ANALISA TEGANGAN PIPA PADA SISTEM PERPIPAAN HEAVY FUEL OIL DARI DAILY TANK UNIT 1 DAN UNIT MENUJU HEAT EXCHANGERDI PLTU BELAWAN 1, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus Usu Medan 0155 Medan Indonesia email: manurungpeter@ymail.com 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), agar tidak terjadi kebocoran yang diakibatkan oleh beban yang berlebih (overload) pada sambungan equipment dengan sistem perpipaan. Jika ditemukan kegagalan atau tegangan yang berlebih maka perlu dilakukan perancangan ulang untuk mempastikan bahwa sistem perpipaan ini dapat beroperasi dengan aman. Hasil dari tegangan, gaya dan momen harus sesuai dengan standar dan kode yang ditetapkan. Kata kunci: analisa tegangan pipa, gaya dan momen sambungan, sistem perpipaan 1. Pendahuluan Dalam suatu perencangan plant tidak terlepas dari pada sistem perpipaan yang mana berfungsi sebagai jalur tranportasi fluida yang ingin dialirkan dari satu komponen ke komponen yang lain. Sistem perpipaan ini harus dirancang sedemikan rupa sehinga mampu menahan beban yang terjadi, baik beban statis dan dinamis yang terjadi. Analisa tergangan pada perpipaan adalah teknik yang dilakukan oleh engineer agar sistem perpipaan tanpa tegangan berlebih (over stress) dan pembebanan berlebih (over loading) pada kompenen pemipaan dengan komponen yang terhubung. Kemampuan sistem perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menyebabkan kegagalan disebut fleksibilitas system perpipaan. Kegagalan pada sistem perpipaan ini dapat mengganggu proses operasi yang berlangsung. Maka dari itu, analisa fleksibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan perlu dilakukan untuk memastikan bahwa sistem perpipaan pada kondisi aman saat dioperasikan. Sistem perpipaan harus mempunyai fleksibilitas yang cukup, agar pada saat terjadi pemuaian termal dan kontraksi, pergerakkan dari penyangga dan titik persambungan pada sistem perpipaan tidak akan menyebabkan: 1. Kegagalan sistem perpipaan akibat tegangan yang berlebihan. Kebocoran pada sambungan 3. Beban berlebih pada sambungan dengan komponen Pada tugas ini akan membahas mengenai perhitungan analisa tegangan sistem perpipaan pada system pemipaan proses yang mana mengacu kepada code ataupun standar internasional yaitu ASME B31.3 Process Piping, menganalisa gaya dan momen di setiap nozzle sambungan antara pipa dengan equipment seperti tank, filter, pompa dan heat exchanger. Proses menganalisa tegangan, gaya dan momen pada sistem pemipaan dibantu oleh program computer Coade Caesar II 5.1. Landasan Teori Dasar Perhitungan Ketebalan Pada Pipa Ketebalan dibutuhkan dari pipa lurus, kode pipa telah mengatur perhitungan ketebalan pipa yang 37
Jurnal e-dinamis, Volume 5, No.1 Juni 013 diperbolehkan yang disebut ketebalan minimum ( [1]. dengan = ketebalan minimum yang dibutuhkan (mm) t = ketebalan disign (mm) P = tekanan dari dalam (KPa) = diameter luar dari pipa (mm) S = tegangan yang diijinkan pada suhu disign (KPa) appendix A1 ISSN 338-1035 Gaya yang diberikan baik berupa tekan atau tarik terhadap luas penampang pipa %&' #$ #$ = Tegangan Logituginal akibat gaya aksial (KPa) %&' = Gaya aksial (N) = Luas Penampang Pipa (. Tekanan Dalam Pipa Tekanan dalam ini dikarenakan fluida yang ada didalam pipa, fluida ini akan memberikan tekanan baik searah dengan panjang pipa, dapt dilihat pada gambar. A= ketebalan tambahan Tegangan pada Pipa Elemen dari suatu dinding pipa dihubungkan dengan empat tegangan yang dapat dilihat pada gambar 1 []. Gambar 1 Tegangan pada Pipa = tegangan Logitudinal (Longitudinal Stress) = tegangan sirkumferensial (Circumferential Stress)! = tegangan Radial ( Radial Stress) " = tegangan Geser (Shear Stress) Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) Tegangan logituginal disebabkan gaya aksial, tekanan pipa, momen lentur [3]. 1. Gaya aksial Gambar Tekanan Dalam Pipa 3. Tegangan longitudinal akibat momen bending. Momen bending dikategorikan menjadi dua komponen momen yang terjadi ( dan ), dapat dilihat gambar 3. Gambar 3 Tegangan longitudinal *, + *( *) + ( ) - * = tegangan longitudinal akibat momen lentur ( KPa (, ) = momen lentur pada penampang pipa (N.mm).= momen inersia penampang pipa ( / 38
= radius luar pipa (mm) = modulus permukaan pipa Tegangan Radial Tegangan radial adalah tegangan yang bekerja pada dalam arah radial pipa atau arah jari-jari pipa. Besar tegangan ini bervariasi dari permukaan dalam pipa ke permukaan luarnya dan dapat dinyatakan dengan persamaan tegangan tangensial seperti pada gambar 4 [4]. Tegangan geser adalah tegangan yang bekerja dalam penampang pipa atau luas permukaan pipa, tegangan ini diakibatkan oleh gaya geser dan momen puntir Gaya geser Rasio dari nilai maksimum dan nilai rata-ratanya disebut dengan faktor distribusi gaya geser, gaya geser dapat dilihat pada gambar 6. Gambar 4 Tegangan radial S R r r i o P r i r = ( r r ) o i = tegangan radial (KPa) P = tekanan design (Kg/ ) Tekanan Sirkumferensial atau Tegangan Tangensial (Hoop Stress) Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa yang mana tekanan ini bersumber dari fluida dan nilainya selalu positif jika tegangan cenderung membela pipa menjadi dua. Seperti pada gambar 5[4]. Gambar 5 Tegangan Sirkuferensial Gambar 6. Gaya geser = tegangan geser yang terjadi pada pipa (KPa) = tegangan geser pada X dan Y (KPa) = gaya geser yang bekerja pada x dan y (N) = luas permukaan penampang (N) Tegangan Berdasarkan Kode Standar Pada sistem perpipaan ada dua dasar mode kegagalan (failure) yaitu kegagalan tegangan sustained (primer) dan kegagalan tegangan expansi (sekunder)[5]. a. Sustained Load Sustained load merupakan tegangan primer yang menyebabkan kegagalan katastrofis. Jumlah dari seluruh tegangan logitudinal ( akibat tekanan, berat dan akibat beban sustain yang lain tidak boleh melebihi. Tegangan Geser 39
= tegangan logitudinal (KPa = luas penampang pipa ( ) = faktor intisifikasi (SIF) in-plane = faktor intisifikasi (SIF) out-plane = momen lenduan in-plane karena sustained load (N.mm) =momen lendutan out-plane karena sustained load(n.mm) b. Occasional load Ocasional load adalah beban yang terjadi kadang-kadang selama proses operasi normal. = Tegangan akibat occasional load c. Expansion Load Expansion load adalah stress yang terjadi akibat adanya perubahan temperatur, jika temperatur naik akan mengakibatkan pemuaian sedangkan jika suhu menurun maka akan terjadi pengkerutan. 3.Metodologi Penelitian Lokasi Riset Pelaksanaan riset yang dilakukan dalam permasalahan ini diambil di PT. PLN (Persero) Pembangkit Sumetera Bagian Utara, riset yang dilakukan adalah analisa tegangan pipa pada sistem perpipaan pada jalur heavy Fuel Oil (HFO) dari daily tank menuju heat exchanger (HE). Proses Penelitian Langkah-langkah dalam analisa tegangan pada sistem perpipaan dan analisa gaya dan momen pada nozzle adalah sebagai berikut: 1. Membuat gambar plant 3D dari sistem perpipaan ini.. Melakukan pemodelan dengan menggunakan program coade caesar, dengan cara input data-data yang dibutuhkan. Data yang dibutukan dalam pemodelan ini dapat dilihat pada iso drawing seperti : panjang pipa, diameter pipa, ketebalan pipa, jenis valve, jenis flange, elbow, serta letak support, dan lainya. 3. Kemudian dilakukan proses penganalisaan, disini dapat ditampilkan hasil analisa atau pembebanan yang bekerja dan mengetahui apakah pipa sudah layak untuk digunakan dan memenuhi standar-standar atau kodekode yang telah. 4. Analisis terhadap sambungan pada tangki, filter, pompa dan heat exchanger berdasarkan gaya dan momen yang bekerja agar tidak melebihi atau masih sesuai dengan aturan standar dan kode API 610 dan WRC 107. 4. Hasil Dan Analisa Pemodelan Plant Design 3D Dalam pembuatan model plant design 3D ini penulis menggunakan program Autodesk Plant Design 3Dgambar ini digunakan untuk mengamati kondisi sebenarnya yang sesuai dengan kondisi lapangan dalam bentuk animasi tiga dimensi. Tabel 7 Keterangan gambar daily tank menuju pompa 40
Tabel 1. Keterangan Gambar 7 NO Keterangan No Keterangan 1 3 4 5 6 7 Daily Tank Unit 1 Pipa 6 in (warna abuabu) Filter unit 1 Pompa Unit 1 Filter Unit Pompa Unit Filter Unit 3 8 9 10 11 1 13 Pompa Unit 3 Filter Unit 4 Pompa Unit 4 Gate Valve Gate valve Daily Tank Unit Gambar kedua yaitu sistem perpipaan menuju heat exchanger unit satu dan dua. Tabel 3 Keterangan gambar 9 Node keterangan Node Keterangan 10 0 30 50 65 70 78 90 100 134 Ancor (nozzle daily tank unit 1) Flange (rigid) Flange (rigit) Gate Valve (rigit) Support (restrain Y+) Elbow Support (restrain Y+) Flange (rigit) Gate Valve (rigit) Support (restrain Y+) 141 140 145 150 170 190 00 300 310 030 Support (restrain Y+) Elbow Support (restrain Y+) Gate Valve(rigit) Flange (rigit) Flange ketank unit 1 Ancor(nozzle daily tank unit ) Flange (rigit) Gate Valve (rigit) Flange (rigit) Untuk dapat melihat jelas gambar pada bagian pipa menuju ke filter unit 1,, 3 dan 4 dapat dilihat pada gambar. Gambar 8 Perpipaan Heat Exchanger Tabel Keterangan gambar 8 NO Keterangan No Keterangan 1 3 Boiler Heat exchanger unit Heat exchanger unit 1 4 5 Ball Valve Elbow 4 Pemodelan Dan Analisa Pipa Daily Tank Menuju Filter Pemodelan Pipa Daily Tank menuju Filter Untuk pipa dari daily tank dimana terdapat dua unit daily tank yaitu unit 1 dan unit. Gambar 10pipa menuju ke filter unit Tabel4 Ketrangan gambar 10 Node keterangan Node Keterangan 400 460 470 1000 100 1040 1060 1070 Tee Flange (rigid) Ancor (nozzle filter unit 1) Elbow Ball Valve (rigit) Flange(rigit) Flangefilter unit 3 Ancor (nozzle filter unit ) 090 3010 300 3060 3070 4000 4060 4070 Tee Flange (Rigit) Ball valve (Rigit) Flangefilter unit Ancor (nozzle filter unit ) Elbow Flangefilter unit 1 Ancor (nozzle filter unit ) Analisa Tegangan Pipa Daily Tank Menuju Filter Tabel 5 Analisa tegangan pipa Gambar 9pipa dari daily tank Analisa Gaya dan Momen di nozzledaily tank 41
Tabel 6.Gaya dan momen nozzle (OPE1) Tabel 9.Gaya dan momen nozzle (OPE) Tabel 7.Gaya dan momen nozzle (OPE) Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa 1 dan Menuju Heat exchanger Analisa Gaya dan Momen di nozzlefilter Pemodelan Pipa Pompa 1 dan menuju Heat exchanger Tabel 8.Gaya dan momen nozzle (OPE1) Gambar 11 pipa di pompa unit 1 dan Gambar 1 pipa di Heat exchanger Analisa Tegangan Pipa Dari Pompa 1 dan Menuju HE 1 Dan 4
Tabel 10 Analisa tegangan pipa Analisa Gaya dan Momen Nozzle Pompa Tabel 11Analisa gaya dan momen(ope1) exchanger unit 1 Gagal ( X ) exchanger unit Gagal ( X ) Tabel 14Analisa gaya dan momen(ope) Tabel 1Analisa gaya dan momen(ope) Analisa Gaya dan Momen Nozzle Pompa Tabel 13Analisa gaya dan momen(ope1) Maka, hasil analisis resultan gaya dan momen di nozzle pada heat exchanger unit 1 dan unit adalah: Maka, hasil analisa resultan gaya dan momen bending di nozzle pada heat exchanger unit 1 dan unit adalah: exchanger unit 1 exchanger unit 43
Pemodelan Dan Analisa Pipa Pompa Unit 3 dan 4 Menuju HE Tabel 17 Analisa gaya dan momen(ope) Pemodelan Pipa Dari Pompa Unit 3 Dan 4 Menuju HE Gambar 13 Pipa pompa unit 3 dan 4 Analisa Gaya dan Momen di Nozzle Heat exchanger Tabel 18 Analisa gaya dan momen(ope1) Gambar 14 Pipa pompa unit 3 dan 4 Analisa Tegangan Pipa Pompa Unit 3 dan 4 Menuju HE Tabel 15 Analisa tegangan pipa Analisa gaya dan momen Nozzle pompa Tabel 16 Analisa gaya dan momen(ope1) Maka,hasil analisis resultan gaya dan resultan momen bending di nozzleheat exchanger unit 1 dan unit dengan nilai yang diizinkan adalah: bending pada nozzle pada heat exchanger unit 1 Aman ( ) Gagal ( X ) bending pada nozzle pada heat exchanger unit Aman ( ) 44
Tabel 19 Analisa gaya dan momen(ope) Maka,hasil resultan gaya dan momen bending di nozzleheat exchanger unit 1 dan unit adalah: exchanger unit 1 exchanger unit 5. Kesimpulan 1. Adapun kesimpulan dari tegangan yang terjadi pada sistem pemipaan ini adalah: a. Pada pipa penyalur dari daily tank menuju filter nilai tegangan yang terbesar sebesar 51801.6 KPa. b. Pada pipa penyalur pompa unit 1 dan menuju heat exchanger unit 1 dan nilai tegangan yang tertinggi sebesar 71999.5. c. Pada pipa penyalur pompa unit 3 dan 4 menuju heat exchanger unit 1 dan nilai tegangan yang tertinggi sebesar 7609.3 KPa. d. Sistem pemipaan marine fuel oil dari daily tank menuju heat exchanger tidak mengalami tegangan berlebih(overstress).. Analisa gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan ini dapat disimpulkan: a. Gaya dan momen di nozzle untuk daily tank tidak ada melebih batas allowable b. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk filter unit 1,,3 dan 4 tidak ada melebih batas allowable. c. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk pompa unit 1,,3 dan 4 tidak ada melebih batas allowable. d. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk heat exchanger 1 dan, pada kondisi OPE 1 dalam kondisi terjadi resultan momen bending yang melewati kondisi yang diizinkan(pipa dari pompa unit 1 dan ) e. Gaya dan momen yang terjadi di nozzle untuk heat exchanger 1 dan, pada kondisi OPE 1 dalam kondisi terjadi resultan momen bending yang melewati kondisi yang diizinkan.(pipa dari pompa unit 3 dan unit 4) f. Momen yang berlebih ini tidak berpengaruh dengan kondisi sekarang, karena momen yang berlebih hanya terjadi pada kondisi operasi dengan temperatur design bukan teperatur kerja sebenarnya. DAFTAR PUSTAKA [1] API Std 610. 004. Centrifugalg Pumps for Petrolium, Petrochemical and Gas Industries. USA: Americal Petrolium Institute. [] ITT Grinnell Industrial. 1981. Piping Design and Engineering. New York: ITT Grinnell Press. 45
[3] Helguero M, Victor. 1986. Pipe Stress Handbook. Texas: Gulf Publishing Company. [4] Peng, Ling-Chuan, dan Tsen Long Peng. 009. Pipe Stress Engineering. USA: ASME Press [5] The American Society of Mechanical Engineering. 010. ASME B31.3 Process Piping. New York: ASME Press. 46