xxiii DAFTAR NOTASI A = Luas Ai = Luas permukaan dalam pipa Am = Luas rata-rata permukaan pipa c = Jumlah dari toleransi mekanis D = Diameter pipa D C = Diameter (inci) dari bukaan lingkaran sama dengan jumlah luasan pada bukaan inlet, extraction, dan exhaust d o = Diameter luar pipa d i = Diameter dalam pipa E c = Basic quality factor E q = Quality factor E j = Joint quality factor E s = Structural grade quality factor EXP = Kondisi expansi f = Faktor pengurangan stress F = Gaya tegak lurus terhadap potongan Fxc = Gaya pada sumbu x program Caesar II Fyc = Gaya pada sumbu y program Caesar II Fzc = Gaya pada sumbu z program Caesar II F ax = Gaya aksial F R = Gaya radial
26
Embed
Finish TA Revisi Dongky - digilib.its.ac.iddigilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-14441-4305100010... · Es = Structural grade quality factor ... pipa tersebut tersambung dari
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
xxiii
DAFTAR NOTASI
A = Luas
Ai = Luas permukaan dalam pipa
Am = Luas rata-rata permukaan pipa
c = Jumlah dari toleransi mekanis
D = Diameter pipa
DC = Diameter (inci) dari bukaan lingkaran sama dengan jumlah luasan
pada bukaan inlet, extraction, dan exhaust
do = Diameter luar pipa
di = Diameter dalam pipa
Ec = Basic quality factor
Eq = Quality factor
Ej = Joint quality factor
Es = Structural grade quality factor
EXP = Kondisi expansi
f = Faktor pengurangan stress
F = Gaya tegak lurus terhadap potongan
Fxc = Gaya pada sumbu x program Caesar II
Fyc = Gaya pada sumbu y program Caesar II
Fzc = Gaya pada sumbu z program Caesar II
Fax = Gaya aksial
FR = Gaya radial
xxiv
FL = Gaya longitudinal
Fxp = Gaya pada sumbu x pompa
Fyp = Gaya pada sumbu y pompa
Fzp = Gaya pada sumbu z pompa
G = Modulus geser
HYD = Kondisi pembebanan hidrotes (tes dengan air)
HP = Tekanan hidrostatis
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Didalam sebuah Plant, baik itu LNG Plant, Petrochemical Plant, Fertilizer
Plant, Nuclear Plant, Geothermal Plant, Gas Plant, baik di On-Shore maupun di
Offshore, semuanya mempunyai dan membutuhkan Piping. Piping mempunyai
fungsi untuk mengalirkan fluida dari satu tempat ke tempat lainnya. Fluida yg
berada didalamnya bisa berupa gas, air, ataupun Vapour yang mempunyai
temperature tertentu. Karena umumnya material pipa terbuat dari metal, maka
sesuai dengan karakteristiknya, pipa akan mengalami pemuaian jika dipanaskan
dan akan mengalami pengkerutan apabila didinginkan. Setiap kejadian pemuaian
ataupun pengkerutan dari pipa tadi, akan menimbulkan pertambahan ataupun
pengurangan panjang pipa dari ukuran semula, dalam skala horizontal. Misalkan
pipa tersebut tersambung dari Heat Exchanger ke Cooler Box, maka perpanjangan
ataupun pengurangan tadi, secara otomatis akan membawa pengaruh terhadap titik
dimana pipa tersebut tersambung. Heat exchanger merupakan salah satu urat
nadi proses dilingkungan industri yang sangat diperlukan sebagai sarana
perpindahan panas. Sedangkan Cooler Box merupakan equipment yang
melakukan pemisahan fase berdasarkan temperatur ataupun pressure.
Perancangan sistem perpipaan yang baik dan aman sangat dibutuhkan untuk
menjamin kelangsungan dari proses serta menjamin umur pemakaian dari sistem
pemipaan sesuai dengan siklus rancangan. Namun pada kenyataannya dilapangan
masih ditemukan kegagalan-kegagalan yang terjadi pada sistem pipa, baik pada
saat instalasi maupun operasi. Hal ini jelas merugikan karena sistem tidak dapat
beroperasi secara maksimum. Untuk itulah perlu dilakukan stress analysis pada
pipa sehingga tidak mengalami overstress.
2
Support adalah alat yang digunakan untuk menahan atau memegang 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 pembebanannya
penyangga pipa dapat dibagi menjadi dua (Raswari, 1986) yaitu pembebanan
statis dan pembebanan dinamis.
Memperhitungkan cost (biaya) yang dibutuhkan dalam perancang pipa juga
merupakan hal utama yang harus kita pikirkan. Sehingga, nantinya kita bisa
mendapatkan suatu sistem perpipaan yang memiliki nilai ekonomis yang tinggi
dan tentunya tetap dapat berjalan dengan aman dalam suatu plant project.
Pada tugas akhir ini akan dilakukan perancangan sistem perpipaan dan
analisa tegangan yang mengacu pada code atau standard ANSI/ASME B31.3
Chemical Plant And Petroleum Refinery Piping. Dimana analisis tegangan
dilakukan dengan menggunakan bantuan program CAESAR II versi 5.1.
1.2. Perumusan Masalah
Permasalahan dari tugas akhir ini adalah :
1. Bagaimana Tegangan (stress) yang terjadi pada masing-masing
konfigurasi sistem perpipaan dari Heat exchanger ke Cooler box ?
2. Berapakah biaya untuk masing-masing konfigurasi sistem perpipaan dari
Heat exchanger ke cooler box ?
3. Manakah konfigurasi sistem perpipaan dari Heat exchanger ke cooler box
yang aman untuk operasi, yang sesuai dengan code, dan memiliki biaya
(cost) yang ekonomis ?
3
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penyusunan tugas akhir dengan tema perancangan dan analisis
tegangan pada sistem perpipaan adalah :
1. Mengetahui Tegangan (stress) yang terjadi pada masing-masing konfigurasi
sistem perpipaan dari Heat exchanger ke Cooler box.
2. Mengetahui biaya untuk masing-masing konfigurasi sistem perpipaan dari
Heat exchanger ke cooler box.
3. Mengetahui konfigurasi sistem perpipaan mana yang aman untuk operasi
sesuai dengan code, dan memiliki biaya (cost) yang ekonomis dari Heat
exchanger ke cooler box.
1.4. Manfaat
Manfaat utama yang didapatkan dari penyusunan tugas akhir ini adalah
untuk mendapatkan sebuah sistem perpipaan yang aman untuk operasi sesuai
dengan code dan standard internasional, mulai dari pemilihan material sampai
dengan analisis tegangan pipa dengan menggunakan program analisis tegangan
CAESAR II versi 5.1.
1.5. Batasan Masalah
Batasan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Perancangan dan analisis sistem perpipaan dalam tugas akhir ini adalah
sistem perpipaan dari heat exchanger menuju cool box pada proyek ROPP
RI 031.
2. Pemodelan dan analisis menggunakan program analisis tegangan Caesar II
Versi 5.1.
3. Pipa dianggap homogen dan isotropis pada saat melakukan analisis.
4. Pipa sesuai dengan standard ASME B31.3.
5. Flange dimodelkan sebagai elemen rigid dengan menambah berat pada
model.
4
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan laporan tugas akhir ini dimulai dengan bab satu yang
berisi pendahuluan yang menjelaskan tentang latar belakang penelitian yang akan
dilakukan, perumusan masalah, tujuan yang hendak dicapai dalam tugas akhir ini,
manfaat yang diperoleh, batasan masalah dan sistematika penulisan laporan.
Dasar teori dan tinjauan pustaka yang menjadi sumber referensi dalam tugas
akhir ini dibahas dalam bab dua. Secara rinci bab dua ini berisikan tinjauan
pustaka yang menjadi acuan dari penelitian tugas akhir, dasar-dasar teori, rumus-
rumus dan code yang digunakan dalam penelitian tugas akhir.
Bab tiga pada penulisan laporan tugas akhir ini menjelaskan metodologi
penelitian yang digunakan untuk mengerjakan tugas akhir. Penjelasan tentang
langkah-langkah yang ada dan data-data yang digunakan dalam penelitian.
Analisa penelitian dalam tugas akhir ini akan dibahas dan diterangkan pada
bab empat. Bab ini akan membahas pengolahan data hasil dari perhitungan hingga
menghasilkan kesimpulan yang menjadi tujuan dari tugas akhir. Dimana
kesimpulan beserta saran yang diperlukan untuk penelitian lebih lanjut dari tugas
akhir akan diterangkan pada bab lima.
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Perpipaan
2.1.1 Tinjauan Umum
Sistem perpipaan memegang peranan penting dalam industri di dunia
sekarang ini. Seperti pembuluh darah yang terdapat dalam tubuh kita (arteri dan
vena), sistem perpipaan digunakan untuk mengalirkan cairan, mencampur, serta
barmacam-macam proses lainnya, baik yang sederhana maupun yang kompleks
seperti di industri kimia dimana menggunakan berbagai jenis komponen-
komponen pipa berbeda untuk mengukur, mengkondisikan, bahkan mengatur
aliran fluida itu sendiri.
Adapun bagian-bagian dari sistem perpipaan itu sendiri terdiri dari pipa,
flange, sambungan (fitting), gasket, katup, reducer, belokan serta komponen-
komponen pendukung lainnya.
2.1.2 Komponen Sistem Perpipaan
a) Pipa
Pipa terbuat dari silinder berongga yang digunakan untuk menghantarkan
suatu fluida atau untuk mendistribusikan fluida bertekanan. Umumnya pipa
terbuat dari material yang mudah untuk digunakan, baik dari segi proses produksi
maupun pemakaian. Sistem perpipaan biasanya terdiri komponen-komponen pipa
(pipa, gasket, katup, flange, serta komponen lainnya) yang dirakit untuk
mengalirkan, mencampur, memisah atau mengontrol laju dari aliran fluida itu
sendiri.
Ukuran pipa
Standard ukuran pipa umumnya dinyatakan dengan NPS (Nominal Pipe
Size), yang menunjukkan ukuran pipa dengan angka yang tertulis setelahnya. Pipa
dengan ukuran NPS 12 dan ukuran lebih kecil memiliki diameter luar yang lebih
besar daripada yang ditunjukkan. Sedangkan untuk ukuran pipa NPS 14 dan yang
6
lebih besar memiliki ukuran diameter luar yang nilainya sama dengan yang
ditunjukkan. Contohnya NPS 14 memiliki diameter luar 14 in, tetapi ukuran
diemeter dalamnya tergantung dari tebal dinding pipa yang ditunjukkan dengan
schedule number, yang merujuk pada ASME B36.10M Welded and Seamless
Wrought Steel Pipe atau ASME B36.19M Stainless Steel Pipe. Untuk standard
internasional yang mengacu pada ISO (International Standards Organization)
umumnya menggunakan DN (Diameter Nominal) dalam menyatakan ukuran pipa.
Tabel 2. 1 Pipe Size Designators NPS and DN
NPS DN NPS DN NPS DN NPS DN
¹⁄� 6 3¹⁄� 90 22 550 44 1100
¹⁄� 8 4 100 24 600 48 1200
³⁄� 10 5 125 26 650 52 1300
¹⁄� 15 6 150 28 700 56 1400
³⁄� 20 8 200 30 750 60 1500
1 25 10 250 32 800 64 1600
1¹⁄� 32 12 300 34 850 68 1700
1¹⁄� 40 14 350 36 900 72 1800
2 50 16 400 38 950 76 1900
2¹⁄� 65 18 450 40 1000 80 2000
3 80 20 500 42 1050 — —
Sumber : Mohinder L. Nayar, 2000, Chapter Intoduction to Piping, dalam Mohinder L. Nayar Piping Handbook 7th Edition
Tebal dinding pipa
Di kalangan industri, tebal dinding pipa sering juga dinyatakan dengan
schedule, yaitu terdiri dari S, 5, 5S, 10, 10S, 20, 20S, 30, 40, 40S, 60, 80,
80S,100, 120, 140, 160. Ukuran tersebut menyatakan perbandingan rata-rata 1000
P/S, dimana P adalah tekanan fluida kerja dan S adalah tegangan yang diijinkan
7
dalam satuan psi. Semakin tinggi nilai schedule-nya maka semakin tebal dinding
pipa tersebut.
b) Sambungan (fitting)
Pipa yang di produksi oleh pabrik memiliki panjang tertentu sehingga
untuk menyambungnya di gunakan fitting atau sambungan. Sambungan ini bisa
juga menghubungkan pipa utama (header) dengan percabangan, mengubah arah
baik 45o maupun 90o maupun merubah diameter aliran.
c) Katup
Fungi katup pada sistem perpipaan sangat banyak dan sangat penting serta
jenisnya-pun beraneka ragam. Salah satu fungsinya yaitu menghentikan, mengatur
aliran fluida juga ada yang berfungsi untuk mengatur agar tekanan di dalam
sistem tidak melebihi batas maksimum. Adapun cara pengoperasian katup itu
sendiri ada secara manual, otomatis, atau kombinasi dari keduanya. Untuk
pemilihan material katup pada suatu sistem perpipaan telah diatur dalam ASME
16.34 Valve Flange, Threaded and Welding End.
d) Flanges
Salah satu jenis sambungan pada sistem perpipaan, misalnya pipa dengan
pipa, pipa dengan valves, pipa dengan equipment atau dengan komponen lainnya
umumnya menggunakan flange. Sambungan flange dibuat dengan cara
menyatukan dua buah flange dengan menggunakan baut dan mur, serta
menyisipkan gasket antara kedua flange tersebut. Hal penting yang harus
diperhatikan ialah kekuatan dari flange yang akan digunakan. Ketahanan dari
flange terhadap tekanan adalah berbanding terbalik dengan temperatur (pressure-
temperatur rating). Makin tinggi suhu makin rendah kemampuan flange terhadap
tekanan. Untuk pemilihan material flange yang mempunyai ukuran pipa ½ sampai
24 inci telah diatur dalam ASME 16.5. Sedangkan untuk flange pada pipa – pipa
berukuran besar atau diatas 24 in menggunakan standard ASME 16.47.
e) Gasket
Gasket yang umum dipakai adalah jenis spiral wounded gasket. Jenis ini
menawarkan reliabilitas yang tinggi baik pada pemakaian umum maupun spesifik.
8
Biasanya memiliki ketebalan yang berbeda tergantung pada tekanan kerja. Seiring
dengan mulai dibatasinya pemakaian asbestos, PTFE (teflon) lebih banyak disukai
sebagai pengisi pada spiral wound gasket. Pada industri kimia dan pemakaian
umum gasket jenis asbestos, PTFE, dan NBR (nitril-buthyl rubber) masih banyak
digunakan terutama untuk sistem perpipaan bertekanan rendah karena harga yang
relatif lebih murah dari pada jenis spiral wound. Pada umumnya pemilihan jenis
gasket disesuaikan dengan pemilihan jenis flange yang digunakan. Namun
evaluasi terhadap ketahanan gasket tersebut terhadap suhu dan jenis fluida juga
perlu diperhatikan. Untuk pemilihan gasket berbahan metallic telah diatur dalam
ASME 16.20, sedangkan gasket yang mamakai bahan non metallic diatur dalam
ASME 16.21.
f) Expansion Joint
Expansion joint merupakan salah satu sambungan pipa yang jarang
dipakai pada suatu sistem perpipaan. Sambungan ini biasanya dipakai untuk
mereduksi pergeseran secara aksial, rotasi angular, serta defleksi lateral pada pipa.
Pada umumnya ada dua macam kategori expansion joint, yaitu tipe slip dan
packless. Tipe packless merupakan spiral metal expansion joint yang sekarang ini
banyak digunakan pada sistem perpipaan modern karena tidak begitu
membutuhkan perawatan yang rumit, serta bersifat mampu menyerap pergeseran
yang diakibatkan ekspansi termal (Helguero,1986). Sedangkan untuk tipe slip
sudah jarang dipergunakan, karena masih memerlukan perawatan yang rumit serta
hanya mampu mereduksi pergeseran secara aksial saja.
2.1.3 Material Pipa
Pemilihan material untuk penggunaan pipa di industri proses sangat
penting, membutuhkan pengetahuan mengenai sifat dan karakteristik dari material
itu sendiri sehingga cocok dengan jenis proses yang akan digunakan. Material
yang dipilih harus sesuai dengan aliran fluida, kondisi pada saat operasi (tekanan
dan temperatur) sehingga aman dipakai selama proses berlangsung. Faktor
kekuatan mekanik harus diperhitungkan untuk kondisi operasi yang cukup lama
serta ketahanan terhadap kondisi thermal dari fluida kerjanya. Kondisi lingkungan
9
cttm +=
).(2 PYSEPDt+
=
sekitar pipa atau pemipaan harus di perhatikan, karena penurunan sifat-sifat
material dapat terjadi, seperti korosi, erosi, atau kombinasi dari keduanya.
Material yang umum digunakan pada pipa untuk industri ialah baja karbon
(carbon steel), namum dalam pembuatannya umumnya merupakan campuran dari
berbagai unsur logam, seperti karbon, fosfor, mangan, nikel, chrom, alumunium,
vanadium dan campuran lainnya. Cara termudah dalam mengelompokkan ialah
dengan menetapkan jumlah karbon dari setiap kelasnya antara 0.05-1 % dari
beratnya, sehingga pengelompokannya menjadi:
a. Low carbon steel, 0.05-0.25 % karbon
b. Medium carbon steel, 0.25-0.5 % karbon
c. High carbon steel, 0.5 % dan lebih kandungan karbon
Penggunaan kelas yang lebih tinggi pada pipa industri proses ialah jenis
ferritic dan martensitic stainless steels. Jenis material ini merupakan paduan
dengan unsur chrom sebanyak lebih dari 12%, sehingga di dapat material yang
tahan terhadap korosi. Jika unsur nikel ditambahkan dengan komposisi yang
cukup pada paduan antara besi dan chrom tadi maka akan didapat sebuah struktur
austenitic (FCC). Austenitic stainless steel merupakan paduan yang cukup baik
dalam kekuatan material, kelenturan dan ketahan terhadap korosi.
2.1.4 Ketebalan Dinding Pipa
Ketebalan yang dibutuhkan pada pipa lurus adalah
(2.1)
Ketebalan minimum dari T untuk pipa yang dipilih, mempertimbangkan minus
toleransi seharusnya tidak kurang dari tm.
Ketebalan dinding pipa lurus dengan tekanan dari dalam :
(2.2)
10
Dimana :
c = Jumlah dari toleransi mekanis untuk permukaan beralur atau
dikerjakan dengan mesin dimana jika toleransi tidak diberikan,
toleransi diasumsikan sebesar 0,5 mm (0,02 inci).
D = Diameter luar dari pipa yang tertera pada tabel standart atau
spesifikasi atau yang telah terhitung.
d = diameter dalam dari pipa. Untuk perhitungan disain tekanan,
diameter dalam dari pipa adalah nilai maksimum pada spesifikasi