..sedikit berbagi ilmu..

ketika ilmu begitu bermanfaat

Sebuah Pengantar Piping Stress Analysis

Piping Stress Analysis

Piping Stress analysis adalah suatu cara perhitungan tegangan (stress) pada pipa yang diakibatkan oleh beban statis dan beban dinamis yang merupakan efek resultan dari gaya gravitasi, perubahaan temperature, tekanan di dalam dan di luar pipa, perubahan jumlah debit fluida yang mengalir di dalam pipa dan pengaruh gaya seismic. Process piping dan power piping adalah contoh system perpipaan yang membutuhkan analisa perhitungan piping stressnya yang dilakukan tentunya oleh pipe stress engineer untuk memastikan rute pipa, beban pada nozzle, dan tumpuan pipa telah dipilih dan diletakkan tepat pada tempatnya sehingga tegangan (stress) yang terjadi tidak melebihi limitasi besaran maksimal tegangan yang diatur oleh ASME atau peraturan lainnya (codes/standard) dan peraturan pemerintah (government regulations). Untuk melakukan sebuah pipe stress analysis biasanya para piping engineer memakai pendekatan finite element method dengan memakai beberapa software umum di dunia perpipaan yaitu CAESAR II, AutoPipe, ROHR2 atau CAEPIPE.

Tujuan utama dari piping stress analysis adalah untuk memastikan beberapa hal berikut:

  • Keselamatan sistem perpipaan termasuk semua komponennya

  • Keselamatan sistem peralatan yang berhubungan lansung dengan sistem perpipaan dan struktur bangunan pendukung sistem tersebut

  • Defleksi pipa agar tdak melebihi limitasinya.

pipe1

Gambar 1. Scope of work piping engineer

Ada beberapa macam mode kegagalan yang bisa terjadi pada suatu sistem perpipaan. Para piping engineer bisa melakukan tindakan pencegahan untuk melawan mode kegagalan tersebut dengan melaksanakan stress analysis berdasarkan ketentuan dan aturan dalam dunia perpipaan. Dua macam mode kegagalan yang biasa terjadi pada pipa adalah sebagai berikut:

  • Kegagalan karena tegangan yield (material melebihi deformasi plastis):

  • Kegalalan karena fracture (material patah/fails sebelum sampai batas tegangan yieldnya):

    • Brittle Fracture: Terjadi pada material yang getas (mudah pecah/patah)

    • Fatigue (kelelahan): Disebabkan oleh adanya beban yang berulang

Teori maximum principal stress adalah yang digunakan dalam ASME B31.3 sebagai dasar teori untuk analisa pipa. Nilai maksimum atau minimum dari normal stress bisa disebut sebagai principal stress. Selanjutnya tegangan (stress) dapat dikelompokkan menjadi 3 kategori yaitu:

  • Primary Stresses

    • Terjadi karena respon dari pembebaban (statis dan dinamis) untuk memenuhi persamaan antara gaya keluar dan gaya ke dalam, serta gaya momen dari sebuah sistem pipa. Primary stresses are not self-limiting.

  • Secondary Stresses

    • Terjadi karena perubahan displacement dari struktur yang terjadi karena thermal expansion dan atau karena perpindahan posisi tumpuan. Secondary stresses are self-limiting.

  • Peak Stresses

    • Tidak seperti kondisi pembebanan pada secondary stress yang menyebabkan distorsi, peak stresses tidak menyebabkan distorsi yang signifikan. Peak stresses adalah tegangan tertinggi yang bisa menyebabkan terjadinya kegagalan kelelahan (fatigue failure).

Static Stress Analysis

Setiap sistem perpipaan pasti mempunyai basic stress yang nantinya secara kumulatif bisa disebut sebagai static stress. Basic stress terdiri dari:

(a) Axial Stress : σ = F /A

(b) Bending Stress : σ = Mb / Z

(c) Torsion Stress : σ = Mt / 2Z

(d) Hoop Stress : σ = PD / 2t

(e) Longitudinal Stress : σ = PD / 4t

(f) Thermal Stress : σ = ΔT x α x E

pipe21Gambar 2. Basic Stress pada Pipa

Static stress analysis adalah sebuah analisa perhitungan pada pipa untuk memastikan nilai dari semua tegangan (stress) akibat beban statis tidak melebihi dari limitasi yang diatur oleh aturan atau standard tertentu. Biasanya, pada piping engineer menggunakan aturan (standard) yaitu ASME B31.3 sebagai panduan untuk melakukan dan menganalisa static stress. ASME B31.3 mengatur semua masalah perpipaan mulai dari limitasi propertis yang dibutuhkan, sampai pada pembebanan yang memperhitungkan kondisi pressure, berat struktur dan komponennya, gaya impact, gaya angin, gaya gempa bumi secara horizontal, getaran (vibrasi), thermal expansion, perubahan suhu serta perpindahan posisi tumpuan anchor.

ASME B31.3 mengklasifikasi beban menjadi 2 macam:

  • Primary Loads

    • Sustain Loads

    Beban yang muncul terus menerus dan berkesinambungan selama masa operasi dari sistem perpipaan. Contoh: gaya berat dari struktur pipa sendiri, pressure fluida yang mengalir di dalamnya.

    • Occasional Loads

    Beban yang muncul tidak berkesinambungan, atau munculnya tiba-tiba selama masa operasi dari sistem perpipaan. Contoh: gaya angin, gaya gempa bumi.

  • Expansion Loads

    • Beban yang muncul karena adanya perubahan displacement dari system perpipaan yang bisa diakibatkan oleh thermal expansion dan perubahan letak tumpuan.

Sedangkan dalam ASME B31.3 limitasi dari masing-masing besaran pembebanan adalah sbb:

  • Stress karena Sustained Load, limitasinya adalah:

SL < Sh

dimana, SL = (PD/4t) + Sb

Ketebalan dari pipa yang digunakan untuk menghitung SL haruslah merupakan tebal nominal setelah dikurangi tebal lapisan korosi dan erosi yang diijinkan.

Sh = Tegangan yang diijinkan pada suhu maksimum dari suatu material

  • Stresses karena Occasional Loads

Jumlah beban longitudinal karena pressure, weight dan sustain loads lainnya kemudian ditambah oleh tegangan yang diakibatkan occasional load seperti gempa bumi dan gaya angin, nilainya tidak boleh melebihi 1.33Sh.

  • Stresses karena Expansion Loads, limitasinya adalah:

SE < SA

dimana, SE = (Sb2 + 4St2)1/2

SA = Allowable displacement stress range = f [(1.25(Sc + Sh) – SL]

Sb = resultant bending stress,psi = [(IiMi)2 + (IoMo)2] / Z

Mi = in-plane bending moment, in.lb

Mo = out-plane bending moment, in.lb

Ii = in-plane stress intensification factor (appendix B31.3)

Io = out-plane stress intensification factor (appendix B31.3)

St = Torsional stress ,psi = Mt / (2Z)

Mt = Torsional moment, in.lb

SC = Basic allowable stress at minimum metal temperature

Sh = Basic allowable stress at maximum metal temperature

f = stress range reduction factor (table 302.2.5 of B31.3)

Dynamic Stress Analysis

Dynamic stress (tegangan dinamis) adalah tegangan (stress) yang ditimbulkan oleh pergerakan berulang dari pembebanan atau vibrasi (getaran). Pembebanan seperti ini bisa ditimbulkan oleh beberapa eksitasi seperti:

  • Flow Induced Turbulence

  • High Frequency Acoustic Excitation

  • Mechanical Excitation

  • Pulsation

Analisa Vibrasi dapat didefinisikan sebagai studi dari pergerakan osilasi, dengan tujuan mengetahui efek dari vibrasi dalam hubungannya dengan performance dan keamanan sebuah sistem dan bagaimana mengontrolnya. Vibrasi secara sederhana dapat dilihat dari gambar 3. Seperti terlihat pada gambar 3, ketika massa kita tarik ke bawah lalu dilepaskan, maka pegas akan meregang dan selanjutnya akan timbul gerakan osilasi sampai periode waktu tertentu. Hasil frekuensi dari gerakan osilasi ini bisa disebut sebagai natural frekuency dari sistem tersebut dan merupakan fungsi dari massa dan kekakuan.

rumus-frekuensi1

dengan, EI = kekakuan pipa (stiffness), lbs-ft2

L = panjang bentangan bebas pipa, ft

M = kombinasi massa pipa dan massa tambah disekitar pipa persatuan panjang, slug/ft

C = konstanta yang tergantung dari kondisi ujung bentangan bebas pipa.

Sebagai contoh, jika kedua ujung bentangan bebas pipa diasumsikan berbentuk tumpuan sederhana maka C adalah p/2 atau 1.57. Jika kedua ujung pipa diasumsikan diklem, C adalah 3.5. Dalam praktek, cukup sulit untuk menentukan modeling terbaik kondisi ujung bentangan bebas untuk mensimulasikan kondisi ujung yang diasumsikan.

deskripsi-vibrasi-sederhana1Gambar 3. Deskripsi vibrasi sederhana

Dibutuhkan sedikit energi untuk menimbulkan frekuensi natural dari sebuah system, seperti halnya sebuah struktur yang ingin merespon frekuensi tertentu. Jika ada damping force maka ini akan menghilangkan energi dinamis dan mengurangi respon vibrasi.

Hasil dari vibrasi dapat berupa:

  • Displacement
  • Velocity
  • Acceleration

Amplitudo dari ketiga hal di atas tergantung dari frekuensinya dan lebih jelasnya dapat dilihat pada grafik di bawah ini.

perbandingan-amplitudo1Gambar 4. Perbandingan Amplitudo dan Frekuensi

Displacement tergantung dari frekuensi yang mana displacement akan mempunyai nilai yang besar apada frekuensi yang kecil dan sebaliknya jika frekuensi besar, displacement cenderung kecil pada satuan energi yang sama. Sebaliknya acceleration dipengaruhi pada keadaan amplitude tertinggi yang terjadi pada frekuensi tertinggi pula. Velocity memberikan pengaruh sejenis yang lebih dari yang dibutuhkan, biasanya terkait hasil tegangan dinamis dan oleh karenanya biasa digunakan alat ukur untuk menghitung vibrasi. Ini yang menjadi alasan kenapa observasi secara visual untuk vibrasi pipa tidak diijinkan sebagai metode untuk mengatasi beberapa masalah vibrasi.

Setiap sistem struktur, contohnya pipa, akan mengalami bermacam-macam frekuensi natural tergantung distribusi massa dan kekakuan dari system tersebut. Distribusi massa dan kekauan dipengaruhi oleh diameter pipa, material properties, tebal pipa, lokasi valve dan support, dan juga massa jenis fluida. Sebagai catatan, support pipa didesain pada kondisi statis yang pastinya akan berperilaku beda pada keadan dinamis.

Setiap frekuensi natural akan mempunyai bentuk defleksi yang unik yang sesuai dengan frekuensinya masing-masing, biasa disebut mode shape. Respon pipa terhadap eksitasi yang terjadi tergantung pada hubungan antara frekuensi eksitasi dengan frekuensi natural sistem tersebut, dan lokasi dari terjadinya eksitasi tadi berhubungan dengan mode shape.

Salah satu penyebab vibrasi pada pipa adalah flow dari fluida di dalam pipa itu sendiri. Fenomena ini biasa dikenal dengan istilah Flow Induced Vibration (FIV). FIV bisa disebabkan karena peningkatan flowrate (debit) fluida yang menyebabkan kecepatan fluida di dalam pipa bertambah sehingga jenis aliran berubah dari laminar menjadi turbulen. Aliran turbulen ini yang menyebabkan pipa bergetar (vibrasi).


December 27, 2008 - Posted by | Piping/Pipeline | , , , ,

48 Comments »

  1. keren sekali bung tulisannya
    benar2 bermutu..

    Comment by FTR | December 31, 2008 | Reply

    • makasih bro atas penilaiannya🙂 semoga bisa bermanfaat.. thx.

      Comment by vladvamphire | December 31, 2008 | Reply

  2. oke, makasih atas sharing ilmu nya, mantap bro! btw, boleh nanya lebih lanjut ga? rumus yang dipakai buat mengkonversi biangan reynold (jika aliran turbulen) ke seberapa besar getaran yang ditimbulkan di dalam pipa akibat aliran turbulen tersebut, klo pake shoftware sih bisa, cuman pingin tau rumusnya tuh. thanks before…

    Comment by Setya | January 15, 2009 | Reply

    • Makasih atas tanggapannya.
      Suatu aliran masuk kategori laminar atau turbulen memang dilihat dari besarnya bilangan Reynolds. Rumus bilangan Reynold sendiri adalah (rho.v.d)/µ. Sedangakan untuk mengetahui besarnya tegangan pressure pada dinding pipa akibat fluida yang mengalir dalam menggunakan rumus rho.v2 dengan hasil akhir mempunyai satuan pascal. Kemudian kita cari frekuensi getaran pipanya, menghitungnya tergantung bentuk konfigurasi pipa itu sendiri. Lalu besaran pressure tadi dihitung dengan menggunakan fungsi frekuensi untuk mendapatkan tegangan dinamis yang terjadi akibat fluida yang mengalir di dalam pipa tersebut.
      Jadi kalo ditanya konversi bilangan Reynol ke seberapa besar getaran ane masih belum dapat hehe.. Tapi yang jelas besarnay getaran juga tergantung pada panjang bentangan pipa (span length), selain nilai d, t, V dan rho.
      Mohon maaf jika ada yang salah dan kurang.

      Comment by vladvamphire | January 16, 2009 | Reply

  3. oke, makasih juga atas jawabannya, iya ya emang begitu rumus cari bilangan reynold, klo gitu tanya lagi deh, untuk ngitung bilangan reynold yang dipake viskositas kinematik (satua = stoke) atau viskositas dynamis (satuan = poise)? trus klo aku pake satuan poise untuk viskositas aku harus pake satuan apa untuk kecepatan ama diameternya? thanks bro..

    Comment by setya lagi | January 16, 2009 | Reply

  4. sebagai tambahan, pertanyaan diatas bener2 pertanyaan bukan soal ujian, coz aku dah lupa atau dulu emang waktu kuliah sering tidur di kelas..hehe. mohon bimbingannya, aku lagi belajar tentang pipeline.

    Comment by setya lagi | January 16, 2009 | Reply

    • Viscosity merupakan sifat internal fluida yang menolak untuk mengalir. Kata viscosity juga dipakai sebagai ukuran keengganan/resistansi suatu fluida untuk mengalir. Ada 2 jenis viscosity, yaitu dynamic (atau absolute) viscosity dan kinematic viscosty. Kinematic viscosity merupakan perbandingan dynamic viscosity tarhadap density. Satuan untuk dynamic viscosity adalah POISE = dyne s/cm² = g/cm.s = 1/10 Pa.s = 1/10 kg/m.s
      Sedangkan satuan untuk kinematic viscosity adalah STOKE = m²/s.

      Sedangkan untuk Reynold Number Rumusnya adalah:

      RN = ρVD/μ = VD/v = QD/vA

      dimana:
      * V adalah kecepatan fluida
      * D adalah diameter
      * μ adalah viskositas dinamik fluida
      * ν adalah viskositas knematik fluida (ν = μ / ρ)
      * ρ adalah densitas fluida
      * Q adalah volumetric flow rate
      * A adalah cross section area

      Dari rumus diatas jelas beda penggunaan viskositas dinamik dan kinematik utk menghitung Reynolds Number. Semoga bisa membantu dan maaf jika ada yang keliru.

      Comment by vladvamphire | January 20, 2009 | Reply

  5. boz…. mau dong di bagi free
    CAESARII -nya… oke banget buat aku yg lagi belajar nih…
    thanks banget sebelumnya.
    wassalam.

    Comment by haris | February 10, 2009 | Reply

    • Waduh kalo utk yg satu ini sori ane gak bs bantu…
      Coba cari ke teman2 lain yah utk softwarenya🙂

      Comment by vladvamphire | February 13, 2009 | Reply

  6. Buat Bapak – bapak sekalian.

    Saya pengen banyak belajar tentang pipeline bawah laut,
    Bisa saya gabung dan dibantu.

    Terima kasih
    Muhammad Jazuli

    Comment by Muhammad Jazuli | February 12, 2009 | Reply

    • Offshore pipeline emang lg booming utk saat ini dan masa depan, karena skarng kita fokus utk explorasi migas di laut dalam. Pilihan yang bagus utk belajar bro..
      Thx udah mampir..

      Comment by vladvamphire | February 13, 2009 | Reply

  7. Oke mas,
    Kalau ada info untuk subsea pipeline kasih ya.
    Maklum lagi dikejar target sama boss karena masih banyak pulau kecil yang tidak punya air tawar.

    Comment by Muhammad Jazuli | February 13, 2009 | Reply

  8. blah ne…

    donLot sek yo..

    suwun mas vLad

    -dongky-

    Comment by dongky | March 22, 2009 | Reply

  9. Vladvamphire

    Thanks artikel yg anda punya

    bisa ada teman yg bisa buat kursus privat 2-3 hari

    biaya nego lah . . cash

    Thanks

    Japie Dondokambey

    Comment by Japie Dondokambey | March 30, 2009 | Reply

    • Kursus privat masalah apa Japie?
      hehe.. PSA?

      Comment by vladvamphire | April 1, 2009 | Reply

  10. contentnya ok banget nih buat knowledge transfer..
    Pa ada ga link download tutorial caesar II?
    kalo ada yang bahasa indonesia, hehehe…
    makasih…

    Comment by teguh | March 31, 2009 | Reply

    • Ada sih saya punya tp di komp di Sby hehe..
      Skarng lg di Abu Dhabi.. sabar yah.. nanti akan di upload,,
      Thx.

      Comment by vladvamphire | April 1, 2009 | Reply

  11. Caesarnya mana..caesarnya mana..hahaha

    yo opo betah ta mas di afrika??wkwkwwk

    Comment by dongky | April 5, 2009 | Reply

  12. numpang donlot ya bang..
    smoga tambah sukses

    Comment by taufik | April 18, 2009 | Reply

    • Terima kasih bro..
      Salam.

      Comment by vladvamphire | April 18, 2009 | Reply

  13. Bozz
    punya link download tutorial caesar II yang lebih ke contoh kasus tdk.
    terima kasih

    Comment by Adnan | April 29, 2009 | Reply

  14. Bozz
    punya link tutorial caesar II yang lebih ke contoh kasus tdk.
    terima kasih

    Comment by Adnan | April 29, 2009 | Reply

    • Ada, cm belum semplat upload…
      Tunggu aja hehehe…

      Salam.

      Comment by vladvamphire | June 15, 2009 | Reply

  15. Thanks atas info yg ditampilkan..mdh2an bermanfaat bagi semua bumiputera nusantara yg mau utk berbuat bg nusantara ke arah yg lbh baik…, smg Tuhan mmerkatimu…

    Comment by Mf. Abe | May 5, 2009 | Reply

  16. Bos punya softwarenya perhitungan disain perpipaan untuk air bersih gak…klo ada bagi dong

    Comment by sritono.ap | May 17, 2009 | Reply

  17. Ampun deh…mantap abis………..

    Comment by Ferdian | June 12, 2009 | Reply

    • Hihihi kok ampun ampun sih Mas..
      Hmmm.. adis diapain coba? hehehehe..

      Salam.
      Thx udah mampir…

      Vlad.

      Comment by vladvamphire | June 15, 2009 | Reply

  18. makasih mas tulisannya ngebantu banget… Skrng jadi nggak stress nyari ilmu ttg pipeline….

    Comment by ronny | June 20, 2009 | Reply

  19. it’a a great masterpiece bro…. be continue…
    thx

    Comment by TORY | June 29, 2009 | Reply

  20. mas.., sya pendtang baru ne di dunia piping system. masih butuh bnyak asupan ne mas. thnks mas tuk ilmu’a

    Comment by hendra | September 6, 2009 | Reply

  21. Mampirr..bwt tugas kul..thx ya mz..bermanfaat banget

    Comment by Heni | September 14, 2009 | Reply

  22. mas..tau dimana saya bisa dapet software2 seperti itu?
    seperti offpipe v2 05, caesar, flowmeter v7?
    terima kasih mas..

    Comment by danny | October 9, 2009 | Reply

    • Di Lab kampus ITS jurusan teknik kelautan bayak tuh hehe..
      Kalo yg dijual gak tau mas..🙂

      Comment by vladvamphire | October 11, 2009 | Reply

  23. mas, terimakasih ilmunya, bermanfaat bagi saya yang pemula..

    Comment by yusup | November 3, 2009 | Reply

  24. Salam kenal..
    Trimakasih ilmunya mas, sepertinya membuka wawasan nih..
    kebetulan saya lagi menganalisa pipa yang mengalami vibrasi akibat dilalui oleh steam, apa ada masukan buku yang wajib dibaca apa ya?
    Analisa saya sampai saat ini kemungkinan itu akibat dari adanya steam hammer (kemungkinan ada perubahan fasa dipipa saat steam mengalir) atau turbulensi.
    Thanks.

    Comment by Darwin | November 18, 2009 | Reply

    • mas darwin aq boleh kenal ma sampeyan ndak??
      aq m tanya2 coz TA aq sama seperti yang mas tanyakan
      aq bahas steam hammer pada aliran boiler di FPSO?
      aq butuh banya tanya pada sampeyan!!!

      Comment by milo | April 11, 2011 | Reply

  25. salam kenal.
    wah mantab nih blognya,benar2 menjadi ilmu yg bermanfaat y.
    oia sy pgn nanya,klo lg nge’run stress analisis,sy menemukan kasus “non convergen”,dan hasil analisisny gk bs…itu knp y?kbtulan skrg lg ngerjain model riser,dan pas di clamp risernya (restraint pk guide) tjd nonkonvergen.
    apa y kira2 biar analsisny bs jalan.
    thx boss.

    Comment by adi | November 19, 2009 | Reply

  26. bos pipa,
    gmn kabar?
    mau tanya jg nih, gmn ttg perhitungan support n materialnya?
    memang kl mslh perhitungan support lekat hubungannya dengan mslh free spans n materialnya itu dgn allowable stress.
    trus apakah peletakan support itu paten pake perhitungan yang ada di code2 biasanya saja?
    trus kl memang pake perhitungan itu apakah cm butuh OD, Thickness n allowable materialnya saja?
    trus apakah mslh design pressure dan laen2 tdk dipertimbangkan?

    mohon dibagi ilmunya

    Comment by angga | February 24, 2010 | Reply

  27. salam kenal..

    om saya baru belajar nih..
    ijin donlot tulisan2 nya …
    thx..

    Comment by rakhmat | March 1, 2010 | Reply

  28. mantap.. tak copy yo,

    suwun

    Comment by fandi | March 17, 2010 | Reply

  29. kebetulan saya mau buat skripsi tentang sistem perpipaan..
    kalau rumus untuk mencari ketebalan serta berapa umur pipa apa?

    Comment by Mady Ajhea | August 5, 2011 | Reply

  30. Mas kalo saya ada buku manual caesarII bisa di share dung…makasih banyak

    Comment by ishaq | August 23, 2011 | Reply

  31. Numpang copy yo…thx

    Comment by adi | September 30, 2011 | Reply

  32. mas ane mw copy2 isi blog ini yak.
    coz ane mw ambil kursus piping stress analysis neh
    makasih

    Comment by arif budiman | November 27, 2011 | Reply

  33. bung izin copas yee. trims

    Comment by halim | January 4, 2012 | Reply

  34. ijin copas ya mas..:) nuwun.

    Comment by sasmita02 | February 13, 2012 | Reply

  35. salam kenal mas vlad..artikel yg bermanfaat bagi saya yg mau blajar dari nol utk pipe stress analys.

    thks

    Comment by yudith | February 21, 2012 | Reply

  36. mas saya jurusan teknik perpipaan.
    saya kesulitan mencari buku MW kellog tolong bantu saya mas.

    Comment by david | July 5, 2012 | Reply


Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: