BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN

Transkripsi

1 BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN 4.1 Perhitungan Ketebalan Minimum ( Minimum Wall Thickess) Dari persamaan 2.13 perhitungan ketebalan minimum dapat dihitung dan persamaan 2.15 dan 2.16 untuk pipa bending radius. Hasil perhitungan ditunjukkan pada kalkulasi dan Tabel. 4.7 dan 4.8 Kalkulasi untuk pipa lurus persamaan (2.13) P 0.8 MPa D mm S MPa Fp 1 Y 0.4 C 3 mm t 68

2 mm mm mm mm tm t + c tm mm Tabel. 4.1 Ketebalan minimum untuk pipa lurus Parameter Besaran Satuan P (Pressure) 0.8 MPa D ( Diameter) mm S ( Allowable Stress) MPa Fp (Coeficien Factor) 1 Y (Coeficien Y) 0.4 c ( Allowance Corosion ) 3 mm t mm t m mm Kalkulasi untuk pipe bending radius Persamaan(2.15) Intrados (inside bending radius) I 69

3 1.107 t mm mm mm Kalkulasi untuk pipe bending radius Persamaan(2.16) Extrados (outside bending radius) I 70

4 0.924 t mm mm mm Tabel 4.2 Ketebalan minimum untuk pipa bends Parameter Besaran Satuan P (Pressure) 0.8 MPa D ( Diameter) 12 inch mm S ( Allowable Stress) MPa Fp (Coeficien Factor) 1 Y (Coeficien Y) 0.4 I intrados I extrados t intrados mm t extrados mm Perbandingan antara hasil perhitungan ketebalan pipa manual dengan ketebalan pipa rancangan awal untuk pipa lurus mempunyai selisih yang besar yaitu 9.27 mm 71

5 3.918 mm mm. Sedangkan untuk pipe bends intrados 9.27 mm mm mm,dan untuk pipe bends extrados 9.27 mm mm mm. Sehingga pipa dinyatakan aman karena nilai t perhitungan manual < t actual Perhitungan Nilai Jarak Span Support berdasarkan Maximum Stress. Perhitungan nilai panjang span support sesuai dengan persamaan 2.42 : L Menentukan nilai modulus section Z m 3 atau 2.33 x 10-4 m 3 Menghitung total gaya dari seluruh lay out piping Total Gaya (W total ) ( W fluida ) + ( W Insulasi ) + ( W pipa ) ( ) N N 72

6 L m m 1 m m 4.3 Analisa Tegangan Pipa dengan Output CAESAR II Dari pengumpulan data yang dilakukan, maka langkah selanjutnya analisa tegangan pipa dengan program CAESAR II Langkah-langkahnya adalah sebagai berikut : 1. Menentukan nama project - Nama project : Desain at 28 - Pilih piping input 73

7 Gambar 4.1 Tampilan layar input defines system - Klik OK maka muncul satuan-satuan yang akan digunakan. Gambar 4.2 Tampilan layar units system 2. Maka akan muncul kolom classic piping input. Masukan data-data yang sudah didapat baik dari data pipa,data service, data fluida maupun insulasi. 74

8 Gambar 4.3 Tampilan classic piping input 3. Membuat modeling perpipaan steam Dalam membuat modeling berdasarkan referensi dari isometric drawing rancangan perpipaan steam sebagai berikut : Gambar 4.4 Isometric drawing rancangan perpipaan steam 75

9 Dibawah ini tampilan modeling pada CAESAR II Gambar 4.5 Tampilan modeling perpipaan steam pada CAESAR II 4. Analisa tegangan pipa Setelah semua data-data untuk desain at 28 sistem perpipaan steam telah dimasukkan kedalam sistem, maka cek apakah modeling pipa sudah sesuai (tidak terjadi kesalahan dalam input modeling) dengan start run sehingga analisa tegangan dapat dilakukan lebih lanjut. Gambar 4.6 Tampilan error and warning checking CAESAR 76

10 Proses analisa dimulai dengan memilih perintah Batch Run pada program CAESAR. Berikut tampilan setelah memilih perintah Batch Run tanpa ada data yang salah. Gambar 4.7 Tampilan load case analisa CAEAR II 5. Hasil Analisa 77

11 Gambar 4.8 Tampilan report analisa CAESAR II Gambar 4.9 Tampilan grafik analisa tegangan pipa output CAESAR II Kemudian dimunculkan Report Stress ataupun Stress Summary CAESAR II untuk model rancangan awal, menunjukan bahwa terjadi tegangan berlebih (overstress) ataupun dikatakan kegagalan desain ( failed design) sehingga perlu dilakukan desain ulang (redesain) pada penentuan jenis dan posisi penyangga (support) pipa. 78

12 Dari analisa output CAESAR dapat dijelaskan melalui pembuktian teori dasar dimana terjadi kegagalan desain (failed design) sebagai berikut: Dalam perhitungan limitasi jarak penyangga (span support limit) menunjukkan bahwa jarak maksimum penyangga (support) adalah 19 m, maka dapat dihitung besarnya momen bending maksimum, tegangan bending atau geser maksimum dan defeksi maksimumnya. Nilai momen bending maksimum dari span support limit : M max N.m Nilai maximum stress dari span support limit : σ b N/m N/m 2 atau Pa kpa. Nilai maksimum deflection dari span support limit : Δ 79

13 m m Standard Distance m Distance on Design 29 m Force N/m Maximum Deflection 0.063m (Manual) Deflection yang terjadi 4 m σ max kpa (Caesar) Manual Allowable Stress kpa σ max kpa (Manual) σ yang terjadi kpa M max N.m CAESAR Gambar 4.10 Ilustrasi gambar analisa failed design berdasarkan teori dasar. Hal ini menunjukan bahwa terdapat kesalahan desain untuk posisi penyangga (support) yang menyebabkan terjadi tegangan dan defleksi yang berlebih. Maka perlu dilakukan desain ulang pada rancangan pipa. 80

14 6. Desain ulang perancangan perpipaan Desain ulang dilakukan dengan mengatur/menentukan ulang jenis maupun posisi penyangga (support) pipa dan juga mempertimbangkan efektif dan efisiensi pengunaan support.(perlu dilakukan berulang-ulang mendesain ulang dan analisa tegangannya untuk mendapatkan desain yang terbaik). Berikut hasil desain ulang rancangan perpipaan. 7. Hasil analisa desain ulang. Gambar 4.11 Desain ulang perpipaan steam Gambar 4.12 Tampilan view report CAESAR untuk sustained load 81

15 Gambar 4.13 Tampilan view report CAESAR untuk occasional load Gambar 4.14 Tampilan view report CAESAR untuk expansion load Dimana tidak terjadi kegagalan akibat tegangan berlebih (over stress) sehingga dapat dianalisa lebih lanjut. 82

16 4.4 Analisa Tegangan Pipa dengan Perhitungan Manual Data material pipa ASTM/ASME A-106. GR.B ditunjukkan pada Tabel 4.1, sedangkan kondisi kerja pada sistem perpipaan outlet steam header boiler batubara menuju steam header boiler gas plant 1 ditunjukkan pada Tabel. 4.3 Tabel 4.3 Data material pipa Parameter Besaran Unit NPS (12 inchi) mm Schedule 40 - Inside Diameter mm Outside Diameter mm Wall Thickness mm Corrosion Allowance 3 mm Pipe Density 8025 kg/m 3 Moment of Inersia m 4 Perhitungan momen inersia untuk silinder pejal I xx I m 4 Perhitungan nilai modulus section Z m 3 atau 2.33 x 10-4 m 3 83

17 Tabel. 4.4 Properti profil cross section bangun ruang (Sumber: Khurmi Machine Design Hand Book) Tabel. 4.5 Kondisi kerja pipa Parameter Besaran Unit Operating Temperatur 347 F Pressure 0.8 MPa Fluid Density kg /m 3 Tabel 4.6 Allowable stress pipa pada variasi temperatur Material Spec Grade Allowable stress pada temperature ( F) dalam ksi No Carbon Steel A 106 B (Sumber: ASME B13.3 Process Piping) 84

18 4.4.1 Perhitungan Tegangan Ijin (Allowable Stress) Nilai tegangan ijin yang digunakan sebagai acuan adalah nilai tegangan ijin berdasarkan desain temperatur. Nilai tegangan ijin dari setiap kondisi berbeda. Untuk kondisi sustained load nilai tegangan ijin sama dengan nilai tegangan ijin pada yang ditunjukkan pada Tabel 4.4 hasil interpolasi ditunjukkan pada Tabel 4.5 Tabel. 4.7 Nilai tegangan ijin material untuk sustained load Temperatur ( F ) S ( MPa) Untuk kondisi occasional load nilai tegangan ijin ditentukan sesuai Persamaan 2.17.Hasil perhitungannya adalah sebagai berikut : S occasional 1.33 x Sh 1.33 x MPa Dari Persamaan 2.18 kondisi ekspansi thermal nilai tegangan ijin material dapat dituliskan sebagai berikut. Hasil perhitungan ditunjukkan pada Tabel 4.5 berikut : S ekpansi f (1.25 Sc Sh) 1 ( 1.25 x MPa x MPa) 1 ( )MPa MPa 85

19 Tabel. 4.8 Nilai tegangan ijin material berdasarkan ekspansi load Parameter Besaran Unit Sc MPa Sh MPa f 1 S ekspansi MPa Nilai Tegangan Sustained Load Sustained load adalah total dari longitudinal stress yang disebabkan oleh tegangan longitudinal tekan, tegangan axial dan tegangan tekuk. Nilai dari tegangan longitudinal tekan adalah sama pada setiap segmen pipa dikarenakan pressure fluida pada setiap segmen sama. Nilai dari tegangan longitudinal tekan sesuai dengan persamaan 2.22 σ lp σ lp 6.8 MPa 6800 kpa Tabel 4.9 Nilai tegangan longitudinal tekan Parameter Besaran Unit P 0.8 MPa OD mm T mm S L 6.8 MPa 86

20 Nilai dari tegangan akibat gaya axial pada setiap segmen pipa adalah sama dikarenakan gaya axial yang diakibatkan oleh pressure sama pada setiap segmen. Formula yang digunakan untuk menghitung tegangan axial sesuai dengan persamaan Hasil dari tegangan akibat gaya axial dapat dilihat pada Tabel 4.10 Parameter Besaran Unit NPS ( 12 inchi ) mm Schedule STD - Inside Diameter mm Outside Diameter mm Wall Thickness mm Corrosion Allowance 3 mm Pipe Density 8025 kg/m 3 Moment of Inersia m 4 Pipa outside diameter Ao Pipa inside diameter A i A m mm 2 σ ax 87

21 7.033 MPa 7033 kpa Tabel 4.10 Nilai tegangan akibat axial load Parameter Besaran Satuan P (Pressure) 0.8 MPa OD (Outside Diameter) mm I D ( Inside Diameter ) mm 2 Ai ( Inside Area Section) mm 2 Am ( Area Section) mm 2 σ ax (Axial Stress) MPa Nilai bending stress dihitung setiap segmen dari pipa, maksud dari setiap segmen adalah potongan pipa antar support. Gambar 4.15 Tampilan segmen dari lay out perpipaan Nilai tegangan akibat beban berat baik berat pipa, berat fluida maupun insulasi (tegangan tekuk) berbeda pada setiap segmen dikarenakan setiap segmen-segmen pipa mempunyai panjang dan terdapat beban tambahan yang berbeda sehingga nilai momen bending berbeda, setelah diketahui nilai momen bending dari setiap segmen nilai bending stress dapat diketahui sesuai dengan persamaan Dan hasil perhitungan 88

22 manual bending stress ditunjukkan pada Tabel Berikut adalah kalkulasi bending stresss dari 4 segmen yang telah ditentukan. Perhitungan beban merata segmen 1 (Node 64-75) Data fluida : Steam density ( P 0,8 MPa) kg/m 3 Area section ( inside diameter) π/4.d 2 {π/4.( ) 2 } m 2 Massa ρ steam x A steam kg/m 3 x m kg/m Gravitasi Gaya ( W fluida ) 10 m/s N per meter Data insulasi : Insulasi Density 240 kg/m 3 89

23 Area section π/4.(d o 2 -d i 2 ) π/4.( ) m 2 Massa ρ insulasi x A insulasi 240 kg/m 3 x m kg/m Gravitasi Gaya ( W Insulasi ) 10 m/s N per meter Data pipa : mm (dia. 12 inch) Massa Gaya ( W pipa ) 80 kg/m 800 N per meter Total Gaya (W total ) ( W fluida ) + ( W Insulasi ) + ( W pipa ) ( ) N N M max N.m N.m 90

24 σ b atau Pa atau Pa kpa MPa 4.3 m N/m kpa kpa N.m Gambar 4.16 FBD,SFD dan BMD pada segmen 1 (node 64-75) 91

25 Perhitungan beban merata segmen 3 ( Node ) Data Expansion Joint(Type EB-1J) Massa Panjang Gaya 5.7 kg 304 mm 57 N Total Gaya (W total ) ( W fluida ) + ( W Insulasi ) + ( W pipa ) + ( W expansion joint ) ( ) N N M max N.m N.m 92

26 σ b atau Pa atau Pa kpa MPa Perhitungan beban merata segmen 6 (Node ) Total Gaya (W total ) ( W fluida ) + ( W Insulasi ) + ( W pipa ) + ( W expansion joint ) ( ) N N M max 93

27 N.m N.m σ b atau Pa` atau Pa kpa MPa Perhitungan beban merata segmen 7 (Node ) Total Gaya (W total ) ( W fluida ) + ( W Insulasi ) + ( W pipa ) + ( W expansion joint ) ( ) N 94

28 N M max N.m σ b atau Pa` atau Pa kPa MPa 95

29 Tabel.4.11 Beban akibat sustained load dari perhitungan manual Segmen Axial Longitudinal Longitudinal Sustained Allowable Stress Stress (kpa) Bending Stress (kpa) Pressure Stress(kPa) Load (kpa) Sustained Load (kpa) S S S S Nilai Tegangan Occasional Load Perhitungan nilai tegangan occasional load akibat beban angin sesuai dengan Persamaan Nilai dari tegangan occasional load akibat beban angin sangat kecil sehingga nilainya bisa diabaikan. Hasil perhitungan manual occasional load akibat angin ditunjukkan pada Tabel Contoh kalkulasi occasional load pada segmen 4 Diketahui : ρ V kg/m3 25 km/jam atau 6.94 m/s μ N.s/m 2 D mm atau 0.32 m Menentukan bilangan coefficient drag (Cd) dari persamaan 2.37 Re D 96

30 Dari perhitungan diatas maka didapat nilai bilangan Reynold sehingga ditentukan coefficient drag(cd) berdasarkan grafik. Coefficient drag (Cd) 24/Re 24/ Beban yang diterima dari persamaan 2.35 dan 2.36 q kg.m/s 2 atau N F 0.55 N per m 97

31 Tabel.4.12 Beban akibat occasional load (wind) dari perhitungan manual Dari tabel diatas dapat disimpulkan bahwa nilai dari tegangan occasional load sangat kecil untuk perhitungan manual diperoleh nilai dari tegangan akibat beban angin terbesar 0.4 Pa atau kpa pada segmen 1. Jadi dapat disimpulkan bahwa sistem perpipaan yang terkena beban angin dengan kecepatan rendah dapat diabaikan. Perhitungan nilai tegangan occasional load akibat beban seismic sesuai dengan persamaan Hasil perhitungan occasional akibat beban seismic ditunjukkan pada tabel.contoh kalkulasi perhitungan tegangan akibat seismic pada segmen 1 (Node 64-75) ditunjukkan pada persamaan dibawah ini : S S Diketahui i 1 σ kpa (nilai bending stress sustained segmen 1) G S 0.2 (seismic acceleration) 0.75 x i x 12 x σ x 1.5 x G 98

32 0.75 x 1 x 12 x kpa x 1.5 x kpa Tabel.4.13 Beban akibat seismic load dari perhitungan manual Segmen Stress Intensification Factor (I) Seismic Acceleration (G ) Sustained Load ( kpa) Seismic Load (kpa) S S S S Tabel.4.14 Beban akibat wind dan seismic load-(occasional load) Allowable Segmen Wind Load Seismic Load Occasional Load Stress (kpa) (kpa) (kpa) Occasional Load (kpa) S S S S Nilai Tegangan Expansion Load Perhitungan nilai tegangan thermal ekspansi untuk pipa lurus sesuai dengan persamaan 2.39 sampai dengan Contoh perhitungan nilai tegangan pada pipa lurus segmen 3 ( Node ) dan segmen 6 (Node ) adalah sebagai berikut : Menentukan defleksi pipa pada pipa lurus segmen 3 ( Node ) Δ 99

33 m m Nilai tegangan thermal ekspansi pada pipa lurus segmen 3 ( Node ) M N.m N.m N.m S N/m 2 100

34 N/m 2 atau kpa. Menentukan defleksi pipa pada pipa lurus segmen 6 (Node ) Δ m m Menentukan thermal ekspansi pada pipa lurus segmen 6 (Node ) M N.m N.m N.m 101

35 S N/m N/m 2 atau Pa kpa. Tabel.4.15 Perbandingan defleksi maksimum dari desain awal dan desain ulang Defleksi Maksimum Defleksi Maksimum Kondisi Interval Node Jarak support Perhitungan Manual yang terjadi pipa Antar support (Maks m) (0.063m/maks. span support) (Output CAESAR) Desain Segmen 1 awal Desain ulang (60-190) 29 m 0.41 m 4 m Segmen 1 (65-75) 4.3 m m m Segmen 2 (75-130) m m m Segmen 3 ( ) m m m Dalam hal ini perbedaan pada desain awal dari no didesain dengan 1 segmen dengan jarak 29 m (1 support), sedangkan untuk desain ulang di desain dengan 3 segmen dengan segmen m, segmen m dan segmen m (4 support). 102