Review Desain Condensate Piping System pada North Geragai

1

Review Desain Condensate Piping System pada North Geragai Processing Plant

Facilities 2 di Jambi Merang

Aulia Havidz1, Warjito2

1&2Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia

Email: [email protected]

Abstrak

Sistem perpipaan dalam dunia industri, seperti pada refinery plant, steam power plant, chemical plant, dan lain-lain berfungsi mengalirkan fluida dari suatu peralatan ke peralatan lainnya. Peralatan yang terhubung dengan sistem perpipaan akan mempengaruhi beban yang diterima dan tingkat fleksibilitas sistem perpipaan. Sistem perpipaan harus dapat menahan beban yang diterimanya dan memiliki fleksibilitas yang baik sehingga tidak terjadi tegangan yang berlebihan dan kegagalan lainnya yang dapat mengganggu seluruh proses. Oleh karena itu, dilakukan analisis fleksibilitas dan tegangan pada sistem perpipaan secara sederhana atau dengan menggunakan software komputer seperti caesar II sesuai kebutuhan. Analisis fleksibilitas dan tegangan juga digunakan sebagai acuan penentuan jenis dan peletakan support pipa dengan juga mempertimbangkan nilai ekonomis dan tingkat keamanan sistem perpipaan sesuai code ASME B31.3 dan standar yang digunakan. Review yang dilakukan pada desain condensate piping system pada plant NGF 2 menunjukkan adanya kelebihan beban dan pergerakan yang terjadi pada beberapa bagian pipa. Perubahan desain support pipa yang bermasalah dilakukan agar sistem perpipaan berada dalam batas aman. Kata kunci: analisa fleksibilitas; analisa tegangan; sistem perpipaan; support pipa

Abstract

Piping system in the industry, such as refinery plant, steam power plant, chemical plant, and other drains fluid from an equipment to other equipment. Equipment connected to the piping system will affect load received and the level of flexibility of the piping system. Piping system must be able to support the weight it receives and has good flexibility so that no excessive stress and other failures that can disrupt the entire process. Therefore, simple flexibility and stress analysis on a piping system or by using computer software such as Caesar II as needed. Flexibility and stress analysis is also used as a reference for determining the type and pipe laying support primarily to also consider the economic value and the level of security appropriate piping code ASME B31.3 and standards used. Review conducted on the design of condensate piping system on NGF 2 plant shows excessive movement and overloaded occurring in some parts of the pipe. Pipe support design changes done to the piping system problems are within safe limits.

Keywords: flexibility analysis; pipe support; piping systems; stress analysis

Review desain…, Aulia Havidz, FT UI, 2013

2

DAFTAR NOTASI

C [mm] Corrosion allowance D0 [inch] Diameter luar aktual pipa E [] Longitudinal – joint quality factor f [] Faktor yang tergantung jumlah siklus yang dialami pipa ii [] In-plane stress intensification factor io [] Out-of-plane , stress intensification factor Mi [in-lb] In-plane bending moment Mo [in-lb] Out-of-plane bending moment P [psig] Tekanan desain S [psi] Nilai stress allowance material Sb [psi] Resultan bending stress Sc [psi] Tegangan dalam pipa dalam keadaan dingin Sh [psi] Tegangan dalam pipa dalam keadaan panas Se [psi] Allowable stress untuk ekspansi termal SH [psi] Hoop (circumferential) stress Sl [psi] Stress sustain yang terhitung SL [psi] longitudinal Stress St [psi] Torsional stress tm [inch] Tebal dinding pipa minimum Y [] Faktor koreksi ketebalan pipa pada tabel 304.1.1 ASME B31.3 Z [in3] Section modulus of pipe

1. Pendahuluan

Dalam suatu perancangan NGL plant, petrochemical ataupun refinery plant melibatkan

disiplin ilmu yang kompleks. Masing – masing disiplin ilmu memiliki peranan yang penting,

walaupun tidak semua bagian memiliki nilai kepentingan yang sama. Namun, setiap disiplin ilmu

harus terpenuhi agar sistem yang direncanakan dapat berjalan dengan baik. Dari sekian banyak

disiplin ilmu yang terlibat, disiplin sistem perpipaan merupakan salah satu bagian yang penting

dalam perancangan suatu plant karena sistem perpipaan berfungsi untuk menghubungkan setiap

peralatan yang ada pada suatu plant. Sistem perpipaan digunakan untuk mengalirkan fluida, baik

itu gas, minyak, ataupun vapour yang memiliki karakteristik tertentu dari suatu tempat ke tempat

lainnya.

Perkembangan industri yang terus berlanjut termasuk pada beban tekanan, temperatur dan

kompleksitas struktur sistem perpipaan mengharuskan penggunaan ukuran pipa yang lebih besar,

wall thickness yang lebih tebal, dan paduan jenis alloy yang lebih baik [1]. Perubahan spesifikasi

pipa ini bisa memenuhi kebutuhan yang ada meskipun harus dilakukan proses fabrikasi yang

lebih sulit, dengan adanya pemilihan material baru menyebabkan biaya yang semakin mahal.


3

Untuk itu harus dilakukan analisis fleksibilitas agar spesifikasi perpipaan yang akan dipasang

dalam kondisi yang optimal sehingga biaya yang mahal bisa diminimalisir. Selain itu aspek

penting lainnya dengan melakukan analisis fleksibilitas dapat memastikan kondisi sistem

perpipaan aman dan tidak akan membahayakan manusia dan lingkungan sekitar.

Dalam melakukan analisis fleksibilitas pada sistem perpipaan dibagi menjadi dua kategori,

yaitu jalur pipa yang dianalisis dengan perhitungan manual sesuai code yang digunakan dan jalur

pipa yang harus dianalisis dengan metode stress analysis dengan menggunakan software

komputer. Stress analysis perlu dilakukan pada jalur pipa yang kritis dan memenuhi beberapa

kriteria tertentu seperti memiliki temperatur atau tekanan yang tinggi dan lain sebagainya.

Dilihat dari salah satu kriteria diatas, jalur pipa yang berhubungan dengan discharge

reboiler termasuk jalur pipa yang kritis karena fluida yang keluar dari boiler memiliki temperatur

yang tinggi. Pada plant North Geragai Fractionation-2 (NGF) di Jambi Merang terdapat dua

reboiler 720-E-103 dan 720-E-106 yang berfungsi memanaskan produk bottom dari kolom

depropanizer dan debutanizer yang akan didistribusikan ke vessel 795-V-211. Untuk memastikan

jalur pipa ini optimal dan aman beroperasi, maka perlu dilakukan analisis fleksibilitas.

2. Dasar Teori

2.1 Sistem Perpipaan

Sistem perpipaan bekerja seperti arteri dan vena dalam tubuh manusia yang mengalirkan

sumber kehidupan bagi masyarakat modern. Di perkotaan sistem perpipaan digunakan untuk

mengalirkan air dari sumbernya menuju ke perumahan dan gedung-gedung lainnya, mengalirkan

limbah rumah tangga dan limbah lainnya menuju ke tempat pengolahan limbah. Begitu juga

dalam dunia industri seperti steam power plant, refinery plant, chemical plant, nitrogen plant,

NGL plant sistem perpipaan digunakan untuk menyalurkan fluida dari satu peralatan ke

peralatan lainnya [2]

Sistem Perpipaan merupakan rangkaian pipa, valve, fitting (elbow, tee, reducer, flange) dan

komponan lain (support, expansion joint, dll) yang menjadi pendukung utama dalam berjalannya

proses produksi dalm suatu industri sehingga dalam perancangan sistem perpipaan engineer

harus mengikuti aturan code dan standard dan memahami perilaku sistem pipa akibat

pembebanan. Selain itu engineer juga perlu mempertimbangkan kemudahan pada saat


4

pelaksanaan konstruksi, kemudahan dalam pemeliharaan dan kemudahan pada saat

pengoperasian.

2.2 Analisis ASME B31.3 Process Piping

ASME/ANSI B31.3 adalah code yang sering digunakan dalam perancangan dan analisis

pipa pada Chemical Plant dan Petroleum. Beberapa analisis yang dilakukan dengan mengacu

pada ASME B31.3 adalah sebagai berikut:

2.2.1 Pressure Stress

Tebal dinding minimum karena beban tekanan dihitung dengan persamaan [3]:

!! = !!!!(!"!!")

+ ! (2.1)

Tekanan desain dapat dihitung dengan persamaan [3]:

! = ! (!")(!!!)!!!!!(!!!)

(2.2)

2.2.2 Beban Sustain

Stress yang terjadi pada beban sustain merupakan jumlah longitudinal stress (SL) akibat efek tekanan, berat, dan beban sustain yang lain dengan tidak melebihi hoop stress (SH) [8].

2.2.3 Beban Occasional

Stress yang terjadi pada beban occasional merupakan jumlah stress longitudinal akibat

tekanan, berat, dan beban sustain lain serta stress yang dihasilkan oleh beban occasional

misalnya angin atau gempa. Stress ini tidak boleh melebihi 1.33Sh [9].

2.2.4 Beban Ekspansi

Stress yang diakibatkan oleh adanya displacement (pergeseran) Se akan dihitung sebagai

berikut [3]:

Se = [(Sb)2 + 4(St)2]1/2 (2.3)

Untuk elbow, miter bend, resultan bending stress (Sb) dihitung dengan persamaan [3]:


5

Sb = Resultan bending stress, psi

Sb = [(iiMi)2 + (ioMo)2]1/2 / Z (2.4)

Stress limit displacement dapat diberikan sebagai berikut [3]:

Se ≤ Sa (2.5)

dengan

Sa= f (1.25 Se + 0.25Sh), psi (kPa) (2.6)

Sa= f (1.25 (Se +SH) ─ Sl), psi (kPa) (2.7)

3. Metode Penelitian

Metode yang dipakai dalam review desain sistem perpipaan pada penelitian ini adalah

analisis fleksibilitas sederhana dan analisis tegangan, pembebanan support, dan pergerakan

perpipaan untuk mengetahui apakah desain sistem perpipaan masih dalam kategori allowable

sesuai dengan code ASME B.31.3.

3.1 Data Sistem Perpipaan

Design code : ASME B31.3

Flange rating : ANSI 300# RF.Weld Neck

Pipe Material : ASTM A 106 Gr-B

Corrosion Allowance : 1,6 mm

Design Pressure : 60 Psig

Operation Pressure : 25,4 Psig

Test Pressure : 90 Psig

Design Temperature : 386 0F

Operation Temperature : 260 0F

Fluid Density : 49,44 lb/ft3

Bend Radius : 1,5 D


6

Jalur perpipaan ini terdiri dari empat cabang perpipaan yang berbeda, yaitu:

4. Hasil dan Pembahasan

4.1 Analisis Mekanikal

Analisis mekanikal yang dimaksudkan adalah analisis terhadap perbandingan ketebalan

dinding pipa minimal hasil perhitungan sesuai pada ASME B31.3 dengan ketebalan pipa sch.40

pada ASME B36.10.

Tabel 3.1 Tebal Pipa [4]

NPS OD (in) Tebal sch 40 Tebal Minimal

(inch) (mm) (inch) (mm)

3 3,500 0,216 5,486 0,068 1,727

4 4,500 0,237 6,019 0,070 1,778

6 6,,625 0,280 7,112 0,073 1,854

8 6,625 0,322 8,178 0,076 1,930

10 10,750 0,365 9,271 0,079 2,009

Berdasarkan hasil perhitungan ketebalan pipa dengan menggunakan persamaan ASME

B31.3 dan tabel 3.1 diatas dapat dilihat perbedaan nilai ketebalan pipa yang cukup besar.

Ketebalan pipa schedule 40 lebih tebal 4 kali tebal minimum pipa hasil perhitungan. Perbedaan

yang cukup besar ini disebabkan tekanan desain pipa yang kecil sebesar 60 Psig, sehingga

mempengaruhi ketebalan pipa minimal yang dibutuhkan. Ketebalan minimum yang dibutuhkan

No. Jalur Pipa NPS pipa (inch)

795-10”-HM-BCB-283-H075 10

795-8”-HM-BCB-143-H085 8

795-4”-HM-BCB-162-H062 4

795-8”-HM-BCB-286-H062 8


7

pipa harus dapat menahan tekanan dari fluida agar pipa tidak bocor atau rusak. Jika tekanan

fluida kecil, maka untuk mengalirkannya bisa menggunakan pipa yang tipis.

4.2 Analisis Fleksibilitas

Analisis fleksibilitas pada sistem pepipaan dibagi menjadi dua menurut tingakat

kompleksitas analisis yang disesuaikan dengan kebutuhan sistem perpipaan. Pertama, analisis

fleksibilitas secara visual oleh engineer dan perhitungan menggunakan persamaan sederhana

pada code ASME B31.3 untuk sistem perpipaan proses. Kedua, analisis tegangan/stress analysis

yang saat ini bisa digunakan dengan bantuan software komputer. Analisis tegangan pada sistem

perpipaan sudah mewakili analisis fleksibilitas sederhana. Pada sistem perpipaan yang sederhana

biasanya cukup hanya dilakukan analisis fleksibilitas secara visual dan perhitungan sederhana,

sementara untuk sistem perpipaan yang lebih kompleks harus dilakukan analisis tegangan yang

sudah mewakili analisis fleksibilitas sederhana.

Pada sistem perpipaan antara reboiler dan vessel yang menjadi studi kasus pada skripsi ini

dilakukan pengkategorian fleksibilitas mengikuti kriteria desain. Berdasarkan kriteria

fleksibilitas, sistem perpipaan yang terhubung dengan peralatan yang sensitif termasuk heat

exchanger termasuk dalam kategori B, dimana harus dilakukannya stress analysis terhadap

sistem perpipaan tersebut.

4.3 Pemodelan Caesar II

Analisis tegangan yang dilakukan dengan menggunakan software caesar II diawali dengan

melakukan pemodelan mengikuti spesifikasi desain sistem perpipaan. Hasil pemodelan sistem

perpipaan ditunjukkan pada gambar 4.1.

Setelah desain perpipaan selesai dibuat, maka dilakukan pengujian error pada desain. Jika

model tidak memiliki error selanjutnya dilakukan analisis tegangan, beban pada tumpuan, dan

pergerakan perpipaan.


8

Gambar 4.1 Gambar isometrik sistem perpipaan [5]

Analisis tegangan yang dilakukan dengan menggunakan software caesar II diawali dengan

melakukan pemodelan mengikuti spesifikasi desain sistem perpipaan. Hasil pemodelan sistem

perpipaan ditunjukkan pada gambar 4.1

4.4 Analisis model Caesar II

Gambar 4.2 Hasil analisis tegangan (load case: occasional) [5]


9

Hasil analisis tegangan pada gambar 4.2 menunjukkan sistem perpipaan tidak mengalami

tegangan yang berlebihan, hanya saja terdapat persentasi tegangan yang mendekati batas

maksimal pada pembebanan occasional yaitu 92,4% dibandingkan dengan batas maksimalnya.

Tabel 4.1 Hasil analisis beban pada support [5]

Node Load Case Allowable FX N. FY N. FZ N.

90 Rigid +Y; Rigid X 12 (EXP) 19768,9 8938 4 -677

180 Rigid +Y 4 (OPE) 19768,9 660 -18548 -5525

1270 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9 -1775 -6783 995 1420 Rigid Y; Rigid X; Rigid Z 12 (EXP) 13007,9 5214 2843 -4413 2015 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9 -3660 -12202 -31

Hasil analisis beban pada support pada tabel 4.1 menunjukkan ada beberapa node yang

melebihi batas maksimal gaya yang diijinkan mengacu pada gaya yang diijinkan pada nozzle

peralatan yang terhubung dengan jalur perpipaan tersebut. Hal ini disebabkan kurang tepatnya

desain support pada node tersebut atau disekitarnya.

Gambar 4.3 Hasil analisis pergerakan pipa [5]


10

Hasil analisis pergerakan pipa pada gambar 4.3 menunjukkan ada beberapa bagian pipa

yang bergerak terlalu bebas sehingga bertabrakan dan membahayakan sistem perpipaan secara

keseluruhan. Hal ini disebabkan oleh hal yang sama dengan kelebihan beban pada support,

kurang tepatnya desain support pada node tersebut atau disekitarnya.

Oleh karena itu, untuk mengatasi masalah yang terjadi perlu dilakukan perubahan pada

desain support pipa agar keseluruhan sistem berada dalam kondisi aman.

4.5 Desain pipe support

Perubahan support pipa yang menanggung beban yang berlebih dilakukan pada node pipa

yang bermasalah dengan mengganti jenis support atau menggeser support agar pipa menjadi

lebih fleksibel. Sedangkan pada pipa yang bergerak terlalu bebas dilakukan penggantian jenis

support yang dapat menahan pergerakan dan penambahan support disekitar pipa tersebut.

Perubahan support pipa ditunjukkan pada tabel 4.2 sebagai berikut:

Tabel 4.2 Perubahan support pipa [5]

Node Tumpuan / Support

Keadaan Awal Keadaan Akhir 50 – +Y 90 +Y ; X +Y ; X digeser

180 +Y di bend +Y sebelum bend

565 – +Y ; Guide 645 – +Y 785 +Y +Y ; Guide 790 +Y +Y ; Guide 800 +Y +Y ; Guide 810 – +Y ; Guide 830 – +Y ; X ; Z 1255 – +Y ; Guide 1520 +Y +Y ; Guide 2010 +Y +Y digeser 2015 – +Y 2060 +Y – 3005 – +Y ; Guide


11

4.1 Analisis desain sistem perpipaan baru

Setelah melakukan perubahan support, pada model desain sistem perpipaan yang baru

dilakukan kembali analisis pembebanan statik caesar II. Dan hasilnya menunjukkan perubahan

besar tegangan, beban support, pergerakan pipa yang semuanya berada dalam batas yang

diijinkan. Hasil analisis desain sistem perpipaan yang baru ditunjukkan pada gambar 4.4;4.5 dan

tabel 4.3 di bawah.

Gambar 4.4 Hasil analisis tegangan desain baru [5]

Tabel 4.3 Hasil analisis beban support desain baru [5]

Node Load Case Allowable FX N. FY N. FZ N.

90 Rigid +Y; Rigid X 12 (EXP) 19768,9 8938 4 -677

180 Rigid +Y 4 (OPE) 19768,9 660 -18548 -5525

1270 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9 -1775 -6783 995

1420 Rigid Y; Rigid X; Rigid Z 12 (EXP) 13007,9 5214 2843 -4413

2015 Rigid +Y 2 (OPE) 13007,9 -3660 -12202 -31


12

Gambar 4.5 Hasil Analisis pergerakan desain baru [5]

4. Kesimpulan dan Saran

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengolahan data dan analisis yang telah dilakukan didapat kesimpulan

sebagai berikut:

1. Condensate piping system pada NGF-2 di Jambi merang termasuk kategori sistem perpipaan

kritis karena terhubung dengan reboiler (heat exchanger) dan mengalirkan fluida dengan

temperatur tinggi sehingga perlu dilakukan stress analysis

2. Condensate piping system pada NGF-2 di Jambi merang memiliki tegangan yang berada

dalam batas yang diijinkan, tapi beban pada tumpuan/support, dan pergerakan pipa di

beberapa node melebihi batas yang diijinkan sehingga harus dilakukan perubahan desain

3. Perubahan pada tumpuan/support pada node yang bermasalah dan penambahan node

disekitarnya dalam mengurangi beban tumpuan/support dan pergerakan pipa pada node yang

melebihi batas yang diijinkan.


13

4.2 Saran

1. Dalam mereview desain sistem perpipaan sebaiknya memahami kriteria owner dan code dan

standard yang digunakan, serta konsep-konsep dasar sistem perpipaan.

2. Modifikasi pada desain sistem perpipaan sebaiknya disertai dengan peninjauan kelayakan di

lapangan agar dapat diaplikasikan dengan baik.

REFERENSI

[1] The M.W Kellogg Company (1956). Design of Piping System. USA: John Willey &

Sons,Inc

[2] Nayyar, Mohinder L (2000). Piping Handbook seventh edition. USA: McGraw-Hill

[3] ASME (2010). B31.3 Process Piping. New York : American Society for Mechanical

Engineer

[4] ASME (2004). B36.10 Wall Thickness Schedules. New York : American Society for

Mechanical Engineer

[5] Coade Caesar II versi 5.1


Documents

Review Desain Condensate Piping System pada North Geragai