..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).


Advertisements

December 27, 2008 Posted by | Piping/Pipeline | , , , , | 48 Comments

Pertanyaan Seputar Piping

Pertanyaan Seputar Piping

(from:Milist Migas Indonesia)

Pertanyaan : Tri Lestyo

BlankDear rekan-rekan migas,

Mohon pencerahan mengenai piping, dalam drawing piping yang dinamakan dg isometric drawing , informasi apakah yang seharusnya tercantum didalamnya ? karena, pernah kami menerima dari drawing dari client tapi tidak tercantum dimana adanya site welding , hanya shop welding dan instrument2xnya yang tercantum. Apa ini bisa dikatakan isometric drawing ?

Kemudian dari isometric drawing, akan dibagi menjadi beberapa spool drawing, atas dasar apa membaginya ?

Mohon maap kalau pertanyaannya terlalu mendasar.

Tanggapan 1 : Ferry Triyana

Isometric drawing adalah salah satu cara untuk menggambarkan bentuk 3 dimensi dalam 2 dimensi saja, di mana sudut2 antar sumbu proyeksi (x,y,z) adalah sama, 120 deg. Dalam hal piping isometric drawing, yang digambarkan mengikuti kaidah2 isometric tadi “biasanya” hanya sumbu pipanya saja, dengan disertai informasi mengenai line no, spool no., item no. yang berhubungan dengan material list (MTO), weld no., dimensi (panjang) pipe spool, elevasi, posisi dan identifikasi pipe support dan beberapa hal yang mungkin ingin ditambahkan oleh designer, seperti flow direction, field weld dan golden weld. Penentuan field weld (site welding) berdasarkan pertimbangan2 mendasar yang harus dilakukan oleh designer, seperti koneksi dengan equipment, tie-in dgn existing line, dsb. Dalam satu gambar piping isometric tidak harus selalu ada field weld. Biasanya drafter yg menentukan jumlah spool dalam satu gambar isometric, dengan pertimbangan kejelasan penggambaran pipe routing dan identifikasinya.

Tanggapan 2 : Dirman Artib

Pak Ferry,

Terima kasih atas pencerahannya. Tetapi alangkah lebih bagus jika anda menyertai keterangan dengan referensi engineering codes, norms atau standards, karena kalau hanya bersandard kepada “biasanya” dan yg biasa and lihat dan alami, bisa saja itu kurang tepat.

Demikian, mohon ma’af.

Tanggapan 3 : mokhamada@technip.com

Ya, kalau mas Dirman atau siapa saja yang tahu referensi engineering code, tolong ditambahkan biar lebih simple.

Ngomong2 masalah Piping, sekarang kan ada beberapa perusahaan di Indonesia yang pakai PDS atau PDMS. Nah dari modelling itu bisa didapatkan banyak macam out-put, a.l. Bill of Material, isometric, Pipe support, dan juga akan kelihatan kalau ada inteference dg equipment lain atau piping lainnya, dll. Dan siapa tahu u/ yang akan datang u/ hal2 lain spt piping stress-nya juga bisa di deteksi. Jadi begitu kita punya Plan Arrangement atau equipment lay-out dan kita masukkan program macam kayak PDMS atau apa namanya,bias langsung keluar Draft Requisition for Enquiry u/ piping material, valve, gasket, bolt & nuts, pipe support, dll. Nah mungkin suatu hal yang manarik buat adik2 mahasiswa (dan siapa tahu KMI atau lembaga lain bisa ikut membantu) yang mau bikin tugas akhir tertarik u/ membuat suatu software u/ Plan modelling c/w stress analysisnya, dll yang bisa diaplikasikan u/ suatu project (minimal di Indon), sehingga didapatkan out-put yang udah matang, jadi tidak perlu caesar II atau autopipe lainnya. Saya yakin bisa kalau ada yang mau memulainya, dan akan berkembang u/ pembuatan software lainnya,Jadi begitu kita punya Equipment layout atau Plan Arrangement atau malah begitu kita dapat data dari sumur, bisa langsung dimasukkan ke sofware tsb u/ SIZING, NGITUNG SLAG, bikin Equipment Layout, dll dan keluar dalam bentuk draft Requisition for Enquiry-nya u/ semua equipment, piping, dll. Biar Engineer2 spt mechanical, piping, electrical, instrument, proses, dll bisa berkurang bebannya.

Wong2 yang kecil2 aja sering jadi juara olimpiade fisika koq. masak sih kita nggak bisa? Dan biar nggak diomongin terus sebagai bangsa yg ketinggalan terus.

Tanggapan 4 : Ferry Triyana

Terima kasih pak Dirman atas tanggapannya.

Terus terang, untuk masalah piping isometric drawing, selama ini saya hanya mengacu ke engineering practice, berdasarkan QA procedures manual tempat saya bekerja, dan BS EN ISO 6412-2 Technical Drawing – Simplified representation of pipelines – Isometric projection.

Ada dua “biasanya” yang saya sebutkan di penjelasan saya, yang pertama mengenai penggambaran isometric drawing menggunakan sumbu pipanya saja. Saat ini bisa dikatakan semua perusahaan EPC besar telah menggunakan perangkat lunak yg bisa menggambar 3D dalam merancang produknya. Ada kalanya diperlukan penggambaran pipe routing secara 3D, kemudian memproyeksikannya dalam pandangan isometric untuk memeriksa apakah ada “clash” dalam sistem perpipaannya. Saya pikir ini bisa disebut piping isometric drawing juga, walaupun gambar ini tidak perlu turun sampai ke pipe fitter.

Yang kedua adalah penentuan jumlah spool dalam satu gambar isometric, saya katakan “biasanya” ditentukan oleh drafter. Ini pun saya tidak memiliki dasar yang kuat dalam penjelasan saya. Tanpa bermaksud mengecilkan peran drafter (karena saya sendiri pernah menjadi seorang drafter), penentuan jumlah spool ini adalah hal yang cukup sederhana sehingga tidak dibutuhkan seorang designer berpengalaman untuk mengerjakannya.

Itu saja dari saya.

Mohon koreksinya.

Tanggapan 5 : Dirman Artib

Pak Triyana,

Kebetulan saya pernah berpengalaman dalam memfabrikasi spool pipes.

Gambar spool pipe yg terkadang dari isometric yg diberi tanda fieldweld (titik) atau shopweld (titik dalam lingakarand) digunakan sebagai shop drawing, yg bertujuan sebagai informasi bagi pipe fitter di pipeshop . Yg memutuskan apakah weld dilakukan di shop atau di field bisa saja dilakukan seorang site piping engineer, karena menyangkut constructability sebuah desain. Bayangkan jika lokasi field weld tsb. pada lokasi di mana welder tidak mampu mengelas, misalnya tidak ada ruang atau akses atau berbahaya bagi keselamatan dirinya atau asset of plant. Field dan shop weld juga mempertimbangkan biaya persiapan welding yg mungkin mahal karena harus mempersiapkan alat bantu kases, contoh : scaffolding. Teorinya adalah shopweld harus sebanyak mungkin dilakukan karena murah, mudah dan lebih produktif, tentunya dibanding fieldweld.

Tanggapan 6 : Ferry Triyana

Pak Dirman,

saya setuju sekali dengan Bapak, field weld jelas lebih rumit dalam pengerjaannya dengan mempertimbangkan aspek safety, accessibility, cost (termasuk juga NDT-nya) dan lebih besar kemungkinannya terjadi weld defect dibanding shop weld. Saya hanya mencoba menjelaskan pertanyaan mas Tri, yang bertanya:

“Kemudian dari isometric drawing, akan dibagi menjadi beberapa spool drawing, atas dasar apa membaginya?”

Beliau menyebut “spool drawing”, jadi saya hanya mencoba menerangkan penggambaran piping isometric drawing dalam satu lembar kertas (misal ukuran standar A3), akan ada berapa spool drawing dalam ukuran kertas tersebut? Nah, ini yg saya maksud cukup ditentukan oleh drafter, misalnya hanya satu atau dua spool saja dalam satu lembar. Ini menyangkut kejelasan penggambaran dan pembacaannya.

Apabila yang dimaksud adalah bagaimana memotong suatu piping system menjadi spool2 terpisah, termasuk menentukan letak field weld atau shop weld, hal ini jelas harus diserahkan pada designer yang sudah berpengalaman.

Tanggapan 7 : Suharyo Haryono

Mas Tri,

Saya mau coba bantu sedikit, semoga berguna. Sepanjang pengetahuan saya, isometric dibuat untuk memudahkan pipe fitter dalam memfabrikasi spool dengan menunjukkan dimensi-dimensi kunci yang dibutuhkan, orientasi dan material2 yang dibutuhkan sehingga spool tersebut bias difabrikasi sesuai dengan keinginan pihak client.

Line pipa dari end to end dengan beberapa pertimbangan (seperti: kemudahan dalam fit-up, transportasi dan instalasi di site (jika ada concern space)) dan kemudahan untuk maintenance (valve, pipa itu sendiri dan equipment) dibuat menjadi beberapa bagian menjadi spool2. Dengan pertimbangan tertentu ujung2 suatu spool bisa berupa flange-flange, flange-weld joint atau weld joint – weld joint.

Dalam isometric biasanya terdapat informasi-informasi:

1. Jarak fitting center-center atau jarak-jarak yg dianggap perlu untuk memudahkan fabrikasi, jenis fitting yang dipakai dan lokasinya

2. coordinate (dari leg terdekat atau patokan lain yang menjadi referensi tergantung lokasi) (biasanya memerlukan piping key plan untuk kemudahan perletakan)

3. Orientasi spool (elbow 90, elbow 45, dll) tergantung kebutuhan

4. Field weld joint location

5. Venting point dan drain point

6. Line no and spool no

7. Instrument-instrument yg akan dipasang

8. pipe support number (dan sketch lokasi nya)

9. Valves (jenis, ukuran, rating dan jenisnya (DBB?)

10. elevasi spool

11. Bill of material (BOM)

12. Flow direction

13. Data-data line( missal: code, spec, design pressure, design

temp, paint spec, insulation, NDT, Hydrotest pressure), PWHT)

14. Untuk shop drawing, biasanya disertakan ukuran-ukuran pipe

nipple yg diperlukan.

December 27, 2008 Posted by | Piping/Pipeline | , , | 3 Comments