ANALISIS KASUS UPHEAVAL BUCKLING PADA ONSHORE PIPELINE

Transkripsi

1 ANALISIS KASUS UPHEAVAL BUCKLING PADA ONSHORE PIPELINE Diajukan untuk meraih gelar sarjana Teknik Metalurgi pada Program Studi Teknik Metalurgi Institut Teknologi Bandung TUGAS AKHIR Oleh: Depita Harahap PROGRAM STUDI TEKNIK METALURGI FAKULTAS TEKNIK PERTAMBANGAN DAN PERMINYAKAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

2 ABSTRAK ANALISIS KASUS UPHEAVAL BUCKLING PADA ONSHORE PIPELINE Pipeline yang beroperasi di onshore biasanya dipendam di dalam tanah agar tidak terganggu oleh aktivitas daratan sehingga operasi pipa dapat berjalan lancar. Namun untuk keperluan inspeksi terkadang pipa harus dibuka hingga dapat menyebabkan peningkatan temperatur akibat terekspos oleh panas matahari. Dalam kasus ini pipa pada akhirnya mengalami upheaval buckling dimana sebuah segmen pipa sepanjang 20 m mengalami defleksi vertikal sebesar 50 cm. Untuk mengetahui penyebab buckling pada studi kasus ini maka dilakukan perhitungan parameter parameter yang mempengaruhi buckling seperti beban kritis buckling, tegangan kritis, gaya aksial pipa, dan gaya friksi tanah. Untuk mengetahui beban kritis buckling maka pipa dimodelkan sebagai kolom yang dikenai beban aksial kompresif dengan kondisi ujung ujung pasak. Melalui pemodelan ini diperoleh beban dan tegangan kritis terjadi buckling dengan perbandingan slenderness tertentu sesuai dengan teori Euler. Selain itu dilakukan perhitungan tegangan, gaya aksial pipa, dan gaya friksi tanah yang menahan terjadinya buckling. Dengan perbandingan slenderness (L/r) 289 maka pipa akan mengalami buckling pada beban aksial kritis kn atau tegangan kritis 24 MPa. Sehingga pipa tidak mengalami gagal dalam bentuk deformasi plastis pada tegangan luluh 241 MPa karena terlebih dahulu telah gagal elastis pada tegangan 24 MPa. Salah satu pencegahan buckling yang efektif adalah dengan mengakomodasi defleksi sebesar 50 cm melalui pemasangan sistem loop sepanjang 11.4 m ii

3 ABSTRACT ANALYSIS OF UPHEAVAL BUCKLING ON ONSHORE PIPELINE Pipeline operating in onshore is usually buried underground in order not to disturbed by onshore activity so that operate for pipe can go well. But for inspection sometimes the soil above the pipeline have to be excavated till can cause the high change in temperature of the pipe steel after installation by sun heat. In this case of buried pipeline become unstable phenomenon called upheaval buckling at a pipeline deflection zone 20 m in length and 50 cm above ground (the middle part). To know cause of buckling in this case hence calculation of parameters influencing buckling the critical buckling load, the critical stress, the axial force in the pipeline, and the friction force at the pipe/soil interface. To know the critical buckling force hence pipe modeled as a column loaded in axial compression and considered to be the column pinned at each end point. Through this modeling is obtained stress and critical load of buckling with slenderness ratio according to theory of Euler. Besides is calculation of stress, axial force acting on the pipeline, and the frictional force resistance of buckling. With the slenderness ratio (L e /r) 289 the pipeline will buckle vertically at critical load kn stress 24 MPa. Notice that this stress which will produce buckling is much less than the yield stress 241 MPa. To accommodate pipeline deflection 50 cm above ground 50 cm can be suggested attached by looping system 11.4 m in length. iii

4 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT, karena dengan rahmat dan hidayah-nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul Analisis Kasus Upheavel Buckling Pada Onshore Pipeline sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana teknik di Program Studi Teknik Metalurgi Institut Teknologi Bandung. Adapun isi laporan Tugas Akhir ini mencakup mekanisme dan parameter yang mempengaruhi terjadinya upheaval buckling pada onshore pipeline. Pada kesempatan kali ini, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sebesar besarnya kepada : 1. Bapak, Ibu, Suami, serta Mertua penulis atas segala dukungan materil, moral, dan doa selama penyusunan tugas akhir ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Arief Sudarsono selaku dosen wali mahasiswa Teknik Metalurgi 2002 dan atas semua bantuannya selama penulis melakukan studi di ITB. 3. Bapak Dr. Ir. Ahmad Taufik, M.Sc dan Dr. Ir. Syoni Soepriyanto, M.Sc selaku dosen pembimbing dan dosen penguji atas bimbingan, ilmu, dan saran yang diberikan selama penyusunan tugas akhir ini. 4. Dr. Ir. Akhmad Ardian Korda, ST., MT selaku dosen penguji atas saran dan kritiknya. 5. Bapak dan Ibu Staf Pengajar Program Studi Teknik Metalurgi 6. Staf TU Teknik Metalurgi 7. Teman teman Metalurgi dan Tambang 2002 Penulis juga menyadari bahwa laporan tugas akhir ini memiliki beberapa kekurangan. Oleh karena itu, kritik yang bersifat membangun akan sangat dihargai. Semoga laporan ini bisa memberikan sumbangan kepada pembaca yang berminat dalam dunia pipeline engineering. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih. Bandung, Oktober 2007 Penulis iv

5 DAFTAR ISI Halaman Judul... i Abstrak... ii Abstract... iii Kata Pengantar... iv Daftar Isi... v Daftar Gambar... viii Daftar Tabel... ix BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang... I Tujuan... I Ruang Lingkup... I Topik... I Sistimatika Laporan... I-2 BAB II DASAR TEORI 2.1. Perancangan Pipeline... II Konsep Umum Upheaval Buckling... II Analisis Ketebalan Pipa... II Analisis Tegangan... II Beban Pada Sistem Perpipaan... II Teori Tegangan Pada Sistem Pipa... II Tegangan Hoop... II Tegangan Longitudinal... II Tegangan Ekivalen von Mises... II Gaya Aksial... II-15 v

6 2.6. Gaya Friksi... II Teori Buckling Kolom... II Penurunan Rumus Umum Buckling Euler... II Analisa Balok Kolom (Beam Columns)... II Pengaruh Slenderness Ratio L e /r... II-28 BAB III STUDI KASUS LAPANGAN 3.1. Umum... III Data Operasional Pipeline... III Properti Tanah... III Tekanan Isi Pipa... III Properti Pipa... III Tegangan Bekerja Yang Diijinkan... III Analisis Tegangan... III Analisis Gaya Aksial Efektif Pipa... III Analisis Gaya Friksi... III Pengaruh Variabel Temperatur Terhadap Gaya Aksial Kompresif Pipa... III Kenaikan Temperatur Akibat Sun Heat... III Kenaikan Temperatur Akibat Kebakaran Hutan... III Pengaruh Variabel Kedalaman Terhadap Gaya Friksi Tanah... III Analisis Kolom Euler... III Analisis Panjang Pipa Berdasarkan Kriteria Kolom... III Ekspansi dan Flexibiltas Sistem Pipa... III-12 BAB IV PEMBAHASAN 4.1. Analisis Tekanan Isi Pipa... IV Analisis Buckling Kolom... IV Analisis Tegangan Kritis Euler... IV Analisis Tegangan... IV Analisis Pengaruh Variabel Temperatur... IV Analisis Gaya... IV-10 vi

7 Analisis Gaya Aksial Kompresif... IV Analisis Gaya Friksi Akibat Kebakaran Hutan... IV Analisis Pengaruh Variabel Kedalaman Tanah... IV Analisis Ekspansi dan Flexibilitas Sistem Pipa... IV-13 BAB V KESIMPULAN & SARAN 5.1. Kesimpulan... V Saran dan Rekomendasi... V-2 Daftar Pustaka Lampiran A Gaya Aksial Efektif Pipa Berdasarkan DNV OS F101 Submarine Pipeline Systems Lampiran B Tegangan Tegangan Kerja Pipa dan Batasan Tegangan Ijin Berdasarkan ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems For Liquid Hydrocarbons and Other Liquids Lampiran C Metode Perhitungan Gaya Friksi Tanah Berdasarkan ASME B31.1 Power Piping Non-mandatory Appendix VII Procedures For The Design of Restrained Underground Piping vii

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Lokal Buckling... II-2 Gambar 2.2 Upheaval Buckling... II-3 Gambar 2.3 Ilustrasi Mekanisme Upheaval Buckling... II-5 Gambar 2.4 Gambar Skematik Mekanisme Upheaval Buckling... II-6 Gambar 2.5 Gambar Penampang Pipa... II-7 Gambar 2.6 Diagram Analisis Bejana Tekan Silindris... II-9 Gambar 2.7 Arah Hoop Stress Terhadap Potongan Melintang Pipa... II-116 Gambar 2.8 Pembebanan Soil Prism di Atas Pipa Yang Dipendam di Bawah Tanah... II-18 Gambar 2.9 Skematik Instalasi Pipa di Dalam Trench... II-19 Gambar 2.10 Panjang Efektif Kolom Dengan Ujung ujung Pengekang yang Berlainan... II-23 Gambar 2.11 Buckling Pada Kolom Dengan Ujung ujung Dipasak... II-24 Gambar 2.12 Balok Kolom yang Mengalami Gaya Aksial dan Gaya Transversal... II-27 Gambar 2.13 Modus Kegagalan Sebagai Fungsi Slenderness Ratio Kolom... II-30 Gambar 3.1 Upheaval Buckling Pada Pipa Penyalur Miyak di Riau ± 21 km... III-1 Gambar 3.2 Defleksi Vertikal Pipa Sebagai Fungsi Panjang Pipa... III-11 Gambar 4.1 Hubungan Tekanan Internal Pipa Terhadap Ketebalan Pipa... IV-2 Gambar 4.2 Defleksi Vertikal di Sepanjang 20 m Segmen Pipa... IV-4 Gambar 4.3 Hubungan Tegangan Pipa Terhadap Slenderness Ratio... IV-6 Gambar 4.4 Pengaruh Temperatur Terhadap Gaya Aksial Efektif Pipa Akibat Sun Heat... IV-8 Gambar 4.5 Pengaruh Temperatur Terhadap Gaya Aksial Efektif Pipa Akibat Kebakaran Hutan... IV-9 Gambar 4.6 Pengaruh Kedalaman Tanah Terhadap Gaya Friksi Tanah Berdasarkan ASME B31.1 Power Piping Non-mandatory Appendix VII... IV-12 Gambar 4.7 Ekspansi Loop... IV-14 viii

9 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Batasan Tegangan Ijin pada Masing Masing Kondisi Disain... II-11 Tabel 2.2 Harga koefisien C D yang digunakan pada persamaan Martson... II-21 Tabel 3.1 Data Operasional Pipeline... III-2 Tabel 3.2 Data Properti Tanah... III-3 Tabel 3.3 Besar Tegangan Operasi Yang Diijinkan... III-4 Tabel 3.4 Analisis Tegangan Pada Temperatur Operasi Normal... III-5 Tabel 3.5 Analisis Tegangan Pada Temperatur 150 C... III-6 Tabel 3.6 Analisis Gaya Aksial Efektif... III-6 Tabel 3.7 Analisis Gaya Friksi Tanah Pada H = 0 m... III-7 Tabel 3.8 Parameter Perhitungan Gaya Aksial Efektif Pipa... III-8 Tabel 3.9 Perhitungan Gaya Aksial Efektif Pipa Dengan Peningkatan Temperatur Akibat Sun Heat... III-9 Tabel 3.10 Perhitungan Gaya Aksial Efektif Pipa Dengan Peningkatan Temperatur Akibat Kebakaran Hutan... III-9 Tabel 3.11 Parameter Perhitungan Gaya Friksi Tanah... III-10 Tabel 3.12 Perhitungan Pengaruh Kedalaman Tanah Terhadap Gaya Friksi Tanah... III-10 ix