Bab II Tinjauan Pustaka

Transkripsi

1 Bab II Tinjauan Pustaka 2.1 Material Komposit [3] Banyak dari aplikasi teknologi modern membutuhkan material dengan kombinasi properties yang tidak biasa, yang tidak dapat ditemukan pada paduan logam konvensional, keramik dan polimer. Oleh karena itulah muncul jenis material dengan kombinasi properties dalam skala makro dan berkembang pesat pada saat sekarang ini yang disebut dengan material komposit (composite material). Porsi penggunaan material komposit pada saat sekarang ini semakin berkembang seiring kebutuhan akan sifat yang tidak dapat dipenuhi oleh material lain, seperti yang dapat dilihat pada gambar 2.1. Gambar 2.1 Tingkat kebutuhan material berdasarkan waktu [4] Berdasarkan arti kata, komposit itu sendiri mempunyai arti gabungan atau susunan kombinasi. Jadi material komposit merupakan material yang dibuat dari gabungan/kombinasi dua atau lebih material secara fisik (bukan kimia), yang 6

2 berbeda dalam komposisi dan ukuran secara makrokopis, dimana yang satu berfungsi sebagai penguat/pengikat terhadap yang lain. Kombinasi dalam skala makroskopik adalah hal yang membedakan material komposit dengan material paduan (alloy). Perbedaan utama material komposit terhadap material lain umumnya adalah pada sifat materialnya yang inhomogeneous dan orthotropic. Material inhomogeneous adalah material yang sifatnya tidak seragam dan merupakan fungsi dari posisi pada tubuh material tersebut sedangkan material orthotropic adalah material yang sifatnya berbeda pada tiga arah yang ada Klasifikasi Material Komposit [3] Berdasarkan jenis penguatnya, komposit juga dapat diklasifikasikan menjadi beberapa bagian, yaitu: 1. Particle reinforced composite, yaitu komposit yang fasa terdispersi hampir sama besar pada semua arah (equiaxed). Berdasarkan mekanisme penguatannya dapat dibedakan lagi menjadi 2 jenis, yakni: a. Large particle, yaitu komposit yang tidak dapat di-treatment pada tingkat atom/molekul, menggunakan continuum mechanics, contohnya: beton (kombinasi pasir, kerikil sebagai phasa terdispersi dan semen sebagai matriks). b. Dispersion-strengthened, yaitu komposit yang dapat di-treatment pada tingkat atom/molekul, menggunakan precipitation hardening, contohnya: Thoria-dispersed nickel (TD nickel). 2. Fiber reinforced composite, yaitu komposit yang fasa dispersinya mempunyai bentuk geometri serat (mempunyai rasio antara panjang dan diameter yang besar). Berdasarkan panjang seratnya dapat dibedakan lagi menjadi: a. Continous (aligned), yaitu reinforced composite yang dibuat dari serat yang panjang dan disusun paralel antara satu dan yang lainnya. b. Discountinous (short), yaitu reinforced composite yang dibuat dengan serat yang pendek. Berdasarkan orientasi susunan seratnya dapat dibagi lagi menjadi aligned (paralel) dan randomly (acak sama sekali). 7

3 3. Structural composite, yaitu material yang merupakan kombinasi dari komposit dan homogeneus, sifatnya bergantung pada material pembentuk dan rancangan geometri elemennya. Structural composite dapat dibedakan menjadi: a. Laminates, yaitu gabungan dua dimensional sheet atau panel yang mempunyai kecendrungan arah high-strength, contohnya plywood. b. Sandwich, yaitu komposit yang terdiri atas dua lapisan muka (faces), diantaranya terdapat lapisan material berdensitas rendah (core) dan memiliki kekakuan dan kekuatan yang lebih rendah pula, contohnya konstruksi honeycomb core sandwich panel. Gambar 2.2 Pengklasifikasian material komposit berdasarkan jenis penguatan [3] Bahan Komposit [5] Gabungan antara serat dan matriks disebut bahan komposit. Bahan komposit menggabungkan keunggulan kekuatan dan kekakuan serat dengan massa jenis matriks yang rendah. Hasilnya adalah suatu bahan yang ringan tetapi kuat dan kaku. Dengan kata lain, bahan ini mempunyai harga specific modulus dan specific strengh yang lebih besar dibandingkan material konvensional lainnya. Tabel 2.1 memperlihatkan data-data bahan komposit tersebut dibandingkan dengan konvensional lainnya. Dari data specific modulus dan specific strength-nya terlihat bahwa bahan komposit lebih unggul dibandingkan 8

4 bahan metal. Keunggulan seperti inilah yang dimanfaatkan oleh berbagai industri pada berbagai aplikasi yang membutuhkan bahan-bahan yang ringan tetapi kuat dan kaku. Tabel 2.1 Sifat-sifat mekanik beberapa jenis bahan komposit [5] Sifat-sifat Jenis serat E-glass Kevlar-49 Grafit (Thornel-300) Fraksi volume serat, % Massa Jenis 1,80 1,38 1,61 Kekuatan tarik, 0 o (MPa) Modulus tarik, 0 o (MPa) Kekuatan tarik, 90 o (MPa) Modulus tarik, 90 o (MPa) 10 5,6 10,9 Kekuatan tekan, 0 o (MPa) Modulus tekan, 0 o (MPa) Kekuatan tekan, 90 o (MPa) Modulus tekan, 90 o (MPa) 8 5,6 11 Kekuatan geser bidang (MPa) Modulus geser bidang (GPa) - 2,1 6,4 Bahan komposit mempunyai sifat-sifat yang berbeda dengan sebagian besar material konvensional yang telah dikenal selama ini. Sebagian besar material konvensional bersifat homogen dan isotropik: Bahan homogen berarti sifat-sifatnya sama di semua tempat; berarti sifatsifat bahan bukan merupakan fungsi dari tempat atau posisi. Bahan isotropik berarti sifat-sifatnya sama dalam segala arah; berarti sifat-sifat bahan bukan merupakan fungsi arah. Sebaliknya bahan komposit bersifat tidak homogen dan non-isotropik (orthotropik, atau lebih umum anisotropik), berarti: Bahan tidak homogen berarti sifat-sifatnya tidak sama di semua tempat; berarti merupakan fungsi dari posisi. 9

5 Bahan anisotropik berarti sifat-sifatnya berubah dengan perubahan arah; yang berarti merupakan fungsi arah dan posisi. Karena sifatnya yang tidak homogen tersebut, bahan komposit sering dipelajari dari dua sudut pandang yang berbeda yaitu mikromekanik dan makromekanik. Mikromekanik adalah kaji bahan komposit dimana interaksi antara bahanbahan pembentuknya dipelajari dalam skala mikroskopik. Lingkup kaji ini misalnya: mempelajari antara serat dan matriks; aliran dan pemindahan tegangan dari serat dan matriks, serta penentuan modulus elastisitas bahan sebagai fungsi dari modulus elastisitas bahan-bahan pembentuknya. Sedang kaji makromekanik adalah kaji bahan komposit dimana bahan dianggap homogen dan pengaruh bahan-bahan pembentuknya hanya ditengarai sebagai sifat yang tampak secara keseluruhan pada bahan komposit. Di sini tidak diperhatikan lagi bahan pembentuknya secara sendiri-sendiri. Pada kaji ini tidak dipelajari, misalnya susunan serat dalam matriks yang pada kaji mikroskopik merupakan kajian utama. Salah satu keuntungan bahan komposit adalah kemungkinan bahan tersebut diarahkan dalam arah tertentu (tailoring). Artinya, bahan tersebut dapat diarahkan sehingga hanya kuat dan kaku dalam arah tertentu dan lemah dalam arah-arah yang tidak dikehendaki. Kemampuan ini jelas tidak dipunyai bahan isotropik, yang per defenisi berarti mempunyai kekuatan dan kekakuan dalam segala arah. Pengetahuan tentang mikromekanik dan makromekanik ini akan berperan besar dalam mengarahkan bahan tersebut agar persyaratan structural yang dikehendaki tercapai Teori Kegagalan Material Komposit [6&7] Material komposit memiliki teori kegagalan yang berbeda dengan material logam pada umumnya. Pada dinding pipa komposit yang merupakan suatu laminat, laminat tersebut dianggap gagal jika telah memenuhi kriteria kegagalan untuk suatu laminat. Kriteria kegagalan laminat tersebut ada 3, antara lain adalah sebagai berikut. 1) Kegagalan lamina pertama (Initial or first ply failure) 10

6 Kriteria ini menyatakan bahwa suatu laminat dianggap gagal jika satu saja laminanya mengalami kegagalan 2) Kegagalan laminat ultimate (Progressive and Ultimate-laminate failure) Kriteria ini menyatakan bahwa suatu laminat dianggap gagal jika beberapa laminanya mengalami kegagalan sehingga mengakibatkan kekuatan laminatnya menurun secara signifikan. 3) Kegagalan interlaminar (Interlaminar failure) Kriteria ini menyatakan bahwa suatu laminat dianggap gagal jika telah terjadi pemisahan (separation) antar lamina yang bersebelahan walaupun lamina-laminanya sendiri masih utuh. Kegagalan interlaminar ini bisa menyebabkan delaminasi atau pemisahan antar lamina. Laminat yang menyusun dinding pipa komposit terdiri dari susunan lamina-lamina. Dalam teori kegagalan lamina pertama (initial or first ply failure) dikatakan bahwa suatu laminat dianggap gagal jika satu saja laminanya mengalami kegagalan. Sedangkan lamina-lamina penyusun laminat pada dinding pipa komposit juga dianggap gagal jika telah memenuhi criteria kegagalan untuk suatu lamina. Pada umumnya ada 4 kriteria kegagalan suatu lamina yang sering digunakan. Salah satunya yang digunakan adalah teori Tegangan Maximum (Maximum Stress) dan teori kegagalan Tsai-Hill. Teori-teori tersebut antara lain adalah sebagai berikut. 1. Teori tegangan maximum (maximum stress theory) Teori tegangan maksimal menyatakan bahwa kegagalan pada lamina akan terjadi jika tegangan pada salah satu arah pembebanan melampaui kekuatan di arah tersebut. Rumusan untuk teori ini berdasarkan jenis tegangan yang terjadi dapat diformulasikan sebagai berikut: o Tegangan Tarik Kegagalan terjadi jika: σ (2.1) 1 F 1t σ (2.2) 2 F 2t 1 dan 2 adalah arah pembebanan longitudinal dan transversal. o Tegangan Tekan 11

7 Kegagalan terjadi jika: σ (2.3) 1 F 1c σ (2.4) 2 F 2c o Tegangan Geser Kegagalan terjadi jika: τ 12 F 6 atau σ 6 F6 (2.5) 2. Teori Tsai-Hill Hill memperluas kriteria Von Misses untuk material anisotropik. Azzi-Tsai memperluas persamaan ini untuk komposit anisotropik berpenguat serat. Kegagalan terjadi bila hasil perhitungan dari persamaan (2-9) sama atau lebih besar dari satu. σ σ + F F σ σ F σ + F (2.6) Angka yang diperoleh dari perhitungan sisi kiri pada persamaan (2.6) disebut sebagai angka Tsai-Hill. Angka Tsai-Hill biasa digunakan untuk menunjukkan faktor keamanan dari material komposit. Semakin kecil angka Tsai- Hill ini, semakin tinggi faktor keamanan dari material komposit tersebut, demikian juga sebaliknya Glass Reinforced Plastics (GRP) [3&8] Material komposit yang banyak digunakan adalah tipe berserat (fiber reinforced), salah satunya adalah glass reinforced plastics (GRP). GRP merupakan material komposit tipe berserat yang dibentuk dari resin polimer sebagai matriknya dan serat kaca (fiberglass) sebagai bahan penguat (reinforcement). Resin yang biasa digunakan adalah resin epoxy, hal ini dikarenakan epoxy memiliki ketahanan kimia yang paling baik dibandingkan tipe resin yang lain (isophtalic polyester, vinyl ester dan phenolics). Oleh karena hal tersebut GRP sering disebut juga sebagai glass reinforced epoxy (GRE) walaupun pengertian sebenarnya mencakup penggunaan macam resin yang lebih luas. 12

8 2.2 Sistem Perpipaan Pipa yang berada pada sebuah kawasan terbatas atau industri tertentu biasa disebut sebagai piping, sedangkan pipa yang berada pada kawasan publik baik darat maupun laut, dan biasanya digunakan untuk transportasi fluida disebut sebagai pipeline. Penggunaan sistem perpipaan cukup beragam, antara lain digunakan untuk menyalurkan fluida dari sumur menuju tempat pengolahan atau antar bangunan anjungan lepas pantai (offshore facility) ataupun dari bangunan anjungan lepas pantai langsung ke darat (onshore facility). Berdasarkan jenis fluida dan fungsinya, pipeline system dapat dibedakan menjadi: 1. Export line (trunk lines) Export line adalah pipeline yang manyalurkan minyak atau gas olahan antar platform atau antara platform dan shore facility. 2. Flowline Flowline adalah pipeline yang menyalurkan fluida dari sumur pengeboran ke komponen downstream process yang pertama. 3. Water injection/gas lift Injection line adalah pipeline yang mengarahkan liquid atau gas untuk mendukung aktifitas produksi, contoh: air atau injeksi gas, gas lift, chemical injection line. 4. Product line Product line adalah pipeline yang menyalurkan fluida produk hasil proses pengolahan ke tempat penampungan sementara untuk selanjutnya didistribusikan kepada konsumen. 5. Interfield lines Interfield lines adalah pipeline yang menghubungkan antar lokasi pengeboran (field). Pada perancangan pipeline harus diperhatikan kelayakan rancangannya baik dari segi mekanik maupun segi ekonomis. Dalam tahap perancangannya semua perhitungan dan penentuan aspek yang ada harus dilakukan sesuai dengan aturan-aturan dan pengalaman yang ada yaitu Code, Standard dan Recommended Practice yang sesuai. 13

9 2.2.1 Pipa Komposit GRP [2] Penggunaan pipa komposit merupakan salah satu solusi untuk mengatasi permasalahan korosi yang dihadapi dalam penggunaan pipa logam, terutama penggunaan pipa pada lingkungan yang agresif. Jenis pipa komposit yang pada saat ini banyak digunakan pada industri migas adalah pipa Glass Reinforced Plastics (GRP) atau sering juga disebut dengan Fiber Reinforced Plastics (FRP). Beberapa kelebihan dan kekurangan pipa komposit bila dibandingkan dengan pipa logam ditampilkan pada tabel 2.2 berikut. Tabel 2.2 Kelebihan dan kekurangan pipa komposit GRP Kelebihan Tahan terhadap korosi sehingga dapat mengurangi biaya perawatan terhadap korosi Tahan terhadap zat-zat yang bersifat reaktif Lebih ringan sehingga mengurangi beban di atas platform Rasio strength to weight yang tinggi Surface finish yang baik sehingga mengurangi pressure loss Ketahanan terhadap beban fatigue yang baik Metode kegagalan yang noncatastrophic, bocor sebelum pecah sehingga dapat dilakukan tindakan penanggulangan Kekurangan Temperatur operasi terbatas, dibatasi oleh temperature transition (Tg) dari resinnya. Jika temperatur operasi melebihi temperatur transition resin maka pipa akan gagal akibat resinnya terdegradasi Resinnya akan terdegradasi (pipa gagal) jika terlalu lama terekspos ultra violet dalam jangka panjang Memiliki densitas yang rendah, sehingga kurang stabil pada penggunaan di bawah laut Tidak tahan terhadap beban impak Susah untuk memilih jenis sambungan yang tepat Proses Manufaktur Pipa Komposit GRP Proses manufaktur pipa komposit sangat berbeda dengan pipa logam, terutama pipa baja. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan sifat material dan pada pipa komposit tidak dapat dilakukan metode pengelasan sebagaimana yang dilakukan pada proses manufaktur pipa baja. Ada dua proses manufaktur yang biasa digunakan untuk pipa komposit GRP, yaitu proses filament winding dan proses centrifugal casting. 14

10 Proses Filament Winding [3&9] Pada proses ini, mula-mula serat kaca dilewatkan pada creel yang terletak pada sebuah carriage yang bergerak translasi pada sumbu putar mandrel, lalu serat tersebut dilewatkan ke dalam resin bath, agar serat tersebut dilumuri oleh resin. Kemudian serat kaca yang telah dibasahi oleh resin tersebut dibalutkan dengan pola dan sudut kemiringan tertentu pada mandrel yang berputar, dalam tegangan yang terkendali. Hal ini dilakukan berulang kali secara kontinu sehingga diperoleh dinding yang berlapis-lapis dengan tebal sesuai dengan tebal yang diinginkan. Proses ini akan menghasilkan pipa komposit dengan rasio berat 70:30 (serat:resin). Ilustrasi proses manufaktur filament winding untuk pipa komposit GRP dapat dilihat pada gambar 2.3 berikut. Gambar 2.3 Proses filament winding [10] Proses Centrifugal Casting [9] Pada proses ini tenunan serat kaca (woven) dan resin dicampurkan di dalam cetakan silinder yang berputar dengan kecepatan tinggi. Setelah seluruh serat dan resin dimasukkan ke dalam cetakan lalu kecepatan putar cetakan dinaikkan sampai mencapai kecepatan putar pencetakan (moulding speed) yang besarnya bergantung pada jumlah serat, tebal, diameter dan viskositas resin. Akibatnya, pada bagian dalam cetakan tersebut akan muncul gaya sentrifugal yang akan membalutkan serat dan resin kedinding bagian dalam cetakan. Selain itu gaya sentrifugal ini juga berfungsi untuk melepaskan udara dari resin dan fiber sehingga akan terbentuk lapisan yang padat dan bebas porositas. Serat penguat disusun pada dua arah baik hoop dan axial sehingga nantinya dihasilkan pipa GRP 15

11 dengan sifat ekspansi termal dan ketahanan terhadap bending yang baik. Ilustrasi proses manufaktur centrifugal casting untuk pipa komposit GRP dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut. Gambar 2.4 Proses centrifugal casting [10] Perbandingan Proses Manufaktur Pipa Komposit Dua proses manufaktur pipa komposit yang telah dijelaskan di atas memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Pemilihan proses mana yang akan digunakan tergantung pada tujuan penggunaan pipa komposit, sehingga nantinya dapat diperoleh performa terbaiknya. Perbandingan kelebihan dan kekurangan dua metoda tersebut dapat dilihat pada tabel 2.3 Tabel 2.3 Perbandingan proses manufaktur pipa komposit Proses Centrifugal Casting Kelebihan Struktur yang homogen dan kompak Kepadatan yang lebih baik Kepresisian lebih tinggi Biaya murah Ketahanan terhadap bending lebih baik Kekurangan Hanya bisa memproduksi penampang lingkaran Relatif lebih berat Proses Filament Winding Dapat memproduksi penampang selain lingkaran Densitas lebih rendah Ketahanan terhadap tekanan internal lebih tinggi Fleksibilitas pipa lebih baik Biaya mahal 16

12 2.2.3 Metode Penyambungan Pipa Komposit [8] Dalam menentukan jenis metode penyambungan yang akan digunakan ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan, yaitu: a. Ketahanan (Reability) b. Kemampuan untuk menahan beban bending c. Kondisi lingkungan pemasangan d. Kemudahan pembuatan Berdasarkan ISO , beberapa teknik penyambungan yang dapat digunakan pada pipa komposit GRP, antara lain: 1. Adhesively bonded joints 2. Laminated (Butt and wrap) joints Gambar 2.5 Adhesive bonded joint [8] 3. Mechanical joints Gambar 2.6 Laminated joint [8] Gambar 2.7 Standard API joint [8] Selain berdasarkan faktor-faktor yang telah disebutkan di atas pemilihan jenis sambungan pada pipa komposit juga dipilih berdasarkan kondisi aplikasi pipa terutama tekanan pada pipa itu sendiri. Untuk penggunaan pada tekanan yang relatif tinggi, penggunaan metode penyambungan adhesive-bonded joint (sambungan socket dan spingot) yang dipadukan dengan mechanical joint 17

13 (sambungan n berulir) sudah terbukti dapat digunakan. Biasanya perancangan ulir digunakan Standard American Petroleum Institute (API). Teknik penyambungan lain yang dapat digunakan untuk pipa komposit GRP dapat dilihat pada gambar 2.8 berikut. Flanged Belt & Spingot O-Ring Bell & Spingot Butt & Wrap T.A.B Socket Gambar 2.8 Joining system [10] Code dan Standard Perancangan Pipa Komposit GRP Setiap perancangan sistem perpipaan harus mengikuti aturan-aturan yang telah ditetapkan, baik yang disusun berdasarkan penelitiann maupun yang dibuat berdasarkan pengalaman. Tujuannya adalah supaya hasil rancangan yang diperoleh tersebut aman dan dapat berfungsi dengan baik sesuai dengan tujuan perancangan nnya. Hampir keseluruhan aturan-aturan tersebut telah disusun menjadi Code, Standard, Recommended Practice dan Guideline. Code merupakan suatu aturan yang legal dan dapat dijadikan hukum. Standard memuat spesifikasi pipa dan komponen-komponennyded Practice merupakan kumpulan pengalaman praktik dari suatu yang digunakan secara internasional. Recommend instansi atau organisasii yang didokumentasikan menjadi sebuah panduan yang dapat digunakan dalam sebuah perancangan namun tidak dapat digunakan sebagai hukum. Guideline merupakan panduan yang dapat digunakan sebagai rule of thumb dalam perancangan. Saat ini standard dan code perancangan untuk sistem perpipaan bermaterial logam seperti baja sudah banyak dan sudah memuat hampir semua aspek perancangan yang ada. Berbeda dengann pipa logam, code dan standard untuk perancangan menggunakan pipa komposit masih relatif sedikit dan belum memuat semua aspek yang ada. Hal tersebut merupakan salah satu alasan kenapa 18

14 pipa komposit penggunaannya masih sangat terbatas sampai saat sekarang ini. Code dan standard untuk pipa komposit, khususnya GRP yang telah ada, yaitu: ISO a Petroleum and natural gas industries Glass-reinforced plastics (GRP) piping, 2002 ASME b B31.3 Process Piping (nonmetallic piping, Chapter VII) BS c 7159 British Standard Code of practice for Design and construction of glass reinforced plastics (GRP) piping systems for individual plants or sites ABS d Guide for Certification of FRP Hydrocarbon Production Piping System ASTM e D 2992 Standard Practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for Fiberglass (Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting- Resin) Pipe and Fittings API SPECIFICATION 15 (LR dan HR) Specification For Low/High Pressure Fiberglass Line Pipe and Fittings UKOOA f Document (1994) Specifications and recommended practice for the use of GRP piping offshore Code dan standard yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah ISO Petroleum and natural gas industries Glass-reinforced plastics (GRP) piping. ISO merupakan standard pipa komposit terbaru yang ada sekarang ini dan sesuai dengan ketentuan yang ditetapkan oleh Direktorat Teknik Minyak dan Gas (Migas). Selain itu ISO juga merupakan penyempurnaan dari standard yang sudah ada sebelumnya yaitu dokumen UKOOA Tipe Pembebanan [8] Pembebanan pada pipa komposit GRP dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu: sustained load dan occasional load. Sustained load merupakan pembebanan a International Standard Organization b American Society of Mechanical Engineers c British Standard d American Bureau of Shipping e American Society for Testing and Materials f United Kingdom Offshore Operators Association 19

15 yang terjadi terus menerus atau dalam jangka panjang (long-term), misalnya berat sendiri (dead weight) dan tekanan internal maupun eksternal. Occasional load merupakan pembebanan yang terjadi pada periode tertentu saja dan tidak berlangsung lama (short-term), misalnya beban akibat angin dan gempa. Contoh dan jenis pembebanan yang harus diperhatikan dalam perancangan dapat dilihat pada tabel 2.4. Tabel 2.4 Jenis pembebanan pada pipa [8] Beban Sustained Operasi Tekanan internal, eksternal, vakum, hydrotest Berat pipa, insulasi, medium, aksesoris Beban inersia akibat gerakan pada saat operasi, misalnya pergerakan tumpuan Beban induksi termal Beban lingkungan, misal es Beban pengeringan lapisan beton Beban tanah (jika ditanam) Penurunan tanah Beban Occasional Water hammer, getaran transien pada peralatan, pelepasan pressure safetyvalve Beban impak Beban inersia saat transportasi, gempa bumi, pada saat pengangkatan Beban saat instalasi Beban pendinginan adiabatik Gempa, angin, arus laut, ombak Blast over-pressure 2.3 Kriteria Perancangan [8] Menurut ISO 14692, tujuan dari perancangan struktur adalah untuk menjamin bahwa struktur memiliki kinerja yang memuaskan dan dapat menahan semua tegangan dan deformasi yang terjadi selama konstruksi atau instalasi, dan selama umur pakainya. Pada perancangan struktur, kekuatan struktur selama instalasi dan operasi harus dapat memenuhi nilai keamanan minimum yang disyaratkan dalam standard yang ada. Namun begitu perancangan dan instalasi harus dilakukan berdasarkan metode engineering yang dapat diterima, sesuai dengan aturan-aturan yang telah diakui. Kegagalan komponen dapat dikelompokkan menjadi 3 kelompok, yaitu: 20

16 1. Perubahan bentuk atau deformasi yang terlalu besar, dapat berupa deformasi plastik atau permanen, buckling dan deformasi elastik yang terlalu besar. 2. Patah (facture), dapat berupa patah akibat tegangan yang melampaui batas kekuatan, patah berkeping-keping akibat beban impak, patah lelah akiban beban fatigue dan retak. 3. Kerusakan permukaan, dapat berupa permukaan terkelupas, berlubanglubang atau aus. 2.4 Dasar Perancangan [8] Pipa komposit Glass Reinforced Plastics (GRP) memiliki mode kegagalan yang sangat berbeda dengan baja sehingga tidak dapat digunakan persamaan perancangan yang berbasiskan pada tegangan yield untuk menentukan tebal dinding. Proses perancangan dengan code ISO menggunakan data pengujian dari produsen, yaitu dari pengujian yang sesuai dengan kualifikasi pengujian berdasar standard tertentu yang diakui oleh ISO dan dilakukan oleh pihak produsen pipa itu sendiri, misalnya untuk memperoleh nilai Long Term Hoop Strength (LTHS) dari pipa produsen harus melakukan pengujian berdasarkan Standard ASTM D Akibat dari proses perancangan yang tidak konvensional ini, ISO menyarankan agar perancang memilih suatu produk dari produsen tertentu. Namun konsekuensi dari aturan tersebut semua pengujian yang dispesifikasikan harus dilakukan dengan disaksikan dan disertifikasi oleh agen third-party yang diakui secara internasional. Hasilnya, verifikasi ulang terhadap data oleh perancang tidak perlu dilakukan kecuali terjadi perubahan proses manufaktur yang membutuhkan proses rekualifikasi. Semua produk yang telah memenuhi standard akan mempunyai sebuah tekanan perancangan maksimum yang sudah ditentukan. Tekanan perancangan ini berdasarkan rasio 2 : 1 antara tegangan hoop dan aksial yang umum terjadi pada sebuah pipa dengan ujung tidak ditahan. Jika tekanan aksial lebih besar, misalnya akibat dari tegangan bending, maka tekanan perancangan harus disesuaikan dengan faktor parsial akibat pembebanan (f 3 ). 21

17 Pada penggunaan untuk hidrokarbon, termasuk minyak mentah dan kondensatnya, minyak diesel, cairan kimia solvent-based atau saluran drain yang berbahaya, sebaiknya dilakukan analisis resiko. Hasil analisis ini digunakan untuk membandingkan resiko pada pipa logam yang beroperasi pada kondisi yang sama. Pipa GRP boleh digunakan bila tidak ada potensi kegagalan yang signifikan teridentifikasi atau dimana konsekuensi dari kegagalan dinilai kecil. Aplikasi hidrokarbon bertekanan tinggi membutuhkan pertimbangan adanya api dan performa ketahanannya terhadap api Pemilihan Material ISO merekomendasikan penggunaan standard pemilihan material yang berdasarkan performa bukan dari spesifikasi, metode ini disebut Performance-Based Material Selection (PBMS). PBMS mencerminkan kebutuhan fungsional sebenarnya, tanpa persyaratan dan tidak mengkhususkan pada penggunaan material tertentu. Empat langkah dari PMBS adalah: 1. Pengidentifikasian dan pendokumentasian dari semua faktor performa yang relevan pada sebuah aplikasi. 2. Perhitungan kuantitatif dari performa fungsional yang dibutuhkan. 3. Pengkualifikasian material berdasarkan kelayakan kemampuan. 4. Pemilihan akhir. 2.5 Syarat Perancangan Berdasarkan ISO Perancangan dengan menggunakan ISO memiliki beberapa kriteria dan rekomendasi tertentu yang disyaratkan oleh standard itu sendiri. Kriteria dan rekomendasi tersebut merupakan syarat perancangan yang harus dipenuhi agar hasil perancangan valid (sahih) Syarat Dimensi Perancangan struktur dengan menggunakan ISO hanya valid apabila pipa memiliki perbandingan tebal dan diameter dengan syarat sebagai berikut: t r 0,1 D (2.7) 22

18 Dimana: t r D = tebal dinding pipa yang diperkuat = diameter rata-rata pipa Syarat Material ISO menyarankan penggunaan serat kaca sebagai bahan penguat dengan alasan material tersebut telah memiliki informasi paling banyak tentang kekuatan jangka panjang, impak dan ketahanan terhadap api apabila dibandingkan dengan jenis serat lainnya. ISO juga mensyaratkan temperatur operasi maksimum yang diperbolehkan pada pipa tergantung pada tipe resin pipa yang digunakannya sesuai dengan tabel 2.5. Tabel 2.5 Ketahanan tipe resin terhadap temperatur [8] Tipe Resin Temperatur Maksimum Epoxy 110 C Vinyl Ester 100 C Polyester 70 C Phenolic 150 C 2.6 Verifikasi Tekanan Dalam (Internal Pressure) Verifikasi tekanan dalam sistem perpipaan berdasarkan ISO meliputi qualified pressure, factored qualified pressure dan tekanan perancangan sistem. Verifikasi ini perlu dilakukan untuk menguji apakan produk pipa yang telah dipilih sesuai untuk parameter perancangan, dan memenuhi kriteria ISO Qualified Pressure [8] Berdasarkan ISO bagian , qualified pressure diperoleh sesuai dengan Standard pengujian ASTM 2992-B dengan umur perancangan (design life) selama 20 tahun pada temperatur 65 C (150 F) untuk melakukan 23

19 regresi dan pengujian ketahanan selama 1000 jam. Qualified pressure diperoleh dengan persamaan sebagai berikut: p q = plcl = f1 plthp (2.8) dimana, P LCL adalah tekanan hasil pengujian pada tingkat kepercayaan diri yang rendah (lower confidence limit) yang ekivalen dengan tekanan long-term hydrostatic pressure (LTHP) dikalikan faktor parsial f 1 sebesar 97,5% limit faktor kepercayaan yaitu sebesar 0,85. Nilai qualified pressure pun dapat dicari melalui nilai qualified stress jika yang disediakan dari produsen adalah nilai tersebut dengan hubungan: D σ qs = pq (2.9) 2t atau, p q = p LCL r 2t r σ = D LCL (2.10) Factored Qualified Pressure [8] Factored qualified pressure memperhitungkan faktor-faktor lain yang tidak diperhitungkan pada saat melakukan pengujian dalam memperoleh nilai qualified pressure. Hal ini dilakukan untuk menjamin keamanan pada saat operasi akibat kondisi yang berbeda pada saat operasi. Besarnya factored qualified pressure adalah: p qf = A A2 A3 p q 1 (2.11) Dimana: A 1 A 2 A 3 = faktor parsial untuk temperatur = faktor parsial untuk resistansi kimia = faktor parsial untuk pembebanan siklik Faktor Parsial untuk Temperatur, A 1 Faktor parsial untuk temperatur operasi maksimum di bawah 65 C bernilai 1,0 sedangkan untuk besar temperatur diatasnya, nilai A1 harus ditentukan dengan pengujian lain berdasarkan ASTM D3681 dan pren

20 Faktor Parsial untuk Resistansi Kimia, A 2 Efek dari degradasi secara kimia, baik akibat medium yang ditransportasikan maupun akibat lingkungan luar, harus dipertimbangkan. Faktor parsial untuk resistansi kimia untuk medium air bernilai 1,0. Untuk medium lain, A 2 harus ditentukan dengan pengujian lain berdasarkan ASTM D3681 dan pren g Faktor Parsial untuk Pembebanan Siklik, A 3 Pembebanan yang perlu dipertimbangkan dalam faktor parsial ini adalah: 1. Pembebanan akibat tekanan 2. Pembebanan akibat termal dan siklik lainnya Tekanan dan pembebanan yang siklusnya diperkirakan dibawah 7000 selama umur perancangannya dianggap sebagai pembebanan statis dan A 3 bernilai 1,0. Untuk pembebanan yang dianggap siklik atau fatigue, perlu dipertimbangkan nilai cyclic severity, R c, dengan persamaan berikut: F F min R c = (2.12) max Faktor parsial pembebanan siklik dapat dihitung dengan persamaan berikut: A R + 1 (1 ) exp (1 ) 1 N c Rc Rc (2.13) = 8 dimana, N adalah jumlah siklus selama umur pakai pipa tersebut Tekanan Perancangan Sistem (System Design Pressure) [8] Tekanan perancangan sistem (system design pressure) adalah tekanan maksimum yang diperkirakan dapat terjadi selama sistem pipa beroperasi. Besar tekanan tersebut tidak boleh melewati tekanan maksimum yang diijinkan sesuai dengan persamaan berikut: p d f f 3 p qf 2 (2.14) g Draft European Standard 25

21 Dimana: f 2 f 3 = faktor untuk tipe pembebanan = faktor untuk pembebanan aksial Faktor Pembebanan, f 2 Faktor tipe pembebanan ditentukan dari tipe pembebanan yang dominan pada pipa, sesuai dengan tabel 2.6 berikut. Tabel 2.6 Faktor pembebanan [8] Tipe Pembebanan Periode f 2 Contoh Pembebanan Occasional Short-term 0,89 Hydrotest Operational: Sustained + Berat sendiri + Ekspansi Long-term 0.83 Thermal thermal Operational: Sustained Long-term 0.67 Tekanan internal dan berat sendiri Faktor Pembebanan Aksial, f 3 Dalam menentukan nilai faktor pembebanan aksial perlu diketahui terlebih dahulu nilai rasio tegangan biaksial, r dan factored stress, σ fs yaitu: r σ sa(0:1) = 2 (2.15) σ sh(2:1) Dimana: σ sh(2:1) = kekuatan arah hoop jangka pendek dalam kondisi pembebanan 2:1 σ sa(0:1) = kekuatan arah aksial murni jangka pendek Nilai f 3 dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut: untuk r 1 f 3 2σ ab = 1 r f σ 2 fs (2.16) 26

22 untuk r > 1 f 3 = r 2σ ab f σ 2 fs (2.17) 2.7 Pemilihan Tebal Pipa Berdasarkan Rating Tekanan Statik [11] Berdasarkan API Specification 15HR, pemilihan tebal pipa GRP dapat dilakukan berdasarkan rating tekanan dan data hasil pengujian oleh produsen pipa GRP, yang dihitung dengan persamaan berikut: 2St s P = SF. D (2.18) Dimana: P = rating tekanan statik (MPa) S s D t SF = 95% Lower Confidence Limit (LCL) dari Long Term Hydrostatic Strength (LHTS) untuk umur rancang 20 tahun, berdasarkan ASTM D 2992 prosedur B pada temperatur 150 o F atau lebih (psi) = diameter rata-rata pipa (in) = tebal dinding pipa minimum (m) = safety factor Nilai safety factor maksimum yang direkomendasikan oleh API Specification 15LR dapat dilihat pada tabel 2.7 berikut. Tabel 2.7 Safety factor [11] Spesifikasi Beban cyclic Hydrostatic Design Basis (HDB) jangka panjang pada 150 x 10 6 siklus 95% Lower Confidance Limit (LCL) dari Long-term Hydrostatic Strength (LTHS) pada umur rancang 20 tahun, berdasarkan ASTM D 2992 prosedur B, pada temperatur 150 o F atau lebih Safety Factor 1,0 0, Analisis Statik Span [8] Analisis statik span merupakan salah satu konsiderasi penting dalam menjamin performa pipa yang baik sepanjang umur rancangnya. Pada analisis ini 27

23 akan ditentukan panjang span statik maksimum yang diperbolehkan untuk kondisi operasi, instalasi dan hydrotest. Dalam analisis span, biasanya pipa dalam kondisi partially restraint akan lebih kritis bila dibandingkan dengan pipa dalam kondisi fully restraint. Analisis ini akan menghitung panjang span maksimum yang diperbolehkan agar tegangan akibat gaya yang bekerja pada pipa yang ditumpu tidak menyebabkan kegagalan statik akibat tegangan berlebih (overstress) pada pipa. Analisis ini akan mencakup aspek tegangan maksimum dan juga ketahanan terhadap euler buckling yang diatur oleh Standard ISO Gambar 2.9 Span pada pipa [12] Berdasarkan Tegangan Aksial Maksimum [8] Panjang span maksimum pada pipa perlu dihitung agar tegangan aksial bending akibat span tersebut pada pipa yang dikombinasikan dengan tegangan aksial akibat tekanan internal pipa tidak melewati batas tegangan aksial maksimum jangka panjang (long-term) yang diijinkan menurut ISO Persamaan panjang span statik maksimum untuk analisis ini diturunkan dari persamaan tegangan bending akibat span dari ISO yang akan dibahas pada bagian analisis. Agar tidak terjadi kegagalan maka tegangan aksial total harus memenuhi persamaan tegangan aksial yang diperbolehkan sebagai berikut: σ h, sum r σ qs σ a, sum f 2 A1 A2 A3 ( 1 r) + (2.19) 2 2 Dimana: f 2 A 1 A 2 = faktor untuk tipe pembebanan = faktor parsial untuk temperatur = faktor parsial untuk resistansi kimia 28

24 A 3 = faktor parsial untuk pembebanann siklik Berdasarkan Euler Buckling Menurut ISO bagian 8.7.2, beban aksial kompresif, seperti ekspansi termal dan ekspansi tekanan, pada pipa yang di-span dengan panjang ertentu dan dianggap memiliki inersia tidak boleh melewati 3 π Dt r didefenisika an dengan persamaan berikut: 8 serta dalam kondisi tertahan (restrained), batas gayaa maksimumm euler buckling (F a,,max), yang 3 3 π D. t F a,ma ax = r E 2 a (2.20) 8L Dimana: L = panjang span (m) E a = modulus elastisitas pipa arah aksial (MPa) Faktor keamanann terhadap euler buckling harus lebih besar dari 3. Kondisi pipa yang mengalami gaya tekan aksial euler buckling diiliustrasikan sebagaimanaa dapat dilihat pada gambar 2.10 berikut. Gambar Euler Buckling [13] 2.9 Analisis Burial Perhitungan kedalaman pipa berdasarkan persamaan defleksi Splangler dan persamaan buckling Von Misses secara garis besar tercantum dalam AWWA M45. Metode tersebut berdasarkan asumsi nilai rancang yang digunakan untuk bedding, backfill dan tingkat kepadatan tanah diperoleh dengann pelatihan lapangan yang baik dan peralatan yang cocok. Jika asumsi tak dapat digunakan, defleksi dapat lebih tinggi atau lebih rendah dibanding hitungan hasil prediksi. Analisis ini bertujuan untuk mengetahui ketahanan pipa (bukan crossing) dalam menahan beban tanah sesuai dengan kedalaman rancang. Analisis ini akan menghitung kedalaman kubur maksimum yang diperbolehkan agar tegangan 29

25 akibat beban yang bekerja pada pipa yang dikubur tidak menyebabkan kegagalan akibat tegangan berlebih (overstress) pada pipa. Analisis ini akan mencakup aspek tegangan hoop maksimum dan juga ketahanan terhadap collapse buckling yang diatur oleh standard ISO Berdasarkan Tekanan Collapse Buckling [8] Collapse buckling yang sering disebut juga vacuum buckling adalah fenomena local buckling pada pipa yang diakibatkan oleh tekanan eksternal pada pipa kondisi vakum. Pipa harus dirancang agar memiliki nilai faktor keamanan terhadap collapse buckling, F e, sebesar 1,5 bila mengalami tekanan eksternal jangka pendek dan sebesar 3,0 untuk jangka panjang. Menurut ISO bagian 8.3. Nilai tekanan eksternal maksimum yang diperbolehkan agar tidak terjadi buckling, disebut sebagai tekanan collapse, p c, dihitung dengan persamaan berikut: Dimana: 3 1 t r p 2 c = Eh (2.21) Fe D F e E h = faktor keamanan terhadap collapse buckling = modulus elastisitas dalam arah hoop (MPa) [8,10 & 18] Berdasarkan Tegangan Hoop Maksimum Kedalaman kubur maksimum pada pipa GRP perlu dihitung agar tegangan hoop akibat beban tanah pada pipa yang dikombinasikan dengan tegangan hoop akibat tekanan internal pipa tidak melewati batas tegangan hoop maksimum jangka panjang (long-term) yang diijinkan menurut ISO Persamaan kedalaman kubur maksimum untuk analisis ini diturunkan dari persamaan tegangan hoop akibat beban tanah yang akan dibahas pada bagian analisis tegangan. Berdasarkan ISO bagian 7, tegangan hoop total maksimum yang diperbolehkan adalah sebagai berikut: σ Dimana: f A A A σ (2.22) hsum, qs 30

26 f 2 A 1 A 2 A 3 = faktor untuk tipe pembebanan = faktor parsial untuk temperatur = faktor parsial untuk resistansi kimia = faktor parsial untuk pembebanan siklik 2.10 Perancangan Crossing Perancangan crossing dilakukan ketika sistem perpipaan melewati fasilitas atau struktur lain seperti jalan raya, rel kereta api, sungai dan lain sebagainya. Hal ini perlu dilakukan karena pada lokasi ini pipa mengalami beban tambahan akibat fasilitas yang dilewatinya tersebut. Umumnya beban yang bekerja pada croosing pipeline dapat dikategorikan menjadi: Beban akibat tekanan dalam Beban tanah (jika pipa dikubur) Beban kendaraan (jika pipa dikubur dan melewati jalan raya atau rel kereta api) Crossing Jalan Raya [14] Berdasarkan API RP 1102, sistem perpipaan yang melewati jalan harus dilewatkan dengan cara dikubur ke bawah permukaan jalan pada kedalaman kubur tertentu seperti yang tercantum dalam tabel 2.8. Oleh karena itu pipa yang melewati jalan tersebut harus dilindungi dari beban tanah dan beban kendaraan yang melewatinya. Kedalaman penguburan dari alas jalan yang stabil dapat dihitung berdasarkan AWWA M45 untuk lalu lintas kendaraan. Namun jika alas jalan tidak stabil atau kedalaman kubur terlalu dangkal maka dibutuhkan sleeve baja atau beton (lihat gambar 2.11), jenis crossing ini disebut dengan cased crossing dan wall thickness minimum untuk casing pipa GRP yang melewati jalan raya (API RP 1102) adalah 0,134 inchi. Contoh perancangan crossing jalan dapat dilihat pada gambar 2.11 berikut. 31

27 Gambar 2.11 Casing pada crossing jalan raya [15] Table 2.8 Kedalaman crossing jalan raya [14] No. Lokasi Kedalaman Minimum 1. Dibawah permukaan jalan raya 4 ft (1,2 m) 2. Dibawah semua permukaan sepanjang perlintasan pipa 3 ft (0,9 m) 3. Untuk pipa penyalur HVL 4 ft (1,2 m) Data-data lain yang dibutuhkan dalam perancangan croosing jalan raya ini antara lain: Geometri dan lokasi crossing Kedalaman minimum dari cover ke dasar paling bawah dan ke permukaan jalan Metode konstruksi (bored, punched atau open-cut) Spesifikasi perpipaan (size, tebal dinding, tekanan operasi, kelas lokasi dan lain sebagainya) Bentuk profil penampang Tanda peringatan 32

28 Crossing Sungai Ada 2 metode yang biasa digunakan pada perancangan crossing sungai, yaitu: 1. Melewatkan pipa pada bagian atas permukaan sungai Perancangan dengan menggunakan metode ini biasanya dilakukan pada sungai yang tidak dipergunakan sebagai jalur transportasi dengan lebar yang tidak terlalu besar namun dalam. Kelebihan metode ini adalah biaya instalasi yang relatif lebih murah dan proses pemasangannya lebih gampang, namun metode ini sangat dibatasi oleh sifat kekakuan pipa. 2. Melewatkan pipa dengan dikubur pada dasar sungai Metode ini bisanya dilakukan pada sungai yang lebar dan tidak terlalu dalam. Kelebihan metode ini adalah pipa tidak menggangu aktifitas sungai dan tidak dipengaruhi oleh sifat kekakuan pipa, sedangakan kekurangan metode ini adalah biayanya yang relatif mahal dan proses instalasi lebih rumit. Analisis tegangan dan fleksibilitas pada crossing sungai ini dapat dilakukan dengan bantuan software pipe stress analysis, CAESAR v 4.5. Perhitungan tegangan ijin dilakukan berdasarkan code UKOOA, Specification and Recommended Practice for The Use of GRP Pipelines Analisis Tegangan, Fleksibilitas dan Buckling Menurut ISO 14692, derajat kedetilan analisis suatu sistem perpipaan bergantung pada faktor-faktor sebagai berikut: Fleksibilitas pipa Kompleksitas layout pipa Tumpuan pipa Diameter pipa Besarnya perubahan temperatur Besarnya resiko (risk) dari sistem Dengan semakin besarnya diameter dari pipa maka fleksibilitas suatu sistem pipa akan menurun dan faktor konsentrasi tegangan (stress intensification factor) pada bend dan tee pipa akan meningkat. 33

29 Batas Tegangan Maksimum Perancangan [8] Persyaratan umum pada perancangan adalah tegangan total hoop, σ h,sum, dan tegangan total aksial, σ a,sum, pada seluruh komponen pipa akibat beban sustained dan occasional tidak boleh melebihi nilai yang didefinisikan pada longterm design envelope. Jika tegangan total tersebut melebihi batas tersebut maka pipa dengan rating tekanan yang lebih tinggi harus dipilih. Proses ini diulang sampai tegangan total pipa memenuhi syarat yang telah dijelaskan tersebut Tegangan Akibat Tekanan Dalam [8] Tegangan hoop yang disebabkan tekanan dalam pada pipa dihitung dengan persamaan: p D σ hp = (2.23) 2 t r Dimana, p = tekanan dalam pipa (MPa) Untuk fitting perhitungan tegangan hoop ekivalen dihitung dengan persamaan: σ p hp fitting σ = p hp pipe (2.24) Sedangkan tegangan aksial yang disebabkan tekanan dalam pada pipa dihitung dengan persamaan: p D σ ap = (2.25) 4 t r Tegangan Aksial Akibat Bending pada Span Menurut ISO bagian 6, besarnya tegangan aksial akibat span pada pipa yang diasumsikan ditumpu fix-pinned dan simply supported adalah: [( D + 2t) / 2] M i i σ ab = (2.26) 6 I 10 p Dimana: I p = momen inersia polar pipa (m 4 ), yang dihitung dengan rumus, 34

30 I I M p p = I = p ( OD) I 4 4 ( OD ID ) 4 4 π OD πid π (2.27) 64 p 64 ( ID) = 64 = momen bending akibat dead weight pada batang yang ditumpu di dua tempat (Nm), dihitung dengan rumus: 2 S M = ρ 9,81 L /8 (2.28) L s ρ o i o = panjang span pada tumpuan = massa kombinasi massa pipa dan fluida (kg/m) 2 πdi ρ o = ρeff (2.29) 4 ρ eff = Densitas efektif dari kombinasi fluida dan material (kg/m 3) ρ ct ρ = + eff ρl 4 Di (2.30) ρ c = densitas pipa (kg/m 3 ) ρ c = densitas fluida di dalam pipa (kg/m 3) Jadi tegangan aksial total, σ a,bp, akibat tekanan dalam dan bending pada bagian bawah dan atas pipa dapat dihitung dengan persamaan: p D σ = ± +σ 4 a, bp ab (2.31) t r Tegangan Aksial Akibat Ekspansi [8] Tegangan aksial akibat ekspansi yang disebabkan perubahan temperatur pada pipa harus diperhitungkan. Menurut ISO bagian 8.4 perubahan temperatur efektif akibat adanya efek dari temperatur lingkungan dapat dihitung dengan persamaan: Δ T = k Δ (2.32) eff T pa Dimana: ΔT eff = perubahan temperatur perancangan efektif ( o C) ΔT pa = perbedaan temperatur antara temperatur lingkungan dan temperatur perancangan ( o C) k = faktor yang memperhitungkan konduktifitas termal pipa GRP yang rendah. k = 0,85 untuk cairan dan 0,8 untuk gas 35

31 Sedangkan tegangan aksial akibat ekspansi termal dapat dihitung dengan persamaan: σ = E α ΔT (2.33) at a eff Dimana, E a = modulus elastisitas pipa arah aksial (MPa) α = koefisien muai panjang pipa (mm/mm/ o C) Berbeda dengan sistem perpipaan logam, pada sistem perpipaan komposit perlu dipertimbangkan juga ekspansi akibat tekanan dalam pipa. Hal ini disebabkan oleh rendahnya modulus elastisitas dari bahan komposit itu sendiri. Besarnya ekspansi pipa akibat tekanan dalam dapat dihitung dengan persamaan: 1 ν min P r Δ Pr essure = (2.34) 2Et Eh t Dimana: Δ Pressure = ekspansi pipa akibat tekanan internal E tensile = modulus elastisitas aksial (MPa) E h = modulus elastisitas arah hoop (MPa) ν min = poisson s ratio P = tekanan internal (MPa) r = jari-jari luar pipa (m) t = tebal pipa (m) Gaya tekan aksial akibat ekspansi tekanan dapat dihitung dengan persamaan: σ = Δ (2.35) ap E a Pr essure Jadi besarnya tegangan aksial kompresi total akibat ekspansi adalah: σ = σ + σ (2.36) a at ap Tegangan Bending Akibat Beban Luar [8] Berdasarkan AWWA M45, tegangan bending pada pipa yang dikubur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Spangler untuk circumferential bending berikut ini: 36

32 S b 6 K. W. RE.. t = E t b e h r 3 3 h. r + 24 Kz. pr. (2.37) Dimana: K b = parameter bending W e = beban eksternal yang bekerja pada pipa (N/m) E h = modulus elastisitas pipa arah hoop (MPa) K z = parameter defleksi R = jari-jari luar pipa (m) Gaya luar yang bekerja pada pipa yang terkubur adalah beban tanah dan beban kendaraan (pada crossing jalan raya dan tel kereta). Beban tanah dihitung dengan persamaan prism load berikut. Wd = γ. Dh. (2.38) Dimana: γ = berat jenis tanah (kg/m 3 ) D = diameter pipa (m) h = kedalaman kubur (m) Beban kendaraan (wheel live load) dihitung dengan menggunakan persamaan Boussinesq s Point Load untuk wheel live load berikut: W L C. T I = P (2.39) L Dimana: I = faktor impak untuk live loads, berdasarkan API RP 1102 C T L P I σ = koofisien influence untuk beban terkonsentrasi tunggal = 4 I σ = panjang pipa efektif, biasanya diambil 0,91 m = wheel load (N/m) = influence value, dihitung berdasarkan variasi harga m dan n pada grafik gambar 2.12 berikut. B d m =, 2H L n = 2H 37

33 Gambar 2.12 Influence value I σ for conentrated or uniform surcharge of limited extent [10] Jadi, beban eksternal total yang dialami oleh pipa adalah sebagai berikut: We = Wd + WL (untuk crossing jalan dan rel kereta) (2.40) W e = W (bukan crossing) (2.41) d Shell Buckling [8] Tegangan aksial kompresif maksimum yang diperbolehkan pada pipa yang mengalami pure bending agar tidak terjadi dapat dihitung dengan persamaan: E t σ eff r u = β (2.42) D β = 0, ,8113β 0 0,83 (2.43) β0 = 0,1 + 0,005( D i / t r ) E eff = Modulus elastisitas aksial efektif, yang besarnya E eff = E E a h Rasio tegangan aksial kompresif total dengan tegangan maksimum buckling harus lebih besar daripada 3. Umumnya shell buckling menjadi masalah pada pipa berdiameter besar dengan dinding tipis. 38

34 Analisis Tegangan Menggunakan Software CAESAR II v 4.5 [16] Software CAESAR II V 4.5 merupakan alat bantu perhitungan tegangan dan fleksibilitas sistem perpipaan. Perhitungan dilakukan dengan cara memodelkan sistem perpipaan sesuai dengan data yang disediakan. Perhitungan tegangan dan fleksibilitas sistem perpipaan Glass Reinforced Plastics (GRP) menggunakan CAESAR II dilakukan berdasarkan code UKOOA: Specification and Recommended Practice for the Use of GRP Pipeline. Tegangan ijin menurut code UKOOA merupakan persamaan tegangan ijin untuk kombinasi tegangan aktual yang digunakan sebagai dasar analisis dengan software CAESAR II V 4.5. Persamaan ini merupakan penyederhanaan perhitungan untuk memberikan konservatisme dan batasan yang lebih ketat pada kondisi operasi suatu sistem perpipaan. Code UKOOA mendefinisikan sebuah envelope ideal dari kombinasi tegangan aksial dan tegangan hoop yang merupakan kriteria untuk menentukan tegangan ekivalen saat menimbulkan kegagalan. Idealized envelope untuk kombinasi tegangan aksial dan hoop dapat dilihat pada gambar 2.13 berikut. Gambar 2.13 Kurva envelope ideal dan kurva envelope aktual [16] Persamaan yang membentuk sebuah kurva envelope ideal tersebut adalah sebagai berikut: 39

35 Dimana: (σ x / σ x-all ) 2 + (σ hoop / σ hoop-all ) 2 [σ x σ hoop / (σ x-all σ hoop-all )] 1.0 (2.44) σ x-all = tegangan aksial yang diijinkan σ hoop-all = tegangan hoop yang diijinkan Code UKOOA membatasi secara konservatif dengan menempatkan titik tegangan (element stress value) tetap di bawah garis antara s x-all (dikenal sebagai s a(0:1) ) dan titik perpotongan pada kurva di mana S hoop dua kali S x (kondisi pipa yang terbebani hanya oleh tekanan). Untuk lebih jelas, lihat gambar 2.14 berikut. Gambar 2.14 Kurva envelope berdasarkan code UKOOA [16] Sebuah modifikasi tidak langsung pada persamaan tersebut adalah dengan memberikan faktor keamanan sebesar 2/3 untuk tegangan akibat beban tekanan sementara beban lain tidak diberikan. Hal ini memberikan persyaratan ekplisit (langsung) pada persamaan berikut: P des f 1 f 2 f 3 LTHP (2.45) Persamaan yang diimplementasikan pada software CAESAR untuk analisis menurut code UKOOA adalah sebagai berikut: σ ab (f 2 /r) + PD m / (4t) (f 1 f 2 LTHS) / 2.0 (2.46) Code Stress Code Allowable 40

36 Dimana: P D m t f 1 = tekanan dalam (MPa) = diameter rata-rata pipa (m) = tebal dinding pipa (m) = faktor keamanan untuk 97.5% lower confidence limit, umumnya 0.85 f 2 = faktor keamanan sistem, umumnya 0.67 σ ab r σ a(0:1) σ a(2:1) = tegangan bending aksial akibat beban mekanik (MPa) = σa(0:1)/σa(2:1) = kekuatan aksial jangka panjang tanpa beban tekanan (MPa) = kekuatan aksial jangka panjang akibat beban tekanan (MPa) LTHS = kekuatan hidrostatik jangka panjang/tegangan hoop ijin (MPa) Beban yang bekerja pada perpipaan GRP dapat diklasifikasikan sebagai berikut: Beban Operasi Kasus beban operasi (Load case OPE) menggambarkan kondisi aktual selama pipa beroperasi. Kasus beban operasi merupakan unifikasi kasus beban sustained dan ekspansi. Kasus beban ini memiliki batas allowable stress (tegangan ijin maksimum) yang ditentukan oleh code UKOOA. Beban Sustained Kasus beban sustained (Load case SUS) adalah kondisi selama pipa mengalami beban internal pressure (tekanan dalam) dan efek berat pipa beserta aksesorisnya. Pada code UKOOA, kasus beban ini tidak ditentukan allowable stressnya. Beban Ekspansi 41