Prosiding Pertemuan rimiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Serpong, 20 Nopember 2007

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan rimiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 1. PENDAHULUAN Getaran (vibrasi) sering dilupakan dalam penerapannya pada suatu sistem perpipaan, sehingga timbul masalah, yang mengakibatkan sistem harus berhenti dan menyebabkan produksi tertunda, tentunya secara ekonomis sangat merugikan perusahaan, juga membahayakan keselamatan kerja dan karyawan, serta lingkungan. Vibrasi pad a sistem perpipaan dapat terjadi karena adanya berbagai sumber yang memang menghasilkan getaran, antara lain "Flow-induced turbulence ", "Two phase flow", "Pulsation" "(Reciprocating machinery, Rotating stall periodic flow-induced excitations)", "Fluid transient ". (water hammer, relief valve discharge) ", "High frequency acoustic emission" dan "rotating machinery ". Sumber masalah berupa getaran yang terjadi pad a system perpipaan dapat diatasi dengan Analisis Vibrasi menggunakan metoda MMS (Matching Mode Shape) saat desain, sehingga vibrasi dapat diprediksi dan dicegah pada saat pabrik beroperasi, juga sistem perpipaan dapat dijamin dalam keadaan aman. 2. TEORI DASAR Vibrasi adalah gerak periodik, secara umum mempunyai sifat level amplitudo rendah dan besaran nilai siklusnya melebihi "umur waktu" pad a operasi pabrik. Pengukuran kecepatan puncak vibrasi di lapangan dapat dilakukan dengan menggunakan vibrasi meter, harga yang tertera dapat dibandingkan dengan harga yang diijinkan (allowable) dari kecepatan puncak, seperti dalam Tabel 1. Hubungan frekwensi dan kecepatan puncak dapat dinyatakan secara matematis [2Jsebagai berikut : f= 2.4 (Vpk/er)E.DlnL2 (1) fn = (C/L2) (EI/W)I/2 (2) Vpk/er = (nc/9.6(ep)i/2)[1 +(d/d)2] y, (3) 8/er = L2/4.8ED (4) Vpk = Kecepatan puncak, (mm/dt, ips) E = Modulus Elastisitas material pipa, (Kg/mm4, Ib/inch4) W = Berat pipa per satuan panjang (Kg/mm, Lb/inch) C = Konstanta untuk frequency natural 187

2 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir = Momen lnersia cross section pipa, inch4 L = Panjang pipa antar support, (mm, inch) p = Density pipe material, (kg/mm3, Ib/inch3) d,d = inside dan outside diameter pipa, (mm, inch) f = frequency vibrasi sinusoidal, (Hz) fn cr = Frequency natural sistem, (Hz) = Stress bending pipa, (Kg/mm2, Ib/inh2) 8 = Deflection (mm, in) Sedangkan perhitungan frekuensi yang terjadi pada pipa tanpa menggunakan supot dapat diperoleh dengan persamaan[2] sebagai berikut : m.d2x/dt2+kx = 0, dimana x = Ae-wt (5) m = massa (kgt) d2x = perubahan jarak (secon) dt2 = perubahan k = konstanta waktu (secon) x = tinggi gerakan vibrasi (mm) A = amplitude w = kecepatan 0= angular (cps) Dan untuk perhitungan frekuensi yang terjadi pad a pipa dengan menggunakan supot dapat diperoleh berdasarkan persamaan [2]berikut : (6) C = konstanta dumper/supot 188

3 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Sistem dikatakan stabil apabila frequensi natural menunjukan harga 1,2 dari frekuensi terukur dalam sistem. tdown) (On bearing 3 housing) NO. Fair toseverity Acceptable Very Rough rough (correction Rating Vpk~ ~Vpk~ ~Vpk~I.5 Piping, (Center 0.5~Vpk~] Machinery, ips of span) ~Vpk~0.5.0ips METODA ANALISIS Analisis vibrasi pad a sistem perpipaan dapat didekati dengan metoda analisa dinamik Harmonik dan dinamik Model. Beban atau displacement dinamik terjadi karena adanya perubahan arah dan besar sebagai fungsi waktu. Secara matematis [3] dapat ditulis dengan : F(t) = Fa + Fa Cos(w t + 8) OCt)= Do + Oa Cos(w t + 8) (7) (8) Oimana: FJDo = Beban /Oisplacement Rata-rata (Kgf/mm) FalOa = Variasi beban /Oisplacement minimum dan maximum rata-rata (Kgf/mm) w = Kecepatan angular (cps) 8 = Sudut phase (degree) = waktu (second) Ada beberapa tipe beban vibrasi yang sering terjadi dalam sistem perpipaan [I], diantaranya adalah : I). Alat-alat Vibrasi Jika suatu perlengkapan rotasi dikaitkan pada sistem perpipaan. Vibrasi akan terjadi apabila be saran vibrasinya atau kecepatan puncaknya (Vpk) secara aktual melebihi nilai toleransinya (kondisi no. 3 pada Tabel I), sehingga menimbulkan cycle displacement pada sistem perpipaan dan dalam sistem dinamik hal tersebut sangat besar berpengaruhnya, karena mempengaruhi umur sistem. 189

4 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 2). Akustik Vibrasi Vibrasi terjadi apabila aliran fluida di dalam suatu sistem perpipaan mengalami perubahan mendadak dari laminar ke turbulen. Berdasarkan persamaan "Strouhal" [3] besarnya frekuensi yang diakibatkan oleh adanya Akustik Vibrasi adalah : 0.2 VID :Sf (Hz) :S0.3 V/0 (9) Oimana: V = kecepatan fluida (ft/sec) dan 0 = diameter orifice (ft) 3). Pulsasi Selama operasi suatu reciprocating pump atau compressor, fluida yang dikompres oleh pengendali piston dengan suatu poros putar. Hal ini menyebabkan perubahan suatu siklus tekanan fluida pada semua lokasi dalam sistem. Jika tekanan fluida pada pasangan elbow yang berdekatan tidak sarna, maka akan terjadi ketidakseimbangan beban tekanan dalam sistem. Perbedaan tekanan yang besar ini akan terus bergerak sepanjang aliran fluida. Besarnya be ban tergantung pada kecepatan pulsasing, dan panjang pipa antara pasangan elbow. Besarnya ketidakseimbangan gay a sebagai fungsi waktu pada pasangan elbow yang berdekatan akibat pulsasing dalam suatu sistem perpipaan (di bawah kondisi steady state), dapat dinyatakan secara matematis [3] sebagai berikut : F(t) = 0.5(dP)A * [cos OJ t - eos OJ (t -Lie)] (10) Oimana : dp = alternating component of the pressure (psia) L = panjang pipa antara elbow (ft) e = keeepatan suara dalam fluida (ft/sc) A = luas internal pipa (ft2) T = waktu (second) Untuk penyelesaian masalah vibrasi ini pada sistem perpipaan dapat dilakukan dalam metode MMS yang terbagi dalam dua cara, yaitu: 190

5 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 1. Cara Engineering, yaitu yibrasi dipertimbangkan dalam analisis terlebih dahulu sebelum dilakukan instalasi di lapangan. 2. Cara Sistem Piping Terinstalasi, yaitu yibrasi diperhitungkan pada existing sistem perpipaan dalam kondisi pabrik beroperasi. Kedua cara ini dapat dilakukan, apabila data-data pendukung baik berdasarkan proses maupun secara mekanik sudah terpenuhi dan natural frequency information (NFl) dalam sistem perpipaan sudah terhitung pada metoda dinamik modal, sehingga dapat diperoleh force function beban harmonik untuk menetapkan acceptabilitas actual nozzle load berdasarkan kode yang digunakan. Sebagai dasar untuk penyelesaian masalah yibrasi adalah dapat dihitungnya Dominant Vibration Frequency (DVF) dalam kondisi steadystate response. Frekuensi ini dapat ditentukan besarannya dari hasil analisa dinamik "Modal" dan memilah (trace) frekuensi yang dihasilkan hingga pada kondisi minimal 1,2 dari frekuensi sumber terukur (NFl). DVF yang telah dihitung dapat digunakan sebagai acuan untuk menetapkan bahwa sistem perpipaan adalah rigid, yaitu apabila perbandingan antara NFl pada mode shape terkecil adalah > 1,2 dari DVF dengan cara menambah, mengurangi atau memindahkan posisi supot dalam sistem perpipaan. 4. HASIL DAN BAHASAN Bila suatu sistem perpipaan melebihi nilai toleransinya (berdasarkan tabel I) akan mengakibatkan terhentinya produksi dan secara ekonomis sangat merugikan. Analisis vibrasi pad a sistem perpipaan memang patut untuk dipertimbangkan saat tahap rekayasa sebelum pembelian material dan pabrikasi dilakukan. Hal ini perlu, karena perubahan sistem perpipaan dapat juga berdampak pada perubahan konfigurasi, sistem dan materialnya. Dua pendekatan data yang diperlukan sebagai pendukung dalam analisa yibrasi, yakni pendekatan secara proses dan pendekatan secara mekanik. Pendekatan secara proses biasanya sangat komplek, memerlukan akurasi data, delivery time yang panjang dan memerlukan bantuan software pendukung yang lain (misalnya dalam perhitungan "pressure balance" untuk mencapai kondisi steady state). 191

6 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Sedangkan pendekatan secara mekanik adalah sangat cepat dan tidak memerlukan data yang komplek, cukup dimodelkan secara statik sistem perpipaan tersebut pada software pipingjlexibility analysis paket Program Caesar-II. Misalkan dalam sistem perpipaan pada rancangan instalasi mesin berkas electron yang dilukiskan dalam bentuk isometric sebagaimana pad a lampiran (1), vibrasi terjadi karena sistem perpipaan yang dikaitkan dengan rotating equipment dalam hal ini adalah kompresor. Dari analisa dinamik posisi, tipe dan jumlah support awal sebagaimana dalam analisa statik diperoleh [rekuensi natural dari mode terkecil adalah 0,814 Hz. Karena [rekuensi pengganggu (eksitasi) adalah 12,69 Hz, maka dalam analisa harus dibuat frekuensi natural pada mode I minimal 1,2 dari [rekuensi pengganggu tersebut. Dari gambar 8 terlihat, bahwa dengan memodifikasi supot dapat diperoleh [rekuensi natural pada mode 1, yaitu 15,2318 Hz, artinya bahwa NFl> 1,2 DVF dan system stabil selama operasi pada kondisi [rekuensi maksimal eksitasi 12,69 Hz Nilai frekuensi (NFl) pada Mode Shape 1 merupakan dasar untuk menentukan bahwa [rekuensi sistem perpipaan adalah 1,2 terhadap [rekuensi eksitasi (terukur), Perhatikan gambar I hingga 8 : 1. Pada gambar 1, Mode 1, fn = HZ dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi seperti ini, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar terse but kita dapat menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada gambar Pad a gambar 4, Mode 1, fn = Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi terse but, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar tersebut kita dapat menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada gambar Pada gambar 5, Mode 1, fn = Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi terse but, system mengalam i vibrasi, maka dengan dasar tersebut kita dpat menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada gambar Pada gambar 6, Mode I, fn = Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi terse but, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar terse but kita dapat menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada gambar

7 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 5. Pada gambar 7, Mode 1, fn = Hz dan DVF = 12,69 Hz, pada kondisi tersebut, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar tersebut kita dpat menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada gambar Pada gambar 8, Mode 1, fn = Hz dan DVF = 12,69 Hz, pada kondisi tersebut terjadi resonansi, maka nilai vibrasi secara general pada sistem perpipaan dan semua posisi supot dan tipenya adalah acceptable (sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2. Dispalacement setelah analisa vibrasi). Displacement '" Gambar 1. sebelum analisa vibrasi r}~,~%... /.-, *,*/*», ~~ ~'" ~.. ~' '~!fi ~'at"),,!!.- ili I :~'\~~~. ~t! Displacement Jo')" ~I~ ~,u ~ ~r. ~' ~!I. Gambar 2. setelah analisa vibrasi Gambar 3. Freq. natural Hz pada mode shape I Gambar 4. Frekuensi natural Hz 193

8 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Gambar 5. Frekuensi natural Hz Gambar 6. Frekuensi natural Hz "~~ r'0*: " ~ ~" AI 1/,j' <--J Gambar 8. Frekuensi natural Hz 194

9 Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 5. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan analisis dengan paket program Caesar II metoda MMS dan menggunakan salah satu piping stress software sebagaimana yang dijelaskan di atas, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : Analisis vibrasi dengan metoda Matching Mode Shape dapat menganalisa instalasi perpipaan baik secara engineering maupun kondisi pabrik yang sedang beroperasi, yaitu dengan cara menentukan nilai resonansi NFl sebagai frekuensi yang dicari harganya dan DVF sebagai frekuensi eksitasi (penganggu) dari suatu compressor (NFl> 1,2 DVF). Dalam analisis ini harga DVF sebesar 12,69 Hz, sedangkan harga NFl diperoleh hasilnya setelah dilakukan 6 kali perubahan posisi, tipe dan jumlah supot yaitu sebesar 15,231 Hz. Harga frekuensi resonansi NFl dan DVF ternyata acceptable dan aman bagi suatu intalasi perpipaan dari suatu pabrik. SARAN Analisis vibrasi sistem perpipaan sangat bermanfaat bagi semua engineering maupun pabrik, oleh karenanya analisis ini sangat penting untuk digunakan dalam proyek lnstalasi Pengolah Gas Buang dengan Mesin Berkas Elektron pad a Pembangkit Listrik Tenaga Uap. DAFTAR PUSTAKA 1. I.S. TUBA and W.B.WRIGHT, "PRESSURE VESSEL AND PIPING 1972 COMPUTER PROGRAM VERIFICATION AND AID TO DEVELOPERS AND USERS. " The American Society of Mechanical Enginers, New York, Problem 6 and MATEN, S.,"FIELD CRITERIA FOR PIPE VIBRATION," Hydrocarbon Processing, July S. SAHA, RAVI RAJ RASTOGI, and A. BHATTACHARYA, "AN EFFECTIVE METHODE FOR ANAL YZING PIPING VIBRATION PROBLEMS," Hydrocarbon Processing, April

10 Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat N klir LEMBAR TANYA-JAWAB PERT ANY AAN : dari Hyundianto A.G. JA WABAN 1. Bagaimana filosofi dasar dalam penanganan vibrasi dalam suatu sistem pemipaan 7 2. Bagaimana urutannya metoda matching mode shape sehigga sistem pemipaan dapat memenuhi allowable vibration 7, dan; 3. Berapa besarnya vibration allowable yang diijinkan dalam industri untuk mencapai keadan safe dalam operasi 7 1. Filosofi dasar dalam penangan vibrasi dalam suatu sistem perpipaan, filosofinya adalah vibrasi yang terjadi pad a sistem perpipaan harus dihilangkan atau pipa tanpa getaran bila masih terdapat getaran karena pengaruh rotating equipment (kompressor), maka harus mengikuti allowable vibrasi yaitu NFl> 1,2 DYF; 2. Urutannya adalah : Dari isometrik perpipaan diinputkan ke caesar, lalu di run dan dianalisis dengan dinamik analisis hingga kita dapatkan harga vibrasi, lalu kita ambil harga vibrasi pada mode 1 sebagai harga NFl. Kemudian kembali ke caesar, supotnya ditambah atau digeser/dikurangi selanjutnya dianalisis pada dinamik beberapa kali hingga diperoleh allowable vibrasi. NFl> 1,2 DYF; 3. Besarnya allowable vibrasi NFl> 1,2 DYF. PERTANYAAN: dari Mike Susm ikanti JAWABAN I. Apakah analisis tersebut diterapkan pada komponen dengan non destructive test atau destructive test 7 I. Analisis vibrasi merupakan suatu analisa terhadap instalasi perpipaan yang karena beban pipa itu sendiri, temperatur dan tekanan mengakibatkan pipa menimbulkan vibrasi (bergetar) ketika instalasi running (beroperasi). Untuk mencegah timbulnya vibrasi, maka harus dilakukan analisis dengan metode MMS dengan cara mengatur, mengubah atau menambah supot, hingga diperoleh harga NF ::: 1,2 DYF. Itulah suatu gambaran ten tang analisis vibrasi dengan metode MMS. Sedangkan motode MMS ini tidak diterapkan dengan non destructive test maupun destructive test dan ini memang berbeda. 196