ANALISA EROSI DAN VIBRASI PADA SISTEM PERPIPAAN AKIBAT ALIRAN FLUIDA BERKECEPATAN TINGGI DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CAESAR II 5.10 Afani Roma Arisa, Didiek Basuki, Achmad Chamsudi1, Melania Suweni Muntini, Gontjang Prajitno, Jurusan Fisika, Jurusan Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Abstrak - Telah dilakukan analisa vibrasi dan erosi pada system perpipaan terhadap pengaruh aliran fluida berkecepatan tinggi dengan permodelan menggunakan software CAESAR II 5.10. Analisis dilakukan dengan permodelan dari titik ke titik untuk analisa kekuatan pipa secara statis dan vibrasi menggunakan software CAESAR 5.II yang mempunyai kemampuan dalam memberikan gambaran visual berupa bentuk sistem perpipaan maupun hasil analisa mengenai tegangan, gaya, displacement, momen, dan frekuensi natural pada pipa, serta melaporkan terjadinya terjadinya tegangan yang berlebihan pada sistem perpiapaan yang akan dianalisa. Pada analisa didapatkan model sistem perpipaan yang sesuai dengan code ASME B.31.3 dengan nilai frekuensi natural pipa sebesar 16,7 Hz. Sedangkan Analisa erosi dilakukan dengan menggunakan standard API 14E. Dari hasil analisa didapatkan model yang telah memenuhi standart ASME B.31.3, sedangkan untuk analisa erosi diperoleh hasil bahwa terjadi erosi pada pipa karena V>Ve. Kata Kunci: CAESAR II 5.10, Erosi, Vibrasi Abstrac - Vibration and erosion analysis has been done on the system piping of the influence of fluid flow with a Mach 0.7 speed modeling using software CAESAR II 5.10. Modeling analysis performed by the node to node for static analysis of the pipe strength and vibration using CAESAR 5.II software that has the ability to provide a visual picture of the form of piping systems and the analysis of stress, force, displacement, torque, and the natural frequency of the pipe They also reported the occurrence overstress of the piping system to be analyzed. In the analysis of piping system model is obtained in accordance with ASME B.31.3 code with the natural frequency of 16.7 Hz pipe. While the erosion analysis carried out by manual analysis using a standard API 14E. From the analysis of models obtained in compliance with ASME B.31.3 standard, whereas the results obtained for the analysis of erosion that occurs due to erosion of the pipe V> Ve. Keywords: CAESAR II 5.10, Erosion, Vibration
I. PENDAHULUAN ebagai perusahaan yang bergerak dibidang Engineering, Procurement dan Conctruction atau lebih dikenal EPC PT. Rekayasa Industri melakukan berbagai analisa dalam setiap perencanaan pembangunan pabrik. Saat ini PT. Rekayasa Industri dipercaya untuk membuat sebuah pabrik oleh sebuah perusahaan yang bergerak dibidang eksplorasi dan produksi di laut dalam, eksploitasi dan manajemen reservoir, teknologi seismik 3D, petroleum coke upgrading kelas tinggi dan sulfur removal Dalam perencanaan sebuah pabrik keselamatan sangatlah diutamakan. Oleh kerena hal tersebut setiap plan selalu dilakukan analisis, mulai dari desain, kontruksi bangunan, material, dsb. Analisis sangatlah penting dilakukan agar nantinya pabrik yang berdiri aman sehingga proses produksinya-pun berjalan dengan lancar. Pada pembuatan tugas akhir ini dilakukan analisa pada sistem perpipaan yang terdapat pada proyek tersebut. Hal yang perlu dianalisa dalam tugas akhir ini adalah analisa vibrasi dan erosi yang disebabkan oleh aliran fluida dengan kecepatan 0,7 Mach. Analisa dilakukan dengan perhitungan manual dan dengan menggunakan software CAESAR II versi 5.10 II. URAIAN PENELITIAN A. Getaran Getaran adalah gerak periodik atau sesuatu yang bergerak berulang setelah interval/waktu tertentu. Secara sederhana digambarkan seperti gambar di bawah ini:
S
Gambar 2.1 Getaran Harmonik
Dalam kondisi sehari-hari getaran yang timbul lebih kompleks daripada penggambaran di atas. Contohnya getaran yang ditimbulkan oleh mesin, pompa, kompresor dll. Untuk getaran yang kompleks, biasanya
[1] Staf Divisi Piping PT Rekayasa Industri
ada banyak sumber getaran. Setiap suber getaran mempunnyai kurva gelombang sendiri-sendiri, namun pada prinsipnya ditambahkan dan ditampilkan sebagai kesatuan yang ditampilkan dengan domain waktu dan domain frekuensi. Domain waktu diplot sebagai amplitude getaran terhadap waktu atau jumlah matematis dari fungsi harmonic sederhana. Semua data dari perubahan amplitudo dalam selang waktu tertentu semua harus dimasukkan pada semua mesin gerak linier. Hal tersebut dimaksudkan untuk mengetahui perubahan dalam kondisi operasi. Namun data dari domain waktu sulit untuk digunakan, karena semua data getaran dalam jenis plot ditambahkan untuk mewakili perpindahan total pada setiap perubahan waktu. Domain frekuensi (f), dalam sudut pandang sederhana adalah fungsi getaran harmonic yang berhubungan dengan frekuensi lingkaran dari komponen yang bergerak berputar. Oleh karena itu frekuensi ini adalah efek dari kecepatan dari mesin yang dinyatakan dalam revolusi per menit (rpm), siklus per menit (cpm), atau bias juga siklus per detik (rad/s). Menentukan frekuensi adalah langkah dasar dalam menganalisis kondisi operasi dari sebuah sistem perpipaan. Data dari domain frkuensi mengubah data domain waktu memungkinkan mencangkup getaran komponen sistem perpiaan. Amplitude dari domain frekuensi bisa berpindah per unit satuan waktu yang berkaitan dengan frekuensi tertentu. Untuk fluida yang bergerak dengan kecepatan tertentu dan dengan kecepatan sudut (berputar) perubahan keduanya menyababkan adanya getaran pada sebuah sistem. Perubahan tersebut mengindikasikan adanya peningakatn atau penurunan amplitude dari pipa. Secara empiris besarnya frekuensi fluida yang mengalir dalam sebuah sistem perpipaan dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah ini: 4.m ffluida = π.D 2 .ρ.L (2.1) Dimana : m = mass flow rate (lb/s) D2 = diameter pipa (ft) ρ = massa jenis fluida (lb/ft3) L = panjang peluruhan getaran (ft) Frekuensi di atas merupakan frekuensi yang terjadi pada fluida yang mengalir. Untuk mencegah terjadinya kegagalan pada sistem perpipaan maka frkuensi natural pada pipa harus lebih besar dari frekuensi fluida yang mengalir, seperti ditunjukkan pada persamaan di bawah ini: fnatural ≥ 1.2 × ffluida (2.2) Dari persamaan di atas menyatakan bahwa frekuensi natural suatu sistem perpiaan minimal adalah 1.2 kali frekuensi fluida yang mengalir. Jika frekuensi
natural dari suatu sistem perpipaan tidak memenuhi hal tersebut maka besar kemungkinan terjadi kerusakan pada sistem tersebut. B. Kecepatan Erosi (API 14E 2.5) Jalur aliran proses produksi dan beberapa jalur transportasi gas dan cair di aliran dua fasa harus berukuran lebih besar daripada kecepatan aliran dasar. Hal ini dikarenakan dari berbagai percobaan menunjukkan bahwa hilangnya ketebalan dinding pipa terjadi karena adanya erosi. Proses erosi terjadi akibat adanya fluida berkecepatan tinggi pada jalur pipa tersebut. Prosedur yang dapat digunakan untuk mengetahui kecepatan erosi didapatkan dari data spesifik dari fluida yang mengalir. Batas kecepatan erosi yang terjadi secara empiris telah diatur pada API 14E yaitu : C Ve = ρm (2.3) dimana, 𝑉𝑒 C 𝜌𝑚
= Kecepatan erosi = konstanta empiris = massa jenis fluida
Dari pengalaman di industri selama ini besarnya nilai C adalah sesuai dengan data yang diperoleh dari material pipa yang digunakan. Ketika nilai 𝑉𝑒 telah diketahui, nilai tersebut dibandingkan dengan kecepatan aliran fluida yang mengalir. Besarnya kecepatan fluida harus lebih kecil daripada 𝑉𝑒 . C. Batasan Stress pada Pipa Dalam menganalisa tegangan pipa pada Chemical Plant dan Petroleum, batasan stress yang diijinkan atau allowable stress diatur dalam ASME B31.3. Untuk itu perlu dianalisa dari beban sustain, ekspansion dan occasional. Pada beban sustain, stress yang terjadi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : PD/4t n +
F ax A
+ (Sb2 + 4St2 ) + SL ≤ Sh
(2.4)
dengan, Sb = St =
(ii Mi )2 + io M0 Z Mt
2
, psi 2Z dimana, 𝐹𝑎𝑥 = Gaya aksial 𝑆ℎ = batas tegangan material pipa pada temperature maksimum 𝑆𝑏 = Resultan tegangan akibat beban lentur 𝑆𝑡 = Tegangan puntir
(2.5)
𝑀𝑖 𝑖𝑖 𝑀0 𝑖𝑜 𝑍 𝐾
= In-plane bending moment = in-plane stress intensification factor = out-of-plane bending moment = out-of-plane stess intensification factor = Section modulus of pipe = 1.15 untuk beban occasional yang bekerja kurang dari 10% periode operasi 1.20 untuk beban occasional yang bekerja kurang dari 1% periode operasi
Pada beban ekspansi, stress yang terjadi bisaanya diakibatkan oleh adanya thermal expansion (penjalaran termal). Nilai strees nya dapat dirumuskan sebagi berikut:
dimana: 𝑆𝑎 = Allowable stress range untuk expansion stress, psi (kPa) 𝑆𝑐 = Basic material allowable stress pada temperatur minimum, psi (kPa) 𝑆𝑒 = Stress akibat ekspansi termal 𝑓 = Faktor pengurangan stress D. Metode Analisa Vibrasi Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah dengan memodelkan isometric dengan menggunakan software CAESAR II 5.10. dari permodelan dilakukan perbandingan dengan hasil perhitungan nilai frekuensi natural sistem perpipaan dan besarnya gaya yang bekerja pada sistem perpipaan. E. Metode Analisa Erosi Langkah-langkah yang dilakukan untuk menganalisa terjadinya erosi dalam system perpipaan yaitu dengan membandingkan besarnya kecepatan erosi dengan laju kecepatan aliran fluida. Hal tersebut dapat dilakukan dengan melihat persamaan 2.15. Dari hasil perhitungan kemudian dilakukan perbandingan dengan kecepatan aliran fluida. Apabila Ve > V maka pada system tersebut tidak mengalami erosi, namun apabila Ve ≤ V maka system perpiaan tersebut mengalami erosi pada dinding-dinding pipanya. Apabila terjadi erosi dilakukan analisa untuk memberikan rekomendasi agar tidak terjadi erosi. F. Analisa Statik Data sistem perpipaan: 1. Bahan Pipa
: Carbon Steel
Berat jenis pipa :7833.4399 kg/m3 Diameter pipa Pipa Header : 24 Inch Pipa Sub Header A : 16 Inch Pipa Sub Header B : 6 Inch 4. Temperatur desain : 200oF 5. Temperatur Operasi : 80oF 6. Kecepatan fluida : 0.7 Mach Table 4.1 Hasil Tegangan Analisa 2. 3.
Case
Node
Stress (kg/cm2)
Allowable (kg/cm2)
Persentase (%)
(Hydrotes) (Sustain) (Ekspansi)
20 20 20
687.4 423.9 991
2008.6 1406.0 3231.8
34.2 30.1 30.7
G. Analisa Vibrasi Besarnya nilai vibrasi yang diijinkan pada pipa dapat dihitung dari frekuensi fluida yang mengalir. Karena frekuesi natural pada pipa haruslah lebih besar dari frekuensi fluida. Untuk menghitung frekuensi fluida digunakan persamaan (2.1) seperti di bawah ini:
Dari persamaan di atas, di dapatkan data dari proses engginer berupa: Tabel 4.2 Data Besaran dari proses Engginer No. Property Value 1. Mass Flow (lb/hr) 550051.8 2. Equvalent length (ft) 38.27 3. Velocity (ft/s) 993.370 4. Mach Number 0.7 5. ρV2 (lb/ft/s2) 119660 Dari data di atas dapat dihitung besarnya nilai massa jenis fluida (ρ) sebagai berikut:
Sehingga,
500
Nilai 0 Gaya
10 50 100 140 270 390 450 520 600 745
Maka frekuensi natural pipa:
-500
FX FY
FZ -1000
Tabel 4.3 Frekuensi Naatural Sistem Perpipaan Mode Frekuensi Frekuensi Period (HZ) (rad/sec) (sec) 1 16.749 105.234 0.060 2 18.240 114.602 0.055 3 19.511 122.594 0.051 4 20.049 125.969 0.050 5 20.660 129.810 0.048 Dengan gaya yang bekerja pada setiap titik pada sistem perpipaan pada tiap kondisi seperti ditunjukkan pada grafik di bawah ini:
Node Gambar 2.4 Grafik Saat Kondisi Sustain 4000 2000
Nilai 0 Gaya -2000
FX FY FZ
-4000
Node Gambar 2.5 Grafik Saat Kondisi Expansion FX 10 50 100 140 270 390 450 520 600 745
4000 3000 2000 Nilai 1000 0 Gaya -1000 -2000 -3000 -4000
-1500
10 50 100 140 270 390 450 520 600 745
Dari permodelan didapatkan hasil frekuensi natural sistem perpipaan adalah:
FY FZ
Node
F. Analisa Erosi Analisa erosi pada jalur pipa header terjadi karena aliran fluida yang mempunyai kecepatan tinggi, yaitu 0,7 Mach. Hal ini ditunjukkan pada perhitungan erosi pada jalur PXCGP-30-FH-48-001-AA sebagai berikut:
Gambar 2.2 Grafik Saat Kondisi Operating 1000
-1000
10 50 100 140 270 390 450 520 600 745
0
Nilai Gaya -2000
FX FY FZ
-3000 -4000
Node Gambar 2.3 Grafik Saat Kondisi Hydrotest
Dari hasil perhitungan di atas, didapatkan bahwa kecepatan erosi pada pipa adalah 717.92 ft/sec. Sedangkan kecepatan fluida yang mengalir pada pipa pada saat upstream adalah 746.529 ft/sec dan saat downstream 993.370 ft/sec, hal ini menunjukka bahwa pada pipa tersebut terjadi erosi. Karena syarat agar pipa tidak terjadi erosi yaitu : Ve > 𝑉 Karena syarat tersebut tidak terpenuhi sehingga harus dilakukan analisa lebih lanjut.
Berdasarkan fungsinya yang digunakan untuk mengalirkan fluida yang mempunyai ρm = 0.1213 dan dengan kecepatan maksimal 993.370 maka yang dapat dilakukan adalah dengan mengubah material pipa yang digunakan. Sehingga perhitungan dirubah dengan mengamsusikan bawa kecepatan fluida adalah kecepatan erosi. Ve > 993.370 >
C ρm C
0.1213 C > 993.370. 0.1213 C > 345.972
Dari perhitungan di atas ketika Ve = 993.370 di dapatkan hasil material dengan C = 345.972. Dengan syarat Ve > V hasil tersebut belum memenuhi, karene Ve = V. Sehingga dicari material pipa yang besar nilai konstanta empirisnya (C) lebih besar dari 345.972. Didapatkan material yang mempunyai nilai (C) = 350 yaitu jenis material duplex.
III. Kesimpulan Dari data yang didapatkan dan analisa yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan berupa: 1. Jalur sistem perpipaan dinyatakan aman terhadap beban statik dengan standard allowable ASME B31.3 dengan nilai HYD = 34.2%, SUS = 30.1%, dan EXP = 30.7% 2. Jalur sistem perpipaan dinyatakan aman terhadap vibrasi yang diakibatkan aliran fluida berkecepatan 0,7 Mach dengan frekuensi 13 Hz 3. Jalur sistem perpipaan dinyatakan tidak aman untuk erosi, dengan kecepatan erosi Ve = 717,92 ft/sec
DAFTAR PUSTAKA [1]ASME Code for Pressure Piping, B31.3, 1996, Process Piping, American Society of Mechanical Engineers,New York, including ASME B31.3a– 1996 addenda. [2]API 14E [3]Chamsudi,Achmad.,2006. “Diktat Piping Stress Analysis” Kursus Analisis Tegangan Pipa, Pusdiklat-Batan, Jakarta. [4]Nayyar,Mohinder L., 2000, Piping handbook, McGraw-Hill, United State of America. [5]Hartog, J.P Den.,1984. “Mechanical Vibrations”, INC, New York.
