Posted by: novembri yusuf | April 10, 2008

PIPING STRESS ANALYSIS

Sadur dari DON85

Piping Stress Analysis

Introduction

I. Definisi

Didalam sebuah Plant, entah 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 yang berada didalamnya bisa berupa gas, air, ataupun Vapour yang mempunyai temperature tertentu.

Karena umumnya material pipa terbuat dari metal, maka sesuai dengan karakteristiknya yaitu jika diberi temperatur atau dialirkan temperatur didalamnya, maka metal atau pipa tadi akan mengalami pemuaian, jika fluidanya panas, maupun pengkerutan, jika fluidanya dingin.

Setiap kejadian pemuaian ataupun pengkerutan dari pipa tadi, akan menimbulkan pertambahan ataupun pengurangan panjang pipa dari ukuran semula, dalam skala horizontal.

Karena kita tahu bahwa pipa tersebut tersambung dari satu alat (equipment) ke equipment lain, maka perpanjangan ataupun pengurangan tadi, secara otomatis akan membawa pengaruh terhadap titik dimana pipa tersebut tersambung.

Misalnya, jika pipa tersebut digunakan untuk penyambungan dari sebuah nozzle pompa ke nozzle Tanki, maka akibat dari pengaruh temperatur fluida didalam pipa, maka pipa akan memuai atau mengkerut yang pada gilirannya akan menarik atau menekan ke arah nozzle pompa dan nozzle tanki tersebut.

Akibat pergerakan pipa tadi, maka akan ada gaya yang menekan atau menarik nozzle pompa dan nozzle tanki tersebut, disamping juga akan menimbulkan gaya balik terhadap pipa tadi.

Pergerakan pipa tersebut atau juga sering disebut behaviour pipa, akibat adanya pengaruh temperature fluida, perlu dihitung sedemikan sehingga pergerakkan tersebut masih mampu ditahan dan diterima oleh sang pipa tanpa harus mengalami perpatahan ataupun pecah sesuai dengan kekuatan material pipa tersebut, sekaligus gaya yang diberikan akibat perpanjangan ataupun pegkerutan pipa tidak sampai merusak nozzle pompa dan nozzle tanki.

Semua perhitungan tersebutlah yang menjadi tugas utama dari seorang piping stress engineer, yaitu melakukan pekerjaan apa yang dikenal dengan Piping Stress Analysis.

Dengan kata lain, Seorang Piping Stress Engineer mempunyai tugas untuk menghitung dan menganalisa suatu system pemipaan dalam sebuah Plant sedemikian rupa sehingga system piping dan plant secara keseluruhan mampu tetap beroperasi secara aman didalam berbagai kondisi.

II. Organisasi didalam Piping

Piping Department adalah bagian dari Divisi Engineering, yang selain Piping, juga terdiri dari Process, Mechanical, Civil/Structural, Electrical & Instrument.

Piping Department sendiri mempunyai 3 sub bagian dan dipimpin oleh seorang Piping Manager, yaitu:

  • Piping Design/Lay Out
  • Piping Material Engineering dan Material Control
  • Piping Stress Engineering dan Pipe SUpportSecara singkat tugas masing-masing bagian tersebut adalah:Piping Design

    Ini adalah group yang paling anyak anggotanya. Group ini mempunyai tugas untuk men-design atau membuat layout dari piping system. Mereka bertanggung jawa untuk menghasilkan layout piping yang cukup flexible dan cukup mempunyai supporting system. Mereka juga harus memastikan bahwa semua in-line instrument tergambar dengan tepat pada lokasi tertentu, dengan equipment equipment dan pipa yang sesuai dengan project criteria.

    Group ini juga harus sudah mempertimbangkan faktor operasi, maintenance, safety dan constructability.

    Piping Material Engineering dan Material COntrol

    Piping Material Engineer mempunyai tanggungjawab untuk membuat Master Specification untuk semua piping system. Specification untuk Piping Material biasanya terdiri dari pipa, valves, fittings, flanges, bolt and nut, gaskets, branch connections, fabrication criteria dan installation criteria. Juga termasuk insulation, paint dan special coatings lainya, dan tak kalah pentingnya adlah specialy items.

    Sedangkan material control berfungsi untuk melakukan perhitungan total material piping yang diperlukan pada sebuah project. Termasuk didalamnya melakukan perhitungan Material take Off (MTO), production of Bill of Material (BOM), RFQ (Request For Quotation), Bid Tabulation.

    Piping Stress Engineer dan Pipe Support

    Tugasnya adalah melakukan perhitungan dan analisa terhadap seluruh piping system (critical system) dan men-design pipe support. Group ini juga memproduksi Specification untuk Stress Analysis, Spring Support, Standard Pipe Support, Special Pipe Support, expansion joints, dan special engineered item.

    Untuk selanjutnya, kita akan lebih memfokuskan kepada Piping Stress Analysis, khususnya membicarakan tentang step-by-step didalam melakukan pekerjaan stress analysis.

    Teori Dasar

    Kenapa Harus di lakukan Stress Analysis?

    Seperti diketahui bersama bahwa tujuan dilakukannya perhitungan Stress Analysis dari piping system, secara singkat adalah untuk menjamin (to ensure) bahwa piping system tersebut dapat beroperasi dengan aman tanpa mengalami kecelakaan.

    Dalam “kehidupannya”, piping yang didalamnya mengalir fluida, baik panas, dingin atau angat-angat kuku, akan mengalami pemuaian (expansion) atau pengkerutan (contraction) yang berakibat timbulnya gaya yang bereaksi pada ujung koneksi (connection), akibat dari temperature, berat pipa dan fluida itu sendiri serta tentu saja tekanan didalam pipa.

    Dengan demikian, sebuah piping system haruslah didisain se-flexible mungkin demi menghindari pergerakan pipa (movement) akibat thermal expansion atau thermal contraction yang bisa menyebabkan:

    1. Kegagalan pada piping material karena terjadinya tegangan yang berlebihan atau overstress maupun fatigue.
    2. Terjadinya tegangan yang erlebihan pada pipe support atau titik tumpuan.
    3. Terjadinya kebocoran pada sambungan flanges maupun di Valves.
    4. Terjadi kerusakan material di Nozzle Equipment (Pump, Tank, Pressure Vessel, Heat Exchanger etc) akibat gaya dan moment
    yang berlebihan akibat expansion atau contraction pipa tadi.
    5. Resonansi akibat terjadi Vibration.


    LOADINGS

    KIta mengerti bahwa pipa menerima beban baik akibat berat pipa itu sendiri, berat fluida didalamnya, akibat tekanan dalam (internal pressure), temperature fluida, angin maupun gempa bumi atau earthquake.

    Setiap beban yang diterima pipa akan ditahan oleh pipa tersebut sesuai dengan kemampuan dia menahannya, yang tentu saja tergantung dari material pipa yang kita gunakan.

    Beban diatas dibagi dalam dua kelompok, yaitu:

    1. Sustained Load: yaitu beban akibat berat pipa, berat fluida, tekanan dalam pipa, tekanan luar, pengaruh angin dan
    gempa, serta beban dari salju yang menimpa pipa. Satu hal yang penting disini adalah jika pipa terkena beban demikian, maka
    bisa mengakibatkan pipa menjadi pecah dan collaps, jika tidak dilakukan upaya pencegahan.

    2. Thermal Load:beban ini adalah beban yang ditimbulkan akibat ditahannya expansion atau contraction suatu pipa yang
    mengalami pemuian ataupun pengkerutan akibat temperatur dari fluida yang mengalir didalamnya. Penahanan (restriction)
    yang diberikan dapat berupa Anchors, atau tersambung ke equipment. Satu hal yang perlu juga diperhatikan adalah bahwa
    thermal load ini adalah sifatnya siklus, artinya jika anchor nya dilepas atau fluidanya di hentikan mengalir di pipa tersebut,
    maka hilang pula load yang ditimbulkanya.

    STRESS CATEGORIES:

    Primary Stress

    Primary Stress adalah, sesuai namanya, Stress yang paling berbahaya yang diakibatkan oleh Sustained Load. Kenapa disebut berbahaya, karena jika timbul stress ini, maka efeknya catasthropic, yaitu rusaknya atau pecahnya pipa karena tidak mampu menahan berat atau beban yang ditimpakan kepadanya.

    Primary Stress adalah direct stress, shear atau bending stresses yang dihasilkan oleh beban yang menimpa piping. Beban tersebut bisa datang dari pengaruh beban luar pipa seperti longitudinal dan circumferential stresses due to internal pressure dan bending dan torsional stresses karena berat pipa itu sendiri, snow, ice, wind atau earthquake. Sebagai tambahan akan ada bending dan torsional stress akibat dipasang Anchor atau jenis support lainnya yang juga menimpa pipa.

    Sehingga pipa diharapkan mampu menahan beban-beban tersebut dengan aman tanpa harus mengalami pecah atau gagal.

    Tapi, jika ini terjadi ketika dilakukan perhitungan stress analysis dengan menggunakan program komputer, maka pemecahannya gampang sekali, yaitu dengan menempatkan tumpuan atau pipe support yang tepatpada lokasi yang overstress tadi, atau disekitarnya.

    Secondary Stress

    Secondary stress adalah stress yang diakibatkan oleh thermal loads. Yaitu akibat temperatur fluida yang mengalir yang menyebabkan pipa akan mengalami pemuaian atau pengkerutan (expansion or contraction).

    Pipa akan menerima apa yang disebut bending nature yang bekerja pada penampang pipa (accross wall thickness) dan bervariasi dari negative ke positive dan timbul karena terjadinya beda defleksi secara radial dari pipe wall.

    Secondary Stress bukanlah sebagai penyebab terjadinya kegagalan material secara langsung akibat beban tunggal. JIka pun terjadi stress yang melewati Yield Strenght, maka efek nya hanyalah terjadinya “local deformation” yang berkibat berkurangnya stress pada kondisi operasi.

    Hanya sja jika hal ini berlangsung berulang-ulang, cyclic, maka akan timbullah apa yang disebut “local strain range” yang berpotensi menjadi penyebab timbunya Fatigue Failure.

    ALLOWABLE STRESS

    Untuk Primary Stress menggunakan Code Allowable STress pada Operating Temperature…(ASME B31.3 302.3.5 (c)

    Karena Failure pada Secondary Stress adalah akibat terjadi gaya berulang pada pipa maka Allowable STress nya pun haruslah mempertimbangkan faktor siklus (cycles) yang diantisipasi akan terjadi sepanjang hidup pipa tersebut.

    Kegagalan biasanya terjadi pada bagian yang mendapatkan regangan terbesar (highest cyclic strain).

    Allowable Stress untuk Thermal Expansion Stress adalah:

    SA = 1.25 Sc + 0.25 Sh

    dimana, Sc = Allowable Stress pada temperature ambient
    Sh = Allowable Stress pada Temperature Operasi

    Allowable Stress ini akan menjadikan system piping akan aman beroperasi dalam siklus 7000 kali tanpa failure.

    Jika siklus yang terjadi diharapkan lebih dari 7000 kali dalm umur nya piping, maka Allowable Stress nya akan berkurang dengan menambahkan faktor pada formula diatas.

    SA = f(1.25 Sc + 0.25 Sh)….ASME B31.3 302.3.5 (1a)

    dimana, Sc = Allowable Stress pada temperature ambient
    Sh = Allowable Stress pada Temperature Operasi
    f= Stress Range Factor, dari figure 302.3.5 ASME B31.3.


  • Responses

    1. Pak Novembri gimana kabar, wah kayaknya makin sukses aja di dunia barunya. Mungkin bisa sedikit share trik2 atau kiat2nya

    2. menurut saya keterangan yang telah diberikan pada bapak sangat baik, gini pak bisa gak bantu saya untuk diberikan contoh perhitungan kegagalan pada bend pipa

    3. wah bagus sekali artikel yang diberikan, saya mita tolong bisa ga dikasi contoh perhitungan tentang analia kekuatan material pada pipa???
      apa saja yang harus dilakukan?? thnks

    4. wah bagus sekali artikel yang diberikan, saya mita tolong bisa ga dikasi contoh perhitungan tentang analisa kekuatan material pada pipa???
      apa saja yang harus di analisa?? thnks

    5. oh jadi begitu pengertian dari piping stress analysis. sangat informatif sekali pak. maav nih pa saya newbie dibidang piping. saya ingin bertanya apakah ada hubungannya piping ini dengan teknik sipil dan apakah dalam mata kuliah teknik sipil dapat mata kuliah tentang piping ini?

    6. ass salm kenal ya pak,saya mau menyakan untuk pompa suction dan discharge memilki batasan temperatur gak pak dalam kondisi pembebanan,baik hydorotes,operasi,sustain dan occasional.


    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

    Categories

    %d bloggers like this: