Evaluasi Tegangan (Stress) berdasarkan WRC107

AMBANG BATAS BEBAN NOZZLE PERALATAN STATIK DAN PERALATAN (EQUIPMENT) ROTASI

5.1.1 Evaluasi Tegangan (Stress) berdasarkan WRC107

Dalam bab ini, metode perhitungan dan evaluasi tegangan lokal (local stress) sekitar dinding nozzle berdasarkan WRC-107 dapat dirumuskan sebagi berikut.

a). Garis Besar

WRC107 hanya memberikan metode perhitungan, untuk tegangan lokal akibat gaya dan momen ekstern. Kriteria evaluasi pada besaran tegangan lokal harus sesuai dengan ASME Sec. VIII Div. 2, Appendix 4.

b). Definisi Gaya dan Momen

Nozzle dianggap telah dilengkapi dengan dudukan penguat seperti dalam Gambar 3….. Berikut beban-beban yang harus didefinisikan :

P: Gaya radial pada dinding

V_c: Gaya geser dalam arah keliling (circumferential) dinding

VL:Gaya geser dalam arah longitudinal dinding. MT: Momen Torsi pada nozzle

M_c: Momen membalk (Overturning moment) dalam arah keliling dinding

M_L: Overturning moment dalam arah longitudinal dinding

c). Perhitungan Tegangan (stress)

Tegangan pada leher nozzle dan batas reinforcement pad harus ditentukan sebagai penjumlahan hasil perhitungan gaya dan momen, pertama sekali harus ditentukan besaran (parameter) β dan γ sebagai fungsi jari-jari dan tebal dinding peralatan untuk mendapatkan besaran N dan M. Sehingga tegangan circumferential, dan longitudinal dapat dihitung menurut rumus berikut.

.

β =0.875r

_O

R

_m ……….. (5.1a)

T

R

_m

=

γ

………. (5.1b) Dimana

r0: Jari-jari luar cylindrical nozzle Rm: Jari-jari rata-rata cylindrical shell

T

: Tebal dinding cylindrical shell

Harga N dan M harus dibaca dari peta (chart) berdasarkan parameter

β

dan

γ

yang hitungan. Kemudian tegangan circumferential dan longitudinal selama terjadinya gaya dan momen P, Mc dan ML harus dihitung berdasarkan harga N dan M dengan rumus berikut : Circumferential

6

₂

T

M

K

T

N

K

_n ^φ _b ^φ φ

σ = ±

……….. (5.1c) 2 6 T M K T N K_n ^x _b ^x x = ±

σ

……….. (5.1d) Longitudinal

Kn : Faktor consentrai tegangan Membran Kb: Faktor consentrasi tegangan Bending

Dan tegangan geser akibat MT, Vc dan VL adalah dirumuskan sebagai berikut :

T

r

M

O T x x

^τ 2π

2

τ

_φ

=

_φ

=

... (5.1e)

T

r

Vc

O x

π

τ

_φ

=

... (5.1f)

T

r

V

O L x

π

τ

_φ

=

... (5.1g) Tegangan membran akibat tekanan operasi intern juga harus ditambahkan sesuai dengan rumus ASME Sec. VIII Div.2, yaitu

Pi

T

Ri

Pi

m

= ⁻ +0.5

σ

... (5.1h) Dimana :

Pi = tekanan disain intern Ri = jari-jari dalam dinding

Tegangan pada leher nozzle dan reinforcement pad harus dihitung dengan menjumlahkan masing-masing nilai tegangan hitungan berdasarkan Tabel 5 dalam WRC-107.

d). Evaluasi Tegangan

Karena WRC-107 tidak menerangkan bagaimana mengevaluasi harga teganagan, Tegangan yang terhitung harus dievaluasi berdasarkan pada ASME Sec. VIII Div.2. Sebagaimana diterangkan dalam Code Appendix 4 bahwa, tegangan alloawable adalah

Sm

5 .

1 (Sm : Harga intesitas tegangan) untuk “primary stress” (PL + Pb), dan 3Sm untuk “secondary stress” (PL + Pb + Q). Dan tegangan-tegangan yang terjadi pada suatu jarak

(

R

_m

T

)

dari sumbu nozzle tidak melebihi 1.1Sm. 5.1.2 Metode Evaluasi

a). Garis Besar

Dalam bab ini dijelaskan bahwa daerah aman apabila gaya dan momen ekstern yang bekerja pada setiap nozzle berada dalam daerah (zone) sebagaimana yang terlihat pada grafik (chart) evaluasi terlampir dengan pengelompokan ukuran nozzle (2” hingga 24”), dan tebal dinding (6mm hingga 17mm). Grafik evaluasi mempunyai dua sumbu, yaitu sumbu vertijkal menyatakan gaya (P) dan sumbu horisontal menyatakan moment maksimum

{

Mc,M

_L

/ 2

}

. Apabila gaya dan momen pipa dalam daerah aman, maka nozzle mempunyai kekuatan yang cukup untuk menahan beban ekstern. Prosedur untuk menentukan daerah aman akan dibahas di bawah ini.

b). Gaya dan Momen Ekstern pada Nozzle

Gaya dan Momen ekstern harus didefinisikan sama sebagaimana dalam Para 5.1.1b (lihat Gambar 4.1). Beban berikut,

M ,

_T

V

_cdan V_L akan menyebabkan tegangan geser pada dinding. Karena tegangan yang disebabkannya adalah kecil bila dibandingkan dengan

(M

_c

,M

_L

,P)

, maka ketiganya (M_T, Vc dan V_L) dapat diabaikan. Oleh karena itu sehingga Mc, M_L dan P yang patut dipertimbangkan untuk menentukan daerah aman. Disini Mc = Vc x a dan M_L = V_L x a.

c). Penentuan Daerah Aman

Penentuan keadaan aman dapat dilakukan sebagai berikut. Sumbu vertikal menunjukkan Gaya Ekstern (P) dan sumbu horisontal menujukkan Momen ekstern (M) yang bekrja pada nozzle equipmen. Apabila besaran gaya adalah positip berarti gaya yang bekerja dari dinding luar masuk ke dalam, dan besaran negatip berarti gaya yang bekerja dari dinding dalam menuju ke luar. Besaran gaya radial dinyatakan dengan P. Sedangkan Momen mempunyai harga mutlak. Hal ini dipertimbangkan karena besaran momen positip dan negatip menyebabkan besaran pada tegangan lokal yang sama. Harga M_c atau

2

L

M

yang lebih besar harus diambil sebagai sumbu horisontal momen, karena dampak dari Mc menyebabkan tegangan lokal selalu lebih besar dari

2M

_L.

Jika point (P, Max {׀Mc׀,

M

_L

2

} berada dalam daerah aman, maka tegangan yang terjadi tidak akan lebih besar dari allowable stress.

Gambar 22 : Chart evaluasi daerah aman d) Pengelompokan Tebal Dinding dan Ukuran Nozzle

Dalam lampiran terlihat daerah aman dalam grafik (chart) evaluasi dibuat untuk kelompok tiap tebal dinding dengan grafik kelompok ukuran nozzle pipa di dalamnya. Grafik pengelompokan allowable ini dapat digunakan untuk menentukan aksepatabilitas beban nozzle peeralatan statik berdasarkan hasil analisis dengan software flexibility analysis. Pengelompokan berdasarkan tebal dinding peralatan (equipment), meliputi :

6,7,8,9,10 ÅÆ 11, 12 ÅÆ 14,15 ÅÆ 16,17 ÅÆ 20,21 ÅÆ 26,27 ÅÆ

dan 12 kelompok yang dibuat berdasarkan ukuran nozzle adalah sebagai berikut : 2”, 3”, 4”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”, 18”, 20”, 24”

Nozzle yang lebih besar dari 24” dianggap sama dengan nozzle 24” dalam tabel , agar lebih konservatif.

e). Penentuan acceptability

Penentuan akseptabilitas dapat dilakukan dengan menggunakan chart (grafik) seperti yang terlampir, apabila titik koordinat (P,M) dari hasil analisa dimana Gaya P pada sumbu vertical ditarik secara horizontal dan dipotongkan pada Momen M pada sumbu horizontal ditarik vertical adalah aman (safe) jika titik potong tersebut berada di dalam zona (daerah) akseptabilitas, maka nozzle dapat dinyatakan mempunyai kekuatan yang cukup untuk menahan beban external.

Dan sebaliknya tidak aman apabila titik potong tersebut berada diluar zone, sehingga dapat dikatakan bahwa nozzle tidak cukup kuat untuk menahan beban ekstern, maka tegangan lokal di sekitar nozzle harus dicek (dievaluasi) berdasarkan WRC-107 secara individual. f). Pengkondisian untuk Perhitungan Tegangan

Berikut diuraikan prosedur penentuan posisi beban aktual terhadap grafik daerah beban yang dijinkan (acceptable) seperti dalam lampiran A :

- Menghitung tegangan local : WRC-107 (Gunakan CALWRC atau program analisis tegangan pipa yang lain).

- Evaluasi tegangan lokal : ASME Sec. VIII Div.2, Appendix 4

- Tetapkan tebal minimum dinding equipment (dalam tabel) dengan kondisi sebagai berikut : a). Diameter dalam didnding : 300 – 4500mm

b). Takanan disain : 1 – 50 kgf/cm2

c). Tegangan batas : ASME Sec. II Part D (1999 Addenda) d). Tebal minimum : dengan menggunakan bejana tekan.

Tabel 3 : Tebal Minimum dinding

Ketebalan Minimum (mm) Diameter Dalam Shell (mm)

Carbon Steel Stainless Steel

300 ≤ D ≤ 1500 6 4

1500 < D ≤ 3000 8 6

3000 < D ≤ 4500 10 8

- Bahan dinding : A516Gr.60 (untuk tebal ≤ 16mm), A516Gr.70 (tebal > 16mm) - Perkenan korosi (corrosion allowance) : 3 mm untuk C.S

: 0 mm untuk S.S - Joint efficient : 1.0

- Reinforcement pad nozzle neck : Dengan menggunakn reinforcement pad a). Ukuran tebal dudukan: sama dengan dinding

b). Bahan dudukan : sama dengan dinding - Posisi nozzle: pada dinding

- Hubungan diameter dinding dan ukuran nozzle : D>1.75d_r disini

D

= diameter dalam dinding

5.2 BATASAN BEBAN NOZZLE EQUIPMENT ROTASI