1
ANALISA VIBRASI PADA VARIASI FLANGE PIPA PENYALUR HIDROKARBON
AKIBAT ALIRAN INTERNAL
Krishna Kurniawan Ramadhan
1, Wisnu Wardhana
2, Suntoyo
3 1Mahasiswa Teknik Kelautan,
2,3Staf Pengajar Teknik Kelautan
Abstrak
Flange pada pipa penyalur hidrokarbon menyebabkan adanya turbulensi aliran fluida di dalam pipa yang
mengakibatkan terjadinya getaran (vibrasi). Analisa vibrasi dilakukan untuk mengetahui apakah frekuensi dan amplitudo getaran yang terjadi pada variasi flange yaitu Lap Joint Flange, Slip-On Flange, Socket Weld Flange,
Reducing Flange, dan Orifice Flange masih berada pada batas aman atau tidak. Pressure dan velocity diperoleh
dari hasil simulasi dengan menggunakan software flow3D, sedangkan untuk mendapatkan frekuensi natural,
displacement dan sebaran tegangan von mises digunakan ANSYS Multiphysics. Dari hasil analisa menunjukkan
bahwa turbulensi yang terjadi menyebabkan terjadinya getaran pada struktur pada saat beroperasi. Getaran yang terjadi pada flange berdasarkan OM-3 masih dalam batas aman yaitu amplitudo berupa displacement masih kurang dari 2.164 x 10-4 m, dan frekuensi natural kurang dari 134 Hz untuk mode 2.
Kata kunci : vibrasi, flange, aliran internal.
1. PENDAHULUAN
Eksplorasi minyak dan gas bumi semakin meningkat di perairan Indonesia yang memerlukan sarana transportasi yang efektif dan efisien. Penggunaan pipa bawah laut sebagai alternatif transportasi hasil eksplorasi yang harus memiliki tingkat integritas yang tinggi (Soegiono, 2004). Pitting corrosion yang menyebabkan kebocoran pipa kebanyakan terjadi pada flange atau sambungan pipa karena terbentuk ulegan yang terjadi secara kontinyu (Chevron, 2008). Kemudian diadakan suatu penelitian oleh Rouza (2009) mengenai pola aliran yang terjadi pada flange dengan memvariasikan jenis flange dan kecepatan fluida.
Fenomena fluida di dalam pipa berkaitan dengan perubahan kecepatannya, jenis aliran (laminar atau turbulen) dan perubahan bentuk penampang pipa. Ketika pipa dialiri fluida yang bersifat turbulen, maka akan terjadi getaran (vibrasi) pada struktur pipa. Jika pipa tersebut tidak kuat maka pipa akan terjadi kegagalan karena beban dinamis yang mengenainya.
Getaran (vibrasi) yang terjadi pada variasi flange dikaji dengan meninjau frekuensi dan amplitudo getaran yang terjadi memenuhi batas aman dengan memacu pada ASME OM-3.
2. DASAR TEORI
2.1. Perpipaan
Sistem perpipaan selalu dilengkapi dengan komponen-komponen seperti valve, flange, elbow,
fitting, bolting, tubes, dll. Menurut Raswari (2007),
tipe sambungan pada sistem perpipaan dapat dikelompokkan sebagai berikut:
1. Sambungan langsung (stub in) 2. Menggunakan fitting
3. Menggunakan flange
Sambungan pipa menggunakan flange yaitu dengan cara kedua pipa yang akan disambung dipasang
dengan flange kemudian diikat dengan baut (bolt dan nut).
Jenis-jenis flange (Parisher, 2002) antara lain: 1. weld neck flange
2. threaded flange 3. socket weld flange 4. slip-on flange 5. lap-joint flange 6. reducing flange 7. blind flange 8. orifice flange 2.2. Fluida a. Aliran Laminar
Aliran dalam pipa terhadap sumbu z tidak simetris sehingga diperlukan kontrol volume differensial. Bentuk kontrol volumenya adalah bentuk cincin dan dua sumbu yaitu sumbu x dan r (gambar 2.1).
Gambar 2.1 Kontrol Volume Cincin untuk Analisis Aliran dalam Pipa (Swierzawski, 2000) Dengan menyelesaikan persamaan tegangan pada luasan permukaan dalam dan permukaan luar cincin maka akan diperoleh distribusi kecepatan terhadap sumbu r didapat persamaan (2.1):
(2.1) Distribusi tegangan geser persamaan (2.2):
(2.2) Laju aliran volume adalah persamaan (2.3):
2 (2.3)
Maka laju aliran volume fungsi penurunan tekanan adalah persamaan (2.4):
(2.4)
b. Aliran Turbulen
Pada aliran turbulen tidak dapat diturunkan suatu persamaan umum antara medan tegangan dan kecepatan, sehingga semua persamaan untuk aliran turbulen adalah berdasarkan hasil percobaan. Yamaguchi (2008), hubungan empiris untuk λ dalam hidrodinamika permukaan pipa halus adalah valid untuk jangkauan Reynolds Number yang mengalami aliran turbulen. Hubungan antara kekasaran dengan Reynold Number dapat ditulis dalam persamaan (2.5)
(2.5)
Kecepatan aliran turbulen dapat ditulis dalam persamaan (2.6) (2.6) Dengan, y = r0 – r , wall distance. n = power index u = average velocity
Untuk tegangan geser adalah persamaan (2.7) (2.7) Laju aliran volume adalah persamaan (2.8)
(2.8)
c. Persamaan-persamaan dasar untuk
menganalisis gerakan fluida 1. Persamaan Kontinuitas
Persamaan-persamaan kontinuitas dikembangkan dari asas-asas umum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa massa di dalam suatu sistem adalah tetap konstan terhadap waktu,
(2.9) Persamaan kontinuitas untuk volume kontrol menyatakan bahwa laju pertambahan terhadap waktu untuk massa di dalam volume kontrol adalah tepat sama dengan laju bersih aliran-masuk massa ke dalam volume kontrol itu.
(2.10)
Untuk aliran pipa dengan penampang bundar. Jika tidak ada fluida yang ditambahkan atau dipindahkan, maka volume fluida yang mengalir tiap satuan waktu adalah tetap, dan dapat dirumuskan dengan konstan (white, 1994). Persamaan tersebut adalah persamaan kontinuitas aliran dimana . Jika fluida mengalir di dalam pipa adalah incompressible maka
sehingga (2.11) (2.12) Dengan, debit aliran (kg/ ) luas penampang ( ) kecepatan aliran fluida (m/s) 2. Persamaan Momentum Linear
Hukum kedua dari Newton untuk suatu sistem, digunakan sebagai dasar guna mencari persamaan momentum linear untuk suatu volume kontrol.
(2.13) 3. Persamaan Energi
Hukum pertama termodinamika untuk suatu sistem menyatakan bahwa panas yang diberikan kepada sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh suatu sistem hanya bergantung pada keadaan awal serta keadaan akhir sistem itu.
(2.14)
(2.15) Energi intrinsik per massa satuan disebabkan oleh jarak serta gaya molekular.
(2.16)
d. RNG Model
RNG model turbulen diturunkan dari persamaan Navier Stokes, menggunakan teknik matematical yang disebut “renormalization group” (RNG). Hasil analisa model dengan konstanta berbeda dari standard model, ketentuan tambahan dan fungsi dalam persamaan transport untuk dan . Persamaan transport untuk RNG model mempunyai bentuk yang hampir sama dengan standard model :
(2.17)
(2.18) Dalam model standard k-epsilon viskositas eddy ditentukan dari skala panjang turbulensi tunggal,
3 sehingga difusi turbulen yang terjadi dihitung pada
skala yang ditentukan. Pendekatan RNG yang merupakan teknik matematika yang dapat digunakan untuk mendapatkan model turbulensi, mirip dengan k-epsilon, hasilnya dalam bentuk yang dimodifikasi dari persamaan epsilon, yang dapat menjelaskan berbagai skala gerak melalui perubahan jangka waktu produksi.
2.3. Getaran (Vibrasi)
FIV (Flow Induced Vibration) bisa disebabkan karena adanya sesuatu yang dapat merubah aliran laminar menjadi aliran turbulen. Aliran turbulen inilah yang menyebabkan pipa mengalami vibrasi (getaran).
Getaran adalah suatu gerakan bolak-balik yang mempunyai amplitudo yang sama (Rao, 2004). Beberapa komponen penting pada getaran adalah sebagai berikut:
1. Frekuensi
Frekuensi adalah banyaknya jumlah putaran atau gerakan dalam satu satuan waktu. Dinyatakan dalam satuan Hertz (Hz).
2. Amplitudo
Amplitudo adalah simpangan terbesar dari titik normalnya. Amplitudo dapat dapat berupa : (1) Perpindahan (displacement)
(2) Kecepatan (velocity) (3) Percepatan (acceleration) (4) Sudut Fase (phase angle)
Sudut fase dapat diartikan sebagai perbedaan amplitudo dalam satu frekuensi.
Analisa Vibrasi dapat didefinisikan sebagai studi dari pergerakan osilasi, dengan tujuan mengetahui efek dari vibrasi dalam hubungannya dengan
performance dan keamanan sebuah sistem dan
bagaimana mengontrolnya (Medio, 2008).
Gambar 2.2. Deskripsi Vibrasi Sederhana (Medio,2008)
Seperti gambar 2.2, ketika massa ditarik kebawah lalu dilepaskan maka akan terjadi gerakan osilasi sampai periode tertentu. Dibutuhkan sedikit energi untuk menimbulkan frekuensi natural dari sebuah sistem, seperti halnya sebuah struktur yang ingin merespon frekuensi tertentu. Hasil dari vibrasi dapat berupa:
• Displacement
• Velocity • Acceleration
Untuk analisa dinamis digunakan perhitungan
dynamic response dari struktur yang terkena beban
dinamis yang hasilnya berupa displacement, tegangan, regangan, dan gaya pada struktur pipa. Persamaan gerak secara umum untuk analisa dinamis dapat ditulis dalam persamaan (2.19)
(2.19) Dengan, (M) = matriks massa (C) = matriks redaman (K) = matriks kekakuan = vektor percepatan = vektor kecepatan = vektor displacement = vektor beban
2.4. Vibrasi perpipaan yang diijinkan
Berdasarkan teori yang digunakan pada ASME
Operations and Maintenance Standards/Guides Part 3 untuk menghitung vibrasi pada operasi steady
state, dapat menggunakan nomogram yang telah dikembangkan. Nomogram dapat digunakan untuk analisa jika frekuensi natural cocok dengan perhitungan frekuensi natural pada span. Ini membutuhkan asumsi-asumsi digunakan untuk perhitungan vibrasi akibat stress yang valid.
Dynamic stress maksimum dapat dihitung
menggunakan perhitungan vibration displacement maksimum dan stress intensity factors C2K2 yaitu 5.12. Vibration Amplitude maksimum yang diijinkan dapat dibaca secara langsung dari harga stress per mil. Nomogram ini memperbolehkan analisis untuk perhitungan cepat pada sistem perpipaan untuk perhitungan span yang mempunyai batas keamanan yang cukup.
2.5. Penggunaan Nomogram: 1. Menentukan frekuensi span pipa.
Persamaan yang digunakan didalam nomogram yaitu:
(2.20)
dengan : = frekuensi (Hz) = Frekuensi faktor
= outside diameter (inch) = panjang span (ft)
Untuk perhitungan pertama adalah menentukan frekuensi natural. Pertama dengan menghubungkan panjang span kepada outside diameter pada gambar A. Antara panjang span dan outside
diameter , ditandai dengan titik R pada
perpotongan dengan garis referensi (reference line). Tahap kedua adalah menentukan frekuensi natural dari span yaitu dengan menghubungkan garis dari titik R ke frequency factor dari karakteristik
4 span pipa (constraint). Garis frekuensi dari natural
tepat berada disebelah kanan dari garis referensi. 2. Perhitungan vibrasi Stress per-mil.
Persamaan yang digunakan di dalam nomogram yaitu:
(2.21) dengan:
= Deflection Stress Factor
= Outside diameter (inch)
= panjang span (ft)
= Stess per-mil of vibration
Untuk menentukan vibrasi karena stress per-mil, dengan menghubungkan titik R (reference line) kepada stress deflection factor . Stress per-mil yang didapatkan dari (s/y) adalah nominal stress dan tidak termasuk intensity factors . Untuk perhitungan ukuran vibration induced stresses, harus menggunakan persamaan,
(2.22)
3. Amplitudo vibrasi yang diijinkan.
Persamaan yang digunakan di dalam nomogram yaitu:
(2.23)
dengan :
= Amplitudo vibrasi ijin (mil) = stress per-mil of vibration (psi/mil)
Harga dari vibration displacement yang diterima dapat ditentukan pada lokasi yang sama pada stress
per-mil dengan membaca bagian sisi sebrangnya
dimana allowable vibration amplitude tertulis. 4. Amplitudo velocity yang diijinkan.
Velocity getaran yang diijinkan dapat ditentukan
dari perhitungan vibration displacement yang diijinkan dengan menkonversi harga ini ke velocity.
(2.24)
dengan :
= Velocity yang diinginkan (in/s) = displacement allowable (mil) = frekuensi natural (Hz)
3. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Algoritma
Langkah pemodelan aliran fluida digunakan untuk memperoleh pola tekanan pada pipa dan menghasilkan respon pipa akibat aliran fluida di dalam pipa. Langkah pertama adalah melakukan studi literatur dengan cara mencari, mempelajari dan memahami berbagai sumber pustaka atau media elektronik untuk mendapatkan parameter koefisien persamaan getaran dan mendapatkan data yang diperlukan. Setelah itu, mengelompokan data ini sesuai dengan kriteria yang dititik beratkan pada
pada jenis data dan kebutuhan data untuk melakukan kajian.
Langkah kedua yaitu dengan melakukan pemodelan pada software flow3D untuk mendapatkan pola aliran yang outputnya berupa pressure dan velocity. Pada langkah ketiga, pressure yang didapat pada langkah sebelumnya menjadi input pada pemodelan struktur dengan ANSYS Multiphysics, outputnya berupa frekuensi natural dan displacement serta tegangan von mises. Setelah didapatkan frekuensi natural dan amplitudo berupa displacement dilakukan pengecekan dengan code yang ada yaitu ASME OM-3 yang dilakukan dengan penggunaan nomogram yang telah dikembangkan oleh Wachel (1995).
3.2. Data-data yang digunakan
Data pipa yang digunakan berdasarkan API RP 14E: • Diameter 12” dan wall thickness 0.375” • Diameter 8” dan wall thickness 0.32” Data flange yang digunakan berdasarkan MSS SP-4:
• lap-joint flange 12” • slip-on flange 12” • socket weld flange 12” • reducing flange 12” • orifice flange 12”
Fluida yang digunakan yaitu hidrokarbon: • Mass Density 39.44 lb/ft3 • Molecular weight 82.82 lb/mol • Flow Rate 34000 bpd
• Viskositas 0.179 lb/in2 3.3. Analisa aliran fluida FLOW3D
Untuk menganalisa aliran fluida menggunakan
software flow3D, dilakukan pemodelan fluida yang
bentuknya menyerupai geometri dalam pipa.
Gambar 3.1 pemodelan fluida akibat lap joint flange
Gambar 3.2 kontur velocity amplitude pada lap joint
flange (v = 0.25m/s)
Hasil output dari flow3D berupa kontur velocity
magnitude dan pressure karena fluida tersebut.
3.4. Analisa dinamis struktur pipa
Pemodelan geometri struktur pipa dan flange dilakukan pada ANSYS Multiphysics, bukan lagi memodelkan fluidanya.
5 X
Y Z
Gambar 3.3 pemodelan Struktur pipa dengan lap
joint flange
Dilakukan 2 macam pekerjaan yaitu untuk mencari frekuensi natural menggunakan modal analysis dan untuk mendapatkan tegangan dan displacement akibat beban fluida digunakan harmonic analysis.
MN MX X Y Z .2673882.538 4.808 7.078 9.348 11.618 13.888 16.158 18.429 20.699 Gambar 3.4 kontur tegangan von mises pada lap
joint flange (v = 0.25m/s)
4. HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN
4.1. Analisa pola aliran fluida dalam pada Flange dengan FLOW3D
(4.1) Tabel 4.1 perhitungan Reynold Number
Inlet velocity
(m/s) Reynold Number Jenis Aliran
0.25 7.9e+05 Turbulen
0.50 1.5e+05 Turbulen
0.75 2.3e+05 Turbulen
1.00 3.2e+06 Turbulen
1.25 4.0e+06 Turbulen
Dari hasil perhitungan pada table 4.1 maka didapatkan jenis aliran yang mengalir pada pipa bersifat turbulen, sehingga di dalam pemodelan menggunakan aliran turbulen untuk jenis aliran fluidanya. Aliran fluida didalam pipa dapat dianalisa dengan menganalisa pressure dan velocity akibat fluida yang mengalir pada daerah flange dengan bantuan software flow3D.
Hasil output dapat dilihat dalam bentuk kontur
velocity serta grafik pressure dan velocity. Velocity magnitude merupakan velocity resultan dari u-velocity, v-velocity dan w-velocity. Dari gambar
tersebut dapat dilihat terjadinya perubahan aliran karena adanya flange, perubahan aliran ini menimbulkan vortex yang menyebabkan getaran.
Gambar 4.1 kontur velocity amplitude pada lap joint
flange (v = 0.25m/s)
Pada gambar 4.1 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat lap joint flange, kecepatan aliran pada
lap joint flange semakin meningkat sebanding
dengan peningkatan inlet velocity.
Gambar 4.2 kontur velocity magnitude pada slip-on
flange (v = 0.25 m/s)
Pada gambar 4.2 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat slip-on flange, kecepatan aliran pada
slip-on flange semakin meningkat sebanding dengan
peningkatan inlet velocity.
Gambar 4.3 kontur velocity magnitude pada socket
weld flange (v = 0.25 m/s)
Pada gambar 4.3 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat socket weld flange, kecepatan aliran pada socket weld flange semakin meningkat sebanding dengan peningkatan inlet velocity.
Gambar 4.4 kontur velocity magnitude pada
reducing flange (v = 0.25 m/s)
Pada gambar 4.4 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat reducing flange, kecepatan aliran pada
reducing flange semakin meningkat sebanding
dengan peningkatan inlet velocity.
Gambar 4.5 kontur velocity magnitude pada
orifice-A flange (v = 0.25 m/s)
Pada gambar 4.5 dapat dilihat perubahan kecepatan aliran akibat orifice flange, kecepatan aliran pada
orifice flange semakin meningkat sebanding dengan
peningkatan inlet velocity. Dan semakin kecil hole pada orifice flange, semakin bertambah besar
6 Tabel 4.2 output total pressure (MPa) pada flange
Jenis flange inlet velocity (m/s) 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Lapjoint 4.21 4.81 5.07 5.48 6.48 Slip-on 2.50 2.60 2.89 3.20 3.59 Socket Weld 2.62 2.81 3.08 3.33 4.12 Reducer 10.90 40.90 163.00 355.00 562.00 Orifice A 7.25 17.60 85.10 191.00 587.00 Orifice B 22.40 54.10 107.00 145.00 412.00 Orifice C 10.50 14.70 34.50 132.00 141.00
Gambar 4.6 output total pressure pada flange akibat fluida.
Pada gambar 4.6 terjadi peningkatan pressure seiring dengan meningkatnya velocity yang terjadi. Hasil pressure akibat fluida yang mengalir pada variasi flange terjadi nilai rata-rata terbesar pada
reducing flange. Hal ini terjadi karena adanya
penyempitan luas penampang pada reducing flange sedangkan gaya fluida yang mengalir tidak mengalami pengurangan sehingga pressure yang terjadi lebih besar.
4.2. Analisa frekuensi natural dengan ANSYS Multiphysics
Output dari hasil pemodelan di modal analysis pada ANSYS Multiphysics adalah frekuansi natural beserta mode shapedapat dilihat pada tabel 4.3. Tabel 4.3 frekuensi natural pipa akibat variasi flange
jenis flange frekuensi natural (Hz) mode 1 mode 2 mode 3 mode 4 mode 5
Lapjoint 134.15 134.16 309.09 442.22 442.29 Slip-on 133.51 133.56 306.04 437.00 437.32 Socket Weld 131.19 131.20 301.85 436.75 436.93 Reducing 105.36 105.50 258.12 391.26 391.54 Orifice A 127.82 128.13 290.99 435.56 436.18 Orifice B 128.00 128.29 291.06 435.55 436.14 Orifice C 128.23 128.51 291.20 435.58 436.15
Dari persamaan (2.20) didapatkan nilai frekuensi natural yang diijinkan adalah 203 Hz, maka dari variasi flange tersebut telah memenuhi frekuensi natural ijin untuk mode 1 dan mode 2. Sedangkan untuk mode 3 keatas struktur pipa akan mengalami kegagalan karena telah melewati batas frekuensi natural yang diijinkan.
4.3. Analisa dinamis flange dengan ANSYS Multiphysics
Hasil output berupa kontur distribusi tegangan yang biasa disebut sebagai tegangan Von Mises (ANSYS 11.0), dimana tegangan Von Mises merupakan tegangan gabungan antara tegangan arah x, tegangan arah y dan tegangan arah z.
MN MX X Y Z .2673882.538 4.808 7.078 9.348 11.618 13.888 16.158 18.429 20.699 Gambar 4.7 kontur tegangan von mises pada lap
joint flange (v = 0.25m/s)
Gambar 4.7 adalah kontur tegangan von mises pada
lap joint flange (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan
meningkatnya pressure yang terjadi.
MN MX X Y Z .1157811.188 2.261 3.333 4.405 5.478 6.55 7.623 8.695 9.767 Gambar 4.8 kontur tegangan von mises pada slip-on
flange (v = 0.25 m/s)
Gambar 4.8 adalah kontur tegangan von mises pada
slip-on flange (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan
meningkatnya pressure yang terjadi.
MN MX X Y Z .1160121.022 1.929 2.835 3.742 4.648 5.555 6.461 7.368 8.274 Gambar 4.9 kontur tegangan von mises pada socket
weld flange (v = 0.25 m/s)
Gambar 4.9 adalah kontur tegangan von mises pada
socket weld flange (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan
meningkatnya pressure yang terjadi. MN MX X Y Z 12.215 27.507 42.8 58.092 73.385 88.677 103.97 119.263 134.555 149.848 Gambar 4.10 kontur tegangan von mises pada
reducing flange (v = 0.25 m/s)
Gambar 4.10 adalah kontur tegangan von mises pada reducing flange (v = 0.25m/s) hasil dari
harmonic analysis, tegangan semakin meningkat
7 MN MXX Y Z 5.753 25.874 45.996 66.118 86.24 106.361 126.483 146.605 166.727 186.848 Gambar 4.11 kontur tegangan von mises pada
orifice-A flange (v = 0.25 m/s)
Gambar 4.11 adalah kontur tegangan von mises pada orifice flange dengan hole 5/10D (v = 0.25m/s) hasil dari harmonic analysis, tegangan semakin meningkat dengan meningkatnya pressure yang terjadi. Dan semakin kecil hole pada orifice flange, semakin bertambah besar tegangan yang terjadi.
Tabel 4.4 Von mises stress maksimum (Mpa) jenis flange inlet velocity (m/s)
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Lapjoint 23.775 27.163 28.631 30.947 36.594 Slip-on 10.858 11.293 12.552 13.899 15.593 Socket Weld 9.6668 10.368 11.364 12.286 15.201 Reducing 106.67 400.27 1595.2 3474.2 5291.2 Orifice A 168.54 409.15 3789.3 7429.1 13646 Orifice B 378.85 915.00 1809.7 2452.4 6968.2 Orifice C 101.87 123.99 334.72 1280.7 1368.0
Gambar 4.12 tegangan von mises maksimum Tegangan maksimum terbesar terjadi pada orifice
flange dengan hole 5/10D sebesar 13.6 GPa,
sedangkan tegangan maksimum terkecil terjadi pada
socket weld flange sebesar 15.2 MPa untuk inlet velocity 1.25 m/s.
Tabel 4.5 Output displacement pada variasi flange
jenis flange inlet velocity (m/s)
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25
Lapjoint 1.3E-11 1.5E-11 1.6E-11 1.7E-11 2.0E-11
Slip-on 5.9E-12 6.2E-12 6.9E-12 7.7E-12 8.6E-12
Socket Weld 5.5E-12 5.9E-12 6.4E-12 7.0E-12 8.6E-12
Reducing 2.6E-10 9.7E-10 3.9E-09 8.4E-09 1.3E-08
Orifice A 3.8E-10 9.1E-10 8.5E-09 1.8E-08 3.1E-08
Orifice B 8.0E-10 1.9E-09 3.8E-09 5.2E-09 1.5E-08
Orifice C 2.3E-10 3.2E-10 7.5E-10 2.9E-09 3.0E-09
Gambar 4.13 displacement pada variasi flange Dari gambar 4.13 dapat dilihat bahwa displacement terbesar terjadi pada orifice flange yang mempunyai
hole 5/10D sebesar 3.05 x 10-8 m untuk inlet velocity
1.25 m/s.
Untuk mengetahui batas ijin suatu getaran, dapat menggunakan persamaan-persamaan berdasarkan OM-3.
Dari persamaan (2.21) didapat nilai Stess per-mil of
vibration sebesar 352.2 psi/mil (2.428 MPa/mil).
Dari persamaan (2.23) didapatkan nilai
displacement yang diijinkan (yall) yaitu sebesar 8.52 mils (2.164 x 10-4 m).
Displacement terbesar yang terjadi sebesar 3.05 x
10-8 m yaitu pada orifice flange dengan hole 5/10D berada dibawah batas yang diijinkan. Untuk variasi
flange yang lainnya, besarnya displacement dapat
dilihat pada tabel 4.5, variasi flange tersebut telah memenuhi batas yang diijinkan.
5. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
1. Pada analisa fluida yang mengalir di dalam pipa didapatkan nilai pressure terbesar terjadi pada pada Orifice flange dengan hole 5/10D sebesar 587 MPa dan velocity terbesar akibat adanya turbulensi terjadi pada Orifice flange dengan
hole 5/10D sebesar 0.0909 m/s.
2. Pada analisa struktur flange didapatkan frekuensi natural terbesar terjadi pada Lap Joint flange dengan nilai 134.16 Hz untuk mode 2 yang memenuhi batas dari frekuensi natural ijin yang ditentukan oleh OM-3 yaitu kurang dari 203 Hz. Sedangkan untuk mode diatas mode 2 akan terjadi kegagalan. Nilai frekuensi natural mulai dari yang terkecil hingga terbesar yaitu reducing
flange, orifice flange (dari terkecil hingga
terbesar yaitu dengan hole 5/10D, 6/10D, 7/10D), socket weld flange, slip-on flange, dan
lapjoint flange.
3. Displacement terbesar yang terjadi sebesar 3.05 x 10-8 m yaitu pada orifice flange dengan hole 5/10D berada dibawah batas yang diijinkan oleh OM-3 yaitu 2.164 x 10-4 m. Nilai displacement mulai dari yang terkecil hingga terbesar yaitu
socket weld flange, slip-on flange, lapjoint flange, reducing flange, dan orifice flange (dari
terkecil hingga terbesar yaitu dengan hole 7/10D, 6/10D, 5/10D). Sedangkan tegangan von
MN MX X
Y
8 mises maksimum terbesar terjadi pada orifice
flange dengan hole 5/10D sebesar 13.6 GPa.
Nilai tegangan mulai dari yang terkecil hingga terbesar yaitu socket weld flange, slip-on flange,
lapjoint flange, reducing flange, dan orifice flange (dari terkecil hingga terbesar yaitu dengan hole 7/10D, 6/10D, 5/10D).
5.2. Saran
1. Untuk mengetahui berapa umur struktur pipa karena variasi flange akibat aliran internal fluida diperlukan analisa kelelahan (fatigue analysis). 2. Diperlukan penelitian lebih lanjut mengenai
sumber-sumber yang dapat menyebabkan vibrasi pada pipa selain akibat aliran internal, seperti adanya water hammer, slug flow, ataupun getaran mesin diesel di sekitar perpipaan.
3. Kecepatan fluida yang tinggi dapat menyebabkan korosi erosi sehingga menyebabkan ketebalan pipa menjadi berkurang dan mempengaruhi kekuatan pipa. Untuk itu diperlukan penelitian selanjutnya dengan analisa masalah erosi agar hasil yang diperoleh lebih sesuai dengan lapangan.
Daftar Pustaka
ANSYS Release 11.0. ANSYS Theory Reference. Documentation for ANSYS.
API RP 14 E. 1991. “Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Pipe System, 5th Edition”. American Petrolium Institute, USA.
Chevron Indonesia Company. 2008. “Fit For Purpose Report of 12” Oil Pipeline Sepinggan Tango to Lawe Terminal. Kalimantan Timur. Crane Company. 1957. “Flow of Fluids Trough
Valves, Fittings, and Pipe”. Crane Co. Technical Paper No. 410, Chicago, Illnois.
DOE, The Department of Energy. 1996. “Fundamental Handbook of Fluid Flow”. EG & G Idaho, Inc., USA.
Irsyad, M., Zulhendri, H. 2007. Laporan Penelitian “Kaji eksperimental Aliran Dua Fase Gas-Cair Terhadap Getaran pada Pipa Belokan 90o”. Fakultas Teknik – UNILA, Lampung.
Medio, Vladimer. 2008. Jurnal Tugas Akhir : “Analisa Vibrasi Sistem Pipa Penyalur Gas-Liquid (Multiphase) Untuk Meningkatkan Produktivitas Gas TOTAL E&P INDONESIE”. Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya.
MSS SP-44. 1996. “Steel Pipeline Flange”. Manufacturers Standardization Society of the Valve and Fittings Industry, Inc., USA.
Munson, Bruce R., Donald F.Y. Theodore H.O., 2002. Fundamentals of Fluid Mechanics, Fourth Edition. John Wiley & Sons, Inc., USA.
Parisher Roy A. dan Robert A. Rhea. 2002. “Pipe Drafting and Desain 2nd edition”. Gulf Professional Publishing, USA.
Rao, Singiresu S. 2004. “Mechanical Vibrations”. New Jersey. Pearson Prentice Hall.
Raswari. 2007. “Perencanaan dan Penggambaran Sistem Perpipaan”. UI-Press, Jakarta.
Rouza, Eka S. 2009. Tugas Akhir : “Analisis Pola Aliran Terhadap Pengaruh Variasi Flange Pipa Penyalur Hidrokarbon”. Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya.
Schlitching. H. 1979. “Boundaty Layer Theory”. McGraw Hill Book Company, New York. Setiawan, Arief. 2003. Laporan Penelitian “Aplikasi
Metode Interasi Newton-Raphson dalam Peramalan Kinerja Aliran Fluida Dua Fasa pada Sistem Pipa Transportasi”. Jurusan Teknik Perminyakan FIKTM-ITB, Bandung.
Soegiono. 2007. “Pipa Laut”. Airlangga University Press, Surabaya.
Streeter, V. L. & E. Benjamin Wylie. 1985. “Fluid Mechanics 8th Edition”, McGraw-hill, New York.
Swierzawski, Tadeusz J. 2000. “Flow of fluids Chapter B8”. Burlington, Massachusets.
Thompson, S. P. & Gere J. 2000. Mekanika Bahan, Edisi keempat, jilid 1”. Erlangga, Jakarta. Wachel, J. C. 1995. “Displacement Method for
Determining Acceptable Piping Vibration amplitudes”. San Antonio, Texas.
White, Frank M. 1994. “Mekanika Fluida. Jilid 1 cetakan II”. Erlangga, Jakarta.
Yamaguchi, H. 2008. “Engineering Fluid Mechanics”. Spriger.
9
