TUGAS AKHIR
ZELVIA MANGGALASARI
1108 100 009
Dosen Pembimbing I : Dr. Melania Suweni Muntini Dosen Pembimbing II : Drs. Achmad Chamsudi
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
RUMUSAN MASALAH
TUJUAN PENELITIAN
•bagaimana model sistem perpipaan yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm
•mendapatkan model sistem perpipaan yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm •Pipa yang dianalisa adalah jalur compressor menuju cooler. •Pipa sesuai dengan ASME B31.3.
•Analisa vibrasi pada sistem perpipaan yang dihubungkan pada compressor sesuai dengan Vendor, dan analisa beban compressor dengan menggunakan NEMA-SM 23 dengan faktor dari vendor sebesar 5,55.
BATASAN MASALAH
MANFAAT PENELITIAN
•Pemilihan material pipa, komponen sistem perpipaan, nilai temperatur dan tekanan telah ditentukan oleh PT. Rekayasa Industri dan Vendor.
•mendapatkan model yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm sehingga diperoleh sistem perpipaan yang aman saat dioperasikan.
Gaya atau gaya per satuan luas yang terjadi pada pipa. Adanya tegangan yang berlebihan dapat menyebabkan pipa retak bahkan patah
Batasan yang digunakan menggunakan code ASME B31.3 Pada beban sustain,
Pada beban expantion,
nilai stress limit displacement yang dirumuskan secara matematis sebagai berikut:
Beban (gaya dan momen) yang diperkenankan untuk nozzle individual dengan persamaan berikut : Dengan, nilai D ditentukan sebagai berikut: , untuk diameter nominal ( ) 8” , untuk diameter nominal ( ) 8”
analisa juga dilakukan dengan menentukan beban (gaya dan momen) yang diijinkan untuk kombinasi
nozzle
Apabila dalam suatu keadaan tertentu terdapat batasan dari Vendor yang berbeda dengan NEMA SM 23, maka analisa dan perhitungan yang akan dilakukan harus menyesuaikan dengan batasan yang ditentukan oleh Vendor.
vibrasi merupakan sebuah gerakan periodik. Gerakan periodik disebut juga sebagai gerakan harmonik. Vibrasi pada sistem perpipaan dapat terjadi akibat beberapa hal, dalam penelitian ini, vibrasi yang terjadi pada sistem perpipaan adalah vibrasi akibat eksitasi kompressor.
Frekuensi natural didefinisikan sebagai nilai dari vibrasi putaran per waktu. Setiap benda memiliki nilai frekuensi naturalnya masing-masing
Untuk mengetahui nilai ampitudo yang terjadi digunakan rumus empiris dari code API 617 sebagai berikut:
Sistem perpipaan yang dihubungkan compressor dikatakan aman ketika atau
dengan
A MEMBACA GAMBAR ISOMETRIK
MULAI
B
ANALISA VIBRASI SISTEM PERPIPAAN
PEMODELAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CAESAR II 5.20
TIDAK Amplitudo < 45,7 µm
B ANALISA TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN NOZZLE COOLER
TIDAK
CEK TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN BEBAN COMPRESSOR (NEMA SM 23)
Analisa sesuai batasan ASME B31.3 dan Vendor
YA ANALISA BEBAN NOZZLE COMPRESSOR (NEMA SM 23)
TIDAK
YA
Analisa sesuai Nema SM 23
TIDAK
Analisa sesuai ASME B31.3 & Nema SM 23
YA SISTEM PERPIPAAN YANG DIHUBUNGKAN DENGAN COMPRESSOR BERAMPLITUDO MAKSIMUM 45.7 µm
YA A
SELESAI
DATA SISTEM PERPIPAAN
Tabel Data Jalur Sistem Perpipaan No. Jalur Pipa
Material Pipa
Kondisi Sistem Perpipaan Tekanan Temperatur (oF) Desain Operasi Desain (Psig) 225 119 1372
Fluid Density
Suction Compressor
A 928
57.51
Discharge Compressor Outlet Cooler
A 928
400
346
1372
79.63
A 928
240
179
1372
100.12
DATA PADA TABEL DIINPUTKAN PADA PEMODELAN PERANGKAT LUNAK CAESAR II 5.20
DIPEROLEH PEMODELAN CAESAR II 5.20
MODEL SISTEM PERPIPAAN DALAM DESAIN PABRIK
ANALISA MODEL PIPA
BAGAIMANA NILAI TEGANGAN ??
Tabel nilai tegangan sistem perpipaan Model A Case
Stress (Kg/cm2)
Allowable Persentase stress (Kg/cm2) (%)
HYD
1622.6
2802.0
57.9
SUS
1067.6
2089.7
51.1
EXP
1116.6
4625.5
24.1
SISTEM PERPIPAAN TIDAK MENGALAMI
OVERSTRESS
NILAI GAYA DAN MOMEN SISTEM PERPIPAAN GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI OPERATING
GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI HYDROTES 2000
8000
1000
Fx (kg. gaya)
0
Fy (kg. gaya)
-1000
Fz (kg. gaya)
-2000
Mx (kg. m)
-3000
My (kg. m)
-4000
Mz (kg. m)
-5000 -6000
6000
Fx (kg.gaya)
4000
Fy (kg.gaya)
2000
Fz (kg.gaya)
0
Mx (kg. m)
-2000
My (kg. m)
-4000
Mz (kg. m)
-6000
GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI SUSTAIN 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 -4000
Fx (kg.gaya) Fy (kg.gaya) Fz (kg.gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m)
BEBAN
NOZZLE COOLER??? Analisa dengan momen batasan
cooler dilakukan secara static membandingkan nilai gaya dan yang terjadi pada pipa dengan dari Vendor.
Tabel Batasan Gaya dan Momen Outlet dan Inlet Cooler Cooler Inlet & Outlet
Fx (Kg) Fy (Kg) Fz (Kg) 2403
4002
1707
Mx (Kg.M) 672
My (Kg.M) 1830
Mz (Kg.M) 915
Nilai gaya dan momen aktual pada inlet dan outlet cooler pada Model A Node
Case
80
OPE
26
298
SUS
-45
OPE
150 310 480 590 680 8010 8020 8030 8040 8050 8060
Fx
Fy
Fz
Mx
My
Mz
132
-730.4
-223.1
268.0
-215
-5
209.3
-66.2
70.0
-71
81
60
169.6
-449.6
252.0
SUS
-53
-312
8
410.2
-75.8
98.9
OPE
-85
-128
-9
404.9
-552.8
152.3
SUS
-29
-408
16
608.9
-24.1
68.1
OPE
-16
-169
-154
684.2
-553.0
-24.9
SUS
30
-426
14
636.7
95.8
-4.2
OPE
52
54
-489
487.8
-592.7
-190.5
SUS
66
-362
8
486.2
170.4
-51.4
OPE
60
498
-1088
-82
-781.7
-297.6
SUS
31
-294
6
317.2
106.2
-26.5
OPE
-60
-265
-130
137.9
-58.6
-203.6
SUS
-31
-330
-6
16.7
-20.5
-170.8
OPE
-52
-473
119
-197.6
-55.1
-188
SUS
-66
-448
-8
151.8
-42.1
-252
OPE
16
-554
154
-201.4
-18.5
37.7
SUS
-30
-529
-14
251.9
-7.1
-104.3
OPE
85
-444
9
-17.1
15.2
301.2
SUS
29
-502
-16
226.1
47.5
122.1
OPE
71
-273
-60
-68.4
-6.5
331.2
SUS
83
-397
-8
96.0
73.0
215.4
OPE
0
-162
-132
-72.2
-43.3
83.1
SUS
45
-352
5
8.4
82
90.4
Pada Node 80 dan 480, nilai Momen pada sumbu-x yang terjadi pada sistem perpipaan melebihi batasan dari Vendor, maka perlu dilakukan modefikasi model pipa menjadi model B.
Nilai gaya dan momen pada inlet dan outlet cooler pada Model B. Node
80
150
310
480
590
680
8010
8020
8030
8040
8050
8060
Case
Fx
Fy
Fz
Mx
My
Mz
OPE
128
54
302
-435.9
-77.2
0.2
SUS
10
-310
58
334.6
17.5
-28.9
OPE
45
163
138
-516.4
-291.7
-34.7
SUS
8
-277
36
278.8
13.8
-6.6
OPE
-51
243
-8
-511.6
-568.8
-68.5
SUS
-10
-263
11
263.0
-22.7
-0.1
OPE
-218
243
-168
-292.0
-1038.8
-50.7
SUS
-69
-302
12
346.4
-135.7
27.0
OPE
-224
294
-479
-112.8
-1229.5
-146.7
SUS
-47
-349
19
437
-92.2
-2.8
OPE
-124
586
-1064
-346.5
-1241.6
-313.6
SUS
17
-332
6
392.0
35.9
-52.8
OPE
124
-356
28
-125.6
131.9
216.8
SUS
-17
-340
-6
23.0
16.8
-133.6
OPE
224
-465
120
-218.8
196.9
419.1
SUS
47
-449
-0
130.3
82.1
-3.4
OPE
218
-534
168
-262.9
139.3
476.3
SUS
69
-536
31
154.6
90.1
108.9
OPE
51
-423
8
-42.7
-70.5
224.7
SUS
10
-494
-11
203.2
17.6
78.4
OPE
-45
-240
-138
64.4
-172.3
75.5
SUS
-8
-386
-36
141.5
-6.7
78.7
OPE
-128
-105
-302
237.5
-181.8
-188.5
SUS
-10
-336
-58
128.6
10.3
-29.9
Diperoleh sistem perpipaan Model B yang telah sesuai dengan batasan nilai cooler dari Vendor.
Pipa dibatasi dengan anchor sehingga pipa bersifat rigid.
BEBAN NOZZLE COMPRESSOR ???
Anchor
Model pipa yang dibatasi anchor (Model C)
Suction Compressor
Discharge Compressor
Hasil analisa beban nozzle model C berdasarkan NEMA SM 23 sebagai berikut: Description: COMPRESSOR INPUT DATA: Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55 ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED) (in.) (in.) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 16.000 10.667 SUCTION 1070 16.000 10.667 ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Distance from Resolution Point Loads (mm.) ( Kg & Kg.M ) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 DX= 0.000 FX= 151148 DY= 0.000 FY= 3731 DZ= 0.000 FZ= 0 MX= 0 MY= 0 MZ= -6339 ----------------------------------------------------------------------------SUCTION 1070 DX= 1726.997 FX= -7337 DY= 0.000 FY= -398 DZ= -343.992 FZ= 1204 MX= -64 MY= -4357 MZ= -69 -----------------------------------------------------------------------------
OUTPUT DATA: Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical Local Z axis = Right angle to Shaft CL Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units. ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Distance From Resolution Point X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 0.000 0.000 0.000 SUCTION 1070 -343.992 0.000 -1726.997 -----------------------------------------------------------------------------
Discharge? *FAILED*
Individual Nozzle Calculations ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 FX= 0 3F + M <2775*D(used) FY= 3731 FZ= -151148 3F + M = 1045834 Fr= 151194 F = 333328 2775*D(used) = 29600 MX= -6339 MY= 0 % of ALLOW. = 3533.22 MZ= 0 Mr= 6339 M = 45851 **FAILED** Moments due to "Force Resolution" MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -6339 Kg.M MY= 0 Kg.M MZ= 0 Kg.M
Suction? *FAILED*
Overall? *FAILED*
----------------------------------------------------------------------------SUCTION 1070 FX= 1204 3F + M <2775*D(used) FY= -398 FZ= 7337 3F + M = 80768 Fr= 7446 F = 16415 2775*D(used) = 29600 MX= -69 MY= -4357 % of ALLOW. = 272.86 MZ= 64 Mr= 4358 M = 31522 **FAILED** Moments due to "Force Resolution" MX= -687 MY= 445 MZ= 137 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -756 Kg.M MY= -3912 Kg.M MZ= 201 Kg.M ----------------------------------------------------------------------------Summation Calculations. -----------------------Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = 13.54 (in.) ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) ----------------------------------------------------------------------------SFX = 1204 2654 278*DC = 3758 70.63 SFY = 3333 7348 694*DC = 9395 78.21 SFZ = -143811 -317051 555*DC = 7516 4218.30 **FAILED** FC(RSLT) = 143855 317147 SMX = -7095 -51322 1388*DC = 18790 273.13 **FAILED** SMY = -3912 -28299 694*DC = 9395 301.21 **FAILED** SMZ = 201 1453 694*DC = 9395 15.47 MC(RSLT) = 8105 58625 2FC + MC = 692919 1388*DC = 18790 3687.66 **FAILED** ----------------------------------------------------------------------------Overall Status **FAILED** -----------------------------------------------------------------------------
modifikasi Model pipa yang sesuai dengan batasn 5.55 NEMA SM 23 yaitu diperoleh Model D
Bagaimana Hasil Analisa Beban Nozzle Compressor?
Description: COMPRESSOR INPUT DATA: Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55 ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED) (in.) (in.) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 16.000 10.667 SUCTION 1070 16.000 10.667 ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Distance from Resolution Point Loads (mm.) ( Kg & Kg.M ) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 DX= 0.000 FX= 3877 DY= 0.000 FY= -904 DZ= 0.000 FZ= -185 MX= 173 MY= -89 MZ= 313 ----------------------------------------------------------------------------SUCTION 1070 DX= 1726.997 FX= -3732 DY= 0.000 FY= -78 DZ= -343.992 FZ= -33 MX= 215 MY= 14 MZ= 66 -----------------------------------------------------------------------------
OUTPUT DATA: Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical Local Z axis = Right angle to Shaft CL Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units. ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Distance From Resolution Point X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 0.000 0.000 0.000 SUCTION 1070 -343.992 0.000 -1726.997 -----------------------------------------------------------------------------
Discharge? 98.05 %
Individual Nozzle Calculations ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH) ----------------------------------------------------------------------------DISCHARGE 1030 FX= -185 3F + M <2775*D(used) FY= -904 FZ= -3877 3F + M = 29024 Fr= 3985 F = 8786 2775*D(used) = 29600 MX= 313 MY= -89 % of ALLOW. = 98.05 MZ= -173 Mr= 369 M = 2666 Moments due to "Force Resolution" MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= 313 Kg.M MY= -89 Kg.M MZ= -173 Kg.M
Suction? 88.92 %
Overall? 75.38 %
----------------------------------------------------------------------------SUCTION 1070 FX= -33 3F + M <2775*D(used) FY= -78 FZ= 3732 3F + M = 26319 Fr= 3733 F = 8230 2775*D(used) = 29600 MX= 66 MY= 14 % of ALLOW. = 88.92 MZ= -215 Mr= 225 M = 1630 Moments due to "Force Resolution" MX= -135 MY= 1341 MZ= 27 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -69 Kg.M MY= 1355 Kg.M MZ= -188 Kg.M ----------------------------------------------------------------------------Summation Calculations. -----------------------Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = 13.54 (in.) ----------------------------------------------------------------------------Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) ----------------------------------------------------------------------------SFX = -218 -481 278*DC = 3758 12.79 SFY = -982 -2165 694*DC = 9395 23.04 SFZ = -145 -320 555*DC = 7516 4.25 FC(RSLT) = 1016 2241 SMX = 244 1767 1388*DC = 18790 9.40 SMY = 1266 9155 694*DC = 9395 97.45 SMZ = -361 -2612 694*DC = 9395 27.81 MC(RSLT) = 1339 9683 2FC + MC = 14165 1388*DC = 18790 75.38 ----------------------------------------------------------------------------Overall Status **PASSED** -----------------------------------------------------------------------------
Analisa vibrasi dilakukan dengan menggunakan persamaan dari manufaktur Vendor yaitu:
ANALISA VIBRASI SISTEM PERPIPAAN ???
Dengan, A = Amplitudo N = Frekuensi (dalam rpm)
Sehingga nilai amplitudo yang terjadi pada pipa harus lebih kecil dari 45.7 µm. Atau nilai frekuensi natural pada pipa harus lebih besar dari frekuensi natural pada compressor yaitu 14827.6288 rpm atau 39.3514 Hz
Pada pipa model D yang telah memenuhi batasan 5.55 standard NEMA SM 23 nilai vibrasi yang terjadi sebagai berikut: Nilai Frekuensi Natural dan Amplitudo yang terjadi pada Model D Mode 1
Frekuensi (Hz) 20.086
Frekuensi (Rad/s) 126.206
2
28.955
181.932
0.035
53.27667
3
33.791
212.316
0.030
49.31719
4
47.560
298.828
0.021
41.56980
5
49.757
312.631
0.020
40.64169
6
65.118
409.150
0.015
35.52617
Frekuensi Mode 1 20.086 Hz ≯ 39.3514 Hz Amplitudo Mode 1 63.9664 µm ≮ 45.7 µm
Periode Amplitudo (s) 0.050 63.96644
PIPA MENGALAMI VIBRASI !!!
modifikasi model pipa terdapat pada Model E ditampilkan sebagai berikut:
Nilai frekuensi naturan dan amplitudo yang terjadi pada sistem perpipaan disajikan dalam tabel berikut: Nilai frekuensi natural dan amplitudo pada model E Mode Frekuensi Frekuensi (Hz) (Rad/s)
Periode (s)
Amplitudo
1
41.458
260.487
0.024
44.52406
2
44.683
280.751
0.022
42.88720
3
48.178
302.710
0.021
41.30233
4
55.219
346.950
0.018
38.57932
Frekuensi Mode 1 41.458 Hz > 39.3514 Hz Amplitudo Mode 1 44.52406 µm < 45.7 µm
PIPA TIDAK MENGALAMI VIBRASI AKIBAT PERGERAKAN COMPRESSOR
Model E telah memenuhi batasan amplitudo dan frekuensi natural sehingga sistem perpipaan tidak mengalami vibrasi akibat pergerakan compressor. Maka Model pipa A berubah menjadi Model F seperti pada gambar berikut :
DESAIN PIPA DALAM PABRIK
KESIMPULAN Nilai tegangan sistem perpipaan berada di dalam batasan yang diijinkan dengan persentase tegangan hydrotes sebesar 57.9%, tegangan pada kondisi sustain sebesar 51.1%, tegangan pada kondisi expantion sebesar 24.1%. Gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan jalur cooler telah memenuhi batasan yang telah ditentukan oleh Vendor. Dari hasil analisa beban nozzle compressor yang telah dilakukan diperoleh bahwa sistem perpipaan tidak mengalami kegagalan dengan prosentase jalur discharge 89.31%, jalur suction 73.40% dan kombinasi keseluruhan 62.33%. Diperoleh sistem perpipaan dengan vibrasi sistem perpipaan lebih kecil dari vibrasi compressor dengan amplitudo sebesar 44.52406 µm. Diperoleh model F system perpipaan yang aman untuk pipa yang dihubungkan dengan compressor beramplitudo maksimum 45.7 µm. SARAN Analisa vibrasi merupakan salah satu analisa dinamik yang dilakukan. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, maka dapat dilakukan analisa dinamik yang lain seperti pengaruh terhadap beban seismic atau pengaruh beban angin.
