ANALISA FATIGUE AKIBAT TEKANAN INTERNAL SIKLIS PADA DENTED PIPE

(1)

TUGAS AKHIR – MO 091336

“

ANALISA FATIGUE AKIBAT TEKANAN

INTERNAL SIKLIS PADA DENTED PIPE”

DISUSUN OLEH :

NUGRAHA PRAYOGA

(4305.100.050)

DOSEN PEMBIMBING



Ir. JUSUF SUTOMO, M.Sc

(2)

AGENDA PRESENTASI P3



LATAR BELAKANG PENELITIAN



TUJUAN PENELITIAN



BATASAN MASALAH PENELITIAN



PROSES KERJA PENELITIAN



HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN



KESIMPULAN DAN SARAN

(3)

LATAR BELAKANG

Kerusakan yang terjadi pada

pipa berupa dent disebabkan

karena adanya ketidakmampuan

material pipa dalam menahan

tekanan baik itu disebabkan dari

beban luar maupun beban dari

dalam.

Adanya dented pipe tersebut

akan menimbulkan konsentrasi

tegangan

lokal.

Sehingga

menyebabkan

ketahanan

pipa

terhadap beban statis maupun

siklis berkurang.

Dented pipe dapat berpengaruh

terhadap kelangsungan dari umur

pipa saat beroperasi

(4)

TUJUAN PENELITIAN



Mengetahui aliran fluida yang terjadi di sekitar dented

pipe.



Mengetahui pengaruh aliran fluida terhadap tekanan

internal fluida pada dented pipe.



Mengetahui tegangan dented pipe yang terjadi akibat

aliran fluida.



Mengetahui nilai fatigue dan fatigue life pada dented

(5)

BATASAN MASALAH PENELITIAN



Data pipa diambil dari API SPEC 5 L.



Pipa dikondisikan mengalami cacat dent sehingga penyebab

dent diabaikan.



Variasi pada kedalaman dent yaitu 5%,10%,15% dan20%.



Pemodelan fluida pada dented pipe menggunakan software

FLOW 3D.



Dinding pipa saat pemodelan dianggap sebagai smooth wall.



Fluida diasumsikan uniform, viscous dan compressible.



Variasi kecepatan fluida yaitu 2 m/s, 3.5 m/s, dan 5 m/s.



Beban eksternal berupa gelombang dan arus air laut dianggap

tidak ada.



Pemodelan distribusi tegangan pada dented pipe

menggunakan software ANSYS Multiphysics.



Perhitungan fatigue menggunakan pendekatan 3 metode

adalah metode punching shear, metode hot spot stress dan

metode fracture mechanics.

(6)

PROSES KERJA PENELITIAN



Pengumpulan Data



Pemodelan Dented Pipe Dengan CFD (FLOW 3D)



Analisa Aliran Fluida Vortex



Perhitungan Parameter VIV



Analisa Gaya Dan Tekanan Internal Aliran Fluida



Pemodelan Dented Pipe Dengan ANSYS Multiphysics



Analisa Distribusi Tegangan



Perhitungan Konsentrasi Tegangan



Perhitungan Fatifue Dented Pipe Dengan 3 Metode



Metode Punching Shear Stress



Metode Hot Spot Stress



Metode Fracture Mechanics



Perhitungan Fatigue Life Dented Pipe

Perhitungan Stress Range

(7)

DIAGRAM ALIR PROSES KERJA

Mulai

Data Pipa dan Ukuran Kedalaman

Dent Pada Pipa

Pemodelan Geometri Dented Pipe Dengan Ansys Multiphysics

Variasi Dented Pipe d (kedalaman

dent) : 0.023 m, 0.046 m, 0.06 m, dan 0.1 m

Meshing Model Dengan Ansys

Multiphysiscs

Pembebanan Pada Model Gaya fluida hasil dari running Flow 3D

Running Model Dengan Ansys

Multiphysics

Error ??

Analisa SCF (Stress Concentration

Factors) dan Rentang Tegangan Tidak

Perhitungan Fatigue (N) dan Umur

Fatigue Pada Model Dented Pipe

Selesai Ya

Analisa Tegangan Pada Dented

Pipe

Flowchart Pemodelan Fluida

Flowchart Analisis Tegangan dan Fatigue

Mulai

Data Ukuran Pipa dan Ukuran Kedalaman Dent

Pada Pipa Pemodelan Aliran Fluida Dented

Pipe Dengan Software CFD (Flow 3D)

Meshing Model Pada Flow 3D

Pembebanan dan Boundary

Condition

Input Velocity Fluida Gas (2 m/s, 3.5 m/s dan 5 m/s)

Running Model Pada Flow 3d

Error ??

Analisa Pola Aliran dan Perhitungan Parameter VIV (Re,

St, fs, Vr dan Kc) Tidak

Selesai Ya

Variasi Dented Pipe (d/D) : 5%, 10%, 15%, dan 20%

(8)

PEMODELAN FLUIDA DENGAN SOFTWARE FLOW 3D

Bentuk dent Bentuk dent

(9)

NEXT…..

z

z z y

(10)

NEXT….



Hasil Tabel Gaya danTekanan Internal Aliran Vortex

Model dented pipe (d/D)

Gaya Fluida Vortex (N) 5% 444.782 1595.577 2095.874 10% 756.556 2436.232 3772.513 15% 1653.012 3448.424 4457.620 20% 2156.230 4889.560 5863.250

Model dented pipe (d/D) Pressure Fluida (MPa) 1.53 2.63 4.97 2.31 4.55 5.44 5.65 6.07 7.61 8.84 9.35 9.61 5% 10% 15% 20%

(11)

HASIL PERHITUNGAN PARAMETER VIV

Variasi Dented Pipe (d/D) Kecepatan Fluida (m/s) Re St fs (Hz) Vr fn (Hz) 2 1.05E+05 0.62 1.18 1.967 3.5 1.83E+05 1.09 2.07 1.961 5 2.62E+05 1.55 2.97 1.951 2 1.05E+05 0.62 1.18 1.967 3.5 1.83E+05 1.08 2.07 1.961 5 2.62E+05 1.55 2.97 1.951 2 1.05E+05 0.61 1.18 1.967 3.5 1.83E+05 1.08 2.07 1.961 5 2.62E+05 1.54 2.97 1.951 2 1.05E+05 0.61 1.18 1.967 3.5 1.83E+05 1.07 2.07 1.961 5 2.62E+05 1.53 2.97 1.951 5% 10% 15% 20%

Perhitungan Parameter Vortex Induced Vibration (VIV) Dented Pipe

0.269

0.267

0.266

(12)

PEMODELAN DENTED PIPE DENGAN SOFTWARE ANSYS

MULTIPHYSICS

(13)

NEXT…………

Hasil Tegangan Pada ANSYS Multiphysics

Model dented pipe (d/D) Tekanan Internal Fluida (MPa) Tegangan Maximum (MPa)

1.53 21.65 2.63 82.34 4.97 111.11 2.31 38.41 4.55 131.03 5.44 207.44 5.65 85.55 6.07 215.95 7.61 305.42 8.84 115.62 9.35 312.04 9.61 420.52 15% 20% 5% 10%

(14)

NEXT…………



Perhitungan SCF pada dented pipe

Model dented pipe (d/D) Tegangan Maximum (MPa) Tegangan Nominal (MPa)

SCF

21.65

7.60

2.85

82.34

27.25

3.02

111.11

35.80

3.10

38.41

12.92

2.97

131.03

41.61

3.15

207.44

64.44

3.22

85.55

28.23

3.03

215.95

58.90

3.67

305.42

76.14

4.01

115.62

36.83

3.14

312.04

83.52

3.74

420.52

100.15

4.20 5%

10%

15%

20%

(15)

HASIL PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE



1. Metode Punching Shear

Dented Pipe (d/D) Beban Velocity fluida (m/s) fs (Hz) n (cycle / 20 tahun) τ σA (MPa) σB (MPa) σP (MPa) N (cycles) D (n/N) Dtotal 2 0.62 3.92E+06 1 1.13 12.86 13.99 4.49E+08 0.01 3.5 1.09 6.86E+06 1 3.56 20.47 24.03 4.43E+07 0.15 5 1.55 9.80E+06 1 5.59 27.59 33.18 3.37E+07 0.29 2 0.62 3.90E+06 1 2.13 15.20 17.33 2.36E+08 0.02 3.5 1.08 6.83E+06 1 5.60 35.60 41.20 3.43E+07 0.39 5 1.55 9.75E+06 1 7.70 55.39 63.09 1.76E+07 0.28 2 0.61 3.88E+06 1 4.73 18.09 22.82 1.03E+08 0.04 3.5 1.08 6.79E+06 1 8.33 44.86 53.19 2.09E+07 0.46 5 1.54 9.70E+06 1 14.72 64.63 79.35 1.47E+07 0.46 2 0.61 3.86E+06 1 8.33 22.39 30.72 4.24E+07 0.09 3.5 1.07 6.75E+06 1 10.32 57.32 67.64 2.78E+07 0.24 5 1.53 9.64E+06 1 19.26 73.77 93.03 1.45E+07 0.66 15% 20% 0.96 1.00 PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE DENGAN METODE PUNCHING SHEAR

5% 0.45

(16)

NEXT…………



2. Metode Hot Spot Stress

Dented Pipe (d/D) Beban Velocity fluida (m/s) fs (Hz) n (cycle / 20 tahun) SCF axial SCF bending σA (Mpa) σB (Mpa) SCF x σA SCF x σB σtotal (Mpa) N (cycles) D (n/N) Dtotal

2 0.62 3.92E+06 0.16 1.42 1.13 12.86 1.60 18.20 19.80 1.59E+08 0.02 3.5 1.09 6.86E+06 0.14 1.55 3.56 20.47 5.53 31.79 37.32 1.18E+08 0.06 5 1.55 9.80E+06 0.13 1.19 5.59 27.59 6.63 32.72 39.35 2.02E+07 0.49 2 0.62 3.90E+06 0.18 1.26 2.13 15.20 2.68 19.14 21.82 1.18E+08 0.03 3.5 1.08 6.83E+06 0.15 1.19 5.60 35.60 6.68 42.50 49.18 4.40E+07 0.22 5 1.55 9.75E+06 0.13 1.07 7.70 55.39 8.24 59.26 67.50 1.29E+07 0.53 2 0.61 3.88E+06 0.19 0.74 4.73 18.09 3.50 13.37 16.87 2.56E+08 0.02 3.5 1.08 6.79E+06 0.18 0.71 8.33 44.86 5.88 31.68 37.56 2.32E+07 0.29 5 1.54 9.70E+06 0.28 1.05 14.72 64.63 15.51 68.10 83.61 1.43E+07 0.68 2 0.61 3.86E+06 0.29 1.14 8.33 22.39 9.54 25.63 35.16 2.83E+08 0.01 3.5 1.07 6.75E+06 0.19 0.75 10.32 57.32 7.69 42.71 50.40 4.80E+07 0.14 5 1.53 9.64E+06 0.28 1.08 19.26 73.77 20.81 79.72 100.54 1.14E+07 0.85 5% 0.57 10%

PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE DENGAN METODE HOT SPOT STRESS

15%

20%

0.78

0.99

(17)

NEXT…………



3. Metode Fracture Mechanics

Dented Pipe (d/D) Beban Velocity fluida (m/s) fs (Hz) n (cycle / 20 tahun) ∑n Local Stress (MPa) n(σC^m) ∑n(σC^m) Sh (MPA) N D 2 0.62 3.92E+06 19.80 3.04E+10 3.5 1.09 6.86E+06 37.32 3.57E+11 5 1.55 9.80E+06 39.35 5.98E+11 2 0.62 3.90E+06 21.82 4.05E+10 3.5 1.08 6.83E+06 49.18 8.12E+11 5 1.55 9.75E+06 67.50 3.00E+12 2 0.61 3.88E+06 16.87 1.86E+10 3.5 1.08 6.79E+06 37.56 3.60E+11 5 1.54 9.70E+06 83.61 5.67E+12 2 0.61 3.86E+06 35.16 1.68E+11 3.5 1.07 6.75E+06 50.40 8.64E+11 5 1.53 9.64E+06 100.54 9.80E+12 5% 10% 15% 20% 2.06E+07 2.05E+07 2.04E+07 2.02E+07 3.85E+12 6.05E+12 1.08E+13 36.29 3.86E+07 81.24 2.02E+07 1.00 PERHITUNGAN FATIGUE DENTED PIPE DENGAN METODE FRACTURE MECHANICS

0.53

0.78 57.28 2.62E+07

66.67 2.08E+07 0.98 9.85E+11

(18)

HASIL PERHITUNGAN FATIGUE LIFE DENTED PIPE

Grafik Perhitungan Fatigue Life Dented PIpe

Perhitungan Metode 1

Model Dented Pipe (d/D) Fatigue Life (tahun)

5% 43.98

10% 29.03

15% 20.79

20% 20.05

5.00% 35.17

10.00% 25.55

15.00% 20.30

20.00% 19.97

5.00% 37.50

10.00% 25.57

15.00% 20.39

(19)

KESIMPULAN DAN SARAN



Kesimpulan

 1. Hasil pemodelan aliran fluida dengan software FLOW 3D membuktikan adanya

pola aliran berupa aliran vortex di area sekitar dented pipe. Hal tersebut terlihat juga dari hasil perhitungan parameter vortex induced vibration yaitu pada nilai

Reynold Number yang hasilnya termasuk dalam kategori aliran vortex turbulent.

 2. Hasil output FLOW 3D menunjukkan bahwa gaya internal dan tekanan internal

yang dihasilkan oleh aliran fluida vortex yang terjadi di area sekitar dented pipe tersebut semakin besar. Hal tersebut bisa terjadi karena pengaruh variasi kedalaman dented pipe yang semakin besar.

 3. Pada pemodelan pada ANSYS Multiphysics menunjukkan bahwa semakin besar

variasi kedalaman dented pipe maka distribusi tegangan local dan konsentrasi tegangan yang terjadi pada dented pipe yang semakin besar. Adanya distribusi tegangan lokal dan konsentrasi tegangan yang semakin besar pada dented pipe maka akan mempengaruhi kekuatan dari pipa tersebut pada saat beroperasi.

 4. Dari hasil perhitungan fatigue dan fatigue life pada dented pipe menunjukkan

bahwa dented pipe dengan variasi (d/D) yaitu 15% dan 20% memiliki nilai ratio kumulatif mendekati dan bahkan mencapai angka satu. Dengan nilai D mencapai angka satu maka struktur tersebut cenderung untuk terjadi kegagalan dan

fatigue life yang terjadi kurang dari umur operasi dari design pipa yang telah

(20)

NEXT…………



Saran



1. Perlu dilakukan untuk percobaan uji fisik dented pipe di laboratorium,

terutama melakukan uji fatigue pada dented pipe tersebut. Sehingga

mendapatkan hasil yang lebih akurat terutama pada kurva S-N dan rentang

tegangan yang terjadi.



2. Karena dalam pemodelan pada penelitian ini tidak ada initial crack maka

penelitian berikutnya perlu dilakukan pemodelan bentuk crack sebagai

pendukung untuk analisa fracture di area sekitar dented pipe tersebut

sehingga mendapatkan hasil yang maksimal.



3. Perlu dilakukan analisa keandalan pada pipa yang mengalami cacat

berupa dent untuk beban internal dan beban eksternal.



4. Perlu dilakukan lebih lanjut tentang analisa keandalan pada dented pipe

dengan ada cacat lain berupa crack serta pembebanan berupa beban

eksternal dan internal.



5. Dalam kasus ini jumlah dent hanya satu oleh karena itu perlu

dikembangkan lebih lanjut untuk jumlah dent terhadap kekuatan pipa

tersebut.

(21)

DAFTAR PUSTAKA

 ASME B 31.3. 2002.Process Piping.

 ASME B 31.8.2000.Gas Transmission and Distribution Piping Systems.

 API Spec 5L.2000.Specification For Line Pipe 42nd_{Edition.Washington.}

 Bai. Y.2001.Pipelines and Risers.Elsevier Ocean Engineering Book Series Vol.3.

 _{DNV-RP F105.2001.Free Spanning Pipelines.}

 Doretha.2007.Analisa Pengaruh Dent Pada Struktur Pipa Bawah Laut Terhadap Integritas Pipa.Teknik Kelautan-ITS.Surabaya.

 Medio,V.2009.Analisa Vibrasi Sistem Pipa Penyalur Gas-Liquid (Multiphase) Untuk Meningkatkan Produktivitas Gas Total

E&P Indonesie.Teknik Kelautan-ITS.Surabaya.

 Murdani,A.Y.2007.Analisa Beban Impact Akibat Trawl Gear Pada Pipa Bawah Laut.Teknik Kelautan-ITS.Surabaya.

 Djatmiko, E.B. 2003. Analisis Keandalan dan Kelelahan. Offshore Structure Design and Modelling Ocean Engineering Training Center, Jurusan Teknik Kelautan-ITS.

 N.Cheraghi,G.P.Zou,F.Taheri.2004.Fluid Induced Vibration Of Composite Natural Gas Pipeline.Departemen Of Civil Engineering.Dalhouise University Canada.

 Popov. 1996. Mekanika Teknik.Jakarta.Erlangga.

 _{Pinhero dan Pasqualino.2008.Fatigue Analysis Of Damage Steel Pipelines Under Cyclic Internal Pressure.Federal University}

Of Rio de Janeiro.Brazil

 Rao, Singiresu S. 2004.Mechanical Vibrations. Cetakan IV. New Jersey. Pearson Prentice Hall.

 Streeter,Victor.1986:3.Mechanical Fluida.New York.

 Soegiono.2007.Pipa Laut.Teknik Kelautan.Surabaya

 _{Thomson, William T. dan Professor Emeritus. 1993.Theory of Vibration with Applications. New York. Chapman & Hill.}  Wardana, I.N.G. 2000. Getaran Pipa Akibat Aliran Fluida. Piping Technology Seminar Proceeding, 2000.

(22)