ANALISA TEGANGAN SISTEM PERPIPAAN DARI PIPA 16” DAN SLUG CATCHER MENUJU GAS SCRUBBER PADA ONSHORE RECEIVING FACILITY

Tommy IvantoroMechanical Engineering, Diponegoro University

Jl. Prof Sudharto, SH. Tembalang-Semarang 50275. Telp +62247460059tommy.ivantoro@yahoo.com

ABSTRAK

Sistem perpipaan berfungsi untuk mengalirkan fluida dari satu atau beberapa titik ke titik lainnya. Di industri minyak dan gas pipa mengangkut fluida dari sumber pasokan air ke titik-titik distribusi, menyampaikan limbah dari bangunan perumahan dan komersial dan fasilitas kemasyarakatan lainnya ke fasilitas pengobatan atau titik pembuangan. Demikian pula, pipa membawa minyak mentah dari sumur minyak ke tangki untuk penyimpanan atau kilang untuk diproses. Fokus studi pada analisa tegangan pipa dari pipa 16” dan slug Catcher menuju Gas Scrubber serta ketebalan minimum dinding pipa di Onshore Receiving Facility milik PT. Pertamina Hulu Energi West Madura Offshore. Standar yang digunakan untuk pipa proses mengacu pada ASME B31.1 Process Piping. Analisa dilakukan melalui bantuan perangkat lunak Bentley autoPIPE V8i. rancangan pipa dibuat kemudian dianalisa seberapa besar pipa tersebut dapat menahan beban statik sustain dan expansion yang terjadi. Hasil analisa menunjukkan bahwa perlu dilakukan pergantian material pada salah satu pipa ASTM 106 Gr dengan API 5L X80. Karena terdapat tegangan hoop yang melebihi maksimum tekanan desainnya.

Kata kunci : Sistem perpipaan, Slug Catcher, Gas Scrubber, Tegangan Pipa, Bentley autoPIPE V8i, beban statik sustain, expansion, material

PENDAHULUAN

Sistem perpipaan dapat dianalogikan seperti arteri dan vena. Dimana berfungsi untuk mengalirkan fluida (zat cair maupun gas) dari satu atau beberapa titik ke satu atau beberapa titik lainnya. Di kota modern pipa mengangkut air dari sumber pasokan air ke titik-titik distribusi, menyampaikan limbah dari bangunan perumahan dan komersial dan fasilitas kemasyarakatan lainnya ke fasilitas pengobatan atau titik pembuangan. Demikian pula, pipa membawa minyak mentah dari sumur minyak ke tangki untuk penyimpanan atau kilang untuk diproses. Contoh berikutnya yaitu transportasi dan distribusi pipa gas alam menyalurkan gas alam dari sumber atau tangki penyimpanan untuk pemanfaatan, seperti pembangkit listrik, fasilitas industri, dan masyarakat komersial dan perumahan. Singkatnya, sistem perpipaan merupakan bagian penting dan dari

peradaban modern kita khususnya di bidang industri. Pada laporan ini, penulis akan membahas mengenai pipa yang mengacu pada (ASME B31.3, 2002). Pipa merupakan komponen utama tempat mengalirnya fluida kerja. Sistemnya dinamakan sebagai standard (STD) atau standard weight (STD.WT.). Pada sistem ini, diameter luar pipa yang dijadikan standar. Selain sistem standard (STD), ada juga sistem ketebalan pipa yang lebih tebal dan kuat untuk fluida yang memiliki tekanan yang lebih besar yaitu extra strong (XS) dan double extra strong (XXS) dimana tidak terjadi perubahan diameter luar dari pipa.

Dengan perkembangan kekuatan dan tahanan korosi material pipa, dibutuhkan dinding pipa yang menghasilkan metode baru dari spesifikasi ukuran pipa dan ketebalan dinding pipa. Desain tersebut dikenal dengan nominal pipe size (NPS). Misal NPS 2 menunjukkan pipa yang berdiameter luar 2,375 inci. Untuk NPS 12 dan lebih kecil pipa memiliki diameter luar lebih besar dari ukuran desain.

Namun, diameter luar untuk pipa NPS 14 dan NPS yang lebih besar adalah sama dengan ukuran desain dalam satuan inci. Sebagai contoh, NPS 14 pipa memiliki diameter luar sebesar 14 inci. Diameter dalamnya akan tergantung pada ketebalan dinding pipa yang ditentukan dengan nomor schedule (SCH).

Tegangan yang tejadi dalam sistem perpipaan dapat dikelompokkan ke dalam dua kategori, yakni tegangan normal (normal stress) dan tegangan geser (shear stress). Tegangan normal terdiri dari tiga komponen tegangan, yang masing-masing adalah [1]:

1. Tegangan longitudinal (longitudinal stress), yaitu tegangan yang searah panjang pipa. Tegangan longitudinal merupakan jumlah dari tegangan aksial (axial stress), tegangan tekuk (bending stress) dan tegangan tekanan (pressure stress).

Gambar 1. Tegangan longitudinal[4].

2. Tegangan Tangensial atau Tegangan Keliling (Circumferential Stress atau Hoop Stress) yaitu tegangan yang searah garis singgung penampang pipa. Tegangan tangensial ditimbulkan oleh tekanan internal yang bekerja secara tangensial dan besarnya bervariasi tergantung pada tebal dinding pipa.

Gambar 2. Tegangan keliling[3].

3. Tegangan Radial (Radial Stress) yaitu tegangan searah jari-jari penampang pipa. Oleh tekanan internal tegangan radial maksimum terjadi pada permukaan dalam pipa dan tegangan minimum pada permukaan luarnya.

Gambar 3. Tegangan radial[4].Sedangkan tegangan geser sendiri terdiri dari

dua komponen tegangan, yang masing-masing adalah:1. Tegangan Geser (Shear Stress), yaitu tegangan akibat gaya geser mencapai nilai maksimum pada sumbu pipa dan nilai minimum pada jarak terjauh dari sumbu pipa (yaitu permukaan luar pipa). Tegangan Puntir atau Tegangan Torsi (Torsional Stress), 2. Tegangan puntir yaitu tegangan akibat momen puntir pada pipa. Apabila suatu poros dengan luas permukaan tetap dikenai suatu puntiran (twisting) pada setiap ujungnya maka puntiran tersebut dikatakan sebagai torsi. Dari kelima macam tegangan yang terjadi di atas dapat disimpulkan bahwa apabila ada beban luar maupun internal pressure yang bekerja pada sistem perpipaan, maka

pada sistem perpipaan tersebut akan mengalami tiga macam tegangan yang patut dipertimbangkan, yaitu tegangan longitudinal, tegangan shear torsional dan hoop stress dan dua macam tegangan yang diabaikan yaitu tegangan radial dan tegangan geser (shear stress).

Berdasarkan standar, ketebalan dinding minimum yang diperlukan pada pipa ditentukan dengan persamaan berikut ini [2] :

(1)

Nominal ketebalan dinding pipa dapat ditentukan dengan persamaam berikut ini :

(2)Nilai tekanan internal desain maksimum pipa

diperoleh melalui persamaan :

(3)Penentuan nilai safety factor dengan persamaan

berikut ini :

(4)

SF > 1.0 amanSF < 1.0 tidak aman

PROSEDUR EKPERIMEN

Gambar 4. Diagram alir metodologi penelitian

Untuk menghitung ketebalan minimum dinding pipa berdasarkan gambar 5 dengan material carbon steel ASTM 106B (seamless pipe), joint quality factor, E, adalah 1,00.

Tabel 1. Basic quality factor[2]Spec. No.

Class (or Type) Description Ej (2)

Carboon Steel  

API 5L Seamless pipe 1  Electric resistance welded pipe 0.85  Electric fusion welded pipe, double

butt, straight or spiral steam0.95

     Furnace butt welded 0.6   

A53 Type S seamless ipe 1  Type E Electric resistance welded pipe 0.85  Type F Furnace butt welded 0.6   A105 Forging and fittings 1A106 Seamless pipe 1A234 Electric fusion welded pipe, single

butt, straight or spiral seam0.8

      A235 Electric resistance welded pipe 0.85

A139  Electric fusion welded pipe, straight or spiral seam 0.8

Basic allowable stresses in tension for metals adalah 20,000 MPa.

Tabel 2. Allowable stress [2]

Material

Spec.

No.

P-No.

or S-No (5)

Grade Notes

Min. Temp., oF (6)

Specified Min. Min Tem

p.

   

Strength, ksi

Tensile

Yield

to 100

200

300

… A 53 1 B (57) (59)

… A 106 1 B (57) B

… A 333

… A 334 1 6 (57) -50 60 35 20 20 20

… A 369 1 FPB (57) -20

… A 381

S-1 Y35 … A

… API 5L

S-1 B (57) (59)

(77) B          

Serta Values of coefficient Y senilai 0.4 karena masih berada dibawah suhu 900 0F.

Tabel 3. 304.1.1 nilai dari koefisien y [2]

  Temperature C [ F]⁰ ⁰

Materials

≤ 482 ≥ 621[900 510 538 566 593 [1150

& Lower ) [950] [1000] [1050] [1100]&

Up)Ferritic 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 0.7steels

Austenitic 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.7

steels

Other ductile 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4metals

Cast iron 0 … … … … …

Karena corrosion allowances (A) tidak dispesifikkan, maka diasumsikan A = 1.5 mm (0.0625 inch)[5].

HASIL DAN DISKUSIHasil perancangan dan analisa dari tebal

minimum dinding pipa untuk pipa 16 inch dan 2 inch pada gambar isomtrik ORF-ISO-604 dengan material A106 Gr. B dan API 5L X80 adalah :

Gambar 5. Grafik perbandingan ketebalan minimum dinding pipa 16 inch SCH XS

Gambar 6. Grafik perbandingan ketebalan minimum dinding pipa 2 inch SCH 160

Dari kedua grafik tersebut bisa dilihat bahwa pipa dengan material API 5L X80 memiliki nilai minimum ketebalan dinding pipa sebesar 0.4125 inch untuk pipa 16 inch dan 0.115 inch untuk pipa 2 inch. Nilai

tersebut lebih rendah dibanding pipa dengan material ASTM A106 Gr. B yaitu 0.5925 inch untuk pipa 16 inch dan 0.143 inch untuk pipa 2 inch. Sehingga pipa API 5L X80 dapat menahan tekanan internal pipa yang lebih besar.

Gambar 7. Grafik perbandingan safety factor desain dan operasi pipa 16 inch SCH XS

Gambar 8. Grafik perbandingan safety factor desain dan operasi pipa 2 inch SCH 160

Sedangkan untuk nilai safety factor untuk jenis

pipa ASTM A106 Gr. B bernilai 0.82, nilai ini lebih

kecil dari 1 yaitu niilai standar minimum untuk safety

factor jadi bisa dikatakan pipa ini tidak aman. Maka

perlu dilakukan pergantian dengan pipa API 5L X80.

Tabel 4. Tegangan sistem perpipaan dari pipa

16” dan Slug catcher menuju Gas Scrubber sebelum

pergantian jenis pipa API 5L X80 pada ORF-ISO-

604.

Maximum

sustained

stress

 Point : K08

Stress psi : 16296

Allowable psi : 20000

Ratio : 0.81

Load combination : GR + Max P {1}

Maximum

expansion

stress

Point : G24

Stress psi : 14457

Allowable psi : 30000

Ratio : 0.48

Load combination : Max Range

Maximum

hoop

stress

Point : L02

Stress psi : 28298

Allowable psi : 20000

Ratio : 1.42

Load combination : Max P {3}

Gambar 9. Maximum hoop stress material ASTM

A106 Gr. B

Tabel 5. Tegangan sistem perpipaan dari pipa

16” dan Slug catcher menuju Gas Scrubber setelah

pergantian jenis pipa API 5L X80 pada ORF-

ISO-604

Maximum

sustained

stress

 Point : K08

Stress psi : 16314

Allowable psi : 30000

Ratio : 0.54

Load combination : GR + Max P {1}

Maximum

expansion

stress

Point : G24

Stress psi : 14457

Allowable psi : 30000

Ratio : 0.48

Load combination : Max Range

Maximum

hoop

stress

Point : L02

Stress psi : 28337

Allowable psi : 30000

Ratio : 0.94

Load combination : Max P {3}

Gambar 10. Maximum hoop stress material API 5L X80

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil perhitungan pemilihan tebal

dinding pipa, pipa 16” dan Slug catcher menuju Gas

Scrubber sudah sangat baik karena tekanan masih

dibawah Maximum Allowable Work Pressure yang

nilainya sebesar 20000 psi untuk A106 Gr B dan

untuk 30000 psi API 5L X80.

Tabel 1. menunjukkan, tegangan statik

maksimum untuk sustain dan expansion yang terjadi

pipa 16 dan Slug catcher menuju Gas Scrubber

masih dibawah tegangan yang diizinkan (allowable

stress) sedangkan untuk tegangan hoop melebihi

(allowable stress) yang sudah ditetapkan code dan

standard. Faktor keamanan tegangan statik

maksimum yang diakibatkan oleh sustained load

adalah 55%. Faktor keamanan tegangan statik

maksimum yang diakibatkan oleh expansion load

adalah 48%. Sedangkan faktor keamanan tegangan

statik maksimum yang diakibatkan oleh hoop stress

adalah 142%. Untuk tegangan statik sustain dan

expansion nilainya masih dikatakan cukup aman

berdasarkan temperatur dan tekanan desain yang

dialami oleh pipa lain halnya dengan tegangan hoop

yang menunjukkan bahwa penggunaan material

ASTM A106 Gr B tidak aman.

Untuk itu menurut ASME B31.3 Process Piping

paling memungkinan dilakukan penggantian jenis

pipa API 5L X80 karena nilai allowable stress cukup

untuk menahan beban hoop stress pada pipa

tersebut. Sehingga nilai – nilai tegangan statik

maksimum yang diakibatkan oleh sustained load

mengalami penurunan menjadi 54%. Untuk

tegangan statik maksimum yang diakibatkan oleh

expansion load tetap 48%. Sedangkan faktor

keamanan tegangan statik maksimum yang

diakibatkan oleh hoop stress menjadi 95%. Nilai ini

menunjukkan pemilihan material dan pemasangan

support yang baik dan aman.

Referensi

1. Mohinder L. Nayyer, dll. Pipping Handbook. 7th ed. (McGraw-Hill), p. C662.

2. ASME B31.3 Process Piping (2002), “Code for pressure piping” (New York, The American Society of Mehcanical Enginers)

3. Ferdinand P. Beer, dll. Mechanics of Materials. 6th ed. (McGraw-Hill), p.479

4. Hibbeler R.C. Mechanics of Materials. 8th

ed. (Prentice Hall), p.3225. Mohinder L. Nayyer, dll. Pipping Handbook.

7th ed. (McGraw-Hill), p. C318.