Bab 06 Piping Design Loads

No Slide TitleDesain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan
*
Hal di atas dapat dilakukan dengan melakukan perhitungan & perbandingan parameter berikut terhadap harga-harga yang diijinkan :
- tegangan yang terjadi pada dinding pipa
- perpindahan akibat ekspansi pipa
6.1. Pendahuluan
*
sistem perpipaan. Contoh : ANSI & ASME.
Piping Design
I. Overall system design :
II. Detailed component design :
beban tumpuan.
*
I. Hot system , design temp. 1500F (660C)
II. Cold system, design temp. < 1500F (660C)
Hot system pipelines memerlukan analisis fleksibilitas yang teliti untuk menentukan gaya-gaya thermal, tegangan dan perpindahan.
Klasifikasi sistem perpipaan juga dilakukan berdasarkan fungsinya (dijelaskan dalam code).
Bab 6 Piping Design Loads
*
1. Sustained Load :
operasi normal (contoh : berat, tekanan, dll)
2. Occasional Load :
operasi normal (contoh : angin, gempa, dll)
3. Expansion Load :
(contoh : thermal expansion, diff.anchor
displacement, dll).
Beban yang bekerja pada sistem perpipaan harus diteruskan ke struktur penumpu melalui peralatan-peralatan penumpu & restraints.
*
Semua sistem perpipaan haruslah dirancang mampu menahan beban berat fluida, isolasi, komponen, dan struktur pipa itu sendiri.
Semua beban berat tsb kemudian diteruskan ke komponen tumpuan (support) juga harus dirancang mampu menahan beban-beban tsb.
Metode sederhana untuk menghitung tegangan dan beban tumpuan adalah dengan memodelkan pipa sebagai beam dengan terdistribusi merata.
6.2. SUSTAINED LOADS
*
*
Dalam kenyataan, kondisi tumpuan umumnya adalah antara simply supported dengan fixed-end, sehingga tegangan maksimum biasanya dihitung dengan persamaan :
Jadi untuk pipa horizontal lurus, jarak antar tumpuan dapat dihitung :
dimana :
L = jarak tumpuan maksimum
S = tegangan yang diijinkan (tergantung dari jenis material pipa, temperatur dan code)
atau lebih konservatif
*
*
Support dan Pipa
*
Dalam kasus dimana pipa tidak hanya lurus horisontal, beban-beban yang ditimbulkan pada tumpuan dapat dihitung dengan metode “Weight Balancing”.
Karena umumnya sistem perpipaan tidak horisontal lurus maka dalam menentukan posisi tumpuan perlu mempertimbangkan hal-hal berikut :
*
Tumpuan harus diletakkan sedekat mungkin dengan beban terkonsentrasi seperti valves, flanges, dll
Dari segi tegangan; tumpuan terbaik diletakkan pada peralatan, hal ini sulit dilakukan.
Peralatan atau equipment tersebut dimodelkan sebagai beban terkonsentrasi.
Jika arah pipa mengalami perubahan (belokan) disarankan jarak tumpuan ¾ dari tabel SMS, untuk menjaga stabilitas dan untuk mengakomodasi beban eksentrik.
*
Standar pada SP-69 tidak berlaku untuk pipa vertikal (riser). Tumpuan biasanya ditentukan berdasarkan panjang pipa dan distribusi beban pada struktur bangunan penumpu.
Direkomendasikan tumpuan diletakkan pada ½ bagian atas riser untuk mencegah buckling dan instability.
Guide dapat ditempatkan disepanjang riser untuk mencegah defleksi pipa. Jarak guide pipa biasanya 2 kali jarak tabel SP-69, dan tidak menahan beban berat.
Lokasi tumpuan diusahakan sedekat mungkin dengan bagunan baja yang ada, sehingga tidak diperlukan bangunan tambahan untuk menopang struktur pipa.
*
Contoh Soal 1
Gambar 6.1. Menunjukkan pipeline yang menghubungkan dua buah nozle (A & H). Pipa mempunyai diameter nominal 12 in, berisi air dan mempunyai tebal isolasi 4,5 in, belokannya long radius dan semua valvenya 150 psi pressure rating gate valve. Tentukan letak-letak penumpu dan hitunglah bebannya.
*
*
Penyelesaian contoh 1
Titik pusat gravitasi
Valve: 1170 lb (5206 N), 1.5 ft (0.46 m) dari titik A
Pipe: 6.5 x 119 =774 lb (3444 N), 6.25 ft (1.91 m) dari titik A
Elbow: 299 lb (1322 N), 10.5 ft (3.2 m) dari titik A, 6 in (0.15 m) di sebelah titik C
Pipe: 8.5 x 119 = 1012 lb (4503 N), 5.75 ft (1.75 m) di sebelah titik C
*
*
*
*
*
*
Sistem perpipaan umumnya mendapat beban tekanan internal dari fluida yang dialirkan
Beban tekanan lebih berpengaruh pada tegangan yang ditimbulkan pada dinding pipa dibandingkan dengan menimbulkan beban pada tumpuan. Hal ini diakibatkan beban tekan di”netralize” oleh tegangan pada dinding pipa
*
Gambar 6.2
Am = luas penampang pipa
*
Jika penampang pipa tidak ‘continuous” maka beban tekanan tidak dapat ditahan oleh tegangan pada dinding pipa, sehingga harus ditahan oleh restrain-restrain dan anchor
Contoh : - slip type expansion joint
- bellows expansion joint
*
Beban tekanan pada expansion joint adalah sama dengan tekanan dikalikan luas penampang
Gambar 6.3
*
*
Contoh soal 2
Gambar 6.4 menunjukkan pipeline dengan diameter pipa 12 in mengalami beban tekanan internal gauge 250 psi dan mempunyai slip joint di titik C. Pipa direstrain oleh anchor di titik A dan E, dan oleh vertikal restrain di titik B dan D
*
*
P = 250 psi (1724 kPa)
atau
*
Maka:
Bila: P = 31,919 lb (124.005 N) a = 50 ft (15.25 m)
b = 15 ft (4.58 m)
*
6.3 Occasional Loads
Beban yang dikategorikan occasional loads pada sistem dalam periode yang sebagian saja dari total periode operasi sistem ( 1 – 10 % ). Contoh : snow, fenomena alam (hurricane, gempa, dll), unusual plant operation (relief value discharge), postulated plant accident (pipe rupture, dll)
Posisi tumpuan yang optimal untuk menahan occasional loads tidak selalu sama dengan posisi tumpuan untuk sustained load
- Dalam perancangan perlu dilakukan kompromi sehingga
tumpuan dapat menahan kedua jenis beban tersebut
- Contoh : beban dinamik paling baik ditahan dengan rigid
support. Tapi rigid support akan menurunkan fleksibilitas
* Snubber mungkin dapat digunakan
*
Tentukan posisi awal yang sesuai untuk beban ‘sustained’ (berat)
Tentukan jarak tumpuan (span) optimum untuk ‘occasional load’. Reduksi span yang didapat sampai coincides dengan kelipatan span tahap 1
Pada sistem pipa dingin,gunakan rigid support di semua tumpuan
Pada sistem pipa panas, tentukan dulu dimana lokasi rigid support dapat ditempatkan. Pada tempat tumpuan lain mungkin perlu dipasang snubber
(software : NPS OPTIM, HANGIT, QUICK PIPE)
*
6.3.1 Beban Angin
Sistem pipa yang terletak outdoor harus dirancang mampu menahan beban angin maksimum yang terjadi sepanjang umur operasional pipa tertsebut.
Kecepatan angin tergantung pada kondisi lokal, dan biasanya bervariasi terhadap elevasi
*
*
Besaran utama dari beban angin adalah diakibatkan oleh momentum angin yang mengenai pipa.
Beban angin dimodelkan sebagai gaya uniform yang searah dengan arah angin sepanjang pipa
Gaya angin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Bernoulli
*
D = diameter luar pipa (termasuk isolasi) (m)
= massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan udara (m/s)
*
*
Harga koefisien drag adalah merupakan fungsi dari bentuk struktur dan bilangan Reynold.
Bilangan Reynold (dimensionless) adalah parameter yang menunjukkan derajat ke’turbulenan’ aliran fluida
*
Pada kondisi tertentu, perlu dimasukkan faktor keamanan tambahan yang disebut dengan Gust factor (biasanya berharga 1.0 – 1.3)
*
Contoh soal 3
Gambar 5.11 menunjukkan sistem pipa dengan diameter nominal pipa 8 in dan tebal isolasi 2 in. Sistem pipa tersebut terkena angin dengan kecepatan maksimum 75 mph arah utara-selatan. Tentukan beban yang diterima oleh restrain C, E, dan H pada arah x.
*
*
V = 75 mph = 110 ft/s (33.55m/s)
rudara = 0.0748 lbm/ft3 (1.198 kg/m3) pada 29.92 in Hg dan 700F (210C)
mudara = 39.16 x 10-8 lbf.s/ft2 [1.87 x 10-5 kg/(m.s)]
D = 8.625 (pipa) + 2 x 2 (insulasi) = 12.625 in (320.7 mm)
Bilangan Reynolds:
*
atau
l = panjang proyeksi, tegak lurus terhadap beban angin, ft (m)
*
atau
atau
atau
*
Untuk segmen E-H:
Beban total pada restrain E adalah jumlah dari beban pada setiap sisi, atau
*
Relief valve digunakan dalam sistem perpipaan sebagai ‘pembuangan tekanan’ dari sistem jika tekanan meningkat di atas operasi yang aman.
Saat relief valve discharge, fluida akan menginitiate ‘jet force’ yang ditransfer ke sistem pipa.
*
P = static gauge pressure from discharge (N/m2)
A = discharge flow area (mm2)
Gaya discharge dapat dihitung dengan (B 31.1):
*
*
*
*
Dynamic load factor (DLF) digunakan untuk menghitung kenaikan beban akibat aplikasi yang tiba-tiba dari gaya discharge. Faktor ini bervariasi dari 1.1 sampai 2.0 tergantung dari kekakuan instalasi valve dan waktu pembukaan.
Perhitungan DLF dapat dimulai dengan menghitung periode natural instalasi valve:
dimana :
E = modulus elastisitas pipa
*
Step berikutnya adalah menentukan ratio to/T, dimana to adalah waktu pembukaan valve.
DLF akhirnya dapat ditentukan dari grafik berikut:
Gambar 6.9
*
Contoh soal 4
Diketahui gaya relief discharge dengan 1500 lb (Gambar 5.15). Run pipe pada tee akibat gaya 1500 lb menerima momen 3000 lb ft. Tentukan resultan reaksi di restraint.
*
*
*
Kriteria seismic dalam perancangan dapat dimulai dengan mengestimasi potensial gempa dalam daerah dimana pipa akan dipasang
didapat dari literatur search
*
*
*
Time history analysis
Data percepatan, kecepatan dan perpindahan tanah dijadikan input untuk menganalisis model dinamik struktur pipa.
Output hasil analisis adalah dalam bentuk perpindahan , tegangan dan gaya-gaya tumpuan
*
*
Alternatif lain untuk mendapatkan respon struktur terhadap gempa adalah modal analysis
Model dinamik dari sistem pipa dibagi menjadi sejumlah model single dof yang secara keseluruhan dapat mewakili karakteristik dinamik sistem pipa
Spektrum gempa kemudian diaplikasikan pada model untuk mendapatkan respon sistem secara keseluruhan
*
*
6.4 Expansion Load
Restraint diperlukan untuk menahan beban ‘sustained’ dan beban occasional. Tetapi jika terjadi kenaikan temperatur pada saat pipa beroperasi, maka pipa akan ekspansi sehingga timbul tegangan yang tinggi
Kondisi restraint dari sudut pandang ‘thermal’, maka tidak ada restraint
perlu dirancang restraint yang optimum
*
dimana :
Ekspansi pipa untuk beberapa jenis material diberikan pada Tabel 5.4
*
*
*
Metode sederhana menghitung beban termal pada tumpuan digunakan ‘metode guided cantilever’ pada setiap tumpuan akan timbul:
dimana :
*
*
Contoh soal 5
Sistem yang terlihat pada Gambar 5.26 terbuat dari baja karbon dan beroperasi pada 3500F (1770C). Sistem tersebut menggunakan pipa berdiameter 12 in (300 mm) schedule standar dengan I = 279 in4 (1.16 x 108 mm4) dan E = 27.7 x 106 psi (1.91 x 1011 N/m2). Sistem diberi tumpuan jangkar (anchors) pada titik a dan G, dan dua tumpuan vertikal pada titik D dan E.
Tentukan :
Pergeseran yang diserap oleh segmen A-B, B-C, dan E-F
Gaya dan momen yang diterima oleh segmen A-B, B-C, dan E-F
Gaya dan momen pada tumpuan A
*
*
*
*
*
Fy = 3210 lb (14,285 N) My = 114,493 in.lb (1290 m.N)
Fz = 1272 lb (5661 N) Mz = 289,096 in.lb (32,697 m.N)
Dengan cara yang sama, beban-beban pada titik D dan E dapat dihitung:
*
Gaya Total pada titik D dan E:
Perhitungan gaya dan momen pada anchor di titik G juga dilakukan dengan cara yang sama
*
ITT Grinnel menabelkan perhitungan beban akibat termal seperti dicantumkan pada tabel 5.6
*
*
*
*
*
*
*
*
*
Gambar 5.28 menunjukkan semua perpindahan vertikal pada sistem, seperti perpindhan nosel dari keadaan dingin ke keadaan panas.
Titik A : 2 in (50.8 mm) ke atas, dingin (cold) ke panas (hot)
Titik C : 0 in
Titik F : 4 in (101.6 mm) ke bawah, dingin ke panas
Titik K : 1 in (25.4 mm) ke atas, dingin ke panas
Titik L : 0 in
Titik M : 0 in
Material pipa adalah intermediate alloy steel, dan sistem beroperasi pada temperatur 9000F (4820C)
Tentukan
Pertambahan panjang pegas H1 dan H2
Besar perpindahan titik E, J, dan I
*
*
LB-C = (0.0707)(15) = 1.06 in (26.9 mm) ke atas
LC-D = (0.0707)(30) = 2.12 in (53.8 mm) ke bawah
LI-J = (0.0707)(10) = 0.707 in (18.0 mm)
H1 = 1.06 +4/28(2-1.06)=1.19 in (30.2 mm) ke atas
Perpindahan di titik E:
H2 = 2.12 + 4/21 (2.55-2.12) = 2.2 in (55.9 mm) ke bawah
K = 1 – 0.707 = 0.273 in (6.9 mm)
J = 1 – 6/94 (0.273) = 0.983 in (25.0 mm)
I = 0.983 – 0.707 = 0.276 in (7.0 mm)
N
977

Bab 06 Piping Design Loads

Documents

Transcript of Bab 06 Piping Design Loads