Review Desain Condensate Piping System pada North Geragai Processing Plant Facilities 2 di Jambi Merang Aulia Havidz 1, Warjito 2 1&2 Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia Email: aulia.havidz@yahoo.com Abstrak Sistem perpipaan dalam dunia industri, seperti pada refinery plant, steam power plant, chemical plant, dan lain-lain berfungsi mengalirkan fluida dari suatu peralatan ke peralatan lainnya. Peralatan yang terhubung dengan sistem perpipaan akan mempengaruhi beban yang diterima dan tingkat fleksibilitas sistem perpipaan. Sistem perpipaan harus dapat menahan beban yang diterimanya dan memiliki fleksibilitas yang baik sehingga tidak terjadi tegangan yang berlebihan dan kegagalan lainnya yang dapat mengganggu seluruh proses. Oleh karena itu, dilakukan analisis fleksibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan secara sederhana atau dengan menggunakan software komputer seperti caesar II sesuai kebutuhan. Analisis fleksibilitas dan tegangan juga digunakan sebagai acuan penentuan jenis dan peletakan support pipa dengan juga mempertimbangkan nilai ekonomis dan tingkat keamanan sistem perpipaan sesuai code ASME B31.3 dan standar yang digunakan. Review yang dilakukan pada desain condensate piping system pada plant NGF 2 menunjukkan adanya kelebihan beban dan pergerakan yang terjadi pada beberapa bagian pipa. Perubahan desain support pipa yang bermasalah dilakukan agar sistem perpipaan berada dalam batas aman. Kata kunci: analisa fleksibilitas; analisa tegangan; sistem perpipaan; support pipa Abstract Piping system in the industry, such as refinery plant, steam power plant, chemical plant, and other drains fluid from an equipment to other equipment. Equipment connected to the piping system will affect load received and the level of flexibility of the piping system. Piping system must be able to support the weight it receives and has good flexibility so that no excessive stress and other failures that can disrupt the entire process. Therefore, simple flexibility and stress analysis on a piping system or by using computer software such as Caesar II as needed. Flexibility and stress analysis is also used as a reference for determining the type and pipe laying support primarily to also consider the economic value and the level of security appropriate piping code ASME B31.3 and standards used. Review conducted on the design of condensate piping system on NGF 2 plant shows excessive movement and overloaded occurring in some parts of the pipe. Pipe support design changes done to the piping system problems are within safe limits. Keywords: flexibility analysis; pipe support; piping systems; stress analysis 1
DAFTAR NOTASI C [mm] Corrosion allowance D 0 [inch] Diameter luar aktual pipa E [] Longitudinal joint quality factor f [] Faktor yang tergantung jumlah siklus yang dialami pipa i i [] In-plane stress intensification factor i o [] Out-of-plane, stress intensification factor M i [in-lb] In-plane bending moment M o [in-lb] Out-of-plane bending moment P [psig] Tekanan desain S [psi] Nilai stress allowance material S b [psi] Resultan bending stress S c [psi] Tegangan dalam pipa dalam keadaan dingin S h [psi] Tegangan dalam pipa dalam keadaan panas S e [psi] Allowable stress untuk ekspansi termal S H [psi] Hoop (circumferential) stress S l [psi] Stress sustain yang terhitung S L [psi] longitudinal Stress S t [psi] Torsional stress t m [inch] Tebal dinding pipa minimum Y [] Faktor koreksi ketebalan pipa pada tabel 304.1.1 ASME B31.3 Z [in 3 ] Section modulus of pipe 1. Pendahuluan Dalam suatu perancangan NGL plant, petrochemical ataupun refinery plant melibatkan disiplin ilmu yang kompleks. Masing masing disiplin ilmu memiliki peranan yang penting, walaupun tidak semua bagian memiliki nilai kepentingan yang sama. Namun, setiap disiplin ilmu harus terpenuhi agar sistem yang direncanakan dapat berjalan dengan baik. Dari sekian banyak disiplin ilmu yang terlibat, disiplin sistem perpipaan merupakan salah satu bagian yang penting dalam perancangan suatu plant karena sistem perpipaan berfungsi untuk menghubungkan setiap peralatan yang ada pada suatu plant. Sistem perpipaan digunakan untuk mengalirkan fluida, baik itu gas, minyak, ataupun vapour yang memiliki karakteristik tertentu dari suatu tempat ke tempat lainnya. Perkembangan industri yang terus berlanjut termasuk pada beban tekanan, temperatur dan kompleksitas struktur sistem perpipaan mengharuskan penggunaan ukuran pipa yang lebih besar, wall thickness yang lebih tebal, dan paduan jenis alloy yang lebih baik [1]. Perubahan spesifikasi pipa ini bisa memenuhi kebutuhan yang ada meskipun harus dilakukan proses fabrikasi yang lebih sulit, dengan adanya pemilihan material baru menyebabkan biaya yang semakin mahal. 2
Untuk itu harus dilakukan analisis fleksibilitas agar spesifikasi perpipaan yang akan dipasang dalam kondisi yang optimal sehingga biaya yang mahal bisa diminimalisir. Selain itu aspek penting lainnya dengan melakukan analisis fleksibilitas dapat memastikan kondisi sistem perpipaan aman dan tidak akan membahayakan manusia dan lingkungan sekitar. Dalam melakukan analisis fleksibilitas pada sistem perpipaan dibagi menjadi dua kategori, yaitu jalur pipa yang dianalisis dengan perhitungan manual sesuai code yang digunakan dan jalur pipa yang harus dianalisis dengan metode stress analysis dengan menggunakan software komputer. Stress analysis perlu dilakukan pada jalur pipa yang kritis dan memenuhi beberapa kriteria tertentu seperti memiliki temperatur atau tekanan yang tinggi dan lain sebagainya. Dilihat dari salah satu kriteria diatas, jalur pipa yang berhubungan dengan discharge reboiler termasuk jalur pipa yang kritis karena fluida yang keluar dari boiler memiliki temperatur yang tinggi. Pada plant North Geragai Fractionation-2 (NGF) di Jambi Merang terdapat dua reboiler 720-E-103 dan 720-E-106 yang berfungsi memanaskan produk bottom dari kolom depropanizer dan debutanizer yang akan didistribusikan ke vessel 795-V-211. Untuk memastikan jalur pipa ini optimal dan aman beroperasi, maka perlu dilakukan analisis fleksibilitas. 2. Dasar Teori 2.1 Sistem Perpipaan Sistem perpipaan bekerja seperti arteri dan vena dalam tubuh manusia yang mengalirkan sumber kehidupan bagi masyarakat modern. Di perkotaan sistem perpipaan digunakan untuk mengalirkan air dari sumbernya menuju ke perumahan dan gedung-gedung lainnya, mengalirkan limbah rumah tangga dan limbah lainnya menuju ke tempat pengolahan limbah. Begitu juga dalam dunia industri seperti steam power plant, refinery plant, chemical plant, nitrogen plant, NGL plant sistem perpipaan digunakan untuk menyalurkan fluida dari satu peralatan ke peralatan lainnya [2] Sistem Perpipaan merupakan rangkaian pipa, valve, fitting (elbow, tee, reducer, flange) dan komponan lain (support, expansion joint, dll) yang menjadi pendukung utama dalam berjalannya proses produksi dalm suatu industri sehingga dalam perancangan sistem perpipaan engineer harus mengikuti aturan code dan standard dan memahami perilaku sistem pipa akibat pembebanan. Selain itu engineer juga perlu mempertimbangkan kemudahan pada saat 3
pelaksanaan konstruksi, kemudahan dalam pemeliharaan dan kemudahan pada saat pengoperasian. 2.2 Analisis ASME B31.3 Process Piping ASME/ANSI B31.3 adalah code yang sering digunakan dalam perancangan dan analisis pipa pada Chemical Plant dan Petroleum. Beberapa analisis yang dilakukan dengan mengacu pada ASME B31.3 adalah sebagai berikut: 2.2.1 Pressure Stress Tebal dinding minimum karena beban tekanan dihitung dengan persamaan [3]:!! =!!!!(!"!!") +! (2.1) Tekanan desain dapat dihitung dengan persamaan [3]:! =! (!")(!!!)!!!!!(!!!) (2.2) 2.2.2 Beban Sustain Stress yang terjadi pada beban sustain merupakan jumlah longitudinal stress (S L) akibat efek tekanan, berat, dan beban sustain yang lain dengan tidak melebihi hoop stress (S H) [8]. 2.2.3 Beban Occasional Stress yang terjadi pada beban occasional merupakan jumlah stress longitudinal akibat tekanan, berat, dan beban sustain lain serta stress yang dihasilkan oleh beban occasional misalnya angin atau gempa. Stress ini tidak boleh melebihi 1.33S h [9]. 2.2.4 Beban Ekspansi Stress yang diakibatkan oleh adanya displacement (pergeseran) S e akan dihitung sebagai berikut [3]: S e = [(S b ) 2 + 4(S t ) 2 ] 1/2 (2.3) Untuk elbow, miter bend, resultan bending stress (S b ) dihitung dengan persamaan [3]: 4
S b = Resultan bending stress, psi S b = [(i i M i ) 2 + (i o M o ) 2 ] 1/2 / Z (2.4) Stress limit displacement dapat diberikan sebagai berikut [3]: S e S a (2.5) dengan S a = f (1.25 S e + 0.25S h ), psi (kpa) (2.6) S a = f (1.25 (S e +S H ) S l ), psi (kpa) (2.7) 3. Metode Penelitian Metode yang dipakai dalam review desain sistem perpipaan pada penelitian ini adalah analisis fleksibilitas sederhana dan analisis tegangan, pembebanan support, dan pergerakan perpipaan untuk mengetahui apakah desain sistem perpipaan masih dalam kategori allowable sesuai dengan code ASME B.31.3. 3.1 Data Sistem Perpipaan Design code : ASME B31.3 Flange rating : ANSI 300# RF.Weld Neck Pipe Material : ASTM A 106 Gr-B Corrosion Allowance : 1,6 mm Design Pressure : 60 Psig Operation Pressure : 25,4 Psig Test Pressure : 90 Psig Design Temperature : 386 0 F Operation Temperature : 260 0 F Fluid Density : 49,44 lb/ft 3 Bend Radius : 1,5 D 5
Jalur perpipaan ini terdiri dari empat cabang perpipaan yang berbeda, yaitu: No. Jalur Pipa NPS pipa (inch) 795-10 -HM-BCB-283-H075 10 795-8 -HM-BCB-143-H085 8 795-4 -HM-BCB-162-H062 4 795-8 -HM-BCB-286-H062 8 4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Analisis Mekanikal Analisis mekanikal yang dimaksudkan adalah analisis terhadap perbandingan ketebalan dinding pipa minimal hasil perhitungan sesuai pada ASME B31.3 dengan ketebalan pipa sch.40 pada ASME B36.10. Tabel 3.1 Tebal Pipa [4] NPS OD (in) Tebal sch 40 Tebal Minimal (inch) (mm) (inch) (mm) 3 3,500 0,216 5,486 0,068 1,727 4 4,500 0,237 6,019 0,070 1,778 6 6,,625 0,280 7,112 0,073 1,854 8 6,625 0,322 8,178 0,076 1,930 10 10,750 0,365 9,271 0,079 2,009 Berdasarkan hasil perhitungan ketebalan pipa dengan menggunakan persamaan ASME B31.3 dan tabel 3.1 diatas dapat dilihat perbedaan nilai ketebalan pipa yang cukup besar. Ketebalan pipa schedule 40 lebih tebal 4 kali tebal minimum pipa hasil perhitungan. Perbedaan yang cukup besar ini disebabkan tekanan desain pipa yang kecil sebesar 60 Psig, sehingga mempengaruhi ketebalan pipa minimal yang dibutuhkan. Ketebalan minimum yang dibutuhkan 6
pipa harus dapat menahan tekanan dari fluida agar pipa tidak bocor atau rusak. Jika tekanan fluida kecil, maka untuk mengalirkannya bisa menggunakan pipa yang tipis. 4.2 Analisis Fleksibilitas Analisis fleksibilitas pada sistem pepipaan dibagi menjadi dua menurut tingakat kompleksitas analisis yang disesuaikan dengan kebutuhan sistem perpipaan. Pertama, analisis fleksibilitas secara visual oleh engineer dan perhitungan menggunakan persamaan sederhana pada code ASME B31.3 untuk sistem perpipaan proses. Kedua, analisis tegangan/stress analysis yang saat ini bisa digunakan dengan bantuan software komputer. Analisis tegangan pada sistem perpipaan sudah mewakili analisis fleksibilitas sederhana. Pada sistem perpipaan yang sederhana biasanya cukup hanya dilakukan analisis fleksibilitas secara visual dan perhitungan sederhana, sementara untuk sistem perpipaan yang lebih kompleks harus dilakukan analisis tegangan yang sudah mewakili analisis fleksibilitas sederhana. Pada sistem perpipaan antara reboiler dan vessel yang menjadi studi kasus pada skripsi ini dilakukan pengkategorian fleksibilitas mengikuti kriteria desain. Berdasarkan kriteria fleksibilitas, sistem perpipaan yang terhubung dengan peralatan yang sensitif termasuk heat exchanger termasuk dalam kategori B, dimana harus dilakukannya stress analysis terhadap sistem perpipaan tersebut. 4.3 Pemodelan Caesar II Analisis tegangan yang dilakukan dengan menggunakan software caesar II diawali dengan melakukan pemodelan mengikuti spesifikasi desain sistem perpipaan. Hasil pemodelan sistem perpipaan ditunjukkan pada gambar 4.1. Setelah desain perpipaan selesai dibuat, maka dilakukan pengujian error pada desain. Jika model tidak memiliki error selanjutnya dilakukan analisis tegangan, beban pada tumpuan, dan pergerakan perpipaan. 7
Gambar 4.1 Gambar isometrik sistem perpipaan [5] Analisis tegangan yang dilakukan dengan menggunakan software caesar II diawali dengan melakukan pemodelan mengikuti spesifikasi desain sistem perpipaan. Hasil pemodelan sistem perpipaan ditunjukkan pada gambar 4.1 4.4 Analisis model Caesar II Gambar 4.2 Hasil analisis tegangan (load case: occasional) [5] 8
Hasil analisis tegangan pada gambar 4.2 menunjukkan sistem perpipaan tidak mengalami tegangan yang berlebihan, hanya saja terdapat persentasi tegangan yang mendekati batas maksimal pada pembebanan occasional yaitu 92,4% dibandingkan dengan batas maksimalnya. Tabel 4.1 Hasil analisis beban pada support [5] Node Load Case Allowable FX N. FY N. FZ N. 90 Rigid +Y; Rigid X 12 (EXP) 19768,9 8938 4-677 180 Rigid +Y 4 (OPE) 19768,9 660-18548 -5525 1270 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9-1775 -6783 995 1420 Rigid Y; Rigid X; Rigid Z 12 (EXP) 13007,9 5214 2843-4413 2015 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9-3660 -12202-31 Hasil analisis beban pada support pada tabel 4.1 menunjukkan ada beberapa node yang melebihi batas maksimal gaya yang diijinkan mengacu pada gaya yang diijinkan pada nozzle peralatan yang terhubung dengan jalur perpipaan tersebut. Hal ini disebabkan kurang tepatnya desain support pada node tersebut atau disekitarnya. Gambar 4.3 Hasil analisis pergerakan pipa [5] 9
Hasil analisis pergerakan pipa pada gambar 4.3 menunjukkan ada beberapa bagian pipa yang bergerak terlalu bebas sehingga bertabrakan dan membahayakan sistem perpipaan secara keseluruhan. Hal ini disebabkan oleh hal yang sama dengan kelebihan beban pada support, kurang tepatnya desain support pada node tersebut atau disekitarnya. Oleh karena itu, untuk mengatasi masalah yang terjadi perlu dilakukan perubahan pada desain support pipa agar keseluruhan sistem berada dalam kondisi aman. 4.5 Desain pipe support Perubahan support pipa yang menanggung beban yang berlebih dilakukan pada node pipa yang bermasalah dengan mengganti jenis support atau menggeser support agar pipa menjadi lebih fleksibel. Sedangkan pada pipa yang bergerak terlalu bebas dilakukan penggantian jenis support yang dapat menahan pergerakan dan penambahan support disekitar pipa tersebut. Perubahan support pipa ditunjukkan pada tabel 4.2 sebagai berikut: Tabel 4.2 Perubahan support pipa [5] Node Keadaan Awal Tumpuan / Support Keadaan Akhir 50 +Y 90 +Y ; X +Y ; X digeser 180 +Y di bend +Y sebelum bend 565 +Y ; Guide 645 +Y 785 +Y +Y ; Guide 790 +Y +Y ; Guide 800 +Y +Y ; Guide 810 +Y ; Guide 830 +Y ; X ; Z 1255 +Y ; Guide 1520 +Y +Y ; Guide 2010 +Y +Y digeser 2015 +Y 2060 +Y 3005 +Y ; Guide 10
4.1 Analisis desain sistem perpipaan baru Setelah melakukan perubahan support, pada model desain sistem perpipaan yang baru dilakukan kembali analisis pembebanan statik caesar II. Dan hasilnya menunjukkan perubahan besar tegangan, beban support, pergerakan pipa yang semuanya berada dalam batas yang diijinkan. Hasil analisis desain sistem perpipaan yang baru ditunjukkan pada gambar 4.4;4.5 dan tabel 4.3 di bawah. Gambar 4.4 Hasil analisis tegangan desain baru [5] Tabel 4.3 Hasil analisis beban support desain baru [5] Node Load Case Allowable FX N. FY N. FZ N. 90 Rigid +Y; Rigid X 12 (EXP) 19768,9 8938 4-677 180 Rigid +Y 4 (OPE) 19768,9 660-18548 -5525 1270 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9-1775 -6783 995 1420 Rigid Y; Rigid X; Rigid Z 12 (EXP) 13007,9 5214 2843-4413 2015 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9-3660 -12202-31 11
Gambar 4.5 Hasil Analisis pergerakan desain baru [5] 4. Kesimpulan dan Saran 4.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil pengolahan data dan analisis yang telah dilakukan didapat kesimpulan sebagai berikut: 1. Condensate piping system pada NGF-2 di Jambi merang termasuk kategori sistem perpipaan kritis karena terhubung dengan reboiler (heat exchanger) dan mengalirkan fluida dengan temperatur tinggi sehingga perlu dilakukan stress analysis 2. Condensate piping system pada NGF-2 di Jambi merang memiliki tegangan yang berada dalam batas yang diijinkan, tapi beban pada tumpuan/support, dan pergerakan pipa di beberapa node melebihi batas yang diijinkan sehingga harus dilakukan perubahan desain 3. Perubahan pada tumpuan/support pada node yang bermasalah dan penambahan node disekitarnya dalam mengurangi beban tumpuan/support dan pergerakan pipa pada node yang melebihi batas yang diijinkan. 12
4.2 Saran 1. Dalam mereview desain sistem perpipaan sebaiknya memahami kriteria owner dan code dan standard yang digunakan, serta konsep-konsep dasar sistem perpipaan. 2. Modifikasi pada desain sistem perpipaan sebaiknya disertai dengan peninjauan kelayakan di lapangan agar dapat diaplikasikan dengan baik. REFERENSI [1] The M.W Kellogg Company (1956). Design of Piping System. USA: John Willey & Sons,Inc [2] Nayyar, Mohinder L (2000). Piping Handbook seventh edition. USA: McGraw-Hill [3] ASME (2010). B31.3 Process Piping. New York : American Society for Mechanical Engineer [4] ASME (2004). B36.10 Wall Thickness Schedules. New York : American Society for Mechanical Engineer [5] Coade Caesar II versi 5.1 13