TEKNIK, 39 (1), 2018, 67-77
doi: 10.14710/teknik.v39n1.17118               Copyright © 2018, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
Analisa Kenaikan Tekanan Fluida Terhadap Tegangan Dan Fleksibilitas Pipa Blowdown A106 Grade A Berdasarkan ASME B31.3
Pekik Mahardhika * , Eko Julianto, Arie Indartono, George E. Kusuma
Program Studi Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Jl. Teknik Kimia, Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya, Indonesia 60111

## Abstrak
Sistem  blowdown  pada  PLTU  digunakan  untuk  mengontrol  dan  membuang  kandungan  solid  dalam  sisa air  pemanasan.  Dampak  negatif  kenaikan  tekanan  fluida  secara  kontinyu  adalah  terjadinya  deformasi pipa blowdown karena tegangan pipa melebihi nilai tegangan yang diijinkan. Artikel ini menyajikan hasil penelitian  dalam  menganalisa  kenaikan  tekanan  fluida  terhadap  tegangan  dan  fleksibilitas  pipa blowdown  A106  Grade A  berdasarkan  ASME  B31.3  Piping  Process.    Berdasarkan  kriteria  critical  line, pipa  blowdown  A106  Grade  A  yang  dikategorikan  sebagai  kategori  B  harus  dikoreksi  dengan  metode sederhana.  Fluida  di  dalam  pipa  blowdown  telah  mengalami  kenaikan  tekanan  menjadi  322,55  psi  dan bersifat  turbulen.  Berdasarkan  ASME  B31.3,  tegangan dan  fleksibilitas  pipa  blowdown  masih  di  bawah nilai yang diijinkan dan sistem perpipaan dinyatakan aman.
Kata kunci : fleksibilitas; pipa blowdown; tegangan pipa akibat beban sustain; tekanan fluida

## Abstract
[Title: Analysis of Fluid Pressure Increasement to Stress and Flexibility of Blowdown Pipe A106 Grade A  Based  On  ASME  B31.3] The  blowdown  system  in  the  boiler  of  PLTU  is  useful  for  controlling  and disposing of solid content in the remaining heating water. The negative effect of increased fluid pressure is pipe deformation because pipe stress exceeds allowable stress. This article deals with research results in analysing fluid pressure increasement to stress and flexibility of  blowdown pipe A106 Grade A based on  ASMEB31.3  Piping  Process.  Based  on  critical  line  criteria,  blowdown  pipe  A106  Grade  A  which  is categorized  as  B  category  should  be  corrected  by  simply  methode.  Fluid  pressure  in  blowdown  pipe  is increased  to  322,55  psi  and  become  turbulent.  Based  on  ASME  B31.3,  blowdown  pipe  stress  and flexibility are still below the allowable value and the piping system is still safe.
Keywords : blowdown pipe; flexibility; fluid pressure; pipe stress due to sustained load

## 1. Pendahuluan
Boiler  di  PLTU    beroperasi  terus  menerus sehingga  perlu  dilakukan  proses blowdown secara berkala.  Kandungan solid dalam  sisa  air  pemanasan akan  terbawa  ke  steam  yang  diproduksi.  Apabila kandungan solid dalam air sisa pemanasan tinggi, maka kandungan solid di steam juga akan tinggi. Hal tersebut bisa menurunkan kualitas steam yang dihasilkan. Sistem blowdown dalam  boiler  berguna  untuk  mengontrol  dan membuang  kandungan  solid  dalam  sisa  air  pemanasan agar  tidak  berlebih.  Kandungan solid dalam  sisa  air pemanasan  akan  terbawa  ke steam yang  diproduksi.
Apabila  kandungan solid dalam  air  sisa  pemanasan tinggi, maka kandungan solid di steam juga akan tinggi. Hal  tersebut  bisa  menurunkan  kualitas steam yang dihasilkan.  Selain  itu,  kandungan solid dalam  air  sisa pemanasan  yang  berlebih  juga  akan  menyebabkan terjadinya  kerak  pada  pipa, tube ,  dan drum sehingga selain  peralatan  tersebut  cepat  rusak,  juga  efisiensi boiler menurun  karena  kerak  tersebut  mengurangi  area perpindahan  panas  ( heat  transfer  area ).  Fluida  dalam pipa  mengalir  memanfaatkan  gravitasi.  Pertemuan  dua zat  berbeda  fase  serta  memiliki  temperatur  tinggi  pada pipa  dapat  menimbulkan  kenaikan  tekanan  yang menyerupai  suatu  pukulan.  Dampak  fenomena  tersebut adalah  menimbulkan  getaran.  Jika  hal  ini  sering  terjadi maka  dapat  menimbulkan  deformasi  pipa.  Deformasi
------------------------------------------------------------------
*) Penulis Korespondensi.
E-mail: pekikmahardhika@ppns.ac.id
diakibatkan  nilai  tegangan  pipa  yang  terjadi  melebihi tegangan pipa yang diijinkan sesuai kode ASME B31.3. Artikel ini menyajikan hasil penelitian dalam menganalisa  kenaikan  tekanan  fluida  terhadap  tegangan dan  fleksibilitas  pipa  blowdown  A106  Grade  A berdasarkan ASME B31.3 Piping Process.

## 2. Metode Penelitian
Langkah dalam penelitian ini adalah penentuan kriteria critical  line pipa,  perhitungan  kenaikan  tekanan fluida,  penentuan  dan  perhitungan  tegangan  pipa  yang diijinkan,  perhitungan thermal  expansion ,  serta  cek fleksibilitas  pipa.  Gambar  1  menunjukkan  diagram  alir langkah penelitian.
Gambar 1. Diagram Alir
Data  spesifikasi  pipa  dan  sifat  fluida  yang diperlukan untuk penelitian tercantum pada Tabel 1 dan Tabel 2. Sistem blowdown beroperasi setiap siklus 8 jam dengan design  life 12  tahun.  Isometri  pipa blowdown ditunjukkan pada gambar 2.
2.1 Kriteria Critical Line Kriteria  untuk critical  line merupakan  fungsi temperatur  dan  diameter  pipa  yang  ditunjukkan  dalam Gambar  3. Critical  Piping adalah  semua  sistem  pipa yang  harus  dipertimbangkan  dalam analisa  karena
temperatur  fluida  dalam  pipa  memenuhi  ketetapan dalam  kriteria. Non  critical  piping adalah  semua  jalur pipa  tidak  dipertimbangkan  atau  diperhitungkan  dalam piping  stress  analysis ,  karena  temperatur  fluida  dalam pipa  tidak  memenuhi  kriteria.  Kriteria  pada  gambar  3 merupakan  sistem  pipa  dihubungkan  dengan nozzle static equipment (Chamsudi, 2005).
Tabel 1. Spesifikasi Pipa dan Insulasi yang diperlukan
Data Spesifikasi Material Pipa A106 Gr.A NPS 4 Sch 80 t (in) 0,337 t (mm) 8,56 OD (in) 4,5 OD (mm) 114,3 ID (in) 3,826 ID (mm) 97,18 ρ pipa (lb/in 3 ) 0,280 Modulus Elastisitas Pipa (psi) 27,7 x 10 6 t insulasi (in) 1,496 Material Insulasi Foam Glass ρ insulasi (lb/in 3 ) 0,049 Thermal cofficient (mm/m) 2 Thermal cofficient (in/ft) 0,028 Tabel 2. Data Sifat Fluida yang diperlukan Data Nilai Satuan Tekanan Internal (P) 100 psi 6,89 bar Laju massa fluida (m) 2,22 kg/s Viskositas (µ) 1,00x10 -3 kg.m/s Bulk Modulus (K) 2,19x10 9 N/m 2 Temperatur (T) 338 F 170 C

## 2.2 Bilangan Reynold
Bilangan  Reynold  dipengaruhi  kecepatan  aliran, diameter  pipa,  massa  jenis,  dan viskositas fluida  yang mengalir.  Bilangan  Reynold  menggunakan  rumus persamaan (Crane, 1982)
  V.D. Re  (1)
Re < 2100, Laminer Re > 4000, Turbulen

## TEKNIK, 39 (1), 2018, 69
Keterangan:
Re = Reynold Number V  = Kecepatan aliran (m/s) D  = Diameter dalam pipa (m) ρ  = Massa jenis fluida (kg/m 3 )
µ  = Viskositas fluida (kg.m/s)
Gambar 2. Isometri pipa blowdown
Gambar 3. Kriteria Critical line untuk static equipment (Chamsudi, 2005) Keterangan: Kriteria A  : Tidak perlu dianalisa
Kriteria B  : Harus dikoreksi dengan metode sederhana
Kriteria C  : Detail analisa harus dihitung dengan komputer
2.3 Kecepatan suara fluida
Persamaan  berikut  digunakan  untuk  menghitung kecepatan  suara  fluida  pada  saat  terjadi  kenaikan tekanan (AutoPipe, 2008):
              e D E K K a . 1  (2)
Keterangan:
= Kecepatan suara fluida (ft/s) ρ  = Massa jenis fluida (lb/ft 3 ) K  = Bulk Modulus (psi) E  = Modulus Elastisitas Material (psi) D  = Diameter dalam pipa (in) t = Tebal pipa (in) 2.4 Tekanan Kejut Tekanan kejut akibat fluida dalam pipa menggunakan persamaan berikut (AutoPipe, 2008):
v a p    . .  (3)
Keterangan:
Δp  = Tekanan kejut (psi)

## 2.5 Kenaikan Tekanan Fluida
Kenaikan  tekanan  fluida  di  dalam  pipa dihitung dengan menggunakan persamaan (AutoPipe, 2008):
p ja TekananKer P     (4)
Keterangan:
ΔP  = Kenaikan tekanan fluida (psi)

## 2.6 Tegangan Pipa
Tegangan  pada  pipa  salah  satunya  meliputi tegangan  akibat  pembebanan  sustain.  Nilai  tegangan pada  pipa  tidak  boleh  melebihi  tegangan  izin  (ASME, 2014).

## 2.6.1 Tegangan Akibat Beban Sustain
SH t do P Z Mb Am Fax SL     4 . (5)
Keterangan:
Fax  = Gaya aksial karena beban tetap (lb) Am  = Luas permukaan pipa (in 2 )
Mb  = Momen bending (lb.in) Z = Section Modulus (in 3 ) P = Tekanan dalam pipa (psi)
do = Diameter Luar Pipa (in)
t = Tebal Pipa (in)
SL  = Tegangan Longitudinal (psi) SH  = Tegangan dasar yang diijinkan / Code Allowable stress (psi) berdasarkan tabel A1 ASME B31.3
Untuk  menentukan  besar  batasan  tegangan  (SH) dapat  juga  memilih  nilai  yang  terkecil  dari  (Agustinus, 2009) :

## TEKNIK, 39 (1), 2018, 70
 Satu  pertiga  (1/3)  dari specified  minimum  tensile strength (SMTS)
 Dua  pertiga  (2/3)  dari specified  minimum  yield strength (SMYS)
Data SMTS dan SMYS ada di ASME B31.3 untuk menentukan besar batasan tegangan tersebut .
2.6.2 Thermal expansion – stress & force Thermal  expansion dapat  terjadi  di  antara semua fix point di sistem perpipaan. (EngineeringToolbox, 2017). Formula untuk
menghitung thermal expansion sebagai berikut (Kannapan, 1986):
Pipe expansion T L L    . .  (6)
Thermal force A E F . .   (7)
Thermal stress T E dt   . .   (8)
Keterangan:
β = koefisien ekpansi termal (in/in.F) L = Panjang pipa (ft)
ΔT  = Perbedaan temperatur (F)
F = Thermal Force (lb)
E = Modulus Elastisitas (psi)
α = Linier thermal expansion (in/100ft)
A = Luas permukaan pipa (in 2 )
Pada  tahap  selanjutnya  terdapat  metode  untuk mengecek  fleksibilitas  sistem  perpipaan.  Tentang pertimbangan  kekuatan, reaction  hazard ,  dan service hazard , dan beberapa pendapat dibentuklah batas ukuran pipa,  tekanan,  dan  temperatur.  Pendekatan  sistem perpipaan yang dibutuhkan untuk dianalisa fleksibilitasnya sebagai berikut (Kellog, 1956):
a. Maksimum  nominal  temperatur  operasi  material melebihi 800 F
b. Service Pressure melebihi 15 psi
c. Nominal Pipe Size melebihi 6 inch
Jika,
  Ea SA U L y
D . 30 . 2   (9)
Maka sistem pipa fleksibel (Kannapan, 1986):
Keterangan:
D  = Nominal Pipe Size (inch)
Δ  = Resultant total displacement (inch)
L  = Developed lenght di antara anchor (ft) U  = Jarak anchor (ft) S A = Allowable stress range (psi) E a = Modulus Elastisitas pada kondisi dingin (psi)
Jika,
  K U L D    2 . (10)
Maka sistem pipa fleksibel (Senthilkumar, 2015) Keterangan:
D  = Diameter luar pipa (mm)
Δ  = Resultant displacement (mm) L  = Developed lenght di antara anchor (mm) U  = Jarak anchor (m) K  = 208,3
Tabel  3  merupakan stress  range  reduction factors berkaitan  dengan  jumlah  siklus  suatu  sistem perpipaan.
Tabel 3. Stress Range Reduction Factors (ASME, 1998)
Number of equivalent full temperatur cycles N f 7000 dan dibawahnya 1,0 7000 - 14000 0,9 14000 – 22000 0,8 22000 – 45000 0,7 45000 – 100000 0,6 100000 dan di atasnya 0,5 Pipa blowdown berada  di  jalur pulsating  line yang sehingga  nilai  frekuensi  alami  harus  lebih  besar  dari  8 cps  untuk  mencegah  adanya  resonansi  pada  pipa (Mahardhika, 2017).

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada  Kriteria Critical  Line spesifikasi  pipa blowdown yang  sesuai    Tabel  1  dikaitkan  dengan gambar  2,  maka  pipa  dikategorikan  kriteria  B  yang artinya  harus  dikoreksi  dengan  metode  sederhana.  Pipa blowdown A106 Gr.A NPS 4” termasuk critical line .
Dalam  menghitung  kenaikan  tekanan  dalam pipa  menggunakan  formula  1  sampai  4.  Pada  aliran fluida  yang  melewati  pipa blowdown terjadi  kenaikan tekanan  menjadi  322,55  psi.  Aliran  fluida  tersebut bersifat  turbulen  (Re  >  4000).  Tabel  4  memuat perhitungan kenaikan tekanan fluida.
Tabel 4. Perhitungan Kenaikan Tekanan Fluida
No Data Nilai Keterangan 1 Re 56617 Re > 4000, Turbulen 2 4433,6 ft/s 3 Δp 222,55 psi 4 ΔP 322,55 psi
Pada  tegangan  akibat  beban  sustain,  batasan tegangan/tegangan  yang  diijinkan  pada  pipa  akibat
primary  stress yaitu  akibat  beban sustain dinamakan code  allowable  stress .  Perhitungan  batasan  tegangan yang  diijinkan  berdasarkan  ASME  B31.3  tabel  A1, SMTS, dan SMYS ditunjukkan pada Tabel 5, 6, dan 7.
Tabel  5. Tegangan  yang  diijinkan  (SH)    akibat  beban sustain (SL) berdasarkan tabel A1 ASME B31.3
No Data Nilai Satuan 1 SH 16000 psi 2 SL sebelum 8539,581 psi 3 SL setelah 9863,04 psi
Tabel  6. Tegangan  yang  diijinkan  (SH)  akibat  beban sustain (SL) berdasarkan SMTS No Data Nilai Satuan 1 SH 16000 psi 2 SL sebelum 8539,581 psi 3 SL setelah 9863,04 psi
Tabel  7. Tegangan  yang  diijinkan  (SH)  akibat  beban sustain (SL) berdasarkan SMYS
No Data Nilai Satuan 1 SH 20000 psi 2 SL sebelum 8539,581 psi 3 SL setelah 9863,04 psi
Tabel  5  sampai  Tabel  7  menunjukkan  bahwa pipa  memiliki range tegangan  diijinkan  sebesar  16000- 20000 psi. Nilai tegangan yang diijinkan/ code allowable stress diambil  yang  terkecil  yaitu  16000  psi.  Hasil perhitungan menunjukkan bahwa nilai tegangan sebelum kenaikan  tekanan  8539,581  psi  dan  setelah  terjadi kenaikan tekanan 9863,04 psi. Tegangan    menunjukkan terjadi  kenaikan  sebesar  1323,459  psi.  Nilai  tegangan akibat beban sustain pada pipa blowdown tersebut tidak melebihi tegangan yang diijinkan ASME B31.3.
Pada  hasil  perhitungan Thermal  Expansion  – stress & force dijabarkan sebagai berikut:
Pipe Expansion T L L
   . .  = 7,1x10 -6 in/in.F x 30,076 ft x (338-70) F x
12 in/ft
= 0,686 in
Thermal Force A E F . .   = 27,7x10 6 lb/in 2 x x 3,17 in 2
= 204800 lb
Thermal Stress T E dt   . .   = 27,7x10 6 lb/in 2 x 7,1x10 -6 in/in.F x (338- 70) F = 52707,56 psi
Pipa blowdown termasuk  kategori  untuk dianalisa  karena  tekanan  fluida  melebihi  15  psi, sehingga  hasil  perhitungan  fleksibilitas  pipa  dijabarkan sebagai berikut:
Cara 1: Δx = (0,5-0,8) m x 2 mm/m = -0,6 mm (-0,023 in) Δy = (1,5+1,3+1,4+1,5) m x 2 mm/m = 11,4 mm (0,45 in) Δz = (0,5+0,8+0,8) m x 2 mm/m = 4,2 mm (0,165 in) Δ  = = 12,16 mm (0,478 in) L  = 9,9 m (30,076 ft) U  = = 6,21 m (0,24 in)
  K U L D    2 .
Sehingga  pipa  tersebut  fleksibel  dan  tidak  perlu dilakukan formal analysis .
Cara 2: Δx = (1,64-2,624) ft x  0,028 in/ft = -0,027552 in
Δy = (4,92+4,16+4,592+4,92) ft x 0,028 in/ft
= 0,52059 in
Δz = (1,64+2,624+2,624) ft x 0,028 in/ft = 0,192864 in
Δ  =
= 0,5558 in L  = 30,076 ft
U  = = 20,280 ft S c = 16000 psi
S h = 16000 psi
N (jumlah siklus) = = 13140 f = 0,9 (untuk siklus 7000-14000) S A = f (1,25.S c + 0,25.S h ) = 0,9 (1,25.16000 + 0,25.16000)
= 21600 psi
  Ea SA U L y D . 30 . 2  
Sehingga  pipa  tersebut  fleksibel  dan  tidak  perlu dilakukan formal analysis .
Perhitungan  frekuensi  alami  dengan  batasan  defleksi sebesar 1/8 inch, sehingga didapat nilai frekuensi alami
= 8,8 cps
Data  menunjukkan  bahwa  nilai  frekuensi  alami  lebih besar dari 8 cps.

## 4. Kesimpulan
Analisa kenaikan tekanan fluida terhadap tegangan dan  fleksibilitas  pipa blowdown A106  Grade  A menunjukkan  bahwa  terjadi  kenaikan  tekanan  fluida sebesar  322,55  psi  dan  fluida  bersifat  turbulen. Fleksibilitas  pipa  masih  di  bawah  nilai  yang  diijinkan sehingga  pipa  masih  fleksibel  terhadap displacement yang  terjadi  dan  tidak  perlu  dilakukan formal  analysis . Pengecekan  tegangan  pipa  akibat  beban  sustain  setelah terjadi  kenaikan  tekanan  fluida  menunjukkan  bahwa masih  berada  di  bawah  tegangan  ijin  (16000  psi), sehingga  sistem  perpipaan  blowdown  masih  dinyatakan aman berdasarkan ASME B31.3.

## Daftar Pustaka
Agustinus, D. (2009). Pengantar Piping Stress Analysis. Jakarta: Entry Augustino Publisher
ASME.  (1998). ASME  B&PV  Section  III. USA: American Society Mechanical Standard
ASME.  (2014). ASME  B31.3  Piping  Process. USA:
American Society of Mechanical Engineering AutoPipe (2008). Example Case System Water Hammer. USA: Bentley
Chamsudi.  (2005). Diktat-Piping  Stress  Analysis . Diunduh dari https://www.scribd.com/document/259036537/Di ktat-Pipe-Stress-Analysis
Crane.  (1982). Flow  of  Fluids  Through  Valve,  Fittings, and  Pipe,  Technical  paper  410M (p.  4) . New York: Crane Co.
EngineeringToolbox.  (2017). Engineering  toolbox .
Diakses dari www.engineeringtoolbox.com
Kannapan,  S.  (1986). Introduction  to  Pipe  Stress Analysis . Canada: John Wiley & Sons Kellog, M. W. (1956). Design of Piping Systems. USA: Pullman Power Products
Senthilkumar,  M.  S.  (2015).  Analysis  of  piping  layout under  static  load  in  petrochemical  industries. Int. Journal  of  Applied  Sciences  and  Engineering Research , 4 (2), 240-249
Mahardhika,  P.  (2017).  Penentuan  allowable  span  pipa SLF  berdasarkan  tegangan,  defleksi,  frekuensi alami. Jurnal IPTEK , 21 (2), 27-34