Analisa Tegangan Pipa Pada Well Connecting Tnaa45rc / Tnaa46rc / Tnaa47rc Dengan Menggunakan Software Caesar Ii V.5.10 Di Total E&P Indonesie Balikpapan
ANALISA TEGANGAN PIPA PADA WELL CONNECTING TNAA45rc/TNAA46rc/TNAA47rcDENGAN MENGGUNAKAN
SOFTWARE CAESAR II v.5.10 DI TOTAL E&P INDONESIE SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DISUSUN OLEH : RAYMOND EBENEZER SIPAYUNG
100401062
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
ABSTRAK
Dalam merancang suatu sistem plant, kita tidak akan terlepas dari sistem perpipaan. Sistem perpipaan berfungsi menghantarkan fluida dari suatu komponen ke komponen lain. Jarak yang di tempuh untuk menghantarkan fluida terkadang sangat jauh sehingga diperlukan perhitungan yang akurat dalam perancangan pipa, seperti jarak antar tumpuan dan jenis tumpuan yang digunakan. Dan sitem perpipaan ini harus dapat menahan beban secara statis dan dinamis, sehingga diperlukan perhitungan baik itu beban yang diakibatkan oleh beban berat pipa, beban berat fluida, angin, gelombang laut, gempa bumi, dan temperatur. Hal itu harus diperhitungkan untuk menghindari terjadinya kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan, sehingga diperlukan yang namanya fleksibelitas pipa.Well Connecting merupakan sumur gas yang berada di tengah laut, sehingga dalam transportasi gas harus melalui permukaan bawah laut, sehingga dalam perancangan pipa harus sesuai dengan ASME B31.8 Ch VIII dan perlu dilakukan analisa tegangan pipa bawah laut (on bottom stabillity). On bottom stabillity menganalisa pengaruh gaya-gaya hidrodinamika air laut terhadap pipa yang berada di dibawah laut.
Kata Kunci : Tegangan Pipa,Well Connecting, On Bottom stabillity
ABSTRACT
In designing a plant system, we will not be separated from the piping system. Delivering fluid piping system function of a component to another component. The distance traveled for delivering fluid sometimes very much so needed an accurate calculation in the design pipeline, such as the distance between the pedestal and pedestal type used. And this piping system must be able to withstand static and dynamic loads, so that the necessary calculation for the load caused by the heavy load of pipe, fluid heavy loads, wind, ocean waves, earthquakes, and temperature. It must be taken into account to avoid failure of the piping system due to excessive voltage, so it requires the name of flexibility pipa.Well Connecting a gas well located in the middle of the sea, so that the gas transport through the surface to be under the sea, so that the design of the pipe shall be in accordance with the ASME B31.8 Ch VIII and needs to be done underwater pipe stress analysis (on bottom stabillity). On the bottom stabillity analyze the effect of hydrodynamic forces on the sea water pipe that is in the sea below.
Keywords: Pipe Stress, Well Connecting, On Bottom stabillity
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala kasih karunia dan berkat-Nya serta penyertaan-Nya, yang senantiasa memberikan hikmat dan kesehatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik sesuai dengan waktu yang direncanakan. Adapun judul skripsi ini adalah “ANALISA TEGANGAN PIPA PADA WELL CONNECTING TNAA45rc / TNAA46rc / TNAA47rc DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CAESAR II v.5.10 DI TOTAL E&P INDONESIE BALIKPAPAN” yang diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua Ayahanda Lamsana Sipayung dan Ibunda Jura Hutagaol, yang telah banyak memberikan materi dan moril serta dukungan kepada penulis hingga dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.
2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai ketua Departemen Teknik Mesin FT-USU. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
3. Bapak Ir. Abdul Halim Nasution, M.Sc selaku dosen pembimbing penulis dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
4. Teman satu team penelitian (Herdin Jonathan Sibarani) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
5. Teman-teman seperjuangan Teknik mesin khususnya (Wiranata Sinurat) yang banyak memberikan motivasi serta teman-teman angkatan 2010.
6. Veronika Saragih yang selalu memberikan semangat untuk menyelesaikan tugas sarjana ini.
7. Adik-adik Teknik Mesin USU angkatan 2011 dan 2012 yang banyak memberikan dukungan kepada penulis untuk menyelesaikan kuliah dan hingga tugas sarjana ini selesai.
Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengemban ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya.
Medan, Januari 2015 Penulis,
RAYMOND EBENEZER SIPAYUNG NIM : 100401062
DAFTAR ISI
ABSTRAK …………………………………………….………………………………………. i KATA PENGANTAR ………………………………………………………… iii DAFTAR ISI …………………………………………………………………….v DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………….viii DAFTAR TABEL ……………………………………………………………... ix DAFTAR NOTASI …………………………………………………………….. x
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ……………………………………………………… 1 1.2 Tujuan Penelitaan …………………………………………………… 2 1.3 Batasan Masalah ……………………………………………………. 2 1.4 Manfaat Penelitian …………………………………………………... 2 1.5 Metodologi Penelitian ……………………………………………….. 3 1.6 Sistematika Penelitian ……………………………………………… 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem perpipaan ………………………………………………… 4
2.2 teori dasar tegangan pipa …………………………………………… 6
2.2.1 tegangan normal …………………………………………… 6 2.2.1.1 Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) …………7 2.2.1.2 Tegangan tangensial (hoop stress) ……………………10 2.2.1.3 Tegangan radial (radial stress) ……………………… 11
2.2.2 Tegangan geser …………………………………………… 11 2.2.2.1 tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) …… 11 2.2.2.2 tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress) 12
2.2.3 tegangan kode ………………………………………………13 2.2.3.1 tegangan kode ASME/ASMI B31.3 ………………… 14 2.2.3.2 tegangan kode ASME/ASMI B31.8 Ch VIII ……..… 16
2.3 Desain pipa dan komponen pipa …………………………………… 23 2.3.1 Desain Komponen Pipa Berdasarkan Tekanan ……………. 24 2.3.1.1 Tebal minimum dinding pipa lurus ………………… 24 2.3.1.2 Tekanan Kerja yang Diizinkan- AWP (Allowable Working Pressure) ……………………………………27 2.3.2 Desain pipa berdasarkan berat (bobot mati) ……………… 27 2.3.2.1 Tegangan atau defleksi karena beban bobot mati …….27 2.3.2.2 Jarak antar support maksimum (maximum pipe span) 30
2.4 Sistem Penumpu …………………………………………………… 31 2.4.1 Anchor …………………………………………………… 32 2.4.2 Restrain……………………………………………………...33 2.4.3 Snubber ……………………………………………………..37 2.4.4 Gaya dan Momen pada tumpuan …………………………...37
2.5 Analisa Pipa Bawah Laut (On Bottom Stability) ………………….43 2.5.1 Gaya-Gaya Yang Bekerja Pada Analisa Stabilitas Pipa Bawah Laut ……………………………………………………….…43 a. Gaya drag ……………………………………………….45 b. Gaya Inersia …………………………………………….46 c. Gaya Angkat ………………………………….……....…46 2.5.2 Reduksi Pembebanan Pada Pipa …………………………....47 a. Reduksi gaya akibat sifat permeable dasar perairan……47 b. Reduksi gaya akibat terjadinya penetrasi ke tanah……47 c. Reduksi gaya akibat gaya trenching ……………………48
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Pendahuluan ………………………………………………………… 49
3.2 Studi Kasus ………………………………………………………… 50
3.2.1 Spesifikasi Pipa ……………………………………………… 50 3.2.2 Spesifikasi Fluida …………………………………………… 51 3.3 Diagram Alir Penelitian ………………………………………………52 3.4 Urutan Proses Analisa ……………………………………………… 53 3.4.1 Pembuatan Data Awal ……………………………………….…53 3.4.2 Studi Literatur …………………………………………………53 3.4.3 Metode Pengerjaan ……………………………………………53
3.4.3.1 Pemodelan Sistem Perpipaan ………………………..…53 3.4.3.2 Mengecek Error pada Pemodelan …………………….54 3.4.3.3 Pemodelan Tumpuan ……………………………….54 3.4.3.4 Analisa Besarnya Tegangan Pipa …………………….54 3.4.4 Pembahasan …………………………………………………...54 3.5 Pengenalan Software …………………………………………………….56 3.5.1 Prosedur Simulasi Caesar II ……………………………….57 BAB IV ANALISA DAN HASIL SIMULASI 4.1 Pemodelan Sistem Perpipaan pada Isometric dan CAESAR II ………62 4.2 Analisa Maksimum Allowable Operating Pressure ….……………… 83 4.3 Analisa Wall Thickness ……………………………………………103 4.4 Analisa tegangan pipa dengan tebal pipa yang berbeda dan tekanan yang tetap ………………………………………………………………………106 4.5 Analisa Displacement pipa dengan tebal pipa yang berbeda dan tekanan yang tetap…………………………………………………………………111
4.6 Analisa tegangan pipa dengan tebal pipa yang tetap dan tekanan yang berbeda ………………………………………………………………...…114
4.7 Analisa Displacement pipa dengan tebal pipa yang sama dan tekanan yang berbeda……………………………………………………………...119 4.8 Analisa Tegangan Akibat Beban Occasional ………………………..122
a. Analisa Tegangaan Akibat Beban Angin ……………………122 b. Analisa Tegangaan Akibat Beban Gempa ………………….142 c. On Bottom Stability Analysis ………………………………..145 4.9 Hasil Analisa dengan menggunakan Software CAESAR II v.5.10 ….156 a. Hasil Analisa Tegangan berdasarkan kode ASME B31.3 …169
b. Hasil Analisa Tegangan berdasarkan kode ASME B31.8 Ch VIII…………………………………………………………...169
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 KESIMPULAN ……………..…………………………………………99 5.2 SARAN …………………………………………………………… 100
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Arah gaya aksial pipa ………………………………………………..8 Gambar 2.2 arah gaya akibat tekanan pipa………………………………………..8 Gambar 2.3 bending momen …………………………………………………..… 9 Gambar tegangan tangensial ………………………………………………...10 Gambar 2.5 shear stress ………………………….………………………………12 Gambar torsional stress ……………………………………………………...13 Gambar 2.7 pinned support ……………………………………………………...28 Gambar 2.8 fixed support ………………………………………………………..28 Gambar Anchor ………………………………….………………………..…32 Gambar axial restraint ………………………………………….…………...33 Gambar rod hanger ……………………………………………..………….34 Gambar sway strut…………………………………………………….……34 Gambar structural steel restraint …………………………………...………35 Gambar penetrasi di dinding ………………………………….……………36 Gambar guide ………………………………………………….…………...36 Gambar slide support ………………………………………………………37 Gambar Snubber …………………………………………………………...37 Gambar 2.18 sketsa keadaan pipa dalam keadaan ditumpu ……………………..38 Gambar diagram benda bebas kesetimbangan gaya dan momen ………….38
Gambar diagram gaya geser dan momen lentur …………………………...42 Gambar 2.21 Sketsa gaya-gaya yang bekerja pada pipa bawah laut …………….43 Gambar 2.22 Gaya-gaya hidrodinamika pada pipa. ……………………………..44 Gambar 2. 23 Sketsa terjadinya gaya gesek pada pipa. …………………………45 Gambar 2. 24 Sketsa terjadinya gaya angkat pada pipa. ………………………...46 Gambar 2. 25 Sketsa pipa yang terpendam ditanah …………………………………...48 Gambar 2.26 Sketsa pipa dalam parit …………………………………………...48 Gambar 3.1 Well Connecting …….……………………………………...………49
Gambar 3.2 Tampilan Caesar II v5.10 …………………………………………..56 Gambar 3.3 Tampilan Awal CAESAR II ……………………………………….58 Gambar 3.4 Data satuan yang digunakan dalam pemodelan…………………….58 Gambar 3.5 Piping input pada CAESAR II ……………………………………..59 Gambar 3.6 Error dan warning pada pengecekan bila terjadi kesalahan………...59 Gambar 3.8 Error dan warning bila tidak terjadi kesalahan ……………………..60 Gambar 3.9 Pemilihan jenis beban pada pemodelan ……………………………60 Gambar 4.1 Lokasi Penelitian di Handil Balikpapan ……………………………62 Gambar 4.2 Gambar Isometric Well Conecting bagian a ……………………….63 Gambar 4.3 Gambar Isometric Well Conecting bagian b ……………………….64 Gambar 4.4 Gambar Isometric Well Conecting bagian c ……………………….65 Gambar 4.5 Gambar Isometric Well Conecting bagian d ……………………….66 Gambar 4.6 Gambar Isometric Well Conecting bagian e …………………….…67
Gambar 4.7 Gambar Isometric Well Conecting bagian f ……………….…….…68 Gambar 4.8 Gambar Isometric Well Conecting bagian g …………………….…69 Gambar 4.9 Gambar Isometric Well Conecting bagian h ……….………………70 Gambar 4.10 Membuat new file di Caesar v5.10 ……………………………..…71 Gambar 4.11 Satuan yang digunakan dalam Caesar Iiv.510 ……………………71 Gambar 4.12 Pembuatan Node awal …………………………………………….72 Gambar 4.13 Jenis Material yang digunakan pada CAESAR v.5.10...………… 73 Gambar 4.14 Pemilihan kode standar yang akan digunakan ……………………74 Gambar 4.15 Pembuatan Tumpuan ……………………………………………...75 Gambar 4.16 Pembuatan Check Valve …………………………….……………75 Gambar 4.17 Pembuatan Bend ……………………………………………….….76 Gambar 4.18 Pembuatan Penumpu Vertical ………………………………….…77 Gambar 4.19 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian a
……………………………………………………………………78 Gambar 4.20 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian
b………………………………………………………..…………78 Gambar 4.21 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian c
……………………………………………………………………79
Gambar 4.22 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian d ……………………………………………………………………79
Gambar 4.23 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian e ……………………………………………………………………80
Gambar 4.24 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian f ……………………………………………………………………80
Gambar 4.25 error dan batch run ……………………………………………..…81
Gambar 4.26 Pemeriksaan warning dan error …………………………………...81 Gambar 4.27 Well Connecting TN-AA46rc…………………………...……….122 Gambar 4.28 Isometric TN-AA46rc terkena angindari segala arah …………...124 Gambar 4.29 Peta zona gempa Indonesia ……………………………………...143 Gambar 4.30 Keadaan pipa ditanam di dalam tanah permukaan laut…………..150 Gambar 4.31 diagram benda bebas pipa dibawah laut …………………………153 Gambar 4.32 Sketsa berat yang mengenai pipeline ……………………………156 Gambar 4.33 Distribusi momen lentur sepanjang pipa ……………..………….160 Gambar 4.34 pipa yang mengalami tegangan torsi..……………………………161 Gambar 4.35 pipa yang mengalami tegangan hoop maksimal ……………...…164 Gambar 4.36 Pipa yang mengalami tegangan aksial maksimal ……..…………166
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Pipa ……………………………….………………………38 Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida ……………………………..………………………39 Tabel 4.1 Jenis Load case yang digunakan ………………...……………………69 Tabel 4.2 Nilai SYMS pada berbagai material …………………………….……72 Tabel 4.3 Design Factor …………………………………………………………73 Tabel 4.4 Temperatur Derating Faktor…………………………………………...73 Tabel 4.5 Nilai Longitudinal Joint Factor ……………………………………….75 Tabel 4.6 Hasil perhitungan tegangan model 1……………………………………76 Tabel 4.7 Hasil perhitungan tegangan model 2……………………………………76 Tabel 4.8 Hasil perhitungan tegangan model 3……………………………………77 Tabel 4.9 Hasil perhitungan tegangan model 4 …………………………………...77 Tabel 4.10 Hasil perhitungan displacement model 1 …………………………...…80 Tabel 4.11 Hasil perhitungan displacement model 2 ……………………………...81 Tabel 4.12 Hasil perhitungan displacement model 3………………………………81 Tabel 4.13 Hasil perhitungan displacement model 4………………………………82 Tabel 4.14 Hasil perhitungan tegangan model 1…………………………..………84
Tabel 4.15Hasil perhitungan tegangan model 2……………………………...……84 Tabel 4.16Hasil perhitungan tegangan model 3…………………………………...85 Tabel 4.17 Hasil perhitungan tegangan model 4…………………………………..85 Tabel 4.18 Hasil perhitungan displacement model 1………………………………87 Tabel 4.19 Hasil perhitungan displacement model 2………………………………87 Tabel 4.20 Hasil perhitungan displacement model 3………………………………88 Tabel 4.21 Hasil perhitungan displacement model 4 …………………………...…88
Lambang S
F A D P R t
W h
DAFTAR NOTASI
Keterangan Tegangan
Gaya Luas penampang pipa Diameter Pipa Tekanan Jari-Jari Pipa Tebal pipa Massa Jenis Berat Ketinggian
Satuan KPa
N mm2 mm Kpa mm mm kg/cm3 kg m
ABSTRAK
Dalam merancang suatu sistem plant, kita tidak akan terlepas dari sistem perpipaan. Sistem perpipaan berfungsi menghantarkan fluida dari suatu komponen ke komponen lain. Jarak yang di tempuh untuk menghantarkan fluida terkadang sangat jauh sehingga diperlukan perhitungan yang akurat dalam perancangan pipa, seperti jarak antar tumpuan dan jenis tumpuan yang digunakan. Dan sitem perpipaan ini harus dapat menahan beban secara statis dan dinamis, sehingga diperlukan perhitungan baik itu beban yang diakibatkan oleh beban berat pipa, beban berat fluida, angin, gelombang laut, gempa bumi, dan temperatur. Hal itu harus diperhitungkan untuk menghindari terjadinya kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan, sehingga diperlukan yang namanya fleksibelitas pipa.Well Connecting merupakan sumur gas yang berada di tengah laut, sehingga dalam transportasi gas harus melalui permukaan bawah laut, sehingga dalam perancangan pipa harus sesuai dengan ASME B31.8 Ch VIII dan perlu dilakukan analisa tegangan pipa bawah laut (on bottom stabillity). On bottom stabillity menganalisa pengaruh gaya-gaya hidrodinamika air laut terhadap pipa yang berada di dibawah laut.
Kata Kunci : Tegangan Pipa,Well Connecting, On Bottom stabillity
ABSTRACT
In designing a plant system, we will not be separated from the piping system. Delivering fluid piping system function of a component to another component. The distance traveled for delivering fluid sometimes very much so needed an accurate calculation in the design pipeline, such as the distance between the pedestal and pedestal type used. And this piping system must be able to withstand static and dynamic loads, so that the necessary calculation for the load caused by the heavy load of pipe, fluid heavy loads, wind, ocean waves, earthquakes, and temperature. It must be taken into account to avoid failure of the piping system due to excessive voltage, so it requires the name of flexibility pipa.Well Connecting a gas well located in the middle of the sea, so that the gas transport through the surface to be under the sea, so that the design of the pipe shall be in accordance with the ASME B31.8 Ch VIII and needs to be done underwater pipe stress analysis (on bottom stabillity). On the bottom stabillity analyze the effect of hydrodynamic forces on the sea water pipe that is in the sea below.
Keywords: Pipe Stress, Well Connecting, On Bottom stabillity
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1Latar belakang
Dalam suatu industri pada dasarnya menginginkan di dalam tiap proses produksi yang berlangsung, sistem berjalan dengan baik dan sesuai dengan standar yang ditentukan. Proses dalam suatu industri, terutama untuk industri perminyakan tidak terlepas dari penggunaan sistem perpipaan dalam pengolahan proses produksi yang terjadi didalamnya, perencanaan sistem perpipaan yang baik akan mempengaruhi hasil suatu proses yang dilalui.
Pipa umumnya digunakan sebagai sarana untuk menghantarkan fluida baik berupa gas, minyak, air dan fluida lainnya dari suatu tempat ke tempat yang lain. Pada umumnya pipa memiliki standar dalam penggunaan dan pengoperasianya, sehingga dibutuhkan bentuk pengkodean dalam suatu sistem perpipaan yang digunakan, pengkodean itu dilakukan sesuai dengan bentuk keadaan dari sistem perpipaan yang dirancang dalam suatu sistem. Sistem perpipaan ini harus dirancang sedemikian rupa sehingga mampu menahan beban yang terjadi, baik beban statis dan dinamis yang terjadi. Analisa tegangan pada perpipaan adalah teknik yang dilakukan oleh engineer agar sistem perpipaan tanpa tegangan berlebih (over stress) dan pembebanan berlebih (over loading) pada komponen pemipaan dengan komponen yang terhubung.
Kemampuan sistem perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menyebabkan kegagalan disebut fleksibilitas sistem perpipaan. Kegagalan pada sistem perpipaan ini dapat menggangu proses operasi yang berlangsung. Kegagalan pada sistem perpipaan pada umumnya terjadi akibat adanya tegangan yang berlebihan pada pipa yang disebabkan adanya beban maksimum dan terkosentrasi yang tidak diatur dengan sistem penumpu yang baik, tegangan yang berlebihan tersebut dihasilkan karena adanya pembebanan
yang terjadi secara terus menerus dan dapat berubah yang diberikan kepada sistem perpipaan, sehingga dapat merubah sifat dan keadaan pipa tersebut. Maka dalam merancang atau membangun sistem pemipaan yang baik seharusnya dilakukan analisa tegangan terlebih dahulu untuk mengantisipasi dan mengatasi jika terjadi tegangan yang berlebih.
Pada tugas ini akan membahas mengenai perhitungan analisa tegangan sistem perpipaan pada proses sistem pemipaan yang mana mengacu pada code ataupun standar internasional yaitu ASME B31.3 Process Piping, manganalisa gaya dan momen di setiap nozzle sambungan antara pipa dengan equipment seperti tank, filter, pompa dan heat excharger. Proses menganalisa tegangan, gaya dan momen pada sistem pemipaan dibantu oleh program komputer Coade Caesar II 5.10.
1.2 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui letak tegangan maksimum yang terjadi disepanjang pipa pada sistem perpipaan di TOTAL E&P INDONESIA dengan menggunakan software Caesar II 5.10
2. Mendesaian ulang sistem perpipaan apabila didapat tegangan yang berlebih dari batas yang diizinkan dengan cara mengatur letak atau menambah penumpu.
3. Untuk menghitung perbandingan perhitungan antara teoritis dan menggunakan software pada tiap-tiap kondisi tertentu.
1.3 Batasan Masalah Penulis membatasi masalah pada analisa tegangan pada pipa yang sudah
ada dan sudah digunakan, sehingga penulis hanya menganalisa dan mensimulasikan hasil rancangan kemudian memastikan dengan standar. Standar digunakan sebagai validasi dalam penentuan aman atau tidaknya sistem perpipaan
yang dianalisa. Penulis menganalisa tegangan pada sistem pemipaan sesuai dengan ASME B31.1 dan B31.8 Process piping
1.4 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penilitian ini yaitu sebagai berikut:
1. Hasil dari analisa tegangan dapat digunakan sebagai bantuan untuk mengkontrol daerah-daerah kritis pada sistem pemipaan ini.
2. Mengetahui besar nilai-nilai tegangan yang terjadi pada sistem pemipaan 3. Dapat digunakan sebagai panduan dalam menganalisa sistem pemipaan
yang sudah ada dan sistem pemipaan yang masih dalam perencanaan
1.5 Metodologi Penulisan Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah
sebagai berikut : a. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait. b. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan. c. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data yang dibutuhkan untuk analisis dari TOTAL E&P INDONESIA. d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.6 Sistematika Penulisan Tugas akhir ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab
adalah sebagai berikut : Bab I : Pendahuluan Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup penelitian. Bab II : Tinjauan Pustaka
Bab ini berisikan hal-hal yang berhubungan dengan dasar teori analisa tegangan pada pipa dan mekanika kekuatan bahan Bab III : Metodologi Penelitian Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan penelitian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur penelitian. Bab IV : Hasil dan Analisis Penelitian Bab ini membahas tentang hasil dananalisispenelitian yang diperoleh melalui pengambilan data, pembahasan perhitungan, dan penganalisaan dengan memaparkan kedalam bentuk tabel dan grafik. Bab V : Kesimpulan dan Saran Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh. Daftar Pustaka Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan. Lampiran Pada lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari analisis data dalam bentuk tabel dan gambar.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Sistem Perpipaan
Sistem perpipaan berfungsi untuk mengantarkan atau mengalirkan suatu fluida dari tempat yang lebih rendah ke tujuan yang diinginkan dengan bantuan mesin atau pompa.Misalnya pipa yang dipakai untuk memindahkan minyak dari tangki ke mesin, memindahkan minyak pada bantalan-bantalan dan juga mentransfer air untuk keperluan pendinginan mesin ataupun untuk kebutuhan sehari-hari diatas kapal serta masih banyak lagi fungsi lainnya.Sistem perpipaan harus dilaksanakan sepraktis mungkin dengan minimum bengkokan dan sambungan las atau brazing, sedapat mungkin dengan flens atau sambungan yang dapat dilepaskan dan dipisahkan bila perlu.Semua pipa harus dilindungi dari kerusakan mekanis.Sistem perpipaan ini harus ditumpu atau dijepit sedemikian rupa untuk menghindari getaran.Sambungan pipa melalui sekat yang diisolasi harus merupakan sambungan flens yang diijinkan dengan panjang yang cukup tanpa merusak isolasi.
Untuk merancang sistem pipa dengan benar, engineer harus memahami perilaku sistem akibat pembebanan dan regulasi (kode standard design) yang mengatur perancangan sistem pipa. Perilaku sistem pipa ini antara lain digambarkan oleh parameter-parameter fisis, seperti perpindahan, percepatan, tegangan, gaya, momen dan besaran lainnya. Kegiatan engineering untuk memperoleh perilaku sistem pipa ini dikenal sebagai analisa tegangan pipa atau dahulu disebut juga analisa fleksibilitas.
Kode standard desain dikembangkan di negara-negara industri sebagai jawaban dari berbagai kecelakaan/kegagalan pada sistem pipa di pabrik-pabrik yang tidak dirancang dengan aman.Karena itu tujuan utama dari kode standard desain adalah keamanan (“safety”). Pada saat ini ada beberapa buah kode
standard dari komite B31 ini yang sering dipakai sebagai acuan di Indonesia sesuai dengan kebutuhan bidang industry, yaitu :
• ASME/ANSI B31.1 untuk sistem perpipaan di industri pembangkit listrik;
• ASME/ANSI B31.3 untuk sistem perpipaan di industri proses dan petrokimia;
• ASME/ANSI B31.4 untuk sistem pipa transport minyak dan zat cair lainnya;
• ASME/ANSI B31.5 untuk sistem perpipaan pendingin; • ASME/ANSI B31.8 untuk pipa transport gas.
Pemilihan kode yang akan digunakan pada perancangan sistem perpipaan pada prinsipnya tergantung pada pemilik pabrik, ada kemungkinan sebuah sistem pipa dapat dirancang berdasarkan dua buah kode yang berbeda, sebagai contoh Cogeneration Plants pada pabrik penyulingan dapat dirancang berdasarkan kode B31.1 ataupun B31.3. Perbedaan kode yang dipilih antara lain berpengaruh pada usia pabrik. Pabrik yang dirancang berdasarkan kode B31.3 umumnya memiliki usia 20 sampai dengan 30 tahun, sedangkan dengan B31.1 pabrik dapat diharapkan beroperasi sampai umur 40 tahun. Perbedaan ini terletak pada factor keamanan (safety factor) yang berbeda, yaitu kode B31.3 mengunakan faktor keamanan yang lebih rendah (SF=3.1) dibanding B31.1 (SF=4:1).
Ada dua teknik pendekatan yang berbeda dalam merancang sistem pipa, yaitu sistem pipa yang kaku (stiff) dan sistem pipa yang fleksibel.Pendekatan sistem yang fleksibel lebih mudah dimengerti dan dapat dilakukan desain kalkulasi secara manual seperti metode kalkulasi sederhana yang diuraikan diatas. Pendekatan ini menggunakan prinsip semakin fleksibel sebuah struktur semakin rendah tegangan yang akan terjadi. Fleksibelitas dari sistem pipa dapat dibuat dengan beberapa cara, antara lain misalnya dengan menambah expansion loop yang memberikan kebebasan bergerak pada pipa. Metode pendekatan ini hanya ekonomis untuk pipa yang murah harganya, karena
penambahan loop berarti penambahan material pipa dan terutama elbow yang harganya relative mahal.Sistem pipa yang fleksibel tidak membutuhkan tumpuan pipa yang terlalu banyak dan biasanya jenis tumpuannya sederhan dan murah serta tidak menuntut kemampuan engineering yang tinggi.
Jika material pipa yang digunakan mahal dan tidak ada ruang yang cukup untuk membuat loop, maka pendekatan kekakuan (stiffness) menjadi alternatif. Metode pendekatan ini dilakukan dengan membuat sistem pipa lebih kaku dengan menambah pipa restrain, yaitu tumpuan pipa (pipe support), guide, anchor dan lainnya.Metode ini semakin popular penggunannya di offshore platform dimana keterbatasan ruangan merupakan faktor penting, dan juga pada on-shore petrochemical plants, dimana sistem modular diterapkan.Metode ini relative lebih sulit dilakukan jika disbanding dengan metode pipa fleksibel karena disini tegangan yang terjadi dibiarkan cukup besar tetapi tetap terkontrol dan dibatasi.Dengan semakin mudahnya penggunaan piranti lunbak untuk menghitung tegangan pipa (pipping stress analysis software) dalam perancangan pipa maka metode ini semakin sering diterapkan. Dibandingkan dengan sistem pipa fleksibel, sistem pipa kaku lebih aman, yaitu jika terjadi kerusakan (failure) seperti kebocoran kemungkinan besar sistem pipa secara keseluruhan akan tetap utuh karena pipa-pipa dipegang oleh banyak tumpuan pipa (pipe restraint). Selain itu sistem pipa kaku akan lebih menguntungkan untuk menahan beban dinamis seperti getaran motor, beban angina dan beban gempa.
2.2 Teori Dasar Tegangan Pipa
Dalam menerapkan kode standard desain, engineer harus mengerti prinsip dasar dari tegangan pipa dan hal-hal yang berhubungan dengannya.Sebuah pipa dinyatakan rusak jika tegangan dalam yang terjadi pada pipa melebihi tegangan batas material yang “diizinkan”.Dari defenisi sederhana ini ada dua buah istilah yang harus dipahami dengan benar, yaitu tegangan dalam pipa dan tegangan batas yang “diizinkan”.
Tegangan dalam yang terjadi pada pipa disebabkan oleh beban luar seperti berat mati, tekanan dan pemuaian termal, dan bergantung pada geometri pipa serta jenis material pipa.Sedangkan tegangan batas lebih banyak ditentukan oleh jenis material, dan metode produksinya.Kedua besaran ini dibandingkan dengan menerapkan teori kegagalan (failure theory) yang ada.
Dalam membahas kode standard kita harus membedakan pengertian tegangan pipa menjadi dua,yaitu :
1. Tegangan pipa aktual, yaitu tegangan hasil pengukuran secara manual ataupun dengan piranti lunak komputer. Adapun tegangan pipa aktual ini dikelompokkan ke dalam dua kategori, yakni tegangan normal (normal stress) dan tegangan geser (shear stress).
2. Tegangan pipa kode, yaitu tegangan hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan tegangan yang tertera dalam kode standard tertentu.
2.2.1Tegangan Normal
Tegangan normal terdiri dari tiga komponen tegangan, yang masingmasing adalah : tegangan longitudinal (longitudinal stress), tegangan tangensial atau tegangan keliling (circumferential stress atau hoop stress), dan tegangan radial (radial stress).
2.2.1.1 Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress)
Tegangan longitudianal adalah tegangan yang arahnya sejajar dengan sumbu longitudinal (SL) atau tegangan aksial.Nilai tegangan ini dinyatakan positif jika tegangan yang terjadi adalah tegangan tarik dan negatif jika tegangannya berupa tekan (kompresi).Tegangan longitudinal pada sistem pipa disebabkan oleh gaya-gaya aksial, tekanan dalam pipa, dan bending.
1. Tegangan Longitudinal akibat gaya aksial Gaya yang diberikan baik berupa tekan atau tarik terhadap luas penampang pipa, dengan bentuk persamaan ditulis sebagai berikut : ……………….. (2.1) Dimana : = Tegangan Longitudinal akibat gaya aksial (KPa) = Gaya aksial (N) = Luas Penampang Pipa (mm2)
……………….. (2.2)
Dimana : do = diameter luar pipa (mm) di = diameter dalam pipa (mm)
Gambar 2.1 Arah gaya aksial pipa
2. Tegangan longitudinal akibat tekanan pipa (pressure gauge) Tegangan dalam ini dikarenakan fluida yang ada didalam pipa, fluida ini akan memberikan tekanan baik searah dengan panjang pipa dan kesegala arah permukaan pipa.
Gambar 2.2 arah gaya akibat tekanan pipa
Kemudian rumus diatas dapat disederhanakan menjadi : ……………….. (2.3)
Dimana : = tekanan longitudinal akibat beban dalam (KPa) = tekanan dalam akibat fluida (KPa) = luas penampang dalam pipa (mm2) = ketebalan dinding pipa (mm) = ro-ri
3. Tegangan longitudinal akibat momen bending Tegangan yang ditimbulkan oleh momen M yang bekerja diujung- ujung benda.Dalam hal ini tegangan yang terjadi dapat berupa Tensile Bending.
Gambar 2.3 bending momen ……………….. (2.4)
Dimana :
= Tegangan longitudinal akibat momen bending (KPa)
= jarak dari sumbu netral ke titik yang diperhatikan
= momen lendutan pada sebuah penampang pipa
= momen inersia dari penampang pipa
=(
)
Tegangan ini disebut juga tegangan lendutan (bending stress). Tegangan ini terjadi paling besar jika c=Ro yaitu :
……………….. (2.5) Dimana : Ro = radius luar pipa Z = modulus permukaan
=
2.2.1.2 Tegangan tangensial atau tegangan keliling (circumferential stress atau hoop stress) Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa, dan bernilai positif jika tegangan cenderung membelah pipa menjadi dua.
Gambar tegangan tangensial Besar tegangan ini menurut persamaan Lame adalah :
( ) ……………….. (2.6)
Dimana : = radius luar pipa = radius dalam pipa = jarak radius ke titik yang sedang diperhatikan
2.2.1.3 Tegangan Radial (Radial Stress) Tegangan ini arahnya sama dengan sumbu radial, dan tegangan ini berupa tegangan kompresi (negatif) jika ditekan dari dalam pipa akibat tekanan dalam (pressure gauge), dan berupa tegangan tarik (positif) jika didalam pipa terjadi tekanan hampa (vacuum pressure).
( ) ……………….. (2.7)
Dimana : = radius luar pipa = radius dalam pipa = jarak radius ke titik yang sedang diperhatikan
Jika r = ro maka SR = 0 dan jika r =ri maka SR = -P yang artinya tegangan ini nol pada titik dimana tegangan lendutan maksimum, karena itu tegangan ini biasanya diabaikan.
2.2.2 Tegangan geser Tegangan geser terjadi diakibatkan oleh gaya yang bekerja sejajar
dengan permukaan pipa dan karena adanya momen torsi yang terdapat pada pipa, momen torsi ini dapat berupa dua gaya yang bekerja sejajar dengan arah yang berlawanan (momen kopel). Tegangan geser terdiri dari dua komponen tegangan, yang masing-masing adalah : tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) dan tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress).
2.2.2.1 Tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) Tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Dimana : V = Gaya Geser A = Luas Penampang
……………….. (2.8)
Gambar 2.5 shear stress
Tegangan ini mempunyai nilai minimum di sumbu netral (di sumbu simetris pipa) dan bernilai nol pada titik dimana tegangan lendutan maksimum (yaitu pada permukaan luar dinding pipa).Karena hal ini dan juga karena besarnya tegangan ini biasanya sangat kecil, maka tegangan ini dapat diabaikan.
2.2.2.2 Tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress) Tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
……………….. (2.9)
Dimana : = Momen Puntir
J = Momen Inersia Polar
Gambar torsional stress
Tegangan ini terjadi akibat adanya momen yang bekerja pada pipa yang mengakibatkan adanya pergeseran sudut terhadap sumbu pipa, momen yang bekerja dapat berupa momen ataupun gaya yang mengakibatkan terjadinya puntiran.
2.2.3 Tegangan Kode Tegangan kode diturunkan dari teori dasar tegangan dan teori
kegagalan dengan memperhatikan hasil penelitian serta percobaan bertahun-tahun.Tegangan kode memberika standard kriteria kegagalan untuk perancangan sistem pipa. Ada dua kriteria kegagalan yang berbeda, yaitu :
a. Kegagalan katastrofis yang disebabkan oleh beban primer b. Kegagalan metal lelah yang disebabkan oleh beban sekunder
Karakteristik beban primer adalah : • beban primer biasanya disebabkan oleh gaya (force), seperti tekanan, gaya berat (bobot mati), gaya spring, gaya dari relief valve dan fluid hammer.
• beban primer tidak bersifat membatas diri sendiri (selflimiting), maksudnya, setelah deformasi plastis terjadi, selama
beban itu bekerja maka deformasi akan berlanjut terus sampai kesetimbangan gaya tercapai atau terjadinya patah/kerusakan.
• beban primer sifatnya tidak berulang (kecuali beban karena pulsasi dan variasi tekanan, yang selain dikategorikan beban primer, juga merupakan beban sekunder)
• batas tegangan yang diizinkan untuk tegangan primer didapat melalui teori kegagalan seperti teori von mises, tresca dan rankine berdasarkan tegangan leleh ( ), tegangan patah ( ), atau tegangan rupture (creep).
• kegagalan dapat terjadi oleh satu beban tunggal yang menimbulkan deformasi plastis total menyeluruh atau patah.
Karakteristik beban sekunder adalah :
• beban sekunder biasanya disebabkan oleh perpindahan (displacement), seperti ekspansi termal, getaran, perpindahan anchor dan settlement.
• beban sekunder selalu bersifat membatas diri sendiri (selflimiting), maksudnya, stelah deformasi plastis terjadi, deformasi tidak berlanjut terus karena tegangan berkurang dengan sendirinya dn cenderung menghilang.
•beban sekunder sifatnya berulang (kecuali settlement)
• batas tegangan yang diizinkan untuk tegangan sekunder didapat berdasarkan jumlah siklus beban dari kegagalan kelelahan metal (kurva metal lelah).
• Kegagalan tidak dapat terjadi oleh satu beban tunggal, tetapi kerusakan yang katastrofis dapat terjadi setelah sejumlah beban berulang bekerja pada sistem pipa. Oleh karena itu
wa;aupun sebuah sistem pipa telah dengan sukses beroperasi bertahun-tahun, ini tidak menjamin perancangan pipa yang baik dipandang dari kacamata beban sekunder.
2.2.3.1 Tegangan kode ASME/ASMI B31.3 1. Tegangan karena Beban Tetap (Sustained Load) Tegangan karena beban tetap pada pipa disebabkan oleh bobot berat dan tekanan,dimana dapat dirumuskan sebagai berikut :
√ ……………….. (2.10)
Dimana : = gaya aksial karena beban tetap (lb) = momen lendutan dalam bidang (in-plane) karena beban tetap
(in-lb) = momen lendutan luar bidang (in-plane) karena beban tetap
(in-lb) = faktor intensifikasi (SIF) in-plane = faktor intensifikasi (SIF) out-plane = tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut Appendiks A dari ASME/ANSI B31.3 Code
2. Tegangan karena beban ekspansi (Expansion Load) Tegangan karena beban ekspansi pada pipa disebabkan oleh perbedaan temperature (beban ekspansi termal), dimana dapat dirumuskan sebagai berikut :
√
.….. (2.11)
Dimana :
Ml = perbedaan momen lendutan dalam bidang (in-plane) karena beban ekspansi (in-lb)
Mo = perbedaan momen lendutan luar bidang (in-plane) karena beban ekspansi (in-lb)
MT = perbedaan momen puntir karena beban ekspansi (in-lb) Sc = tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut
Appendiks A dari ASME/ANSI B31.3 Code pada temperature rendah (dingin)
Sh = tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut Appendiks A dari ASME/ANSI B31.3 Code pada temperature tinggi (panas)
f = faktor reduksi dengan mempertimbangkan kelelahan material (beban dinamis yang berulang)
3. Tegangan karena beban okasional (Occasional Load) Tegangan karena beban okasional pada pipa disebabkan oleh beban perpindahan tumpuan, anchor misalnya karena gempa bumi dan sebagainya, dimana dapat dirumuskan sebagai berikut :
SL+Socc ≤ 1,33 Sh ……………….. (2.12) Dimana :
Socc= tegangan karena beban okasional
2.2.3.2 Tegangan kode ASME B31.8 Chapter VIII Pada ASME B31.8 Chapter VIII, desain pipa dibagi menjadi 2 lokasi, yaitu : a. pipa yang berada dilaut (pipeline) b. pipa yang berada di platform dan riser. Pipa riser adalah pipa berukuran besar yang digunakan pada operasi laut lepas/laut dalam yang berfungsi untuk mengalirkan fluida dari dasar laut ke permukaan. Yang membedakan antara pipa riser dengan pipa produksi/ tubing yang lazim digunakan pada operasi produksi migas adalah pipa riser didesain spesifik untuk proses produksi di air (dalam hal ini operasi laut lepas) sehingga ukuran dan spesifikasinya telah disesuaikan dengan kondisi air laut dan berbagai faktor yang berpengaruh di dalamnya, misalnya arus dan temperature air laut.
Tabel 2.1 faktor desain ASME B.318 berdasarkan lokasi pipa
1. Tekanan Hoop (Hoop Stress) Tekanan Hoop (Hoop Stress) merupakan reaksi dari material pipa, akibat dari tekanan internal, yang secara statis dapat ditentukan besarannya. Sehingga tegangan yang tejadi tidak akan melampaui tegangan plastik pipa yang dapat menyebabkan kegagalan pipa. Tekanan hoop dapat dirumuskan dengan : ……………….. (2.13) ……………….. (2.14)
Dimana :
D = Diameter luar pipa
= Faktor desain hoop stress berdasarkan lokasi pipa. Dapat dilihat pada tabel 2.1
= Tekanan internal
= Tekanan eksternal
S= Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material. Misalnya pipa jenis API 5L X 52 di mana yield strengthnya (SMYS) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah < 52000 psi sedangkan plastisnya > 52000 psi. Dapat dilihat pada tabel 2.2
= Hoop stress
T = Faktor batas temperatur (Temperature de-rating Factor). Dapat dilihat pada tabel 2.3
t = tebal pipa (wall thickness)
Tabel 2.2 Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material
Tabel 2.3 Faktor batas temperatur (Temperature de-rating Factor)
2. Longitudinal Stres Tegangan longitudinal merupakan tegangan yang searah dengan panjang pipa. Ada beberapa penyebab terjadinya longitudinal stress yaitu Axial force, Internal pressure dan bending moment. Besarnya longitudinal stress adalah total dari tegangan akibat gaya aksial, tekanan dalam dan momen bending. Tekanan longitudinal dapat dirumuskan dengan : | | ……………….. (2.15)
……………….. (2.16)
[ ] ……………….. (2.17)
……………….. (2.18)
……………….. (2.19)
Dimana : A = Luas penampang pipa
gaya aksial = Faktor desain longitudinal stress berdasarkan lokasi pipa.
Dapat dilihat pada tabel 2.1 = Momen bending internal = Momen bending eksternal S= Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material. Misalnya pipa jenis API 5L X 52 di mana yield strengthnya (SMYS) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah < 52000 psi sedangkan plastisnya > 52000 psi. Dapat dilihat pada tabel 2.2 = Tegangan longitudinal maksimum = Tegangan aksial maksimum
= Tegangan bending maksimum = SIF (Stress Intensification Factors) bagian dalam. SIF
adalah faktor tegangan untuk pipa bengkok dan pipa bercabang. Dapat dilihat pada tabel 2.4 = SIF (Stress Intensification Factors) bagian luar. Dapat dilihat pada tabel 2.4 z = section modulus
I = Momen inersia Ro = jari-jari terluar pipa 3. Kombinasi Tegangan a Kombinasi tegangan berdasarkan Teori Kegagalan Tresca
Teori ini menyebutkan bahwa, Kegagalan pada material akan terjadi, apabila tegangan geser maksimum pada material tersebut sama dengan tegangan geser maksimum pada kondisi yield(terjadi deformasi plastis) dalam test beban tarik unaksial.
[ ] ……………….. (2.20)
……………….. (2.21)
Dimana : A = Luas penampang pipa
gaya aksial = Faktor desain kombinasi tegangan berdasarkan lokasi
pipa. Dapat dilihat pada tabel 2.1 = Momen bending internal = Momen bending eksternal = Momen torsi S= Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material. Misalnya pipa jenis API 5L X 52 di mana yield strengthnya (SMYS) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah
< 52000 psi sedangkan plastisnya > 52000 psi. Dapat dilihat pada tabel 2.2
= Tegangan longitudinal maksimum
= Tegangan hoop
= Tegangan torsional
= SIF (Stress Intensification Factors) bagian dalam. SIF adalah faktor tegangan untuk pipa bengkok dan pipa bercabang. Dapat dilihat pada tabel 2.4
= SIF (Stress Intensification Factors) bagian luar. Dapat dilihat pada tabel 2.4
Tabel 2.4 Stress Intensification Factor
2.3 Desain Pipa dan Komponen Pipa
Sebelumnya sudah dibahas bahwa ada dua jenis beban yang harus diperhatikan dalam analisa tegangan pipa (pipe stress analysis). Jenis beban pertama adalah beban primer, yaitu beban yang disebabkan oleh gaya mekanikal dan menyebabkan kegagalan yang bersifat katastrofis. Yang kedua
adalah jenis beban sekunder, yaitu beban yang dipicunya tidak oleh gaya secara langsung melainkan oleh perpindahan atau deformasi pada sistem. Beban sekunder menyebabkan kegagalan fatique yang efeknya terjadi setelah beban sekunder berulang kali diterima sistem pipa. Selain perbedaan penyebab dan beda sifat kegagalan yang diakibatkan, dua jenis beban inipun menuntut solusi perancangan pipa yang berbeda dan tidak jarang pula berlawanan karakternya.
2.3.1 Desain Komponen Pipa Berdasarkan Tekanan Tekanan dalam pipa termasuk beban primer.Gaya tekan dalam sistem pipa
secara umum menentuka ketebalan dari komponen pipa. Selain itu kita juga harus mengetahui berapa tekanan kerja yang diijinkan, karena apabila tekanan yang terlalu berlebihan maka akan menyebabkan kebocoran pipa.
2.3.1.1 Tebal minimum dinding pipa lurus Penentuan tebal pipa dilakukam jauh sebelum kegiatan analisa tegangan pipa, yaitu tepatnya dikerjakan oleh engineer pemipaan ketika mendefenisikan spesifikasi kelas pipa. Semua kode pipa mensyaratkan tebal minimum pipa terdiri dari komponen tebal pipa yang diharuskan karena gaya tekan ditambah komponen tebal pipa untuk memperhatikan kemungkinan korosi (corrosion allowance), erosi, toleransi manufaktur (mill tolerance), kedalaman ulir dan sebagainya seperti rumus berikut :
………………
SOFTWARE CAESAR II v.5.10 DI TOTAL E&P INDONESIE SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DISUSUN OLEH : RAYMOND EBENEZER SIPAYUNG
100401062
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
ABSTRAK
Dalam merancang suatu sistem plant, kita tidak akan terlepas dari sistem perpipaan. Sistem perpipaan berfungsi menghantarkan fluida dari suatu komponen ke komponen lain. Jarak yang di tempuh untuk menghantarkan fluida terkadang sangat jauh sehingga diperlukan perhitungan yang akurat dalam perancangan pipa, seperti jarak antar tumpuan dan jenis tumpuan yang digunakan. Dan sitem perpipaan ini harus dapat menahan beban secara statis dan dinamis, sehingga diperlukan perhitungan baik itu beban yang diakibatkan oleh beban berat pipa, beban berat fluida, angin, gelombang laut, gempa bumi, dan temperatur. Hal itu harus diperhitungkan untuk menghindari terjadinya kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan, sehingga diperlukan yang namanya fleksibelitas pipa.Well Connecting merupakan sumur gas yang berada di tengah laut, sehingga dalam transportasi gas harus melalui permukaan bawah laut, sehingga dalam perancangan pipa harus sesuai dengan ASME B31.8 Ch VIII dan perlu dilakukan analisa tegangan pipa bawah laut (on bottom stabillity). On bottom stabillity menganalisa pengaruh gaya-gaya hidrodinamika air laut terhadap pipa yang berada di dibawah laut.
Kata Kunci : Tegangan Pipa,Well Connecting, On Bottom stabillity
ABSTRACT
In designing a plant system, we will not be separated from the piping system. Delivering fluid piping system function of a component to another component. The distance traveled for delivering fluid sometimes very much so needed an accurate calculation in the design pipeline, such as the distance between the pedestal and pedestal type used. And this piping system must be able to withstand static and dynamic loads, so that the necessary calculation for the load caused by the heavy load of pipe, fluid heavy loads, wind, ocean waves, earthquakes, and temperature. It must be taken into account to avoid failure of the piping system due to excessive voltage, so it requires the name of flexibility pipa.Well Connecting a gas well located in the middle of the sea, so that the gas transport through the surface to be under the sea, so that the design of the pipe shall be in accordance with the ASME B31.8 Ch VIII and needs to be done underwater pipe stress analysis (on bottom stabillity). On the bottom stabillity analyze the effect of hydrodynamic forces on the sea water pipe that is in the sea below.
Keywords: Pipe Stress, Well Connecting, On Bottom stabillity
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala kasih karunia dan berkat-Nya serta penyertaan-Nya, yang senantiasa memberikan hikmat dan kesehatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik sesuai dengan waktu yang direncanakan. Adapun judul skripsi ini adalah “ANALISA TEGANGAN PIPA PADA WELL CONNECTING TNAA45rc / TNAA46rc / TNAA47rc DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CAESAR II v.5.10 DI TOTAL E&P INDONESIE BALIKPAPAN” yang diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua Ayahanda Lamsana Sipayung dan Ibunda Jura Hutagaol, yang telah banyak memberikan materi dan moril serta dukungan kepada penulis hingga dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.
2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai ketua Departemen Teknik Mesin FT-USU. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
3. Bapak Ir. Abdul Halim Nasution, M.Sc selaku dosen pembimbing penulis dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
4. Teman satu team penelitian (Herdin Jonathan Sibarani) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
5. Teman-teman seperjuangan Teknik mesin khususnya (Wiranata Sinurat) yang banyak memberikan motivasi serta teman-teman angkatan 2010.
6. Veronika Saragih yang selalu memberikan semangat untuk menyelesaikan tugas sarjana ini.
7. Adik-adik Teknik Mesin USU angkatan 2011 dan 2012 yang banyak memberikan dukungan kepada penulis untuk menyelesaikan kuliah dan hingga tugas sarjana ini selesai.
Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengemban ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya.
Medan, Januari 2015 Penulis,
RAYMOND EBENEZER SIPAYUNG NIM : 100401062
DAFTAR ISI
ABSTRAK …………………………………………….………………………………………. i KATA PENGANTAR ………………………………………………………… iii DAFTAR ISI …………………………………………………………………….v DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………….viii DAFTAR TABEL ……………………………………………………………... ix DAFTAR NOTASI …………………………………………………………….. x
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ……………………………………………………… 1 1.2 Tujuan Penelitaan …………………………………………………… 2 1.3 Batasan Masalah ……………………………………………………. 2 1.4 Manfaat Penelitian …………………………………………………... 2 1.5 Metodologi Penelitian ……………………………………………….. 3 1.6 Sistematika Penelitian ……………………………………………… 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem perpipaan ………………………………………………… 4
2.2 teori dasar tegangan pipa …………………………………………… 6
2.2.1 tegangan normal …………………………………………… 6 2.2.1.1 Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) …………7 2.2.1.2 Tegangan tangensial (hoop stress) ……………………10 2.2.1.3 Tegangan radial (radial stress) ……………………… 11
2.2.2 Tegangan geser …………………………………………… 11 2.2.2.1 tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) …… 11 2.2.2.2 tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress) 12
2.2.3 tegangan kode ………………………………………………13 2.2.3.1 tegangan kode ASME/ASMI B31.3 ………………… 14 2.2.3.2 tegangan kode ASME/ASMI B31.8 Ch VIII ……..… 16
2.3 Desain pipa dan komponen pipa …………………………………… 23 2.3.1 Desain Komponen Pipa Berdasarkan Tekanan ……………. 24 2.3.1.1 Tebal minimum dinding pipa lurus ………………… 24 2.3.1.2 Tekanan Kerja yang Diizinkan- AWP (Allowable Working Pressure) ……………………………………27 2.3.2 Desain pipa berdasarkan berat (bobot mati) ……………… 27 2.3.2.1 Tegangan atau defleksi karena beban bobot mati …….27 2.3.2.2 Jarak antar support maksimum (maximum pipe span) 30
2.4 Sistem Penumpu …………………………………………………… 31 2.4.1 Anchor …………………………………………………… 32 2.4.2 Restrain……………………………………………………...33 2.4.3 Snubber ……………………………………………………..37 2.4.4 Gaya dan Momen pada tumpuan …………………………...37
2.5 Analisa Pipa Bawah Laut (On Bottom Stability) ………………….43 2.5.1 Gaya-Gaya Yang Bekerja Pada Analisa Stabilitas Pipa Bawah Laut ……………………………………………………….…43 a. Gaya drag ……………………………………………….45 b. Gaya Inersia …………………………………………….46 c. Gaya Angkat ………………………………….……....…46 2.5.2 Reduksi Pembebanan Pada Pipa …………………………....47 a. Reduksi gaya akibat sifat permeable dasar perairan……47 b. Reduksi gaya akibat terjadinya penetrasi ke tanah……47 c. Reduksi gaya akibat gaya trenching ……………………48
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Pendahuluan ………………………………………………………… 49
3.2 Studi Kasus ………………………………………………………… 50
3.2.1 Spesifikasi Pipa ……………………………………………… 50 3.2.2 Spesifikasi Fluida …………………………………………… 51 3.3 Diagram Alir Penelitian ………………………………………………52 3.4 Urutan Proses Analisa ……………………………………………… 53 3.4.1 Pembuatan Data Awal ……………………………………….…53 3.4.2 Studi Literatur …………………………………………………53 3.4.3 Metode Pengerjaan ……………………………………………53
3.4.3.1 Pemodelan Sistem Perpipaan ………………………..…53 3.4.3.2 Mengecek Error pada Pemodelan …………………….54 3.4.3.3 Pemodelan Tumpuan ……………………………….54 3.4.3.4 Analisa Besarnya Tegangan Pipa …………………….54 3.4.4 Pembahasan …………………………………………………...54 3.5 Pengenalan Software …………………………………………………….56 3.5.1 Prosedur Simulasi Caesar II ……………………………….57 BAB IV ANALISA DAN HASIL SIMULASI 4.1 Pemodelan Sistem Perpipaan pada Isometric dan CAESAR II ………62 4.2 Analisa Maksimum Allowable Operating Pressure ….……………… 83 4.3 Analisa Wall Thickness ……………………………………………103 4.4 Analisa tegangan pipa dengan tebal pipa yang berbeda dan tekanan yang tetap ………………………………………………………………………106 4.5 Analisa Displacement pipa dengan tebal pipa yang berbeda dan tekanan yang tetap…………………………………………………………………111
4.6 Analisa tegangan pipa dengan tebal pipa yang tetap dan tekanan yang berbeda ………………………………………………………………...…114
4.7 Analisa Displacement pipa dengan tebal pipa yang sama dan tekanan yang berbeda……………………………………………………………...119 4.8 Analisa Tegangan Akibat Beban Occasional ………………………..122
a. Analisa Tegangaan Akibat Beban Angin ……………………122 b. Analisa Tegangaan Akibat Beban Gempa ………………….142 c. On Bottom Stability Analysis ………………………………..145 4.9 Hasil Analisa dengan menggunakan Software CAESAR II v.5.10 ….156 a. Hasil Analisa Tegangan berdasarkan kode ASME B31.3 …169
b. Hasil Analisa Tegangan berdasarkan kode ASME B31.8 Ch VIII…………………………………………………………...169
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 KESIMPULAN ……………..…………………………………………99 5.2 SARAN …………………………………………………………… 100
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Arah gaya aksial pipa ………………………………………………..8 Gambar 2.2 arah gaya akibat tekanan pipa………………………………………..8 Gambar 2.3 bending momen …………………………………………………..… 9 Gambar tegangan tangensial ………………………………………………...10 Gambar 2.5 shear stress ………………………….………………………………12 Gambar torsional stress ……………………………………………………...13 Gambar 2.7 pinned support ……………………………………………………...28 Gambar 2.8 fixed support ………………………………………………………..28 Gambar Anchor ………………………………….………………………..…32 Gambar axial restraint ………………………………………….…………...33 Gambar rod hanger ……………………………………………..………….34 Gambar sway strut…………………………………………………….……34 Gambar structural steel restraint …………………………………...………35 Gambar penetrasi di dinding ………………………………….……………36 Gambar guide ………………………………………………….…………...36 Gambar slide support ………………………………………………………37 Gambar Snubber …………………………………………………………...37 Gambar 2.18 sketsa keadaan pipa dalam keadaan ditumpu ……………………..38 Gambar diagram benda bebas kesetimbangan gaya dan momen ………….38
Gambar diagram gaya geser dan momen lentur …………………………...42 Gambar 2.21 Sketsa gaya-gaya yang bekerja pada pipa bawah laut …………….43 Gambar 2.22 Gaya-gaya hidrodinamika pada pipa. ……………………………..44 Gambar 2. 23 Sketsa terjadinya gaya gesek pada pipa. …………………………45 Gambar 2. 24 Sketsa terjadinya gaya angkat pada pipa. ………………………...46 Gambar 2. 25 Sketsa pipa yang terpendam ditanah …………………………………...48 Gambar 2.26 Sketsa pipa dalam parit …………………………………………...48 Gambar 3.1 Well Connecting …….……………………………………...………49
Gambar 3.2 Tampilan Caesar II v5.10 …………………………………………..56 Gambar 3.3 Tampilan Awal CAESAR II ……………………………………….58 Gambar 3.4 Data satuan yang digunakan dalam pemodelan…………………….58 Gambar 3.5 Piping input pada CAESAR II ……………………………………..59 Gambar 3.6 Error dan warning pada pengecekan bila terjadi kesalahan………...59 Gambar 3.8 Error dan warning bila tidak terjadi kesalahan ……………………..60 Gambar 3.9 Pemilihan jenis beban pada pemodelan ……………………………60 Gambar 4.1 Lokasi Penelitian di Handil Balikpapan ……………………………62 Gambar 4.2 Gambar Isometric Well Conecting bagian a ……………………….63 Gambar 4.3 Gambar Isometric Well Conecting bagian b ……………………….64 Gambar 4.4 Gambar Isometric Well Conecting bagian c ……………………….65 Gambar 4.5 Gambar Isometric Well Conecting bagian d ……………………….66 Gambar 4.6 Gambar Isometric Well Conecting bagian e …………………….…67
Gambar 4.7 Gambar Isometric Well Conecting bagian f ……………….…….…68 Gambar 4.8 Gambar Isometric Well Conecting bagian g …………………….…69 Gambar 4.9 Gambar Isometric Well Conecting bagian h ……….………………70 Gambar 4.10 Membuat new file di Caesar v5.10 ……………………………..…71 Gambar 4.11 Satuan yang digunakan dalam Caesar Iiv.510 ……………………71 Gambar 4.12 Pembuatan Node awal …………………………………………….72 Gambar 4.13 Jenis Material yang digunakan pada CAESAR v.5.10...………… 73 Gambar 4.14 Pemilihan kode standar yang akan digunakan ……………………74 Gambar 4.15 Pembuatan Tumpuan ……………………………………………...75 Gambar 4.16 Pembuatan Check Valve …………………………….……………75 Gambar 4.17 Pembuatan Bend ……………………………………………….….76 Gambar 4.18 Pembuatan Penumpu Vertical ………………………………….…77 Gambar 4.19 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian a
……………………………………………………………………78 Gambar 4.20 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian
b………………………………………………………..…………78 Gambar 4.21 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian c
……………………………………………………………………79
Gambar 4.22 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian d ……………………………………………………………………79
Gambar 4.23 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian e ……………………………………………………………………80
Gambar 4.24 Pemodelan CAESAR II keseluruhan pada Well Conecting bagian f ……………………………………………………………………80
Gambar 4.25 error dan batch run ……………………………………………..…81
Gambar 4.26 Pemeriksaan warning dan error …………………………………...81 Gambar 4.27 Well Connecting TN-AA46rc…………………………...……….122 Gambar 4.28 Isometric TN-AA46rc terkena angindari segala arah …………...124 Gambar 4.29 Peta zona gempa Indonesia ……………………………………...143 Gambar 4.30 Keadaan pipa ditanam di dalam tanah permukaan laut…………..150 Gambar 4.31 diagram benda bebas pipa dibawah laut …………………………153 Gambar 4.32 Sketsa berat yang mengenai pipeline ……………………………156 Gambar 4.33 Distribusi momen lentur sepanjang pipa ……………..………….160 Gambar 4.34 pipa yang mengalami tegangan torsi..……………………………161 Gambar 4.35 pipa yang mengalami tegangan hoop maksimal ……………...…164 Gambar 4.36 Pipa yang mengalami tegangan aksial maksimal ……..…………166
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Pipa ……………………………….………………………38 Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida ……………………………..………………………39 Tabel 4.1 Jenis Load case yang digunakan ………………...……………………69 Tabel 4.2 Nilai SYMS pada berbagai material …………………………….……72 Tabel 4.3 Design Factor …………………………………………………………73 Tabel 4.4 Temperatur Derating Faktor…………………………………………...73 Tabel 4.5 Nilai Longitudinal Joint Factor ……………………………………….75 Tabel 4.6 Hasil perhitungan tegangan model 1……………………………………76 Tabel 4.7 Hasil perhitungan tegangan model 2……………………………………76 Tabel 4.8 Hasil perhitungan tegangan model 3……………………………………77 Tabel 4.9 Hasil perhitungan tegangan model 4 …………………………………...77 Tabel 4.10 Hasil perhitungan displacement model 1 …………………………...…80 Tabel 4.11 Hasil perhitungan displacement model 2 ……………………………...81 Tabel 4.12 Hasil perhitungan displacement model 3………………………………81 Tabel 4.13 Hasil perhitungan displacement model 4………………………………82 Tabel 4.14 Hasil perhitungan tegangan model 1…………………………..………84
Tabel 4.15Hasil perhitungan tegangan model 2……………………………...……84 Tabel 4.16Hasil perhitungan tegangan model 3…………………………………...85 Tabel 4.17 Hasil perhitungan tegangan model 4…………………………………..85 Tabel 4.18 Hasil perhitungan displacement model 1………………………………87 Tabel 4.19 Hasil perhitungan displacement model 2………………………………87 Tabel 4.20 Hasil perhitungan displacement model 3………………………………88 Tabel 4.21 Hasil perhitungan displacement model 4 …………………………...…88
Lambang S
F A D P R t
W h
DAFTAR NOTASI
Keterangan Tegangan
Gaya Luas penampang pipa Diameter Pipa Tekanan Jari-Jari Pipa Tebal pipa Massa Jenis Berat Ketinggian
Satuan KPa
N mm2 mm Kpa mm mm kg/cm3 kg m
ABSTRAK
Dalam merancang suatu sistem plant, kita tidak akan terlepas dari sistem perpipaan. Sistem perpipaan berfungsi menghantarkan fluida dari suatu komponen ke komponen lain. Jarak yang di tempuh untuk menghantarkan fluida terkadang sangat jauh sehingga diperlukan perhitungan yang akurat dalam perancangan pipa, seperti jarak antar tumpuan dan jenis tumpuan yang digunakan. Dan sitem perpipaan ini harus dapat menahan beban secara statis dan dinamis, sehingga diperlukan perhitungan baik itu beban yang diakibatkan oleh beban berat pipa, beban berat fluida, angin, gelombang laut, gempa bumi, dan temperatur. Hal itu harus diperhitungkan untuk menghindari terjadinya kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan, sehingga diperlukan yang namanya fleksibelitas pipa.Well Connecting merupakan sumur gas yang berada di tengah laut, sehingga dalam transportasi gas harus melalui permukaan bawah laut, sehingga dalam perancangan pipa harus sesuai dengan ASME B31.8 Ch VIII dan perlu dilakukan analisa tegangan pipa bawah laut (on bottom stabillity). On bottom stabillity menganalisa pengaruh gaya-gaya hidrodinamika air laut terhadap pipa yang berada di dibawah laut.
Kata Kunci : Tegangan Pipa,Well Connecting, On Bottom stabillity
ABSTRACT
In designing a plant system, we will not be separated from the piping system. Delivering fluid piping system function of a component to another component. The distance traveled for delivering fluid sometimes very much so needed an accurate calculation in the design pipeline, such as the distance between the pedestal and pedestal type used. And this piping system must be able to withstand static and dynamic loads, so that the necessary calculation for the load caused by the heavy load of pipe, fluid heavy loads, wind, ocean waves, earthquakes, and temperature. It must be taken into account to avoid failure of the piping system due to excessive voltage, so it requires the name of flexibility pipa.Well Connecting a gas well located in the middle of the sea, so that the gas transport through the surface to be under the sea, so that the design of the pipe shall be in accordance with the ASME B31.8 Ch VIII and needs to be done underwater pipe stress analysis (on bottom stabillity). On the bottom stabillity analyze the effect of hydrodynamic forces on the sea water pipe that is in the sea below.
Keywords: Pipe Stress, Well Connecting, On Bottom stabillity
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1Latar belakang
Dalam suatu industri pada dasarnya menginginkan di dalam tiap proses produksi yang berlangsung, sistem berjalan dengan baik dan sesuai dengan standar yang ditentukan. Proses dalam suatu industri, terutama untuk industri perminyakan tidak terlepas dari penggunaan sistem perpipaan dalam pengolahan proses produksi yang terjadi didalamnya, perencanaan sistem perpipaan yang baik akan mempengaruhi hasil suatu proses yang dilalui.
Pipa umumnya digunakan sebagai sarana untuk menghantarkan fluida baik berupa gas, minyak, air dan fluida lainnya dari suatu tempat ke tempat yang lain. Pada umumnya pipa memiliki standar dalam penggunaan dan pengoperasianya, sehingga dibutuhkan bentuk pengkodean dalam suatu sistem perpipaan yang digunakan, pengkodean itu dilakukan sesuai dengan bentuk keadaan dari sistem perpipaan yang dirancang dalam suatu sistem. Sistem perpipaan ini harus dirancang sedemikian rupa sehingga mampu menahan beban yang terjadi, baik beban statis dan dinamis yang terjadi. Analisa tegangan pada perpipaan adalah teknik yang dilakukan oleh engineer agar sistem perpipaan tanpa tegangan berlebih (over stress) dan pembebanan berlebih (over loading) pada komponen pemipaan dengan komponen yang terhubung.
Kemampuan sistem perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menyebabkan kegagalan disebut fleksibilitas sistem perpipaan. Kegagalan pada sistem perpipaan ini dapat menggangu proses operasi yang berlangsung. Kegagalan pada sistem perpipaan pada umumnya terjadi akibat adanya tegangan yang berlebihan pada pipa yang disebabkan adanya beban maksimum dan terkosentrasi yang tidak diatur dengan sistem penumpu yang baik, tegangan yang berlebihan tersebut dihasilkan karena adanya pembebanan
yang terjadi secara terus menerus dan dapat berubah yang diberikan kepada sistem perpipaan, sehingga dapat merubah sifat dan keadaan pipa tersebut. Maka dalam merancang atau membangun sistem pemipaan yang baik seharusnya dilakukan analisa tegangan terlebih dahulu untuk mengantisipasi dan mengatasi jika terjadi tegangan yang berlebih.
Pada tugas ini akan membahas mengenai perhitungan analisa tegangan sistem perpipaan pada proses sistem pemipaan yang mana mengacu pada code ataupun standar internasional yaitu ASME B31.3 Process Piping, manganalisa gaya dan momen di setiap nozzle sambungan antara pipa dengan equipment seperti tank, filter, pompa dan heat excharger. Proses menganalisa tegangan, gaya dan momen pada sistem pemipaan dibantu oleh program komputer Coade Caesar II 5.10.
1.2 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui letak tegangan maksimum yang terjadi disepanjang pipa pada sistem perpipaan di TOTAL E&P INDONESIA dengan menggunakan software Caesar II 5.10
2. Mendesaian ulang sistem perpipaan apabila didapat tegangan yang berlebih dari batas yang diizinkan dengan cara mengatur letak atau menambah penumpu.
3. Untuk menghitung perbandingan perhitungan antara teoritis dan menggunakan software pada tiap-tiap kondisi tertentu.
1.3 Batasan Masalah Penulis membatasi masalah pada analisa tegangan pada pipa yang sudah
ada dan sudah digunakan, sehingga penulis hanya menganalisa dan mensimulasikan hasil rancangan kemudian memastikan dengan standar. Standar digunakan sebagai validasi dalam penentuan aman atau tidaknya sistem perpipaan
yang dianalisa. Penulis menganalisa tegangan pada sistem pemipaan sesuai dengan ASME B31.1 dan B31.8 Process piping
1.4 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penilitian ini yaitu sebagai berikut:
1. Hasil dari analisa tegangan dapat digunakan sebagai bantuan untuk mengkontrol daerah-daerah kritis pada sistem pemipaan ini.
2. Mengetahui besar nilai-nilai tegangan yang terjadi pada sistem pemipaan 3. Dapat digunakan sebagai panduan dalam menganalisa sistem pemipaan
yang sudah ada dan sistem pemipaan yang masih dalam perencanaan
1.5 Metodologi Penulisan Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah
sebagai berikut : a. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait. b. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan. c. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data yang dibutuhkan untuk analisis dari TOTAL E&P INDONESIA. d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.6 Sistematika Penulisan Tugas akhir ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab
adalah sebagai berikut : Bab I : Pendahuluan Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup penelitian. Bab II : Tinjauan Pustaka
Bab ini berisikan hal-hal yang berhubungan dengan dasar teori analisa tegangan pada pipa dan mekanika kekuatan bahan Bab III : Metodologi Penelitian Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan penelitian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur penelitian. Bab IV : Hasil dan Analisis Penelitian Bab ini membahas tentang hasil dananalisispenelitian yang diperoleh melalui pengambilan data, pembahasan perhitungan, dan penganalisaan dengan memaparkan kedalam bentuk tabel dan grafik. Bab V : Kesimpulan dan Saran Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh. Daftar Pustaka Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan. Lampiran Pada lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari analisis data dalam bentuk tabel dan gambar.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Sistem Perpipaan
Sistem perpipaan berfungsi untuk mengantarkan atau mengalirkan suatu fluida dari tempat yang lebih rendah ke tujuan yang diinginkan dengan bantuan mesin atau pompa.Misalnya pipa yang dipakai untuk memindahkan minyak dari tangki ke mesin, memindahkan minyak pada bantalan-bantalan dan juga mentransfer air untuk keperluan pendinginan mesin ataupun untuk kebutuhan sehari-hari diatas kapal serta masih banyak lagi fungsi lainnya.Sistem perpipaan harus dilaksanakan sepraktis mungkin dengan minimum bengkokan dan sambungan las atau brazing, sedapat mungkin dengan flens atau sambungan yang dapat dilepaskan dan dipisahkan bila perlu.Semua pipa harus dilindungi dari kerusakan mekanis.Sistem perpipaan ini harus ditumpu atau dijepit sedemikian rupa untuk menghindari getaran.Sambungan pipa melalui sekat yang diisolasi harus merupakan sambungan flens yang diijinkan dengan panjang yang cukup tanpa merusak isolasi.
Untuk merancang sistem pipa dengan benar, engineer harus memahami perilaku sistem akibat pembebanan dan regulasi (kode standard design) yang mengatur perancangan sistem pipa. Perilaku sistem pipa ini antara lain digambarkan oleh parameter-parameter fisis, seperti perpindahan, percepatan, tegangan, gaya, momen dan besaran lainnya. Kegiatan engineering untuk memperoleh perilaku sistem pipa ini dikenal sebagai analisa tegangan pipa atau dahulu disebut juga analisa fleksibilitas.
Kode standard desain dikembangkan di negara-negara industri sebagai jawaban dari berbagai kecelakaan/kegagalan pada sistem pipa di pabrik-pabrik yang tidak dirancang dengan aman.Karena itu tujuan utama dari kode standard desain adalah keamanan (“safety”). Pada saat ini ada beberapa buah kode
standard dari komite B31 ini yang sering dipakai sebagai acuan di Indonesia sesuai dengan kebutuhan bidang industry, yaitu :
• ASME/ANSI B31.1 untuk sistem perpipaan di industri pembangkit listrik;
• ASME/ANSI B31.3 untuk sistem perpipaan di industri proses dan petrokimia;
• ASME/ANSI B31.4 untuk sistem pipa transport minyak dan zat cair lainnya;
• ASME/ANSI B31.5 untuk sistem perpipaan pendingin; • ASME/ANSI B31.8 untuk pipa transport gas.
Pemilihan kode yang akan digunakan pada perancangan sistem perpipaan pada prinsipnya tergantung pada pemilik pabrik, ada kemungkinan sebuah sistem pipa dapat dirancang berdasarkan dua buah kode yang berbeda, sebagai contoh Cogeneration Plants pada pabrik penyulingan dapat dirancang berdasarkan kode B31.1 ataupun B31.3. Perbedaan kode yang dipilih antara lain berpengaruh pada usia pabrik. Pabrik yang dirancang berdasarkan kode B31.3 umumnya memiliki usia 20 sampai dengan 30 tahun, sedangkan dengan B31.1 pabrik dapat diharapkan beroperasi sampai umur 40 tahun. Perbedaan ini terletak pada factor keamanan (safety factor) yang berbeda, yaitu kode B31.3 mengunakan faktor keamanan yang lebih rendah (SF=3.1) dibanding B31.1 (SF=4:1).
Ada dua teknik pendekatan yang berbeda dalam merancang sistem pipa, yaitu sistem pipa yang kaku (stiff) dan sistem pipa yang fleksibel.Pendekatan sistem yang fleksibel lebih mudah dimengerti dan dapat dilakukan desain kalkulasi secara manual seperti metode kalkulasi sederhana yang diuraikan diatas. Pendekatan ini menggunakan prinsip semakin fleksibel sebuah struktur semakin rendah tegangan yang akan terjadi. Fleksibelitas dari sistem pipa dapat dibuat dengan beberapa cara, antara lain misalnya dengan menambah expansion loop yang memberikan kebebasan bergerak pada pipa. Metode pendekatan ini hanya ekonomis untuk pipa yang murah harganya, karena
penambahan loop berarti penambahan material pipa dan terutama elbow yang harganya relative mahal.Sistem pipa yang fleksibel tidak membutuhkan tumpuan pipa yang terlalu banyak dan biasanya jenis tumpuannya sederhan dan murah serta tidak menuntut kemampuan engineering yang tinggi.
Jika material pipa yang digunakan mahal dan tidak ada ruang yang cukup untuk membuat loop, maka pendekatan kekakuan (stiffness) menjadi alternatif. Metode pendekatan ini dilakukan dengan membuat sistem pipa lebih kaku dengan menambah pipa restrain, yaitu tumpuan pipa (pipe support), guide, anchor dan lainnya.Metode ini semakin popular penggunannya di offshore platform dimana keterbatasan ruangan merupakan faktor penting, dan juga pada on-shore petrochemical plants, dimana sistem modular diterapkan.Metode ini relative lebih sulit dilakukan jika disbanding dengan metode pipa fleksibel karena disini tegangan yang terjadi dibiarkan cukup besar tetapi tetap terkontrol dan dibatasi.Dengan semakin mudahnya penggunaan piranti lunbak untuk menghitung tegangan pipa (pipping stress analysis software) dalam perancangan pipa maka metode ini semakin sering diterapkan. Dibandingkan dengan sistem pipa fleksibel, sistem pipa kaku lebih aman, yaitu jika terjadi kerusakan (failure) seperti kebocoran kemungkinan besar sistem pipa secara keseluruhan akan tetap utuh karena pipa-pipa dipegang oleh banyak tumpuan pipa (pipe restraint). Selain itu sistem pipa kaku akan lebih menguntungkan untuk menahan beban dinamis seperti getaran motor, beban angina dan beban gempa.
2.2 Teori Dasar Tegangan Pipa
Dalam menerapkan kode standard desain, engineer harus mengerti prinsip dasar dari tegangan pipa dan hal-hal yang berhubungan dengannya.Sebuah pipa dinyatakan rusak jika tegangan dalam yang terjadi pada pipa melebihi tegangan batas material yang “diizinkan”.Dari defenisi sederhana ini ada dua buah istilah yang harus dipahami dengan benar, yaitu tegangan dalam pipa dan tegangan batas yang “diizinkan”.
Tegangan dalam yang terjadi pada pipa disebabkan oleh beban luar seperti berat mati, tekanan dan pemuaian termal, dan bergantung pada geometri pipa serta jenis material pipa.Sedangkan tegangan batas lebih banyak ditentukan oleh jenis material, dan metode produksinya.Kedua besaran ini dibandingkan dengan menerapkan teori kegagalan (failure theory) yang ada.
Dalam membahas kode standard kita harus membedakan pengertian tegangan pipa menjadi dua,yaitu :
1. Tegangan pipa aktual, yaitu tegangan hasil pengukuran secara manual ataupun dengan piranti lunak komputer. Adapun tegangan pipa aktual ini dikelompokkan ke dalam dua kategori, yakni tegangan normal (normal stress) dan tegangan geser (shear stress).
2. Tegangan pipa kode, yaitu tegangan hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan tegangan yang tertera dalam kode standard tertentu.
2.2.1Tegangan Normal
Tegangan normal terdiri dari tiga komponen tegangan, yang masingmasing adalah : tegangan longitudinal (longitudinal stress), tegangan tangensial atau tegangan keliling (circumferential stress atau hoop stress), dan tegangan radial (radial stress).
2.2.1.1 Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress)
Tegangan longitudianal adalah tegangan yang arahnya sejajar dengan sumbu longitudinal (SL) atau tegangan aksial.Nilai tegangan ini dinyatakan positif jika tegangan yang terjadi adalah tegangan tarik dan negatif jika tegangannya berupa tekan (kompresi).Tegangan longitudinal pada sistem pipa disebabkan oleh gaya-gaya aksial, tekanan dalam pipa, dan bending.
1. Tegangan Longitudinal akibat gaya aksial Gaya yang diberikan baik berupa tekan atau tarik terhadap luas penampang pipa, dengan bentuk persamaan ditulis sebagai berikut : ……………….. (2.1) Dimana : = Tegangan Longitudinal akibat gaya aksial (KPa) = Gaya aksial (N) = Luas Penampang Pipa (mm2)
……………….. (2.2)
Dimana : do = diameter luar pipa (mm) di = diameter dalam pipa (mm)
Gambar 2.1 Arah gaya aksial pipa
2. Tegangan longitudinal akibat tekanan pipa (pressure gauge) Tegangan dalam ini dikarenakan fluida yang ada didalam pipa, fluida ini akan memberikan tekanan baik searah dengan panjang pipa dan kesegala arah permukaan pipa.
Gambar 2.2 arah gaya akibat tekanan pipa
Kemudian rumus diatas dapat disederhanakan menjadi : ……………….. (2.3)
Dimana : = tekanan longitudinal akibat beban dalam (KPa) = tekanan dalam akibat fluida (KPa) = luas penampang dalam pipa (mm2) = ketebalan dinding pipa (mm) = ro-ri
3. Tegangan longitudinal akibat momen bending Tegangan yang ditimbulkan oleh momen M yang bekerja diujung- ujung benda.Dalam hal ini tegangan yang terjadi dapat berupa Tensile Bending.
Gambar 2.3 bending momen ……………….. (2.4)
Dimana :
= Tegangan longitudinal akibat momen bending (KPa)
= jarak dari sumbu netral ke titik yang diperhatikan
= momen lendutan pada sebuah penampang pipa
= momen inersia dari penampang pipa
=(
)
Tegangan ini disebut juga tegangan lendutan (bending stress). Tegangan ini terjadi paling besar jika c=Ro yaitu :
……………….. (2.5) Dimana : Ro = radius luar pipa Z = modulus permukaan
=
2.2.1.2 Tegangan tangensial atau tegangan keliling (circumferential stress atau hoop stress) Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa, dan bernilai positif jika tegangan cenderung membelah pipa menjadi dua.
Gambar tegangan tangensial Besar tegangan ini menurut persamaan Lame adalah :
( ) ……………….. (2.6)
Dimana : = radius luar pipa = radius dalam pipa = jarak radius ke titik yang sedang diperhatikan
2.2.1.3 Tegangan Radial (Radial Stress) Tegangan ini arahnya sama dengan sumbu radial, dan tegangan ini berupa tegangan kompresi (negatif) jika ditekan dari dalam pipa akibat tekanan dalam (pressure gauge), dan berupa tegangan tarik (positif) jika didalam pipa terjadi tekanan hampa (vacuum pressure).
( ) ……………….. (2.7)
Dimana : = radius luar pipa = radius dalam pipa = jarak radius ke titik yang sedang diperhatikan
Jika r = ro maka SR = 0 dan jika r =ri maka SR = -P yang artinya tegangan ini nol pada titik dimana tegangan lendutan maksimum, karena itu tegangan ini biasanya diabaikan.
2.2.2 Tegangan geser Tegangan geser terjadi diakibatkan oleh gaya yang bekerja sejajar
dengan permukaan pipa dan karena adanya momen torsi yang terdapat pada pipa, momen torsi ini dapat berupa dua gaya yang bekerja sejajar dengan arah yang berlawanan (momen kopel). Tegangan geser terdiri dari dua komponen tegangan, yang masing-masing adalah : tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) dan tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress).
2.2.2.1 Tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) Tegangan geser akibat gaya geser (shear stress) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Dimana : V = Gaya Geser A = Luas Penampang
……………….. (2.8)
Gambar 2.5 shear stress
Tegangan ini mempunyai nilai minimum di sumbu netral (di sumbu simetris pipa) dan bernilai nol pada titik dimana tegangan lendutan maksimum (yaitu pada permukaan luar dinding pipa).Karena hal ini dan juga karena besarnya tegangan ini biasanya sangat kecil, maka tegangan ini dapat diabaikan.
2.2.2.2 Tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress) Tegangan geser akibat momen puntir (torsional stress) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
……………….. (2.9)
Dimana : = Momen Puntir
J = Momen Inersia Polar
Gambar torsional stress
Tegangan ini terjadi akibat adanya momen yang bekerja pada pipa yang mengakibatkan adanya pergeseran sudut terhadap sumbu pipa, momen yang bekerja dapat berupa momen ataupun gaya yang mengakibatkan terjadinya puntiran.
2.2.3 Tegangan Kode Tegangan kode diturunkan dari teori dasar tegangan dan teori
kegagalan dengan memperhatikan hasil penelitian serta percobaan bertahun-tahun.Tegangan kode memberika standard kriteria kegagalan untuk perancangan sistem pipa. Ada dua kriteria kegagalan yang berbeda, yaitu :
a. Kegagalan katastrofis yang disebabkan oleh beban primer b. Kegagalan metal lelah yang disebabkan oleh beban sekunder
Karakteristik beban primer adalah : • beban primer biasanya disebabkan oleh gaya (force), seperti tekanan, gaya berat (bobot mati), gaya spring, gaya dari relief valve dan fluid hammer.
• beban primer tidak bersifat membatas diri sendiri (selflimiting), maksudnya, setelah deformasi plastis terjadi, selama
beban itu bekerja maka deformasi akan berlanjut terus sampai kesetimbangan gaya tercapai atau terjadinya patah/kerusakan.
• beban primer sifatnya tidak berulang (kecuali beban karena pulsasi dan variasi tekanan, yang selain dikategorikan beban primer, juga merupakan beban sekunder)
• batas tegangan yang diizinkan untuk tegangan primer didapat melalui teori kegagalan seperti teori von mises, tresca dan rankine berdasarkan tegangan leleh ( ), tegangan patah ( ), atau tegangan rupture (creep).
• kegagalan dapat terjadi oleh satu beban tunggal yang menimbulkan deformasi plastis total menyeluruh atau patah.
Karakteristik beban sekunder adalah :
• beban sekunder biasanya disebabkan oleh perpindahan (displacement), seperti ekspansi termal, getaran, perpindahan anchor dan settlement.
• beban sekunder selalu bersifat membatas diri sendiri (selflimiting), maksudnya, stelah deformasi plastis terjadi, deformasi tidak berlanjut terus karena tegangan berkurang dengan sendirinya dn cenderung menghilang.
•beban sekunder sifatnya berulang (kecuali settlement)
• batas tegangan yang diizinkan untuk tegangan sekunder didapat berdasarkan jumlah siklus beban dari kegagalan kelelahan metal (kurva metal lelah).
• Kegagalan tidak dapat terjadi oleh satu beban tunggal, tetapi kerusakan yang katastrofis dapat terjadi setelah sejumlah beban berulang bekerja pada sistem pipa. Oleh karena itu
wa;aupun sebuah sistem pipa telah dengan sukses beroperasi bertahun-tahun, ini tidak menjamin perancangan pipa yang baik dipandang dari kacamata beban sekunder.
2.2.3.1 Tegangan kode ASME/ASMI B31.3 1. Tegangan karena Beban Tetap (Sustained Load) Tegangan karena beban tetap pada pipa disebabkan oleh bobot berat dan tekanan,dimana dapat dirumuskan sebagai berikut :
√ ……………….. (2.10)
Dimana : = gaya aksial karena beban tetap (lb) = momen lendutan dalam bidang (in-plane) karena beban tetap
(in-lb) = momen lendutan luar bidang (in-plane) karena beban tetap
(in-lb) = faktor intensifikasi (SIF) in-plane = faktor intensifikasi (SIF) out-plane = tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut Appendiks A dari ASME/ANSI B31.3 Code
2. Tegangan karena beban ekspansi (Expansion Load) Tegangan karena beban ekspansi pada pipa disebabkan oleh perbedaan temperature (beban ekspansi termal), dimana dapat dirumuskan sebagai berikut :
√
.….. (2.11)
Dimana :
Ml = perbedaan momen lendutan dalam bidang (in-plane) karena beban ekspansi (in-lb)
Mo = perbedaan momen lendutan luar bidang (in-plane) karena beban ekspansi (in-lb)
MT = perbedaan momen puntir karena beban ekspansi (in-lb) Sc = tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut
Appendiks A dari ASME/ANSI B31.3 Code pada temperature rendah (dingin)
Sh = tegangan dasar yang diizinkan oleh material menurut Appendiks A dari ASME/ANSI B31.3 Code pada temperature tinggi (panas)
f = faktor reduksi dengan mempertimbangkan kelelahan material (beban dinamis yang berulang)
3. Tegangan karena beban okasional (Occasional Load) Tegangan karena beban okasional pada pipa disebabkan oleh beban perpindahan tumpuan, anchor misalnya karena gempa bumi dan sebagainya, dimana dapat dirumuskan sebagai berikut :
SL+Socc ≤ 1,33 Sh ……………….. (2.12) Dimana :
Socc= tegangan karena beban okasional
2.2.3.2 Tegangan kode ASME B31.8 Chapter VIII Pada ASME B31.8 Chapter VIII, desain pipa dibagi menjadi 2 lokasi, yaitu : a. pipa yang berada dilaut (pipeline) b. pipa yang berada di platform dan riser. Pipa riser adalah pipa berukuran besar yang digunakan pada operasi laut lepas/laut dalam yang berfungsi untuk mengalirkan fluida dari dasar laut ke permukaan. Yang membedakan antara pipa riser dengan pipa produksi/ tubing yang lazim digunakan pada operasi produksi migas adalah pipa riser didesain spesifik untuk proses produksi di air (dalam hal ini operasi laut lepas) sehingga ukuran dan spesifikasinya telah disesuaikan dengan kondisi air laut dan berbagai faktor yang berpengaruh di dalamnya, misalnya arus dan temperature air laut.
Tabel 2.1 faktor desain ASME B.318 berdasarkan lokasi pipa
1. Tekanan Hoop (Hoop Stress) Tekanan Hoop (Hoop Stress) merupakan reaksi dari material pipa, akibat dari tekanan internal, yang secara statis dapat ditentukan besarannya. Sehingga tegangan yang tejadi tidak akan melampaui tegangan plastik pipa yang dapat menyebabkan kegagalan pipa. Tekanan hoop dapat dirumuskan dengan : ……………….. (2.13) ……………….. (2.14)
Dimana :
D = Diameter luar pipa
= Faktor desain hoop stress berdasarkan lokasi pipa. Dapat dilihat pada tabel 2.1
= Tekanan internal
= Tekanan eksternal
S= Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material. Misalnya pipa jenis API 5L X 52 di mana yield strengthnya (SMYS) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah < 52000 psi sedangkan plastisnya > 52000 psi. Dapat dilihat pada tabel 2.2
= Hoop stress
T = Faktor batas temperatur (Temperature de-rating Factor). Dapat dilihat pada tabel 2.3
t = tebal pipa (wall thickness)
Tabel 2.2 Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material
Tabel 2.3 Faktor batas temperatur (Temperature de-rating Factor)
2. Longitudinal Stres Tegangan longitudinal merupakan tegangan yang searah dengan panjang pipa. Ada beberapa penyebab terjadinya longitudinal stress yaitu Axial force, Internal pressure dan bending moment. Besarnya longitudinal stress adalah total dari tegangan akibat gaya aksial, tekanan dalam dan momen bending. Tekanan longitudinal dapat dirumuskan dengan : | | ……………….. (2.15)
……………….. (2.16)
[ ] ……………….. (2.17)
……………….. (2.18)
……………….. (2.19)
Dimana : A = Luas penampang pipa
gaya aksial = Faktor desain longitudinal stress berdasarkan lokasi pipa.
Dapat dilihat pada tabel 2.1 = Momen bending internal = Momen bending eksternal S= Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material. Misalnya pipa jenis API 5L X 52 di mana yield strengthnya (SMYS) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah < 52000 psi sedangkan plastisnya > 52000 psi. Dapat dilihat pada tabel 2.2 = Tegangan longitudinal maksimum = Tegangan aksial maksimum
= Tegangan bending maksimum = SIF (Stress Intensification Factors) bagian dalam. SIF
adalah faktor tegangan untuk pipa bengkok dan pipa bercabang. Dapat dilihat pada tabel 2.4 = SIF (Stress Intensification Factors) bagian luar. Dapat dilihat pada tabel 2.4 z = section modulus
I = Momen inersia Ro = jari-jari terluar pipa 3. Kombinasi Tegangan a Kombinasi tegangan berdasarkan Teori Kegagalan Tresca
Teori ini menyebutkan bahwa, Kegagalan pada material akan terjadi, apabila tegangan geser maksimum pada material tersebut sama dengan tegangan geser maksimum pada kondisi yield(terjadi deformasi plastis) dalam test beban tarik unaksial.
[ ] ……………….. (2.20)
……………….. (2.21)
Dimana : A = Luas penampang pipa
gaya aksial = Faktor desain kombinasi tegangan berdasarkan lokasi
pipa. Dapat dilihat pada tabel 2.1 = Momen bending internal = Momen bending eksternal = Momen torsi S= Specified Minimum Yield Strength (SMYS) atau nilai batas luluh suatu material. Misalnya pipa jenis API 5L X 52 di mana yield strengthnya (SMYS) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah
< 52000 psi sedangkan plastisnya > 52000 psi. Dapat dilihat pada tabel 2.2
= Tegangan longitudinal maksimum
= Tegangan hoop
= Tegangan torsional
= SIF (Stress Intensification Factors) bagian dalam. SIF adalah faktor tegangan untuk pipa bengkok dan pipa bercabang. Dapat dilihat pada tabel 2.4
= SIF (Stress Intensification Factors) bagian luar. Dapat dilihat pada tabel 2.4
Tabel 2.4 Stress Intensification Factor
2.3 Desain Pipa dan Komponen Pipa
Sebelumnya sudah dibahas bahwa ada dua jenis beban yang harus diperhatikan dalam analisa tegangan pipa (pipe stress analysis). Jenis beban pertama adalah beban primer, yaitu beban yang disebabkan oleh gaya mekanikal dan menyebabkan kegagalan yang bersifat katastrofis. Yang kedua
adalah jenis beban sekunder, yaitu beban yang dipicunya tidak oleh gaya secara langsung melainkan oleh perpindahan atau deformasi pada sistem. Beban sekunder menyebabkan kegagalan fatique yang efeknya terjadi setelah beban sekunder berulang kali diterima sistem pipa. Selain perbedaan penyebab dan beda sifat kegagalan yang diakibatkan, dua jenis beban inipun menuntut solusi perancangan pipa yang berbeda dan tidak jarang pula berlawanan karakternya.
2.3.1 Desain Komponen Pipa Berdasarkan Tekanan Tekanan dalam pipa termasuk beban primer.Gaya tekan dalam sistem pipa
secara umum menentuka ketebalan dari komponen pipa. Selain itu kita juga harus mengetahui berapa tekanan kerja yang diijinkan, karena apabila tekanan yang terlalu berlebihan maka akan menyebabkan kebocoran pipa.
2.3.1.1 Tebal minimum dinding pipa lurus Penentuan tebal pipa dilakukam jauh sebelum kegiatan analisa tegangan pipa, yaitu tepatnya dikerjakan oleh engineer pemipaan ketika mendefenisikan spesifikasi kelas pipa. Semua kode pipa mensyaratkan tebal minimum pipa terdiri dari komponen tebal pipa yang diharuskan karena gaya tekan ditambah komponen tebal pipa untuk memperhatikan kemungkinan korosi (corrosion allowance), erosi, toleransi manufaktur (mill tolerance), kedalaman ulir dan sebagainya seperti rumus berikut :
………………