TUGAS AKHIR ZELVIA MANGGALASARI Dosen Pembimbing I : Dr. Melania Suweni Muntini Dosen Pembimbing II : Drs.

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR ZELVIA MANGGALASARI Dosen Pembimbing I : Dr. Melania Suweni Muntini Dosen Pembimbing II : Drs. Achmad Chamsudi JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2

3 RUMUSAN MASALAH bagaimana model sistem perpipaan yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm TUJUAN PENELITIAN mendapatkan model sistem perpipaan yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm BATASAN MASALAH Pipa yang dianalisa adalah jalur compressor menuju cooler. Pipa sesuai dengan ASME B31.3. Analisa vibrasi pada sistem perpipaan yang dihubungkan pada compressor sesuai dengan Vendor, dan analisa beban compressor dengan menggunakan NEMA-SM 23 dengan faktor dari vendor sebesar 5,55. Pemilihan material pipa, komponen sistem perpipaan, nilai temperatur dan tekanan telah ditentukan oleh PT. Rekayasa Industri dan Vendor. MANFAAT PENELITIAN mendapatkan model yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm sehingga diperoleh sistem perpipaan yang aman saat dioperasikan.

4

5

6 Gaya atau gaya per satuan luas yang terjadi pada pipa. Adanya tegangan yang berlebihan dapat menyebabkan pipa retak bahkan patah

7 Batasan yang digunakan menggunakan code ASME B31.3 Pada beban sustain, Pada beban expantion,

8 nilai stress limit displacement yang dirumuskan secara matematis sebagai berikut:

9 Beban (gaya dan momen) yang diperkenankan untuk nozzle individual dengan persamaan berikut : Dengan, nilai D ditentukan sebagai berikut:, untuk diameter nominal ( ) 8, untuk diameter nominal ( ) 8

10 analisa juga dilakukan dengan menentukan beban (gaya dan momen) yang diijinkan untuk kombinasi nozzle

11 Apabila dalam suatu keadaan tertentu terdapat batasan dari Vendor yang berbeda dengan NEMA SM 23, maka analisa dan perhitungan yang akan dilakukan harus menyesuaikan dengan batasan yang ditentukan oleh Vendor.

12 vibrasi merupakan sebuah gerakan periodik. Gerakan periodik disebut juga sebagai gerakan harmonik. Vibrasi pada sistem perpipaan dapat terjadi akibat beberapa hal, dalam penelitian ini, vibrasi yang terjadi pada sistem perpipaan adalah vibrasi akibat eksitasi kompressor.

13 Frekuensi natural didefinisikan sebagai nilai dari vibrasi putaran per waktu. Setiap benda memiliki nilai frekuensi naturalnya masing-masing

14 Untuk mengetahui nilai ampitudo yang terjadi digunakan rumus empiris dari code API 617 sebagai berikut: Sistem perpipaan yang dihubungkan dengan compressor dikatakan aman ketika atau

15 A MULAI MEMBACA GAMBAR ISOMETRIK ANALISA VIBRASI SISTEM PERPIPAAN B PEMODELAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CAESAR II 5.20 B TIDAK Amplitudo < 45,7 µm TIDAK ANALISA TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN NOZZLE COOLER Analisa sesuai batasan ASME B31.3 dan Vendor YA ANALISA BEBAN NOZZLE COMPRESSOR (NEMA SM 23) TIDAK YA CEK TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN BEBAN COMPRESSOR (NEMA SM 23) Analisa sesuai ASME B31.3 & Nema SM 23 YA TIDAK Analisa sesuai Nema SM 23 SISTEM PERPIPAAN YANG DIHUBUNGKAN DENGAN COMPRESSOR BERAMPLITUDO MAKSIMUM 45.7 µm A YA SELESAI

16 DATA SISTEM PERPIPAAN Tabel Data Jalur Sistem Perpipaan No. Jalur Pipa Material Pipa Kondisi Sistem Perpipaan Temperatur ( o F) Desain Operasi Tekanan Desain (Psig) Fluid Density Suction Compressor A Discharge A Compressor Outlet Cooler A DATA PADA TABEL DIINPUTKAN PADA PEMODELAN PERANGKAT LUNAK CAESAR II 5.20

17 MODEL SISTEM PERPIPAAN DALAM DESAIN PABRIK DIPEROLEH PEMODELAN CAESAR II 5.20

18 ANALISA MODEL PIPA BAGAIMANA NILAI TEGANGAN?? Tabel nilai tegangan sistem perpipaan Model A Case Stress (Kg/cm 2 ) Allowable stress (Kg/cm 2 ) Persentase (%) HYD SUS EXP SISTEM PERPIPAAN TIDAK MENGALAMI OVERSTRESS

19 NILAI GAYA DAN MOMEN SISTEM PERPIPAAN GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI HYDROTES Fx (kg. gaya) 0 Fy (kg. gaya) Fz (kg. gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m) GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI OPERATING Fx (kg.gaya) Fy (kg.gaya) Fz (kg.gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m) GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI SUSTAIN Fx (kg.gaya) Fy (kg.gaya) Fz (kg.gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m) -4000

20 BEBAN NOZZLE COOLER??? Analisa cooler dilakukan secara static dengan membandingkan nilai gaya dan momen yang terjadi pada pipa dengan batasan dari Vendor. Tabel Batasan Gaya dan Momen Outlet dan Inlet Cooler Cooler Fx (Kg) Fy (Kg) Fz (Kg) Mx (Kg.M) My (Kg.M) Mz (Kg.M) Inlet & Outlet

21 Nilai gaya dan momen aktual pada inlet dan outlet cooler pada Model A Node Case Fx Fy Fz Mx My Mz 80 OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS Pada Node 80 dan 480, nilai Momen pada sumbu-x yang terjadi pada sistem perpipaan melebihi batasan dari Vendor, maka perlu dilakukan modefikasi model pipa menjadi model B.

22 Nilai gaya dan momen pada inlet dan outlet cooler pada Model B. Node Case Fx Fy Fz Mx My Mz 80 OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS OPE SUS Diperoleh sistem perpipaan Model B yang telah sesuai dengan batasan nilai cooler dari Vendor.

23 Pipa dibatasi dengan anchor sehingga pipa bersifat rigid. BEBAN NOZZLE COMPRESSOR??? Anchor Model pipa yang dibatasi anchor (Model C) Discharge Compressor Suction Compressor

24 Hasil analisa beban nozzle model C berdasarkan NEMA SM 23 sebagai berikut: Description: COMPRESSOR INPUT DATA: Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55 Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED) (in.) (in.) DISCHARGE SUCTION Nozzle Distance from Resolution Point Loads (mm.) ( Kg & Kg.M ) DISCHARGE 1030 DX= FX= DY= FY= 3731 DZ= FZ= 0 MX= 0 MY= 0 MZ= SUCTION 1070 DX= FX= DY= FY= -398 DZ= FZ= 1204 MX= -64 MY= MZ= -69

25 OUTPUT DATA: Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical Local Z axis = Right angle to Shaft CL Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units. Nozzle Distance From Resolution Point X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) DISCHARGE SUCTION Discharge? *FAILED* Individual Nozzle Calculations Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH) DISCHARGE 1030 FX= 0 3F + M <2775*D(used) FY= 3731 FZ= F + M = Fr= F = *D(used) = MX= MY= 0 % of ALLOW. = MZ= 0 Mr= 6339 M = **FAILED** Moments due to "Force Resolution" MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= Kg.M MY= 0 Kg.M MZ= 0 Kg.M

26 Suction? *FAILED* Overall? *FAILED* SUCTION 1070 FX= F + M <2775*D(used) FY= -398 FZ= F + M = Fr= 7446 F = *D(used) = MX= -69 MY= % of ALLOW. = MZ= 64 Mr= 4358 M = **FAILED** Moments due to "Force Resolution" MX= -687 MY= 445 MZ= 137 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -756 Kg.M MY= Kg.M MZ= 201 Kg.M Summation Calculations Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = (in.) Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) SFX = *DC = SFY = *DC = SFZ = *DC = **FAILED** FC(RSLT) = SMX = *DC = **FAILED** SMY = *DC = **FAILED** SMZ = *DC = MC(RSLT) = FC + MC = *DC = **FAILED** Overall Status **FAILED**

27 modifikasi Model pipa yang sesuai dengan batasn 5.55 NEMA SM 23 yaitu diperoleh Model D Bagaimana Hasil Analisa Beban Nozzle Compressor?

28 Description: COMPRESSOR INPUT DATA: Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55 Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED) (in.) (in.) DISCHARGE SUCTION Nozzle Distance from Resolution Point Loads (mm.) ( Kg & Kg.M ) DISCHARGE 1030 DX= FX= 3877 DY= FY= -904 DZ= FZ= -185 MX= 173 MY= -89 MZ= 313 SUCTION 1070 DX= FX= DY= FY= -78 DZ= FZ= -33 MX= 215 MY= 14 MZ= 66

29 OUTPUT DATA: Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical Local Z axis = Right angle to Shaft CL Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units. Nozzle Distance From Resolution Point X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) DISCHARGE SUCTION Discharge? % Individual Nozzle Calculations Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH) DISCHARGE 1030 FX= F + M <2775*D(used) FY= -904 FZ= F + M = Fr= 3985 F = *D(used) = MX= 313 MY= -89 % of ALLOW. = MZ= -173 Mr= 369 M = 2666 Moments due to "Force Resolution" MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= 313 Kg.M MY= -89 Kg.M MZ= -173 Kg.M

30 Suction? % Overall? % SUCTION 1070 FX= -33 3F + M <2775*D(used) FY= -78 FZ= F + M = Fr= 3733 F = *D(used) = MX= 66 MY= 14 % of ALLOW. = MZ= -215 Mr= 225 M = 1630 Moments due to "Force Resolution" MX= -135 MY= 1341 MZ= 27 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -69 Kg.M MY= 1355 Kg.M MZ= -188 Kg.M Summation Calculations Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = (in.) Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) SFX = *DC = SFY = *DC = SFZ = *DC = FC(RSLT) = SMX = *DC = SMY = *DC = SMZ = *DC = MC(RSLT) = FC + MC = *DC = Overall Status **PASSED**

31 Analisa vibrasi dilakukan dengan menggunakan persamaan dari manufaktur Vendor yaitu: ANALISA VIBRASI SISTEM PERPIPAAN??? Dengan, A = Amplitudo N = Frekuensi (dalam rpm) Sehingga nilai amplitudo yang terjadi pada pipa harus lebih kecil dari 45.7 µm. Atau nilai frekuensi natural pada pipa harus lebih besar dari frekuensi natural pada compressor yaitu rpm atau Hz

32 Pada pipa model D yang telah memenuhi batasan 5.55 standard NEMA SM 23 nilai vibrasi yang terjadi sebagai berikut: Nilai Frekuensi Natural dan Amplitudo yang terjadi pada Model D Mode Frekuensi Frekuensi Periode Amplitudo (Hz) (Rad/s) (s) Frekuensi Mode Hz Hz Amplitudo Mode µm 45.7 µm PIPA MENGALAMI VIBRASI!!!

33 modifikasi model pipa terdapat pada Model E ditampilkan sebagai berikut:

34 Nilai frekuensi naturan dan amplitudo yang terjadi pada sistem perpipaan disajikan dalam tabel berikut: Nilai frekuensi natural dan amplitudo pada model E Mode Frekuensi (Hz) Frekuensi (Rad/s) Periode (s) Amplitudo Frekuensi Mode Hz > Hz Amplitudo Mode µm < 45.7 µm PIPA TIDAK MENGALAMI VIBRASI AKIBAT PERGERAKAN COMPRESSOR

35 Model E telah memenuhi batasan amplitudo dan frekuensi natural sehingga sistem perpipaan tidak mengalami vibrasi akibat pergerakan compressor. Maka Model pipa A berubah menjadi Model F seperti pada gambar berikut : DESAIN PIPA DALAM PABRIK

36 KESIMPULAN Nilai tegangan sistem perpipaan berada di dalam batasan yang diijinkan dengan persentase tegangan hydrotes sebesar 57.9%, tegangan pada kondisi sustain sebesar 51.1%, tegangan pada kondisi expantion sebesar 24.1%. Gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan jalur cooler telah memenuhi batasan yang telah ditentukan oleh Vendor. Dari hasil analisa beban nozzle compressor yang telah dilakukan diperoleh bahwa sistem perpipaan tidak mengalami kegagalan dengan prosentase jalur discharge 89.31%, jalur suction 73.40% dan kombinasi keseluruhan 62.33%. Diperoleh sistem perpipaan dengan vibrasi sistem perpipaan lebih kecil dari vibrasi compressor dengan amplitudo sebesar µm. Diperoleh model F system perpipaan yang aman untuk pipa yang dihubungkan dengan compressor beramplitudo maksimum 45.7 µm. SARAN Analisa vibrasi merupakan salah satu analisa dinamik yang dilakukan. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, maka dapat dilakukan analisa dinamik yang lain seperti pengaruh terhadap beban seismic atau pengaruh beban angin.

37