BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pendahuluan
Ribuan tahun yang lalu, sistem pipa sudah dikenal dan digunakan oleh manusia untuk mengalirkan air sebagai kebutuhan air minum dan irigasi. Jadi pada dasarnya sistem perpipaan sudah dikenal dan digunakan oleh manusia untuk memudahkan kegiatan maupun pekerjaan manusia. Namun, seiring dengan perkembangan jaman dan kemajuan industri, sistem perpipaan pun mengalami kemajuan yang pesat. Mulai awal abad ke-18, teknologi bahan pipa mengalami perkembangan yang sangat pesat. Hinggaa saat ini, penggunaan sistem perpipaan sangat luas. Namun, sistem perpipaan itu sendiri adalah suatu sistem yang kompleks sehingga pada saat perancangannya banyak aspek-aspek yang perlu diperhatikan dan dipertimbangkan sehingga diperoleh suatu rancangan sistem perpipaan yang baik dan efisien.
Piping stress analysis adalah suatu metode terpenting untuk meyakinkan dan menetapkan secara numeric bahwa sistem perpipaan dalam engineering adalah aman. Beban (Gaya, Moment dan tegangan) yang terjadi secara aktual pada pipa dan nozzle equipment dibuat sedemikian rupa sehingga beban tersebut tidak melebihi batasan yang telah ditetapkan oleh Code dan Standard Internasional (ASME, ANSI, API, WRC, NEMA, dll). Dalam analisa bahwa beban terjadi karena adanya pengaruh perlakuan beban static dan perlakuan beban dinamik. Pemasangan support (penyangga) adalah hal yang paling penting agar pengaruh pembebanan (statik dan dinamik) selama operasi sistim perpipaan tidak mengalami kegagalan atau kerusakan.
2.2 Data Desain
Data-data yang diperlukan dalam desain stress analysis adalah :
• Line list, design pressure, operating pressure, operating temperature, design temperature, type thickness isolasi (jika ada), test condition.
• Piping material class, Material, Diameter, thickness, type fitting, flange, valve.
• Project specification, site data seperti temperature lingkungan, kecepatan angin, data gempa.
2.3 Klasifikasi Beban pada Sistem Perpipaan
Beban-beban pada sistem pemipaan diklasifikasikan berdasarkan penyebabnya, yaitu :
1. Beban Statik (sustain, expansi dan operating) pada dasarnya adalah suatu beban yang disebabkan oleh pengaruh internal yakni tekanan, temperature dan berat material pipa serta semua komponen dalam sistem. Selain dari itu beban statik dapat juga disebabkan oleh adanya beban external, yakni gempa, thrust load dari relief valve, wind dan wave dan beban ultimate tanah bila pipa berada dalam tanah (under ground). Beban statik selain akibat beban ultimate tanah sering disebut dengan beban ”static occational” atau lebih dikenal dengan beban ”quasi dynamic”, dikatakan demikian karena beban dianggap seolah-olah sebagai beban dinamik tetapi bukan fungsi waktu.
2. Beban Dinamika (occasional) mempertimbangkan adanya beban external sebagai fungsi waktu [W = f(t)], antara lain gempa (seismic), operasi safety valve, vibrasi (pulsation) dan water hammer.
3. Beban termal / ekspansi (Sexp), yaitu beban yang timbul akibat ekspansi panas. Beban termal dibagi menjadi tiga bagian berdasarkan sumber penyebabnya, yaitu :
• Beban termal akibat pembatasan gerak oleh tumpuan, beban ini (gaya dan momen) timbul jika ekspansi atau konstraksi bebas perpipaan akibat termal terhalang oleh tumpuan.
• Beban termal akibat perbedaan temperatur, beban ini terjadi akibat perubahan temperatur yang besar dan cepat, termasuk juga akibat distribusi temperatur yang tidak seragam karena adanya aliran kalor yang tinggi melalui dinding pipa.
• Beban termal akibat perbedaan koefisien ekspansi, beban ini terjadi pada sistem pipa yang materialnya mempunyai koefisien ekspansi yang berbeda.
2.4 Teori Tegangan Pipa
Struktur perpipaan dinyatakan kuat atau aman jika tegangan-tegangan yang terjadi lebih kecil dari tegangan yang diizinkan.
2.4.1 Teori Dasar Tegangan
Dalam menganalisa suatu perpipaan, diwajibkan untuk mengetahui prinsip dasar dari tegangan pipa dan mengenai hal-hal yang berhubungan dengannya. Sebuah sistem perpipaan dinyatakan tidak aman beroperasi apabila tegangan yang terjadi melebihi tegangan makimum yang diizinkan
Tegangan merupakan sebuah besaran vektosr yang selain mempunyai nilai juga mempunyai arah.
Menurut standard ASME B31.3 (standard untuk perencanaan sistem perpipaan pada instalasi proses area), ada tiga tegangan utama yang bekerja pada elemen pipa, lihat gambar 2.1.
Gambar 2.1. Arah tegangan yang terjadi pada pipa Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan - REDS
Tiga tegangan utama itu adalah :
1. Tegangan utama longitudinal (Longitudinal principal stress) yaitu tegangan yang bekerja sepanjang garis sumbu pipa, tegangan ini disebabkan oleh pembengkokan, beban gaya aksial atau tekanan. Dan tegangan ini dapat dirumuskan sebagai berikut :
a. Akibat gaya aksial
Gambar 2.2 Tegangan utama longitudinal akibat gaya aksial Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan - REDS
(2.1)
b.
Tegangan longitudinal akibat tekukan(2.2) c. Tegangan longitudinal akibat tekanan dalam
(2.3) Jadi total dari tegangan longitudinal adalah sebagai berikut :
(2.4) 2. Tegangan utama radial (Radial principal stress) yaitu tegangan yang bekerja
pada satu garis mulai dari pusat pipa secara radial sampai ke dinding pipa,
L L
FA x
x
tegangan ini bersifat tegangan tekan bila disebabkan oleh tekanan dalam pipa dan tegangan ini bersifat tegangan tarik bila tekanan dalam pipa hampa (vacuum pressure).
(2.5)
3. Tegangan utama circumferential (Circumferential principal stress) atau disebut juga sebagai Hoop stress, tegangan ini bekerja tegak lurus terhadap tegangan longitudinal dan tegangan radial, tegangan ini bertendensi membelah dinding pipa dalam arah melingkar pipa dan tegangan ini disebabkan tekanan dari dalam pipa, besarnya bervariasi sesuai dengan tebal dinding pipa. Rumus untuk tegangan tangensial dapat didekati dengan memakai persamaan berikut dan dijelaskan pada gambar 2.11.
Gambar 2.3 Tegangan utama longitudinal
Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan - REDS
(2.6)
P
S
HSecara konservatif untuk pipa yang lebih tipis dapa dilakukan penyederhanaan rumus tegangan pipa tangensial ini dengan mengasumsikan gaya akibat tekanan dalam bekerja sepanjang pipa.
Didasarkan oleh F=P.di.I ditahan oleh dinding pipa seluas Am=2t.L sehingga
rumus untuk tegangan tangensial ini dapat dituliskan sebagai berikut :
(2.7) Bila dua atau lebih tegangan utama bekerja pada suatu titik pada sebatang pipa, maka akan menghasilkan tegangan geser, contohnya pada pipa yang diberi penyangga secara menganjur (overhang pipe), dimana tegangan radial yang disebabkan oleh penyangga berkombinasi dengan lenturan (gaya bending) yang disebabkan oleh pipa.
a. Akibat gaya geser
(2.8) Tegangan ini akan mencapai titik maksimum pada sumbu netral (sumbu simetri pipa) dan nihil di titik dimana tegangan lendut maksimum (yaitu pada permukaan luar dinding pipa). Karena hal ini dan juga karena besarnya tegangan ini biasanya sangat kecil, maka tegangan ini diabaikan.
b. Akibat momen puntir (torsional moment)
Gambar 2.4 Tegangan geser akibat momen puntir Referensi : Analisa Tegangan pada Sistem Perpipaan - REDS
2.5 Kriteria Design pada Jalur Perpipaan
Dalam mendesain jalur perpipaan banyak parameter-parameter yang harus diperhatikan dan harus dipenuhi, sehingga jalur tersebut aman dan dapat diopersikan secara maksimal. Pada dasarnya jalur perpipaan merupakan media penghubung dari sederetan proses yang terjadi dalam suatu sistem. Dalam mendesain jalur perpipaan ini atau yang sering disebut pipe routing dibutuhkan keahlian dan pengalaman dalam melakukan pekerjaan dibidang perpipaan. Sampai saat ini, tidak ada suatu ilmu khusus mempelajari cara me-routing sebuah jalur pipa yang baik dan benar. Proses penentan sebuah jalur pipa merupakan suatu proses yang iterative, artinya adakalanya sebuah jalur pipa yang ditentukan itu tidak memenuhi kriteria stress analysis. Apabila hal ini terjadi maka harus dilakukan penentuan jalur baru (re-routing) hingga jalur pipa tersebut dinyatakan aman dan sesuai dengan code yang bersangkutan. Dalam penentuan sebuah jalur pipa dari satu titik ke titik lainnya ada banyak hal yang harus diperhatikan.
Kriteria-kriteria yang harus dipenuhi dalam melakukan desain sebuah jalur perpipaan pada instalasi migas yaitu :
a. Melakukan perhitungan ketebalan pipa yang diperlukan
MT
b. Membuat konstruksi jalur perpipaan dan komponen pendukungnya c. Menentukan letak dan bentuk penyangga
d. Melakukan perhitungan tegangan dan fleksibilitas pipa.
2.6 Tebal Dinding Pipa
Ketebalan dinding pipa memiliki peranan penting dalam sistem perpipaan yang beroperasi pada tekanan dan temperature yang tinggi, kesalahan dalam menentukan ketebalan dinding pipa yang diperlukan mengakibatkan pipa tidak kuat menahan tekanan saat operasi, sehingga menimbulkan banyak permasalahan dalam sistem operasi dari jalur perpipaan.
Didalam sistem perpipaan sering terdengar 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 Standard
c. Schedule Extra Strong (XS)
d. Schedule Double Extra Strong (XXS)
Untuk menghitung ketebalan pipa menurut ASME B31.3 dipakai rumus :
(2.10) : tebal dinding pipa (m)
P : tekanan internal desain (N/m2) D : diameter luar (m)
S : stress pada temperature desain (N/m2) E : faktor efisiensi sambungan
Y : faktor bahan (dapat diketahui pada table 2.1) C : corrosion allowance
Table 2.1 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 … … … … …
Referensi : ASME B31.3 hal 18
2.7 Fleksibilitas Pipa
Misalkan 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 2.5a, 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 2.5a dan 2.5b.
Besarnya ekspansi ini dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :
(2.11) 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 2.5a.
Gambar 2.5a Pipa berekspansi menekan dinding bejana
b. Bila dinding kedua bejana tersebut cukup kuat menahan tekanan dari perpanjangan pipa, maka pipa akan melengkung atau bengkok seperti pada gambar 2.5b
Untuk mencegah hal tersebut, maka cara untuk mengatasinya adalah : Cara 1, membuat loop pada jalur pipa (Gambar 2.5c)
Jalur pipa pada gambar 2.5c ditujukan reaksi expansi pipa akan menekan bagian loop sehingga tidak menekan dinding dari equipment, dengan demikian tidak terjadi over stress.
Gambar 2.5c Jalur pipa dengan loop
Gambar 2.5d Jalur pipa dengan loop
Dalam gambar 2.5d terlihat defleksi yang tejadi (garis putus-putus). Dari cara diatas dapat dilihat bahwa dengan membuat loop pada jalur pipa, maka memungkinkan defleksi yang terjadi dapat diserap (absorb) oleh pipa dan sekaligus mengurangi beban pada nozzle bejana.
2.8 Nozzle Displacement
Didalam melakukan perhitungan analisis tegangan pada sistem pemipaan, terutama pada pipa yang tersambung ke equipment, baik static maupun rotating equipment, maka salah satu hal yang paling penting yang harus disiapkan adalah menghitung besarnya pergerakkan nozzle akibat temperature pada equipment tersebut.
Secara umum untuk mengetahui apakah sebuah sistem pemipaan akan mengalami kelebihan tegangan (overstress) pada kondisi paling ekstrim, maka digunakan temperature yang paling tinggi (design temperature), yang mungkin terjadi pada suatu sistem pemipaan.
Dengan temperature tertinggi yang mungkin terjadi pada suatu sistem, maka kita akan bisa tahu dan yakin bahwa pada saat itu sistem pemipaan yang telah dihitung akan mampu bertahan tanpa mengalami overstress.
Gambar 2.6 Gambar untuk perhitungan pemuaian awal Referensi : Pengantar Piping Stress Analysis (Hal. 141)
Y
Displacement pada nozzle pompa dapat dihitung dengan :
(2.12)
(2.13)
Keterangan :
e = koefisien thermal ekspansi (Referensi : Table C-1 ASME B31.3 hal. 212)
2.9 Analisis Tegangan
Analisis tegangan merupakan bagian yang paling berpengaruh pada perencanaan dan pelaksanaan sistem perpipaan. Dari hasil analisis tegangan ini, perencanaan jalur-jalur sistem perpipaan dan peletakkan tumpuan pipa (pipe support location) ditentukan untuk menghindari terjadinya tegangan yang berlebihan pada pipa atau pada tumpuan pipa dan juga untuk mendapatkan kondisi yang fleksibel yang dibutuhkan pada tata letak jalur perpipaan.
Analisis tegangan dilakukan terutama pada nozzle-nozzle dari peralatan yang dihubungkan dengan sistem perpipaan dan pada titik-titik tertentu pada jalur perpipaan. Dan analisis ini ditentukan oleh gaya-gaya pada jangkar (anchor), gaya pada penyangga atau tumpuan, momen lengkug dan torsi pada suatu titik atau segmen ada sistem perpipaan.
Adapun urutan pekerjaan yang dilakukan dalam analisis tegangan adalah : a. Menghitung gaya dan momen
b. Menghitung tegangan
Perhitungan gaya, momen dan tegangan dapat dilakukan secara manual maupun dengan komputer. Dalam perencanaan jalur perpipaan pada instalasi ini dilakukan
perhitungan gaya dan momen dengan menggunakan program komputer Caesar II 5.0 dan perhitungan tegangan yang dilakukan secara manual.
2.10 Kondisi Pembebanan
Sistem pemipaan yang dirancang, direncanakan dapat menahan bermacam-macam pembebanan yaitu :
1. Pada keadaan “hydrostatic test”, dimana sistem perpipaan yang telah dipasang harus diuji terlebih dahulu sebelum dioperasikan yaitu dengan cara mengalirkan air yang bertekanan kedalam pipa pada jangka waktu tertentu (biasanya paling lama 2 jam) untuk mengetahui ada tidaknya terjadi kebocoran pada sistem perpipaan. Kombinasi beban yang mungkin terjadi pada kondisi hydrotest ini adalah :
a. Beban akibat material dan gaya-gaya luar (berat material dan bagian-bagian dari pencabangan pipa).
b. Beban akibat fluida yang digunakan untuk pengetesan (air atau udara). 2. Pada keadaan operasi, dimana sistem telah dioperasikan maka kombinasi beban
pada keadaan operasi ini adalah :
a. Beban akibat material, berat fluida, temperature dan gaya luar
b. Beban akibat material, berat fluida, temperature (desain / operasi), gaya luar, dan tekanan (desain / operasi)
c. Beban akibat berat material, berat fluida, temperature (desain / operasi), tekanan (desain / operasi), berat konstruksi (settlement) dan gempa bumi.
2.11 Teori-teori Kegagalan (Failure Theories)
1. Teori kegagalan tegangan utama maksimum (maximum principal stress failure theories) menyatakan bila salah satu dari tiga tegangan utama yang saling tegak lurus melebihi dari kekuatan luluh (yield strength) material pada temperature yang sama maka kegagalan atau kerusakan akan terjadi pada material tersebut. Satu contoh dari aplikasi teori ini adalah sebagai berikut :
Pipa berdiameter 6 inci (diameter luar Do = 168.28 mm), schedule 40 (tebal dinding pipa t = 7.11 mm) berisi fluida dengan tekanan desain P sebesar = 6.5 barg = 95 Psig = 0.65 MPa (N/mm2) Hitung besarnya tegangan-tegangan utama yang terjadi.
Penyelesaian :
Tegangan utama longitudinal (LPS) :
Tegangan utama circumferential (CPS)
Tegangan utama radial (RPS) = P = 0.65 N/mm2 (MPa)
Bila teori kegagalan tegangan utama maksimum diterapkan pada kondisi pipa ini maka hanya CPS lah yang perlu diperhatikan. Untuk mencegah pipa dari gagal atau rusak, maka harus dipilih tebal dinding pipa yang menghasilkan harga CPS dibawah harga yield strength dari material pipa pada temperature dan tekanan pada saat sistem beroperasi.
2. Teori kegagalan tegangan geser maksimum (maximum shear stress failure theories) adalah harga rata-rata dari tegangan yang paling besar dikurangi dengan teangan yang paling kecil dan dibagi dua. Dari contoh perhitungan di atas, maka tegangan geser maksimummnya adalah :
Teori kegagalan tegangan geser maksimum menyatakan bahwa bila harga tegangan geser maksimum melebihi dari setengah harga yield strength material pada temperature yang sama, maka kegagalan atau kerusakan akan terjadi. Pada contoh diatas, sistem ini akan aman selama yield strength material pada temperature yang sama diatas harga 3.52 N/mm2 (MPa).
2.12 Sistem Penggambaran
Sistem penggambaran pada perencanaan perpipaan dapat dikelompokkan :
a. Sistem penggambaran untuk keperluan perencanaan proses yang berbentuk gambar skematik, biasanya gambar tersebut berisi informasi mengenai peralatan yang digunakan, diameter pipa, jenis fluida yang dialirkan, jenis katup-katup yang digunakan, arah aliran fluida, instrumentasi yang digunakan untuk memantau dan mengontrol sistem aliran fluida. Pada umumnya gambar ini dikenal dengan nama P&ID (Piping and Instrument Diagram).
b. Sistem penggambaran untuk keperluan perencanaan mekanikal dan perpipaan :
- Key plan yaitu gambar keseluruhan dari proyek yang akan dikerjakan yang dapat memberikan informasi lokasi proyek secara menyeluruh.
- Plot plan atau tata letak peralatan utama, gambar ini adalah gambar sebenarnya (fisik) dari peralatan yang digunakan, ukuran-ukurannya, jarak antar peralatan dan ketinggian letak peralatan (elevation).
- Piping general arrangement atau tata letak sistem perpipaan termasuk peralatan dan instrumentasi yang digunakan. Gambar ini adalah gambar sebenarnya dari sistem perpipaan, informasi tentang sistem perpipaan pada suatu instalasi proses dapat dilihat pada gambar ini termasuk tata letak peralatan dan instrumentasi.
- Isometrik atau gambar jalur pipa single line dalam bentuk tiga dimensi, yaitu lengkap dengan dimensi dan uraian material yang digunakan sistem penggambaran ini sangat berguna baik untuk perencanaan, fabrikasi maupun untuk perawatan dari suatu instalasi proses.
2.13 Support atau Penyangga
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. Untuk jenis-jenis support dapat dilihat pada lampiran.
Jarak maksimum antar support pipa yang disarankan berdasarkan standard pipa dan fluida yang digunakan dalam sistem dapat diidentifikasi di table berikut :
Tabel 2.2. Jarak maksimum antar tumpuan pipa
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 16 400 27 8.2 35 10.7 20 500 30 9.1 39 11.9 24 600 32 9.8 42 12.8
Referensi : Helguero M, Victor, Piping Stress Handbook, 1986 : B.188)
2.14 Program Caesar II 5.0
Caesar II adalah software stress analysis yang digunakan untuk menganalisa suatu jalur perpipaan berdasarkan pada berat, tekanan, thermal, seismic, beban static dan beban dinamik. Sehingga didapat besarnya gaya, momen, besar ekspansi serta tegangan beserta jenis dan letak tumpuannya.
Caesar II diperkenalkan tahun 1984, berasal dari sebuah perusahaan yang bernama COADE Inc. dengan menggunakan program Caesar II maka akan didapatkan hasil dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi dan dapat
mempersingkat waktu dalam proses desai. Program ini sangat popular dan sering digunakan pada industri-industri di bidang minyak dan gas bumi.
2.14.1 Input Caesar II 5.0
Parameter yang menjadi masukan (diinput) kedalam program Caesar II sebagai data yang akan diproses adalah sebagai berikut :
a. Node yaitu titik awal perencanaan yang akan disediakan oleh Caesar II dalam dialog box. Biasanya nilai 10 akan menjadi titik awal dari perencanaan jalur perpipaan yang akan dilakukan.
b. Application Code yaitu standard yang akan digunakan misalnya B31.3, dll. c. Pipe data yaitu data-data yang berkaitan dengan sifat-sifat fisis pipa seperti
jenis material, besar diameter, ketebalan pipa, ketebalan isolasi pipa, dll. d. Data-data desain seperti tekanan, temperature, corrosion allowance, dll.
e. Data-data pendukung yaitu data-data yang akan ditentukan secara otomatis oleh program Caesar II seperti Elastic modulus, Pipe density, dll.
2.14.2 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.
