Caesar PSA

(1)

0 PIPE STRESS ANALYSIS

MEMODELKAN DAN MENGANALISA STRESS

PADA TUTORIAL 001

MENGGUNAKAN CAESAR 5.10

Oleh

Ivalgan Haqiqi Putra

INTI KARYA PERSADA TEHNIK

ENGINEERING & CONSTRUCTION

SEPTEMBER 2011

(2)

(3)

2

Pipe Stress Analysis (PSA)

PSA adalah suatu cara perhitungan tegangan pada perpipaan karena adanya beban statis dan beban dinamis, beban ini bisa berupa gaya berat fluida yang mengalir, gaya berat pipa, gaya tekan fluida, gaya beban yang muncul tiba-tiba karena termal expansion, gaya dari luar karena angin, gempadll. PSA dilakukan pada pipeline maupun sistem piping untuk memastikan keamanan rute pipa, beban pada nozzle, dan apakah support pipa telah dipilih dan diletakkan secara tepat sehingga tegangan yang terjadi tidak melebihi besaran maksimal tegangan yang diatur ( codes / standard)

Untuk memenuhi tujuan diatas maka para PSA engineer menggunakan software untuk memudahkan pekerjaannya yaitu Caesar II, Autopipe. Caesar II adalah program computer yang dibuat oleh COADE.Inc untuk memenuhi kebutuhan perhitungan PSA , software ini sangat membantu dalam desain mechanical dan sistem perpipan. Pengguna Caesar II dapat membuat permodelan system perpipaan dengan menggunakan “simple beam element” kemudian menentukan kondisi pembebanan sesuai dengan kondisi yang dikehendaki. Dengan memberikan/membuat inputan tersebut, Caesar II mampu menghasilkan hasil analisa berupa stress yang terjadi, beban, dan pergeseran terhadap system yang kita analisa.

Tujuan dari Pipe stress analysis

- Memastikan tidak terjadi overload yang akan mengakibatkan defleksi karena overstress pada pipa - Menentukan peletakan, jarak, jumlah, jenis dan dimensi dari support juga pondasi pipa

- Menentukan displacement/pergeseran pipa untuk perhitungan pada nozzle-vessel - Mengatasi masalah getaran pada perpipaan

- mengoptimasikan design sistem perpipaan A. Menu utama pada caesar II

1. New file

2. Input menu

Kita pilih File > New > Piping input > ok Masukkan nama project pada enter name new project

Dalam hal ini kita memilih piping input untuk pekerjaan piping atau memilih struktural untuk pekerjaan struktural

Di dalam Input Menu ada 3 pilihan yang dapat kita pilih yaitu :

• Piping adalah input Caesar II untuk pemodelan piping

• Underground adalah input Caesar II untuk pemodelan “Burried Pipe”

• Structural Steel – adalah input Caesar II untuk pemodelan Struktur.

(4)

3

3. Analisis Menu

4. Tool menu

Di dalam analysis menu memberikan kita pilihan untuk melakukan perhitungan yang kita inginkan sesuai dengan permasalahan yang kita simulasikan, yaitu sebagai berikut :

• Static – Analisa ini digunakan untuk analisa pemodelan pipa / struktur

dengan beban statis / tetap..

• Dynamics – Analisa ini digunakan untuk analisa pemodelan pipa / struktur

dengan beban yang dinamis

• SIFs – Digunakan untuk menghitung Stress Intensification Factor pada

Intersection dan Bend.

• WRC 107/297 – Untuk menghitung stress pada vessel akibat dari

sambungan dengan pipa.

• Flanges – Melakukan perhitungan stress dan kebocoran pada flange.

• B 31.G – Memperkirakan ketahanan / umur pipeline

• Expansion Joint Rating – Mengevaluasi expansion joint dengan

menggunakan persamaan EJMA.

• AISC – Melakukan pengecekan kode AISI pada elemen structural steel.

• NEMA SM23 – Mengevalusi beban pipa pada steam turbin noozle

• API 610 – Mengevaluasi beban pipa pada pompa centrifugal

• API 617 – Mengevalusi beban pipa pada compressor.

• HEI Standard – Mengevalusi beban pipa pada feedwater heater

• API 650 – Mengevalusi beban pipa pada fired heater.

Tools menu merupakan salah satu fungsi yang penting dalam Caesar dimana didalamnya terdapat berbagai macam fungsi antara lain :

1. Konfigurasi/setup :

Dapat membuat setup bermacam hal seperti interval node, tebal pipa, dll sesuai project data atau kehendak client 2. Make unit file

Untuk membuat satuan yang sesuai project

3. material data base

Melakukan editing atau menambahkan material baru pada data base Caesar II.

(5)

4

B. Input Piping

1. Spreadsheet

Dalam spreadsheet kita akan mulai menginput node node desain, memasukkan data-data yang ada pada lembar project, menentukan letak restraintt yang tepat, dll. Dilengkapi dengan menu perintah dan tool bar yang akan memudahkan kita mendesain sistem perpipaan

Dalam spreadsheet terdapat : 1. Nomor Node

2. Panjang element

Dalam caesar setiap element pipa

diidentifikasikan dengan nomor node. default interval node 10 dapat diganti pada menu awal, Tools >> configure/setup >> geometry directives >> auto node increment

Panjang elemen yang kita masukkan dalam CAESAR adalah dalam bentuk 3 dimensi dimana memilii koordinat (X, Y, dan Z). Sumbu Y adalah sebagai sumbu vertical. DX,DY,DZ adalah mendeskribsikan pengukuran terhadap X,Y,Z antara node awal (from node) dan node tujuan ( To node).

(6)

5

3. Pipe section properties

4. kondisi operasi

5. Spesial element information

6. Boundary & Loading Condition

Sebelum kita melanjutkan untuk membuat modelling kita harus mengisi properties pipa sesuai dengan project.

Sch = schedule = tebal pipa

Corrosion = batas ketebalan korosi pada pipa Insul Thk = tebal dari isolasi pipa jika terisolasi

Caesar II memiliki 9 kondisi temperature dan tekanan yang dapat diberikan untuk masing-masing elemen pipa. Caesar II

mempergunakan data temperature tersebut untuk

mendapatkan thermal strain/regangan akibat temperature dan allowable stress/tegangan yang diijinkan dari suatu elemen dari material data base. Input temperature dan takanan ini juga berfungsi untuk mensimulasikan kondisi pembebanan ketika kita akan melakukan analysis. Caesar II menggunakan parameter standard untuk temperature sebesar 70 deg. F, jika kita ingin merubahnya sesuai dengan kondisi lingkungan dapat dilakukan dengan menggunakan Special Execution Parameters Option pada box yg terdapat di spreadsheet sheet input piping

Komponen khusus seperti bend, rigid, expansion joint, reducer dan Tee diberikan di dalam check box di atas. Jika akhir node elemen pada spreadsheet adalah bend, elbow, atau mitered joint, maka bend checkbox harus dipilih dengan meng-klik 2 kali. Untuk Rigid checkbox digunakan untuk valve dan flange.

Check box disamping untuk membatasi pergerakan pipa

dan untuk memilih beban dari luar yang diterima pipa bisa berupa gaya/momen yang terjadi pada element tertentu, sebuah beban merata atau beban karena angin

(7)

6

7. Piping material

Caesar II membutuhkan spesifikasi material pipa, elastic modulus, poisons ratio, density,dll. Sebagai parameter dasar yang akan digunakan untuk perhitungan. Caesar II telah memiliki berbagai database tentang material dimana kita dapat memilih sesuai dengan spesifikasi yang dikehendaki, dan atau kita dapat merubah/membuat material data base sendiri dengan menggunakan Caesar II

(8)

7

Sebelum melakukan pengerjakan dengan caesar II, kita mesti menentukan satuan yang akan kita pakai dalam project tsb. Karena ini penting dalam penginputan nantinya tidak terjadi kesalahan. Buka caesar pilih tools >> configure >> database definition >> Unit file name >> pilih MM, SI atau ENGLISH

Membuat satuan unit baru,. Menu T ools>> Make Units Files>> Enter

Dalam hal ini satuan dalam proyek bisa saja tidak sama dengan template satuan dalam caesar II maka diperlukan program bantuan seperti convert unit http://www.joshmadison.com/software

1. Review existing unit files, untuk

memperlihatkan units files

2. Create a new units file, sebagai

dasar pengeditan units file

3. Isi new unit file name dengan nama

baru unit satuan.

1. Edit units file label dan unit satuan sesuai

project.

(9)

8

Soal Latihan

-seperti pada lembar TUTORIAL 001- Langkah pengerjaan :

A. Cara Input/ data masukan

1. Menentukan unit file /satuan sesuai dengan unit file dalam project yang dikerjakan.

2. Buat file baru

3. Input Menu Piping

Setting unit file dahulu sebelum input data pada menu >> tools >> configure >> database definition >> Unit file name >> pilih ROPP >> exit w/save

Maka telah tersetting unit file dalam ROPP

Buka File >> New

Maka akan muncul tabel spt disamping Ketik nama job file TUTORIAL 001, Diantara piping input dan struktural input dipilih piping input karena kita akan melakukan desain pemipaan

Selanjutna pilih OK

Pilih Input Menu Piping klik OK

Maka akan muncul unit file yang telah dipilih di awal tadi yaitu ROPP/PIM-2 klik OK. Maka akan muncul menu caesar

(10)

9

4. INPUT AWAL NODE 10-20

Pada awal ini kita menginput harus tahu satuan yang dimasukkan telah benar 1. Input diameter : Masukan nilai diameter sesuai satuan pipa 12” 2. Input Wt/sch : Wall thickness/schedule adalah tebal dari pipa 40sch

3. Corrosion : menginput tebal corrosi yang di ijinkan 3.2mm

4. Insul Thk : menginput dari tebal isolasi bila pipa terisolasi 63.5mm

5. Temp : input temperatur yang dioperasikan tersedia sampai 9 kolom. temp 1 = 76° C

6. Pressure : input pressure yang dioperasikan tersedia smpai 9 kolom. Press 1 = 5.272 kgf/cm²

7. Hydro press : input hydrotest pressure. Hydro press = 7.94 kgf/cm²

8. Material : menentukan maerial yang digunakan dalam project. Material = (177)A333 6

9. Fluid density : input densitas dari fluida. Atau masukkan nilai SG fluidanya = 0.1sg 10. Insul density : menginput densitas dari isolasi pipa = 176.2 kg/cu.cm

11. Pastikan code yang di input di caesar 5.1 telah sesuai

12. Letakkan cursor pada DY untuk menginput flange, pilih menu> model> valve> pilih flange>flg> 150 klik OK. Maka kita telah memodelkan panjang flange secara otomatis. Pada menu bisa kita lihat kolom rigit tercentang dengan berat flange 36.471.

13. Memodelkan restraint,double klik pada restraint, pilih pada node 10 dengan type restraint anchor, dan cnode 1010. Cnode disini sebagai penghubung displacement nosel.

14. Memodelkan displacement, klik dua kali, isi node1 dengan cnode 1010 dilanjutkan mengisi arah perpindahan nozel (N1)

15. Setelah selesai input, kesalahan/peringatan diketahui dengan menjalankan menu file> error check, atau start run pada toolbar.

(11)

10

5. Input Node 20-30

6. Input node 30-40

7. Input node 40-50

8. Input node 50-60

1. Pada input node 20-30 kita memodelkan panjang DY pipa 571mm – 117.475mm karena panjang digambar dikurangi panjang flange.

2. Double klik bend karena kita selanjutnya akan memodelkan bend/belokan

3. Alt+c untuk membuat node lanjutan

1. Pada node 30-40 memodelkan panjang DZ sepanjang -1114mm 2. Double click bend untuk

memodelkan bend pada node 40 3. Lanjutkan dengan alt+c untuk

node lanjutan

1. Pada node 40-50 memodelkan panjang DX sepanjang 857mm 2. Double click restraint pada node

50 pilih type Guide. dengan gap 3mm

3. Pada node 50 pilih type restraint +y (ystop)

4. Lanjutkan dengan alt+c untuk node lanjutan

1. Pada node 50-60 memodelkan panjang DX sepanjang 514mm – 117.275mm.

2. Nilai 117.275mm adalah panjang flange

3. Lanjutkan dengan alt+c untuk node lanjutan

(12)

11

9. Input node 60-70

10. Input node 70-80

12. Input 90-100

1. Pada node 60-70 memodelkan gate valve dengan double flange dengan class 150. klik OK 2. Dari sini bisa diketahiu panjang

flange 117.275mm = (590.550mm – 365mm)/2. Karena kita memodelkan gate valve berserta 2 flange. 3. Lanjutkan dengan alt+c

1. Pada node 70-80 memodelkan panjang DX 2114mm - 117.275mm = 1996.725mm 2. Double click restraint. pada node

80 pilih type restraint guide dengan gap 3mm dan type restraint +y

3. Lanjutkan dengan alt+c

1. Pada node 80-90 memodelkan panjang DX 6000mm

2. Double click pada restraint. Pada node 90 pilih type +y

1. Pada node 90-100 memodelkan panjang DX 6000mm

2. Double click pada restraint. Pada node 100 pilih type restraint guide dengan gap 3mm dan type restraint +y pada node 100 3. Lanjutkan dengan alt+c

(13)

12

1. Pada node 100-110 memodelkan panjang DX sepanjang 3000 mm 2. Double click pada bend untuk

memodelkan bend di node 110 3. Alt+c

1. Pada node 110-120 memodelkan panjang DZ sepanjang 3000 mm 2. Double click restraint. pada node

120 pilih type restraint guide dengan gap 3 mm dan type restraint +y

1. Pada node 120-130 memodelkan panjang DZ sepanjang 6000 mm 2. Double click restraint. Pada node

130 pilih type restraint +y 3. Selanjutnya continue alt+c

1. Pada node 130-140 memodelkan panjang DZ sepanjang 6000 mm 2. Double click pada restraint. Pada

node 140 pilih type restraint guide dengan gap 3 mm dan type restraint +y

(14)

13

1. Pada node 140-150 memodelkan panjang DZ sepanjang 2400 mm 2. Double click SIFs & Tees. Pada

node 150 pilih type 3-welding 3. Selanjutnya continue alt+c

1. Pada node 150-160 memodelkan panjang DY -2000 mm dengan diameter 8” dan Wt/Sch 40 2. Double click pada bend untuk

memodelkan bend pada node 160

3. Selanjutnya continue alt+c

1. Pada node 160-170 memodelkan panjang DX sepanjang -3000 mm

2. Double click restraint. Pada node 170 pilih type restraint +y 3. Selanjutnya continue alt+c

1. Pada node 170-180 memodelkan panjang DX sepanjang -2000 mm

2. Double click pada bend untuk memodelkan bend pada node 180

(15)

14

1. Pada node 180-190 memodelkan panjang DZ sepanjang 3600 mm 2. Double click pada bend untuk

1. Pada node 190-200 memodelkan panjang DY sepanjang -814 mm 2. Selanjutnya continue alt+c

1. Letakkan cursor pada DY untuk menginput flange, pilih menu> model> valve> pilih flange>flg> 150 klik OK. Maka kita telah memodelkan panjang flange secara otomatis. Pada menu bisa kita lihat kolom rigit tercentang dengan berat flange 18.144.

2. Memodelkan restraint,double

klik pada restraint, pilih pada node 210 dengan type restraint anchor, dan cnode 10210. Cnode

disini sebagai penghubung

displacement nosel.

3. Memodelkan displacement, klik dua kali displacement, isi node1 dengan cnode 10210 dilanjutkan mengisi arah perpindahan nozel (N2)

(16)

15

1. Pada node 150-220 memodelkan panjang DZ sepanjang 254 mm dengan diameter 12” dan Wt/Sch 40

1. Pada node 220-230 memodelkan reducer dengan panjang DZ 203 mm

2. Double click pada reducer. Isi diameter 2 = 10” dan thickness 2 = 40. Nilai alpha 11.78 sesuai dengan default caesar. 3. Selanjutnya continue alt+c

1. Pada node 230-240 memodelkan panjang DZ sepanjang 3143 mm 2. Double click pada bend untuk

1. Pada node 240-250 memodelkan panjang DY sepanjang -2739 mm

(17)

16

29. Start run/ check error Tutorial 001

1. Letakkan cursor pada DY untuk menginput flange, pilih menu> model> valve> pilih flange>flg> 150 klik OK. Maka kita telah memodelkan panjang flange secara otomatis. Pada menu bisa kita lihat kolom rigit tercentang dengan berat flange 24.040. 2. Memodelkan restraint, double

klik pada restraint, pilih pada node 260 dengan type restraint anchor, dan cnode 10260. Cnode

disini sebagai penghubung

displacement nosel.

3. Memodelkan displacement, klik dua kali displacement, isi node1 dengan cnode 10260 dilanjutkan mengisi arah perpindahan nozel (N3)

(18)

17

B. Flexibility analisis report

1. Start batch run

2. Stress summary

3. Restraints summary

4. Displacement

1. Menu > file > batch run > tggu iterasi selesai hingga muncul static output processor 2. Kita melakukan check stress

summary. Yang dianalisis adalah HYD, SUS, EXP. HYD adalah hydrotest load, SUS adalah basic load, EXP adalah Termal load

Dari stress summary dijelaskan load case yang di check memenuhi allowable apa tidak. Jika tidak check kembali unit satuan apa sudah cocok, cek routing, dan pemakaian restrains. Code stress ratio adalah perbandingan code stress dan allowable.

Dari restraint summary dijelaskan beban FX, FY, FZ dan momen MX, MY, MZ yang ditumpu oleh penyangga. Beban dan momen ini tidak boleh melebihi allowable dari vendor atw client.

Dari displacement dijelaskan arah vektor translasi dan rotasi dari pipa tiap node. Untuk DY sebaiknya tidak melendut sebesar 10mm.

(19)

18

5. Penjelasan allowable Stress Type dan Load Case

1. OPE : Beban dan Stress yang terjadi pada kondisi operasional akibat kombinasi antara

sustain load dan expansion load

2. OCC : Stress yang terjadi kadang2/ dalam waktu yang singkat karena adanya beban

sustain dan beban occasional (sperti angin, gempa)

3. SUS : Stress yang terjadi terus menerus akibat beban dari tekanan fluida dan berat pipa

4. EXP : Stress yang terjadi karena perubahan temperatur

5. HYD : Stress yang terjadi karena tekanan air pada waktu hydrotest

Cara menyelesaikan agar code stress check passed

1. Memasang restraint yang tepat  jarak, jumlah, letak, type. 2. Mendesain ulang/ merouting ulang/ tambah routing