BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluan Sejak dahulu manusia sudah mengenal sistem perpipaan, namun penggunaan sistem dan bahannya masih sangat sederhana, untuk memenuhi kebutuhan mereka secara pribadi ataupun untuk umum. Seiring waktu sistem perpipaan mengalami perkembangan yang sangat pesat. Semakin berkembang pula teknologi, manusia semakin mudah membuat sistem perpipaan dan membuat pipa itu sendiri, dengan material yang beragam yang disesuaikan dengan penggunaanya, sehingga dibuat standart pipa. Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang kompleks sehingga pada saat perancangannya banyak sekali aspek-aspek yang harus diperhatikan dan dipertimbangkan sehingga diperoleh suatu rancangan sistem perpipaan yang baik dan efisien. Analisa tegangan pipa adalah suatu metode untuk memastikan secara numerik bahwa sistem perpipaan yang ditetapkan aman. Beban (Gaya, Moment dan tegangan) yang terjadi secara aktual pada pipa dan nozzle equipment dibuat sedemikian rupa sehingga beban tersebut tidak melebihi batasan yang telah ditetapkan. Dalam analisa tegangan pipa Universitas Mercu Buana 7

2 bahwa beban terjadi karena adanya pengaruh perlakuan beban statik dan perlakuan beban dinamik. Pemasangan support (penyangga) adalah hal yang paling penting agar pengaruh pembebanan (statik dan dinamik) selama operasi sistem perpipaan tidak mengalami kegagalan atau kerusakan. 2.2 Analisis Tegangan Analisa tegangan merupakan bagian yang paling penting pada sistem perpipaan karena selain berfungsi menghitung tegangan, analisa tegangan ini berfungsi untuk menentukan peletakan tumpuan pipa (pipe support location) untuk menghindari terjadinya tegangan yang berlebihan pada pipa atau pada tumpuan pipa dan juga untuk mendapatkan kondisi perpipaan yang aman sesuai dengan fleksibilitas yang dibutuhkan pada tata letak jalur perpipaan. Analisis tegangan dilakukan juga pada nozzle-nozzle dari peralatan yang dihubungkan dengan sistem perpipaan. Analisis ini ditentukan oleh gaya-gaya pada jangkar (anchor), gaya pada penyangga atau tumpuan, momen lengkung dan torsi pada suatu titik atau segmen ada sistem perpipaan. Perhitungan gaya, momen dan tegangan dapat dilakukan secara manual maupun dengan komputer. Dalam perencanaan jalur perpipaan pada instalasi ini dilakukan perhitungan tebal pipa, pergerakan nozzle dan beban pada pipa dengan perhitungan manual. Untuk tegangan pipa dihitung dengan menggunakan software Caesar II 5.0. Universitas Mercu Buana 8

3 2.3 Tegangan Pipa Teori Dasar Tegangan Menganalisa suatu rangkaian perpipaan tidaklah mudah, seorang piping stress engineering diwajibkan untuk mengetahui teori dasar dari tegangan pipa dan mengenai hal-hal lain yang berhubungan dengan tegangan pipa. Agar dapat menyelesaikan pekerjaan dengan benar, tepat dan memenuhi persyaratan yang telah diatur didalam kode dan standart yang berlaku internasional. Sebuah sistem perpipaan dinyatakan aman beroperasi apabila tegangan yang terjadi tidak melebihi tegangan maksimum yang diizinkan. lihat gambar 2.1. Gambar 2.1. Arah tegangan yang terjadi pada pipa Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan - REDS Universitas Mercu Buana 9

4 Menurut standard ASME B31.3 (standart untuk perencanaan sistem perpipaan pada instalasi proses area) ada tiga tegangan utama yang bekerja pada elemen pipa yaitu: a. Tegangan utama Circumferential (Tangenential stress) Tegangan utama Circumferential (Tangenential stress) disebut juga sebagai Hoop stress, tegangan ini bekerja tegak lurus terhadap tegangan longitudinal dan tegangan radial, tegangan ini bertendensi membelah dinding pipa dalam arah melingkar pipa dan tegangan ini disebabkan tekanan dari dalam pipa. Rumus untuk tegangan tangensial dapat didekati dengan memakai persamaan berikut dan dijelaskan pada gambar 2.2. S H P S H Gambar 2.2 Tegangan utama longitudinal Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan REDS..(2.1) Universitas Mercu Buana 10

5 Didasarkan oleh gaya ( F=P.d i.i ) ditahan oleh dinding pipa seluas ( A m =2 t.l ) sehingga rumus untuk tegangan tangensial ini dapat dituliskan sebagai berikut :.(2.2) Dimana P = Tekanan, psi D = Diameter luar pipa t = Tebal dinding pipa b. Tegangan longitudinal ( Axial Stress ) Tegangan longitudinal ( Axial Stress ) yaitu tegangan yang bekerja sepanjang garis sumbu pipa, tegangan ini disebabkan oleh pembengkokan, beban gaya aksial atau tekanan. Dan tegangan ini dapat dirumuskan sebagai berikut : 1. Akibat gaya aksial L L x F FA x Gambar 2.2 Tegangan utama longitudinal akibat gaya aksial Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan - REDS Universitas Mercu Buana 11

6 (2.3) 2. Tegangan longitudinal akibat tekukan..(2.4) Tegangan longitudinal akibat tekanan dalam.(2.5) Jadi total dari tegangan longitudinal adalah sebagai berikut :.(2.6) 3. Tegangan utama radial (Radial principal stress) Tegangan utama radial (Radial principal stress) yaitu tegangan yang bekerja pada satu garis mulai dari pusat pipa secara radial sampai ke dinding pipa, tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa dan tegangan ini bersifat tegangan tarik bila tekanan dalam pipa hampa (vacuum pressure). Rumus yang digunakan yaitu:..(2.7) Dalam suatu rangkaian pipa yang lurus akan mengalami tegangan radial yang disebabkan oleh : 1. Akibat gaya geser Universitas Mercu Buana 12

7 ..(2.8) Tegangan ini akan mencapai titik maksimum pada sumbu netral (sumbu simetri pipa) dan nihil di titik dimana tegangan lendut maksimum (yaitu pada permukaan luar dinding pipa). Tegangan ini pada umumnya diabaikan karena tegangan yang dihasilkan sangat kecil. 2. Akibat momen puntir (torsional moment)..(2.9) MT Gambar 2.4 Tegangan geser akibat momen puntir Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan REDS T 2.4 Data Desain Semua data yang diperlukan dalam desain stress analysis adalah : Line list meliputi desain suhu, desain tekanan, tekanan pengujian, ketebalan insulasi (jika ada), kode insulasi, media pengujian. Piping material class meliputi Jenis-jenis pipa berdasarkan material, diameter pipa, tebal pipa ( schedule ), tipe penyambung, katup, flens. Universitas Mercu Buana 13

8 Project specification, meliputi data seperti temperature lingkungan, kecepatan angin, data gempa. 2.5 Kriteria Mendesain Jalur Pipa Pada dasarnya jalur perpipaan merupakan media penghubung dari berbagai urutan proses yang terjadi dalam suatu sistem. Dalam mendesain jalur perpipaan ini atau yang sering disebut pipe routing dibutuhkan keahlian dan pengalaman dalam melakukan pekerjaan dibidang perpipaan. Tugas utama dalam mendesain jalur perpipaan adalah membuat desain dan layout pipa secara detail pada sistem perpipaan. Banyak Sekali pertimbangan pertimbangan yang harus dilakukan dalam mendesain pipa atau disebut juga dengan filosofi desain. Filosofi desain yang utama adalah load, material, dimention. Tetapi secara khusus seorang piping designer juga harus mempertimbangkan beberapa kriteria seperti safety, economic ( low cost ), easy to acess, easy to support, easy to maintenance, visuall. Proses penentuan sebuah jalur pipa merupakan suatu proses yang interative, dimana adakalanya sebuah jalur pipa yang ditentukan itu tidak sesuai dengan kriteria stress analysis. Apabila hal ini terjadi maka harus dilakukan penentuan jalur baru (re-routing) hingga jalur pipa tersebut dinyatakan aman dan sesuai dengan kode yang bersangkutan. 2.6 Nozzle Displacement Dalam melakukan perhitungan analisis tegangan pada sistem pemipaan, terutama pipa yang tersambung ke equipment, hal penting yang Universitas Mercu Buana 14

9 harus disiapkan adalah menghitung besarnya pergerakkan nozzle akibat temperature pada equipment tersebut, karena semua material mempunyai sifat memuai apabila pada suhu tinggi dan menyusut pada suhu yang rendah. Hal ini dapat mempengaruhi pergerakan nozzle pada equipment dan sangat berbahaya bila tidak sesuai dengan beban maksimal yang dapat ditahan oleh nozzle. Batasan beban pada nozzle disebut juga allowable nozzle load yang nilainya dapat diketahui pada standart dan kode atau pada vendor drawing. Secara umum untuk mengetahui apakah sebuah sistem pemipaan akan mengalami kelebihan tegangan (overstress) pada kondisi paling ekstrim, maka digunakan temperature yang paling tinggi (design temperature), yang mungkin terjadi pada suatu sistem pemipaan. Dengan temperature tertinggi yang mungkin terjadi pada suatu sistem, maka kita akan bisa tahu dan yakin bahwa pada saat itu sistem pemipaan yang telah dihitung akan mampu bertahan tanpa mengalami overstress. Displacement pada nozzle ( ) dapat dihitung dengan :......(2.10) Keterangan : = koefisien muai material ( mm/mm. C ) = panjang nozzle ( mm ) = selisih suhu Universitas Mercu Buana 15

10 2.7 Tebal Dinding Pipa Ketebalan dinding pipa pada awalnya dikelompokkan menjadi 3 macam, yaitu standart, extra strong ( XS ), double extra strong ( XXS ). Namun saat ini penamaan ketebalan pipa diganti dengan istilah schedule number. Macam-macam schedule number dimulai dari 5 dan 5S, kemudian 10 dan 10S, seterusnya pipa dengan kelipatan 10 sampai 40 ( 20, 30, 40 ), kemudian pipa dengan kelipatan 20 ( 60, 80, 100, 120, 140, 160 ). Ketebalan dinding pipa memiliki peranan penting dalam sistem perpipaan. karena fungsi utama sistem perpipaan adalah menghantarkan fluida dari satu tempat ke tempat lain, sehingga pipa akan mengalami banyak kejadian yang diharapkan mampu diatasi tanpa harus mengalami kegagalan. Karena pada saat beroperasi ataupun pengujian pipa akan menerima fluida yang mempunyai beraneka ragam tekanan dan temperature saat mengalir, belum lagi beban-beban dari luar seperti angin ataupun salju. Kesalahan dalam menentukan ketebalan dinding pipa yang diperlukan akan mengakibatkan pipa tidak kuat menahan tekanan saat operasi ataupun pengujian, sehingga menimbulkan banyak permasalahan dalam sistem operasi dari jalur perpipaan. Untuk menghitung ketebalan pipa menurut ASME B31.3 dipakai rumus :.(2.11) Universitas Mercu Buana 16

11 : tebal dinding pipa (m) P : tekanan internal desain (N/m 2 ) D : diameter luar (m) S : stress pada temperature desain (N/m 2 ) E : faktor efisiensi sambungan Y : faktor bahan (dapat diketahui pada table 2.1) C : corrosion allowance 2.8 Kondisi Pembebanan Perancangan sistem perpipaan ini dirancang untuk mampu menahan berbagai macam beban yang akan dialami oleh pipa. Sistem pemipaan yang dirancang, direncanakan dapat menahan bermacam-macam pembebanan yaitu : 1. Pada keadaan hydrostatic test, dimana sistem perpipaan yang telah dipasang harus diuji terlebih dahulu sebelum dioperasikan yaitu dengan cara mengalirkan air yang bertekanan kedalam pipa pada jangka waktu tertentu (biasanya paling lama 2 jam) untuk mengetahui ada tidaknya terjadi kebocoran pada sistem perpipaan. Kombinasi beban yang mungkin terjadi pada kondisi hydrotest ini adalah : a. Beban akibat material dan gaya-gaya luar (berat material dan bagian-bagian dari percabangan pipa). b. Beban akibat fluida yang digunakan untuk pengetesan (air atau udara). Universitas Mercu Buana 17

12 2. Pada keadaan operasi, dimana sistem telah dioperasikan maka kombinasi beban pada keadaan operasi ini adalah : a. Beban akibat material, berat fluida, temperature dan gaya luar b. Beban akibat material, berat fluida, temperature (desain / operasi), gaya luar, dan tekanan (desain / operasi) c. Beban akibat berat material, berat fluida, temperature (desain / operasi), tekanan (desain / operasi), berat konstruksi (settlement) dan gempa bumi. 2.9 Klasifikasi Beban pada Sistem Perpipaan Beban-beban pada sistem pemipaan diklasifikasikan berdasarkan penyebabnya, yaitu : 1. Beban Statik (sustain, expansi dan operating) Dilihat dari pengaruhnya beban statik pada pipa ini dibagi menjadi 2 macam yaitu beban yang disebabkan oleh pengaruh internal dan eksternal. Beban statik secara internal disebabkan oleh tekanan, temperature dan berat material pipa. Sedangkan beban statik secara eksternal disebabkan oleh gempa, thrust load dari relief valve, wind dan wave dan beban ultimate tanah apabila pipa berada dalam tanah (under ground). Beban statik eksternal sering disebut juga dengan beban static occational atau beban quasi dynamic, dikatakan demikian karena Universitas Mercu Buana 18

13 beban dianggap seolah-olah sebagai beban dinamik tetapi tidak berdasarkan pengaruh waktu. 2. Beban Dinamika (occasional) Beban external yang disebabkan antara lain gempa (seismic), operasi safety valve, vibrasi (pulsation) dan water hammer. Beban yang berpengaruh teerhadap waktu, beban ini disebut juga sebagai fungsi waktu [W = f(t)], 3. Beban termal / ekspansi (Sexp) Yaitu beban yang timbul akibat ekspansi panas. Beban termal dibagi menjadi tiga bagian berdasarkan sumber penyebabnya, yaitu : a. Beban termal akibat pembatasan gerak oleh tumpuan, beban ini (gaya dan momen) timbul jika ekspansi atau konstraksi bebas perpipaan akibat termal terhalang oleh tumpuan. b. Beban termal akibat perbedaan temperatur, beban ini terjadi akibat perubahan temperatur yang besar dan cepat, termasuk juga akibat distribusi temperatur yang tidak seragam karena adanya aliran kalor yang tinggi melalui dinding pipa. c. Beban termal akibat perbedaan koefisien ekspansi, beban ini terjadi pada sistem pipa yang materialnya mempunyai koefisien ekspansi yang berbeda. Universitas Mercu Buana 19

14 2.10 Sistem Penggambaran perpipaan Dalam perpipaan bagian penggambaran dibedakan berdasarkan keperluan informasi perencanaan mekanikal dan proses; a. Sistem penggambaran perencanaan mekanikal dan perpipaan Informasi yang diperlukan diantaranya: - Key plan yaitu gambar kompleks dari keseluruhan proyek yang akan dikerjakan, gambar ini memberikan informasi lokasi proyek secara menyeluruh. - Plot plan yaitu gambar yang dibuat sesuai dengan letak, ukuran, elevasi dan jarak antar equipment yang sebenarnya. - Piping general arrangement atau tata letak sistem perpipaan termasuk peralatan dan instrumentasi yang digunakan. - Isometric line yaitu gambar dalam bentuk 3 dimensi yang dilengkap dengan uraian material yang akan digunakan, sistem penggambaran ini berguna untuk perencanaan, fabrikasi maupun untuk perawatan dari suatu instalasi proses. b. Sistem penggambaran perencanaan proses atau dikenal dengan nama P&ID (Piping and Instrument Diagram) yaitu gambar skematik yang berisi informasi mengenai peralatan meliputi katup-katup, instumentasi untuk memantau dan mengontrol fluida, diameter pipa, jenis line service, arah aliran fluida. Universitas Mercu Buana 20

15 2.11 Penyangga ( Support ) Penyangga atau support ini banyak sekali type yang digunakan dalam dunia perpipaan, dilihat dari pembebanannya penyangga pipa ini di bagi menjadi dua macam pembebanan, diantaranya; a. Pembebanan statik Penyangga ini dikerjakan oleh sipil, tinggi kaki yang distandartkan minimal 2,5 meter. Penyangga ini terdiri dari beberapa macam, yaitu; - penyangga struktur - penyangga kaki bebek - penyangga bentuk siku-siku - penyangga pembaringan pipa - penyangga gantung - peyangga pipa rendah b. Pembebanan dinamik Penyangga pembebanan dinamik ini terdiri dari penyangga variable ( variable support ) dan penyangga konstan ( constan support ) Selain itu juga perlu diketahui penyangga pipa pelengkap seperti penuntun (guide), anker ( anchor ), sepatu ( shoe ). Untuk penempatannya dapat ditabelkan berdasarkan fluida, temperature dan pressure (tekanan) yang digunakan dalam sistem, namun pemakaian table ini tidak berarti bahwa tegangan yang terjadi atau beban nozzle adalah acceptable, maka dengan adanya ini adalah perlu dilakukan analisis berdasarkan code-code yang ada Universitas Mercu Buana 21

16 dengan pemakaian perangkat lunak, dalam hal ini CAESAR II 5.0 Untuk jenis-jenis support dapat dilihat pada lampiran. Jarak maksimum antar support pipa yang disarankan berdasarkan standard pipa dan fluida yang digunakan dalam sistem dapat diidentifikasi di table berikut : Tabel 2.1. Jarak maksimum antar tumpuan pipa Jarak maksimum antar support pipa yang disarankan Nominal pipe size Air Isian Uap, Udara, Gas Isian In mm Ft m ft m Referensi : Helguero M, Victor, Piping Stress Handbook, 1986 : B.188) Universitas Mercu Buana 22

17 2.12 Program Caesar II 5.0 Caesar II 5.0 adalah software stress analysis yang digunakan untuk menganalisa suatu jalur perpipaan berdasarkan pada berat, tekanan, thermal, seismic, beban static dan beban dinamik. Sehingga didapat besarnya gaya, momen, besar ekspansi serta tegangan beserta jenis dan letak tumpuannya. Caesar II 5.0 diperkenalkan tahun 1984, berasal dari sebuah perusahaan yang bernama COADE Inc. dengan menggunakan program Caesar II 5.0 maka akan didapatkan hasil dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi dan dapat mempersingkat waktu dalam proses desain. Program ini sangat popular dan sering digunakan pada industri-industri di bidang minyak dan gas bumi Input Caesar II 5.0 Parameter yang menjadi masukan (diinput) kedalam program Caesar II sebagai data yang akan diproses adalah sebagai berikut : a. Node yaitu titik awal perencanaan yang akan disediakan oleh Caesar II dalam dialog box. b. Application Code yaitu standard yang akan digunakan misalnya B31.3, dll. c. Pipe data yaitu data-data yang berkaitan dengan sifat-sifat fisis pipa seperti jenis material, besar diameter, ketebalan pipa ketebalan isolasi pipa, dll. Universitas Mercu Buana 23

18 d. Data-data desain seperti tekanan, temperature, corrosion allowance, dll. e. Data-data pendukung yaitu data-data yang akan ditentukan secara otomatis oleh program Caesar II 5.0 seperti Elastic modulus, Pipe density, dll Output Caesar II 5.0 Hasil output dari Caesar II 5.0 merupakan hasil perhitungan fleksibilitas dan kekuatan jalur pipa berdasarkan data-data input, dan disajikan dalam bentuk tampilan animasi 3 dimensi dan berupa data-data dalam bentuk angka sebagai indikasi letak dan arah gaya-gaya, momen dan besar tegangan yang terjadi. Universitas Mercu Buana 24