972
Jurnal Indonesia Sosial Teknologi: p–ISSN: 2723 - 6609
e-ISSN : 2745-5254
Vol. 2, No. 6 Juni 2021
ANALISA TEGANGAN PIPA UNTUK 20” STEAM PIPING MENGGUNAKAN
SOFTWARE CAESAR II
Khairiah Dongoran dan Koswara
Program Studi Magister Teknik Mesin, Fakultas Pasca Sarjana, Institut Sains Dan
Teknologi Nasional.
Email: [email protected], [email protected]
Abstrac
In the piping system design process, static analysis and dynamic analysis need to be
carried out to ensure the design safety and operational security of the piping system.
In this article, the design and design of new Steam Lines is carried out to determine
the pipe stress on Steam Piping, the effect of the forces and moments caused on the
piping system conditions and determine the appropriate support for the piping system
design. The purpose of this study is to determine the suitability of the stress analysis
with the ASME B31.3 code used and to ensure the safety of the piping system
including all its components. The method used in completing the analysis is modeling
the piping system using Caesar II software and using literature studies. From the
results of the maximum stress analysis shown in these two analytical methods, both
manual calculations / Manual Calculation and Caesar II programs as shown in table
3 are still acceptable, namely: Caesar II for Expansion conditions (EXP) the value
is 96.7%, while for manual calculations the value is 26.3%. By adding the support
shown in Table 2 the stresses, displacements, forces and moments that occur on the
Steam Piping Acceptable during operation both in terms of safety and design.
Keyword : piping system; piping process; support; voltage
Abstrak
Dalam proses perancangan sistem perpipaan, analisa statis dan analisa dinamis perlu
dilakukan untuk menjamin keamanan rancangan dan keamananan operasional dari
sistem perpipaan. Dalam artikel ini Perancangan dan desain Steam Lines baru
dilakukan untuk mengetahui Tegangan pipa pada Steam Piping, Pengaruh gaya dan
momen yang ditimbulkan terhadap kondisi piping sistem dan menentukan support
yang sesuai untuk desain piping sistem. Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui
kesesuaian analisa tegangan dengan code ASME B31.3 yang digunakan serta
memastikan keselamatan sistem perpipaan termasuk semua komponennya. Metode
yang digunakan dalam menyelesaikan analisis yaitu melakukan pemodelan sistem
perpipaan dengan menggunakan perangkat lunak software Caesar II serta
menggunakan studi literature. Dari hasil analisis tegangan maksimum yang
ditunjukkan pada kedua metode analisa ini baik perhitungan manual / Manual
Calculation maupun program Caesar II seperti yang ditunjukkan pada tabel 3 masih
dapat diterima yaitu: Caesar II untuk kondisi Expansi (EXP) nilainya 96.7 %,
Sedangakan untuk perhitungan manual nilainya 26.3 %. Dengan menambahkan
support yang ditunjukkan pada Tabel 2 tegangan, displacement, gaya dan momen
Analisa Tegangan Pipa untuk 20” Steam Piping Menggunakan Software Caesar Ii
Jurnal Indonesia Sosial Teknologi, Vol. 2, No. 6, Juni 2021 973
yang terjadi pada Steam Piping Acceptable selama beroperasi baik dari segi
keselamatan maupun desain.
Kata kunci: sistem perpipaan; piping process; support; tegangan
Pendahuluan
Dalam proses perancangan sistem perpipaan, analisa statis dan analisa dinamis
perlu dilakukan untuk menjamin keamanan rancangan dan keamananan operasional dari
sistem perpipaan (Greer, Harper, & Eng, 2012). Analisa statis sistem perpipaan
dipengaruhi oleh berat, ekspansi thermal, perpindahan support, tekanan internal dan
tekanan eksternal (Kannappan, 1986). Beban statis merupakan beban yang disebabkan
oleh pengaruh internal seperti tekanan, temperatur, berat pipa dan berat komponen yang
terdapat pada sistem perpipaan (Chamsudi, 2005).
PT FS adalah produsen kertas kemasan terkemuka di Indonesia yang sudah
terpasang kapasitas 1.300.000 metrik ton per tahun dan berbagai produk yang meliputi
Kraft Liner Board dan Corrugated Medium Paper untuk kemasan dus karton dan Coated
Duplex Papan untuk kemasan display. Perusahaan ini berencana menambah steam lines
untuk mengeluarkan uap yang diperlukan dari GT-3 ke Paper Machine (PM) untuk
mendukung produksi. Perancangan steam lines baru termasuk pemasangan pipa,
ketebalan, perhitungan ukuran, jenis dukungan, perutean pipa, lokasi dan analisis stress
(Habibah, n.d.). Kode perpipaan dasar yang digunakan dalam penelitian ini adalah ASME
B31.3 (Becht, 2013). Analisa kelelahan pada sistem perpipaan di Offshore Platform.
Analisa dilakukan untuk mempelajari pengaruh beban siklis akibat gelombang terhadap
sistem perpipaan. Acuan yang digunakan adalah ASME B31.3 dan menggunakan bantuan
software simulasi CAESAR II (Hewapathirana, 2012). Tegangan dan fenomena fatigue
pada pipa fleksibel (flexible risers) dengan pendekatan metode elemen hingga (Li, 2012).
Tegangan terhadap rancangan sistem perpipaan steam power plant menggunakan
CAESAR II, terutama akibat pengaruh adanya hanger dan expansion joint. Sehingga
tujuan utamanya adalah untuk memperoleh fleksibilitas sistem perpipaan yang cukup
untuk mengatasi beban ekspansi thermal, disamping pemenuhan terhadap kriteria
tegangan dan displacement (Rani & Ramanathan, 2016).
Tujuan penelitian ini untuk merancang sistem perpipaan Steam Trap 20”dari
Steam Header ke Tie-In Point selama hydro test dan operational condition, agar integritas
kekuatan perpipaan sesuai kode desain ASME B31.3 dengan bantuan program komputer
CAESAR II serta Melakukan komparasi hasil dengan perhitungan manual (Rachmanu,
Santoso, & Arumsari, 2017).
Metode Penelitian
Pemodelan dan simulasi dilakukan untuk mengevaluasi pengaruh jenis
dukungan/support, perutean pipa, lokasi dan analisis stress terhadap besarnya tegangan-
Tegangan statis yang terjadi, apakah masih memenuhi kriteria tegangan ijin menurut
ASME B31.3. Tegangan yang bekerja pada sistem perpipaan yang dianalisa adalah
Khairiah Dongoran dan Koswara
974 Jurnal Indonesia Sosial Teknologi, Vol. 2, No. 6, Juni 2021
tegangan akibat beban sustain dan tegangan akibat beban ekspansi thermal. Kode standar
(load case) yang digunakan adalah Load Case-L4 (W-P1) untuk perhitungan tegangan
akibat beban ekspansi dan Load Case-29 (L29 = L2 – L4) untuk perhitungan tegangan
akibat beban ekspansi thermal (Husodo & Mahardhika, 2019). Alur penelitian untuk
menghitung tegangan akibat beban sustain dan tegangan akibat beban ekspansi thermal
dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Diagram Alir
Analisa dilakukan dengan Sofware Caesar II 2018. Data-datanya sebagai berikut
Diameter pipa
:
6”
Sch
:
160
Insulation
:
200mm
Design Pressure
:
98 bars
Design Temperature
:
530
o
C
Hydro Test Pressure
:
147 bars
Diameter pipa
:
20”, 10”, 1”
Sch
:
40
Insulation
:
100mm, 50mm, 30mm
Design Pressure
:
13 bars
Design Temperature
:
250
o
C
Hydro Test Pressure
:
19.5 bars
Analisa Tegangan Pipa untuk 20” Steam Piping Menggunakan Software Caesar Ii
Jurnal Indonesia Sosial Teknologi, Vol. 2, No. 6, Juni 2021 975
Material Specification
:
ASTM A106 Gr.B
Fluid Density
:
5.652 kg/m
3
Insulation Density
:
75 kg/m
3
Hasil dan Pembahasan
Dalam menghitung tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan ini akan
dibandingkan dengan hasil hitungan software CAESAR II yaitu dengan memasukkan
hasil analisanya keperhitungan manual sebagai perbandingan. Langkah-langkah
perhitungan secara manual menurut sumber buku “Introduction of pipe stress analysis”
by Sam Kannnappan PE, © 1986 dan juga telah mengacu kepada ASME B31.3 adalah
sebagai Berikut :
Menghitung Longitudinal Stress
SL = E α (T
2
–T
1
) - 



SL = 13715 psi
Menghitung tegangan Tangensial / Hoop Stress (Si)
 
 


 
Perhitungan Beban
a) Beban Sustain
SL = Sb + SLP < 0.75. S. F. T
SL = 5326 < 10,500
b) Beban Expansion
Se = (Sb
2
+ 4S
t
2
)
1/2
≤ 0.72 S
Se = 5970 < 22,680
c) Beban Operating
Sope = Se + SL < S
Sope = 10093 < 31,500
d) Beban Occasional
S
OCC
= Se + SL < 0.75. Syield. F. T. K
S
OCC
= 10093 < 23625
Model CAESAR II berdasarkan pada gambar isometrik seperti yang diberikan
pada Gambar 2 di bawah ini
Khairiah Dongoran dan Koswara
976 Jurnal Indonesia Sosial Teknologi, Vol. 2, No. 6, Juni 2021
Gambar 2 Model CAESAR II Southeast Isometric View
1) Restraint Modeling
Untuk memodelkan karakteristik kekakuan sistem pipa sedekat mungkin dengan
kenyataan di lapangan, perlu untuk memodelkan Support yang sesuai. Rancangan support
suatu sistem perpipaan merupakan kegiatan iteratif yang sangat terkait dengan tegangan
statis yang terjadi (Nayyar, 2000). Dalam sistem perpipaan yang dianalisis, terdapat
Support tambahanan yang ditunjukkan pada Tabel 1
Tabel 1 Support Type
Node #
Node #
Support Type
120
1300
Guide
200
1320
Guide
230
1410
Guide
280
1440
Guide
285
1450
Stopper (LIM)
310
1480
Stopper (LIM)
360
1490
Guide
460
1650
Guide
490
1720
Guide
550
1795
Guide
560
1850
Resting (+Y)
680
1972
Resting (+Y)
710
2070
Guide, Stopper (LIM)
760
3175
Resting (+Y)
860
3595
Resting (+Y)
880
3605
Resting (+Y),
Stopper (LIM)
900
3675
Resting (+Y)
990
3745
Resting (+Y)
1020
3815
Resting (+Y)
1030
7070
Stopper (LIM)
Analisa Tegangan Pipa untuk 20” Steam Piping Menggunakan Software Caesar Ii
Jurnal Indonesia Sosial Teknologi, Vol. 2, No. 6, Juni 2021 977
1130
8090
Stopper (LIM)
1230
9090
Stopper (LIM)
1250
10090
Stopper (LIM)
1270
13090
Stopper (LIM)
1285
-
-
2) Stress Summary
Berikut adalah tegangan maksimal Steam Piping dengan Mempertimbangan pemasangan
Support hasil analisis fleksibilitas perpipaan tidak ada tegangan berlebih (Pridyatama &
Kurniawan, 2014).
Tabel 2 Maximum Stress
Node #
Cases
Actual Stress
(KPa)
Allowable
Stress (KPa)
Ratio
(%)
Remark
1850
(HYD)WW+HP
24582.5
30000
81.9
PASSED
6000
(Alt-SUS)W+P1
16223.1
19162.3
84.6
PASSED
1920
(SUS) W+P1
5772.2
8788.4
65.6
PASSED
2240
(OCC)L21=L13+L4
6455.88
11688.5
55.2
PASSED
2240
(OCC)L22=L14+L4
6451.6
11688.5
55.2
PASSED
1930
(OCC)L23=L15+L4
8270.9
11688.5
70.7
PASSED
1930
(OCC)L24=L16+L4
8264.8
11688.5
70.7
PASSED
1920
(OCC)L25=L17+L4
5778.2
11688.5
49.4
PASSED
1920
(OCC)L26=L18+L4
5778.1
11688.5
49.4
PASSED
1920
(OCC)L27=L19+L4
5810
11688.5
49.7
PASSED
1920
(OCC)L28=L20+L4
5810
11688.5
49.7
PASSED
930
(EXP)L29=L2-L4
45031.5
46565.8
96.7
PASSED
3) Komparasi hasil stress analysis
Hasil perhitungan semua sistem perpipaan dengan menggunakan sumber dari buku
“introduction of pipe stress analysis”, by Sam (Kannappan, 1986) dan dibandingkan
dengan hasil perhitungan program computer CAESAR II yang mengacu pada ASME
B31.3 didapat pada tabel sebagai berikut :
Tabel 3 Komparasi/perbandingan
Load
Condition
Result stress
Allowable stress
Stress Ratio
Remark
(Kpa)
(Kpa)
( % )
Manual
Caesar
Manual
Caesar
Manual
Caesar II
Calc.
II
calc.
II
calc.
Operating
69588.8
24582.5
72394.9
30000
32
81.9
Acc
(OPE)
Sustain
36721.4
5772.2
156373.1
8788.4
50.7
84.6
Acc
(SUS)
Khairiah Dongoran dan Koswara
978 Jurnal Indonesia Sosial Teknologi, Vol. 2, No. 6, Juni 2021
Occasional
77462.6
8270.9
217184.9
11688.5
47.5
70.7
Acc
(OCC)
Expansion
41161.7
45031.5
162888.7
46565.8
26.3
96.7
Acc
(EXP)
Kesimpulan
Hasil Dari hasil analisis tegangan maksimum yang ditunjukkan pada kedua
metode analisa ini baik perhitungan manual / Manual Calculation maupun program
CAESAR II seperti yang ditunjukkan pada tabel 3 masih dapat diterima yaitu: CAESAR
II untuk kondisi Expansi (EXP) nilainya 96.7 %, Sedangakan untuk perhitungan manual
nilainya 26.3 %. Dengan menambahakan support yang ditunjukkan pada Tabel 2
tegangan, displacement, gaya dan momen yang terjadi pada Steam Piping Acceptable
selama beroperasi baik dari segi keselamatan maupun desain.
Analisa Tegangan Pipa untuk 20” Steam Piping Menggunakan Software Caesar Ii
Jurnal Indonesia Sosial Teknologi, Vol. 2, No. 6, Juni 2021 979
Bibliography
Becht, Charles. (2013). Power Piping: The Complete Guide to ASME B31. 1. ASME
Press.
Chamsudi, Ahmad. (2005). Diktat–Piping Stress Analysis. Jakarta: Chamsudi Copyright.
Greer, Bryan, Harper, Chris, & Eng, P. (2012). Improved Thermal Piping Analysis for
Reciprocating Compressor Piping Systems. Gas, 2012.
Habibah, Farhani. (n.d.). Desain Penambahan Jalur Perpipaan Tie-in Point Akibat
Penambahan Deliquidizer.
Hewapathirana, Pubudu. (2012). Fatigue analysis of offshore piping systems. University
of Stavanger, Norway.
Husodo, Adi Wirawan, & Mahardhika, Pekik. (2019). ANALISA FLEKSIBILITAS
SISTEM PERPIPAAN PADA FATTY ACID PLANT AKIBAT PERGESERAN
POSISI EVAPORATOR. Jurnal Integrasi, 11(2), 112–118.
Kannappan, Sam. (1986). Introduction to pipe stress analysis.
Li, Henan. (2012). Flexible Pipe Stress and Fatigue Analysis. Institutt for marin teknikk.
Nayyar, Mohinder L. (2000). Piping handbook. McGraw-Hill Education.
Pridyatama, Parada Anugerah, & Kurniawan, Budi Agung. (2014). Analisa Rancangan
Pipe Support pada Sistem Perpipaan High Pressure Vent Berdasarkan Stress
Analysis dengan Pendekatan Caesar II. Jurnal Teknik ITS, 3(2), F168–F173.
Rachmanu, Tri Handika, Santoso, Mardi, & Arumsari, Nurvita. (2017). Analisa Tegangan
Pipa Main Steam Dari Outlet Superheater Menuju Inlet Turbin Studi Kasus PLTU
Tembilahan 2x7 MW. Proceedings Conference on Piping Engineering and Its
Application, 2(1), 21–26.
Rani, M. Jamuna, & Ramanathan, K. (2016). Design and analysis of piping system with
supports using Caesar-II. International Journal of Computer and Systems
Engineering, 10(5), 980–984.