ANALISA TEGANGAN PIPA PADA SISTEM PERPIPAAN HEAVY FUEL OIL DARI DAILY TANK UNIT I DAN UNIT II MENUJU HEAT EXCHANGER DI PLTU BELAWAN SKRIPSI Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik PETER MANURUNG NIM. 080401056 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2013
ABSTRAK Dalam merancang suatu plant, tidak terlepas dari sistem perpipaan. Maka dalam hal ini perancangan perpipaan harus benar-benar aman dan memiliki fleksibilitas yang cukup. Dalam hal ini dibutuhkan suatu analisa tegangan pada perpipaan untuk menentukan ada atau tidaknya tegangan yang berlebih (overstress) dan analisa gaya dan momen yang berlebih pada sambungan (nozzle), material pipa yang digunakan pada pipa penyalur heavy fuel oil adalah API 5L dengan diameter 168,3 mm dari daily tank ke filter dan ukuran diameter 114,3 mm untuk pipa dari pompa ke heat exchanger. Analisa tegangan yang terjadi dapat disimulasikan dengan menggunakan program Coade Caesar II dan dihasilkan nilai tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan, kemudian nilai tegangan dibandingkan dengan nilai yang diizinkan dari ASME B31.3 Process Piping yaitu sebesar 206,843 MPa. Hasil simulasi menggunakan coade caesar II juga menghasilkan nilai gaya dan momen, gaya dan momen yang terjadi pada setiap nozzle dan gaya dan momen tidak boleh melebihi batas izin, pada pompa gaya dan momen izin diatur dalam API 160 serta untuk equipment horizontal dan vertikal seperti pada daily tank, filter dan heat exchanger nilai gaya dan momen izin diatur oleh WRC107 dan WRC 297. Kata kunci: analisa tegangan pipa, gaya dan momen sambungan, sistem perpipaan
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Dimana judul skripsi ini adalah Analisa Tegangan Pipa Pada Sistem Perpipaan Heavy Fuel Oil dari Daily Tank Unit I dan Unit II Menuju Heat Exchanger Di PLTU Belawan. Penulisan skripsi ini dilaksanakan untuk memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Departemen Teknik Mesin pada Fakultas Teknik. Pada kesempatan ini juga penulis tidak lupa mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dan membimbing penulis selama penyusunan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa tanpa adanya dukungan dan bantuan ini, penulis sangat sulit untuk dapat menyelesaikan skripsi ini mulai dari awal hingga selesainya skripsi ini. Untuk itu penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam, MSME selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan penulis dalam penyusunan skripsi ini. 2. Terima Kasih buat Bapak Ir.Alfian Hamsi, MSc selaku dosen pembanding I dan Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku dosen pembanding II. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik. 4. Ibunda Farida Butar-Butar yang telah mendukung saya sehingga mampu menyelesaikan skripsi ini dan juga telah memberikan materi dan moril. Thanks Mom. 5. Tulang Agus Paulus Bangun PT.Pertamina RU II Dumai yang telah mengenalkan mengenai dunia perpipaan kepada saya dan selalu memberi informasi yang bermanfaat kepada saya.
6. Pak Febri Rajakur rohim selaku inspection engineering PT.Pertamina RU II dumai, yang telah membantu dalam belajar bidang pipa. 7. Abangda Zail Ali dan Abangda Indra yang selalu membimbing kami dalam pengambilan data di PLTU Belawan. 8. Tulang dan Nangtulang saya yang telah memberikan semangat, materi dan juga moril kepada penulis. 9. Terima kasih kepada semua dosen Teknik Mesin USU. 10. Terima kasih buat kak sonta yang telah membantu penulis selama penulisan surat dari awal sampai akhir skripsi ini. 11. Terima kasih buat abangda K Tatang Naibaho, Abangda Jondri F Tambunan, Kakanda Desy yang telah memberikan bahan dan motivasi. 12. Kawan-kawan seperjuangan Teknik Mesin stambuk 2008. 13. Adek-adek Teknik Mesin USU stambuk 2010 dan 2012 14. Nehemia S, Bona doo, Obet Kajang, Ivan Marbun, Efrata Sianturi, Epen, Michael Manalu, Michel, Bayu Bakara, Nugraha, Ben, Arie Bgn, Baringin, dkk. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan sebagai manusia yang tidak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritkan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih. Medan,06 April 2013 Penulis Peter Manurung
DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR SIMBOL... i ii iv vii ix xi BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1.2 Tujuan... 1.2.1 Tujuan Umum... 1.2.2 Tujuan Khusus... 1.3 Manfaat... 1.4 Batasan Masalah... 1.5 Sistematika Penulisan... 1 2 2 2 2 3 3 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Perhitungan Ketebalan Pada Pipa... 2.2 Tegangan Pada Pipa... 2.2.1 Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress)... 2.2.2 Tegangan Radial... 2.2.3 Tekanan Sirkumferensial (Hoop Stress)... 2.2.4 Tegangan Geser... 2.3 Tegangan Kombinasi... 5 6 7 10 11 12 14
2.4 Tegangan Izin (Allowable Stress)... 2.5 Tegangan Berdasarkan Kode Standar... 2.6 Beban yang Terjadi pada Sambungan.... 2.6.1 Sambungan Flange... 2.6.2 Sambungan nozzle pada pompa... 2.6.3 Gaya Dan Momen vertikal Dan Horizontal Equipment... 16 19 23 23 24 27 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Lokasi Riset... 3.2 Spesifikasi Penelitian... 3.3 Pemodelan.... 3.4 Proses Penelitian.... 32 32 36 38 BAB 4 HASIL DAN ANALISA 4.1 Pemodelan Plant Design 3D... 4.2 Pemodelan Dan Analisa Pipa Daily Tank Menuju Filter... 4.2.1 Pemodelan Pipa Daily Tank menuju Filter... 4.2.2 Analisa Tegangan Pipa Daily Tank Menuju Filter... 4.2.3 Analisa Gaya dan Momen nozzledaily tank menuju filter... 4.2.3.1 Nozzle di Daily tank unit 1 dan unit 2... 4.2.3.2 Nozzle di filter unit 1, 2, 3 dan 4.... 4.3 Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa 1 dan 2 Menuju HE... 4.3.1 Pemodelan Pipa Dari Pompa 1 dan 2 menuju HE... 4.3.2 Analisa Tegangan Pipa Dari Pompa 1 dan 2 Menuju HE... 4.3.3 Analisa Gaya dan Momen Nozzle Pompa Unit 1 dan 2 ke HE. 4.3.3.1Analisa Gaya dan Momen di Nozzle Pompa.... 41 44 44 47 48 48 50 52 52 55 56 56
4.3.3.2 Analisa Gaya Dan MomenNozzle HE... 4.4 Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa 3 dan 4 Menuju HE... 4.4.1 Pemodelan Pipa Dari Pompa 3 Dan 4 Menuju HE... 4.4.2 Analisa Tegangan Pipa Dari Pompa 3 dan 4 Menuju HE... 4.4.3 Analisa gaya dan momen pipa pompa unit 3&4 menuju HE... 4.4.3.1 Analisa Gaya dan Momen di Nozzle Pompa... 4.4.3.2 Analisa Gaya dan Momen di Nozzle HE... 58 64 64 66 67 67 69 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 5.2 Saran... DAFTAR PUSTAKA... 76 77 80 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Tegangan pada pipa... Gambar 2.2 Tekanan dalam pipa satu arah... Gambar 2.3 Tekanan dalam pipa segalah arah... Gambar 2.4 Tegangan longitudinal akibat momen bending... Gambar 2.5 Tegangan Radial... Gambar 2.6 Tekanan Sirkumferensial (hoop stress)... Gambar 4.7 Gaya geser... Gambar 2.8 Lingkaran mohr kombinasi tegangan... Gambar 2.9 Grafik stress range reduction factor... Gambar 2.10 Pembebanan pada Flange... Gambar 2.11 Pompa dengan dua sisi nozzle discharge dan suction... Gambar 2.12 Orientasi dari gaya dan momen pada peralatan vertikal... Gambar 2.13 Gaya dan momen yang berkerja pada peralatan horizontal... Gambar 3.1 Autoplant 3D... Gambar 3.2 Coade Caesar II 5.1... Gambar 3.4 Input data... Gambar 3.5 Diagram alir penelitia Gambar 4.1 Tampilan plant design 3D... Gambar 4.2 Daily Tank menuju pompa... Gambar 4.3 pipa menuju heat exchanger... Gambar 4.4 Gambar tampilan input pada Caesar II... Gambar 4.5 Hasil pemodelan pipa daily tank menuju filter... Gambar 4.6 Pipa dari daily tank... Gambar 4.7 pipa menuju ke filter unit 1, 2, 3 dan 4... Gambar 4.8 Hasil input pipa dari pompa 1 & 2 menuju heat exchanger... Gambar 4.9. pipa dari pompa unit 1 dan unit 2... Gambar 4.10 pipa menuju heat exchanger... Gambar 4.11 jenis centrifugal pump side by side... Gambar 4.12 Hasil in-put pipa dari pompa 3 & 4 menuju heat exchanger... 6 8 8 9 11 12 13 15 18 23 26 28 30 37 37 38 40 42 42 43 44 45 45 46 53 53 54 57 64
Gambar 4.13 Pipa dari pompa unit 3 dan pompa unit 4... Gambar 4.14 Pipa menuju heat exchanger... Gambar 4.15 jenis sentrifugal pump side by side... 64 65 65
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Stress range reduction factors... Tabel 2.2 Gaya dan momen yang diizinkan pada pompa sentrifugal... Tabel 2.3 Kostanta β... Tabel 3.1 Spesifikasi data pada jalur I... Tabel 3.2 Spesifikasi data pada jalur II... Tabel 3.3 Spesifikasi data pada jalur III... Tabel 3.4 Spesifikasi data pada jalur IV... Tabel 3.5 Spesifikasi data pada jalur V... Tabel 4.1 Keterangan gambar daily tank menuju pompa... Tabel 4.2 Keterangan gambar pipa menuju heat exchanger... Tabel 4.3 Keteranga pipa dari daily tank... Tabel 4.4 Keterangan pipa menuju ke filter unit 1, 2, 3 dan 4... Tabel 4.5 Hasil tegangan yang terjadi pada pipa daily tank menuju filter... Tabel 4.6 Gaya dan momen di nozzle daily tank unit 1 dan 2 kondis OPE1... Tabel 4.7 Gaya dan momen di nozzle daily tank unit 1 dan 2 kondis OPE2... Tabel 4.8 Gaya dan momen di nozzle filter pada kondis OPE 1... Tabel 4.9 Gaya dan momen di nozzle filter pada kondis OPE 2... Tabel 4.10 Keterangan gambar pipa dari pompa unit 1 dan unit 2... Tabel 4.11 Keterangan gambar pipa menuju heat exchanger... Tabel 4.12 Hasil tegangan code bekerja... Tabel 4.13 Gaya dan momen di nozzle pompa unit 1 & 2 kondisi OPE1... Tabel 4.14 Gaya dan momen di nozzle pompa unit 1 & 2 kondisi OPE 2... Tabel 4.15 Gaya dan momen di nozzle heat exchanger kondis OPE1... Tabel 4.16 Gaya dan momen di nozzle HE pada kondis OPE2... Tabel 4.17 Keterangan gambar pipa dari pompa unit 1 dan unit 2... Tabel 4.18 Keterangan gambar pipa menuju heat exchanger... Tabel 4.19 Hasil tegangan code bekerja... Tabel 4.20 Gaya dan momen di nozzle pompa unit 3 & 4 kondis OPE1... 18 25 31 33 33 34 34 35 43 44 46 47 47 49 50 50 51 54 55 55 57 58 60 62 65 66 66 68
Tabel 4.21 Gaya dan momen di nozzle pompa unit 3 & 4 kondis OPE 2... Tabel 4.22 Gaya dan momen di nozzle HE unit 1 & 2 kondis OPE1... Tabel 4.23 Gaya dan momen di nozzle HE unit 1 dan 2 kondis OPE2... 69 71 73
DAFTAR SIMBOL LAMBANG ARTI SATUAN t ketebalan minimum yang dibutuhkan mm t ketebalan disign terhadap tekanan mm P tekanan dari dalam KPa D diameter luar dari pipa mm S A tegangan yang diijinkan pada suhu disign ketebalan tambahan KPa mm E faktor kualitas - E faktor kualitas casting - E faktor kualitas sambungan - E faktor kualitas struktural - S tegangan Logituginal akibat gaya aksial KPa F gaya aksial N A luas Penampang Pipa mm d diameter luar pipa mm d diameter dalam pipa mm S tegangan longitudinal akibat beban dalam KPa A luas penampang dalam pipa mm S tegangan longitudinal akibat momen lentur KPa
M, M momen lentur pada penampang pipa N.mm I momen inersia dari penampang pipa mm r radius luar pipa mm Z modulus permukaan pipa - S tegangan radial KPa τ tegangan geser yang terjadi pada pipa KPa τ ; τ tegangan geser pada X dan Y KPa F ; F gaya geser yang bekerja pada x dan y N M momen lendutan in-plane karena expansion load N.mm M momen lendutan out-plane karena expansion load N.mm