2 BAB II TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Suatu sistem perpipaan dapat dikatakan aman apabila beban tegangan yang terjadi mempunyai nilai rasio lebih kecil atau sama dengan 1 dari tegangan yang diijinkan (allowable stress), sebagaimana telah ditetapkan dalam code maupun standard. Code adalah dokumen yang mengatur persyaratan-persyaratan minimal dari suatu desain, material, fabrikasi, instalasi, pengetesan, inspeksi dalam sistem perpipaan (Reff-1). Standard adalah dokumen yang mengandung peraturan desain dan konstruksi dan persyaratan individu dari komponen perpipaan seperti pipa, elbow, fitting, flange, valve, gasket dan lain-lain (Reff-1). Pemakaian code dan standard tersebut harus sesuai dengan proses pada sistem perpipaan yang digunakan. Prioritas utama apabila akan melakukan suatu analisa fleksibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan adalah harus memenuhi persyaratanpersyaratan codedan standard yang benar. Batatasan-batasan dalam code dan standard dapat dikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu batasan yang berhubungan dengan tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan, dan akibat beban operating dan sustain sistem perpipaan (Reff-5). 5
2.2 Klasifikasi Material Pipa Berdasarkan mechanical, chemical, dan physical properties, material dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, yaitu Polymers, Ceramics dan logam. Ketiga material tersebut dapat dikombinasikan menjadi material baru yang digolongkan dalam jenis Composites. Dari keempat jenis material tersebut, logam merupakan material yang paling sesuai untuk digunakan pada suatu sistem bertemperatur dan bertekanan tinggi. Logam adalah unsur kimia yang memiliki sifat kuat, keras, liat, merupakan penghantar panas dan listrik, serta mempunyai titik lebur tinggi. Logam secara umum terbagi menjadi dua, yaitu logam besi (ferrous) dan logam non-besi (non-ferrous). Klasifikasi logam dapat dilihat pada gambar skema berikut (Reff-2). Gambar 2.1 Klasifikasi Logam (Reff-2) 6
Jenis material yang paling banyak digunakan dalam sistem perpipaan di proyek LOBP adalah jenis baja (steel). Baja yang umum digunakan dalam proyek LOBP adalah jenis Baja karbon (Carbon steel). Baja karbon (Carbon steel) sendiri diklasifikasikan menjadi: Low carbon steel, jika kandungan karbonnya < 0,3 % Medium carbon steel, jika kandungan karbonnya 0,3 0,6 % High carbon steel, jika kandungan karbonnya 0,6 1,7 % Baja yang digunakan dalam sistem perpipaan yang di analisa ini adalah baja tipe API-5L Gr B. Berikut ini adalah tabel allowable stress berdasarkan Reff-1. Tabel 2.1 Allowable Stress Material (Reff-1) 7
2.3 Hukum Hooke Hukum Hooke menyatakan bahwa tegangan sebanding dengan regangan. Tegangan (stress) adalah beban dibagi dengan luas penampang bahan dan regangan (starin) adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan. Pada titik nol sampai batas proporsional, tegangan berbanding lurus dengan regangan dan membentuk garis lurus yang curam (semakin curam garis tersebut maka semakin kaku materialnya). Pada titik nol sampai yield point merupakan daerah elastis. Pada titik yield material akan mengalami pertambahan panjang. Baja tipe API-5L Gr B adalah jenis material pipa yang digunakan untuk pemipaan di unloading line. Berikut ini adalah gambar diagram tegangan regangan untuk material tersebut Gambar2.2 Diagram Tegangan Regangan Material API-5L Gr B (Reff-5) 2.4 Tegangan Ijin (Allowable Stress) Nilai tegangan ijin yang digunakan sebagai acuan adalah nilai tegangan ijin berdasarkan desain temperatur. Nilai tegangan ijin dari setiap kondisi 8
berbeda. Untuk kondisi sustained load nilai tegangan ijin material sesuai dengan tegangan ijin pada ASME B31.3. a. Kondisi sustained load dan b. Kondisi occasional load nilai tegangan ijin ditentukan berdasarkan persamaan berikut : Keterangan : S h = nilai tegangan ijin berdasarkan ASME B31.3 (psi) c. Kondisi ekspansi thermal nilai tegangan ijin material ditentukan berdasarkan persamaan berikut : Keterangan : S c = nilai tegangan ijin pada waktu sistem tidak beroperasi (psi) S h = nilai tegangan ijin pada waktu sistem beroperasi (psi) 2.5 Ketebalan Minimum (Allowable Thickness) Penentuan ketebalan material dalam desain sangatlah penting, karena ketebalan material yang dibutuhkan untuk sebuah desain dipengaruhi oleh besar kecilnya tekanan dan allowable stress material yang digunakan. Perhitungan thickness dilakukan untuk mengetahui berapa besar ketebalan pipa yang dibutuhkan agar dapat bekerja sesuai dengan operating condition. Perhitungan untuk menentukan ketebalan material biasanya diatur di dalam Code dan Standard yang digunakan dalam acuan pengerjaan sebuah 9
proyek. Untuk menentukan ketebalan minimum pada pipa lurus berdasarkan Reff-1 menggunakan persamaan berikut : Keterangan : P SE y t m A = Internal design pressure (psi) = Maximum allowable working pressure (psi) = coeficient = minimum wall thickness (in) = additional wall thickness (in) Sedangakan untuk elbow menggunakan persamaan berikut: Dimana nilai I dibedakan berdasarkan intrados (inside bending radius) dan extrados (outside bending radius) dari elbow (Reff-1). Gambar 2.3 Pipe Elbow (Reff-1) 10
Nilai I untuk intrados (inside bending radius): Nilai I untuk extrados (outside bending radius): Keterangan : R1 D = radius ellbow (in) = diameter pipa (in) 2.6 Tegangan Pipa Tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan dapat dikelompokkan menjadi dua kategori, yaitu tegangan normal (normal stress) dan tegangan geser (shear stress) (Reff-4). Tegangan normal terdiri dari tiga komponen tegangan, yaitu (Reff-5). 1. Tegangan longitudinal (longitudinal stress) Tegangan longitudinal merupakan tegangan yang searah dengan panjang pipa. 2. Tegangan tangensial (circumferential stress atau hoop stress) Tegangan tangensial merupakan tegangan yang searah dengan garis singgung penampang pipa. 3. Tegangan radial (radial stress) 11
Tegangan radial merupakan tegangan yang searah dengan jari-jari penampang pipa. Tegangan geser terdiri dari dua komponen tegangan, yaitu (Reff-5). 1. Tegangan geser (shear stress) Tegangan geser merupakan tegangan yang terjadi akibat gaya geser. 2. Tegangan puntir atau tegangan torsi (torsional stress) Tegangan puntir merupakan tegangan akibat momen puntir pada pipa. Dalam analisa software CAESAR II tegangan yang dilibatkan meliputi tegangan longitudinal, tegangan torsi dan tegangan tangensial (hoop stress) 2.7 Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) Tegangan longitudinal yaitu tegangan yang searah dengan panjang pipa dan merupakan jumlah dari tegangan aksial (axial stress), tegangan tekuk (bending stress) dan tegangan tekan (pressure stress). Mengenai ketiga tegangan ini dapat diuraikan sebagai berikut : 1. Tegangan aksial ( ax ) adalah tegangan yang ditimbulkan oleh gaya (F ax ) yang bekerja searah dengan sumbu pipa. Nilai dari tegangan aksial dapat dirumuskan sebagai berikut (Reff-4). Keterangan: A i = luas area diameter dalam pipa (in 2 ) A m = luas area cross section pipa (in 2 ) P = pressure (psi) 12
Gambar 2.4 Axial Stress (Reff-4) 2. Tegangan tekuk ( b ) adalah tegangan yang ditimbulkan oleh momen (M) yang bekerja diujung-ujung pipa. Tegangan yang terjadi dapat berupa tegangan tekuk regang (tensile bending) dan tegangan tekuk tekan (compression bending). Tegangan tekuk maksimum terjadi pada permukaan pipa sedangkan tegangan minimum terjadi pada sumbu pipa. Nilai dari tegangan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut (Reff-5). Keterangan: I = Momen inersia penampang (in 4 ) M c = Momen bending (in-lb) = Jarak dari netral axis (in) Gambar 2.5 Tegangan Tekuk (Reff-4) 13
( lp ) adalah tegangan yang ditimbulkan oleh gaya tekan internal (P) yang bekerja pada dinding pipa dan searah sumbu pipa (Gambar 2.4). Nilai tegangan tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut (Reff-5). Keterangan : P = Gaya tekan internal (psi) A i = Luas permukaan dalam pipa (in 2 ) A m = Luas rata-rata permukaan pipa (in 2 ) t = Tebalpipa (in) Gambar 2.6 Tegangan Longitudinal (Reff-4) Jadi tegangan longitudinal yang bekerja pada suatu sistem perpipaan dapat dinyatakan dengan rumus di bawah ini (Reff-4). 14
Keterangan: F = P x A i (lb) A = cross sectional area of pipe (in 2 ) P d o t M c = design pressure (psig) = outside diameter (in) = pressure design thickness (psi) = momen bending pada cross-section (in-lb) I = section modulus dari pipa (in 3 ) r o = outer radius pipa (in) 2.8 Tegangan Torsi Tegangan ini dapat diasumsikan sebagai suatu bentangan bahan dengan luas permukaan tetap yang dikenai suatu puntiran (twisting) pada setiap ujungnya. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.7. Pergeseran sudut (angular displacement) ujung satu terhadap yang lainnya didefinisikan dengan sudut ø (dalam radian). Gambar 2.7 Tegangan Torsi (Reff-4) 15
Tegangan torsi adalah total dari dua komponen : 1. Tegangan torsi yang diakibatkan oleh ekspansi thermal, kondisi ini hanya terjadi pada multiple plane system atau sistem dengan koordinat routing pipa antar support X,Y,Z. 2. Tegangan torsi yang diakibatkan oleh tegangan geser atau shear stress, nilai tegangan ini sangat kecil sehingga tegangan ini diabaikan. 2.9 Beban (Loads) Loads adalah beban yang terjadi pada sistem perpipaan yang diteruskan ke struktur bangunan penumpu melalui peralatan penumpu dan restrain. Jenisjenis dari load adalah sebagai berikut: 2.9.1 Sustained Load Sustained load adalah total dari longitudinal stress yang diakibatkan oleh tekanan dan berat pada sistem perpipaan (Reff-1), sehingga dapat dikatakan istilah lain dari sustained load adalah longitudinal stress, jenis tegangan dari longitudinal stress meliputi axial stress, pressure stress, dan bending stress ketiga persamaan ini ditunjukkan pada Persamaan (2.8) (2.9) (2.10). Akumulasi dari ketiga tegangan tersebut adalah longitudinal stress seperti yang ditunjukkan pada Persamaan (2.11). Penentuan momen pada tegangan tekuk dibedakan menjadi 2 perlakuan sebagai berikut: 16
Untuk sistem dengan beban merata (uniformly distributed load) Gambar 2.8 Sistem Pipa Beban Merata 12) Untuk sistem dengan beban terpusat (concentrated load) Gambar 2.9 Sistem Pipa Dengan Beban Terpusat Keterangan: W = berat cross section pipa (lb/in) L = panjang pipa (in) Untuk sistem dengan jumlah beban terpusat lebih dari satu maka penentuan momen berdasarkan perhitungan mekanika teknik metode simply supported beam. 17
2.9.2 Occasional Load Wind Occasional load adalah beban yang bekerja secara berubah-ubah menurut fungsi waktu. Suatu sistem perpipaan yang terletak outdoor dan mendapat terpaan angin harus dirancang untuk mampu menahan beban angin maksimum yang terjadi sepanjang umur operasional pipa tersebut. Beban angin diakibatkan oleh tumbukan massa udara yang mengenai pipa. Beban ini dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah dengan arah angin di sepanjang pipa. Berdasarkan persamaan Bernoulli, gaya angin yang mengenai pipa dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.14, dimana q dihitung sesuai Rumus 2.15 (Reff-6). Keterangan: F = beban angin (lb/ft) = viskositas dinamik udara (lbf.s/ft 2 ) C d = koefisien drag q = tekanan dinamik (lb/ft 2 ) D o = diameter luar pipa (in) = massa jenis udara (lb/ft 3 ) V R e = kecepatan udara (ft/s) = Reynold number 18
2.9.3 Occasional Load Seismic Dalam merancang suatu sistem perpipaan, tidak akan lepas dari perhitungan mengenai beban dinamis yang terjadi. Salah satu beban dinamis tersebut adalah seismic load. Besarnya tegangan akibat seismic load dapat dirumuskan sebagai berikut (Reff-6). Keterangan : S i W = Seismic stress (psi) = Stress intensification factor = Berat pipa (lb) Z = Modulus penampang pipa (in 4 ) L G = Panjang pipa (in) = Seismic acceleration 2.9.4 Thermal Load Akibat dari temperatur fluida alir dan sifat material pipa, dapat menyebabkan terjadinya perpanjangan pada pipa (ekspansi). Untuk pipa lurus analisa thermal ekspansi berdasarkan metode guided cantilever, guided cantilever adalah cantilever beam yang ditahan pada salah satu ujungnya, untuk pipa lurus dibawah beban thermal ekspansi perlakuan metode guided cantilever seperti pada Gambar 2.9 (Reff-6) 19
Gambar 2.10 Metode Guided Cantilever (Reff-6) Untuk metode guided cantilever momen yang dihasilkan akibat pengaruh defleksi ditunjukkan pada Persamaan 2.18 Keterangan: M = displacement (in) = momen yang terjadi pada tumpuan (in-lb) I = momen inersia (in 4 ) L E = panjang pipa (in) = modulus elastisitas (psi) berikut. Sedangakan nilai thermal ekspansi ditunjukkan pada Persamaan 2.20 20
Keterangan: M = momen yang terjadi pada tumpuan (in-lb) I = momen inersia (in 4 ) Z = section modulus (in 3 ) Untuk sistem perpipaan yang lebih kompleks dan mempunyai banyak loop penentuan momen berdasarkan centroid sistem dan momen inersia dari sistem. Penentuan centroid sistem berdasarkan total dari panjang segmen pipa dikali jarak titik acuan (Reff-7). Berikut adalah penentuan centroid dari tiap potongan pipa. Pipa lurus pada bidang proyeksi Gambar 2.11 Pipa Lurus Pada Bidang Proyeksi Pipa lurus tegak lurus dengan bidang proyeksi Gambar 2.2 Pipa Lurus Tegak Lurus Dengan Bidang Proyeksi 21
Elbow90 pada bidang proyeksi Gambar 2.3 Elbow 90 Pada Bidang Proyeksi Elbow 90 tegak lurus dengan bidang proyeksi Gambar 2.4 Elbow 90 Tegak Lurus Dengan Bidang Proyeksi Setelah menentukan centroid sistem langkah selanjutnya adalah menentukan momen inersia sumbu xy dari sistem, momen inersia dari tiap elemen adalah panjang elemen dikali dengan jarak dari sumbu x dan sumbu y (Reff-7). Beberapa persamaan berikut merupakan formula dari momen inersia sumbu xy. Pipa lurus pada bidang proyeksi sejajar dengan salah satu sumbu 22
Gambar 2.5 Pipa Lurus Pada Bidang Proyeksi Sejajar Dengan Salah Satu Sumbu Elbow 90 pada bidang proyeksi Gambar 2.16 Elbow 90 Pada Bidang Proyeksi Pipa lurus tegak lurus pada bidang proyeksi Gambar 2.6 Pipa Lurus Tegak Lurus Pada Bidang Proyeksi 23
Elbow 90 tegak lurus bidang proyeksi Gambar 2.7 Elbow 90 Tegak Lurus Bidang Proyeksi Setelah menentukan momen inersia sumbu xy langkah selanjutnya adalah menentukan momen inersia sumbu x dan sumbu y. pada kasus ini hasil dari momen inersia bernilai positif. Berikut adalah beberapa formula momen inersia sumbu x dan sumbu y. Pipa lurus pada bidang proyeksi Gambar 2.8 Pipa Lurus Pada Bidang Proyeksi 24
Pipa lurus tegak lurus dengan bidang proyeksi Gambar 2.20 Pipa Lurus Tegak Lurus Pada Bidang Proyeksi Elbow 90 pada bidang proyeksi Gambar 2.9 Elbow 90 Pada Bidang Proyeksi 25
Elbow 90 tegak lurus pada bidang proyeksi Gambar 2.22 Elbow 90 Tegak Lurus Pada Bidang Proyeksi Untuk menentukan besar gaya yang bekerja pada sumbu x dan y digunakan Persamaan 2.37 dan 2.38 Keterangan: Fx Fy = gaya yang bekerja pada sumbu x (lb) = gaya yang bekerja pada sumbu y (lb) Iy = momen inersia sumbu y (in 4 ) Ix = momen inersia sumbu x (in 4 ) Ixy = product of inertia (in 4 ) c = expansion factor Ip = momen inersia pipa (in 4 ) 26
Persamaan nilai thermal ekspansi untuk single plane system (koordinat bidang pipa hanya sumbu x dan y) sama seperti Persamaan 2.20. Sedangkan untuk multiple plane system (koordinat bidang pipa x,y, dan z) digunakan Persamaan 2.39. Keterangan: Sb St = bending stress (psi) = torsional stress (psi) 2.10 Penyangga atau Support Support adalah alat yang digunakan untuk menahan atau menyangga suatu sistem perpipaan. Support dirancang untuk dapat menahan berbagai macam bentuk pembebanan baik statis maupun dinamis. Penempatan support harus memperhatikan dari pergerakan sistem perpipaan terhadap profil pembebanan yang mungkin terjadi pada berbagai kondisi. Berdasarkan pembebanannya penyangga pipa dapat dibagi menjadi dua yaitu pembebanan statis dan pembebanan dinamis (Reff-6). Penyangga harus mampu menahan keseluruhan berat suatu sistem perpipaan, termasuk didalamnya berat pipa, insulasi, fluida yang terkandung, komponen, dan penyangga itu sendiri. Hal penting yang perlu diperhatikan dalam mendesain piping support, antara lain (Reff-6). a) Berat Pipa Berat yang harus diperhitungkan mencakup berat pipa serta perlengkapannya, misalnya katup, bahan isolasi, serta berat isi pipa tersebut. 27
b) Jenis Pipa Jarak antara penggantung atau penumpu bergantung pada jenis bahan pipa disamping ukuran pipa, karena adanya perbedaan kelenturan. c) Mencegah Perambatan Getaran Pipa yang berhubungan dengan mesin dan peralatan yang bergerak atau berputar dapat meneruskan getaran mesin tersebut ke dalam ruangan lainnya; baik melalui pipa atau melalui konstruksi gedung sehingga dapat menimbulkan kebisingan dan resonansi. Penggantung atau penumpu pipa sebaiknya dapat mencegah perambatan getaran semacam ini. Di samping itu, penggantung atau penumpu pipa harus juga cukup kuat untuk menahan gaya-gaya tumbukan akibat timbulnya pukulan air dalam pipa. d) Ekspansi Pipa Penggantung atau penumpu pipa harus mampu menampung adanya perubahan panjang pipa akibat perubahan temperatur pipa. e) Jarak Antar Pipa Jarak antara pipa dengan pipa dan antara pipa dengan dinding atau permukaan lainnya harus cukup lebar. Jarak tersebut memungkinkan untuk penggunaan alat-alat, pemasangan isolasi atau penutup pipa, pengecatan, dan pekerjaan perawatan dan perbaikan di sekitar pipa. Untuk menghindari defleksi pada pipa, supporting yang baik perlu mempertimbangkan jarak antar tumpuan atau pipe span. Jarak ini dapat dihitung dengan Persamaan 2.40 (Reff-6). 28
Keterangan: L s = allowable pipe span (in) Z = section modulus (in 3 ) S h W = allowable tensile stress pada temperatur tinggi (psi) = berat total pipa (lb/in) 2.11 Sistem Perpipaan di proyek LOBP Marunda Industrial Estate Bekasi Sistem pemipaan di proyek LOBP sendiri, secara umum terdiri dari tiga sistem pemipaan proses dan tiga sistem pemipaan pelengkap (uitility). Adapun deskripsi dari masing-masing sistem tersebut adalah sebagi berikut: Pemipaan Proses Bagian pemipaan untuk bahan baku (Base Oil section) Bagian pemipaan untuk bahan peningkat mutu (Additive Oil section) Bagian pemipaan untuk hasil produksi akhir (Finished Product section) Pemipaan Utility Bagian pemipaan untuk uap (Steam section) Bagian pemipaan untuk air (Water section) Bagian pemipaan untuk udara bertekanan (Compressed Air section) 29
Dari beberapa proses diatas, dalam pengerjaan tugas akhir ini dipilih unloading line 300-P21002-T20ZQ-NN yang berfungsi untuk mengalirkan bahan baku (base oil) dari pelabuhan menuju tangki-tangki penampung di plan, gambar isometrik dapat dilihat pada lampiran. 2.12 Software Caesar II CAESAR II adalah program computer yang dibuat oleh COADE.Inc untuk memenuhi kebutuhan perhitungan analisa tegangan pipa, Software ini sangat membantu dalam desain mechanical dan sistem perpiaan. Pengguna Caesar II dapat membuat pemodelan sistem perpipaan dengan menggunakan simple beam element kemudian menentukan kondisi pembebanan sesuai dengan kondisi yang dikehendaki. Dengan membuat inputan tersebut, Caesar II mampu menghasilkan analisa berupa stress yang terjadi, beban, dan pergeseran terhadap sistem yang kita analisa. 2.12.1 Caesar Stress Documentation Data masukan : Dimensi dan jenis material Parameter operasi :temperature, tekanan, fluida Parameter beban : berat insulasi, perpidahan angin, gempa, dll Code yang digunakan Pemodelan : Node, elemen, tumpuan 30