ISSN 1693-3346 Serpong, 20 Nopember 2007 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/fisika/Prpn/artikel... · W = Berat pipa per satuan ... Analisis vibrasi pada

Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

1. PENDAHULUAN

ISSN 1693-3346

Getaran (vibrasi) sering dilupakan dalam penerapannya pada suatu sistem

perpipaan, sehingga timbul masalah, yang mengakibatkan sistem harus berhenti dan

menyebabkan produksi tertunda, tentunya secara ekonomis sangat merugikan perusahaan,

juga membahayakan keselamatan kerja dan karyawan, serta lingkungan. Vibrasi pad a

sistem perpipaan dapat terjadi karena adanya berbagai sumber yang memang menghasilkan

getaran, antara lain "Flow-induced turbulence ", "Two phase flow", "Pulsation"

"(Reciprocating machinery, Rotating stall periodic flow-induced excitations)", "Fluid

transient "- (water hammer, relief valve discharge) ", "High frequency acoustic emission"

dan "rotating machinery ". Sumber masalah berupa getaran yang terjadi pada system

perpipaan dapat diatasi dengan Analisis Vibrasi menggunakan metoda MMS (Matching

Mode Shape) saat desain, sehingga vibrasi dapat diprediksi dan dicegah pada saat pabrik

beroperasi, juga sistem perpipaan dapat dijamin dalam keadaan aman.

2. TEORI DASAR

Vibrasi adalah gerak periodik, secara umum mempunyai sifat level amplitudo

rendah dan besaran nilai siklusnya melebihi "umur waktu" pad a operasi pabrik.

Pengukuran kecepatan puncak vibrasi di lapangan dapat dilakukan dengan menggunakan

vibrasi meter, harga yang tertera dapat dibandingkan dengan harga yang diijinkan

(allowable) dari kecepatan puncak, seperti dalam Tabel I. Hubungan frekwensi dan

kecepatan puncak dapat dinyatakan secara matematis [2Jsebagai berikut :

f= 2.4 (Vpk/cr)E.D/rcL2 (1)

fn = (C/L2) (EIIW)I/2 (2)

Vpk/cr = (rcC/9.6(Ep)I/2)[I+(d/D)2] Y, (3)

'D/cr = L2/4.8ED (4)

Vpk = Kecepatan puncak, (mm/dt , ips)

E = Modulus Elastisitas material pipa, (Kg/mm4, Ib/inch4)

W = Berat pipa per satuan panjang (Kg/mm, Lb/inch)

C = Konstanta untuk frequency natural

187

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

I = Momen lnersia cross section pipa, inch4

L = Panjang pipa antar support, (mm, inch)

p = Density pipe material, (kg/mm3, Ib/inch3)

d,D = inside dan outside diameter pipa, (mm, inch)

f = frequency vibrasi sinusoidal, (Hz)

fn = Frequency natural sistem, (Hz)

a = Stress bending pipa, (Kg/mm2, Ib/inh2)

8 = Deflection (mm, in)

ISSN 1693-3346

Sedangkan perhitungan frekuensi yang terjadi pada pipa tanpa menggunakan supot

dapat diperoleh dengan persamaan!2] sebagai berikut :

m.d2x/dt2+kx = 0, dimana x = Ae"w' (5)

m = massa (kgf)

d2x = perubahan jarak (secon)

dt2 = perubahan waktu (secon)

k = konstanta

x = tinggi gerakan vibrasi (mm)

A = amplitude

W = kecepatan angular (cps)

0=

Dan untuk perhitungan frekuensi yang terjadi pada pipa dengan menggunakan

supot dapat diperoleh berdasarkan persamaan [2]berikut :

(6)

C = konstanta dumper/supot

188


ISSN 1693-3346

Sistem dikatakan stabil apabila frequensi natural menunjukan harga 1,2 dari

frekuensi terukur dalam sistem.

121- ---~ - - - ~

NO.

Severity RatingMachinery, ipsPiping, ips

(On bearing housing)(Center of span)

1

AcceptableVpk~ 0.2Vpk~0.6

2

Fair to Rough (correction0.2 ~Vpk~0.50.6~Vpk~I.5

required)3

Very rough0.5~Vpk~1.01.5~Vpk~3.0

(danger, consider shutdown)

3. METODA ANALISIS

Analisis vibrasi pada sistem perpipaan dapat didekati dengan metoda analisa

dinamik Harmonik dan dinamik Model. Beban at au displacement dinamik terjadi karena

adanya perubahan arah dan besar sebagai fungsi waktu. Secara matematis [3] dapat ditulis

dengan :

F(t) = Fo + Fa COS(CD t + 8)

D(t) = Do + Da COS(CD t + 8)

(7)

(8)

Dimana: FiDo = Beban /Displacement Rata-rata (Kgf/mm)

FaiDa = Variasi beban /Displacement minimum dan maximum

rata-rata (Kgf/mm)

CD = Kecepatan angular (cps)

8 = Sudut phase (degree)

= waktu (second)

Ada beberapa tipe beban vibrasi yang sering terjadi dalam sistem perpipaan [I], diantaranya

adalah :

1). Alat-alat VibrasiJika suatu perlengkapan rotasi dikaitkan pada sistem perpipaan. Vibrasi akan

terjadi apabila besaran vibrasinya atau kecepatan puncaknya (Vpk) secara aktual

melebihi nilai toleransinya (kondisi no. 3 pada Tabel I), sehingga menimbulkan cycle

displacement pada sistem perpipaan dan dalam sistem dinamik hal tersebut sangat

besar berpengaruhnya, karena mempengaruhi umur sistem.

189


2). Akustik Vibrasi

ISSN 1693-3346

Vibrasi terjadi apabila aliran fluida di dalam suatu sistem perpipaan mengalami

perubahan mendadak dari laminar ke turbulen. Berdasarkan persamaan "Strouhal" [3]

besarnya [rekuensi yang diakibatkan oleh adanya Akustik Vibrasi adalah :

3). Pulsasi

0.2 V/D :s f (Hz) :s 0.3 V/D

Dimana: V = kecepatan fluida (ft/sec) dan D = diameter orifice (ft)

(9)

Selama operasi suatu reciprocating pump atau compressor, fluida yang dikompres

oleh pengendali piston dengan suatu poros putar. Hal ini menyebabkan perubahan

suatu siklus tekanan fluida pada semua lokasi dalam sistem. Jika tekanan fluida pada

pasangan elbow yang berdekatan tidak sarna, maka akan terjadi ketidakseimbangan

beban tekanan dalam sistem. Perbedaan tekanan yang besar ini akan terus bergerak

sepanjang aliran fluida. Besarnya beban tergantung pada kecepatan pulsasing, dan

panjang pipa antara pasangan elbow. Besarnya ketidakseimbangan gaya· sebagai fungsi

waktu pada pasangan elbow yang berdekatan akibat pulsasing dalam suatu sistem

perpipaan (di bawah kondisi steady state), dapat dinyatakan secara matematis [3]

sebagai berikut :

F(t) = 0.5( dP)A * [cos ill t - COS ill (t -Llc)]

Dimana :

dP = alternating component of the pressure (psia)

L = panjang pipa antara elbow (ft)

c = kecepatan suara dalam fluida (ft/sc)

A = luas internal pipa (ft2)

T = waktu (second)

(10)

Untuk penyelesaian masalah vibrasi ini pada sistem perpipaan dapat dilakukan dalam

metode MMS yang terbagi dalam dua cara, yaitu:

190


ISSN 1693-3346

1. Cara Engineering, yaitu vibrasi dipertimbangkan dalam analisis terlebih dahulu

sebelum dilakukan

instalasi di lapangan.

2. Cara Sistem Piping Terinstalasi, yaitu vibrasi diperhitungkan pada existing sistem

perpipaan dalam kondisi pabrik beroperasi.

Kedua cara ini dapat dilakukan, apabila data-data pendukung baik berdasarkan

proses maupun secara mekanik sudah terpenuhi dan natural frequency information (NFl)

dalam sistem perpipaan sudah terhitung pada metoda dinamik modal, sehingga dapat

diperoleh force function beban harmonik untuk menetapkan acceptabilitas actual nozzle

load berdasarkan kode yang digunakan. Sebagai dasar untuk penyelesaian masalah vibrasi

adalah dapat dihitungnya Dominant Vibration Frequency (DVF) dalam kondisi steady

state response. Frekuensi ini dapat ditentukan besarannya dari hasil analisa dinamik

"Modal" dan memilah (trace) frekuensi yang dihasilkan hingga pada kondisi minimal 1,2

dari frekuensi sumber terukur (NFl). DVF yang telah dihitung dapat digunakan sebagai

acuan untuk menetapkan bahwa sistem perpipaan adalah rigid, yaitu apabila

perbandingan antara NFl pad a mode shape terkecil adalah > 1,2 dari DVF dengan cara

menambah, mengurangi atau memindahkan posisi supot dalam sistem perpipaan.

4. HASIL DAN BAHASAN

Bila suatu sistem perpipaan melebihi nilai toleransinya (berdasarkan tabel 1) akan

mengakibatkan terhentinya produksi dan secara ekonomis sangat merugikan. Analisis

vibrasi pada sistem perpipaan memang patut untuk dipertimbangkan saat tahap rekayasa

sebelum pembelian material dan pabrikasi dilakukan. Hal ini perlu, karena perubahan

sistem perpipaan dapat juga berdampak pad a perubahan konfigurasi, sistem dan

materialnya.

Dua pendekatan data yang diperlukan sebagai pendukung dalam analisa vibrasi,

yakni pendekatan secara proses dan pendekatan secara mekanik. Pendekatan secara proses

biasanya sangat komplek, memerlukan akurasi data, delivery time yang panjang dan

memerlukan bantuan software pendukung yang lain (misalnya dalam perhitungan

"pressure balance" untuk mencapai kondisi steady state).

191

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

Sedangkan pendekatan secara mekanik adalah sangat cepat dan tidak memerlukan data

yang komplek, cukup dimodelkan secara statik sistem perpipaan tersebut pada software

pipingjlexibility analysis paket Program Caesar-II. Misalkan dalam sistem perpipaan pada

rancangan instalasi mesin berkas electron yang dilukiskan dalam bent uk isometric

sebagaimana pada lampiran (I), vibrasi terjadi karena sistem perpipaan yang dikaitkan

dengan rotating equipment dalam hal ini adalah kompresor. Dari analisa dinamik posisi,

tipe dan jumlah support awal sebagaimana dalam analisa statik diperoleh frekuensi natural

dari mode terkecil adalah 0,814 Hz. Karena frekuensi pengganggu (eksitasi) adalah 12,69

Hz, maka dalam analisa harus dibuat frekuensi natural pada mode 1 minimal 1,2 dari

frekuensi pengganggu tersebut. Dari gambar 8 terlihat, bahwa dengan memodifikasi supot

dapat diperoleh frekuensi natural pada mode 1, yaitu 15,2318 Hz, artinya bahwa NFl> 1,2

DVF dan system stabil selama operasi pada kondisi frekuensi maksimal eksitasi 12,69 Hz

Nilai frekuensi (NFl) pada Mode Shape I merupakan dasar untuk menentukan

bahwa frekuensi sistem perpipaan adalah 1,2 terhadap frekuensi eksitasi (terukur),

Perhatikan gambar 1 hingga 8 :

1. Pada gambar I, Mode 1, fn = 0.814 HZ dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi

seperti ini, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar terse but kita

dapat menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada

gambar 4.

2. Pada gambar 4, Mode 1, fn = 4.762 Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi

tersebut, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar tersebut kita dapat

menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada

gambar 5.

3. Pada gambar 5, Mode 1, fn = 9.282 Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi

tersebut, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar terse but kita dpat


gambar 6.

4. Pada gambar 6, Mode I, fn = 9.368 Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi

terse but, system mengalami vibrasi , maka dengan dasar tersebut kita dapat


gambar 7.

192


ISSN 1693-3346

5. Pada gambar 7, Mode I, fn = 11.633 Hz dan DVF = 12,69 Hz, pada kondisi

tersebut, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar tersebut kita dpat


gambar 8.

6. Pada gambar 8, Mode I, fn = 15.231 Hz dan DVF = 12,69 Hz, pada kondisi

tersebut terjadi resonansi, maka nilai vibrasi secara general pada sistem

perpipaan dan semua posisi supot dan tipenya adalah acceptable

(sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2. Dispalacement setelah analisa

vibrasi).

-?

Gambar 1.

Displacement sebelum analisa vibrasi

Gambar 3.

Freq. natural 0.814 Hz pad a mode shape I

193

~~l'\' '. ~.It' ~ . ~

UA~U., ~"-:v; i.~ G" :".~ ~ "0-

*"",-"" AA<o~J'('I~". ,Co/' ~.,1' ~

JrGambar 2.

Displacement setelah analisa vibrasi

Gambar 4. Frekuensi natural 4.7619 Hz


ISSN 1693-3346


~ //~J'l// / \'/' '----\

. "" ~/\ ['\<-1-


194


~~~r'l~*~ ~''] ~rV ~~



5. KESIMPULAN DAN SARAN

ISSN 1693-3346

Berdasarkan analisis dengan paket program Caesar II metoda MMS dan

menggunakan salah satu piping stress software sebagaimana yang dijelaskan di atas, maka

dapat disimpulkan sebagai berikut :

Analisis vibrasi dengan metoda Matching Mode Shape dapat menganalisa instalasi

perpipaan baik secara engineering maupun kondisi pabrik yang sedang beroperasi, yaitu

dengan cara menentukan nilai resonansi NFl sebagai frekuensi yang dicari harganya dan

DVF sebagai frekuensi eksitasi (penganggu) dari suatu compressor (NFl > 1,2 DVF).

Dalam analisis ini harga DVF sebesar 12,69 Hz, sedangkan harga NFl diperoleh hasilnya

setelah dilakukan 6 kali perubahan posisi, tipe dan jumlah supot yaitu sebesar 15,231

Hz. Harga frekuensi resonansi NFl dan DVF ternyata acceptable dan aman bagi suatu

intalasi perpipaan dari suatu pabrik.

SARAN

Analisis vibrasi sistem perpipaan sangat berrnan faat bagi semua engineering

maupun pabrik, oleh karenanya analisis ini sangat penting untuk digunakan dalam proyek

lnstalasi Pengolah Gas Buang dengan Mesin Berkas Elektron pada Pembangkit Listrik

Tenaga Uap.

DAFT AR PUST AKA

I. LS. TUBA and W.B.WRIGHT, "PRESSURE VESSEL AND PIPING 1972

COMPUTER PROGRAM VERIFICATION AND AID TO DEVELOPERS

AND USERS. " The American Society of Mechanical Enginers, New York, 1972.

Problem 6 and 2.

2. MATEN, S.,"FIELD CRITERIA FOR PIPE VIBRA TION," Hydrocarbon

Processing, July 1984.

3. S. SAHA, RA VI RAJ RASTOGI, and A. BHATTACHARYA, "AN EFFECTIVE

METHODE FOR ANAL YZING PIPING VIBRATION PROBLEMS,"

Hydrocarbon Processing, April 2004.

195

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat N••klirSerpong, 20 Nopember 2007

LEMBAR TANYA-JAWAB

ISSN 1693-3346

PERTANYAAN:

dari Hyundianto A.G.

JAWABAN

PERTANYAAN:dari Mike Susmikanti

JAWABAN

1. Bagaimana filosofi dasar dalam penanganan vibrasi dalamsuatu sistem pemipaan ?

2. Bagaimana urutannya metoda matching mode shape sehiggasistem pemipaan dapat memenuhi allowable vibration ?, dan;

3. Berapa besarnya vibration allowable yang diijinkan dalamindustri untuk mencapai keadan safe dalam operasi ?

1. Filosofi dasar dalam penangan vibrasi dalam suatu sistemperpipaan, filosofinya adalah vibrasi yang terjadi pad a sistemperpipaan harus dihilangkan atau pipa tanpa getaran bila masihterdapat getaran karena pengaruh rotating equipment(kompressor), maka harus mengikuti allowable vibrasi yaituNFl> 1,2 DYF;

2. Urutannya adalah :Dari isometrik perpipaan diinputkan ke caesar, lalu di run dandianalisis dengan dinamik analisis hingga kita dapatkan hargavibrasi, lalu kita ambil harga vibrasi pad a mode 1 sebagaiharga NFl. Kemudian kembali ke caesar, supotnyaditambah atau digeser/dikurangi selanjutnya dianalisis padadinamik beberapa kali hingga diperoleh allowable vibrasi.NFl> 1,2 DYF;

3. Besamya allowable vibrasi NFl> 1,2 DYF.

I. Apakah analisis tersebut diterapkan pada komponen dengan nondestructive test atau destructive test?

1. Analisis vibrasi merupakan suatu analisa terhadap instalasiperpipaan yang karena beban pipa itu sendiri, temperatur dantekanan mengakibatkan pipa menimbulkan vibrasi (bergetar)ketika instalasi running (beroperasi). Untuk mencegahtimbulnya vibrasi, maka harus dilakukan analisis dengan metodeMMS dengan cara mengatur, mengubah atau menambah supot,hingga diperoleh harga NF::::. 1,2 DYF. Itulah suatu gambarantentang analisis vibrasi dengan metode MMS.Sedangkan motode MMS ini tidak diterapkan dengan nondestructive test maupun destructive test dan ini memang berbeda.

196

Documents

ISSN 1693-3346 Serpong, 20 Nopember 2007 - Digilib-BATANdigilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/fisika/Prpn/artikel... · W = Berat pipa per satuan ... Analisis vibrasi pada