TUGAS AKHIR ZELVIA MANGGALASARI 1108 100 009 Dosen Pembimbing I : Dr. Melania Suweni Muntini Dosen Pembimbing II : Drs. Achmad Chamsudi JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
RUMUSAN MASALAH bagaimana model sistem perpipaan yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm TUJUAN PENELITIAN mendapatkan model sistem perpipaan yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm BATASAN MASALAH Pipa yang dianalisa adalah jalur compressor menuju cooler. Pipa sesuai dengan ASME B31.3. Analisa vibrasi pada sistem perpipaan yang dihubungkan pada compressor sesuai dengan Vendor, dan analisa beban compressor dengan menggunakan NEMA-SM 23 dengan faktor dari vendor sebesar 5,55. Pemilihan material pipa, komponen sistem perpipaan, nilai temperatur dan tekanan telah ditentukan oleh PT. Rekayasa Industri dan Vendor. MANFAAT PENELITIAN mendapatkan model yang sesuai dengan code ASME B31.3 dan standard NEMA SM23 untuk compressor yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7 µm sehingga diperoleh sistem perpipaan yang aman saat dioperasikan.
Gaya atau gaya per satuan luas yang terjadi pada pipa. Adanya tegangan yang berlebihan dapat menyebabkan pipa retak bahkan patah
Batasan yang digunakan menggunakan code ASME B31.3 Pada beban sustain, Pada beban expantion,
nilai stress limit displacement yang dirumuskan secara matematis sebagai berikut:
Beban (gaya dan momen) yang diperkenankan untuk nozzle individual dengan persamaan berikut : Dengan, nilai D ditentukan sebagai berikut:, untuk diameter nominal ( ) 8, untuk diameter nominal ( ) 8
analisa juga dilakukan dengan menentukan beban (gaya dan momen) yang diijinkan untuk kombinasi nozzle
Apabila dalam suatu keadaan tertentu terdapat batasan dari Vendor yang berbeda dengan NEMA SM 23, maka analisa dan perhitungan yang akan dilakukan harus menyesuaikan dengan batasan yang ditentukan oleh Vendor.
vibrasi merupakan sebuah gerakan periodik. Gerakan periodik disebut juga sebagai gerakan harmonik. Vibrasi pada sistem perpipaan dapat terjadi akibat beberapa hal, dalam penelitian ini, vibrasi yang terjadi pada sistem perpipaan adalah vibrasi akibat eksitasi kompressor.
Frekuensi natural didefinisikan sebagai nilai dari vibrasi putaran per waktu. Setiap benda memiliki nilai frekuensi naturalnya masing-masing
Untuk mengetahui nilai ampitudo yang terjadi digunakan rumus empiris dari code API 617 sebagai berikut: Sistem perpipaan yang dihubungkan dengan compressor dikatakan aman ketika atau
A MULAI MEMBACA GAMBAR ISOMETRIK ANALISA VIBRASI SISTEM PERPIPAAN B PEMODELAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CAESAR II 5.20 B TIDAK Amplitudo < 45,7 µm TIDAK ANALISA TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN NOZZLE COOLER Analisa sesuai batasan ASME B31.3 dan Vendor YA ANALISA BEBAN NOZZLE COMPRESSOR (NEMA SM 23) TIDAK YA CEK TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN BEBAN COMPRESSOR (NEMA SM 23) Analisa sesuai ASME B31.3 & Nema SM 23 YA TIDAK Analisa sesuai Nema SM 23 SISTEM PERPIPAAN YANG DIHUBUNGKAN DENGAN COMPRESSOR BERAMPLITUDO MAKSIMUM 45.7 µm A YA SELESAI
DATA SISTEM PERPIPAAN Tabel Data Jalur Sistem Perpipaan No. Jalur Pipa Material Pipa Kondisi Sistem Perpipaan Temperatur ( o F) Desain Operasi Tekanan Desain (Psig) Fluid Density Suction Compressor A 928 225 119 1372 57.51 Discharge A 928 400 346 1372 79.63 Compressor Outlet Cooler A 928 240 179 1372 100.12 DATA PADA TABEL DIINPUTKAN PADA PEMODELAN PERANGKAT LUNAK CAESAR II 5.20
MODEL SISTEM PERPIPAAN DALAM DESAIN PABRIK DIPEROLEH PEMODELAN CAESAR II 5.20
ANALISA MODEL PIPA BAGAIMANA NILAI TEGANGAN?? Tabel nilai tegangan sistem perpipaan Model A Case Stress (Kg/cm 2 ) Allowable stress (Kg/cm 2 ) Persentase (%) HYD 1622.6 2802.0 57.9 SUS 1067.6 2089.7 51.1 EXP 1116.6 4625.5 24.1 SISTEM PERPIPAAN TIDAK MENGALAMI OVERSTRESS
NILAI GAYA DAN MOMEN SISTEM PERPIPAAN GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI HYDROTES 2000 1000 Fx (kg. gaya) 0 Fy (kg. gaya) -1000 Fz (kg. gaya) -2000 Mx (kg. m) -3000 My (kg. m) -4000 Mz (kg. m) -5000-6000 8000 6000 4000 2000 0-2000 -4000-6000 GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI OPERATING Fx (kg.gaya) Fy (kg.gaya) Fz (kg.gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m) 2000 1000 0-1000 -2000-3000 GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI SUSTAIN Fx (kg.gaya) Fy (kg.gaya) Fz (kg.gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m) -4000
BEBAN NOZZLE COOLER??? Analisa cooler dilakukan secara static dengan membandingkan nilai gaya dan momen yang terjadi pada pipa dengan batasan dari Vendor. Tabel Batasan Gaya dan Momen Outlet dan Inlet Cooler Cooler Fx (Kg) Fy (Kg) Fz (Kg) Mx (Kg.M) My (Kg.M) Mz (Kg.M) Inlet & Outlet 2403 4002 1707 672 1830 915
Nilai gaya dan momen aktual pada inlet dan outlet cooler pada Model A Node Case Fx Fy Fz Mx My Mz 80 OPE 26 298 132-730.4-223.1 268.0 SUS -45-215 -5 209.3-66.2 70.0 150 OPE -71 81 60 169.6-449.6 252.0 SUS -53-312 8 410.2-75.8 98.9 310 OPE -85-128 -9 404.9-552.8 152.3 SUS -29-408 16 608.9-24.1 68.1 480 OPE -16-169 -154 684.2-553.0-24.9 SUS 30-426 14 636.7 95.8-4.2 590 OPE 52 54-489 487.8-592.7-190.5 SUS 66-362 8 486.2 170.4-51.4 680 OPE 60 498-1088 -82-781.7-297.6 SUS 31-294 6 317.2 106.2-26.5 8010 OPE -60-265 -130 137.9-58.6-203.6 SUS -31-330 -6 16.7-20.5-170.8 8020 OPE -52-473 119-197.6-55.1-188 SUS -66-448 -8 151.8-42.1-252 8030 OPE 16-554 154-201.4-18.5 37.7 SUS -30-529 -14 251.9-7.1-104.3 8040 OPE 85-444 9-17.1 15.2 301.2 SUS 29-502 -16 226.1 47.5 122.1 8050 OPE 71-273 -60-68.4-6.5 331.2 SUS 83-397 -8 96.0 73.0 215.4 8060 OPE 0-162 -132-72.2-43.3 83.1 SUS 45-352 5 8.4 82 90.4 Pada Node 80 dan 480, nilai Momen pada sumbu-x yang terjadi pada sistem perpipaan melebihi batasan dari Vendor, maka perlu dilakukan modefikasi model pipa menjadi model B.
Nilai gaya dan momen pada inlet dan outlet cooler pada Model B. Node Case Fx Fy Fz Mx My Mz 80 OPE 128 54 302-435.9-77.2 0.2 SUS 10-310 58 334.6 17.5-28.9 150 OPE 45 163 138-516.4-291.7-34.7 SUS 8-277 36 278.8 13.8-6.6 310 OPE -51 243-8 -511.6-568.8-68.5 SUS -10-263 11 263.0-22.7-0.1 480 OPE -218 243-168 -292.0-1038.8-50.7 SUS -69-302 12 346.4-135.7 27.0 590 OPE -224 294-479 -112.8-1229.5-146.7 SUS -47-349 19 437-92.2-2.8 680 OPE -124 586-1064 -346.5-1241.6-313.6 SUS 17-332 6 392.0 35.9-52.8 8010 OPE 124-356 28-125.6 131.9 216.8 SUS -17-340 -6 23.0 16.8-133.6 8020 OPE 224-465 120-218.8 196.9 419.1 SUS 47-449 -0 130.3 82.1-3.4 8030 OPE 218-534 168-262.9 139.3 476.3 SUS 69-536 31 154.6 90.1 108.9 8040 OPE 51-423 8-42.7-70.5 224.7 SUS 10-494 -11 203.2 17.6 78.4 8050 OPE -45-240 -138 64.4-172.3 75.5 SUS -8-386 -36 141.5-6.7 78.7 8060 OPE -128-105 -302 237.5-181.8-188.5 SUS -10-336 -58 128.6 10.3-29.9 Diperoleh sistem perpipaan Model B yang telah sesuai dengan batasan nilai cooler dari Vendor.
Pipa dibatasi dengan anchor sehingga pipa bersifat rigid. BEBAN NOZZLE COMPRESSOR??? Anchor Model pipa yang dibatasi anchor (Model C) Discharge Compressor Suction Compressor
Hasil analisa beban nozzle model C berdasarkan NEMA SM 23 sebagai berikut: Description: COMPRESSOR INPUT DATA: Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55 Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED) (in.) (in.) DISCHARGE 1030 16.000 10.667 SUCTION 1070 16.000 10.667 Nozzle Distance from Resolution Point Loads (mm.) ( Kg & Kg.M ) DISCHARGE 1030 DX= 0.000 FX= 151148 DY= 0.000 FY= 3731 DZ= 0.000 FZ= 0 MX= 0 MY= 0 MZ= -6339 SUCTION 1070 DX= 1726.997 FX= -7337 DY= 0.000 FY= -398 DZ= -343.992 FZ= 1204 MX= -64 MY= -4357 MZ= -69
OUTPUT DATA: Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical Local Z axis = Right angle to Shaft CL Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units. Nozzle Distance From Resolution Point X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) DISCHARGE 1030 0.000 0.000 0.000 SUCTION 1070-343.992 0.000-1726.997 Discharge? *FAILED* Individual Nozzle Calculations Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH) DISCHARGE 1030 FX= 0 3F + M <2775*D(used) FY= 3731 FZ= -151148 3F + M = 1045834 Fr= 151194 F = 333328 2775*D(used) = 29600 MX= -6339 MY= 0 % of ALLOW. = 3533.22 MZ= 0 Mr= 6339 M = 45851 **FAILED** Moments due to "Force Resolution" MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -6339 Kg.M MY= 0 Kg.M MZ= 0 Kg.M
Suction? *FAILED* Overall? *FAILED* SUCTION 1070 FX= 1204 3F + M <2775*D(used) FY= -398 FZ= 7337 3F + M = 80768 Fr= 7446 F = 16415 2775*D(used) = 29600 MX= -69 MY= -4357 % of ALLOW. = 272.86 MZ= 64 Mr= 4358 M = 31522 **FAILED** Moments due to "Force Resolution" MX= -687 MY= 445 MZ= 137 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -756 Kg.M MY= -3912 Kg.M MZ= 201 Kg.M Summation Calculations. ------------------------ Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = 13.54 (in.) Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) SFX = 1204 2654 278*DC = 3758 70.63 SFY = 3333 7348 694*DC = 9395 78.21 SFZ = -143811-317051 555*DC = 7516 4218.30 **FAILED** FC(RSLT) = 143855 317147 SMX = -7095-51322 1388*DC = 18790 273.13 **FAILED** SMY = -3912-28299 694*DC = 9395 301.21 **FAILED** SMZ = 201 1453 694*DC = 9395 15.47 MC(RSLT) = 8105 58625 2FC + MC = 692919 1388*DC = 18790 3687.66 **FAILED** Overall Status **FAILED**
modifikasi Model pipa yang sesuai dengan batasn 5.55 NEMA SM 23 yaitu diperoleh Model D Bagaimana Hasil Analisa Beban Nozzle Compressor?
Description: COMPRESSOR INPUT DATA: Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55 Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED) (in.) (in.) DISCHARGE 1030 16.000 10.667 SUCTION 1070 16.000 10.667 Nozzle Distance from Resolution Point Loads (mm.) ( Kg & Kg.M ) DISCHARGE 1030 DX= 0.000 FX= 3877 DY= 0.000 FY= -904 DZ= 0.000 FZ= -185 MX= 173 MY= -89 MZ= 313 SUCTION 1070 DX= 1726.997 FX= -3732 DY= 0.000 FY= -78 DZ= -343.992 FZ= -33 MX= 215 MY= 14 MZ= 66
OUTPUT DATA: Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical Local Z axis = Right angle to Shaft CL Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units. Nozzle Distance From Resolution Point X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) DISCHARGE 1030 0.000 0.000 0.000 SUCTION 1070-343.992 0.000-1726.997 Discharge? 98.05 % Individual Nozzle Calculations Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH) DISCHARGE 1030 FX= -185 3F + M <2775*D(used) FY= -904 FZ= -3877 3F + M = 29024 Fr= 3985 F = 8786 2775*D(used) = 29600 MX= 313 MY= -89 % of ALLOW. = 98.05 MZ= -173 Mr= 369 M = 2666 Moments due to "Force Resolution" MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= 313 Kg.M MY= -89 Kg.M MZ= -173 Kg.M
Suction? 88.92 % Overall? 75.38 % SUCTION 1070 FX= -33 3F + M <2775*D(used) FY= -78 FZ= 3732 3F + M = 26319 Fr= 3733 F = 8230 2775*D(used) = 29600 MX= 66 MY= 14 % of ALLOW. = 88.92 MZ= -215 Mr= 225 M = 1630 Moments due to "Force Resolution" MX= -135 MY= 1341 MZ= 27 Moments About Resolution Point (Algebraic addition of the moments above) MX= -69 Kg.M MY= 1355 Kg.M MZ= -188 Kg.M Summation Calculations. ------------------------ Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = 13.54 (in.) Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) SFX = -218-481 278*DC = 3758 12.79 SFY = -982-2165 694*DC = 9395 23.04 SFZ = -145-320 555*DC = 7516 4.25 FC(RSLT) = 1016 2241 SMX = 244 1767 1388*DC = 18790 9.40 SMY = 1266 9155 694*DC = 9395 97.45 SMZ = -361-2612 694*DC = 9395 27.81 MC(RSLT) = 1339 9683 2FC + MC = 14165 1388*DC = 18790 75.38 Overall Status **PASSED**
Analisa vibrasi dilakukan dengan menggunakan persamaan dari manufaktur Vendor yaitu: ANALISA VIBRASI SISTEM PERPIPAAN??? Dengan, A = Amplitudo N = Frekuensi (dalam rpm) Sehingga nilai amplitudo yang terjadi pada pipa harus lebih kecil dari 45.7 µm. Atau nilai frekuensi natural pada pipa harus lebih besar dari frekuensi natural pada compressor yaitu 14827.6288 rpm atau 39.3514 Hz
Pada pipa model D yang telah memenuhi batasan 5.55 standard NEMA SM 23 nilai vibrasi yang terjadi sebagai berikut: Nilai Frekuensi Natural dan Amplitudo yang terjadi pada Model D Mode Frekuensi Frekuensi Periode Amplitudo (Hz) (Rad/s) (s) 1 20.086 126.206 0.050 63.96644 2 28.955 181.932 0.035 53.27667 3 33.791 212.316 0.030 49.31719 4 47.560 298.828 0.021 41.56980 5 49.757 312.631 0.020 40.64169 6 65.118 409.150 0.015 35.52617 Frekuensi Mode 1 20.086 Hz 39.3514 Hz Amplitudo Mode 1 63.9664 µm 45.7 µm PIPA MENGALAMI VIBRASI!!!
modifikasi model pipa terdapat pada Model E ditampilkan sebagai berikut:
Nilai frekuensi naturan dan amplitudo yang terjadi pada sistem perpipaan disajikan dalam tabel berikut: Nilai frekuensi natural dan amplitudo pada model E Mode Frekuensi (Hz) Frekuensi (Rad/s) Periode (s) Amplitudo 1 41.458 260.487 0.024 44.52406 2 44.683 280.751 0.022 42.88720 3 48.178 302.710 0.021 41.30233 4 55.219 346.950 0.018 38.57932 Frekuensi Mode 1 41.458 Hz > 39.3514 Hz Amplitudo Mode 1 44.52406 µm < 45.7 µm PIPA TIDAK MENGALAMI VIBRASI AKIBAT PERGERAKAN COMPRESSOR
Model E telah memenuhi batasan amplitudo dan frekuensi natural sehingga sistem perpipaan tidak mengalami vibrasi akibat pergerakan compressor. Maka Model pipa A berubah menjadi Model F seperti pada gambar berikut : DESAIN PIPA DALAM PABRIK
KESIMPULAN Nilai tegangan sistem perpipaan berada di dalam batasan yang diijinkan dengan persentase tegangan hydrotes sebesar 57.9%, tegangan pada kondisi sustain sebesar 51.1%, tegangan pada kondisi expantion sebesar 24.1%. Gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan jalur cooler telah memenuhi batasan yang telah ditentukan oleh Vendor. Dari hasil analisa beban nozzle compressor yang telah dilakukan diperoleh bahwa sistem perpipaan tidak mengalami kegagalan dengan prosentase jalur discharge 89.31%, jalur suction 73.40% dan kombinasi keseluruhan 62.33%. Diperoleh sistem perpipaan dengan vibrasi sistem perpipaan lebih kecil dari vibrasi compressor dengan amplitudo sebesar 44.52406 µm. Diperoleh model F system perpipaan yang aman untuk pipa yang dihubungkan dengan compressor beramplitudo maksimum 45.7 µm. SARAN Analisa vibrasi merupakan salah satu analisa dinamik yang dilakukan. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, maka dapat dilakukan analisa dinamik yang lain seperti pengaruh terhadap beban seismic atau pengaruh beban angin.