BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data dan Sistem Pemodelan Sumber (referensi) data-data yang diperlukan yang akan digunakan untuk melakukan perancangan sistem perpipaan dengan menggunakan program Caesar II dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : No. Document Number Description 1. D-198-P-DW-0003 PFD (Process Flow Diagram) 2. D198-P-DW-0244-1,2, 3 PID (Process & Instrument Diagram) 3. D198-P-GD-0010 Process Line List 4. 9701-50-03-SYN-141-TMP-LST-0002 Critical Line List Mechanical Data Sheet, Booster 5. 9701-20-03-SYN-141-TMS-DSH-0002 Compressor Suction Scrubber 6. System-02 Piping System Isometric Drawing 7. 1515-50-G001-0 Piping and Valve Specification 10. 9701-00-03-SYN-141-TAA-RPT-003 Site Visit Report 11. 9701-50-03-EQL-001 Plot Plan (Equipment Layout) 12. 9701-50-03-PPL-003~006, 010~012 Piping Plan (Piping Layout) 13. - PDMS Review Tabel 3. Referensi data (Sumber :Dokumen Maleo Development Booster Compressor Project) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 43
Berdasarkan PID, Process line list, Critical line list, Piping dan Valve Specification dan Mechanical Data Sheet, mendapatkan data-data sebagai berikut : 1. Aplication code : ASME B31.3, ASME B16.5 2. Specification :PIPE SPEC 003 ASME 300# Carbon Steel 3. Material Summary a. Pipe : ASTM A 106 Gr B (A 53 Gr B) b. Flange : ASTM A 105 c. Fittings : ASTM A 234 Gr WPB d. Stubs & Nuts : ASTM A193 Gr B7/A 194 Gr 2H e. Tubing : ASTM A 269 Gr 316 f. Valve : Carbon Steel 4. Nominal : 20 inch ( 508 mm ) 5. Schedule : Sch. 40 / tebal pipa 15 mm 6. Design temperatur : 90 o C 7. Operating temperatur : 36 o C 8. Design Pressure : 44.37 Barg = 4.437 MPa 9. Operating Pressure : 11.74 Barg = 1.174 MPa 10. Hydrotest Pressure : 76.53 Barg = 7.653 MPa 11. Corrosion Allowance : 3 mm 12. Koefisien Bahan (Y) : 0.4 (ASME B31.3 hal 18, t<d/6) 13. Faktor kualitas (E) : 1 ( 0,9 ; Referensi ASME B31.3 hal 28) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 44
4.2 Perhitungan Ketebalan Dinding Pipa (Wall Thickness) Penentuan ketebalan pipa (wall thickness) adalah suatu proses dimana akan ditentukan schedule pipa yang akan digunakan. Diameter pipa dan ketebalan sudah ditentukan, namun untuk menentukan ketebalan ternyata terdapat bermacam-macam schedule yang ketebalannya berbeda-beda. Misalkan untuk pipa 20 inch standar ketebalan ada 12 jenis ketebalan yang tersedia menurut standar ASME B36.10. Adapun untuk menentukan ketebalan pipa secara manual menggunakan rumus (2.1) Data-data yang digunakan pada studi perencanaan sistem perpipaan ini adalah sebagai berikut : P = 44.37 Barg = 4.437 MPa (N/mm 2 ) D S = 20 Inch (508 mm) = Tegangan maksimum yang diijinkan =16.000PSI = 110,3 MPa (N/mm 2 ) (Sumber: table A-1 ASME B31.3 hal 142 untuk material pipa ASTM A 106 Gr B / A 53 Gr B) E Y C t = 1 (untuk pipa seamless pada standar ASME B31.3) = 0.4 (Sumber : ASME B31.3 hal 18; t <D/6) = 3 mm 4.43 x 508 3 mm 2 110.3 x 1 4.43 x 0.4 t 13.12 mm Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 45
Berdasarkan perhitungan di atas diperoleh ketebalan dinding pipa 13.12 mm. Akan tetapi dalam proyek ini pihak SANTOS memberikan standar spesifikasi untuk ukuran Pipa 20 (508 mm) dengan ketebalan pipa 15 mm. Hal ini dilakukan karena demi keamanan untuk kebutuhan desain dan konstruksi. Penentuan pemakaian ketebalan pipa juga didasarkan pada material yang ada di pasaran. Hal ini perlu dipertimbangkan karena berhubungan dengan harga (cost) dan waktu yang diperlukan dalam pekerjaan konstruksi, karena apabila material tersebut tidak biasa ada di pasaran maka harus dilakukan pemesanan lebih dahulu sehingga dibutuhkan waktu yang lebih lama juga biaya yang lebih besar karena tidak lajim dipasaran. Tabel 4 (Tabel A-1 ASME B31.3). Nilai tegangan yang diijinkan (Sumber : ASME B31.3 hal 142) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 46
Temperature, C (F) Material 482 510 538 566 593 621 (900 & Lower) (950) (1000) (1050) (1100) (1150 & Up) Ferritic steels 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7 Austenitic steels 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7 Other ductile metals 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 Cast iron 0.0 - - - - - Tabel 5. Nilai koefisien bahan (Y) (Sumber : ASME B31.3 hal 18) 4.3 Studi Lapangan ke Anjungan Lepas Pantai (Site Survey) Dalam proyek Maleo Development - Booster Compressor Project perlu adanya site survey atau kunjungan dinas kelapangan untuk memverifikasi data-data terakhir dilapangan sebagai bahan pertimbangan desain baru, yang banyak dibutuhkan data dilapangan adalah lokasi desain layout equipment existing dan desain perancangan perpipaan saat itu, dan juga foto-foto lokasi keadaan saat itu, data-data tersebut sangat dibutuhkan dalam perancangan layout baru dan perancangan sistem perpipaan yang baru sebagai bahan pertimbangan. Selain itu desain hasil laserscan juga sangat dibutuhkan, laserscan adalah teknologi duplikasi kilang lama menjadi gambar 3Dimensi yang akan di integrasikan dengan program 3D PDMS. Laserscan dilakukan pada site visit untuk merekam keadaan sebenarnya suatu anjungan lepas pantai. Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 47
Gambar 1.13. Existing photo site visit Maleo Platform (Sumber : Dokumen Maleo Development Booster Compressor Project) 4.4 Perancangan Desain 3D PDMS Gambar 1.14. Desain layout existing (site survey, laser scan) (Hasil desain penulis menggunakan software PDMS 3D) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 48
Gambar 1.15. Desain layout modifikasi penambahan Equipments dan jalur baru pipa 20 inch dari Vessel Suction Scrubber ke Booster Compressor (Hasil desain penulis menggunakan software 3D PDMS) Gambar 1.16. Desain layout modifikasi penambahan Equipments dan jalur baru pipa 20 inch dari Vessel Scrubber ke Booster Compressor (Hasil desain penulis menggunakan software 3D PDMS) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 49
Gambar-gambar diatas adalah desain layout 3 dimensi, sebagai master plot plan yang menampilkan tata letak equipment, piping plan pada proyek Maleo Development Booster Compressor Project. Dalam perancangan atau dalam desain sistem perpipaan banyak kriteria-kriteria yang harus dipenuhi seperti flexibility, accessibility, maintenance ability termasuk penempatan penyangga pipa (Pipe support) harus dipertimbangkan. Setelah di review oleh multi disiplin (Process, Mechanical, structural, instrument& electrical, safety) termasuk persetujuan (approved) dari klien. Selanjutnya memproduksi gambar 2 dimensi, baik plotplan maupun piping plan yang dipergunakan disiplin selain piping sebagai referensi desain dapat dilakukan. Desain 3D PDMS ini sangat membantu para engineer stress dalam menganalisa tegangan pipa. 4.5 Membuat Stress Critical line List Dalam satu kalkulasi atau dalam satu sistem perpipaan mempunyai pengertian bukan hanya satu line number saja walaupun bisa saja hanya mempunyai satu line number seperti dalam tugas akhir yang ditulis ini. Tetapi suatu sistem atau satu kalkulasi dapat dianalisis jika paling tidak mempunyai dua titik tetap (fix point anchor point). Dengan demikian maka dalam satu sistem perpipaan yang mempunyai dua anchor tersebut sudah bisa dan layak dianggap sebagai satu kalkulasi atau satu sistem analisis. Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 50
Namun satu kalkulasi bisa juga terdiri lebih dari satu line number jika memang untuk tercapainya satu persyaratan sebuah sistem layak dianalisis tercapai, dibutuhkan lebih dari satu line number. Hal ini contohnya pada sistem perpipaan yang tersambung ke equipment pompa. Di sini biasanya akan banyak percabangan dan kadang lebih dari 3 line number, sehingga mau tidak mau ketiga line number tersebut digabung di dalam satu sistem perpipaan atau dalam satu kalkulasi. Namun dalam analisa tegangan ini hanya satu line number dalam sistem perpipaan yang di analisa tegangannya. Penentuan sistem mana saja atau line number mana saja yang akan dikalkulasi, biasanya sudah ditentukan terlebih dahulu oleh Lead Piping Stress Engineer pada saat membuat Stress Critical Line List. Tabel 6. Stress Critical Line List (Sumber : Dokumen Maleo Development Booster Compressor Project) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 51
4.6 Membuat Stress Sketch Definisi sketsa analisa tegangan (stress sketch) sebuah gambar dari sistem perpipaan yang dibuat oleh piping stress engineer yang akan dilakukan analisa tegangannya menggunakan perangkat lunak Caesar II. Stress sketch berbeda dengan berbeda dengan gambar isometrik pada sistem perpipaan yang dibuat oleh piping desainer. Perbedaannya adalah bahwa pada stress sketch tidaklah diperlukan tampilan dan informasi mengenai material dari pipa dan komponen pipa yang ada pada gambar tersebut, dimana hal itu ditampilkan pada perpipaan isometrik. Stress sketch untuk keperluan stress analisis ini lebih mengutamakan adanya informasi dari sistem perpipaan itu sendiri dan posisi serta lokasi dari penyangga pipa (pipe support). Ada dua cara dalam membuat stress sketch cara pertama adalah dengan cara menggambar secara manual berdasarkan piping general arrangement yang tak lain adalah gambar dalam bentuk 2D model atau plan drawing. Hal ini dilakukan jika diperusahaan tersebut tidak menggunakan perangkat lunak (software) 3D model atau PDMS. Saat ini kebanyakan perusahaan engineering yang bergerak dibidang MIGAS banyak menggunakan software 3D PDMS, maka biasanya stress sketch tersebut dikerjakan oleh desainer PDMS berdasarkan stress critical line list, atas dasar referensi data dari pipe stress engineer (lampiran). Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 52
4.7 Evaluasi Perhitungan Secara Manual 1 Tegangan-tegangan utama maksimum pada pipa. Dari data-data awal diketahui sebagai berikut : - Diameter luar pipa (Do) = 20 inch ( 508 mm ) - Tebal dinding pipa atau schedule (t) = Sch. 40/ tebal pipa 15 mm - Design Pressure = 4.437 Mpa(N/mm 2 ) a. Tegangan utama longitudinal (Longitudinal Principal Stress) (LPS), yaitu tegangan yang bekerja sepanjang garis sumbu pipa, tegangan ini disebabkan oleh pembengkokan, beban gaya aksial atau tekanan. P Do 4.437 508 LPS = = = 37.6 MPa ( N / mm 4t 4 15. 2 b. Tegangan utama radial (Radial Principal Stress) (RPS), yaitu tegangan yang bekerja pada satu garis mulai dari pusat pipa secara radial sampai ke dinding pipa, tegangan ini bersifat tegangan tekan bila disebabkan oleh tekanan dalam pipa dan tegangan ini bersifat tegangan tarik bila tekanan dalam pipa hampa (vacum pressure) RPS = Tekanan desain fluida (P) RPS = 4.437MPa (N/mm 2) c. Tegangan utama circumferensial (Circumferential Principal Stress) (CPS) atau 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. ) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 53
P Do 4.437 508 CPS = = = 75.1 MPa ( N / mm 2t 2 15. 2 ) Dari semua tegangan-tegangan utama maksimum yang terjadi pada jalur pipa tersebut yang paling besar adalah harga tegangan utama circumferensial (CPS) yaitu 75.1 MPa (N/mm 2). Sehingga jalur perpipaan dari Vessel Suction Scrubber ke Booster Compressor akan dinyatakan aman / tidak overstress apabila harga CPS tidak melebihi batas yield strength material pipa tersebut pada temperatur yang sama. 2 Tegangan geser maksimum (maximum shear stress) (MS) yaitu harga rata-rata dari tegangan yang paling besar dikurangi dengan tegangan yang paling kecil dan dibagi dua. CPS RPS 75.1 37.6 MS = = = 18.75 MPa ( N / mm 2 2 Dan jalur perpipaan akan dinyatakan aman / tidak overstress apabila harga maksimum shear strees tidak melebihi batas yield strength material pipa tersebut pada temperatur yang sama. 3 Tegangan maksimum yang diizinkan (allowable displacement stress range) (S A ), yaitu batasan tegangan maksimum yang diizinkan yang terjadi akibat pemuaian atau penyusutan karena terjadi perbedaan temperature pada saat sistem beroperasi dapat dihitung dengan rumus (2.19). Dari Tabel A-1 ASME B31.3 pada temperature desain 90ºC S c = 20.000 Psi = 137.9N/mm 2 S h = 20.000 Psi = 137.9 N/mm 2 Jumlah Siklus 10 tahun : 1 x 365 x 10 = 3650 f = 1,0 (untuk siklus kurang dari 7.000 diambil dari Tabel 2) 2 ) Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 54
Jadi : S A = 1,0 ( 1,25 x 137.9+ 0,25 x 137.9 ) S A = 206.9 N/mm2 Berdasarkan uraian di atas diketahui; 1. Jenis material pipa yang digunakan adalah A106 Gr.B, 2. Batas tegangan luluh material (maximum yield strength) = 241 N/mm 2 (35,000 Psi) (Sumber: Tabel A-1 ASME B31.3). 3. Batas tegangan patah (maximum tensile strength) = 413.7 N/mm 2 (60,000 Psi) (Sumber:Tabel A-1 ASME B31.3). Dari hasil perhitungan tegangan secara manual yang telah dilakukan dengan menggunakan data-data dari perhitungan diameter pipa, ketebalan dan jenis material yang digunakan diperoleh harga maksimum pada CPS = 75.1 N/mm 2 (MPa). Harga tersebut masih berada di bawah tegangan maksimum yang diizinkan (S A ) = 206,9 N/mm 2 (MPa). Sedangkan harga tegangan maksimum yang diizinkan akibat pemuaian dan penyusutan pada siklus yang berulang masih di bawah harga batas tegangan luluh material (maximum yield strength) = 241 N/mm 2. Sehingga jalur perpipaan dari Vessel Suction Scrubber ke Booster Compressor aman dan terhindar dari keretakan maupun kebocoran dan tidak terjadi overstress pada saat sistem beroperasi. sehingga mendapatkan hasil jalur perpipaan yang fleksibel sesuai batas aman yang disepakati secara internasional dan juga aman bagi fasilitas migas dan lingkungan sekitarnya. Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 55
4.8 Evaluasi Perhitungan dengan Program Caesar II Hasil perhitungan dengan menggunakan program Caesar II ini, didasarkan atas tiga kondisi pembebanan yang terjadi yaitu : a. Pembebanan karena berat material dan berat fluida (W) b. Pembebanan karena pengaruh temperatur (T1) c. Pembebanan karena pengaruh Tekanan (P1) Dari ketiga kondisi pembebanan tersebut akan dikombinasikan dalam suatu perhitungan tegangan, sehingga mendapatkan harga maksimum dari hasil analisis tersebut. Kemudian hasil tersebut akan dibandingkan dengan harga maksimum tegangan yang diizinkan (allowable displacement stress range) yang dihitung secara manual sesuai standar ASME B31.3. Adapun harga tegangan maksimum yang diperoleh dari perhitungan komputer dengan program Caesar II adalah : 1. Maximum torsions stress = 3,98 N/mm 2 (MPa) (577.4 Psi) (diperoleh dari data-data output Caesar pada lampiran). 2. Maximum bending stress = 34,93 N/mm2 (MPa)(5066.3 Psi) (diperoleh dari data-data output Caesar pada lampiran). 3. Axial stress = 1,55 N/mm2 (MPa)(224.8 Psi) (diperoleh dari data-data output Caesar pada lampiran). Sedangkan batas tegangan luluh material (maximum yield strength) = 241 N/mm 2 (35,000 Psi) dan batas tegangan patah (maximum tensile strength) = 413.7 N/mm 2 (60,000 Psi). sehingga jalur pipa tersebut tidak terjadi overstress. Hasil output gaya dan momen dari hasil perhitungan dengan program Caesar II juga diberikan pada Tabel 7. Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 56
Tabel 7. Hasil akhir analisa tegangan Program Caesar II (Sumber : Report Program Caesar II) Kesimpulan report ini hanya mencantumkan tegangan terbesar yang terjadi pada sistem perpipaan pada nomer pipa (line no) 20"-RG-3103-3C1R-01. Analisis tegangan terhadap sistem perpipaan ini dilakukan untuk mengetahui tegangan yang diakibatkan oleh beban saat hydrotest, sustained dan beban expansion serta beban operasion. Dari tabel 7 menunjukkan bahwa tegangan yang terjadi pada pipa 20"-RG-3103-3C1R-01 tidak terjadi tegangan berlebih (overstress). Sistem perpipaan dinyatakan aman apabila tegangan aktual yang terjadi tidak melebihi material allowable stress yang telah ditentukan oleh code ASME B31.3. Dan dari tabel resume hasil akhir analisa tegangan diatas dapat dilihat bahwa tegangan aktual yang terjadi tidak ada yang melebihi 100 % material allowable stress ASME B31.3, biasanya dalam analisa dengan program computer Caesar II apabila berhasil maka dari hasil report Caesar II akan menyatakan CODE STRESS CHECK PASSED. Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 57
Hasil modeling penulis dari Caesar II dapat dilihat pada Gambar 1.19 Gambar 1.17. Pemodelan pipa dan titik node Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 58
4.9 Pembahasan Perhitungan tegangan maksimum untuk beban sustained adalah 593.6 barg (59.36 Mpa) sedangkan allowable stress 1378.9 barg (137.89 Mpa) dengan rasio tegangan 43% yang terjadi pada node 280. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa hasil ini dapat memenuhi syarat nilai kalkulasi dibawah nilai allowable stress yang dipersyaratkan standard ASME B31.3. Analisa stress expansion yang terjadi akibat pengaruh temperature yang mana dengan semakin tinggi temperature semakin besar pemuaian yang terjadi juga telah dihitung oleh program Caesar II yang mana : pada kondisi T1 (thermal) stress maksimum terjadi di node 10 dengan nilai 63.1 barg (6.31 Mpa) dengan rasio 2.1%. T2 (thermal) tegangan maksimum terjadi pada node 10 dengan nilai 358.3 barg (35.83 Mpa) dengan rasio 12.1%. Dengan kata lain bahwa stress/tegangan maksimum yang terjadi akibat temperature (thermal) dengan rasio 12.1% maka dapat disimpulkan kondisi perpipaan dengan temperatur design, operating dan temperature minimum masih dibawah yang diijinkan sehingga sistem perpipaan dinyatakan dalam batas aman. Dari analisa tegangan diatas maka dapat ditarik kesimpulan bahwa jalur sistem perpipaan line 20"-RG-3103-3C1R-01 tersebut dinyatakan aman untuk beroperasi. Fakultas Teknik-Jurusan Teknik Mesin 59