ISSN No. : 1410-0533 P2JTWJ3ATAN
I D 0 2 0 0 2 2 8
A N A L I S I S T E G A N G A N PIPA
Oleh : Renaningsih Setjo
ABSTRAK
Telah dilakukan analisis tegangan sistim pemipaan AP600 seperti Primary Sampling System, Reactor Cooling System, dan Feedwater System. Analisa tegangan pipa merupakan salah satu kegiatan yang harus dilakukan didalam desain sistim pemipaan. Tegangan pipa terjadi akibat menerima beban statik dan beban dinamik selama beroperasi. Analisis dilakukan dengan perangkat lunak PS+CAEPIPE pada kondisi pembebanan individu maupun kombinasi, dengan asumsi bahwa kegagalan bisa terjadi pada tingkat operasi normal, upset, emergency maupun faulted menu\vt ASME Ill/ANSI B31.1. Dengan melakukan analisis tegangan pipa, konfigurasi dari sistem pemipaan bisa didesain_ sesuai dengan persyaratan tegcngan pipa, dan'._penyangga. Selain itu konfigurasi pipa harus cukupUeksibel untuk ekspansi termal serta mampu menahan beban operasi seperti suhu, tekanan, seismik dan baban lain yang telah diantisipasi akan terjadi sepanjang operasi.
A E S T R A C T
Piping stress analysis on Primary Sampling System, Reactor Cooling System, and Feedwater System for AP600 have been performed. Piping stress analysis is one of the requirements in the design of piping system. Piping stress is occurred due to static and dynamic loads during service. Analysis was carried out. using PS+CAEPIPE software based on the individual and combination loads with assumptions that failure could be happened during normal, upset, emergency and faulted conditions as descibe in ASME Ill/ANSI B31.1. With performing the piping stress analysis, the layout (proper pipe routing) of the piping system can be design with the requirements of piping stress and pipe supports in mind i.e sufficient flexibility for thermal expansion, etc to commensurate with the intended service such as temperatures, pressure, seismic and anticipated loadings.
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Seroong, 28 Juni 2000
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000
ISSN No. : U10-0533 P2TKN-BATAN
P E N D A H U L U A N
P a d a semua instalasi baik konvensional maupun nuklir selalu terdapat sistim p e m i p a a n karena pipa m e r u p a k a n bagian yang penting dalam suatu instalasi, dan m e r u p a k a n sarana distribusi fluida. Dalam tahap desain, diperlukan suatu analisis sistim p e m i p a a n untuk memverifikasi apakah alur pipa, jumlah dan jenis serta posisi p e n y a n g g a telah m e m e n u h i kriteria desain. Tegangan pipa selama operasi terjadi karena menerima perlakuan beban seperti berat pipa dan fluida
(deadweight), tekanan, termal, seismik dan lain sebagainya. Analisa dilakukan pada kondisi pembebanan individu maupun kombinasi dengan asumsi bahwa k e g a g a l a n mungkin terjadi pada tingkat operasi normal, upset, emergency dan
faulted. Analisa tegangan pipa mencakup penentuan gaya, moment, d a n p e r g e s e r a n pipa. Tujuan analisis tegangan pipa adalah melakukan evaluasi piping layout berdasarkan A S M E Section III, atau B31.1 Edisi 1989 termasuk addenda., untuk m e n e n t u k a n lokasi, jenis, orientasi dan persyaratan spatial untuk pipa yang b e r h u b u n g a n aengan building atau struktural frame dan lain sebagainya. P e m b a h a s a n selanjutnya didalam tulisan ini adalah untuk desain sistim pemipaan instalasi nuklir khususnya untuk A P 5 0 0 . Ada beberapa penggolongan pipa pada desain A P 6 0 0 , yaitu untuk sistim pemipaan kias 1, 2, 3 dan tanpa kelas (non class pipe). D i m a n a masing masing kelas mempunyai kriteria yang berbeda. Kriteria y a n g d i m a k s u d adalah kriteria untuk besar tegangan dan beban yang diijinkan y a n g m e n y a n g k u t pipa, katup, nosel, flange, dan peralatan. Allowable stress untuk masing m a s i n g komponen selain ditentukan oleh kelas pipa juga ditentukan oleh jenis b e b a n yang dialami oleh pipa selama operasi normal, upset, emergency, dan
faulted.
A d a beberapa jenis b e b a n yang dialami oleh pipa yaitu beban statik y a n g
mencakup sustained loads, occasional loads, thermal loads dan beban dinamik seperti settlement atau pergeseran gedung, gempa bumi, pergeseran dinamik, t h e r m a l , pergeseran ankor, t u m b u k a n , vibrasi, pressure reliefs, thrust force, angin badai.
S e d a n g k a n kategori t e g a n g a n ada tiga yaitu primary stress, secondary stress dan peak stress [Ref.7]. Setiap kerusakan pada sistim pemipaan disebabkan oleh b e r m a c a m m a c a m t e g a n g a n dan beban. Karena itu penting untuk m e m p e r h i t u n g k a n tegangan sedemikian rupa dan menentukan limit/balas y a n g tidak b o l e h dilampui. Limit tegangan primer bertujuan untuk mencegah deformasi plastik, s e d a n g k a n batas t e g a n g a n sekunder + tegangan primer bertujuan untuk
Prosiding Presentasi llmiati Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong. 28 Juni 2000
ISSN No.: 1410-OS33 P2TKN-BATAN
m e n c e g a h agar tidak terjadi kelebihan (excessive) deformasi plastik. Batas t e g a n g a n p u n c a k untuk m e n c e g a h terjadinya kerusakan lelah karena a d a n y a beban siklik. T e g a n g a n sekunder disebabkan adanya ketidak leluasaan (constraint) pergeseran struktur. Pergeseran struktur disebabkan oleh a d a n y a ekspansi t e r m a l atau pergeseran ankor.
Analisis t e g a n g a n p i p a dilakukan dengan pendekatan secara empiris d a n m e n g g u n a k a n b e b e r a p a formula antara lain adalah :
1. T e g a n g a n Primer (primary stress) ASME Section HI untuk pipa kelas 1 :
Desain : B , P D o / 2 t n + B2D O M R V 2 L £ 1.5 S m ( E q. 9 ) Normal/Upse : B ^ ^ D o ^ t n + B2D o ( MD W+ MB) / 2 I < 1.8 S m , 1.5 Sy (Level A / 8 ) Emergency : B ^ ^ D o ^ t n + B2D o ( MD W+ MB) / 2 l < 2 . 2 5 S m , 1.8 Sy (Level C) Faulted : B ^ ^ D o . ^ t n + B2D o ( MO T V+ MS S E) / 2 l < 3 . 0 S m , 2.0 Sy (Level D)
ASME Section III u n t u k p i p a k e l a s 2/3 :
Desain : B , P D o / 2 t n + B2MmJZ < 1.5 S m (Eq.8) Normal/Upset : B ^ ^ D o ^ t n + B2Do(M0tN+ MB) / Z < 1.8 S m , 1.5 Sy (Eq.9U) (Level A/B) Emergency : B ^ ^ D o ^ t n + B2Do( MD W+ Mb) / Z £ 2 . 2 5 S m , 1.8 Sy (Eq.9E) (Level C) Faulted • B^ M A X D O^ t n + Bz U oC Md w+ M s o c V Z < 3 . 0 S m , 2.0 Sy (Eq.9E) (Level D) A N S I B31.1 P o w e r P i p i n g :
Desain : PDo/4tn + 0.75 i M^/Z < 1.0 SM (Eq. 11 A) N o r m a l : Pmax Do/4tn +0.75 i (Mow+ MB) / Z < kSh (Eq.12A)
S e d a n g k a n untuk tegangan sekunder (secondary stresses) A S M E K i a s 1 :
Normal/Upset : C2 D o M c / 2 I < 3.0 S m (Eq.12) Level A/B
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 2B Juni 2000
ISSN No.: 1410-0533 P2TKN-BATAN
Normal/Upset : C2Do(Mc + MS S E) / 2 I < 6.0 S m (Eq. S-12.1)
^ e v e l A/B)
Faulted : C2Do MssE S/2l < 6.0 Sm (S 12-2)
(Level D)
Pipe Break : C2Do MC/ 2 I < 2.4 Sm (S12-4)
A S M E III, kelas 2 /3 :
Normal /Upset (Level A/B) : i M c / Z < SA (Eq.10)
Normal/Upset/Faulted : i ( Mc + M ^ ^ i / Z < 3.0 S m (Eq.10.1)
(Level A/B/D)
Faulted (level D) : 2 (I M ^ / Z < 3.0 S h (Eq.10.2) Faulted (levei D) : F/A < 1.0 Sh (Eq.10-3)
S e d a n g k a n u n t u k A N S I B31.1 P o w e r P i p i n g :
Termal " : ilvic/Z < SA( E q . 1 3 B )
K o m b i n a s i t e g a n g a n p r i m e r d a n s e k u n d e r : A S M E III Kelas 2/3 :
Normal /Upset (Level A/B) : PDo/4tn +(0.75 i M ^ y Z ) + <Mc /Z < SA +Sh
dimana :
Pmax = maksimum tekanan, psi
Mow = momen karena deadweight, in-lbs
Mg = mcmen karena occasional loads yang disesuaikan dengnn leve, servis/operasi, in -lbs
Mc = Momen karena rentang thermal untuk ASME level A dan B
MSSE = Momen karena setengah rentang momen SSES unttuk ASME level D MS S E = Momen karena Safe Shutdown Earthquake (SSE)
Do = diameter pipa, in tn = tebal pipa, in
Sm = allowable design stress intensity, psi Sy = yield strength (kuat luluh), psi
S A = Tegangan yang diijinkan (Allowable stress,) Sh = Hot allowable stress
B1, B2 = primary stress indices
C1.C2 - Secondary stress indices
I = Momen inersia
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000
ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BATAN
TATA KERJA
Untuk m e l a k u k a n analisis tegangan pipa diperlukan beberapa langkah sebagai b e r i k u t :
1. M e n y i a p k a n spesifikasi input/referensi yang m e l i p u t i : Boundaries & Layout sistim p e m i p a a n :
Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) G a m b a r Isometrik
G a m b a r komposit
Karakteristik d a n sifat m e k a n i k pipa
Jenis material, ukuran pipa dan jenis isolasi pipa Suhu operasi dan tekanan fluida
Safety class pipe d a n kategori seismik Spesifikasi katup, flange dan peralatan
Kondisi P e m b e b a n a n :
T e k a n a n , deadweight & termal Kategori Seismik
2. Verifikasi sistim :
Definisi d a n kondisi analisis
Kombinasi p e m b e b a n a n d a n batas tegangan
Kombinasi p e m b e b a n a n untuk penyangga, beban nosel, flange dan katup
Perhitungan batas t e g a n g a n untuk nosel, katup, flange
3. M e n y i a p k a n fre. f o r m a t d a n m e l a k u k a n analisis d e n g a n program PS + C A E P I P E versi 3.4.05-W atau 3.4.05-X
4. M e n y i a p k a n hasil analisis y a n g m e l i p u t i :
T e g a n g a n d a n pergeseran pipa pada beberapa variasi b e b a n Evaluasi b e b a n pada katup, nosel, flange (bila terdapat pada sistim) Lokasi, jenis dan j u m l a h support.
Prosiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong. 28 Juni 2000
ISSN No. : 1410-0533 P2TKN-BATAN
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sebagai contoh diambil analisis tegangan pipa dari salah satu sistim pemipaan dari Feedwater System yaitu "Long Water Cycle Recirculation Line".
Analisis tegangan pipa dilakukan dengan m e n g a c u kepada A N S I / A S M E B 3 1 . 1 p e r s a m a a n 11A untuk sustained load (DW) d a n M 1 3 B untuk ekspansi term<T S e d a n g k a n untuk kombinasi beban untuk equipment noz/e a d a i - :
Pmax+Deadweight-1 Thermal dan Kombinasi beban untuk penyangga : Deadweig/
+ Thermal Range.
Pada lampiran 1, dapat dilihat model input (fre.file) yang dibuat berdasarkan alur pipa, (lampiran 2), sifat mekanik pipa, serta lokasi dan jenis penyangga. S e d a n g k a n hasil evaluasi tegangan pipa dan beban nosel, beban penyangga dan pergeserannya, dapat dilihat pada lampiran 3. D e n g a n cara yang sama analisis dilakukan terhadap sistim p e m i p a a n PSS dan R C S , dengan mengacu paaa persyaratan pipa kelas 1dan 2, A S M E III.
KESIMPULAN
Dari keseluruhan analisis telah ditunjukkan b a h w a tegangan pipa, b e b t pada nosel dan peralatan masih memenuhi persyaratan sesuai dengan standar A S M E . B 3 1 . 1 .
Selain untuk tujuan desain sistim pemipaan A P 6 0 0 , analisis tegangan pipa dapat dilakukan untuk tujuan lain misalnya rekonsiliasi Steam Generator untuk P L T N , penentuan berat m a k s i m u m perisai Pb pada suatu sistim pipa untuk mengurangi dosis paparan radiasi selama periode ISi (In Service Inspection), efek penurunan suhu pada Feedwater pada P L T N y a n g sedang beroperasi dan lain sebagainya. Dengan melakukan analisa t e g a n g a n pipa untuk tujuan desain m a u p u n tujuan lain seperti yang diuraikan diatas, keselamatan pipa selama operasi bisa dijamin. Selain faktor k e s e l a m a t a n , faktor lain y a n g tidak kalah penting adalah faktor ekonomis, karena d e n g a n melakukan analisa tegangan pipa, jumlah penyangga bisa dioptimalkan/ minimize, jenis penyangga dapat dipilih yang muran serta m u d a h perawatannya, tanpa mengurangi faktor keselamatan operasi pipa selama umur instalasi.
Presiding Presentasi Ilmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V Serpong, 28 Juni 2000
ISSN No.: 1410-0533 P2TKN-BA TAN
DAFTAR PUSTAKA
1. A S M E Boiler and Pressure V e s s e l C o d e Section III, 1989 Edition up to a n d including 1989 A d d e n d a .
2. A S M E / A N S I B31.1 C o d e for P o w e r Piping 1989 Edition up to and including 1989 A d d e n d a .
3. Bandi Parapak d a n Rena S e t j o , " Analisis T e g a n g a n Pipa", N o p e m b e r 1999.
4. F W S - P L W - 0 4 0 , Rev.D, Main Feedwater S y s t e m Piping Iso.Turbine Bldg. Area 5 Long C y c l e Recirculation Line
5. F W S - M 3 - 0 0 1 , Rev.O, System Spesification Document, Main a n d Start up Feedwater S y s t e m .
6. F W S - P L A - 0 4 0 , Piping Analysis Input Package, R e v . C .
7. Mohinder L.Nayyar, "Piping H a n d b o o k " P . E , McGraw-Hill, Inc, Sixth Edition 8. P &ID, F W S - M 6 - 0 0 1 , Rev.4, main and Start Up Feedwater S y s t e m
9. PS & C A E P I P E Program Version 3 . 4 . 0 5 - W and 3.4.05-X
10. Setjo, Renaningsih,"Piping A n a l y s i s Report for Long W a t e r Cycle Recirculation Line", September 1998.
1 1 . Setjo, Renaningsih,"Piping. Analysis Report for Primary Sapling S y s t e m , P S S - P L A - 5 3 0 , 6 3 0 , February 1998.
12. Setjo, Renaningsih,"Piping Analysis Report for Reactor Cooling S y s t e m , R C S - P L A - 4 8 0 , October 1998.
