BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Perpipaan
Suatu sistem perpipaan dapat dikatakan aman apabila beban tegangan yang terjadi mempunyai perbandingan yang lebih kecil atau sama dengan satu dari tegangan yang diijinkan
(allowable stress), sebagaimana telah ditetapkan dalam code maupun standard. Code adalah dokumen yang mengatur persyaratan-persyaratan minimal dari suatu desain, material, fabrikasi, instalasi, pengetesan, inspeksi dalam sistem perpipaan. Standard adalah dokumen yang mengandung peraturan desain/ konstruksi dan persyaratan individu dari komponen perpipaan seperti pipa, elbow, fitting, flange, valve, gasket, dan lain-lain.
Sistem perpipaan harus memperhatikan kelayakan rancangan baik dari segi teknis maupun segi ekonomis. Kelayakan rancangan sistem perpipaan dari segi mekanik dapat diketahui dengan melakukan beberapa analisa seperti penentuan tebal pipa, analisa hidrolik, analisa tegangan pipa dan analisa fleksibilitas. Sedangkan dari segi ekonomis, kelayakan rancangan sistem perpipaan sangat tergantung pada kebijakan finansial dari perusahaan atau industri dengan tetap didasari oleh kelayakan segi mekanik yang telah diatur dalam code dan
standard guna menjamin keamanan rancangan sistem perpipaan saat dioperasikan dan harus sesuai dengan proses pada sistem perpipaan yang digunakan. Standar dan code yang umum digunakan dalam perancangan pipa, yaitu [1] :
a. ASME B31.1 Power Piping b. ASME B31.2 Fuel Gas Piping
c. ASME B31.3 Process Piping on Petroleum Refineries, Chemical, Pharmaceutical, Textile, Paper, Semiconductor, and Crycogenic Plant
d. ASME B31.4 Liquid Petroleum Transportation Piping System e. ASME B31.5 Refrigeration Piping
f. ASME B31.7 Nuclear Power Piping
g. ASME B31.8 Gas Transmision & Distribution Piping h. ASME B31.9 Building Services Piping
i. API 5L Specification of Line Pipe Material j. API 576 Pipeline Coating
k. DnV 1981 Rules of Submarine Pipe Systems l. DnV RP F105 Free Spanning Pipelines
m. DnV RP E305 On Bottom Stability Design Of Submarine Pipeline n. ANSI B16.5 Pipe Flange and Flange Fitting
o. Keputusan Menteri Migas Rule 300 K
2.2 Klasifikasi Material Pipa
Berdasarkan mechanical, chemical, dan physical properties, material dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, yaitu polymers, ceramics, dan logam. Ketiga material tersebut dapat dikombinasikan menjadi material baru yang digolongkan dalam jenis composites. Dari keempat jenis material tersebut, logam merupakan material yang paling sesuai untuk digunakan pada suatu sistem bertemperatur dan bertekanan tinggi. Logam adalah unsur kimia yang memiliki sifat kuat, keras, ulet, merupakan penghantar panas dan listrik, serta mempunyai titik lebur yang tinggi. Logam secara umum terbagi menjadi dua, logam besi (ferrous) dn logam non besi (non-ferrous).
Jenis material yang paling banyak digunakan dalam sistem perpipaan di proyek instalasi perpipaan steam boiler adalah jenis pipa baja (steel). Baja yang umum digunakan dalam proyek ini adalah jenis baja karbon (carbon steel). Baja karbon (carbon steel) sendiri diklasifikasikan menjadi [2] :
Low carbon steel, jika kandungan karbonnya < 0,3 %
Medium carbon steel, jika kandungan karbonna 0,3-0,6%
High carbaon steel, jika kandungan karbonnya 0,6-1,7% 2.3 Lingkup Sistem perpipaan uap (Steam Piping)
Code yang digunakan pada perpipaan ini masih tercakup dari ASME B31.1 Power Piping dan ASME B31.3 Process Piping. Steam piping merupakan jenis perpipaan yang berfungsi menyalurkan uap untuk proses produksi dari keluaran (external) boiler pada industri (industrial institutional plants), yang ditujukan untuk mesin produksi maupun dari sumur produksi (production wells) untuk plant pembangkit tenaga geothermal (PLTG) dan plant pembangkit tenaga uap (PLTU) yang ditujukan untuk mesin turbin (turbin engine). Di lingkup unit boiler secara khusus perlengkapan yang digunakan untuk mendukung sistem steam piping tersebut antara lain separator (steam header), mesin produksi, tanki kondensate (condensate tank), dan tanki pengisian (feed water tank) [4].
Karakteristik cairan/fluida uap pada steam piping sangat perlu diperhatikan karena terjadi two phase piping yaitu fase air dan uap. Faktor-faktor penting yang harus diperhatikan adalah laju aliran massa, tekanan, suhu, indeks saturasi dan yang headloss diijinkan lebih panjang pipa.
Desain pipa harus ditentukan dengan tepat karena aliran dari fluida pada steam piping bervariasi dari anular, slug yang berdampak menghasilkan beban dinamis tinggi dan getaran. Selain itu juga terjadi kehilangan tekanan yang cukup tinggi dan tidak mudah diprediksi (unpredictable) pada garis di dua fase tersebut. Maka pipa untuk cairan dua fase harus dirancang untuk tekanan tinggi, beban dinamis, aliran slug,erosi, korosi, kehilangan tekanan minimum (dengan menjalankan pipa sesingkat mungkin), yang rezim aliran yang diinginkan (dengan memilih kecepatan fluida yang benar dan kemiringan untuk pipa), dan juga pencegahan getaran.
Material pipa yang digunakan dalam aplikasi steam piping A53-B, A106-B dan API 5L-B pipa, dengan toleransi pabrik. Pipa komersial yang tersedia memiliki toleransi pabrik sebesar 12,5% dan nomor schedule pipa berbasis di B36.10. Sedangkan perlengkapan (fittings) elbows, tee, dan reducer, bahan yang digunakan A234 WPB, semua dimensi sesuai dengan B16.9.
Flanges dan valves rate yang dipakai standar ANSI B16.5,untuk diameter hingga 24 ", dengan mengunakan material ANSI 150,ANSI 300, ANSI 600 dan ANSI 900. Untuk flange diameter 26 "dan lebih besar, berlaku standar ANSI B16.47 biasanya diklasifikasikan seri A dan B. Material yang digunakan A181 I dan A105 I [5].
2.4 Teori Kegagalan ( Failure Theory )
Dalam suatu rekayasa teknik, hal yang mendasar adalah menentukan batasan tegangan yang menyebabkan kegagalan dari material yang digunakan. Dalam menggunakan teori kegagalan yang terpenting adalah menentukan tegangan utama (principal stress). Tegangan yang telah dihitung dibandingkan dengan tegangan yang diijinkan oleh kekuatan material yang didapat
dari hasil pengujian. Jika tegangan yang dihitung melebihi tegangan yang diijinkan oleh material, kegagalan dari material akan terjadi.
Ada tiga teori kegagalan yang sering digunakan, yaitu :
2.4.1 Teori Tegangan Normal Maksimum (Maximum Normal Stress)
Teori ini menyatakan bahwa kegagalan terjadi bila salah satu dari tegangan utama
(principal stress) sama dengan kekuatan dari material. Sebagai contoh untuk tegangan utama setiap keadaaan disusun dalam bentuk :
σ1 > σ2> σ3
Jika kriteria kegagalan adalah titik luluh (yield), teoriini memperkirakan kegagalan akan terjadi bila :
σ1 = Syt atau σ3= -Syc
(2-01)
Dimana Syt dan Syc adalah kekuatan luluh terhadap gaya tarik dan gaya tekan. Kalau yang
dipakai adalah kekuatan akhir, seperti pada bahan yang rapuh maka kegagalan terjadi jika :
σ1 = Sut atau σ3= -Suc
(2-02)
Gambar.2.1 Teori tegangan normal maksimum (MNS) dan garis beban
(Sumber : Institut Migas UMB)
σB σA Sut Sut -Suc -Suc σB Sut σA -Suc O
Load line 4 Load line 3
Load line 2 Load line 1
Dari gambar diatas garis beban dapat didefinisikan secara matematis : Garis beban 1 ; σA =
dan σA ≥ σB ≥ 0
(2-03) Garis beban 2 ; σA ≥ 0 ≥ σB dan ≤
(2-04) Garis beban 3 ; σB = - dan σA ≥ 0 ≥ σB
(2-05)
Garis beban 4 ; 0 ≥ σA ≥ σB dan
>
(2-06)
Dengan n adalah faktor keamanan.
2.4.2 Teori Tegangan Geser Maksimum (Maximum Shear Stress)
Teori ini mengatakan bahwa kegagalan akan terjadi bila tegangan geser maksimum (
τ
maks) pada setiap elemen mesin sama dengan kekuatan geser dari material. Jika tegangan utamadisusun dalam bentuk σ1 > σ2> σ3 teori tegangan geser maksimal memperkirakan bahwa akan
terjadi bila :
a a
- ≥(2-07)
Teori ini menyatakan bahwa kekuatan luluh pada kekuatan geser diberikan oleh persamaan :
0
2.4.3 Teori Tegangan Von Misses
Teori ini memperkirakan suatu kegagalan mengalah dalam tegangan geser yang menandai lebih besar dari yang diperkirakan oleh teori tegangan geser maksimal. Untuk analisis perancangan akan lebih mudah jika kita menggunakan tegangan Von Misses yaitu:( Persamaan yang berkaitan dengan suatu tegangan dalam tiga sumbu) adalah :
=
(2-09)
Hal ini akan terjadi kegagalan jika :
(2-10)
Gambar.2.2 Perbandingan teori tegangan geser maksimum dengan distorsi energy
(Sumber : Institut Migas UMB)
Dari percobaan-percobaan yang telah dilakukan, menunjukkan bahwa teori energy distorsi ( Von Misses) memperkirakan kegagalan dengan ketelitian tertinggi pada semua kuadran [6].
2.5 Kelelahan Metal atau Logam (Fatigue) 2.5.1 Fenomena Fatique
Modus kegagalan yang diuraikan diatas cukup teliti untuk memprediksi kegagalan yang bersifat katastrofis yang diakibatkan oleh beban sekali kerja. Sementara itu pipa, bejana, dan peralatannya sering mengalami kerusakan yang terjadi setelah beroperasi bertahun-tahun. Kegagalan jenis ini terakhir ini dikenal dengan fenomena kelelahan metal (metal fatique) yang diakibatkan oleh beban berulang yang besarnya relatif rendah. Yang perlu diperhatikan pada kegagalan karena metal lelah ini adalah kegagalan bahkan dapat terjadi dimana tegangan pipa lebih rendah dari pada tegangan leleh (Yield Stress Syield). Ini dapat terjadi karena konsentrasi
tegangan lokal yang besar menyebabkan deformasi plastis yang pada akhirnya menyebabkan timbulnya retakan-retakan halus. Sementara tegangan rata-rata pada keseluruhan penampang pipa atau bejana tekan jauh dibawah tegangan leleh. Jika beban ini terjadi berulang kali maka retakan halus ini akan membuat sampai kegagalan yang menyeluruh pada dinding pipa terjadi.
Kekuatan material menghadapi metal lelah dapat dinyatakan dalam jumlah siklus beban berulang yang diperlukan untuk mengakibatkan kerusakan yang menyeluruh terjadi pada material. Kekuatan ini biasa digambarkan oleh kurva kelelahan metal (fatique curve). Parameter lain yang menjelaskan sifat kekuatan material terhadap metal lelah ini adalah “ tegangan batas “
(fatique limit/fatique endurance) yaitu besar tegangan tertentu dimana tidak akan terjadi kegagalan karena metal lelah berapapun jumlah siklus beban berulang terjadi.
Secara umum kelelahan metal disebabkan oleh beban perpindahan, bukannya beban gaya
(force load). Beban perpindahan (displacement load) mempunyai karakteristik self-limiting, yaitu besar tegangan yang terjadi akibat beban perpindahan akan membatasi diri sendiri oleh
mekanisme yang disebut relaksasi atau elastic-shakedown. Jika beban perpindahan menyebabkan tegangan local dilokal pipa yang melebihi titik plastis (tegangan luluh/yield stress), sehingga akibat fenomena plastis, setelah beban perpindahan ini hilang dan sistem kembali ke kondisi awal maka akan terjadi dua hal yang penting . Pertama tegangan residu (sisa) terjadi pada saat beban telah dihilangkan. Kedua, titik plastis dari material pindah karena efek hardening. Jika beban perpindahan ini di ulang, maka tegangan residu harus dilawan dahulu baru tegangan luluh yang melebihi maksimum strain dimana kerusakan katatrofis akan terjadi [3].
2.5.2 Hukum Hooke
Hukum Hooke menyatakan bahwa tegangan sebanding dengan regangan. Tegangan
(stress) adalah beban dibagi dengan luas penampang bahan dan regangan (strain) adalah pertambahan panjang dibagi dengan panjang awal bahan. Pada titik nol sampai batas proporsional, tegangan berbanding lurus dengan regangan dan membentuk garis lurus yang curam (semakin curam garis tersebut maka semakin kaku materialnya). Pada titik nol sampai
yield point merupakan daerah elastisitas. Pada titik yield material akan mengalami pertambahan panjang [3].
Hukum Hooke secara sederhana dapat ditulis:
(2-11)
Konstanta diberi simbol E yang dinamakan modulus elastisitas atau modulus Young sehingga :
Grafik.2.1 Tegangan-regangan untuk material pipa baja
(Sumber : Institut Migas UMB)
2.6 Ketebalan Minimum (Minimum Wall Thickness)
Ketebalan dinding pipa memiliki peranan penting dalam sistem perpipaan yang beroperasi pada tekanan dan temperatur 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 perpipaan.
Di dalam pipa sering dikenal dengan Schedule Number yaitu penyebutan untuk ketebalan pipa. Schedule pipa dapat dikelompokkan sebagai berikut [6] :
a. Schedule 5, 10, 20, 40, 80, 120, 160 b. Schedule Standard
c. Schedule Extra Strong ( XS )
Perhitungan untuk menentukan ketebalan material biasanya diatur di dalam code dan
standard yang digunakan dalam acuan pengerjaan sebuah proyek. Untuk menentukan ketebalan minimum pada pipa lurus menggunakan persamaan berikut :
t
=
t
= tm + c
(2-13)
Keterangan :
P = internal design pressure (kPa)
S = maximum allowable working pressure (kPa)
Fp = factor production Y = coefficient
tm = minimum wall thickness ( mm) A = additional wall thickness (mm)
Sedangkan untuk elbow menggunakan persamaan berikut :
t
=
(2-14)
Dimana nilai I dibedakan berdasarkan intrados (inside bending radius) dan extrados (outside bending radius) dari elbow
Gambar.2.3 Pipe elbow Nilai I untuk intrados ( inside bending radius) :
I
=
(2-15)
Nilai I untuk extrados (outside bending radius) :
I
=
(2-16)
Keterangan :
R1 = radius elbow (in) D = diameter pipa (in)
Allowable Stress pada sistem perpipaan adalah merupakan fungsi dari sifat material (material properties seperti pada Yield Strength atau juga Tensile Strength) pada temperatur dingin sampai temperature tertentu dan faktor keamanan (safety factor). Ada dua jenis Allowable Stress,yaitu kode tegangan yang di iziinkan (code allowable stress) dan allowable stress range
[7].
2.7.1 Kode Tegangan yang di Izinkan ( Code Allowable Stress)
Merupakan besarnya tegangan 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 Sc dimana kondisi ini termasuk juga untuk kondisi pada saat pemasangan pipa (installation atau ambient temperature), dan untuk pipa dengan kondisi dingin (cryogenic service). Sedangkan untuk pipa yang mengalami temperatur tinggi pada saat operasinya menggunakan simbol Sh.
Nilai tegangan ijin dari setiap kondisi berbeda tergantung juga pada kondisi loadnya. Untuk kondisi sustained load nilai tegangan ijin material sesuai dengan tegangan ijin pada ASME B13.3
a. Kondisi sustained load
Tegangan sustain yang diijinkan (allowable) adalah tegangan hot yield dikalikan dengan
safety factor. Tegangan sustain harus tidak boleh melebihi batasan elastisitas material pada kondisi panas :
SL< Sh
Keterangan :
Sh = Hot allowable stress dan sama dengan 0.625 Syield/hot atau berdasarkan ASME B13.3
Berikut ini adalah table allowable stress
Tabel.2.1 Tegangan ijin (Allowable Stress)
(Sumber : ASME B13.3 Process Piping )
b. Kondisi occasional load
Tegangan ijin ditentukan berdasarkan persamaan berikut :
Soccasional = 1.33Sh
(2-17)
2.7.2 Allowable Stress Range
Allowable stress range (SA) sangat terkait dengan kondisi ekspansi thermal adalah suatu
batasan stress yang diizinkan, yang terjadi pada suatu material pipa dan komponennya akibat beban (thermal loading) berulang seperti beban akibat thermal atau ekspansi maupun konstraksi. Hal ini sebagai ukuran atau variasi tegangan yang diizinkan ketika diberi beban berulang dan untuk menjaga dari kemungkinan kegagalan akibat lelah (fatigue) setelah diberi beban berulang. Beban disini bukanlah beban luar (external loading) melainkan beban dari dalam berupa thermal
loading. Hal ini biasanya terjadi ketika sistem perpipaan mulai dialiri oleh fluida pada instalasi sampai menuju posisi maksimum temperatur desain.
Demikian juga sebaliknya ketika sistem perpipaan mengalami penurunan temperatur dari posisi maksimum menuju ke temperatur instalasi, yaitu pada saat dilakukannya maintenance
atau shutdown. Sehingga adanya perulangan atau siklus yang menimpa pipa mulai dari kondisi bersuhu instalasi, lalu menuju maksimum temperatur, 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 perpipaan. Mengingat kegagalan biasanya terjadi pada bagian yang mendapatkan atau mengalami siklus regangan terbesar (highest cyclic strain). Untuk itulah perlunya diaplikasikan penggunaan stress intersification factor pada setiap komponen pipa. Allowable stress untuk
thermal expansion stress atau disebut juga displacement stress range adalah terdiri atas suatu persamaan, seperti yang terdapat pada ASME B31.3 :
Persamaan (a) : SA = f ( 1.25Sc + 0.25Sh ) (2-18) Persamaan (b) : SA = f ( 1.25(Sc +Sh) - SL ) (2-19) Keterangan :
SA = Allowable stress dari piping sistem pada kondisi material dan temperatur yang
sama(N/mm2)
Sc = Allowable stress pada temperatur dingin atau minimum (N/mm2)
Sh = Allowable stress pada temperatur 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 tabel siklus pipa pada table didapat nilai f = 1.0 karena siklus kurang dari 7000.
Sehingga dengan demikian , besarnya maksimum allowable stress range yang boleh terjadi sama dengan 1.25 (Sc+Sh), untuk thermal expansion stress yag dikombinasikan dengan
stress dari sustained loading. SA pada persamaan diatas adalah allowable stress dari komponen piping pada temperatur tertentu dimana SL untuk komponen tersebut sudah dihitung. Sc dan Sh
adalah basic allowable stress pada temperature dingin dan temperature operasi, adapun faktor f pada persamaan diatas adalah yang berfungsi untuk memperkirakan penurunan kemampuan sebuah material dalam menerima beban atau tegangan [7].
Tabel.2.2 Faktor f berdasarkan siklus operasi
(ASME B31.1 Process Piping. ASME 2002)
2.8 Analisa Tegangan Pipa
Analisa tegangan pipa adalah suatu metode terpenting untuk meyakinkan dan menetapkan secara numerik bahwa sistem perpipaan dalam engineering adalah aman, atau suatu cara perhitungan tegangan (stress) pada pipa yang diakibatkan oleh beban statis dan beban dinamis yang merupakan efek resultan dari gaya gravitasi, perubahaan temperatur, tekanan di dalam dan di luar pipa, perubahan jumlah debit fluida yang mengalir di dalam pipa dan pengaruh gaya seismik.
Process piping adalah contoh sistem perpipaan yang membutuhkan analisa perhitungan tegangan pipa. Analisa tegangan pipa dilakukan untuk memastikan rute pipa, beban pada nozzle, dan penyangga (support) pipa telah dipilih dan diletakkan tepat pada tempatnya sehingga tegangan (stress) yang terjadi tidak melebihi batas besaran maksimal tegangan yang diatur oleh
Code dan Standard Internasional (ASME, ANSI, API, WRC, NEMA, dll ). Untuk melakukan sebuah analisa tegangan pipa biasanya para piping engineer memakai pendekatan finite element
method dengan memakai beberapa software umum di dunia perpipaan yaitu CAESAR II, AutoPipe, ROHR2 atau CAEPIPE [7].
2.9 Critical Line dan Checking Grade
Pembagian sistem perpipaan dalam perancangan dan analisa ada dua macam, yaitu jalur pipa yang dinyatakan kritis (critical line) dan jalur pipa yang tidak kritis ( non critical line). Jalur pipa yang dinyatakan kritis adalah semua jalur pipa yang harus dipertimbangkan atau diperhitungkan dalam analisa fleksibiltas, karena suhu fluida dalam pipa memenuhi sebagaimana yang ditetapkan dalam kriteria. Sedangkan jalur pipa tidak kritis adalah semua jalur pipa yang tidak perlu dipertimbangkan dalam analisa, karena suhu fluida dalam pipa tidak memenuhi ketetapan dalam kriteria.
Kriteria untuk critical line merupakan fungsi temperatur dan diameter pipa yang ditunjukkan dalam bentuk grafik, dimana sumbu x (aksis) menerangkan perubahan diameter pipa dan sumbu y (ordinat) menerangkan perubahan temperatur yang bekerja pada sistem perpipaan. Seleksi checking grade atau yang biasa disebut juga dengan pemilihan kriteria dimana sistem perpipaan dihubungkan dengan nozzle static equipment dan kategori dua (2) untuk sistem perpipaan yang dihubungkan dengan nozzle static equipment dan nozzle rotasi equipment
Kategori 1 : Sistem Perpipaan yang dihubungkan dengan Nozzle Static Equipment.
Grafik.2.2 Pemilihan kriteria critical line sistem perpipaan yang dihubungkan dengan nozzle static equipment
Semua piping yang tidak berada pada kriteria C pada grafik diatas penempatan penyangga harus dikoreksi secara sederhana terhadap standar span support yang sudah ada, atau dengan menggunakan metode analitik acceptabilitas yang komprehensif.
Kategori 2 : Sistem Pipa yang dihubungkan dengan Nozzle Rotating Equipment
Grafik.2.3 Pemilihan kriteria critical line sistem perpipaan yang dihubungkan dengan nozzle rotating equipment
1). Kriteria “ A “ : Tidak perlu dianalisa.
2). Kriteria “ B “ : Harus dikoreksi dengan metode sederhana yang ada.
3). Kriteria “ C “ : Analisa harus dilakukan dengan secara detail dengan bantuan software computer.
2.10 Analisa Fleksibilitas Sistem Perpipaan
Analisa fleksibilitas pipa merupakan analisis terhadap kemampuan pipa untuk mengalami perubahan panjang atau deformasi secara elastis terhadap kondisi operasi yang memiliki beban akibat temperatur tinggi. Sistem perpipaan harus cukup fleksibel sehingga ekspansi thermal kontraksi atau perpindahan tumpuan ataupun titik ujung pipa tidak akan menyebabkan terjadinya:
1. Kegagalan pipa dan tumpuan pipa akibat tegangan berlebih. 2. Kebocoran pada sambungan las pipa.
3. Tegangan yang merusak atau distrosi pada pipa atau peralatan yang terhubung dengan pipa seperti pompa atau katup yang disebabkan oleh gaya dorong atau momen berlebih dalam pipa
Sehingga sebuah sistem perpipaan dikatakan mempunyai fleksibilitas yang cukup atau baik, apabila sistem perpipaan tersebut dapat mengalami perubahan panjang akibat ekspansi atau kontraksi termal dan mampu kembali ke panjang awal jika beban akibat ekspansi atau kontraksi tersebut dihilangkan.
Pada code ASME B13.3 analisis fleksibilitas pipa diatur pada paragraf 19.44 Flexibility Analisys. Dalam code ASME B13.3 terdapat persyaratan khusus yang dicantum tentang fleksibilitas yang harus dipenuhi oleh sistem perpipaan yaitu meliputi ;
a. Range tegangan hasil perhitungan SE disetiap titik sistem perpipaan akibat perpindahan
titik acuan tetrentu tidak boleh melebihi daerah tegangan yang diijinkan (the allowable stress range,SA)
b. Gaya reaksi hasil perhitungan tidak merusak titik tumpu system perpipaan atau peralatan yang tersambung dengan system perpipaan.
c. Perpindahan sistem perpipaan hasil perhitungan haruslah berada dalam batas-batas yang telah ditentukan pada code ASME B13.3
Dalam analisa fleksibilitas sistem perpipaan pada code ASME B13.3 terdapat suatu aturan dimana suatu sistem perpipaan memerlukan analisi formal atau tidak formal. Suatu sistem perpipaan dikatakan tidak memerlukan analisis formal apabila memenuhi persyaratan sebagai berikut:
a. Sistem perpipaan yang merupakan duplikat sistem perpipaan yang sudah ada, yang dalam operasi menunjukkan kinerja yang memuaskan.
b. Sistem perpipaan yang dengan mudah dapat dinilai mempunyai fleksibilitas yang cukup bila dibandingkan dengan sistem perpipaan yang fleksibilitasnya telah dianalisis sebelumnya.
c. Sistem perpipaan dengan ukuran seragam yang ditumpu dengan hanya dua tumpuan tanpa ada titik restraint diantara keduanya.
Sedangkan suatu sistem perpipaan dikatakan memerlukan analisis fleksibilitas formal apabila memenuhi persyaratan sebagai berikut :
a. Sistem perpipaan yang tidak memenuhi salah satu dari ketiga persyaratan diatas haruslah dianalisis dengan salah satu cara analisis berikut yaitu, metode analisis sederhana,metode analisis pendekatan (approximate analysis) atau metode analisis komprehensif.
b. Metode analisis komprehensif yang dapat diterima meliputi metode analitik dan metode yang memakai charts, yang dapat menghitung gaya,momen dan tegangan-tegangan yang ditumbukan oleh displacement strain.
c. Pada analisis komprehensif, faktor-faktor intensitas tegangan pada komponen perpipaan selain pipa lurus harus diperhitungkan. Komponen tersebut mempunyai kelebihan fleksibilitas.
d. Pada analisis fleksibilitas, maka semua komponen per-faktor intensitas tegangan pada komponen perpipaan yang terletak antara dua anchor points haruslah diperlukan secara keseluruhan.
Dalam analisa tegangan yang mencakup mengenai fleksibilitas tegangan pipa akibat terjadinya over stress dapat di rancang sistem perpipaan sebagai berikut [10]:
1. Dengan Expansion Loop
Pada bagian jalur pipa yang kaku dibuat belokan seperti kantong dengan penambahan empat elbows yang memungkinkan pipa mampu melakukan pergerakan pada kantong tersebut.
Gambar.2.4 Contoh penyelesaian kasus dengan pemasangan expansion loop 2. Dengan Expansion Leg
Cara ini dilakukan dengan jalan memutar atau menggeser salah satu orientasi nozzle sehingga tidak berhadap-hadapan secara langsung dan pipa bisa dibuat berkelok-kelok.
Gambar.2.5 Contoh penyelesaian kasus dengan pemasangan expansion leg 3. Dengan Pemasangan Expansion Joint
Pemasangan expansion joint dimaksudkan agar pergerakan pipa akibat menerima beban dapat diserap karena konstruksinya memungkinkan hal itu terjadi
Gambar.2.6 Contoh penyelesaian kasus dengan pemasangan expansion joint 2.11 Teori Tegangan Pipa
Pada sistem perpipaan dikenal kategori tegangan pipa menjadi Primary Stress dan
Secondary Stress.
2.11.1Tegangan Utama (Primary) Pipa
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 terjadinya kegagalan pada material pipa, yang pada akhirnya bisa menimbulkan kecelakaan atau malapetaka.
Pada piping sistem, jika ini terjadi 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 [6].
Primary stress terdiri dari komponen sebagai berikut : 2.11.1.a Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress)
Longitudinal stress adalah tegangan yang mana arah teganganya sejajar dengan sumbu pipa atau tegangan ke arah panjang pipa. Nilai tegangan ini dinyatakan positif apabila tegangan yang terjadi adalah tegangan Tarik, dan bernilai negative apabila tegangan tersebut merupakan tegangan tekan (compress). Tegangan longitudinal pada sistem pemipaan disebabkan oleh gaya aksial, tekanan dalam pipa dan momen lentur (bending moment).
Akibat gaya aksial (Fax)
Tegangan aksial (
σ
ax) adalah tegangan yang ditimbulkan oleh gaya aksial (Fax) yangbekerja searah dengan sumbu pipa, gaya yang diberikan tersebut dapat berupa gaya tekan atau gaya tarik terhadap luas penampang pipa. Nilai tegangan aksial dapat dirumuskan sebagai berikut:
σ
ax=(2-20)
Dimana:
p = tekanan fluida dalam pipa (N/mm2)
F = gaya aksial (N)
A = luas diameter dalam pipa (mm2)
Am = luas permukaan pipa (mm2)
(2-21)
Dimana:
do = diameter luar pipa (mm) di = diameter dalam pipa (mm)
Gambar.2.7 Gaya aksial pada pipa
(Sumber : Institut Migas UMB)
Akibat tekanan dalam pipa (internal pressure)
Jika fluida yang mengalir melewati pipa, maka praktis akan memberikan tekanan terhadap dinding pipa baik searah dengan panjang pipa maupun merata pada dinding pipa, hal tersebut akan memberikan tegangan internal pada pipa (
σ
IP). Seperti yang terlihat pada gambar 2.8 dan 2.9 berikut.Gambar.2.8 Tekanan dalam pipa satu arah
Gambar.2.9 Tekanan dalam pipa ke segala arah
(Sumber : Institut Migas UMB)
Maka bila rumus diatas disederhanakan akan menjadi
σ
ip=
σ
ip=
(2-22)
Dimana:
p = tekanan fluida dalam pipa (N/mm2)
Ai = luas permukaan dalam pipa (mm2) t = ketebalan dinding pipa (mm) Akibat momen tekuk (bending moment)
Gaya momen dibagi menjadi dua kategori, yakni momen bending dan momen torsi. Pada tegangan longitudinal yang terjadi pada pipa merupakan fenomena bending momen sedangkan momen torsi tidak terjadi. Momen bending menghasilkan distribusi teghangan yang linear dengan tegangan terbesar berada pada bagian terluar permukaan yang terjauh dari sumbu aksis bending.
Gambar.2.10 Tegangan longitudinal akibat bending momen
(Sumber : Institut Migas UMB)
σ
b= . y = =(2-23)
Tegangan Longitudinal keseluruhan menjadi
(2-24)
Gambar.2.11 Tegangan longitudinal keseluruhan pada pipa.
Besarnya longitudinal stress yang terjadi dibandingkan dengan code allowable stress
atau juga dikenal dengan nama basic allowable stress pada temperatur operasi. 2.11.1.b Tegangan Radial
Tegangan radial adalah tegangan yang bekerja pada dalam arah radial pipa atau jari-jari pipa. Besar tegangan ini bervariasi dari permukaan dalam pipa ke permukaan luarnya dan dapat dinyatakan dengan persamaan tegangan tangensial. Dimana pada permukaan dalam pipa, besarnya sama dengan tekanan dalam atau tekanan yang disebabkan oleh fluida yang ada dalam pipa dan permukaan luar pipa besarnya sama dengan tekanan atmosfer. Tegangan ini berupa tegangan kompresi (negatif), dan jika ditekan dari dalam pipa akibat tekanan dalam (internal pressure) dan berupa tegangan tarik (positif) jika didalamnya pipa terjadi tekanan hampa (vacuum pressure).
Gambar.2.12 Radial stress pada pipa
(Sumber : Institut Migas UMB)
Dengan perhitungan sebagai berikut:
σ
r=
Dimana:
ro = radius luar pipa (mm) ri = radius dalam pipa (mm)
p = tekanan fluida dalam pipa (N/mm2)
r = radius pipa yang diperhatikan pipa (mm)
2.11.1.c Tegangan Sirkumferensial Atau Tegangan Tangensial (Hoop Stress)
Tegangan ini disebabkan oleh tekanan dalam pipa dimana tekanan ini bersumber dari fluida dan nilainya selalu positif jika tegangan cenderung membelah pipa menjadi dua. Tekanan dalam ini bekerja kearah tangensial dan besarnya bervariasi terhadap tebal dinding dari pipa, nilai tekanan yang diberikan kepada dinding pipa atau nilai tekanan yang dialami dinding pipa sama dengan tekanan yang diberikan oleh fluida. Besar teganan ini dapat dihitung berdasarkan persamaan Lame’s, dimana tekanan sirkumferensial atau tegangan tangensial (Hoop Stress).
Gambar.2.13 Tegangansirkumferensial atau hoop stress persamaan Lame’s.
(Sumber : Institut Migas UMB)
σ
r=
(2-26)
Dimana:
ro = radius luar pipa (mm) ri = radius dalam pipa (mm)
p = tekanan fluida dalam pipa (N/mm2)
r = radius pipa yang diperhatikan pipa (mm)
Secara konservatif, untuk pipa yang memiliki ketebalan dinding tipis dapat dilakukan penyederhanaan penurunan rumus tegangan pipa tangensial ini dengan mengasumsikan gaya akibat tekanan dalam bekerja sepanjang pipa yaitu F = Pdil ditahan oleh dinding pipa seluas Am
= 2tl sehingga rumus untuk tegangan tangential dapat ditulis sebagai berikut:
σ
H=
atau lebih konservatif lagi :
σ
H=
(2-27)
Formula hoop stress ini biasa dikatakan sama dengan panjang pipa. Sama halnya dengan
longitudinal stress, hoop stress ini juga dibandingkan dengan basic allowable stress pada temperature saat beroperasi
Tegangan geser adalah tegangan yang arahnya parallel dengan penampang permukaan pipa, terjadi jika dua atau lebih tegangan normal bekerja pada satu titik. Tegangan geser pada sistem pipa antara lain akibat gaya dari tumpuan pipa (pipe support) dikombinasikan dengan gaya bending.
Akibat gaya geser
τ
max=
(2-28)
dimana
Q = faktor bentuk tegangan geser = 1.33 untuk silinder solid
V = gaya geser
Gambar.2.14 Arah tegangan geser pipa
(Sumber : Institut Migas UMB)
Tegangan ini maksimum disumbu netral (disumbu simetri pipa) dan nihil pada 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.
Akibat momen puntir
τ
max=
(2-29)
Tegangan ini maksimum pada titik yang sama dimana tegangan lendut maksimum
Gambar.2.15 Momen puntir pipa
(Sumber : Institut Migas UMB)
Momen Inersia (Polar)
Untuk suatu batang bulat/ silinder berlubang (pipa) dengan diameter luar do dan
diameter dalam di, momen kutub inersia (polar moment of inersia) penampang
melintang luasnya, biasanya dinotasikan dengan I . Dimana :
I =
(2-30)
2.11.2 Tegangan Sekunder ( Secondary Stress)
Secondary stress adalah jenis tegangan yang diakibatkan oleh beban termal (thermal loads),
yaitu akibat temperatur fluida yang mengalir, menyebabkan pipa mengalami pemuian atau pengkerutan ( expansion or construction)
Pipa menerima bending nature yang bekerja pada penampang pipa yang bervariasi dari negatif ke positif 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 Strength, maka efeknya hanyalah terjadi local deformation yang berakibat berkurangnya tegangan pada kondisi operasi.
Tetapi jika terjadi berulang-ulang (cyclic) maka akan menimbulkan “local strain range”
yang beroperasi menajdi penyebab timbulnya fatigue failure.
Secondary stress ini disebut juga dengan expansion stress atau displacement stress range, SE
komponen dari expansion stress ini adalah bending stress(Sb) dan torsion stress(ST). SE=
(2-31)
Persamaan ini adalah berdasarkan teori geser maksimum (maximum shear theory), sedangkan besarnya expansion stress yang terjadi dibandingkan dengan apa yang disebut dengan
allowable stress range. Adapun formula untuk masing- masing komponen adalah [6] :
Sn
=
(2-32) ST
=
(2-33)
Sistem perpipaan yang dirancang, direncanakan dapat menahan beban bermacam-macam. Beban pada pipa (pipe loadings) dibagi dalam dua klasifikasi yaitu beban primer (Primary Loads) dan beban sekunder (Secondary Loads)
Beban primer terdiri atas ; sustained load, occasional load, sedangkan beban sekunder terdiri atas thermal load/ expansion load.
2.12.1 Sustained Load
Sustained load yaitu pembebanan akibat berat pipa itu sendiri, akibat berat fluida didalamnya, akibat tekanan dalam (internal pressure) dan temperatur fluida. Pada semua sistem perpipaan, perancangan pipa yang dibuat haruslah dirancang mampu untuk menahan beban berat fluida,isolasi, komponen-komponen dan struktur pipa itu sendiri. Sehingga dapat dikatakan istilah lain dari sustained load adalah longitudinal stress, jenis tegangan dari longitudinal stress
meliputi axial stress, pressure stress dan bending stress. Akumulasi dari ketiga tegangan tersebut adalah longitudinal stress seperti yang ditunjukan pada persamaan Penentuan momen pada tegangan tekuk dibedakan menjadi dua perlakuan sebagai berikut [3] :
Untuk sistem dengan beban merata (uniformly distributed load)
Gambar.2.17 Sistem Pipa Beban Merata
(Sumber : Institut Migas UMB)
Keterangan :
Mmax = momen bending maksimum (N.m)
L = panjang pipa (m)
(2-34)
2.12.2 Occasional Load- Wind
Occasional load adalah beban yang bekerja secara berubah-ubah menurut fungsi waktu. Suatu sistem perpipaan yan terletak outdoor dan mendapatkan terpaan angin harus dirancang untuk mampu menahan beban angin maksimum yang terjadi sepanjang umur operasional pipa tersebut. Beban angin diakibatkan oleh tumbukan massa udara yang mengenai pipa. Beban ini dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah dengan arah angin disepanjang pipa. Berdasarkan persamaan Bernoulli, gaya angin yang mengenai pipa dapat dihitung menggunakan persamaan , dimana q dihitung sesuai rumus [8] :
F = (2-35) q = (2-36) Re = (2-37) Keterangan :
F = beban angin (N/m)
μ = viskositas dinamika udara (N.s/m2) Cd = koefisien drag
q = tekanan dinamik (N/m2)
Do = diameter luar pipa (m)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
v = kecepatan udara ( m/s)
Re = reynold number
2.12.3 Occasiomal Load- Seismic
Dalam merancang suatu sistem perpipaan, tidak akan lepas dari perhitungan mengenai beban dinamis yang terjadi. Salah satu beban dinamis tersebut adalah seismic load (gempa bumi, dll). Besarnya tegangan akibat seismic load dapat dirumuskan sebagai berikut
S = 0.75i12 WL2/8Z. 1.5 G
(2-38)
Keterangan :
S = seismic stress (kPa)
i = stress intensification factor W = berat pipa (N) atau (kg.m/s2)
L = panjang pipa (m)
G = seismic acceleration.
2.12.4 Thermal load atau Expansion Load
Thermal load yaitu beban yang ditimbulkan akibat ditahannya expansion atau construction suatu pipa yang mengalami pemuaian ataupun pengkerutan akibat temperatur dari fluida yang mengalir didalamnya.
Pada prinsipnya pada thermal load, yang paling berperan 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 perpipaan dalam kondisi operasi.
2. Pipa yang melengkung (pipe bowing) ataupun dengan istilah defleksi 3. Temperatur normal operasi
4. Temperatur ambient untuk menghitung variasi tegangan atau stress range. 5. Steam out, steam tracing, regenartion, decoke dan purging.
6. Equipment expansion salah satunya expansion joint dan equipment lainnya.
Untuk pipa lurus analisa thermal ekspansi berdasarkan metode guided contlever. Guided contilever adalah cantilever yang ditahan pada salah satu ujungnya, untuk pipa lurus dibawah beban thermal ekspansi perlakuan metode guided cantilever seperti pada gambar.
Gambar.2.18 Metode guided cantilever
Untuk metode guided cantilever momen yang dihasilkan akibat pengaruh defleksi
ditunjukkan pada persamaan [3]. Menentukan defleksi pipa
M = 6EIΔ/ L2 (2-39) Δ = 5 Wl4/384EI (2-40) Keterangan : Δ = displacement (m)
M = momen yang terjadi pada tumpuan (N.m) I = momen inersia (m4)
L = panjang pipa (m)
E = modulus elastistas (kPa)
Sedangkan nilai thermal ekspansi ditunjukkan pada persamaan 2.41
(2-41)
Keterangan :
M = momen yang terjadi pada tumpuan (N.m) i = Stress Intersification Factor
Z = section modulus (m3)
2.13 Penyangga atau Support
Support adalah alat yang digunakan untuk menahan atau menyangga suatu sistem perpipaan. Support dirancang untuk dapat menahan berbagai macam bentuk pembebanan baik statis maupun dinamis. Penempatan support harus memperhatikan dari pergerakan sistem perpipaan terhadap profil pembebanan yang mungkin terjadi pada berbagai kondisi. Berdasarkan pembebanannyaa penyangga pipa dapat dibagi menjadi dua yaitu pembebanan statis dan pembebanan dinamis. Penyangga harus mampu menahan keseluruhn berat suatu sistem perpipaan, termasuk didalamnya berat pipa, insulasi, fluida yang terkandung, komponen dan penyangga itu sendiri.
Hal penting yang perlu diperhatikan dalam mendesain piping support antara lain: a) Berat Pipa
Berat yang harus diperhitungkan mencakup berat pipa serta perlengkapannya, misalnya katup, bahan isolasi, serta berat isi pipa tersebut.
Jarak antara penggantung atau penumpu bergantung pada jenis bahan pipa disamping ukuran pipa, karena adanya perbedaan kelenturan.
c) Mencegah Perambatan Getaran
Pipa yang berhubungan dengan mesin dan peralatan yang bergerak atau berputar dapat meneruskan getaran mesin tersebut ke dalam ruangan lainnya : baik melalui pipa atau melalui konstruksi gedung sehingga dapat menimbulkan kebisingan dan resonansi.
Penggantung atau penumpu pipa sebaiknya dapaat mencegah perambatan getaran semacam ini. Disamping itu penggantung atau penumpu pipa harus juga cukup kuat untuk menahan gaya-gaya tumbukan akibat timbulnya pukulan air dalam pipa.
d) Ekspansi Pipa
Penggantung atau penumpu pipa harus mampu menampung adanya perubahan panjang pipa akibat perubahan temperatur pipa.
e) Jarak Pipa
Jarak antara pipa dengan pipa dan antara pipa dengan dinding atau permukaan lainnya harus cukup lebar. Jarak tersebut memungkinkan untuk penggunaan alat-alat, pemasangan isolasi atau penutup pipa, pengecatan, dan pekerjaan perawatan dan perbaikan di sekitar pipa.
Ada beberapa tipe support atau penyangga , antara lain adalah tipe restaint dan variable support.
Restaint digunakan untuk mengatasi sustained load yang berlebih, sedangkan variable support
Dalam buku Design of Pipin 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 berfungi untuk mencegah, menahan, atau membatasi pergerakan pipa akibat termal.
3. Support, sebuah peralatan yang tujuannya 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 termal ekspansi.
5. Anchor, disebut juga dengan Rigid Restraint dengan full fixation. Pada tipe ini pipa tidak bisa bergerak kesegala arah sumbu 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 longitudional.
7. Limit stop, adalah suatu support yang berfungsi menahan gerakan pipa pada arah aksial atau translator pada jumlah tertentu.
8. Guide, jenis 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 diatas pipa. Jenis tumpuan untuk menahan adanya gerakan translasi pada arah vertical ( arah gravitasi). Tumpuan jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu
spring ( variable) hanger dan constant force hanger
10.Constant Effort Support, yaitu support yang mampu menahan gaya yang konstan walaupun terjadi displacement yang besar [3].
Simbol support sebagai berikut :
Gambar.2.19 Simbol penyangga pipa 2.14 Jarak penyangga (Span Support)
Penempatan penyangga sangat berpengaruh terhadap kestabilan suatu sistem perpipaan, untuk itu harus diperhitungkan jarak masing-masing penyangga dalam pemilihan dan penggunaan penyangga atau yang biasa disebut juga dengan span support. Span support adalah jarak minimal antara penyangga pertama dan kedua (jarak antar penyangga), dimana sistem
perpipaan masih dalam kondisi aman dari tegangan dan defleksi. Span support didapat dari hasil perhitungan dengan menggunakan formula khusus atau juga dapat dilihat pada tabel yang telah disediakan oleh standar [10] :
Tabel .2.3 Standar span support
(Sumber : Institut Migas UMB)
Dengan perhitungan secara sederhana menggunakan rumus dibawah ini :
L
=
Z
=
(2-43)
Keterangan :
Z = modulus of section pipa (mm3)
L = jarak tumpuan maksimum pipa(m)
W = berat total sistem perpipaan persatuan panjang (N/m)
W = Wp + Wc +WI Wp = berat pipa = π/4 ( d02-di2). Ρpipa Wc = berat fluida = π/4. di2. Ρfluida Wp = berat insulasi = π/4 ( do insulasi 2-d02). Ρinsulasi
2.15 Perangkat Bantuan CAESAR II dalam Analisa Tegangan Pipa.
CAESAR II adalah sebuah program computer yang digunakan untuk melakukan perhitungan analisis tegangan ( stress analysis ) pada sebuah sistem perpipaan.
Gambar.2.20 Tampilan software CAESAR II
Program CAESAR II ini dibuat dan dikembangkan oleh COADE Engineering Software, yaitu sebuah perusahaan pembuat software khusus dibidang Mechanical Engineering yang sudah dikenal dan bermarkas di Houston, Amerika Serikat.
Pada perhitungan analisis, secara singkat para pengguna CAESAR II membentuk sebuah model dari pipin 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 displacement, beban dan stress
pada sebuah bagian dari piping sistem tersebut.
Dengan menggunakan hasil perhitungan tersebut, CAESAR II kemudian membandingkannya dengan batas-batas nilai yang diijinkan sesuai dengan code dan standard yang sudah diikuti penggunaannya didunia.
CAESAR II sering digunakan untuk desai mekanis sistem-sistem perpipaan baru. Sistem perpipaan panas memberikan sebuah masalah unik bagi mechanical engineer, struktur tak beraturan mengalami strain yang besar harus dibebani oleh sistem perpipaan, penyangga dan perlengkapan yang ditambahkan. Struktur ini harus cukup kaku untuk mendukung beratnya sendiri dan juga cukup fleksibel untuk menerima peningkatan suhu.
Beban- beban perpindahan dan tegangan-tegangan ini dapat diperkirakan melalui analisi model perpipaan CAESAR. Untuk menambah dan memperbaiki desain analisis, CAESAR bekerja sama dengan banyak batasan-batasan pada sistem ini dan perlengkapan yang di ikutsertakan. 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 berhubungann dengan pipa ( API,NEMA ). CAESAR tidak terbatas pada analisa suhu juga memiliki kemampuan permodelan dan analisa beban static dan dynamic 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 mengevaluasi kelangkaan kondisi operasi yang tak terantisipasi seperti interaksi fluida atau getaran mekanik yang disebabkan oleh peralatan.
2.15.2 Program Piping Stress Analysis Selain CAESAR II
CAESAR II bukanlah satu-satunya program computer untuk piping stress analysis yang tersedia dipasaran dan digunakan oleh banyak stress engineer. Kenyataannya, banyak program computer lain yang tersedia dan tentunya juga digunakan oleh perusahaan-perusahaan engineer
Program-program lainnya tersebut, untuk menyebut sebagian saja yang banyak digunakan, adalah sebagai berikut :
AUTOPIPE, yang dibuat oleh Rebis dan saat ini dimiliki oleh Bently, yang berkedudukan Exton, Pennsylvania,Amerika Serikat.
CAEPIPE (dibaca k-pipe), dibuat oleh SST System Incorporation yang berkedudukan di San Jose, California, Amerika Serikat.
ROHR2, yang dibuat oleh SIGMA Ingenieurgesellschaftmbh, yang berkedudukan di Unna, Jerman.
ADPIPE, yang merupakan produk dari Researsch Engineer International UK, yang saat ini sudah dibeli oleh Bentley.
Kelebihan CAEAR II
CAESAR II berhasil menciptakan program yang sangat up to date dengan kondisi dan situasi dunia piping stress analysis.
Belum lagi dilihat dalam hal kemudahan proses penginputan data serta kejelasan gambar pada saat input membuat user bisa melihat sebelum melakukan analisis, semakin membuat CAESAR II menjadi program mudah untuk digunakan. Disamping itu CAESAR II yang memberikan kebebasan kepada user atau pengguna dalam hal penginstallan dan juga dalam pengaturan database [6].
2.15.3 Permodelan Sistem Perpipaan
Parameter yang menjadi masukan kedalam program CAESAR II sebagai data yang akan diproses adalah sebagai berikut :
a. Memasukkan nilai node yaitu titik awal perencanaan yang akan disediakan oleh CAESAR II dalam dialog box. Bisa nilai node 50 dan seratus akan menjadi titik awal
darip perencanaan jalur perpipaan yang akan dilakukan. Sesuai dengan stress sketch yang sudah dibuat.
b. Memasukkan 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 distress sketch yang sudah dibuat sebelumnya.
c. Memasukkan data diameter pipa ketebalan pipa atau schedule pipa serta corrosion allowance untuk material yang dipilih berdasarkan line list atau stress sketch.
d. Memasukkan data Restraint, yaitu jenis pipe support yang akan digunakan.
e. Memasukkan pengaruh beban angin (wind load) atau uniform load
f. Memasukkan apakah dipertimbangkan gaya dan momen akibat beban luar atau juga akibat beban dalam seperti slugflow, water hammer.
g. Memasukan jenis material pipa yang digunakan apakah carbon steel atau material lainnya. Program CAESAR II akan secara otomatis memberikan property dari material tersebut modulus elastic untuk temperatur ambient sampai temperatur operasi, sesuai dengan jumlah temperatur yang kita masukan pada awalnya.
h. Memasukkan data properties dari fluida (memasukkan data density dari fluida).
i. Memasukkan kode dan standar yang akan digunakan sebagai dasar perhitungan stress analysis misalnya ASME B13.3, maka program CAESAR II secara otomatis akan memberikan besarnya allowable stress untuk setiap temperatur yang kita masukan.
j. Keseluruhan data diatas hanya sekali dimasukkan dan akan terus digunakan sampai proses input selesai kecuali ada perubahan diameter atau perubahan jenis material sehingga harus mengubah data pada bagian tersebut.
Gambar.2.21 Tampilan classic piping input CAESAR II 2.15.4 Analisa Statis (Batch Run CAESAR II)
Analisa statis dimulai dengan melakukan proses yang disebut dengan error checking. Sebaiknya tahap awal memulai analisis untuk pertama kali maka disarankan untuk memulai analisis dengan menekan tombol error checking yang berbentuk seperti gambar dibawah ini :
Gambar.2.22 Tampilan batch run CAESAR II
Batch Run ini merupakan proses dimana data input pada CAESAR II di compile untuk mendapatkan hasil analisa oleh CAESAR II dalam bentuk output CAESAR II. Hasil pemeriksaan biasanya akan memberikan dalam bentuk sebagai berikut :
Warning : Jika dianggap kesalahan yang ditemukan tidaklah berbahaya dalam arti tidak mengakibatkan kesalahan fatal dalam hitungan.
Batch Run
Error Checking
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.2.23 Tampilan error dan warning checking CAESAR II 2.15.5 Analisa Statik Model (Run)
Setelah dipastikan tidak terdapat error message dan warning message, maka model siap untuk dianalisa (Run). Dengan memilih perintah static analysis pada menu maka pada layar akan muncul tampilan seperti pada gambar 2.
Gambar.2.24 Tampilan load case untuk analisa CAESAR II 2.15.6 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 [6].
