ANALISA TEGANGAN STATIK SISTEM PERPIPAAN PADA TANGKI MINYAK (OIL TANK) DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CAESAR II v.5.10
ANALISA TEGANGAN STATIK SISTEM PERPIPAAN PADA TANGKI MINYAK
(OIL TANK) DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CAESAR II v.5.10 SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
M. FADHILLAH PUTRA NIM. 070401094 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
ABSTRAK
Dalam merancang suatu sistem plant, kita tidak akan terlepas dari sistem perpipaan. Sistem perpipaan berfungsi sebagai media untuk mengalirkan suatu fluida kerja dari suatu system komponen ke komponen lainya. Sistem perpipaan ini harus mampu menahan semua beban yang bekerja,yaitu beban yang besarnya tetap sepanjang waktu (beban statik) maupun beban yang berubah-ubah menurut fungsi waktu (beban dinamik). Kemampuan system perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menimbulkan kegagalan dikenal sebagai fleksibilitas system perpipaan. Kegagalan pada system perpipaan ini dapat mengganggu system perpipaan perlu dilakukan untuk memastikan bahwa system perpipaan pada kondisi aman saat di operasikan. Sistem perpipaan harus mempunyai fleksibilitas yang cukup, agar pada saat terjadi ekspansi termal dan kontraksi, pergerakan dari penyangga dan titik persambungan pada system perpipaan tidak akan menyababkan Kegagalan system perpipaan akibat tegangan yang berlebihan (overstress), Kebocoran pada sambungan, Beban nozzle yang berlebihan (overload ) pada equipment (contohnya : pompa dan turbin ) yang dihasilkan akibat gaya dan momen pada system perpipaan selama di operasikan.
Kata kunci : Tegangan Statik, Tegangan Dinamik, Sistem Perpipaan
ABSTRACT
In designing a plant system, we will not be released from the piping system.Pipingsystem serves as a medium for a working fluid flowing from one system component toother components. This piping system must be able to withstand all loads that work, namely the magnitude of the burden remains at all times (static load) and load that varies according to the function of time (dynamic load). Piping system's ability to withstand the work load so as not to cause the failure known as the flexibility of the piping system. Failure in the piping system may interfere with the piping system needs to be done to ensure that the piping system in a safe condition when operated. Piping system must have sufficient flexibility, so that in the event of thermal expansion and contraction, movement of the brace and the junction point in the piping system will not cause piping system failure due to excessive stress (overstress), leakage at the connection, excessive nozzle load (overload ) on the equipment (eg: pumps and turbines) is generated due to a force and moment on the piping system during therunning.
Keywords: Static stress, Dynamic stress, Piping Systems.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul
“ANALISA TEGANGAN STATIK SISTEM PERPIPAAN PADA TANGKI
MINYAK (OIL TANK) DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE CAESAR II v.5.10”.Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Proses Produksi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, do’a, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada : 1.
Bapak Ir. Tugiman, MT selaku Dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Kedua orang tua penulis, Ir. Irwan Amin dan Yulia Fatimah serta adik- adik penulis, yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
6. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2007 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
7. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Amin anjelo ,Alfis iler, dan Asari gacok yang telah memberi semangat.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.
Medan, April 2012 M. FADHILLAH PUTRA
DAFTAR ISI
ABSTRAK ........................................................................................................i KATA PENGANTAR ......................................................................................iii DAFTAR ISI ....................................................................................................v DAFTAR GAMBAR.........................................................................................viii DAFTAR TABEL ............................................................................................x DAFTAR NOTASI...........................................................................................xiBAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang .................................................................................1
1.2 TujuanPenelitian ...............................................................................2
1.3 BatasanMasalah ................................................................................3
1.4 SistematikaPenulisan ........................................................................3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Perpipaan ............................................................................5
2.2 Teori Tegangan ..............................................................................6
2.2.1Tegangan Satu Arah ..............................................................6
2.2.1.1Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Unaxial ..........................13
2.2.2 Tegangan Dua Arah (Biaxial)..................................................16
2.2.2.1 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Biaxial ..........................20
2.2.3 Tegangan Utama (Principal Stress).......................................23
2.3 Sistem Penumpu .............................................................................29
2.3.1 Momen Lentur (Bending Momen) ........................................29
2.3.2 Gaya Geser ...........................................................................29
2.3.3 Gaya dan Momen Pada Tumpuan .........................................30
2.4 KlasifikasiTegangan .......................................................................35
2.4.1Tegangan Longitudunal (Longitudinal Stress) ........................35
2.4.1.1Tegangan Aksial .................................................................36
2.4.1.2 Tegangan Lentur (Bending Stress) .....................................37
2.4.2 Tegangan Geser ....................................................................38
2.4.2.1 Tegangan Geser Akibat Gaya Geser ...................................38
2.4.2.2 Tegangan Geser Akibat Momen Puntir ..............................39
2.4.3 Tegangan Torsi .....................................................................39
2.4.3.1 Momen Inersia (Polar) ......................................................40
2.4.3.2 Regangan Geser .................................................................40
2.5 Persamaan Tegangan Pada Sistem Pemipaan ..................................41
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Pendahuluan .................................................................................43
3.2 Studi Kasus ..................................................................................43
3.2.1 Spesifikasi Pipa ..................................................................43
3.2.2 Spesifikasi Fluida ...............................................................44
3.4 Urutan Proses Analisis ................................................................46
3.4.1 Pembuatan Data Awal .......................................................46
3.4.2 Studi Literatur ....................................................................46
3.4.3 Metode Pengerjaan ............................................................46
3.4.3.1 Pemodelan Sistem Pemipaan ...........................................46
3.4.3.2 Mengecek Error Pada Pemodelan ...................................47
3.4.3.3 Pemodelan Tumpuan .......................................................47
3.4.3.4 Analisis Nilai Kekakuan Tumpuan ..................................47
3.4.3.5 Analisis Besarnya Tegangan Pipa ....................................47
3.4.4 Pembahasan ........................................................................48
3.5 Identifikasi Masalah .....................................................................51
3.5.1 Kondisi Pipa Mendatar .......................................................52
3.5.2 Kondisi Pipa Tegak (Vertikal) ............................................58
3.6 Pengenalan Software ....................................................................59
3.6.1 Penggunaan CAESAR II dan Prosedur Simulasi……….…61
3.6.1.1 Memasukkan Data Input Pipa ..........................…………62
3.6.1.2 Memeriksa Pemodelan .....................................……….…64
3.6.1.3 Analisis Statik ...................................................……….…65
BAB IV ANALISA, HASIL SIMULASI DAN DISKUSI
4.2 Perhitungan Pembebanan Pipa ......................................… 84
4.2.1 Pembebanan Pada Pipa .......................................................84
4.2.2 Pembebanan Oleh Fluida (Air) ..........................................85
4.3 Validasi Perhitungan Teoritis dengan Menggunakan Software CAESAR II v.5.10 ....................................................................86
4.3.1 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Tegak.................87
4.3.1.1 Perhitungan Tegangan Pipa Menggunakan Software Pada Pipa Tegak .................................................................87
4.3.1.2 Perhitungan Tegangan dengan Menggunakan Teori .........89
4.3.2 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Mendatar ..........91
4.3.2.1 Perhitungan Dengan Menggunakan Software ( Kondisi di Anchor) ........................................................................91
4.3.2.2 Perhitungan Tegangan Menggunakan Teori (Kondisi di
Anchor )............................................................................ 92
4.3.3 Validasi Perhitungan Tegangan Pada Pipa Mendatar (Tumpuan)……………………………………….......... 95
4.3.3.1 Perhitungan Tegangan Dengan Menggunakan Software (Kondisi di Tumpu)……………………………………..95
4.3.3.2 Perhitungan Tegangan dengan Menggunakan Teori …96
4.4 Tabulasi Hasil Simulasi dan Perhitungan Teoritis ..................... 99
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.2 Saran ............................................................................................. 100
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Distribusi Tegangan Uniaxial ………………………………… 7Gambar 2.2 Distribusi Tegangan Uniaxial ………………………………… 7Gambar 2.3 Distribusi Tegangan Uniaxial setelah dipotong ………….… 8Gambar 2.4 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Uniaxial …………………. 15 Gambar.2.5 Tegangan pada sebuah batang ................................................. 16Gambar 2.6 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Biaxial …………..……. 22 Gambar.2.7 Tegangan umum yang terjadi .................................................. 23Gambar 2.8 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Utama ………………… 28Gambar 2.9 Free Body Diagram kesetimbangan gaya dan momen ……… 30Gambar 2.10 Diagram gaya geser dan momen lentur ……………..……... 34Gambar 2.11 Tegangan Aksial………………………………………… 36
Gambar 2.12 Bending Momen ………………………………………… 37Gambar 2.13 Distribusi Tegangan Geser ………………………………… 40Gambar 2.14 Regangan Geser ………………………………………… 41Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ………………………………………… 45Gambar 3.2 Diagram Alir Simulasi ………………………………………… 50Gambar 3.3 Kondisi Pipa Mendatar ………………………………………… 51Gambar 3.4 Kondisi Pipa Tegak Dianchor ………………………………… 53Gambar 3.5 Diagram Benda bebas ………………………………………… 53Gambar 3.6 Potongan Diagram Benda Bebas untuk 0 ………… 54≤ x ≤ 2 Gambar 3.7 Diagram momen dan gaya geser ………………………… 56
Gambar 3.8 Kondisi Pipa Tegak ………………………………………… 58Gambar 3.9 Penampang Pipa………………………………………… 59
Gambar 3.10 Tampilan Awal CAESAR II ………………………………… 62Gambar 3.11 Data satuan yang digunakan dalam pemodelan ………… 62Gambar 3.12 Piping input pada CAESAR II ………………………… 63Gambar 3.13 Input panjang awal potongan ………………………………… 63Gambar 3.14 Input properties pipa ………………………………………… 64Gambar 3.15 Error dan warning pada pengecekan bila terjadi kesalaha…... 65Gambar 3.16 Error dan warning bila tidak ada kesalahan pada pemodela… 65Gambar 3.17 Pemilihan jenis beban pada pemodelan ………………… 66Gambar 4.1 Bentuk isometrik system perpipaan Oil Tank ………………… 68Gambar 4.2 Kotak Penulisan Nama Kalkulasi pada awal dimulainya prosespemasukan data ………………………………………… 69
Gambar 4.3 Kotak Standar Satuan yang digunakan di CAESAR II ………… 69Gambar 4.4 Kotak Penulisan Node Pertama ………………………… 70Gambar 4.5 Kotak Penulisan Data Pipa, Temperatur dan Tekanan ………… 70Gambar 4.6 Pemodelan Pipa Lurus beserta Data Sifat atau Karakteristik MaterialPipa ………………………………………………………… 71
Gambar 4.7 Kotak Penulisan Data Code yang digunakan ………………… 72Gambar 4.8 Pemodelan Anchor………………………………………… 72
Gambar 4.9 Pemodelan flange dan ukuran flange pada DZ ………… 73Gambar 4.10 Pemodelan Gate Valve ………………………………… 73Gambar 4.11 Pemodelan pembuatan elbow ………………………… 74Gambar 4.12 Kotak pembuatan support ………………………………… 75Gambar 4.13 Model yang ditampilkan hasil input data di CAESAR II…... 76Gambar 4.14 Icon Error Checking pada Menu Bar ………………………… 77Gambar 4.15 Hasil Output Error Checking ………………………………… 77Gambar 4.16 Pemilihan Analisa Untuk Beban Sustain ………………… 78Gambar 4.17 Kondisi pipa tegak yang di tumpu ………………………… 87Gambar 4.18 Kondisi pipa tegak………………………………………… 89
Gambar.4.19 Pipa mendatar yang dengan kondisi di anchor…..…………… 91
Gambar 4.20 Kondisi pipa tegak………………………………… 93
Gambar.4.21 Kondisi pipa yang diberi tumpuan ………………………… 95
Gambar 4.22 Pipa dengan kondisi ditumpu ………………………… 98
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Pipa………………………………………………… 43
Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida ………………………………………………… 44Tabel 4.1 Hasil simulasi tegangan pipa vertical………………………… 83
Tabel 4.2 Hasil simulasi tegangan pipa mendatar ( anchor ) ………… 87Tabel 4.3 Hasil simulasi tegangan pipa mendatar ( penumpu ………… 91Tabel 4.4 Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Teoriti..……… 94
DAFTAR NOTASI
Simbol Arti SatuanP Beban kgf D Diameter cm Do Diameter Luar cm Di Diameter Dalam cm C Diameter Terluar Pipa cm
Tegangan MPa σ
Regangan % ε E Modulus Elastisitas MPa Lf Panjang Akhir cm Lo Panjang Awal cm
Pertambahan Panjang cm ∆L
2 A Luas Penampang cm