Gambar 3.1 Upheaval Buckling Pada Pipa Penyalur Minyak di Riau ± 21 km

Transkripsi

1 BAB III STUDI KASUS APANGAN 3.1. Umum Pada bab ini akan dilakukan studi kasus pada pipa penyalur minyak yang dipendam di bawa tana (onsore pipeline). Namun karena dibutukan untuk inspeksi keadaan pipa, maka pipa pipa dibuka ingga tidak lagi berada di bawa tana. Keadaan ini menyebabkan pipa mengalami kenaikan temperatur akibat terkespos langsung ole panas mataari. Kondisi ini menyebabkan pipa pada akirnya mengalami upeaval buckling dalam bentuk defleksi secara global seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1. Pipa penyalur minyak ini berada di Riau ± 1 km yang mengalirkan minyak crude oil dengan temperatur 80 C dan tekanan maksimum 180 psi atau 1.4 MPa. Berdasarkan asil inspeksi lapangan ditemukan bawa tela terjadi upeaval buckling dengan tinggi defleksi 50 cm pada sepanjang 0 m segmen pipa. (a) Upeaval buckling Akibat Terekspos Panas Mataari (b) Upeaval buckling Akibat Kebakaran Hutan Gambar 3.1 Upeaval Buckling Pada Pipa Penyalur Minyak di Riau ± 1 km III-1

2 Data Operasional Pipeline Sebelumnya, perencanaan pipa arus dirancang sedemikian rupa seingga pipa dapat bertaan selama masa operasi dan memenui persyaratan untuk instalasi. Data operasional serta instalasi akan mempengarui pipa secara struktural, seperti ketebalan pipa, seingga pipa dapat bekerja optimal selama masa operasi. Tabel 3.1 Data Operasional Pipeline PARAMTR NIAI Diameter Pipa, D o 8 (in) 03. (mm) Ketebalan Pipa, t (in) 7.94 (mm) Tekanan Internal Pipa, P 180 (psi) 1.4 (MPa) Temperatur Instalasi, T 1 68 ( F) 0 ( C) Temperatur Operasi Maksimum, T 176 ( F) 80 ( C) Fluida Isi (content) Minyak menta (crude oil) Massa Jenis Oil, ρ oil 834 (kg/m 3 ) Kelas Material Pipa API 5 Grade B SMYS, S (psi) 41.3 (MPa) SMTS (psi) (MPa) Modulus Young, 30 x 10 6 (psi) 07,000 (MPa) Rasio Poisson s, υ 0.3 Massa Jenis Material Pipa, ρ steel 490 (lb/ft 3 ) 7,849 (kg/m 3 ) Koefisien kspansi Termal, α 6.5 x 10-6 (in/in F) 1.17 x 10-5 (mm/mm C) Properti Tana Seperti tela diketaui bawa gaya aksial penyebab buckling ditaan ole gaya friksi tana serta berat total pipa. Ole karena itu sangat penting untuk diketaui jenis serta properti tana seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. berikut : III-

3 Tabel 3. Data Properti Tana Properti Tana Jenis Tana Sand Massa Jenis Tana, ρ soil 1,984 (kg/m 3 ) Koefisien Friksi Tana, μ 0.5 Kedalaman Pipa di Bawa Tana 0 (mm) 3.. Tekanan Isi Pipa Disain tekanan isi pipa tentunya dirancang jau lebi kecil daripada tekanan maksimum yang diijinkan. Namun dengan memperitungkan tekanan maksimum yang diijinkan di dalam pipa teradap ketebalan pipa, dapat diketaui profil kekuatan tebal pipa teradap tekanan isi pipa. Dengan menggunakan persamaan ASM B 31.4 untuk disain pipa minyak berikut : S t P = D o ( F T ) Maka diperole tekanan maksimum yang diijinkan bekerja pada tebal pipa 7.94 mm adala P = 13.5 MPa. Tekanan disain operasi (P = 1.4 MPa) masi jau lebi kecil dari tekanan ini atau lebi kurang 10 kali lebi kecil dari tekanan maksimum yang diijinkan Properti Pipa Dalam peritungan, akan digunakan data data operasional seperti yang tela diuraikan di atas. Awalnya diperitungkan properti pipa sebagai berikut : a) uas penampang pipa uas permukaan potongan melintang pipa A A s s = π ( D t) o = 4,870 mm uas permukaan pipa bagian dalam t III-3

4 ( D t) Ai = π o 4 A = 7,559 mm i uas permukaan pipa bagian luar A A o o = π Do 4 = 3.49 mm b) Momen inersia pipa 4 4 [ D ( D t) ] I = π o o 64 I = 3,50,793 mm c) Massa total pipa M = M + M p steel 4 content Dimana : M M steel steel ( D t) = π t ρ = 38.3 kg / m o steel π 4 M content= ( Do t) ρ oil M content =.98 kg/m Maka : M p = 61.1 kg/m 3... Tegangan Kerja yang Diijinkan Sesuai dengan kode standar ASM B , tegangan yang diijinkan : Tabel 3.3 Besar Tegangan Operasi Yang Diijinkan Tegangan Tegangan Kerja yang Diijinkan f. SMYS Tegangan Hoop 7% SMYS 174 MPa Tegangan ongitudinal 80% SMYS 193 MPa Tegangan kivalen 90% SMYS 17 MPa III-4

5 Jika terdapat sala satu tegangan yang melebii tegangan ijinnya, maka sistem pipa akan mengalami kegagalan dalam bentuk deformasi plastis atau yielding Analisis Tegangan Akan dilakukan analisis peritungan tegangan yang mungkin bekerja pada pipa. Dengan beban operasi tekanan dan perubaan temperatur pipa, tegangan tegangan yang bekerja pada pipa didisain untuk tidak melebii tegangan yang diijinkan. Ole karena itu dilakukan peritungan dan analisis tegangan tegangan yang bekerja pada pipa apaka masi berada di bawa tegangan ijinnya ingga sistem pipa tidak akan mengalami kegagalan. Tabel 3.4 Analisis Tegangan Pada Temperatur Operasi Normal Analisis Tegangan Keterangan P Do = = 16 MPa Tegangan Hoop t P Do = 0. 7SMYS = 16 MPa 174 MPa OK! t P = υ = 5 Tegangan longitudinal P MPa Poisson s ( T T ) T = α 1 T = 145 MPa ( ) Tegangan longitudinal termal = υ α T T 1 = 140 MPa Total tegangan longitudinal 0. 8SMYS = 140 MPa 193 MPa OK! = + ( ) = 149 Tegangan ekivalen Von MPa Misses 0. 9SMYS = 149 MPa 17 MPa OK! Berdasarkan tegangan operasi yang diijinkan, maka searusnya pipa tidak mengalami kegagalan karena semua tegangan operasi masi berada di bawa tegangan ijinnnya. Namun, kondisi operasi di lapangan yang sebenarnya tela ditemukan bawa III-5

6 temperatur operasi lebi dari 80 C. Hal ini disebabkan karena sistem pipa terekspos ole panas mataari ingga mengalami kenaikan temperatur diasumsikan ingga 150 C (30 F). Peningkatan temperatur operasi menyebabkan ekspansi termal juga semakin meningkat. Hal ini menyebabkan tegangan yang arus ditaan ole pipa juga semakin meningkat. Dengan kata lain peningkatan temperatur operasi akan menyebabkan pipa semakin berada dalam keadaan kompresif. Berikut dilakukan peritungan tegangan termal pada temperatur 150 C seingga diperole tegangan longitudinal dan tegangan ekivalen pada T = 150 C sebagai berikut : Tabel 3.5 Analisis Tegangan Pada Temperatur Operasi 150 C ( ) Analisis Tegangan T = α T T 1 T = MPa ( ) = υ α T T 1 = MPa Keterangan Tegangan longitudinal termal Tegangan longitudinal pada restraint pipe 0. 8SMYS = MPa 193 MPa Yielding = + ( ) = 318 Tegangan ekivalen Von MPa Misses 0. 9SMYS = 318 MPa 17 MPa Yielding Karena kedua tegangan longitudinal dan tegangan ekivalen bekerja melebii tegangan ijinnya, maka pipa akan mengalami deformasi Analisis Gaya Aksial fektif Pipa Pada peritungan ini akan dilakukan peritungan gaya aksial yang dialami pipa pada temperatur operasi normal 80 C dan temperatur operasi 150 C sebagai berikut : Tabel 3.6 Analisis Gaya Aksial fektif Pipa III-6

7 F P PA i Analisis Gaya Aksial = F P = 34. kn Keterangan Gaya aksial akibat tekanan internal F Po = υ A F Po = 3. kn s T = 80 C (176 F) Gaya aksial akibat pengaru Poisson s F T ( T T ) As = α 1 F T = 707. kn T = 150 C (30 F) Gaya aksial akibat pengaru termal F T = 1, 53 kn T = 80 C (176 F) F ( T T ) As = PAi + υ As α 1 F = 718. kn T = 150 C (30 F) Gaya aksial efektif pada restraint pipe F = 1, 543 kn Melalui asil peritungan gaya aksial akibat pengaru temperatur yang bekerja pada pipa, dapat dibuktikan bawa gaya aksial akibat pengaru temperatur sangat kompresif. Hal ini ditunjukkan bawa gaya aksial akibat pengaru temperatur jau lebi negatif (-) daripada gaya aksial akibat tekanan internal dan pengaru Poisson. Hal ini menyebabkan gaya aksial total yang bekerja pada pipa juga menjadi sangat kompresif Analisis Gaya Friksi Tabel 3.7 Analisis Gaya Friksi Tana pada H = 0 m Analisis Gaya Friksi P c = γh P c = 0 MPa A = π A c = 638 mm / mm panjang c D o Keterangan Tekanan tana yang bekerja pada pipa uas penampang segmen pipa W p = M g W p = 600 N / m Berat pipa dan isinya p III-7

8 f = μ ( P A + W ) f = 6 kn Gaya friksi tana c c p. Sedangkan gaya friksi tana yang menaan gaya aksial kompresif pipa dipengarui ole tekanan tana yang bekerja pada pipa dan berat pipa itu sendiri dan isinya. Melalui asil peritungan dimana pipa tidak lagi berada dalam kondisi terpendam, maka diperole pula bawa tidak akan ada tekanan tana yang bekerja pada pipa. Gaya friksi tana dalam kondisi ini dipengarui ole berat pipa itu sendiri dan isinya serta friksi tana di sekeliling pipa. Melalui asil peritungan dapat diketaui bawa gaya berat pipa dan isinya jau lebi kecil daripada gaya aksial kompresif pipa yang arus ditaan ole gaya friksi tana. Secara teoritis, al ini tentunya akan menyebabkan sistem pipa mengalami buckling karena gaya aksial pipa yang sangat kompresif tidak dapat ditaan ole gaya friksi tana Pengaru Variabel Temperatur teradap Gaya Aksial Kompresif Pipa Untuk mengetaui pengaru temperatur teradap gaya aksial efektif pipa, maka dilakukan variasi besar temperatur. Pada studi kasus ini, terjadi kasus perubaan temperatur yaitu akibat sun eat dan kebakaran utan. Tabel 3.8 Parameter Peritungan Gaya Aksial fektif Pipa PARAMTR NIAI Diameter Pipa, D o 03. (mm) Ketebalan Pipa, t 7.94 (mm) Tekanan Internal Pipa, P 1.4 (MPa) Temperatur Instalasi, T 1 0 ( C) Temperatur Operasi, T 80 ( C) Modulus Young,.07 x 10 5 (MPa) Rasio Poisson s, υ 0.3 Koefisien kspansi Termal, α 1.17 x 10-5 (mm/mm C) uas Penampang Internal Pipa, A i 7,559 (mm ) uas Penampang Baja, A s 4,871 (mm ) III-8

9 Tegangan Hoop, Gaya Aksial Pengaru Tekanan Internal, p Gaya Aksial Pengaru Poisson, Po Kenaikan Temperatur Akibat Sun Heat (MPa) -34,00 (N) 5,54 (N) Tabel 3.9 Peritungan Gaya Aksial fektif Pipa dengan Peningkatan Temperatur Akibat Sun Heat Temperatur Operasi Akibat Sun Heat ( C) Gradien Temperatur ( C) Gaya Aksial Pengaru Termal (kn) Gaya Aksial fektif (kn) ,179-1, ,97-1, ,414-1, ,53-1, Kenaikan Temperatur Akibat Kebakaran Hutan Tabel 3.10 Peritungan Gaya Aksial fektif Pipa dengan Peningkatan Temperatur Akibat Kebakaran Hutan Temperatur Operasi Akibat Forest Fired ( C) Gradien Temperatur ( C) Gaya Aksial Pengaru Termal (kn) Gaya Aksial fektif (kn) ,1 -, ,479-4, ,836-6, ,015-8, Pengaru Variabel Kedalaman Pipa teradap Gaya Friksi Tana Untuk mengetaui pengaru kedalaman pipa di bawa tana teradap gaya friksi tana, maka dilakukan variasi kedalaman pipa di bawa tana yaitu 0 m, 0.5 m, 1 m, 1,5 III-9

10 m, dan m. Pengaru ini ditunjukkan dengan melakukan plot gaya friksi tana teradap kedalaman tana. Peritungan gaya friksi tana berdasarkan ASM B31.1 Power Piping Non-mandatory Appendix VII akan mengikuti perumusan berikut : ( P A W ) f = μ + c c p Dimana P c = γh untuk H / 3 dan D o P = γc B untuk H / > 3 c d d D o Tabel 3.11 Parameter Peritungan Gaya Friksi Tana PARAMTR NIAI Panjang Segmen Pipa, 0 (m) Diameter Pipa, D o 03. (mm) Ketebalan Pipa, t 7.94 (mm) uas Penampang Internal Pipa, A i 7,559 (mm ) uas Penampang Baja, A s 4,871 (mm ) Massa Jenis Material Pipa, ρ steel 7,849 (kg/m 3 ) Massa Jenis Oil, ρ oil 834 (kg/m 3 ) Massa Jenis Tana, ρ soil 1980 (kg/m 3 ) Koefisien Friksi Tana, μ 0.5 uas Permukaan Segmen Pipa, A c Berat Pipa, M steel Berat Oil Content, M oil Berat Pipa dan Oil Content, W p 638 (mm /mm panjang) 375 (N/m) 5 (N/m) 600 (N/m) Tabel 3.1 Peritungan Pengaru Kedalaman Tana Teradap Gaya Friksi Tana Kedalaman Rasio Tekanan Tana Gaya Friksi Gaya Friksi Koefisien C Pipa (m) H/D d o (N/m ) Tana (N/m) Tana (kn) ,700 3, III-10

11 ,860 5, ,788 6, ,513 7, Analisis Kolom uler a) Jari jari girasi pipa r = I / A s r = 69 mm b) Slenderness ratio pipa Slenderness ratio = / r Slenderness ratio = 89 c) Beban kritis uler pipa P P cr cr I = π = kn d) Tegangan kritis uler pipa cr cr = π ( r) = 4 MPa e) Kurva elastis π y = Asin x Plot kurva ini dilakukan dengan mengambil amplitud maksimum A = 50 cm dimana amplitud ini sama dengan defleksi maksimum yang terjadi. Dengan mengambil batasan 0 x dan A = 50 cm dimana = 0 m, maka diperole kurva elastis sebagai berikut : III-11

12 Dispalcement, y (cm) Jarak dari x (m) Gambar 3. Defleksi Vertikal Pipa Sebagai Fungsi Panjang Pipa 3.9. Analisis Panjang Pipa Berdasarkan Kriteria Kolom Berdasarkan kriteria beban kritis kolom uler, maka dapat ditentukan panjang kolom atau panjang pipa efektif agar tidak terjadi buckling pada temperatur operasi normal 80 C. Panjang pipa efektif ini dapat diketaui dengan menggunakan batasan beban kritis uler teradap gaya aksial efektif. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : P cr = F i i s ( T T ) A s π I = P A υ A + α 1 = 8 m kspansi dan Flexibilitas Sistem Pipa Sebagai sala satu alternatif mencega upeaval buckling dapat dilakukan dengan memasang loop pada sistem pipa. Sistem loop ini digunakan agar mampu menyerap defleksi yang tertaan ole pipa. Maka untuk mengakomodasi defleksi sebesar 50 cm, pipa arus memiliki panjang loop yang cukup agar defleksi ini tidak terjadi dalam bentuk buckling. Peritungan panjang loop mengikuti perumusan berikut ingga diperole panjang loop sebagai berikut : 3D( y) l = S l = 11.4 m III-1