ANALISA TEGANGAN STATIK SISTEM PERPIPAAN PADA POMPA AIR UMPAN ( FEED WATER PUMP ) DENGAN METODE ELEMEN HINGGA DAN BANTUAN SOFTWARE CAESAR II versi. 5.10 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik nnnn ALFIS SYAHRI NIM. 070401044 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MEDAN 2012
ABSTRACT In designing a plant system, we will not be released from the piping system. Piping system serves as a medium for a working fluid flowing from one system component toother components. This piping system must be able to withstand all loads that work, namely the magnitude of the burden remains at all times (static load) and load that varies according to the function of time (dynamic load). Piping system's ability to withstand the work load so as not to cause the failure known as the flexibility of the piping system. Analysis needs to be done to ensure that the piping system in a safe condition when operated. Piping system must have sufficient flexibility, so that at the time of operation, no piping system failure due to overstress on the pipe. This thesis discussed about Feed Water Pump piping system. Where the functions of Feed Water Pump is to drain the water from the water storage tank into the water pre-heater before the water drains to the boiler. Analysis performed with the help of Caesar II software to know stress distribution on this piping system. After analysis, the stress that occurs in the pipe must not exceed the stress of the pipeline allowable stress. So, The design of this piping system is safe from the stress case. Keywords: Static stress, Dynamic stress, Piping Systems.
ABSTRAK Dalam merancang suatu sistem plant, kita tidak akan terlepas dari sistem perpipaan. Sistem perpipaan berfungsi sebagai media untuk mengalirkan suatu fluida kerja dari suatu system komponen ke komponen lainya. Sistem perpipaan ini harus mampu menahan semua beban yang bekerja,yaitu beban yang besarnya tetap sepanjang waktu (beban statik) maupun beban yang berubah-ubah menurut fungsi waktu (beban dinamik). Kemampuan system perpipaan untuk menahan beban yang bekerja sehingga tidak menimbulkan kegagalan dikenal sebagai fleksibilitas system perpipaan. Kegagalan pada system perpipaan ini dapat mengganggu system perpipaan. Perlu dilakukan penganalisaan untuk memastikan bahwa system perpipaan pada kondisi aman saat di operasikan. Sistem perpipaan harus mempunyai fleksibilitas yang cukup, agar pada saat pengoperasiannya, tidak terjadi kegagalan system perpipaan akibat tegangan yang berlebihan (overstress) pada pipa. Dalam skripsi ini dibahas mengenai sistem perpipaan pada perpipaan pompa air umpan (Feed Water Pump). Dimana fungsi dari perpipaan pompa air umpan ini adalah untuk mengalirkan air dari tangki penyimpanan air kedalam pemanas sebelum air masuk kedalam boiler. Penganalisaan dilakukan dengan bantuan software Caesar II untuk mengetahui distribusi tegangan pada pipa. Setelah dilakukan penganalisaan, tegangan yang terjadi pada pipa tidak melebihi tegangan izin pipa. Sehingga sistem perpipaan yang dirancang dinyatakan aman dari segi tegangan. Kata kunci : Tegangan Statik, Sistem Perpipaan
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, berkat rahmat dan karunia-nya sehingga penyusunan skripsi ini dapat di selesaikan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat bagi mahasiswa Teknik Mesin dalam menyelesaikan studi di Universitas Sumatera Utara. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua Ibunda Arlinda dan Ayahanda Zainal Arifin serta keluarga besar penulis, yang telah banyak memberikan materi dan moril serta dukungan kepada penulis hingga dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. 2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai ketua Departemen Teknik Mesin FT-USU. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 3. Bapak Ir. Tugiman,MT selaku dosen pembimbing penulis dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 4. Teman Satu Team (Fadhillah Putra, Alfis Syahri, Amin Nawar) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 5. Kepada Risa Titis Wijayanti atas segala dukungan dan doa serta sebagai motivasi terbesar demi terwujudnya skripsi ini. 6. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin khususnya (Masniarman) yang banyak memberi motivasi serta teman-teman angkatan 2007. 7. Abang, adik-adik dan keluarga besar penulis yang banyak memberi dukungan kepada penulis untuk menyelesaikan kuliah dan hingga tugas sarjana ini selesai. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila
terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya. Medan, April 2012 Penulis, ALFIS SYAHRI NIM : 070401044
DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR...iii DAFTAR ISI...v DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL...xiv DAFTAR NOTASI...xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Tujuan Penelitian...2 1.3Batasan Masalah...3 1.4 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Pemipaan... 5 2.2 Teori Tegangan... 6 2.2.1Tegangan Satu Arah (Uniaxial)... 6 2.2.1.1Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Unaxial... 13 2.2.2 Tegangan Dua Arah (Biaxial)... 16 2.2.2.1 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Biaxial...20 2.2.3 TeganganUtama (Principal Stress)...23 2.2.3.1 Lingkaran Mohr Tegangan Utama...28 2.3 Sistem Penumpu... 29 2.3.1 MomenLentur (BendingMomen)... 29 2.3.2 Gaya Geser... 29 2.3.3 Gaya danmomenpadatumpuan... 30 2.4 KlasifikasiTegangan... 35 2.4.1Tegangan Longitudunal (Longitudinal Stress)... 35
2.4.1.1TeganganAksial... 36 2.4.1.2 TeganganLentur (Bending Stress)... 37 2.4.2 Tegangan Geser... 38 2.4.2.1TeganganGeserAkibat Gaya Geser... 38 2.4.2.2 TeganganGeserAkibatMomenPuntir... 39 2.4.3TeganganTorsi... 39 2.4.3.1 Momen Inersia (Polar)... 40 2.4.3.2 Regangan Geser... 40 2.5 Persamaan Tegangan Pada Sistem Pemipaan... 41 2.6 Metode Elemen Hingga... 43 2.6.1 Node (u)... 44 2.6.2 Konstanta Kekakuan (K)... 45 2.7 Matriks Kekakuan Akibat Pembebanan Aksial... 48 2.7.1 Metode Elemen Hingga Untuk Pembebanan Aksial... 55 2.8 Matriks Kekakuan Untuk Pembebanan Lentur... 55 2.8.1 Metode Elemen Hingga Untuk Pembebanan Lentur... 67 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Pendahuluan... 68 3.2Studi Kasus... 68 3.2.1 Spesifikasi Pipa... 68 3.2.2 Spesifikasi Fluida... 69 3.3 Diagram Alir Penelitian... 70 3.4 Urutan Proses Analisis... 71 3.4.1 Pembuatan Data Awal... 71 3.4.2 Studi Literatur... 71 3.4.3 Metode Pengerjaan... 71 3.4.3.1 Pemodelan Sistem Pemipaan... 72
3.4.3.2 Mengecek Error Pada Pemodelan... 72 3.4.3.3 Pemodelan Tumpuan... 72 3.4.3.4 Analisis Nilai Kekakuan Tumpuan... 73 3.4.3.5 Analisis Besarnya Tegangan Pipa... 73 3.4.4 Pembahasan... 73 3.5 Identifikasi Masalah... 76 3.5.1 Kondisi Pipa Mendatar... 77 3.5.2 Kondisi Pipa Tegak (Vertikal)... 85 3.6 Pengenalan Software... 87 3.6.1 Penggunaan CAESAR II dan Prosedur Simulasi... 88 3.6.1.1 Memasukkan Data Input Pipa... 90 3.6.1.2 Memeriksa Pemodelan... 92 3.6.1.3 Analisis Statik... 93 BAB IV ANALISA, HASIL SIMULASI DAN DISKUSI 4.1 Pemodelan SistemPemipaan Pada Isometrik dan Caesar II...95 4.2 Hasil Analisa Dengan Menggunakan Software CaesarII v5.10...107 4.3 Perhitungan Pembebanan Pipa...113 4.3.1 Pembebanan Pada Pipa...113 4.3.2 Pembebanan Oleh Fluida (Air)...114 4.4 Validasi Perhitungan Tegangan Pipa Pada Tiap Kondisi...116 4.4.1 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Tegak...116 4.4.1.1 Perhitungan Tegangan Pipa Menggunakan Software Pada Pipa Tegak...116 4.4.1.2 Perhitungan Tegangan Secara Teoritis Pada Kondisi Pipa Tegak...118 4.4.2 Validasi PerhitunganTegangan Pada Pipa Mendatar (Kondisi Di Anchor)...122
4.4.2.1 Perhitungan Dengan Menggunakan Software ( Kondis di Anchor)...122 4.4.2.2 Perhitungan Tegangan Secara Teoritis (Kondisi di Anchor)...124 4.4.3. Validasi Perhitungan Tegangan Pada Pipa Mendatar ( Kondisi Ditumpu)... 128 4.4.3.1 Perhitungan Dengan Menggunakan Software (Kondisi Di Tumpu)...128 4.4.3.2 Perhitungan Tegangan Secara Teortis (Kondisi Ditumpu)...130 4.5 Tabulasi Hasil Simulasi dan Perhitungan Teoritis...138 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...139 5.2 Saran...140 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Distribusi Tegangan Uniaxial... 7 Gambar 2.2 Distribusi Tegangan Uniaxial...7 Gambar 2.3 Distribusi Tegangan Uniaxial setelah dipotong...8 Gambar 2.4 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Uniaxial...15 Gambar.2.5 Tegangan pada sebuah batang...16 Gambar 2.6 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Biaxial...22 Gambar.2.7 Tegangan umum yang terjadi...23 Gambar 2.8 Lingkaran Mohr Untuk Tegangan Utama...28 Gambar 2.9 Free Body Diagram kesetimbangan gaya dan momen...30 Gambar 2.10 Diagram gaya geser dan momen lentur...34 Gambar 2.11 Tegangan Aksial...36 Gambar 2.12 Bending Momen...37 Gambar 2.13 Distribusi Tegangan Geser...40 Gambar 2.14 Regangan Geser...41 Gambar 2.15 Pembagian Mesh Pada Benda 43 Gambar 2.16 Konstanta Kekakuan Pegas...45 Gambar 2.17 Perpindahan dan Gaya di Suatu Elemen...49 Gambar 2.18 Pembebanan Defleksi...56 Gambar 2.19 Pembebanan Defleksi Akibat Momen...59 Gambar 2.20 Kondisi batas Untuk Menentukan Nilai Perpindahan...63 Gambar 2.21 Kondisi Batang Yang Mengalami Defleksi...65 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian...70 Gambar 3.2 Diagram Alir Simulasi...75
Gambar 3.3 Kondisi Pipa Mendatar...76 Gambar 3.4 Kondisi Pipa Mendatar Dianchor...78 Gambar 3.5 Diagram Benda bebas Beban Terbagi Rata...81 Gambar 3.6 Potongan Diagram Benda Bebas untuk 0 x LL 2...82 Gambar 3.7 Kondisi Pipa Tegak...85 Gambar 3.8 Penampang Pipa... 85 Gambar 3.9 Tampilan Awal CAESAR II...89 Gambar 3.10 Data satuan yang digunakan dalam pemodelan...90 Gambar 3.11 Piping input pada CAESAR II...90 Gambar 3.12 Input panjang awal potongan...91 Gambar 3.13 Input properties pipa...91 Gambar 3.14 Error dan warning pada pengecekan bila terjadi kesalahan...92 Gambar 3.15 Error dan warning bila tidak ada kesalahan pada pemodelan...93 Gambar 3.16 Pemilihan jenis beban pada pemodelan...93 Gambar 4.1 Bentuk isometrik system perpipaan Oil Tank...96 Gambar 4.2 Kotak Penulisan Nama Kalkulasi pada awal dimulainya proses pemasukan data...97 Gambar 4.3 Kotak Standar Satuan yang digunakan di CAESAR II...98 Gambar 4.4 Kotak Penulisan Node Pertama...99 Gambar 4.5 Kotak Penulisan Data Pipa, Temperatur dan Tekanan...99 Gambar 4.6 Pemodelan Pipa Lurus beserta Sifat /Karakteristik Pipa...100 Gambar 4.7 Kotak Penulisan Data Code yang digunakan...100 Gambar 4.8 Pemodelan Anchor...101 Gambar 4.9 Pemodelan flange dan ukuran flange pada DZ...102 Gambar 4.10 Pemodelan Gate Valve...102 Gambar 4.11 Pemodelan pembuatan elbow...103
Gambar 4.12 Kotak pembuatan support...103 Gambar 4.13 Model yang ditampilkan hasil input data di CAESAR II...105 Gambar 4.14 Icon Error Checking pada Menu Bar...105 Gambar 4.15 Hasil Output Error Checking...106 Gambar 4.16 Pemilihan Analisa Untuk Beban Sustain...107 Gambar 4.17 Grafik Tegangan Hasil Simulasi Software Caesar II v 5.10...112 Gambar 4.18 Kondisi pipa tegak yang di tumpu...115 Gambar 4.19 Kondisi pipa tegak...119 Gambar.4.20 Pipa mendatar yang dengan kondisi di anchor...122 Gambar 4.21 Kondisi pipa tegak...124 Gambar.4.22 Kondisi pipa yang diberi tumpuan...129 Gambar 4.23 Pipa dengan kondisi ditumpu...131
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Spesifikasi Pipa...68 Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida...69 Tabel 4.1 Hasil simulasi tegangan pipa keseluruhan...128 Tabel 4.2 Hasil simulasi tegangan pipa vertikal...118 Tabel 4.3 Hasil simulasi tegangan pipa mendatar ( anchor )...123 Tabel 4.4 Hasil simulasi tegangan pipa mendatar ( penumpu )...130 Tabel 4.5 Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Teoritis...138
DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan P Beban N D Diameter mm σ Tegangan N/m ε Regangan _ E Modulus Elastisitas N/m Lf Panjang Akhir mm Lo Panjang Awal mm L Pertambahan Panjang mm A Luas Penampang mm Z Modulus Section (mm) R Gaya Reaksi N V Gaya Geser N M Momen Nm I Moment Inertia ( m ) 4 J Moment Inertia Polar ( m ) τ Tegangan Geser N/ m W Gaya Berat N θθ Sudut Pembentuk ⁰ C Centroid mm Di Diameter Dalam mm K Kekakuan N/m 2 2 2 4 2 3