2.3 Desain Pipa dan Komponen Pipa
2.3.1 Desain Komponen Pipa Berdasarkan Tekanan
2.3.1.2 Tekanan Kerja yang Diizinkan- AWP (Allowable Working Pressure)
Rumus tebal minimum pipa lurus dapat diubah untuk mendapatkan nilai tekanan kerja yang diizinkan dari pipa yang dirancnag (AWP).
Untuk rumus ASME/ANSI B31.3, tekanan kerja yang diizinkan adalah :
……….. (2.29)
Dimana :
t = tebal minimum untuk tekanan dimana toleransi-toleransi untuk korosi, erosi dan sebagainya tidak diikut sertakan.
2.3.2 Desain pipa berdasarkan berat (bobot mati)
Seperti halnya tekanan, beban karena berat/bobot mati dari pipa dan semua komponen pipa termasuk berat insulation, lining, berat fluida, merupakan beban tetap. Tegangan yang terjadi dikategorikan tegangan sustained dan dikombinasikan dengan tegangan akibat gaya tekanan. Bedanya dengan tekanan, beban bobot mati selain menyebabkan tegangan di dinding pipa, juga menyebabkan gaya reaksi pada support/restrain pipa. Sementara, gaya reaksi pada restrain (anchor atau line/limit stop) akibat tekanan hanya ada pada sistem dengan flexible joint.
2.3.2.1Tegangan atau defleksi karena beban bobot mati
Bobot mati dari pipa diasumsikan terdistribusi merata per satuan panjang pipa, dan dianggap ditumpu oleh support secara continue pada jarak yang sama. Permasalahan yang ada, bagaimana kita memodelkan jenis tumpuan dalam teori, apakah tumpuan sederhana (pinned support) dimana rotasi bebas sepenuhnya :
Gambar 2.7 pinned support
Atau tumpuan jepit (fixed support) dimana rotasi sepenuhnya ditahan, seperti pada gambar berikut :
Gambar 2.8 fixed support
Untuk tumpuan sederhana, maka momen lendut yang maksimum terjadi berada di tengah-tengah span, dan nilainya adalah :
……….. (2.30)
Dimana :
= momen maksimum
= beban berat pipa, fluida dan lainnya per satuan panjang = panjang batang (pipe span)
Untuk tumpuan jepit, momen maksimum terjadi tepat ditumpuan dan besarnya adalah :
Dua persamaan diatas menunjukkan dua nilai ekstrem, kenyataan yang sebenarnya akan berada diantara dua nilai itu. Salah satu nilai kompromi yang diambil adalah nilai tengahnya, yaitu :
……….. (2.32)
Tegangan yang terjadi karena momen lendut menurut teori elastisitas adalah :
……….. (2.33)
Dimana :
Z = momen tahanan (section modulus) penampang pipa
Dari persamaan diatas maka jika nilai tegangan tidak boleh melebihi tegangan ijin SA, maka jarak maksimum antar tumpuan yang dibolehkan adalah :
√ ……….. (2.34)
Dari rumus diatas maka dapat diturunkan rumus untuk defleksi maksimum yang terjadi akibat beban berat pipa, yaitu untuk model dengan tumpuan sederhana :
Dimana :
ymax= defleksi maksimum (negative artinya kebawah) E = Modulus elastisitas
I = momen inersia penampang pipa
Dan untuk tumpuan jepit :
……….. (2.36)
2.3.2.2Jarak antar support maksimum (maximum pipe span)
Manufacture Standardization Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) dalam MSS-SP-69 telah mempublikasikan hasil perhitungan dengan menggunakan rumu-rumus diatas setelah dimodifikasi dengan menggunakan satuan lb, psi, feet-inchies. Kemudian dengan mengambil asumsi berikut :
• ketebalan pipa yang digunakan adalah standard pipe ANSI
• tidak ada beban terkosentrasi diantara dua support
• tidak ada perubahan arah horizontal maupun vertical diantara
dua support
• Stress Intensification Factor di support diabaikan
• maksimum tegangan yang diizinkan 15000 psi (Carbon Steel)
• Maksimum lendutan yang diizinkan 0,1 inches
Tabel 2.6 maksimum pipe span
Pipe span dibagian pipa vertical (riser) tidak ditentukan dengan standard ini, karena beban berat tidak menimbulkan tegangan dan defleksi. Hal yang pelu diperhatikan adalah bahaya buckling akibat tegangan kompresi di riser, oleh karena itu direkomendasikan, riser support yang menahan berat diletakkan diatas titik berat riser.
2.4 Sistem Penumpu
Pipe support adalah salah satu bagian yang penting dalam sistem perpipaan atau di suatu plant.Sistem penumpu berfungsi untuk menahan dan
mengkondisikan suatu sistem perpipaan sehingga aman sampai waktu yang telah ditentukan, bahkan diharapkan berfungsi selama pipa masih digunakan.
Di dalam sistem perpipaan, dikenal ada berbagai jenis pipe support yang digunakan untuk menyangga sistem perpipaan tersebut. Oleh karenanya
“hanger” termasuk dalam jenis support karena menyangga beban pipa dari
atas dan biasanya mengalami beban tension, dan “support” termasuk juga
dalam jenis pipe support karena menyangga beban pipa dari bawah dan biasanya mengalami beban compression.
Pemodelan tumpuan pipa harus dapat menggambarkan sebaik mungkin keadaan fisik tumpuan yang sebenarnya. Dibawah ini akan dibahas berbagai tipe tumpuan pipa serta pemodelan pada CAESAR II dan arah derajat kebebasan yang harus ditahan.
2.4.1 Anchor
Anchor adalah jenis support dimana seluruh (enam) derajat kebebasan (X, Y, Z, RX, RY, RZ) sepenuhnya ditahan. Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan ANC. Anchor dapat ditemukan pada tumpuan sebagai berikut :
• anchor yang sengaja dibuat (biasanya pipa dilas ke struktur atau menggunakan kombinasi clamp dengan baut yang dihubungkan kaku ke struktur)
• anchor yang terjadi pada penetrasi ke dinding atau lantai beton
• anchor yang diciptakan karena sambungan pipa ke peralatan
Gambar Anchor
2.4.2 Restrain
Restrain yaitu tumpuan yang rigid dan ditahan pada satu atau lebih derajat kebebasan dimana minimal satu derajat kebebasan tetap bebas. Restrain dapat dibedakan sesuai dengan arah penahannya yaitu :
• X, Y, Z : translational restrain di dua arah
• +X, +Y, +Z : translational restraint, dimana restraint hanya dapat
memberikan gaya reaksi diarah positif yang disebut.
• -X, -Y, -Z : translational restraint, dimana restraint hanya dapat memberikan gaya reaksi diarah negatif yang disebut.
• RX, RY, RZ :rotational restrain di dua arah
• +RX, +RY, +RZ :rotational restraint, dimana restraint hanya
dapat memberikan momen reaksi diarah positif yang disebut.
• -RX, -RY, -RZ : rotational restraint, dimana restraint hanya dapat memberikan momen reaksi diarah negatif yang disebut.
Beberapa contoh restraint diberikan dibawah ini, dengan asumsi +Y arah vertikal keatas :
1. Axial restraint
Axial restraint adalah jenis penumpu yang ditahan diarah aksial/longitudinal pipa.Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan X atau Z (sesuai arah aksial pipa), dikombinasikan dengan Z atau X (arah tegak lurus pipa) dan Y dengan Gap jika diperlukan.
Gambar axial restraint
2. Rod hanger
Rod hanger berfungsi menahan gerakan kebawah dari bobot mati pipa dimana titik diamnya (pivot) berada diatas pipa dengan menggunakan pin. Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan YROD.
Gambar rod hanger
3. Sway strut
Sway strut merupakan kombinasi 2 pin yang membebaskan 3 arah rotasi dan translasi lateral dan aksial, hanya translasi arah strut yang ditahan rigid. Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan X atau Z (sesuai arah strut).
4. Structural steel restraint
Structural steel restrain terbuat dari struktur baja yang menahan pipa dengan rigid. Arah penahan tergantung konfigurasi stuktur baja, yaitu :
a. ditahan hanya vertical; pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan Y
b. ditahan diarah vertikal dan lateral mendatar; pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan Y dan X atau Z (sesuai arah lateral mendatar pipa)
Gambar structural steel restraint
5. Penetrasi di dinding atau lantai
Penetrasi di dinding atau lantai ini dengan lugs sebagai guide, dua arah lateral translasi dan dua arah rotasi ditahan. Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan X, Z, RX dan RZ.
Gambar penetrasi di dinding
6. Guide
Guide adalah jenis support yang menahan arah translasi lateral (tegak lurus dengan pipa) di bidang mendatar atau di dua arah lateral jika pipa dipasang vertikal. Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan GUI.
7. Slide support (Pipe Shoe)
Slide support menahan arah vertikal dari bawah dimana ada friksi antar pipa atau pelat slide dengan tumpuan. Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan +Y
Gambar slide support
2.4.3 Snubber
Jenis tumpuan ini hanya bereaksi pada bebean yang bekerja dengan cepat (beban dinamis) dan tidak memberikan penahan pada beban yang bekerjanya lambat seperti berat dan termal.Karena itu snubber pada CAESAR II hanya aktif untuk kasus beban okasional yang diasumsikan bekerjanya cpat seperti beban angin, gempa, beban impuls dan sebagainya. Pada CAESAR II restrain type ini ditulis dengan XSNB, YSNB, dan ZSNB.