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: dongoranria4@gmail.com, dtkoswara@yahoo.co.id

## 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
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 i ni 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
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
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 ) - (𝑣 𝑃 ( 𝐷−2𝑡 2𝑡 ))
SL = 13715 psi
 Menghitung tegangan Tangensial / Hoop Stress (Si)
𝑆𝑖 =  𝑃 ( 𝐷 − 2𝑡 2𝑡 ) 𝑆𝑖 = 2986 psi
 Perhitungan Beban
a) Beban Sustain
S L = S b + S LP < 0.75. S. F. T
S L = 5326 < 10,500
b) Beban Expansion
Se = (Sb 2 + 4S t 2 ) 1/2 ≤ 0.72 S
S e = 5970 < 22,680
c) Beban Operating
S ope = S e + S L < S S ope = 10093 < 31,500 d) Beban Occasional
S OCC = S e + S L < 0.75. S yield. F. T. K
S OCC = 10093 <   23625
Model  CAESAR  II  berdasarkan  pada  gambar  isometrik  seperti  yang  diberikan pada Gambar 2 di bawah ini

## 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 # Support Type Node # Support Type 120 Guide 1300 Guide 200 Guide 1320 Guide 230 Guide, Stopper (LIM) 1410 Guide 280 Guide 1440 Guide 285 Stopper (LIM) 1450 Stopper (LIM) 310 Guide 1480 Stopper (LIM) 360 Guide 1490 Guide 460 Guide 1650 Guide 490 Guide 1720 Guide 550 Stopper (LIM) 1795 Guide 560 Guide 1850 Resting (+Y) 680 Guide 1972 Resting (+Y) 710 Guide, Stopper (LIM) 2070 Guide, Stopper (LIM) 760 Guide, Stopper (LIM) 3175 Resting (+Y) 860 Guide 3595 Resting (+Y) 880 Stopper (LIM) 3605 Resting (+Y), Stopper (LIM) 900 Guide 3675 Resting (+Y) 990 Guide 3745 Resting (+Y) 1020 Guide 3815 Resting (+Y) 1030 Stopper (LIM) 7070 Stopper (LIM)
1130 Guide, Stopper (LIM) 8090 Stopper (LIM) 1230 Guide 9090 Stopper (LIM) 1250 Guide 10090 Stopper (LIM) 1270 Guide 13090 Stopper (LIM) 1285 Guide, Stopper (LIM) - -

## 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)
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  teganga n 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.

## 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.