BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 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. Power 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. 2.2 Ragam Tegangan Pipa Tegangan yang tejadi pada sistem perpipaan dapat dikelompokkan menjadi dua kategori, yakni Tegangan Normal ( Normal Stress ) dan Tegangan Geser ( Shear Stress ). Tegangan normal terdiri dari tiga komponen tegangan, yaitu:

5

6 1. Tegangan Longitudinal ( Longitudinal Stress ), yaitu tegangan yang searah dengan panjang pipa. 2. Tegangan Tangensial atau Tegangan Keliling (Circumferential Stress atau Hoop Stress), yaitu tegangan yang searah dengan garis singgung penampang pipa. 3. Tegangan Radial ( Radial Stress ), yaitu tegangan yang searah dengan jari-jari penampang pipa. Tegangan Geser terdiri dari dua komponen tegangan, yaitu: 1. Tegangan Geser ( Shear Stress ), yaitu tegangan akibat gaya geser. 2. Tegangan Puntir atau Tegangan Torsi (Torsional Stress), yaitu tegangan akibat momen puntir pada pipa. 2.2.1 Tegangan Longitudinal ( Longitudinal Strees ) Tegangan Longitudinal yaitu tegangan yang searah dengan panjang pipa dan merupakan jumlah dari Tegangan Aksial (Axial Stress), Tegangan Tekuk (Bending Stress) dan Tegangan Tekanan (Pressure Stress). Mengenai ketiga tegangan ini dapat diuraikan sebagai berikut : a. Tegangan Aksial adalah tegangan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja searah dengan sumbu pipa, dan dapat dirumuskan sebagai berikut: Ket: A = Luas Penampang Pipa = = Diameter luar pipa = Diameter dalam pipa 2.1 /4

Gambar 2.1 Axial Stress

7 b. Tegangan Tekuk adalah tegangan yang ditimbulkan oleh momen (M) yang bekerja diujung-ujung pipa. Dalam hal ini tegangan yang terjadi dapat berupa Tegangan Tekuk Regang ( Tensile Bending ) dan Tegangan Tekuk Tekan ( Compression Bending ). Tegangan tekuk itu maksimum pada permukaan pipa dan nol pada sumbu pipa, karena tegangan tersebut merupkan fungsi jarak dari sumbu ke permukaan pipa (c). Hal ini dapat digambarkan sebagai berikut: 2.2

Ket: I = Momen Inersia Penampang = Jari - jari permukaan luar pipa = Jari - jari permukaan dalam pipa

Gambar 2.2 Tegangan Tekuk c. Tegangan Longitudinal Tekan adalah tegangan yang ditimbulkan oleh gaya tekan internal (P) yang bekerja pada dinding pipa searah sumbu pipa (gambar 2.3), yang dapat dirumuskan sebagai berikut :4 4 2.3

8 Ket : = Luas permukaan dalam pipa = Luas rata-rata permukaan pipa Tebal pipa

Gambar 2.3 Tegangan Longitudinal Pressure Jadi tegangan longitudinal yang bekerja pada sistem perpipaan dapat dinyatakan dengan rumus ( 2.4 ) di bawah ini : 4 2.4

2.2.2 Tegangan Tangensial ( Hoop Stress ) Tegangan tangensial ditimbulkan oleh tekanan internal yang bekerja secara tengensial dan besarnya bervariasi tergantung pada tebal dinding pipa. Rumus untuk tegangan tangensial dapat didekati dengan memakai persamaan Lame berikut : 2.5

Gambar 2.4 Tegangan Tangensial

9 Untuk dinding pipa yang tipis persamaan ( 2.5 ) di atas dapat disederhanakan menjadi seperti berikut : 2 2.2.3 Radial Stress Besar tegangan ini bervariasi dari permukaan dalam pipa ke permukaan luarnya dan dapat dinyatakan dengan persamaan (2.5).Tegangan radial maksimum terjadi pada permukaan dalam pipa dan tegangan minimum pada permukaan luarnya. Kedua tegangan ini berlawanan dengan tegangan tekuk, sehingga tegangan radial tersebut sangat kecil dibandingkan dengan tegangan tekuk. Jadi tegangan radial dapat diabaikan. 2 2 2.6

Gambar 2.5 Tegangan Radial 2.2.4 Tegangan Geser Tegangan geser mencapai nilai maksimum pada sumbu pipa dan minimum pada jarak terjauh dari sumbu pipa (yaitu permukaan luar pipa). Seperti halnya pada tegangan radial, besar tegangan geser ini kebalikan dengan tegangan tekuk, sehingga tegangan geser relatif kecil dibandingkan dengan tegangan tekuk. Ket : V = Gaya Geser 2.7

10 A = Luas penampang pipa Q = Faktor bentuk ( form factor ) untuk pergeseran (=1.33untuk penampang lingkaran yang pejal)

Gambar 2.6 Tegangan Geser 2.2.5 Tegangan Torsi Suatu bentangan bahan dengan luas permukaan tetap dikenahi suatu puntiran ( twisting ) pada setiap ujungnya dan puntiran ini disebut juga dengan torsional, dan bentangan benda tersebut dikatakan sebagai poros ( shaft ). Untuk suatu poros dengan panjang L dan jari-jari c dikenahi torsi T (sepasang), sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.7(a). Pergeseran sudut ( angular displacement ) ujung satu terhadap yang lainnya diberikan dengan sudut ( dalam radian ) adalah : 2.8

Dengan /2 adalah momen inersia polar pada luas permukaan. Jadi, tegangan geser torsional pada suatu jarak r dari sumbu poros luas permukaan adalah : 2.8

yang bertambah secara linier sebagaimana terlihat dalam gambar 2.7 ( b ). Sehingga, tegangan geser maksimum yang terjadi pada r = c adalah , untuk poros berlubang yang mempunyai jari-jari dalam di atas akan berlaku menjadi : dan jari-jari luar formula

11

2

2.8

Gambar 2.7 a dan Gambar 2.7 b ( Tegangan Torsi ) 2.3 Regangan Jika suatu batang mempunyai panjang awal adalah L dan diberi pembebanan, maka akan timbul perubahan panjang batang yang dinotasikan dengan L, maka regangan adalah hasil dari sebagai berikut :

Perubahan PanjangRegangan () =

Panjang Awal

=

LL

(2.9)

Regangan adalah ukuran deformasi dari bahan, dan tidak mempunyai satuan.

Gambar 2.8 Regangan pada batang 2.4 Hukum Hooke Selama material dalam batas elastisitasnya, deformasi yang dihasilkan oleh berbagai pembebanan akan secara menyeluruh pulih kembali ke keadaan semula jika beban dihilangkan, dengan

12 kata lain tidak ada deformasi permanen. Hukum Hooke secara sederhana dapat ditulis:

Tegangan = = k (2.10) Re gangan Konstanta diberi simbol E yang dinamakan modulus elastisitas atau modulus Young sehingga :

E=

F L PL = = (2.11) A L AL

2.5 Perbandingan Poisson (Poissons Ratio) Perbandingan Poisson adalah hubungan konstan antara regangan lateral dengan regangan aksial. Selama bahan tetap elastis, homogen dan isotropis. Perbandingan Possion ditunjukkan sebagai berikut:

=

regangan lateral regangan aksial

=

regangan lateral regangan aksial ( 2.12 )

2.6 Batasan tegangan 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 ( 2.13 ) Dimana : SL = tegangan sustain akibat berat dan tekanan SH= Hot allowable stress, dan sama dengan 0.625 Syield/hot

13 Tegangan expansi yang diijinkan adalah dua kali tegangan yield rata-rata dikali safety factor, dikali faktor pengurangan cyclic. Secara mendasar, tegangan total rata-rata adalah dua kali tegangan yield , Amplitudo tegangan allowable (Sa) adalah sama dengan tegangan yield ( luluh ). Tegangan tarik dan tegangan tekan karena cyclic thermal tidak boleh melebihi tegangan yield, sebagaimana terlihat, berikut :

Gambar 2.9 Grafik tegangan yang diijinkan1.25 0.25 2.14

Dimana :

= Tegangan range expansi yang terhitung f = factor pengurangan cyclic untuk fatigue = Cold allowable stress = Hot allowable stress

Nilai f didapat dari tabel sebagai berikut: Tabel 2.1. Nilai faktor pengurang tegangan (f) Siklus (N) F 100000 0,5 (ASME B31.1. Process Pipping. ASME. 2002)

14 2.7 Code dan Standard Peninjauan sistem perpipaan adalah aman apabila beban tegangan yang terjadi mempunyai nilai rasio lebih kecil atau sama dengan 1 dari harga yang diijinkan ( allowable ), sebagaimana telah ditetapkan dalam Code maupun Standard International . 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 dan konstruksi dan persyaratan individu dari komponen perpipaan seperti pipa, elbow, fitting, flange, valve, gasket dll. Pemakaian Code dan Standard tersebut harus sesuai dengan proses pada sistem perpipaan yang digunakan. 2.7.1 Dasar dasar Code Prioritas utama apabila hendak melakukan suatu analisa flexibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan adalah harus memenuhi persyaratan-persyaratan Code yang benar. Batatasan-batasan dalam Code dan Standard dapat dikelompokkan menjadi dua bagian, yakni batasan yang berhubungan dengan tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan, dan batasan beban ( gaya dan momen ) yang terjadi pada nozzle equipment akibat beban operating dan sustain sistem perpipaan. Pada sistem perpipaan ada dua dasar mode kegagalan ( failure ) yaitu kegagalan tegangan sustain (primer) dan kegagalan tegangan expansi ( sekunder ). Setiap mode mempunyai karateristik tersendiri, antara lain : 2.7.1.1 Karakteristik tegangan sustain ( Primer ) Karakteristik tegangan sustain antara lain: 1. Kegagalan yang terjadi menimbulkan deformasi plastic yang sangat besar. Kegagalan ini tidak dapat diselesaikan oleh dirinya sendiri, karena sekali terjadi

15 deformasi plastic maka akan terjadi lagi secara terus menerus tanpa henti hingga membentuk nacking (pengecilan seperti leher), dan atau menghasilkan kegagalan pada penampang permukaan (cross section). 2. Sifatnya bukan cyclic alami. 3. Beban sustain biasanya diakibatkan oleh adanya berat dan tekanan (pressure). 4. Batasan yang diijinkan (allowable) untuk tegangan sistem adalah berkisar pada tegangan yield material. (yaitu titik dimana deformasi plastic dimulai). 5. Terjadinya kegagalan tersebut diawali dengan peringatan (warning), karena akibat berat sehingga dapat menimbulkan displacement ( pergeseran ) yang besar dan tidak disangka-sangka. 2.7.1.2 Karakteristik Tegangan Expansi ( Sekunder ) Karakteristik Tegangan Expansi ( Sekunder ) antara lain: 1. Sering menimbulkan kegagalan yang sangat membahayakan setelah menggunakan sejumlah beban (biasanya tinggi). 2. Kegagalan terjadi tanpa peringatan. Selama cyclic berulang-ulang, crack menjalar keseluruh permukaan hingga kapasitas beban yang cukup menjadi hilang. Sekali ini terjadi cycle berikutnya mengakibatkan kegagalan tiba-tiba. 3. Sifat kegagalannya cyclic secara alami, yaitu karena penjalaran (expansi) thermal. 4. Hampir semuanya dibatasi oleh dirinya sendiri, yaitu pemakaian beban tunggal tidak akan pernah terjadi kegagalan.

16 5. Ciri-cirinya adalah suatu crack kecil karena adanya kenaikan tegangan atau ketidaksempurnaan material pada inner atau outer permukaan pipa. 6. Material yang getas jauh lebih mudah dipengaruhi beban expansi dan mudah gagal. 7. Permukaan yang sudah korosi akan mudah menimbulkan peningkatan tegangan dan sebagai titik awal terjadinya crack. Korosi dan cycle tegangan secara simultan (bersamaan) akan menghasilkan kerugian berganda. 8. Pengelasan yang tidak rata (rapi) menyebabkan peningkatan tegangan dan mengurangi kekuatan leleh (fatigue strength). 2.7.2 Analisa ANSI/ASME B31.1 ANSI/ASME B31.1 adalah jenis code yang digunakan dalam analisa tegangan pada system power piping (perpipaan daerah proses atau sekitar proses contohnya: turbin dan reaktor), dimana pada tugas akhir ini akan dibahas tentang analisa tegangan sistem perpipaan pada turbin ROPP, dan sistem perpipaan turbin itu sendiri digolongkan pada code ini. Nilai aktual terhadap batasan yang diijinkan dalam sistem ANSI/ASME B 31.1 pada setiap pembebenan dapat ditulis secara matematik sebagai berikut: a) Beban Sustain Tegangan yang terjadi (actual) pada beban sustain (tekanan, berat, dan beban mekanik sustain yang lain) dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:4 4 0.75 1000 0.75 1.0 1.0 2.15 2.16

17 b) Beban Occasional Tegangan yang terjadi (actual) diakibatkan oleh adanya kombinasi tekanan, berat, beban sustain yang lain, dan beban occasional termasuk gempa dapat dilukiskan sebagaimana persamaan di bawah ini:4 4 0.75 1000 0.75 0.75 1000 0.75 2.17 2.18

c) Beban Ekspansi Stress yang terjadi (actual) diakibatkan oleh adanya thermal expansion (penjalaran termal) atau kombinasi displacement pada equipment nozzle dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : 1000 2.18 2.19

d) Beban Sustain dan Ekspansi Termal Untuk meyakinkan bahwa tegangan yang terjadi adalah masih memenuhi, maka diperlukan conservative values of stress check sebagai katalisator. Katalisator ini merupakan tegangan akibat gabungan beban sustain dan beban ekspansi yang dinyatakan dalam persamaan di bawah termal, ini :4 4 0.75 1000 2.20 2.21 0.75

1000

18 Dimana: I = Faktor intensifikasi tegangan Z = Section modulus pipa (in ) = rm tn (mm ) D = Diameter luar, in (mm) o tn = Tebal dinding nominal, in (mm) P = Tekanan internal rancang, psi (kPa) M = Resultan beban momen akibat beban sustain, in-lbs (N.m)a 3 2 3

M = Jumlah beban momen akibat beban occasional, termasukb

beban gempa, beban dorong dari relief/safety valve, in-lbs (N.m) Mc=Range dari jumlah momen akibat thermal expansion/contraksion,in-lbs (N.m) K = 1.15 untuk beban occasional yang bekerja kurang dari 10% periode operasi K = 1.20 untuk beban occasional yang bekerja kurang dari 1% periode operasi Sls = Tegangan longitudinal akibat beban sustain, psi (kPa) Se =Teg. ekspansi termal akibat ekspansi termal dan pergerakan anchor, psi (kPa) Sls+Se = Teg. longitudinal akibat beban sustain dan tegangan ekspansi termal, psi (kPa) Sa = Allowable stress range untuk expansion stress, psi (kPa) = Sa = f (1.25 Sc + 0.25 Sh) Sc = Basic material allowable stress pada temperatur minimum dari table tegangan ijin, psi (kPa) Sh = Basic material allowable stress pada temperatur maksimum dari Tabel tegangan ijin, psi (kPa) f = Faktor pengurangan stress

19 2.7.3 Standard NEMA SM 23 Ambang batas beban aktual yang diperkenankan untuk nozzle pada turbin telah ditetapkan dalam standard, yaitu Standard NEMA SM 23. Beban aktual yang terjadi dari hasil analisa dengan menggunakan perangkat lunak Piping Stress antara lain beban gaya dan momen pada nozzle turbine steam inlet, nozzle exhaust, dan hasil besar beban dan momen kombinasi antara keduanya. Nozzle bisa dikatakan aman apabila besar gaya dan momen yang ditimbulkan oleh sistem perpipaan inlet dan exhaust mempunyai nilai rasio lebih kecil atau sama dengan satu dari beban yang diperkenankan berdasarkan standard NEMA SM23. Perhitungan beban yang diperkenankan pada nozzle turbine steam dapat dinyatakan sebagai berikut : a) Total resultan gaya dan momen yang bekerja pada turbin steam pada sambungan inlet atau exhaust seharusnya nilainya tidak melebihi dari :

3FR + M R 500De

( 2.22 )

Dimana: FR = resultan gaya (lb) pada sambungan inlet atau exhaust FR =

(F (M

2 x

+ Fy2 + Fz2 ( 2.23 )

)

MR = Momen resultan (lb-ft) pada sambungan inlet atau exhaust MR =2 x 2 + M y + M z2

)

( 2.24 )

De = Dn = Ukuran pipa efektif (inci) pada sambungan inlet atau exhaust apabila diameter kurang dari 8 inci. Untuk ukuran diameter pipa sambungan inlet atau exhaust lebih besar dari 8 inci, maka:

20

De =

(16 + No min al Diameter )3

( 2.25 )

b) Komponen dari resultan tersebut tidak boleh melebihi : Fx = 50 DC Fy = 125 DC Fz = 100 DC Mx = 250 DC My = 125 DC Mz = 125 DC

c) Besar resultan kombinasi dari gaya dan momen pada sambungan inlet dan exhaust, seharusnya nilainya tidak melebihi dari :

2 FC + M C 250DC (2.26)DC = untuk DC 9 ( 2.27 )

DC = Dimana:

untuk DC 9 ( 2.28 )

... (2.29) (2.30) (2.31)(2.32) (2.33) (2.34)

21 (2.35) (2.36)

Dengan :

FC = Resultan gaya kombinasi dari inlet dan exhaust (lb) X,Y,C = jarak antara nozzle pada inlet dan exhaust MC= Resultan momen kombinasi dari inlet dan exhaust, dan momen yang diperoleh dari gaya (lb-ft) DC = Diameter kombinasi (inci) Fx = komponen horizontal dari FC yang paralel dengan poros turbin Fy = Komponen vertikal dari FC Fz = Komponen horizontal dari FC pada sudut kanan dengan poros turbin Mx = Komponen dari MC yang berputar pada sumbu horizontal paralel dengan poros turbin My = Komponen dari MC yang berputar pada sumbu vertikal Mz = Komponen dari MC yang berputar pada sumbu horizontal pada sudut kanan dengan sumbu poros turbin. Komponen Fx, Fy, Fz diperoleh dari hasil analisa software CAESAR II 5.10.

22

Gambar 2.10 Sistem Koordinat pada Standard NEMA 2.7.4 Ekspansi Termal pada Nozzle Ekspansi thermal adalah perpanjangan karena pengaruh suhu secara paralel dengan arah panjang pipa (arah aksial). Dapat dihitung dengan cara sebagai berikut :

= L

T hot

dT (2.37)

Tcold

Dengan: = Ekspansi thermal yang dihasilkan (mm) L = Panjang pipa (mm) = Koefisien ekspansi thermal (mm/(mm.C)) T = Temperatur pipa (C)

23

Tabel 2.2 tabel ekspansi termal

24 2.8 Komponen Sistem Perpipaan Ada beberapa macam komponen pada sistem perpipaan, antara lain: 2.8.1 Pipa Pipe (pipa) adalah komponen yang bebentuk silender berlubang yang digunakan untuk membawa fluida atau mengalirkan tekanan fluida. Jenis pipa berdasarkan metode pembuatan dapat di bagi menjadi dua: a). Seam pipe (pipa dengan klem/sambungan) Electric resistance-welded pipe: Pipa memiliki sambungan longitudinal yang mana perpaduannya dibuat oleh panas yang diperoleh dari tahanan pipa terhadap aliran arus listrik dalam rangkaian dimana pipa merupakan bagiannya, dan dengan aplikasi tekanan. Furnace butt-welded pipe : Pipa ini memiliki sambungan longitudinal yang di las dengan penekanan secara mekanik dengan cara melintaskan koil yang telah dibentuk dan dipanaskan melalui perangkat rol-rol pengelasan. Electric fussion welded pipe : Pipa memiliki sambungan yang mana perpaduannya dibuat dalam bentuk tube oleh busur listrik pengelasan baik secara manual maupun otomatis. Pengelasan bisa dengan atau tanpa logam pengisi (filler metal). Double submerged-arc welded pipe : Pipa memiliki sambungan longitudinal yang dibuat paling sedikitnya 2 pas dan satu diantaranya dari sisi dalam pipa. Perpaduan sambungan dibuat oleh pemanasan busur listrik antara

25 base metal dengan elektrode. Sistem pengelasan yang digunakan adalah submerged arc welding (SAW). Spiral welded pipe : Pipa memiliki sambungan berbentuk helical yang perpaduannya melalui proses pengelasan electric resistance, electric fussion, maupun double-submerged arc welding. b). Seamless pipe (pipa tanpa klem / sambungan) Pipa diproduksi dengan proses piercing dari billet yang diikuti dengan pengerolan (rolling) atau drawing atau keduanya. 2.8.1.1 Panjang Pipa Berdasarkan standard pasar yang umum, panjang pipa dibagi dalam kategori sbb : 1. Single random length : panjang +/- 6 meter (20 feet). 2. Double random length : pajang +/- 12 meter (40 feet). 2.8.1.2 Tebal Pipa Tebal pipa pada umumnya ditentukan dalam sebutan Schedule Number. Namun demikian dalam hal khusus misalnya untuk servis pada tekanan dan temperatur tinggi, corrosion allowance yang tinggi, dengan pertimbangan ekonomis dan ketersediaan di pasaran maka tebal pipa ditentukan sesuai dengan hasil perhitungan Calculated thickness.

26 Tabel 2.3 Tebal Pipa

2.8.1.3 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 umum digunakan pada pipa untuk industri ialah baja karbon (carbon steel), namum dalam pembuatannya umumnya merupakan campuran dari berbagai unsur logam, seperti karbon, phosphor, 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 didapat 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

27 dalam kekuatan material, kelenturan dan ketahan terhadap korosi. Cara perancanaan material pipa telah diatur di ASME Boiler and Pressure Vessel code dan ASME B31 Pressure Piping code. Code ini menjelaskan dengan spesifik tata cara perancangan, tegangan ijin yang diperbolehkan dan sifat-sifat material yang sesuai dengan proses yang dirancang. 2.8.1.4 Kriteria Analisa Pipa Dalam sistem engineering terdapat dua kriteria yaitu Non Critical Piping dan Critical Piping . Non Critical Piping adalah jalur pipa tidak diperhitungkan dalam analisa tegangan pipa karena suhu fluida dalam pipa tidak memenuhi kriteria untuk dianalisa. Critical Piping adalah jalur pipa yang harus diperhitungkan dalam analisa karena suhu fluida dalam pipa memenuhi kriteria untuk dianalisa. Tegangan dan beban yang dianalisa harus dibuat sedemikian rupa sehingga memenuhi standar internasional. Kriteria untuk critical line merupakan fungsi suhu dan diameter pipa yang ditunjukkan pada Gambar 2.11 dan 2.12 dengan sumbu absis adalah diameter pipa dan sumbu ordinat adalah suhu yang bekerja pada sistem perpipaan. Kriteria tersebut dapat dibagi dua kategori, yaitu: a) kriteria sistem pipa dihubungkan dengan nozzle static equipment. b) sistem pipa yang dihubungkan dengan nozzle mesin rotasi (Turbine, Compressor, Pump, Air Cooler, dll). Semua piping yang tidak berada pada kriteria C pada chart, penempatan support harus di koreksi secara sederhana terhadap standard span support yang sudah ada, atau dengan menggunakan metode analitik acceptabilitas yang komprehensip.

28

Gambar 2.11 kriteria sistem pipa dihubungkan dengan nozzle static equipment

Gambar 2.12 kriteria sistem pipa dihubungkan dengan nozzle mesin rotasi Catatan : Kriteria A : Tidak perlu dianalisa Kriteria B : Dikoreksi dengan metode yang sederhana Kriteria C : Detail analisa dihitung dengan komputer Jika manufacturers tidak mempunyai batasan khusus, analisa flexibility harus berdasarkan pada batasan-batasan yang telah ditetapkan oleh Standard API dan/atau NEMA SM-23.

29 2.8.1.5 Rating Pipa Penentuan rating pada sistem perpipaan ditentukan oleh tekanan dan suhu yang bekerja. Berikut adalah klasifikasi rating perpipaan berdasarkan ASME B31.1-1996. Sistem perpipaan dapat diklasifikasikan ke dalam Class 150, 300, 400, 600, 90, 1500, dan 2500. Penentuan rating ditentukan oleh tekanan-suhu dari sistem perpipaan.

Gambar 2.13. Grafik temperatur dengan tekanan kerja yang diijinkan untuk ASME B31.1 flange dan fitting 2.8.2. Fitting (sambungan) Fitting merupakan komponen perpipaan yang berfungsi sebagai penyambung pipa dengan pipa, merubah arah pipa, membuat cabang pipa, memperkecil ukuran perpipaan, dll. Ada beberapa macam jenis fitting, yaitu: a) Elbow Elbow adalah jenis fitting yang digunakan untuk merubah arah perpipaan secara menyudut 45 atau 90 derajat. Ditinjau dari radius bengkokan elbow tersedia dalam tipe sbb:

30 1. Long radius : radius = 1.5 x Diameter 2. Short radius : radius = 1 x Diameter

Gambar 2.14 Elbow b) Tee Tee adalah jenis fitting 3 lubang (3-way fitting) yang berbentuk seperti huruf T digunakan untuk membuat cabang tegak lurus terhadap pipa utama. Terdapat 2 tipe yang umum dipakai di perpipaan yaitu : 1. Stright Tee : Memiliki 3 bukaan dengan ukuran penampang yang sama. 2. Reducung Tee : Memiliki sebuah cabang dengan ukuran penampang yang lebih kecil dari pipa utamanya.

31

Gambar 2.15 Tee c) Reducer Reducer adalah jenis fitting yang digukanan untuk mereduksi ukuran perpipaan. Ada 2 tipe reducer sbb: 1. Concentric Reducer : memiliki pusat sumbu (centerline) yang sama antara penampang yang besar dan yang kecil. 2. Eccentric Reducer : memiliki pusat sumbu yang berbeda (offset) antara penampang yang besar dan yang kecil. Concentric reducer adalah paling umum digunakan, sedangkan eccentric reducer sering digunakan pada perpipaan di dadaerah sekitar pompa dan piperack.

Gambar 2.16 Reducer

32 d) Cap Cap adalah jenis fitting yang digunakan untuk menutup ujung pipa. Metode sambungan bisa berupa : butt weld, socket weld, treaded.

Gambar 2.17 Cap e) Weldolet Weldolet adalah jenis fitting yang digunakan untuk membuat cabang dengan ukuran lebih kecil dari pipa utamanya. Weldolet biasanya dipakai pada perpipaan dengan tekanan dan temperature tinggi dimana sambungan las dengan tipe buttweld. Gambar ( 2.18 ) f) Mitre Mitre kadang-kadang digunakan untuk menggantikan kadang elbow. Mitre difabrikasi dari material pipa. Pemakaian miter untuk ukuran pipa besar bisa lebih murah dari pada elbow. Miter biasanya dipakai untuk perpipaan dengan ukuran besar dan tekanan rendah. Gambar ( 2.19 )

Gambar 2.18 Weldolet Gambar 2.19 Mitre

33 g) Coupling Coupling adalah jenis fitting yang digunakan untuk membuat cabang ( half coupling ) pada pipa dengan ukuran 2 ke atas dan untuk menyambung pipa lurus ( full coupling ). Metode sambungan bisa berupa : Socket weld, dan treaded.

Gambar 2.20 Coupling h) Plug Plug adalah jenis fitting yang digunakan untuk menutup bagian ujung yang terbuka dari coupling atau ujung valve dari vent atau drain. i) Union

Union pada dasarnya digunakan untuk keperluan melepas fitting dan dalam beberapa kasus digunakan untuk menyambung (assembly) perpipaan.

Gambar 2.21 Plug

Gambar 2.22 Union

34 2.8.3 Flange Flange merupakan komponen perpipaan yang berfungsi untuk penyambung antara pipa dengan komponen yang lain seperti valve, strainer, expansion joint, alat-alat instrumen, dll. Serta untuk menutup aliran fluida. Disamping fungsi tersebut dalam desain khusus flange diinstal untuk keperluan maintenance ( break flange ). Dari segi kekuatan terhadap tekanan dan temperatur, flange diklasifikasikan dalam satuan rating yaitu : 150#, 300#, 400#, 600, 900#, 900#, 1500#, dan 2500#. Jenis jenis flange antara lain: a) Welding Neck Flange Flange ini dibedakan dari tipe flange yang lain karena bentuk hub yang panjang dan meruncing (taper) dengan tebal hub yang berangsur mengecil ke arah ujungnya. Gambar ( 2.23 ) b) Slip-on flange Flange ini sangat disukai oleh kontraktor karena harga relatif murah, pemasangan lebih mudah dibanding dengan welding neck flange. Gambar ( 2.24 ) c) Threaded Flange Flange ini diinstal tanpa adanya pengelasan yang mana sangat tergantung pada thread untuk sealingnya. Flange ini tidak sesuai untuk kondisi cyclic (sering mati-hidup) dimana kebocoran dari thread bisa terjadi. Gambar ( 2.25 ) d) Blind Flange Flange ini digunakan untuk menutup ujung perpipaan, valve, dan nozzle equipment. Gambar ( 2.26 )

35

Gambar 2.23

Gambar 2.24

Gambar 2.25

Gambar 2.26 2.8.4 Valve Valve digunakan secara luas dalam sistem perpipaan untuk memotong, mengalihkan, atau mengatur aliran fluida. Pengoperasian valve bisa secara manual maupun secara otomatis melalui sinyal dari alat kontrol. Valve dibuat berdasarkan standard rating tekanan dan temperatur sesuai dengan ANSI / ASME B16.1 untuk material besi tuang, B16.34 untuk material baja, B16.24 untuk material perunggu. Ada beberapa jenis valve antara lain : a) Gate valve Gate valve didesain untuk mengisolasi sistem perpipaan. Pada umumnya valve ini dioperasikan pada posisi disk terbuka penuh atau menutup penuh. Gate valve dianjurkan untuk tidak digunakan sebagai pengatur atau mencekek (throttling) aliran fluida karena fungsi kontrolnya tidak akurat.

36 b) Check valve Check valve didesain untuk mencegah aliran balik ( back flow) dalam sistem perpipaan. c) Ball valve Ball valve adalah valve dengan seperempat putaran dan sangat cocok untuk gas, udara bertekanan, cairan, dan servis campuran antara cair dan padat ( slurry ). Pemakaian material soft-seat seperti nylon, delrin, karet synthetic, dan fluorinate polymers memberikan kemampuan sealing yang bagus.

Gambar 2.27 Gate Valve

Gambar 2.28 Check Valve

Gambar 2.29 Ball Valve 2.8.5 Gasket Gasket merupakan komponen perpipaan yang dipasang di antara dua kontak permukaan flange yang berfungsi sebagai sealing untuk menghindari terjadinya kebocoran.

37 2.8.6 Strainer Strainer digunakan dalam sistem perpipaan untuk melindungi peralatan yang sensitif terhadap kotoran dan partikel lainnya yang terbawa oleh fluida. 2.8.7 Penyangga atau Support 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 yaitu pembebanan statis dan pembebanan dinamis. Penyangga harus mampu menahan keseluruhan berat sistem perpipaan, termasuk didalamnya pipa, insulasi, fluida yang terkandung, komponen, dan penyangga itu sendiri. Metode yang sederhana dalam memperkirakan tegangan yang terjadi pada pipa dan beban pada penyangga terhadap berat adalah memodelkan pipa sebagai batang yang mempunyai beban terbagi rata pada panjangnya. Panjang batang sama dengan jarak antara penyangga. Jarak antar penyangga secara sederhana ditentukan oleh persamaan sebagai berikut :

L=

10ZS ( 2.38 ) W

Dengan: L = Jarak maksimum yang diizinkan antara penyangga untuk pipa horizontal lurus (mm) Z = Modulus pipa (mm3)

38 S = Tegangan yang diijinkan (tergantung pada bahan pipa, suhu, tekanan, dan code yang digunakan) W = Berat per-satuan panjang (N/mm) Table 2.4 jarak ideal antar support untuk pipa non kritikal Diameter pipa 4 6 8 10-12 Fluida cair 14 ft 17 ft 19 ft 23 ft Fluida gas 17 ft 21 ft 24 ft 30 ft

Untuk pipa kritikal penentuan peletakan penyangga pipa ditentukan oleh analisis dengan bantuan komputer. Peletakan penyangga juga harus memperhatikan letak pipa yang terdapat pada sekitarnya, letak pondasi struktur penyangga sipil (rak pipa). a. Penyangga Pembebanan Statis Jenis penyangga pembebanan statis diantaranya adalah Penyangga struktur, penyangga kaki bebek, penyangga bentuk siku-siku, penyangga pembaringan pipa, penyangga gantung, penyangga pipa rendah. b. Penyangga Pembebanan Dinamis Penyangga pembebanan dinamis terdiri atas Penyangga variabel (variable support) dan penyangga konstan (constant support).

39

Gambar 2.30 Flexible Supports Selain penyangga statik dan dinamis terdapat pelengkap penyangga pipa yaitu Penuntun (guide), angker (anchor), sepatu (shoe).

Gambar 2.31 Restraint Anchors

Gambar 2.32 Restraint Guides

Gambar 2.33 Rigid Supports

40 Halaman ini sengaja dikosongkan