TUGAS AKHIR ZELVIA MANGGALASARI Dosen Pembimbing I : Dr. Melania Suweni Muntini Dosen Pembimbing II : Drs.

(1)

ZELVIA MANGGALASARI

1108 100 009

Dosen Pembimbing I : Dr. Melania Suweni Muntini

Dosen Pembimbing II : Drs. Achmad Chamsudi

TUGAS AKHIR

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

(2)

(3)

RUMUSAN

MASALAH

•bagaimana model sistem perpipaan yang sesuai dengan

code

ASME B31.3 dan

standard

NEMA SM23 untuk

compressor

yang memenuhi batasan vibrasi dengan

amplitudo maksimum 45,7 µm

TUJUAN

PENELITIAN

•mendapatkan model sistem perpipaan yang sesuai dengan

code

ASME B31.3 dan

standard

NEMA SM23 untuk

compressor

yang memenuhi batasan vibrasi dengan

amplitudo maksimum 45,7 µm

BATASAN

MASALAH

•Pipa yang dianalisa adalah jalur compressor menuju cooler. •Pipa sesuai dengan ASME B31.3.

•Analisa vibrasi pada sistem perpipaan yang dihubungkan pada

compressor

sesuai dengan Vendor, dan analisa beban

compressor

dengan menggunakan NEMA-SM 23 dengan faktor dari vendor sebesar 5,55. •Pemilihan material pipa, komponen sistem perpipaan, nilai temperatur dan tekanan telah ditentukan

oleh PT. Rekayasa Industri dan Vendor.

MANFAAT

PENELITIAN

•mendapatkan model yang sesuai dengan

code

ASME B31.3 dan

standard

NEMA SM23

untuk

compressor

yang memenuhi batasan vibrasi dengan amplitudo maksimum 45,7

µm sehingga diperoleh sistem perpipaan yang aman saat dioperasikan.

(4)

(5)

(6)



Gaya atau gaya per satuan luas yang terjadi

pada pipa.



Adanya tegangan yang berlebihan dapat

(7)



Batasan yang digunakan menggunakan code

ASME B31.3



Pada beban

sustain

,



Pada beban

expantion,

(8)



nilai

stress limit displacement

yang

dirumuskan secara matematis sebagai

berikut:

(9)



Beban (gaya dan momen) yang diperkenankan

untuk

nozzle

individual dengan persamaan

berikut :



Dengan, nilai D ditentukan sebagai berikut:



, untuk diameter nominal ( ) 8”

(10)



analisa juga dilakukan dengan menentukan beban

(gaya dan momen) yang diijinkan untuk kombinasi

nozzle

(11)

Apabila dalam suatu keadaan tertentu terdapat batasan

dari Vendor yang berbeda dengan NEMA SM 23, maka

analisa dan perhitungan yang akan dilakukan harus

menyesuaikan dengan batasan yang ditentukan oleh

Vendor.

(12)



vibrasi merupakan sebuah gerakan periodik.



Gerakan periodik disebut juga sebagai

gerakan harmonik.



Vibrasi pada sistem perpipaan dapat terjadi

akibat beberapa hal, dalam penelitian ini,

vibrasi yang terjadi pada sistem perpipaan

adalah vibrasi akibat eksitasi kompressor.

(13)



Frekuensi natural didefinisikan sebagai nilai

dari vibrasi putaran per waktu.



Setiap benda memiliki nilai frekuensi

(14)



Untuk mengetahui nilai ampitudo yang terjadi

digunakan rumus empiris dari

code

API 617

sebagai berikut:



Sistem perpipaan yang dihubungkan dengan

compressor dikatakan aman ketika

atau

(15)

B

MEMBACA GAMBAR ISOMETRIK MULAI

PEMODELAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CAESAR II 5.20

ANALISA TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN

NOZZLE COOLER

A

Analisa sesuai batasan ASME B31.3 dan

Vendor

ANALISA BEBAN

NOZZLE

COMPRESSOR

(NEMA SM 23) Analisa sesuai Nema SM 23 YA YA TIDAK TIDAK B YA TIDAK YA A

ANALISA VIBRASI SISTEM PERPIPAAN

Amplitudo < 45,7 µm

CEK TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DAN BEBAN

COMPRESSOR

(NEMA SM 23)

Analisa sesuai ASME B31.3 &

Nema SM 23

SELESAI

SISTEM PERPIPAAN YANG DIHUBUNGKAN DENGAN

COMPRESSOR

BERAMPLITUDO MAKSIMUM 45.7 µm TIDAK

(16)



DATA SISTEM PERPIPAAN

No. Jalur Pipa

Material

Pipa

Kondisi Sistem Perpipaan

Fluid

Density

Temperatur (

o

_F)

_Tekanan

Desain

(Psig)

Desain

Operasi

Suction Compressor

A 928

225

119 1372

57.51 Discharge

Compressor

A 928

400

346 1372

79.63 Outlet Cooler

A 928

240

179 1372 100.12

Tabel Data Jalur Sistem Perpipaan

DATA PADA TABEL

DIINPUTKAN PADA

PEMODELAN

PERANGKAT

LUNAK CAESAR II

(17)

DIPEROLEH

PEMODELAN

CAESAR II 5.20

MODEL SISTEM

PERPIPAAN DALAM

DESAIN PABRIK

(18)



ANALISA MODEL PIPA

BAGAIMANA NILAI

TEGANGAN ??

Tabel nilai tegangan sistem perpipaan Model A

Case

Stress

(Kg/cm

2

₎

Allowable

stress (Kg/cm

2

₎

Persentase

(%)

HYD

1622.6

2802.0

57.9 SUS

1067.6

2089.7

51.1 EXP

1116.6

4625.5

24.1 SISTEM PERPIPAAN

TIDAK MENGALAMI

OVERSTRESS

(19)

NILAI GAYA DAN MOMEN SISTEM PERPIPAAN

-6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000

GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI HYDROTES

Fx (kg. gaya) Fy (kg. gaya) Fz (kg. gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m) -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI

OPERATING Fx (kg.gaya) Fy (kg.gaya) Fz (kg.gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m) -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000

GAYA DAN MOMEN PADA KONDISI SUSTAIN

Fx (kg.gaya) Fy (kg.gaya) Fz (kg.gaya) Mx (kg. m) My (kg. m) Mz (kg. m)

(20)

BEBAN

NOZZLE

COOLER

???

Cooler

Fx (Kg) Fy (Kg) Fz (Kg)

Mx

(Kg.M)

My

(Kg.M)

Mz

(Kg.M)

Inlet & Outlet

2403

4002

1707

672 1830

915 Tabel Batasan Gaya dan Momen

Outlet

dan

Inlet Cooler

Analisa cooler dilakukan secara static

dengan membandingkan nilai gaya dan

momen yang terjadi pada pipa dengan

batasan dari Vendor.

(21)

Node Case Fx Fy Fz Mx My Mz 80 OPE 26 298 132 -730.4 -223.1 268.0 SUS -45 -215 -5 209.3 -66.2 70.0 150 OPE -71 81 60 169.6 -449.6 252.0 SUS -53 -312 8 410.2 -75.8 98.9 310 OPE -85 -128 -9 404.9 -552.8 152.3 SUS -29 -408 16 608.9 -24.1 68.1 480 OPE -16 -169 -154 684.2 -553.0 -24.9 SUS 30 -426 14 636.7 95.8 -4.2 590 OPE 52 54 -489 487.8 -592.7 -190.5 SUS 66 -362 8 486.2 170.4 -51.4 680 OPE 60 498 -1088 -82 -781.7 -297.6 SUS 31 -294 6 317.2 106.2 -26.5 8010 OPE -60 -265 -130 137.9 -58.6 -203.6 SUS -31 -330 -6 16.7 -20.5 -170.8 8020 OPE -52 -473 119 -197.6 -55.1 -188 SUS -66 -448 -8 151.8 -42.1 -252 8030 OPE 16 -554 154 -201.4 -18.5 37.7 SUS -30 -529 -14 251.9 -7.1 -104.3 8040 OPE 85 -444 9 -17.1 15.2 301.2 SUS 29 -502 -16 226.1 47.5 122.1 8050 OPE 71 -273 -60 -68.4 -6.5 331.2 SUS 83 -397 -8 96.0 73.0 215.4 8060 OPE 0 -162 -132 -72.2 -43.3 83.1 SUS 45 -352 5 8.4 82 90.4

Nilai gaya dan momen aktual pada inlet dan outlet cooler pada Model A

Pada Node 80 dan 480, nilai

Momen pada sumbu-x yang

terjadi pada sistem perpipaan

melebihi batasan dari Vendor,

maka

perlu

dilakukan

modefikasi model pipa menjadi

model B.

(22)

Node Case Fx Fy Fz Mx My Mz 80 OPE 128 54 302 -435.9 -77.2 0.2 SUS 10 -310 58 334.6 17.5 -28.9 150 OPE 45 163 138 -516.4 -291.7 -34.7 SUS 8 -277 36 278.8 13.8 -6.6 310 OPE -51 243 -8 -511.6 -568.8 -68.5 SUS -10 -263 11 263.0 -22.7 -0.1 480 OPE -218 243 -168 -292.0 -1038.8 -50.7 SUS -69 -302 12 346.4 -135.7 27.0 590 OPE -224 294 -479 -112.8 -1229.5 -146.7 SUS -47 -349 19 437 -92.2 -2.8 680 OPE -124 586 -1064 -346.5 -1241.6 -313.6 SUS 17 -332 6 392.0 35.9 -52.8 8010 OPE 124 -356 28 -125.6 131.9 216.8 SUS -17 -340 -6 23.0 16.8 -133.6 8020 OPE 224 -465 120 -218.8 196.9 419.1 SUS 47 -449 -0 130.3 82.1 -3.4 8030 OPE 218 -534 168 -262.9 139.3 476.3 SUS 69 -536 31 154.6 90.1 108.9 8040 OPE 51 -423 8 -42.7 -70.5 224.7 SUS 10 -494 -11 203.2 17.6 78.4 8050 OPE -45 -240 -138 64.4 -172.3 75.5 SUS -8 -386 -36 141.5 -6.7 78.7 8060 OPE -128 -105 -302 237.5 -181.8 -188.5 SUS -10 -336 -58 128.6 10.3 -29.9

Nilai gaya dan momen pada inlet dan outlet cooler pada Model B.

Diperoleh sistem perpipaan

Model B yang telah sesuai

dengan batasan nilai cooler

dari Vendor.

(23)

BEBAN

NOZZLE

COMPRESSOR

???

Model pipa yang

dibatasi anchor

(Model C)

Pipa dibatasi dengan anchor sehingga pipa

bersifat rigid.

Anchor

Discharge Compressor

(24)

Description:

COMPRESSOR

INPUT DATA:

Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55

--- Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED)

(in.) (in.)

--- DISCHARGE 1030 16.000 10.667

SUCTION 1070 16.000 10.667

--- Nozzle Distance from Resolution Point Loads

(mm.) ( Kg & Kg.M ) --- DISCHARGE 1030 DX= 0.000 FX= 151148 DY= 0.000 FY= 3731 DZ= 0.000 FZ= 0 MX= 0 MY= 0 MZ= -6339 --- SUCTION 1070 DX= 1726.997 FX= -7337 DY= 0.000 FY= -398 DZ= -343.992 FZ= 1204 MX= -64 MY= -4357 MZ= -69 ---

Hasil analisa beban nozzle model C berdasarkan NEMA SM 23 sebagai

berikut:

(25)

OUTPUT DATA:

Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical

Local Z axis = Right angle to Shaft CL

Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units.

--- Nozzle Distance From Resolution Point

X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) --- DISCHARGE 1030 0.000 0.000 0.000 SUCTION 1070 -343.992 0.000 -1726.997 ---

Individual Nozzle Calculations

--- Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH)

--- DISCHARGE 1030 FX= 0 3F + M <2775*D(used) FY= 3731 FZ= -151148 3F + M = 1045834 Fr= 151194 F = 333328 2775*D(used) = 29600 MX= -6339 MY= 0 % of ALLOW. = 3533.22 MZ= 0 Mr= 6339 M = 45851 **FAILED** Moments due to "Force Resolution"

MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point

(Algebraic addition of the moments above) MX= -6339 Kg.M

MY= 0 Kg.M MZ= 0 Kg.M

Discharge?

*

FAILED

*

(26)

SUCTION 1070 FX= 1204 3F + M <2775*D(used) FY= -398 FZ= 7337 3F + M = 80768 Fr= 7446 F = 16415 2775*D(used) = 29600 MX= -69 MY= -4357 % of ALLOW. = 272.86 MZ= 64 Mr= 4358 M = 31522 **FAILED** Moments due to "Force Resolution"

MX= -687 MY= 445 MZ= 137 Moments About Resolution Point

(Algebraic addition of the moments above) MX= -756 Kg.M MY= -3912 Kg.M MZ= 201 Kg.M Summation Calculations.

Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = 13.54 (in.)

--- Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) SFX = 1204 2654 278*DC = 3758 70.63 SFY = 3333 7348 694*DC = 9395 78.21 SFZ = -143811 -317051 555*DC = 7516 4218.30 **FAILED** FC(RSLT) = 143855 317147 SMX = -7095 -51322 1388*DC = 18790 273.13 **FAILED** SMY = -3912 -28299 694*DC = 9395 301.21 **FAILED** SMZ = 201 1453 694*DC = 9395 15.47 MC(RSLT) = 8105 58625 2FC + MC = 692919 1388*DC = 18790 3687.66 **FAILED** Overall Status **FAILED**

---Suction?

*

FAILED

*

Overall?

*

FAILED

*

(27)

modifikasi Model pipa yang sesuai dengan batasn 5.55 NEMA SM

23 yaitu diperoleh Model D

Bagaimana

Hasil Analisa

Beban Nozzle

(28)

Description:

COMPRESSOR INPUT DATA:

Shaft CL Direction Cosines (X,Z): ( 0.000, 1.000) Factor for NEMA SM 23 Allowables = 5.55

--- Nozzle Node Nominal Diameter Diameter (USED)

(in.) (in.)

--- DISCHARGE 1030 16.000 10.667

SUCTION 1070 16.000 10.667

Nozzle Distance from Resolution Point Loads

(mm.) ( Kg & Kg.M ) DISCHARGE 1030 DX= 0.000 FX= 3877 DY= 0.000 FY= -904 DZ= 0.000 FZ= -185 MX= 173 MY= -89 MZ= 313 SUCTION 1070 DX= 1726.997 FX= -3732 DY= 0.000 FY= -78 DZ= -343.992 FZ= -33 MX= 215 MY= 14 MZ= 66 ---

(29)

OUTPUT DATA:

Output in local coordinates. Local X axis = Shaft CL Local Y axis = Vertical

Local Z axis = Right angle to Shaft CL

Note - The calculated % of allowable is based' upon ENGLISH units.

--- Nozzle Distance From Resolution Point

X Y Z (mm.) (mm.) (mm.) DISCHARGE 1030 0.000 0.000 0.000 SUCTION 1070 -343.992 0.000 -1726.997

Individual Nozzle Calculations

--- Nozzle Node Components Resultants Values/Allowables ( Kg & Kg.M ) ( lb. & ft.lb.) (ENGLISH)

DISCHARGE 1030 FX= -185 3F + M <2775*D(used) FY= -904 FZ= -3877 3F + M = 29024 Fr= 3985 F = 8786 2775*D(used) = 29600 MX= 313 MY= -89 % of ALLOW. = 98.05 MZ= -173 Mr= 369 M = 2666 Moments due to "Force Resolution"

MX= 0 MY= 0 MZ= 0 Moments About Resolution Point

(Algebraic addition of the moments above) MX= 313 Kg.M

MY= -89 Kg.M MZ= -173 Kg.M

Discharge?

98.05 %

(30)

SUCTION 1070 FX= -33 3F + M <2775*D(used) FY= -78 FZ= 3732 3F + M = 26319 Fr= 3733 F = 8230 2775*D(used) = 29600 MX= 66 MY= 14 % of ALLOW. = 88.92 MZ= -215 Mr= 225 M = 1630 Moments due to "Force Resolution"

MX= -135 MY= 1341 MZ= 27

Moments About Resolution Point

(Algebraic addition of the moments above) MX= -69 Kg.M MY= 1355 Kg.M MZ= -188 Kg.M Summation Calculations. ---

Diameter Due to Equivalent Nozzle Areas, DC = 13.54 (in.)

--- Nozzle Loads & Summations Allowables % of ALLOW. Status ( Kg & Kg.M ) (lb. & ft-lb) SFX = -218 -481 278*DC = 3758 12.79 SFY = -982 -2165 694*DC = 9395 23.04 SFZ = -145 -320 555*DC = 7516 4.25 FC(RSLT) = 1016 2241 SMX = 244 1767 1388*DC = 18790 9.40 SMY = 1266 9155 694*DC = 9395 97.45 SMZ = -361 -2612 694*DC = 9395 27.81 MC(RSLT) = 1339 9683 2FC + MC = 14165 1388*DC = 18790 75.38 Overall Status **PASSED**

---Suction?

88.92 %

Overall?

75.38 %

(31)

ANALISA

VIBRASI SISTEM

PERPIPAAN ???

Analisa vibrasi dilakukan dengan menggunakan

persamaan dari manufaktur Vendor yaitu:

Dengan,

A

= Amplitudo

N

= Frekuensi (dalam rpm)

Sehingga nilai amplitudo yang terjadi pada pipa harus lebih kecil dari

45.7 µm. Atau nilai frekuensi natural pada pipa harus lebih besar

dari frekuensi natural pada compressor yaitu 14827.6288 rpm atau

39.3514 Hz

(32)

Pada pipa model D yang telah memenuhi batasan 5.55 standard

NEMA SM 23 nilai vibrasi yang terjadi sebagai berikut:

Mode

Frekuensi

(Hz)

Frekuensi

(Rad/s)

Periode

(s)

Amplitudo

1

20.086

126.206

0.050 63.96644

2

28.955

181.932

0.035 53.27667

3

33.791

212.316

0.030 49.31719

4

47.560

298.828

0.021 41.56980

5

49.757

312.631

0.020 40.64169

6

65.118

409.150

0.015 35.52617

Nilai Frekuensi Natural dan Amplitudo yang terjadi pada Model D

Frekuensi Mode 1

20.086 Hz ≯ 39.3514 Hz

Amplitudo Mode 1

63.9664 µm ≮ 45.7 µm

PIPA

MENGALAMI

VIBRASI !!!

(33)

modifikasi model pipa terdapat pada Model E ditampilkan

sebagai berikut:

(34)

Nilai frekuensi naturan dan amplitudo yang terjadi pada sistem

perpipaan disajikan dalam tabel berikut:

Mode Frekuensi

(Hz)

Frekuensi

(Rad/s)

Periode

(s)

Amplitudo

1

41.458

260.487

0.024 44.52406

2

44.683

280.751

0.022 42.88720

3

48.178

302.710

0.021 41.30233

4

55.219

346.950

0.018 38.57932

Nilai frekuensi natural dan amplitudo pada model E

Frekuensi Mode 1

41.458 Hz > 39.3514 Hz

Amplitudo Mode 1

44.52406 µm < 45.7 µm

PIPA TIDAK MENGALAMI

VIBRASI AKIBAT

(35)

Model E telah memenuhi batasan amplitudo dan frekuensi natural

sehingga sistem perpipaan tidak mengalami vibrasi akibat

pergerakan compressor. Maka Model pipa A berubah menjadi

Model F seperti pada gambar berikut :

DESAIN PIPA DALAM

PABRIK

(36)

KESIMPULAN



Nilai tegangan sistem perpipaan berada di dalam batasan yang diijinkan

dengan persentase tegangan

hydrotes

sebesar 57.9%, tegangan pada kondisi

sustain

sebesar 51.1%, tegangan pada kondisi

expantion

sebesar 24.1%.



Gaya dan momen yang terjadi pada sistem perpipaan jalur

cooler

telah

memenuhi batasan yang telah ditentukan oleh Vendor.



Dari hasil analisa beban

nozzle

compressor

yang telah dilakukan diperoleh

bahwa sistem perpipaan tidak mengalami kegagalan dengan prosentase jalur

discharge

89.31%, jalur

suction

73.40% dan kombinasi keseluruhan 62.33%.



Diperoleh sistem perpipaan dengan vibrasi sistem perpipaan lebih kecil dari

vibrasi

compressor

dengan amplitudo sebesar 44.52406 µm.



Diperoleh model F system perpipaan yang aman untuk pipa yang

dihubungkan dengan compressor beramplitudo maksimum 45.7 µm.

SARAN



Analisa vibrasi merupakan salah satu analisa dinamik yang dilakukan. Untuk

mendapatkan hasil yang lebih baik, maka dapat dilakukan analisa dinamik

yang lain seperti pengaruh terhadap beban

seismic

atau pengaruh beban

angin.

(37)