BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Material A106 gr B (Carbon Steel)
Baja merupakan paduan yang sebagian besar terdiri dari unsur besi dan karbon 0,2%-2,1% (Choudhuryet al., 2001).Selain itu juga mengandung unsur-unsur lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), mangan (Mn), dan sebagainya. Namun unsur-unsur ini hanya dalam presentase kecil.Sifat baja karbon dipengaruhi oleh presentase karbon dan struktur mikro.Sedangkan struktur mikro pada baja karbon dipengaruhi oleh perlakuan panas dan komposisi baja. Karbon dengan campuran unsur lain dalam baja dapat meningkatkan nilai kekerasan, tahan gores dan tahan suhu. Unsur paduan utama baja adalah karbon, dengan ini baja dapat digolongkan menjadi tiga yaitu baja karbon rendah, baja karbon sedang, dan baja karbon tinggi(Amanto, 1999). Berdasarkan kandungan karbon, baja dibagi menjadi tiga macam, yaitu:
1. Baja karbon rendah
Baja karbon rendah (low carbon steel) mengandung karbon dalam campuran baja kurang dari 0,3%C. Baja ini tidak dapat dikeraskan karena kandungan karbonnya tidak cukup untuk membentuk struktur martensit.
2. Baja karbon sedang
Baja karbon sedang (medium carbon steel) mengandung karbon 0,3%C-0,6%C. Dengan kandungan karbonnya memungkinkan baja untuk dikeraskan melalui proses perlakuan panas yang sesuai. Baja ini lebih keras serta lebih kuat dibandingkan dengan baja karbon rendah.
3. Baja karbon tinggi
Baja karbon tinggi memiliki kandungan karbon 0,6%C-1,5%C dan memiliki kekerasan yang lebih tinggi, namun keuletannya lebih rendah. Berkebalikan dengan baja karbon rendah, pengerasan dengan perlakuan panas pada baja karbon tinggi tidak memberikan hasil yang optimal karena terlalu banyaknya martensit, sehingga membuat baja menjadi getas(Amanto, 1999).
2.2 Teori Dasar Kekuatan Material
Bila kita terus menarik suatu bahan sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap berupa kurva seperti digambarkan pada gambar 2.1. Kurva ini menunjukkan hubungan antara tegangan dengan regangan.
Gambar 2.1 Kurva tegangan regangan baja.
2.3 Teori Tegangan Pipa
Dalam menerapkan kode standar desain, engineer harus mengerti prinsip dasar dari tegangan pipa dan hal-hal yang berhubungan dengannya. Sebuah pipa dinyatakan rusak jika tegangan dalam yang terjadi pada pipa melebihi tegangan batas material yang diijinkan.
Tegangan adalah besaran vektor yang selain memiliki nilai juga memerlukan arah. Nilai dari tegangan didefinisikan sebagai gaya (F) per satuan luas (A). Untuk mendefinisikan arah pada tegangan pipa, sebuah sumbu prinsip pipa dibuat saling tegak lurus seperti terlihat pada gambar 2.2 dibawah ini :
2.4 Fleksibilitas Pipa
Apabila ada dua bejana T1 dan T2 dengan jarak 20 m yang harus dihubungkan dengan pipa antara nozzle yang satu dengan yang lain pada ketinggian yang sama. Sudah jelas cara yang paling ekonomis dari sistem pemipaan adalah membuat hubungan dengan pipa lurus seperti gambar 2.3, akan tetapi pada saat temperature pipa mengalami kenaikan maka akan timbul twagging yang diakibatkan dari ekspansi pipa tersebut. Sehingga akan terjadi beberapa kemungkinan yang terjadi pada gambar 2.4 dan 2.5.
Gambar 2.3. Dua bejana dihubungkan dengan pipa lurus
Kemudian, andaikan seluruh peralatan ini terbuat dari baja karbon dan bejana dipanaskan sampai suhi T1 = 200 0C. Bila katub A dibuka, akan terjadi ekspansi antara pusat T1 dan pusat T2, bila tmperatur awal adalah 21 0C maka panjang besarnya ekspansi dapat dicari dengan rumus sebagai berikut :
Bila koefisien muai panjang baja karbon (α) pada suhu 200 0C = 14.4 x 10-6 / 0C (ASME B31.3), maka besar ekspansi yang terjadi adalah :
∆L = α . ∆T . L ...(2.1) ∆L = 14.4 x 10-6 x (200 - 21) x 20
Akibat dari ekspansi ini ada dua kemungkinan :
a. Sambil memanjang pipa akan menekan dinding bejana, bila dinding pada salah satu bejana tersebut lebih tipis dari dinding bejana yang satunya, maka akan terjadi seperti pada gambar 2.4.
Gambar 2.4 Pipa berekspansi menekan dinding bejana
Bila dinding kedua bejana tersebut cukup kuat menahan tekanan dari perpanjangan pipa, maka pipa akan melengkung atau bengkok seperti pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. Pipa melengkung akibat pipa berekspansi Untuk mencegah hal tersebut, maka cara untuk mengatasinya adalah : Cara 1, membuat loop pada jalur pipa (Gambar 2.6A)
Jalur pipa pada gambar 2.6B ditujukan reaksi expansi pipa akan menekan bagian loop sehingga tidak menekan dinding dari equipment, dengan demikian tidak terjadi over stress.
Gambar 2.6A Jalur pipa dengan loop
Gambar 2.6B Jalur pipa dengan loop Cara 2, membuat jalur pipa berbentuk “L” (gambar 2.6C)
Dalam gambar 2.6C terlihat defleksi yang tejadi (garis putus-putus) menggeser titik B sebesar δ ke titik B1 dan membengkokkan kaki pipa BC menjadi B1C, semakin panjang kaki BC maka semakin mudah pipa tersebut membengkok.
Gambar 2.6C Jalur pipa berbentuk “L”
Dari cara 1 dan cara 2 dapat dilihat bahwa dengan membuat loop atau bentuk “L” pada jalur pipa, maka memungkinkan defleksi yang terjadi dapat diserap (absorb) oleh pipa dan sekaligus mengurangi beban pada nozzle bejana.
2.5 Beban Pipa (Pipe Loadings)
Sistem pemipaan yang dirancang, direncanakan dapat menahan beban bermacam-macam. Beban pada pipa (pipe loading) dibagi dalam dua klasifikasi, yaitu:
2.5.1 Beban Sustain (Sustained Load)
Adalah pembebanan akibat berat pipa itu sendiri, akibat berat fluida didalamnya, akibat tekanan dalam (internal pressure), akibat dari temperature fluida, angin, maupun gempa bumi (earthquake). Satu hal yang sangat penting adalah jika pipa terkena beban demikian maka bisa mengakibatkan pipa menjadi pecah dan collaps, jika tidak dilakukan upaya pencegahan dalam perencanaan sistem pemipaan. Dengan demikian faktor utama dari sustained load adalah :
1. Tekanan desain (design pressure) adalah tekanan maksimum yang mungkin terjadi pada kondisi operasi. Dalam ASME B31.3 diberikan kelonggaran
dengan syarat memenuhi kondisi-kondisi seperti tercantum pada paragraph 302.2.4 ASME B31.3.
2. Berat operasi (operasional weight) adalah berat dari pipa, berat dari fluida yang mengalir didalamnya, ditambah dengan berat insulasi dan komponen-komponen yang berada pada sistem tersebut.
3. Occasional weight adalah berat yang ada pada waktu tertentu seperti berat salju (snow weight), berat es dan yang lainnya.
4. Vacuum design adalah untuk pipa dengan kemungkinanan akan mengalami vacum akibat tekanan luar, maka perlu dilakukan analisis sesuai ASME section VII Div. 1 section UG-28 (thickness of shells and tube under external pressure).
5. Hidrotest load adalah beban yang terjadi pada satu sistem dilakukan pengetesan dengan pengisian air (hidrostatic test). Pada saat itu besarnya beban yang terjadi pada titik tumpuan (pipe support) harus mampu ditahan oleh support tersebut dan tidak mengakibatkan kerusakan pada pipa. Jika dikhawatirkan pipe support tidak cukup kuat maka biasanya bisa dilakukan dengan menambahkan temporary support atau dengan pertimbangan khusus dapat diganti dengan pneumatic test . Sustained load akan menimbulkan stress yang termasuk primary stress.
2.5.2 Beban Termal (Thermal Load)
Adalah beban yang ditimbulkan akibat ditahannya expansion atau construction suatu pipa yang mengalami pemuaian ataupun pengkerutan akibat temperatur dari fluida yang mengalir didalamnya.
Penahanan (restriction) yang diberikan dapat berupa anchors atau tersambung ke equipment. Yang harus diperhatikan adalah bahwa thermal load ini adalah sifatnya siklus, artinya jika anchornya dilepas atau fluidanya dihentikan mengalir di pipa tersebut, maka hilang pula beban (load) yang ditimbulkannya.
Pada prisnsipnya pada thermal load, yang paling berperan adalah adalah segala temperatur yang mungkin terjadi pada saat operasi termasuk kondisi awal pada saat start up. Beberapa hal yang harus diperhatikan yang menjadi sumber utama pada thermal load adalah :
1. Temperatur desain yaitu besarnya temperatur maksimum yang dapat terjadi pada sistem pemipaan dalam kondisi operasi.
2. Pipa yang melengkung (Pipe Bowing) 3. Temperatur normal operasi
4. Temperatur ambient untuk menghitung variasi tegangan atau stress range. 5. Steam out, steam tracing, regeneration, decoke dan purging
6. Equipment expansion dan lainnya
Thermal load akan menimbulkan stress yang tergolong dalam kelompok secondary stress .
2.6 Teori Tegangan Pipa (Piping Stress Theory)
Pada sistem pemipaan dikenal kategori tegangan pipa menjadi menjadi Primary Stress dan Secondary Stress.
2.6.1 Tegangan Utama (Primary Stress)
Primary stress adalah jenis stress yang ditimbulkan akibat sustained load. Stress kategori ini dikelompokkan dalam tegangan yang berbahaya (hazardous type
of stress). Disebut berbahaya karena jika stress ini terjadi pada pipa dan melewati Yield Strength, maka akan menyebabkan terjadi kegagalan pada material pipa, yang pada akhirnya bisa menimbulkan kecelakaan atau malapetaka.
Pada piping sistem, jika ini tejadi ketika dilakukan perhitungan stress analysis, maka pemecahannya biasanya adalah sangat mudah, yaitu dengan mengatur penempatan support pada lokasi yang tepat sedemikian, sehingga bisa mengurangi stress yang terjadi.
Primary stress terdiri dari komponen sebagai berikut: a. Longitudinal Stress
Yaitu Stress yang terjadi akibat Gaya Dalam (Axial Force) + Gaya Tekanan Dalam (Internal Pressure) + Tegangan Lentur (Bending Stress).
Akibat gaya aksial SL = SL1 + SL2 + SL3
SL 1= Tegangan longitudinal akibat gaya aksial
(Sumber: Pengantar Stress analisis, Donny Agustinus) Dimana:
Fax = gaya dalam aksial
Am = luas penampang material pipa dimana .dm.t
dm = diameter rata-rata pipa dimana
2 o i dd
do = diameter luar pipa di = diameter dalam pipa
……… (2.2)
Gambar 2.7. Gaya dalam aksial pipa (Sumber : Institut migas UMB) Akibat tekanan dalam (Internal Pressure)
m i L PAA
S .
(Sumber: Institut migas UMB) Dimana:
P = tekanan dalam aksial (pressure gauge)
Ai =luas penampang dalam pipa dimana 4 . 2
i
d
Jadi tegangan longitudinal karena tekanan dalam pipa:
t d d P S m i L 4. 2
(Sumber: Institut migas UMB)
Untuk sederhananya rumus yang terakhir ini ditulis secara konservatif sebagai berikut: SL 2 =Tegangan longitudinal akibat tekanan dalam
t d P S o L 4 . 2 N/mm² (MPa) ……… (2.4) ……… (2.5) ……… (2.6)
Gambar 2.8. Gaya Tekanan dalam pipa (Sumber : Institut migas UMB) Akibat momen lendutan (bending moment)
I c M S b L .
(Sumber: Institut migas UMB)
Dimana:
Mb = momen lendutan pada sebuah penampang pipa C = jarak dari sumbu netral ke titik yang diperhatikan
I = momen inersia dari penampang pipa dimana
64 . 4 4 i o d d Tegangan ini disebut juga tegangan lendutan (bending stress). Tegangan ini paling besar jika c = Ro, yaitu:
Z M I R M S b o b L .
(Sumber: Institut migas UMB) Dimana :
Ro = radius luar pipa
Z = modulus luar permukaan (section modulus) dimana o
R I
……… (2.7)
Gambar 2.9. Gaya momen lendutan pada pipa (Sumber : Institut migas UMB)
Tegangan Longitudinal keseluruhan menjadi:
m ax L FA S + t d P o 4 . + Z Mb
(Sumber: Institut migas UMB)
Gambar 2.10. Gaya keseluruhan longitudinal pada pipa (Sumber : Institut migas UMB)
Besarnya Longitudinal Stress yang terjadi dibandingkan dengan Code Allowable Stress atau juga dikenal dengan nama Basic Allowable Stress pada temperatur operasi.
b. Hoop Stress (Circumferential Stress)
Tegangan yang arahnya sejajar dengan sumbu circumferential disebut tegangan sirkumferensial, terkadang juga disebut tegangan tangensial atau tegangan hoop (SH). Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa dan bernilai positif jika cenderung
membelah pipa menjadi dua dan stress yang terjadi akibat gaya bekerja tegak lurus terhadap dinding pipa. Besar tegangan ini menurut persamaan Lame adalah:
2
1 2 2 2 2 2 1 2 1 . r r r r r r P S o H (Sumber: Institut migas UMB)
Dimana:
ro = radius luar pipa ri = radius dalam pipa
r = jarak radius ketitik yang sedang diperhatikan
Secara konservatif untuk pipa yang tipis dapat dilakukan penyederhanaan penurunan rumus tegangan pipa tangensial ini dengan mengasumsikan gaya akibat tekanan dalam bekerja sepanjang pipa yaitu: F P.di.lditahan oleh dinding pipa seluas:
l t
Am 2. sehingga rumus untuk tegangan tangensial dapat ditulis sebagai berikut:
t d P S i H 2 . N/mm² (MPa)
Atau lebih konservatif lagi:
t do P SH 2. N/mm² (MPa) ……… (2.10) ……… (2.11) ……… (2.12)
Gambar 2.11. Gaya tegangan hoop (Sumber : Institut migas UMB)
Formula Hoop Stress ini bisa dikatakan sama untuk sepanjang dinding pipa. Sama halnya dengan Longitudinal Stress, Hoop Stress ini juga dibandingkan dengan Basic Allowable Stress pada Temperature Operasi.
2.6.2 Tegangan Sekunder (Secondary Stress)
Secondary stress adalah jenis tegangan yang diakibatkan oleh beban termal (thermal load). Yaitu akibat temperature fluida yang mengalir, yang menyebabkan pipa mengalami pemuaian atau pengkerutan (expansion or construction).
Pipa menerima apa yang disebut bending nature yang bekerja pada penampang pipa yang bervariasi dari negative ke positive dan timbul karena beda defleksi secara radial dari dinding pipa. Secondary stress bukanlah sebagai penyebab terjadinya kegagalan material secara langsung akibat beban tunggal. Jika terjadi stress yang melewati Yield Stength, maka efeknya hanyalah terjadi local deformation yang berakibat berkurangnya tegangan pada kondisi operasi.
Tetapi jika terjadi berulang-ulang (cyclic). Maka akan timbul apa yang disebut “local strain range”yang berpotensi menjadi penyebab timbulnya fatique failure.
Secondary stress ini disebut juga expansion stress atau displacement stress range, SE. komponen dari expansion stress ini adalah bending stress (Sb) dan Torsion stress (ST).
2 2
b
E S 4St
S
(sumber: Pengantar Stress analisis, Donny Agustinus)
Persamaan ini adalah berdasarkan teori geser maksimum (maximum shear theory), sedangkan besarnya expansion stress yang terjadi dibandingkan dengan apa yang disebut dengan Allowable Stess Range. Adapun formula untuk masing-masing komponen adalah :
Ζ 2 2 i B IMi) (IoMo) S Z 2M ST(Sumber: Pengantar Stress analisis, Donny Agustinus) 2.7 Tegangan Yang Diizinkan (Allowable Stress)
Allowable Stress pada sistem pemipaan adalah merupakan fungsi dari sifat material (material properties seperti pada Yield Strength atau juga Tensile Strength) pada temperatur dingin sampai temperatur tertentu dan faktor keamanan (Safety factor). Ada dua jenis Allowable Stress, yaitu :
……… (2.13)
……… (2.14)
2.8 Kode Tegangan yang Diizinkan (Code Allowable Stress)
Adalah besarnya stress yang diizinkan yang boleh terjadi pada suatu material pada temperatur tertentu , mulai dari temperatur dingin sampai dengan temperatur yang lebih tinggi.
Untuk allowable stress pada temperatur dingin diberi simbol dengan Sc dimana
kondisi ini termasuk juga untuk kondisi pada saat pemasangan pipa (installation atau ambient temperature), dan untuk pipa dengan kondisi dingin (cryogeic service). Sedangkan untuk pipa yang mengalami temperatur tinggi pada saat operasinya menggunakan simbo Sh.
Nilai Sc dan Sh ditampikan pada appendix A Tabel A-1 pada standar ASME B31.3
process piping code . Nilai yang ada pada tabel tersebut adalah sama dengan nilai
yang diberikan pada BPV Code Section VIII-Division 2, dengan menggunakan faktor keamanan (safety factor) sebesar 3 sampai 1 untuk temperatur dibawah batas rayapan (creep range), yaitu sekitar temperatur 371 ºC (700ºF) sampai 427ºC (800ºF)
Nilai yang ditampilkan pada tabel A-1 untuk temperatur dibawah creep range adalah diambil nilai yang paling kecil dari kondisi dibawah ini:
1. Satu pertiga (1/3) dari dari spesifik minimum Tensile Strength (SMTS) pada temperature ruangan.
2. Satu pertiga (1/3) dari Tensile Strength pada temperature.
3. Dua pertiga (2/3) dari Specified Minimum Yield Strength (SMYS) pada temperature ruangan.
4. Dua pertiga (2/3) dari Yield Strength pada temperature. Khusus untuk material jenis Austenitic Stainless Steel dan material dengan paduan Nikel pada jumlah tertentu maka nilainya adalah 90% dari Yield Strength pada temperature.
Gambar 2.12. Diagram T vs YS Yield Strength (Sumber: Pengantar Stress analisis, Donny Agustinus
Gambar 2.13. Diagram T vs TS Tensile Strength (Sumber: Pengantar Stress analisis, Donny Agustinus)
Pada gambar diatas dapat dilihat bahwa nilai Yield Strength dan Tensile Stength akan menurun seiring dengan meningkatnya temperature material, dengan kata lain tentu
saja Allowable Stress pada material pipa tergantung kepada SMTS dan SMYS dari material tersebut.
2.9 Allowable Stress Range
Allowable stress range adalah merupakan suatu allowable yang diturunkan dari code allowable dan sudah digunakan sebagai basis untuk perhitungan analisis tegangan pada sistem pemipaan.
Allowable stress range (SA) adalah suatu batasan stress yang diizinkan, yang terjadi pada suatu material pipa dan komponennya akibat beban (thermal loading) berulang, seperi beban akibat thermal atau ekpansi maupun konstraksi. Hal ini sebagai ukuran atau variasi tegangan yang diizinkan ketika diberi beban berulang dan untuk menjaga dari kemungkinan kegagalan akibat lelah (fatique) setelah diberi beban berulang. Beban disini bukanlah beban luar (external loading) melainkan beban dari dari dalam berupa thermal loading. Hal ini biasanya terjadi ketika sistem pemipaan mulai dialiri oleh fluida pada temperature tertentu yang mengakibatkan adanya pemuaian dari posisi instalasi sampai menuju posisi maksimum temperature desain.
Demikian juga sebaliknya ketika sistem pemipaan mengalami penurunan temperature dari posisi maksimum menuju ke temperature instalasi, yaitu pada saat dilakukannya maintenance atau shutdown. Sehingga adanya perulangan atau siklus yang menimpa pipa mulai dari kondisi bersuhu instalasi, lalu menuju maksimum temperature, kemudian mengalami penurunan, dan seterusnya. Yang bisa dianggap berlangsung dalam suatu siklus. Allowable stress ini adalah sebagai pembanding terhadap besarnya expansion stress yang terjadi dalam suatu sistem pemipaan. Mengingat kegagalan biasanya terjadi pada bagian yang mendapatkan atau
mengalami siklus regangan terbesar (Highest Cyclic strain). Untuk itulah perlumya diaplikasikan penggunaan stress intersification factor pada setiap komponen pipa. Allowable stress untuk thermal expansion stress atau juga disebut displacement stress range adalah terdiri atas dua persamaan, seperti yang terdapat pada ASME B31.3 para 302.3.5.(d)
Persamaan (1a):
S
A=f (1.25 S
c+ 0.25 S
h)
Persamaan (1b):
S
A=f (1.25 (S
c+ S
h) - S
L)
SA = Allowable stress dari piping sistem pada kondisi material dan temperature yang sama (N/mm²)
SC = Allowable stress pada temperature dingin atau minimum (N/mm²) Sh = Allowable stress pada temperature operasi. (N/mm²)
SL = Longitudinal stress .
f = Faktor yang tergantung siklus yang dialami pipa tersebut.
Nilai faktor f = 1.0 untuk siklus (pipa memuai dan menyusut). Jika desain direncanakan beroperasi selama 10 tahun, maka siklus yang terjadi adalah selama 3650 jam, dilihat dari table siklus pipa pada table 2 didapat nilai f=1.0 karena siklus kurang dari 7000.
Dalam hal ini Longitudinal Stress (SL), diasumsikan tidak melebihi Sh, Allowable stress pada kondisi temperature operasi. jika hal itu terjadi, maka code mengizinkan bagian yang tidak terpakai tersebut (Sh) ditambahkan dan digunakan untuk menahan stress karena temperature (expansion stress). Sehingga dengan demikian, besarnya maksimum allowable stress range yang boleh terjadi adalah
……… (2.16)
sama dengan 1.25 (Sc+Sh), untuk thermal expansion stresss yang dikombinasikan dengan stress dari sustained loading.
SA pada persamaan diatas adalah allowables stress dari komponen piping pada temperature tertentu dimana SL untuk komponen tersebut sudah dihitung. Sc dan Sh adalah basic allowable stress pada temperatur dingin dan temperature operasi, adapun faktor f pada persamaaan diatas adalah yang berfungsi untuk memperkirakan penurunan kemampuan sebuah material dalam menerima beban atau tegangan, seperti yang tercantum pada ASME Code B31.3
F = 6.0 (N) - 0.2 d” fm f = stress range factor
fm = nilai maksimum dari stress range faktor.
Untuk material logam yang mempunyai Spesific Minimum Tensile Strength (SMTS) d” 517 Mpa (75 ksi) pada temperatur d” 371 ºC (700 ºF) maka nilainya adalah 1.2. selain dari kondisi diatas, maka nilai fm adalah 1. Nilai dari satu adalah sebagai berikut : Cycles (N) Factor f 70,000 and less 1.0 Over 7000 to 14,000 0.9 Over 14,000 to 22,000 0.8 Over 22,000 to 45,000 0.7 Over 45,000 to 100,000 0.6 Over 100,000 to 200,000 0.5 ……… (2.18)
Over 200,000 to 700,000 0.4
Over 700,000 to 2000,000 0.3
Tabel 2.1. Siklus Faktor f
(Sumber: Pengantar Stress analisis, Donny Agustinus) 2.10 Tebal Dinding Pipa
Ketebalan dinding pipa memiliki peranan penting dalam sistem pemipaan yang beroperasi pada tekanan dan termperatur yang tinggi, kesalahan dalam menentukan ketebalan dingin pipa yang diperlukan, dapat mengakibatkan pipa tidak kuat menahan tekanan pada saat beroperasi, sehingga akan menimbulkan banyak permasalahan dalam sistem operasi dari jalur pemipaan.
Di dalam pipa sering terdengan istilah Schedule Number yaitu penyebutan untuk ketebalan pipa. Schedule pipa dapat dikelompokkan sebagai berikut :
a. Schedule 5, 10, 20, 40, 60, 80, 120, 160 b. Schedule Standart
c. Schedule Extra Strong (XS)
d. Schedule Double Extra Strong (XXS)
Untuk menghitung ketebalan pipa menurut ASME B31.3 dipakai rumus :
C PY E D P tm:2( . ) Dimana :
tm : tebal dinding pipa (mm) P : tekanan internal desain (N/m2) D : diameter luar (mm)
σ : stress pada temperatur desain (N/mm2)
E : faktor efisiensi sambungan
Y : faktor bahan (dapat diketahui pada tabel 2) C : faktor korosi (Corrosion allowance)
Table 2 Koefisien Y untuk t < D/6
Materials
Temperatur, ºF(ºC)
900 (482) 950 1000 1050 1100 1150 & lower (510) (538) (566) (593) & up
Ferritic steels 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7
Austenic steels 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7
Other ductile
metals 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
Cast iron 0.0 … … … … …
Tabel 2.2 Nilai koefisien bahan (Y) (Sumber : ASME B31.3 hal 18) 2.11 Faktor Keamanan (Safety Factor)
Didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan atau kekuatan ultimate dengan tegangan maksimum yang terjadi pada suatu bahan.
Tegangan Ultimate (Ultimate stress) adalah tegangan satuan terbesar suatu bahan yang dapat ditahan tanpa menimbulkan kerusakan. Tegangan ijin (Allowable Stress) adalah tegangan yang tidak boleh di lampaui di bagian manapun dalam struktur.
kekuatan ultimate bahan SF =
tegangan maksimum yang terjadi pada bahan
Nilai SF dalam perancangan harus > 1.
2.12 Pipe Support
Pipa akan mengalami lenturan dan defleksi karena berat pipa itu sendiri dan berat fluida yang mengalir didalam pipa. Untuk menghindari terjadinya defleksi pipa yang berlebihan akibat berat pipa dan fluida didalamnya, maka perlu diperhitungkan panjang jarak antara dua tumpuan (Pipe Support) agar defleksi yang terjadi dapat sekecil mungkin.
Untuk mengetahui jarak maksimum antara dua tumpuan (support pipa ) yang disarankan berdasarkan standard pipa dan fluida yang digunakan dalam sistem dapat mengacu pada table berikut ini :
Jarak maksimum antar support pipa yang disarankan
Nominal pipe size Air Isian Uap, Udara, Gas Isian
in mm ft m ft m 1 25 7 2.1 9 2.7 2 50 10 3 13 4 3 80 12 3.7 15 4.6 4 100 14 4.3 17 5.2 6 150 17 5.2 21 6.4 8 200 19 5.8 24 7.3 12 300 23 7 30 9.1 ……… (2.20)
16 400 27 8.2 35 10.7
20 500 30 9.1 39 11.9
24 600 32 9.8 42 12.8
Tabel 2.3 Jarak Maksimum antar pipe support (tumpuan pipa) Referensi : (Helguero M, Victor, Piping Stress Handbook, 1986 : B.188)
Adapun perhitungan secara manual dapat dicari dengan menggunakan rumus :
√ ... (2.21)
Dimana :
σa : Tegangan yang diijinkan (N/m2) Z : Modulus section pipa (m3)
W : Berat pipa + berat fluida didalam pipa per satuan panjang (N/m)
Adapun besarnya defleksi maksimum yang terjadi ditengah-tengah antara dua tumpuan dapat dicari dengan rumus :
... (2.22) Dimana :
E : Modulus elastisitas material pipa (N/mm2) I : Momen inersia dari penampang pipa (mm4)
Support atau penyangga ada banyak type, dan penempatannya dapat ditabelkan berdasarkan fluida, temperature dan pressure (tekanan) yang digunakan dalam sistem, namun pemakaian table ini tidak berarti bahwa tegangan yang terjadi atau beban nozzle adalah acceptable, maka dengan adanya ini adalah perlu dilakukan analisis berdasarkan code-code yang ada dengan pemakaian perangkat lunak, dalam hal ini CAESAR II.
Ada beberapa tipe support atau penyangga, antara lain adalah tipe restrain dan variable support. Restrain biasa digunakan untuk mengatasi beban sustain yang berlebih, sedangkan variable support umumnya digunakan untuk mengatasi beban thermal, occasional dan kombinasinya.
Dalam buku Design of Piping System The MW. Kellog, disebutkan terminologi dari jenis-jenis support yang biasa terdapat pada sebuah plant, yaitu sebagai berikut:
1. Anchor, jenis tumpuan yang tidak mengijinkan adanya gerakan translasi maupun rotasi pada semua derajat kebebasan.
2. Restraint, ini adalah sebutan bagi semua peralatan yang berfungsi untuk mencegah, menahan, atau membatasi pergerakan pipa akibat thermal.
3. Support, sebuah peralatan yang tujuan utamanya adalah menahan sebagian berat pipa termasuk didalamnya berat isi dan pengaruh sekelilingnya.
4. Brace, sebuah peralatan yang bertujuan untuk menahan displacement pipa akibat gaya yang bekerja bukan karena grafitasi tapi juga bukan karena thermal ekspansi.
5. Anchor, disebut juga dengan Rigid Restraint dengan full fixation. Pada tipe ini pipa tidak bisa bergerak ke segala arah sumb atau Fix. Sehingga bisa berfungsi sebagai restraint sekaligus support atau brace.
6. Stop, suatu jenis support yang mengijinkan pipa untuk bergerak secara rotasi tapi tidak dalam arah aksial atau longitudinal.
7. Limit Stop, adalah suatu support yang berfungsi menahan gerakan pipa pada arah aksial atau translator pada jumlah tertentu.
8. Guide, suatu support yang berfungsi untuk mencegah terjadinya rotasi pada pipa akibat momen lentur atau momen torsi.
9. Hanger, suatu support dimana pipa ditahan dari sebuah struktur atau support ditempel pada struktur yang berada di atas pipa. Jenis tumpuan untuk menahan adanya gerakan translasi pada arah vertikal (arah gravitasi). Tumpuan jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu spring (variable) hanger dan constant force hanger
10. Constant Effort Support, yaitu suatu support yang mampu menahan gaya yang konstan walaupun terjadi displacement yang besar.
2.13 Perangkat Bantu CAESAR II dalam Analisa Tegangan Pipa
Caesar II adalah sebuah program komputer yang digunakan untuk melakukan perhitungan analisis tegangan (Stress Analysis) pada sebuah sistem pemipaan.
Gambar 2.15. Caesar II Program.
Program Caesar II ini dibuat dan dikembangkan oleh COADE Engineering Software, yaitu sebuah perusahaan pembuat software khusus di bidang Mechanical Engineering yang sudah terkenal dan bermarkas di Houston, Amerika Serikat.
Pada perhitungan analisis, secara singkat para pengguna Caesar II membentuk sebuah model dari piping sistem dan mendefinisikan beban yang terjadi pada piping sistem tersebut. Kemudian, berdasarkan input tersebut, Caesar II mengolah data dan melakukan perhitungan untuk kemudian menampilkan hasil perhitungan dalam bentuk displacment, beban, dan stress pada seluruh bagian dari piping sistem tersebut.
Dengan menggunakan hasil perhitungan tersebut, Caesar II kemudian membandingkannya dengan batas-batas nilai yang diizinkan sesuai dengan Code dan Standard yang sudah diakui penggunaannya di dunia.
2.14 Aplikasi CAESAR II
CAESAR sering digunakan untuk desain mekanis sistem-sistem pemipaan baru. Sistem pemipaan panas memberikan sebuah masalah unik bagi mechanical engineer, struktur tak beraturan mengalami strain yang besar yang harus dibebani oleh sistem pemipaan, penyangga dan perlengkapan yang ditambahkan. Struktur ini harus cukup kaku untuk mendukung beratnya sendiri dan juga cukup fleksibel untuk menerima pengingkatan suhu.
Beban-beban perpindahan dan tegangan-tegangan ini dapat diperkirakan melalui analisis model pemipaan Caesar. Untuk menambah dan memperbaiki desain analisis, Caesar bekerja sama dengan banyak batasan-batasan pada sistem ini dan perlengkapan yang diikutsertakan. Batasan-batasan ini pada dasarnya dispesifikasikan oleh badan engineering seperti ASME B31 Comittees, ASME Section VIII, dan Welding Research council, oleh pembuat peralatan-peralatan yang berhubungan dengan pipa (API, NEMA). Caesar tidak terbatas pada analisa suhu juga memiliki kemampuan pemodelan dan analisa beban statik dan dinamik, oleh karena itu Caesar bukan hanya sebuah alat untuk desain baru tapi juga bernilai untuk mengatasi troubleshooting dan desain ulang sistem yang sudah ada. Disini kita dapat menentukan alasan kegagalan dan megevaluasi kelangkaan kondisi operasi yang tak terantisipasi seperti interaksi fluida atau getaran mekanik yang disebabkan oleh peralatan.
2.15 Program Piping Stress Analysis Selain Caesar II
Caesar II bukanlah satu-satunya program komputer untuk piping stress analysis yang tersedia di pasaran dan digunakan oleh banyak Stress Engineer. Kenyataannya, banyak program komputer lain yang tersedia dan tentunya juga digunakan oleh perusahaan-perusahaan engineer lainnya.
Program-program lainnya tersebut, untuk menyebut sebagian saja yang banyak digunakan, adalah sebagai berikut:
o AUTOPIPE, yang dibuat oleh Rebis dan saat ini dimiliki oleh Bentley, yang berkedudukan Exton, Pennsylvania, Amerika Serikat.
o CAEPIPE (dibaca k-pipe), dibuat oleh SST System Incorporation yang berkedudukan di San Jose, California, Amerika Serikat.
o ROHR2, yang dibuat oleh SIGMA IngenieurgesellschaftmbH, yang berkedudukan di Unna, Jerman.
o ADLPIPE, yang merupakan produk dari Research Engineer International UK, yang saat ini sudah dibeli oleh Bentley.
2.16 Kelebihan Caesar II
Caesar II berhasil menciptakan program yang sangat up-to-date dengan kondisi dan situasi dunia piping stress analysis.
Belum lagi jika dilihat dalam hal kemudahan proses penginputan data serta kejelasan gambar pada saat input membuat user bisa melihat model sebelum melakukan analisis, makin membuat caesar II menjadi program mudah untuk
digunakan. Disamping itu Caesar II juga memberikan kebebasan kepada user atau pengguna dalam hal penginstallan dan juga dalam pengaturan database.
2.17 Pemodelan Sistem Pemipaan
Parameter yang menjadi masukan kedalam program Caesar II sebagai data yang akan diproses adalah sebagai berikut :
a. Memasukan nilai node yaitu titik awal perencanaan yang akan disediakan oleh Caesar II dalam dialog box. Biasanya nilai 10 dan 20 akan menjadi titik awal dari perencanaan jalur pemipaan yang akan dilakukan. Sesuai dengan stress sketch yang sudah bibuat.
b. Memasukan data-data desain dari pipa seperti data temperature dan tekanan pada saat operasi maupun pada saat-saat yang dipandang perlu untuk dilakukan analisis, dimana data-data tersebut sudah ada di stress sketch yang sudah dibuat sebelumnya.
c. Memasukan data diameter pipa ketebalan pipa atau schedule pipa serta corrosion allowance untuk material yang dipilih berdasarkan line list atau stress sketch.
d. Memasukan data Restaint, yaitu jenis pipe support yang akan digunakan. e. Memasukan pengaruh beban angin (wind load) atau uniform load
f. Memasukan apakah dipertimbangkan gaya dan momen akibat beban luar atau juga akibat beban dalam seperti slug flow, water hammer.
g. Memasukan jenis material pipa yang digunakan apakah carbon steel atau material lainnya. Program caesar II akan secara otomatis memberikan properti dari material tersebut seperti modulus elastisitas untuk temperature ambient
sampai temperatur operasi, sesuai dengan jumlah temperature yang kita masukan pada awalnya.
h. Memasukan data properties dari fluida (memasukan data density dari fluida). i. Memasukan kode dan standar yang akan digunakan sebagai dasar perhitungan
stress analysis misalnya ASME B31.3, maka program Caesar II secara otomatis akan memberikan besarnya allowable stress untuk setiap temperature yang kita masukan.
j. Keseluruhan data diatas hanya sekali dimasukan dan akan terus digunakan sampai proses input selesai kecuali ada perubahan diameter atau perubahan jenis material sehingga harus mengubah data pada bagian tersebut.
Gambar 2.16. Tampilan Layar Input Identifikasi Pipa Referensi: Program CAESAR II
2.18 Analisa Statis (Batch Run Caesar II)
Analisa statis dimulai dengan melakukan proses yang disebut dengan error checking. Sebaiknya untuk tahap awal memulai analisis untuk pertama kalinya maka disarankan untuk memulai analisis dengan menekan tombol error checking yang berbentuk seperti gambar dibawah ini.
Gambar 2.17. Tombol Analisa Statis dan Error Checking (Sumber: Program Caesar II)
Batch Run ini merupakan proses dimana data input pada Caesar II dicompile untuk mendapatkan hasil analisa oleh Caesar II dalam bentuk output Caesar II. Hasil pemeriksaan biasanya akan diberikan dalam bentuk sebagai berikut:
Warning : Jika dianggap kesalahan yang ditemukan tidaklah berbahaya dalam arti tidak mengakibatkan kesalahan fatal dalam hitungan.
Fatal Error : Jika kesalahan input sedemikian besar dikhawatirkan hasil perhitungan akan sangat menyimpang dari kode dan standar yang digunakan. Sedapat mungkin jumlah warning yang ada tidaklah banyak dan tidak mempunyai pengaruh terhadap perhitungan atau analisis yang dikerjakan.
Gambar 2.18. Layar Input Pengecekan Model (Referensi: Program CAESAR II)
2.19 Analisis Statik Model (run)
Setelah dipastikan tidak terdapat error message dan warning message, maka model siap untuk dianalisis (run). Dengan memilih perintah static analysis pada menu, maka pada layar akan muncul tampilan seperti pada gambar 2.19.
Gambar 2.19. Tampilan Pemilihan Kombinasi Beban (Referensi: Program CAESAR II)
2.20 Output Caesar II
Hasil output dari Caesar II merupakan hasil perhitungan fleksibilitas dan kekuatan jalur pipa berdasarkan data-data input, dan disajikan dalam bentuk tampilan animasi 3 dimensi dan berupa data-data dalam bentuk angka sebagai indikasi letak dan arah gaya-gaya, momen dan besar tegangan yang terjadi.
Gambar 2.20 a. Tampilan Pemilihan Jenis Output Operating Report (Referensi: Program CAESAR II)
Gambar 2.20 b. Contoh Tampilan Output Sustain Report (Referensi: Program CAESAR II)
Gambar 2.21. Contoh tampilan output beban (Referensi: Program CAESAR II)
