sa) hasil perhitungan karena siklus yang berulang-ulang sebesar 44.600 psi= 307 MPa. maka jika dilihat pada Tabel 3.1 jenis pipa yang memenuhi standar dari Tabel tersebut adalah ASTM A106 GR B SMLS BE CS SCH 80. Tetapi untuk mempertinggi faktor keamanan, maka perusahaan mengisya-ratkan penggunaan material ASTM A106 GrB SMLS BE CS SCH 80 yang memiliki kekuatan sekitar 35.000 psi= 241 MPa, jenis seamless. Hal ini dilakukan untuk melindungi fasilitas migas yang ada di sekitar jalur yang akan dibangun. Sedangkan untuk menentukan jenis kelas (rating flange) yang akan digunakan dapat dilihat pada
30
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) TEMPERATURE ANSI ANSI ANSI ANSI ANSI ANSI 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 1350 Psi= 93 bar sedangkan besar temperatur pada saat beroperasi kurang dari 65 0C dan operating pressure sebesar 609 psi= 42 bar. Sehingga bila dilihat dari Tabel 3.2 dapat diketahui bahwa pemakaian flanges pada kondisi tersebut cukup memakai jenis flange dengan rating 600# . Berdasarkan ketentuan pemakaian material dari spec CA2 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 GrB SMLS BE CS SCH 80 - Fitting menggunakan material ASTM A234 WPB SMLS BW CS SCH 80 - Flanges menggunakan material ASTM A105 RF CS ASME B16.5 - Stud bolts & Nuts menggunakan material A193 Gr.B7M/ASTM A194 Gr2HM
31
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 di inginkan dan sistem perpipaan terjamin keamanannya dari tekanan fluida yang mengalir didalamnya.
3.5.1. Penentuan Diameter Pipa 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 = 25 m3/hr = 0.0069 m3/detik Luas penampang dalam pipa ( A ) adalah : A =
Q Volume flow V
0.0069 m3 / s A = 1m / s A = 0.0069 m2 A = 6.9 mm Diameter luar pipa ( d ) adalah : 2 A = d m2 4 6.9 x 4 d2 =
d = 110.4 mm
32
Dari tabel mengenai ukuran standar pipa bahwa untuk pipa dengan ukuran 110.4 mm nominal terdekatnya adalah pipa dengan diameter 4 inch memiliki diameter 114.3 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 4 inch ada tujuh jenis ketebalan yang tersedia. Adapun untuk menentukan ketebalan pipa yang diperlukan menggunakan rumus sebagai berikut : tm = 2 (
P.D )+C (S.E.W PY)
(2.1)
tm : tebal dinding pipa (mm) P : tekanan internal disain pipa dalam (bar) D : diameter luar pipa (mm) S : stress pada temperatur disain (bar) W : faktor kekuatan sambungan las, misalnya pipe seamless nilai W adalah 1.0 E : faktor kualitas sambungan las, misalnya pipe A106-seamless nilai E adalah 1.0 Y : nilai Koefisien Y untuk t < D/6 (Tabel 2.1) C : batas korosi yang diijinkan (corrosion allowance). Data-data yang digunakan pada study perencanaan sistem perpipaan dari sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi adalah sebagai berikut :
33
Diketahui: P = Tekanan operasi 62 bar, (sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi) D = 114.3 mm (diameter pipa 4”) S = Tegangan maximum yang diijinkan 35.000 Psi= 241 MPa Dari Tabel A-1 ASME B31.3 untuk material pipa smls ASTM A106 GR B CS STD WT. W = 1.0 (untuk pipa smls, pada standar ASME B 31.3) E = 1.0 (untuk pipa smls, pada standar ASME B 31.3) Y = 0.4 (Koefisien Y untuk t kurang dari D/6) C = 3.175 mm. Ditanya : Ketebalan pada pipa ? Jawab : tm = 2 (
P.D )+C (S.E.W PY)
tm = 2 (
609 x 114 ) + 3.175 (35000 x 1 x 1 609 x 0,4) 69608.7 ) + 3.175 35243.6
t
m
= 2(
t
m
= (2 x 1.975) + 3.175
t m = 3.95 + 3.175 t m = 7.125 mm Berdasarkan perhitungan diatas diperoleh ketebalan dinding pipa 7.125 mm. Selanjutnya dicari pada Tabel 3.4 untuk ukuran pipa dengan diameter 114.3 mm (4 inch) dan ketebalan yang ditemukan adalah 7.125 mm. Dari Tabel 3.4 ter-
34
cantum bahwa ukuran pipa yang mendekati dengan diameter luar pipa 4 inch (114.3 mm) adalah dengan ketebalan dinding pipa 8.6 mm (sch.80). Dibandingkan dengan hasil perhitungan diatas. Pemilihan ketebalan pipa pada perencanaan jalur perpipaan dari sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi jauh lebih aman karena di rekomendasikan untuk menggunakan pipe 4” Sch 80. Data-data yang dapat diketahui dari hasil studi perencanaan jalur pipa dari sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi ditentukan Tabel 3.5 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 TEMP ERATURE Design Operating Hydrotest APLICATION CODE
DATA
UNITS
114.3 8.6 3.175
mm mm mm
A 106B 241
MPa (N/mm 2)
93 42 140
bar bar bar
93 65 AMB ASME B 31.3
0
C C
0
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 dan kontruksi pemasangan pipa di lapangan menjadi tertunda. 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.
35
Tabel 3.4. Tabel ketebalan pipa.
3.6. Penentuan Jalur dan Spesifikasi Material Jalur pipa dari sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi ini akan mengalirkan mintyak mentah dari sumur dengan tekanan desain 93 bar dan tekanan pada saat beroperasi berkisar antara 42 bar, sedangkan temperatur disain 93 0 C dan temperatur operasional berkisar 65 0 C dan dengan ketinggian sekitar 13 m diatas permukaan air laut, dengan konstruksi seperti pada 3D design berikut, dimana jalur pipa dilewatkan melalui sela sela pipa dan equipment yang telah terpasang sebelumnya yang dihubungkan antara dari sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi seperti pada Gambar 3.3. dan 3.4.
36
Gambar 3.4. Gambar perencanaan tampak atas (Piping Plan) 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.
37
Gambar 3.5. Gambar perencanaan jalur pipa 3 dimensi (Isometric Drawing). Tabel 3.5. Kebutuhan material pipa pada Gambar 3.5. No
Keterangan
Diameter
Jumlah
1. PIPE SCH 80 CS A106-B SMLS BE
4"
13.8M
2. PIPE SCH 80 CS A106-B SMLS BE
3"
0.8M
4"X2(9/16)"
1EA
4"
2EA
5. REDUCING TEE BW SCH 80 X SCH 80 CS A234-WPB SMLS
4"X3"
2EA
6. REDUCING TEE BW SCH 80 X SCH 160 CS A234-WPB SMLS
4"X2"
2EA
7. TEE BW SCH 80 CS A234-WPB SMLS
4"X4"
1EA
2 9/16"
1EA
9. FLANGE WN 600 RF SCH 80 CS A105 ASME B16.5
2"
4EA
10. FLANGE WN 600 RF SCH 80 CS A105 ASME B16.5
4"
9EA
11. FLANGE WN 600 RF SCH 80 CS A105 ASME B16.5
3"
5EA
12. FLANGE WN 900 RF SCH 80 CS A105 ASME B16.5
4"
1EA
13. BLIND FLANGE 600 RF CS A105 ASME B16.5
2"
1EA
14. BLIND FLANGE 600 RF CS A105 ASME B16.5
3"
2EA
15. BLIND FLANGE 600 RF CS A105 ASME B16.5
4"
1EA
16. GASKET 4.5 MM SPIRAL WOUND 600 RF 316 SS W/INNER
4"
11EA
3. CONCENTRIC REDUCER 4. 90 ELBOW BW SCH 80 CS A234-WPB SMLS
8. FLANGE INTEGRAL RTJ CL 5000 SCH 80 A105 API 6B
& OUTER RINGS 316 SS FLEXIBLE GRAPHITE B16.20
38
17. GASKET 4.5 MM SPIRAL WOUND 900 RF 316 SS W/INNER
4"
1EA
3"
8EA
2 9/16"
1EA
2"
4EA
7/8X150
72EA
1 1/8X205
8EA
1X190
8EA
4"
1EA
4"
2EA
3"
4EA
2"
1EA
& OUTER RINGS 316 SS FLEXIBLE GRAPHITE B16.20 18. GASKET 4.5 MM SPIRAL WOUND 900 RF 316 SS W/INNER & OUTER RINGS 316 SS FLEXIBLE GRAPHITE B16.20 19. OVAL RING JOINT GASKET CL 5000 S 316 B16.20 20. GASKET 4.5 MM SPIRAL WOUND 600 RF 316 SS W/INNER & OUTER RINGS 316 SS FLEXIBLE GRAPHITE B16.20 21. STUD BOLTS A193 GR. B7M BOLT/A194 GR. 2HM NUTS WITH FLUOROCARBON COATING 22. STUD BOLTS A193 GR. B7M BOLT/A194 GR. 2HM NUTS WITH FLUOROCARBON COATING 23.
STUD BOLTS A193 GR. B7M BOLT/A194 GR. 2HM NUTS WITH FLUOROCARBON COATING
24.
CHECK 600 RF CS A216-WCB BOLTED BONNET SWING RENEWABLE SEAT(CK-CA-3-4)
25.
GATE 600 RF CS A216-WCB F6NM/13-CR TRIM BB OS&Y FLEXIBLE WEGDE FIRE SAFE (GA-CA-3-2)
26.
GATE 600 RF CS A216-WCB F6NM/13-CR TRIM BB OS&Y FLEXIBLE WEGDE FIRE SAFE (GA-CA-3-2)
27.
CORROSION COUPON (SP-715) AS PER DATASHEET
39
Tabel 3.6. Tabel Spek Pipa
Tabel Spek Pipa di gunakan untuk menentukan jenis komponen pada material seperti pipa, fitting, valve dll. Tabel Spek Pipa dibuat berdasarkan permintaan cliant/owner sebagai acuan untuk membuat pabrik (plant refinery) yang kemudian di berikan ke kontraktor (maincontractor serta subcontractor) untuk melakukan tahap perancangan desain (engineering design) berdasarkan tabel spek pipa yang telah di tentukan client, kemudian hasil perancangan desain beser-
40
ta dengan perhitungan material yang di butukhan di serahkan ke pembelian (procurement) dan siap untuk melakukan tahap kontruksi pemasangan di lapangan. Tabel 3.7. Piping line list (Critical line list)
Piping line list berfungsi untuk pengambilan data seperti operating temperatur, operating pressure, desain temperatur, desain pressure, mengetahui arah dari (from) dan menuju (to) pada pipa yang terhubung ke equipment maupun pipa dan untuk mengetahui nomer pipa (line number) yang harus di kalkulasi dengan menggunakan software seperti Caesar yang telah di tentukan oleh cliant/owner.
41
Tabel 3.8. Tabel Support base spring
Tabel support base spring digunakan untuk mencantumkan data spek support tersebut, pada desain jalur pipa dari sumur pengeboran gas menuju pipa distribusi berdasarkan dari kalkulasi dengan menggunakan software Caesar jenis support yang di gunakan yaitu jenis support base spring karena jalur pipa tersebut mengalami getaran yang cukup tinggi sehingga pipa tersebut bisa bergerak secara bebas.
42
Gambar 3.6. Gambar spesial penyangga pipa (Pipe support) Gambar di atas merupakan support tambahan yang di gunakan untuk menopang support spring, support tambahan tersebut di pasang dengan cara di cor ke pondasi sebagai penguat.
43
Gambar 3.7. Gambar jalur pipa dengan program naviswork Gambar di atas merupakan review gambar 3D yang di desain dengan menggunakan software PDMS 12.SP6 kemudian di pindahkan ke software Naviswork supaya tampilan warna gambar semakin baik, tujuan untuk di lakukan presentasi ke pada cliant/owner sebagai bahan pertimbangan dalam melakukan desain jalur pipa sebelum di lakukan kontruksi pemasangan di lapangan.
44
Gambar 3.8. Gambar equipment chrismas tree Equipment chrismas tree berfungsi untuk mengatur laju aliran produksi selama operasi pemboran berlangsung.
Gambar 3.9. Gambar sumur pengeboran gas (well/chrismas tree)
45
Foto di atas sebagai sumber (reference) peletakkan equipment seperti christmas tree ataupun stuktur seperti peletakkan platform dan ladder sehingga dapat mempermudah dalam mendesain jalu pipa.
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 4 inch Sch.80 dengan ketebalan 8.6 mm SA : Tegangan yang diizinkan, 35000 Psi (dari Tabel 3.1) Z : Modulus section pipa Z =
d 40 - d14 mm3 32 d 0
Z =
114.3 4 - 105.7 4 mm3 32 114.3
= 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 ( ) yang terjadi dapat dicari dengan rumus bentangan pipa diatas tum-
46
puan sederhana. Defleksi maksimum terjadi ditengah-tengah antara dua tumpuan dapat dicari dengan rumus : =
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
=
4 4 d 0 - d 1 mm4 64
=
114.34 -105.74 mm4 64
= 67018.211 mm4
5 x 1.092 x 26351.313 4 = mm 384 x (0.191 x10 5 ) x 67018.211
= 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 : =
5 . W . L4 384 . E . I
10 =
5 x 1.092 x (L) 4 384 x 0.191 x 67018.211
L = 1082 mm
47
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 1.
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.
48
