Sidang Tugas Akhir Analisa Pemasangan Ekspansi Loop Akibat Terjadinya Upheaval Buckling pada Onshore Pipeline HARIONO NRP. 4309 100 103 Dosen Pembimbing : 1. Dr. Ir. Handayanu, M.Sc 2. Yoyok Setyo H.,ST.MT.PhD
Latar Belakang Pada pipa yang dipendam didalam tanah sering terjadi kegagalan yang disebut buckling. kegagalan ini berupa deformasi tekukan yang bisa terjadi baik pada dinding pipa maupun seluruh bagian pipa Kombinasi dari kenaikan temperatur saat operasional dan gaya resistant tanah akan menghasilkan gaya tekan aksial efektif pada pipa. Salah satu cara yang akan dibahas pada penelitian ini adalah pemasangan loop ekspansi pada daerah yang mengalami upheaval buckling. Fungsi loop ekspansi adalah untuk mengontrol physical properties dari material pipa yang digunakan, misalnya elongation (stress-strain) yang terjadi pada pipa yang lebih disebabkan oleh ekspansi termal. 2
Rumusan Masalah 1. Berapa beban dan tegangan yang terjadi pada pipeline sehingga menyebakan upheaval buckling? 2. Bagaimana bentuk dan ukuran loop ekspansi yang dibutuhkan oleh pipeline yang mengalami upheaval buckling? 3. Apa pengaruh dari pemasangan loop ekspansi terhadap operasi pipeline? 3
Batasan Masalah 1. Beban yang bekerja pada pipa adalah beban internal pipa dan gaya friksi tanah. 2. Konfigurasi tanah berupa tanah lempung (clay) dan dianggap homogen. 3. Dalam tinjauan mekanika, pipa dimodelkan atau dianggap sebagai kolom yang dikenai kombinasi beban aksial dan transversal kebawah dengan ujung-ujung pipa dianggap dipasak (pined-pined). 4. Permukaan tanah timbunan dianggap merata sepanjang pipa yang ditinjau. 5. Pengaruh perubahan gaya gesek tanah akibat instalasi pipa lain disamping pipa yang ditinjau tidak dibahas lebih lanjut instalasi pipa diasumsikan instalasi tunggal. 6. Akibat korosi tidak dibahas lebih lanjut dalam kasus ini. 7. Tidak meninjau kasus buckling pada arah horizontal atau lateral (sumbu y) 8. Burried pipe sesuai dengan aturan Pemerintah 9. Pola aliran fluida akibat ekspansi tidak dibahas lebih lanjut. 4
Metodologi Penelitian Mulai Input data pipa Studi literatur dan pengumpulan data pipa serta lingkungan Hoop Stress Longitudinal Stress Gaya Aksial Gaya friksi Analisa tegangan Pemodelan numerik dengan software B Pressure design Temperature design Pembebanan Beban tanah Gaya friksi A 5
(lanjutan..) A Validasi model Tidak B Ya Running model Analisa buckling kolom Pemodelan Loop ekspansi dengan software Posisi vertikal Posisi Horisontal Running model Analisa tegangan pada pipa loop 6 Selesai
Data-data yang di gunakan dalam pemodelan Parameter Nilai Diameter pipa, D0 12.75 Ketebalan Pipa 0.375 In Tekanan Internal Pipa 720 Hidro Test Pressure 907 Psi Maksimum operating allowable pressure 580 Temperatur Desain Operasi 300 Temperatur Instalasi 200 F API 5L grd Kelas Material Pipa X46 SMYS 46000 Psi Fluida Isi Natural Gas Modulus Young 30000000 Psi Rasio Poisson 0.3 Massa Jenis Pipa 490 lb/ft 3 Koefisien Ekspansi Termal 0.0000065 in/in F 7
Lanjutan Properti Tanah Jenis tanah Lempung Lunak Koefisien friksi tanah 0.7 Kedalaman pipa di bawah tanah (crossing) 1.5 m Massa Jenis Tanah Berat Jenis Tanah Boring Dangkal 1 136.742 lb/ft 3 1340.072 N/m 3 Boring Dangkal 2 177.3951 lb/ft 3 1738.472 N/m 3 Boring Dangkal 3 145.9814 lb/ft 3 1430.617 N/m 3 Boring Dangkal 4 131.1984 lb/ft 3 1285.745 N/m 3 8
Fatigue & Fracture Mechanics (MO-091334) 9
Dasar Teori Tegangan Hoop (Hoop Stress) Tegangan hoop adalah tegangan yang bekerja pada pipa dengan arah tangensial atau circumferential Besar tegangan ini bergantung pada variasi tebal dinding yang mempengaruhi tekanan internal Sumber : Harahap (2007) 10
Dasar Teori Tegangan longitudinal 1. Tegangan kompresif akibat ekspansi termal. Beda temperatur saat instalasi dan operasi menyebabkan ekspansi termal kearah longitudinal, 2. Akibat pengaruh tekanan internal maka bisa terbentuk tegangan lain sebagai reaksi dari tegangan hoop atau tegangan longitudinal 11
Dasar Teori Tegangan ekivalen Von Mises Tegangan-tegangan yang bekerja pada arah berbeda-beda pada pipa dapat dipandang secara menyeluruh dengan menggunakan hubungan Von Mises Karena tegangan geser tangensial sangat kecil maka tegangan yang bekerja dapat diabaikan (ASME B31.8, 2003) 12
Tegangan Hoop Tegangan Longitudinal Akibat internal pressure Maka total tegangan longitudinal Akibat ekspansitermal Tegangan kombinasi (Tegangan Von Mises) 13
Gaya Friksi Tanah Gaya friksi pada pipa merupakan kombinasi gaya friksi tanah disekeliling pipa serta berat pipa itu sendiri. Analisa dan perhitungan gaya friksi yang bekerja pada pipa ini akan mengikuti code ASME B31.1 dan ASCE tahun 2000 Besarnya gaya friksi tanah bergantung pada jenis tanah timbunan, kedalaman dan lebar timbunan tanah dan kondisi dipermukaan tanah 14
Dasar Teori Gaya Aksial Pada pipa yang tertahan, tegangan tegangan yang bekerja pada arah longitudinal, yaitu tegangan termal dan tegangan Poisson akibat tekanan internal akan menyebabkan gaya aksial pada pipa. Resultan gaya aksial efektif inilah yang menyebabkan pipa mengalami tekukan ke arah vertikal pipa. Resultan gaya aksial efektif pada pipa restraint adalah 15
Dasar Teori Analisa Balok Kolom (Beam Coloum) Pada kasus ini pipa dimodelkan sebagai sebuah balok yang selain mendapat beban tekan aksial juga mendapatkan beban tanah sepanjang kolom tersebut. Dalam hal ini beban tekan aksial yang bekerja adalah akibat tegangan longitudinal dan untuk beban merata yang bekerja sepanjang balok adalah jumlah gaya friksi tanah dan beban tanah diatasnya. y w x L 16
Lanjutan.. Menurut Hobs tahun 2001 buckling pada pipeline akibat beban axial dapat direpresentasikan dengan persamaan dibawah ini: Dimana: 17
Sehingga untuk kasus ini berdasarkan persamaan sebelumnya maka didapatkan besar defleksi maksimum yang terjadi pada pipa adalah sebagai berikut: Sedangkan untuk panjang buckling yang terjadi Fatigue & Fracture Mechanics (MO-091334) 18
Dasar Teori Ekspansi Loop Ekspansi loop memberikan tumpuan yang dibutuhkan oleh sistem pipa pada arah tegak lurus untuk menyerap ekspansi termal yang terjadi sehingga tercipta fleksibilitas pipa. Gambar : Ekspansi loop secara vertikal (Rara,2009) 19
Ekspansi Loop Gambar : Ekspansi loop secara horizontal (Rara,2009) Menurut Antaki (2003) panjang loop yang dibutuhkan untuk menahan defleksi upheaval buckling yang terjadi adalah 20
Analisa Data Propertis Pipa 21
Analisa Perhitungan Gaya Friksi dan Beban Tanah Gaya friksi tanah dipengaruhi oleh beberapa parameter antara lain tekanan tanah yang bekerja pada pipa, luas penampang permukaan pipa, dan lebar trench berikut tabel perhitungan gaya friksi per satuan panjang pada tiap lokasi boring: lokasi Pc (kg/m 3 ) f (Kg/m) f (lb/in) BD 1 2205.792 1622.080 BD 2 2861.568 2088.876 BD 3 2354.832 1728.170 BD 4 2116.368 1558.426 90.832 116.972 96.773 87.268 22
Sebagai total beban yang menahan pipa agar tidak terjadi upheaval buckling maka total beban merupakan hasil penjumlahan gaya friksi tanah dan beban tanah diatasnya. Untuk beban tanah sendiri adalah beban tanah yang berada diatas pipa yang sangat tergantung kedalaman dan lebar timbunan tanah. Lokasi Beban Tanah Gaya Friksi (f) Total Beban (w) lb/in lb/in lb/in BD 1 87.791 90.832 178.623 BD 2 113.891 116.972 230.863 BD 3 93.723 96.773 190.496 BD 4 84.232 87.268 171.500 23
Analisa Gaya Aksial Kompresif Pada perhitungan ini dilakukan perhitungan gaya aksial yang dialami pipa akibat adanya tegangan longitudinal. Karena adanya perbedaan temperatur (ΔT) yang cukup besar yaitu sebesar 100 F sehingga tegangan longitudinal akibat ekspansi termal sangat berpengaruh signifikan terhadap besarnya gaya aksial yang terjadi. Dari hasil perhitungan gaya aksial yang terjadi pada pipa maka didapat gaya aksial maksimum sebesar 532387.8 lb. 24
Analisa Hasil Pemodelan Pipeline Pada software CAESAR II 5.0 Komponen Tegangan (Psi) Analitical Numerik Allowable Koreksi (%) Hoop 12240 12758 33120 4.06 Axial 40212 41366 36800 2.79 Von Mises 35702 37273 41400 4.22 25
Analisa Balok Kolom Berdasarkan perhitungan dengan menggunakan persamaan menurut Hobs tahun 2000 maka didapatkan variasi panjang buckling disetiap titik boring dangkal dan besar defleksi maksimum yang terjadi. Lokasi Beban Tanah per Satuan Panjang (w) Panjang Buckling (L) Defleksi Maksimum (y) lb/in in in BD 1 178.623 565.271 10.264 BD 2 230.863 530.155 10.264 BD 3 190.496 556.250 10.264 BD 4 171.500 571.052 10.264 Tabel Variasi panjang buckling yang terjadi pada setiap titik boring 26
Gambar Grafik defleksi yang terjadi pada pipa Berdasarkan analisa secara analitik didapatkan harga defleksi yang lebih besar yaitu sebesar 10.264 inchi atau sama dengan 0.259 meter dibandingkan dengan hasil analisa numerik (software) yang sebesar 0.247 meter, dengan koreksi sebesar 4.63 %. 27
Model pipa yang mengalami defleksi vertical 28
Analisa Pemasangan Loop Ekspansi Untuk mengakomodasi defleksi sebesar 0.259 meter yang terjadi pada simulasi diatas maka pipa harus memilikki panjang loop yang cukup agar defleksi tidak terjadi dalam bentuk buckling. Dengan memasang loop sepanjang 5.3 m diharapkan upheaval buckling sebesar 0.259 meter tidak terjadi. 29
Tabel perbandingan besar tegangan yang terjadi setelah dilakukan pemodelan loop horizontal dan loop vertikal Tegangan (Psi) Komponen Loop Horizontal Loop Vertical Allowable Hoop 12758 12758 33120 Axial 3662 3670 36800 Von Mises 15927 18347 41400 Berdasarkan tabel diatas dapat disimpulkan adalah setelah dilakukan pemodelan loop ekspansi maka tegangan aksial akibat ekspansi termal yang sebelumnya melampaui tegangan ijinsehingga menyebabkan timbulnya global buckling dapat diredam dengan adanya loop ekspansi sehingga tegangan aksial yang terjadi turun menjadi 3662 Psi untuk tipe loop horizontal dan 3670 Psi untuk tipe loop vertical. 30
Dalam hal ini tegangan-tegangan yang ditinjau adalah tegangan pada daerah elbow (belokan) pada pipa loop dan tegangan keseluruhan setelah dimodelkan loop. Tabel perbandingan besar tegangan yang terjadi pada bagian elbow pada masing-masing tipe loop ekspansi Tegangan (Psi) Node Loop Horizontal Loop Vertikal 50 12010.0 11574.2 58 12397.3 13113.0 59 8387.9 14750.5 60 6754.9 15905.7 70 11136.9 15914.1 78 13278.0 15927.0 79 14749.8 14797.3 80 15729.6 13152.8 31
Pada tabel diatas didapatkan tegangan sebesar 15729.6 Psi sebagai tegangan terbesar yang terjadi pada tipe loop horizontal sedangkan pada loop vertical didapatkan tegangan terbesar sebesar 15905.7 Psi. Jika dilihat dari rata-rata tegangan yang terjadi pada bagian elbow maka untuk loop horizontal didapatkan rata-rata sebesar 11634.6 Psi sedangkan untuk loop vertical sebesar 14051.9 Psi. 32
Kesimpulan Dari analisis yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: Berdasarkan permodelan pipa diatas maka didapatkan tegangan axial sebesar 41366,563 Psi. Tegangan berdasarkan pemodelan pada software lebih besar dari perhitungan secara analitik sebesar 40212 Psi sehingga selisihnya 2.79%. Untuk mengakomodasi defleksi sebesar 0.259 meter yang terjadi pada simulasi yaitu dengan memasang loop sepanjang 5.3 m baik tipe horizontal dan vertikal. Setelah dipasang loop maka tegangan aksial yang terjadi pada pipa menjadi 3662 Psi untuk tipe loop horizontal dan 3670 Psi untuk tipe loop vertical. Jika dilihat dari rata-rata tegangan yang terjadi pada bagian elbow maka untuk loop horizontal didapatkan rata-rata sebesar 11634.6 Psi sedangkan untuk loop vertical sebesar 14051.9 Psi. 33
Saran 1. Melakukan analisa buckling terhadap sumbu Z (sneaking). 2. Diperlukan analisa lebih lanjut mengenai perbedaan tingkat keamanan untuk setiap expansion loop dengan adanya faktor eksternal yang dialami seperti beban angin. 3. Kecepatan fluida yang tinggi pada daerah elbow pada expansion loop dapat menimbulkan resiko erosi yang lebih tinggi, sehingga menyebabkan ketebalan pipa menjadi berkurang dan memperngaruhi kekuatan pipa. Untuk itu, diperlukan penelitian selanjutnya dengan melakukan analisis masalah erosi pada elbow agar hasil yang diperoleh lebih komprehensif. 34
TERIMA KASIH OLEH: HARIONO 4309.100.103