TUGAS AKHIR – RM 1522
STUDI EKSPERIMENTAL EFEK WATER HAMMER TERHADAP DEFORMASI DINDING PIPA DENGAN VARIASI PENUTUPAN VALVE PIPIT SUPRIYANTA NRP 2104 100 134 Dosen Pembimbing Ir. SUWARMIN, PE JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009
FINAL PROJECT – RM 1522
EXPERIMENTAL STUDY OF WATER HAMMER EFFECT ON THE PIPE WALL DEFORMATION WITH THE VARY OF VALVE CLOSING SPEED PIPIT SUPRIYANTA NRP 2104 100 134 Counselor Lecturer Ir. SUWARMIN, PE MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT Faculty Of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institut of Technology Surabaya 2009
STUDI EKSPERIMENTAL EFEK WATER HAMMER TERHADAP DEFORMASI PADA DINDING PIPA DENGAN VARIASI PENUTUPAN VALVE Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing
: PIPIT SUPRIYANTA : 2104 100 134 : Teknik Mesin FTI-ITS : Ir. SUWARMIN, PE
Abstrak Aplikasi sistem perpipaan untuk distribusi fluida banyak kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Fenomena water hammer merupakan salah satu parameter yang harus diperhitungkan dalam merancang sebuah sistem perpipaan. Fenomena ini terjadi akibat kenaikan gelombang tekanan ketika aliran dihentikan secara tiba-tiba, dimana gelombang tekanan yang terjadi bisa bernilai positif maupun negatif. Dampak dari fenomena in ibervariasi mulai dari timbulnya getaran pada sistem sampai pecahnya dinding pipa akibat besarnya gelombang tekanan yang terjadi. Metodologi yang dipakai dengan cara mengalirkan fluida dari reservoir pada ketinggian tertentu kemudian dialirkan melalui pipa uji dengan diameter tertentu dengan butterfly valve sebagai valve uji. Waktu penutupan valve merupakan salah satu faktor yang divariasikan dalam tugas akhir ini dimana mekanisme penutupannya diatur dengan variasi kecepatan silinder pneumatik. Variasi waktu penutupan valve yang dilakukan adalah 0.32, 0.37, 0.42, dan 0.5 detik dengan 3 titik pengambilan data:titik 1(dekat valve),2 (tengah pipa),dan 3 (dekat reservoir). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa karakteristik tekanan radial, vibrasi radial, dan vibrasi horisontal mengalami penurunan fungsi jarak, selain itu variasi material dalam eksperimen menunjukkan bahwa material dengan elastisitas yang lebih tinggi akan mengalami deformasi yang lebih besar ketika terjadi fenomena water hammer. Kata kunci : water hammer, material pipa, vibrasi, gelombang tekanan.
i
Experimental study effect of water hammer deformation on the wall with pipe closing valve variation Student Name Identity number Departement Supervisor
: PIPIT SUPRIYANTA : 2104 100 134 : Mechanical Engineering FTI-ITS : Ir. SUWARMIN, PE
Abstract Applications of fluid piping system are often found in our daily lives. Water hammer phenomena are one of parameter which needs to be considering in designing a piping system. The phenomena is due to a sudden increase in pressure wave, where pressure wave could either be a positive or negative valve. The effect of this phenomena starts with a vibrations occurred in the system to a crack in the pipe wall due to the great amount of pressure wave. The method is to let fluid flow from a reservoir at a certain height to a test pipe at a certain diameter with a butterfly valve as it test valve. The valve closure timing is one of variable factor in this final project, where the mechanism of the closure is manage by the variation of silinder pneumatic velocity. The valve closure timing variations are 0.32, 0.37, 0.42, 0.5 seconds with three spot point for dat collection: point 1 (near the valve), point 2 (centre of the valve), point 3 (near the reservoir). The final result experiment for characteristic pressure, radial vibration, and aksial vibration of water hammer is decrease for time function and distance function, in additin to material variation of experiment is material with higher elasticity will produce bigger deformation when occur water hammer phenomena.
Key word: water hammer, pipe material, vibration, pressure wave
ii
STUDI EKSPERIMENTAL EFEK WATER HAMMER TERHADAP DEFORMASI PADA DINDING PIPA DENGAN VARIASI PENUTUPAN VALVE
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Konversi Energi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh : PIPIT SUPRIYANTA Nrp. 2104 100 134 Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Ir. Suwarmin, PE NIP. 131651425
………………..……. (Dosen Pembimbing)
2. Nur Ikhwan ST, M.Eng NIP. 132135226
……………….…...… (Dosen Penguji I)
3. Dr. Ir. Agus Sigit Pramono DEA NIP. 131933291
………………...…..… (Dosen Penguji II)
4. Wawan Aries Widodo ST. MT. NIP. 132169251
………………….....… (Dosen Penguji III)
SURABAYA AGUSTUS, 2009
iii
KATA PENGANTAR ALHAMDULILLAHI ROBBIL ‘AALAMIIN, segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT atas limpahan rahmat, karunia, dan petunjuk, pertolongan dan keridhpan-NYA sehngga penulis dapat menyelesaikan dengan baik Tugas Akhir yang berjudul: “STUDI EKSPERIMENTAL EFEK WATER HAMMER TERHADAP DEFORMASI PADA DINDING PIPA DENGAN VARIASI PENUTUPAN VALVE”. Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat akademis bagi mahasiswa Strata-1 (S1) dalam menyelesaikan studi di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surbaya. Atas terselesaikannnya Tugas akhir ini, Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada semua pihak yang memberikan bantuannya dengan sukarela dan ikhlas hingga tersusunnya Tugas Akhir ini, khususnya kepada: 1. Ir. Suwarmin, PE selaku dosen pembimbing atas ide, saran, bimbingan, dan motivasi yang telah diberikan dalam menyelesaikan Tugas Akhir. 2. Bapak Wawan AriesWidodo,ST.MT, Dr. Ir.Agus Sigit Pramono, DEA, dan Nur Ikhwan ST, M.Eng selaku dosen penguji pada Sidang Ujian Tugas Akhir yang banyak memberi masukan untuk kesempurnaan Tugas Akhir ini. 3. Dr. Ing Herman Sasongko selaku Ketua Jurusan teknik Mesin ITS dan Prof. Dr. Tri Yogi Yuwono, DEA selaku kepala Laboratorium Mekanika Fluida yang telah memberikan tauladan kepemimpinan yang berguna bagi penulis. 4. Prof. Dr. Ir. H. Djoko Sungkono K, M.Eng.Sc selaku dosen wali yang selalu memberikan arahan dan kemudahan didalam menyelesaikan studi di jurusan ini 5. Bapakku Waluyo dan Ibuku Sukamti yang selalu aku junjung dan hormati, terima kasih atas segala
iv
pengorbanan dan kesabaran untuk menerima segala kesalahan dan kenakalanku 6. Saudaraku Tri Apriyanto, lek ni sekeluara, lek widodo sekeluarga, lek sugiman sekeluarga, lek nono, lek sugiyem, mbak beti, mas eko, mbak dwi dan seluruh kerabat yang memberikan bantuan dan dukungan yang tak terkira bentuknya 7. Para teman seperjuangan, Nasrul Fajarianto, Anugrah Widhi, Saiful Bahri, Akbar Hudiita, M. Ismail Marzuki, Arii Bowo, Imaduddin F, Jumari Hidayat, Marzal Taufik Akbar, Abet Mardani yang selalu memberikan “guyonan” dan masukan selama ini 8. Rekan-rekan aktivis KMM, BPH HMM ’06-’07, Departemen Organisasi ’06-’07, panitia adhoc amandemen Ad/ART KMM, SC POROS 07-08 dan 0809, M-ITS Autoceprot, Kemon n friend, DP Mesin 08-09 yang telah memberikan arti lebih dalam menjalani kehidupan kemahasiswaan di Teknik Mesin. 9. Saudari Rani Kartika Nuri, Reny Rahmawati, Nurza’adah Zhulaikha yang telah memberikan warna dan pelajaran hidup yang teramat penting bagi penulis. 10. Rekan-rekan M47 yang saya banggakan 11. Seluruh teman – teman Mesin yang memberikan banyak pengalaman dan kedewasaan didalam hidupku. 12. Dosen dan Karyawan Teknik Mesin ITS. 13. Semua pihak yang telah membantu dan tidak dapat penulis sebutkan satu persatu Penulis sadar bahwa penulisan Tugas Akhir ini memiliki banyak kekurangan, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi perbaikan dan kesempurnaan Tugas Akhir ini. Dan semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Surabaya, Agustus 2009 Penulis
v
DAFTAR ISI Abstrak Abstract Lembar Pengesahan Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel BAB 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 BAB II 2.1 2.2 2.3
2.4 2.5 BAB III
i ii iii iv vi ix xii
PENDAHULUAN Latar Belakang Hipotesa Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Manfaat
1 2 3 4 4 5
TINJAUAN PUSTAKA Aliran Tidak Tunak (Unsteady Flow) pada Pipa Teori Water Hammer II.2.1 Fenomena Water Hammer Teori Kolom Air Elastis 2.3.1 Kondisi Kesetimbangan Dinamis 2.3.2 Kondisi Kontinuitas 2.3.3 Kecepatan Gelombang Tekanan dan Kecepatan 2.3.4 Overpressure dan Underpressure Profil Kecepatan pada Penutupan Valve Water Hammer pada pipa plastik METODOLOGI PENELITIAN
vi
7 8 8 12 12 15 20 20 21 22
3.1 3.2
3.3
3.4
3.5
Skema Diagram Alir Eksperimen Desain Eksperimen Laboratorium 3.2.1 Skema Instalasi Eksperimen 3.2.1.1 Komponen utama eksperimen 3.2.1.2 Alat ukur eksperimen 3.2.1.3 Komponen suport eksperimen Variasi Pengujian dan Kalibrasi Alat Ukur 3.3.1 Variasi Pengujian 3.3.2 Kalibasi alat ukur tekanan 3.3.3 Kalibrasi Pembacaan Simpangan pada LVDT Prosedur Pengambilan Data 3.4.1 Tahap Persiapan 3.4.2 Tahap Pengambilan Data 3.4.3 Tahap Pasca Pengambilan Data Skema Pengambilan Data
BAB IV DATA dan ANALISA PEMBAHASAN 4.1 Data eksperimen 4.1.1 Data Tekanan 4.1.2 Data Vibrasi 4.2 Karakteristik tekanan water hammer 4.2.1 Karakteristik tekanan fungsi jarak 4.2.2 Perbandingan efek water hammer pada titik 1 4.2.3 Karakteristik tekananfungsi waktu penutupan valve 4.3 Data vibrasi 4.3.1 Data vibrasi radial fungsi jarak 4.3.2 Karakteristik vibrasi radial fungsi kecepatan penutupan valve 4.3.3 Karakteristik vibrasi aksial fungsi jarak 4.4 Perhitungan data 4.4.1 Material plastic rubber
vii
24 26 26 27 29 30 30 30 32 35 37 37 38 39 39 41 38 40 45 55 58 59 61 65 68 71 83 84
4.4.2 Material acrylic 4.5 4.6
BAB V 5.1 5.2
Analisa Deformasi Dinding Pipa akibat Water Hammer Karakteristik regangan longitudinal pipa dengan pengukuran LVDT PENUTUP Kesimpulan Saran
86 89 103 105 106
DAFTAR PUSTAKA
107
LAMPIRAN 1 Data Grafik Tekanan Radial Material Acrylic LAMPIRAN 2 Data Grafik Tekanan Radial Material Plastic Rubber LAMPIRAN 3 Data Grafik Getaran Radial Material Acrylic LAMPIRAN 4 Data Grafik Getaran Radial Material Plastic Rubber LAMPIRAN 5 Data Grafik Getaran Aksial Material Acrylic LAMPIRAN 6 Data Grafik Getaran Aksial Material Plastic Rubber
viii
95 101 107 113 119 125
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema fenomena water hammer pada 0 < t < L/a ............................................. Gambar 2.2 Skema fenomena wate hammer pada L/a < t < 2 L/a........................................ Gambar 2.3 Skema fenomena water hammer pada 2 L/a < t < 3 L/a .................................... Gambar 2.4 Skema fenomena water hammer pada 3 L/a < t < 4 L/a .................................... Gambar 2.5 Aliran melewati saluran pipa................. Gambar 2.6 Kontrol volume elemen air pada waktu t dan t + dt............................................. Gambar 2.7 Tegangan pada dinding pipa.................. Gambar 2.8 Variasi profil kecepatan setelah penutupan valve...................................... Gambar 2.9 Tegangan dan regangan yang terekam pada saat vakum....................... Gambar 3.1 Skema umu instalasi pengujian............... Gambar 3.2 Komponen butterfly valve (1) dan reservoir (2)............................................. Gambar 3.3 Sirkuit pneumatik dan proses buka tutup valve............................................... Gambar 3.4 Relay pengontrol...................................... Gambar 3.5 Kompresor udara...................................... Gambar 3.6 Alat ukur eksperimen............................... Gambar 3.7 Skema kalibrasi alat ukur tekanan............ Gambar 3.8 Grafik kalibrasi tekanan fungsi tegangan. Gambar 3.9 Grafik kalibrasi LVDT.............................. Gambar 3.10 Skema pengambilan data.......................... Gambar 4.1 Skema instalasi dan titik pengukuran...... Gambar 4.2 Hasil pengukuran pada titik 1 (0.5 detik).. Gambar 4.3 Hasil pengukuran pada titik 2 (0.5 detik).. Gambar 4.4 Hasil pengukuran pada titik 3 (0.5 detik).. Gambar 4.5 Grafik tekanan dengan siklus penutupan
ix
8 9 9 10 12 16 16 21 22 26 27 28 28 29 30 33 35 36 39 41 42 43 44
valve.......................................................... 45 Gambar 4.6 Analogi arah gelombang tekanan ketika silkus over pressure dan under pressure.... 47 Gambar 4.7 Siklus over pressure dan under pressure fungsi waktu............................................... 49 Gambar 4.8 Perbedaan pola garis tekanan acrylic dan plastic rubber.............................................. 50 Gambar 4.9 Grafik dP/dt fungsi waktu.......................... 53 Gambar 4.10 Tekanan dan regangan yang terekam pada saat vakum.................................................. 54 Gambar 4.11 Grafik karakteristik tekanan (aacrylic dan plastic rubber) fungsi waktu....................... 55 Gambar 4.12 Perbandingan grafik tekanan pada titik 1... 58 Gambar 4.13 Konversi energi kinetik fluida menjadi energi tekanan............................................ 60 Gambar 4.14 Grafik vibrasi radial (penutupan valve 0.33 detik).................................................. 62 Gambar 4.15 Grafik displacement fungsi waktu............. 65 Gambar 4.16 Perbandingan vibrasi radial pada titik 1 dengan variasi penutupan valve.................. 69 Gambar 4.16 Peak vibrasi radial fungsi jarak.................. 70 Gambar 4.17 Peak vibrasi radial fungsi kecepatan penutupan valve.......................................... 71 Gambar 4.18 Perbandingan vibrasi aksial fungsi jarak dengan waktu penutupan valve 0. 5 detik... 72 Gambar 4.19 Perbandingan vibrasi sesaat setelah valve fully open.................................................... 73 Gambar 4.20 Grafik peak vibrasi radial fungsi kecepatan penutupan valve......................... 75 Gambar 4.21 Perbandingan tekanan radial dan vibrasi Radial.......................................................... 76 Gambar 4.22 Perbandingan hasil tekanan dan getaran mulai sesaat valve fully open sampai sesaat fully close (Daerah C pada gambar 4.21).. 78 Gambar 4.23 Gambar perbandingan tekanan dan getaran
x
mulai sesaat valve fully close sampai sesaat valve fully open (daerah D gambar 4.21)... 78 Gambar 4.24 Karakteristik vibrasi sesaat valve fully open dan valve fully close……………….. 79 Gambar 4.25 Langkah positif dan negatif untuk aktuator pneumatik………………………. 80 Gambar 4.26 Perbandingan tekanan radial dan vibrasi aksial (titik 1 waktu penutupan 0.32 detik) 81 Gambar 4.27 Perbandingan vibrasi aksial dan radial...... 82 Gambar 4.28 Deformasi pipa (regangan circumferensial dan longitudinal)......................................... 91 Gambar 4.29 Penampang pipa menerima tekanan fluida 92 Gambar 4.30 Vektor gaya tekanan dan gaya circumferensial .......................................... 93 Gambar 4.31 Gambaran fenomena tegangan longitudinal 95 Gambar 4.32 Gambaran regangan longitudinal material...99 Gambar 4.33 Pengolahan data manual pada material Acrylic......................................................... 100 Gambar 4.34 Analogi deformasi dinding pipa................. 101 Gambar 4.35 Grafik displacement fungsi waktu............. 102
xi
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Properties material uji…………………….. Tabel 3.2 Variasi pengujian eksperimen…………….. Tabel 3.3 Data dan hasil pergitungan kalibrasi alat ukur tekenan………………………………. Tabel 3.4 Data kalibrasui LVDT…………………….. Tabel 4.1 Grafik perbandingan tekanan dengan variasi jarak dan waktu penutupan valve..... Tabel 4.2 Grafik tekanan funsi waktu dan kecepatan penutupan valve........................................... Tabel 4.3 Perbedaan karakteristik tekanan acrylic dan plastic rubber................................................ Tabel 4.4 Grafik perbandingan vibrasi radial fungsi Jarak.............................................................. Tabel 4.5 Kakateristik vibrasi radial fungsi kecepatan penutupan valve............................................ Tabel 4.6 Properties material uji................................... Tabel 4.7 Hasil perhitungan tegangan dan regangan material uji.....................................................
xii
31 31 34 36 45 59 61 65 68 83 99
