## ANALISA TEGANGAN PIPA
STEAM LOW CONDENSATE DIAMETER 6” PADA PT IKPT
Sigit Mulyanto Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Mercubuana Email: sigit_mulyanto@yahoo.co.id
Abstrak - Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang kompleks, pada saat perancangannya banyak aspek-aspek yang perlu diperhatikan dan dipertimbangkan sehingga diperoleh suatu rancangan sistem perpipaan yang baik dan efisien. Untuk membangun sebuah sistem perpipaan dibutuhkan pengetahuan tentang hal-hal yang menyangkut masalah  perpipaan itu sendiri. Dalam tugas akhir ini akan dibahas mengenai analisa tegangan pipa steam low condensate ukuran 6 inchi pada plant sebuah pabrik yang perancangannya  dilaksanakan  oleh  PT.  IKPT  dengan  nama    6SLC-23210-ASA2.  Analisis  sistem perpipaan  ini  meliputi  analisa  tegangan  yang  bertujuan  untuk  memperoleh  kondisi  sistem  perpipaan yang aman beroperasi. Sistem perpipaan pada kondisi awal dinyatakan aman beroperasi karena pada analisa tegangan pipa tidak terjadi over stress yang pada kondisi desain sistem perpipaan menunjukkan tegangan maksimum terdapat pada node 30 sebesar 297.6 kg/cm 2 = 29.18 N/mm 2 .Jalur perencanaan perpipaan tidak terjadi overstress dan aman bagi manusia dan fasilitas migas di sekitarnya.
Kata kunci : tegangan, steam low condensate, sistem perpipaan

## 1.   PENDAHULUAN
Indonesia  merupakan  negara  dengan  kekayaan sumber daya alam yang sangat berlimpah. Salah satunya  yang  ada  didalam  perut  bumi  yaitu minyak dan gas bumi. Untuk  memperoleh bahan bakar  yang  diinginkan,  baik  eksplorasi  maupun proses  pengolahan  lanjut  diperlukan  adanya sistem  perpipaan  untuk  mendistribusi  fluida didalamnya.
Sistem  perpipaan  adalah  suatu  sistem yang  kompleks,  pada  saat  perancangannya banyak aspek-aspek yang perlu diperhatikan dan dipertimbangkan sehingga diperoleh suatu rancangan  sistem  perpipaan  yang  baik  dan efisien.  Untuk  membangun  sebuah  sistem perpipaan  dibutuhkan  pengetahuan  tentang  hal- hal  yang  menyangkut  masalah    perpipaan  itu sendiri.
Dalam  tugas  akhir  ini  akan  dibahas mengenai  analisa  tegangan  pipa  steam  low condensate  ukuran  6  inchi  pada  plant  sebuah pabrik  yang  perancangannya  dilaksanakan  oleh PT.  IKPT  dengan  nama    6SLC-23210-ASA2. Analisis  sistem  perpipaan  ini  meliputi  analisa tegangan  yang  bertujuan  untuk  memperoleh kondisi sistem perpipaan yang aman beroperasi.
Dengan memperhatikan aspek teknis dan ekonomi, merubah support pada sistem perpipaan lebih  mudah  dan  lebih  murah  dibanding  dengan membuat routing sistem perpipaan baru.
A.  Klasifikasi Beban Beban-beban pada
sistem pemipaan
diklasifikasikan berdasarkan penyebabnya, yaitu:
1. Beban  Statik  (sustain,  expansi  dan operating) pada  dasarnya  adalah  suatu beban  yang  disebabkan  oleh  pengaruh internal yakni tekanan, temperature dan berat
material  pipa  serta  semua  komponen  dalam sistem. Selain dari itu beban statik dapat juga disebabkan  oleh  adanya  beban external , yakni gempa, thrust load dari relief valve , wind dan wave dan beban ultimate tanah bila pipa berada  dalam  tanah  ( under  ground ).  Beban statik  selain  akibat  beban  ultimate  tanah sering disebut dengan beban ”static occational” atau  lebih  dikenal  dengan  beban ”quasi dynamic” ,  dikatakan demikian karena beban  dianggap  seolah-olah  sebagai  beban dinamik tetapi bukan fungsi waktu.
2. Beban Dinamika
(occasional)
mempertimbangkan  adanya  beban  external sebagai  fungsi  waktu  [W  =  f(t)],  antara  lain gempa (seismic), operasi safety valve , vibrasi
(pulsation) dan water hammer .
3. Beban termal / ekspansi (Sexp), yaitu beban yang  timbul  akibat  ekspansi  panas.  Beban termal dibagi menjadi tiga bagian berdasarkan sumber penyebabnya, yaitu :
 Beban  termal  akibat  pembatasan  gerak oleh  tumpuan,  beban  ini  (gaya  dan momen)  timbul  jika  ekspansi  atau konstraksi bebas perpipaan akibat termal terhalang oleh tumpuan.
 Beban termal akibat perbedaan temperatur,  beban  ini  terjadi  akibat perubahan  temperatur  yang  besar  dan cepat,  termasuk  juga  akibat  distribusi temperatur  yang  tidak  seragam  karena adanya  aliran  kalor  yang  tinggi  melalui dinding pipa.
 Beban termal akibat perbedaan koefisien ekspansi,  beban  ini  terjadi  pada  sistem pipa yang materialnya mempunyai koefisien ekspansi yang berbeda.
B.  Teori tegangan pipa
Gambar 1. Arah tegangan yang terjadi
1.  Tegangan  utama  longitudinal (Longitudinal principal stress) yaitu tegangan yang bekerja sepanjang  garis  sumbu  pipa,  tegangan  ini disebabkan oleh pembengkokan, beban gaya aksial  atau  tekanan.  Dan  tegangan  ini  dapat dirumuskan sebagai berikut: a.  Akibat gaya aksial
Gambar 2. Tegangan utama longitudinal akibat gaya aksial

## S = F
Am
b.  Tegangan longitudinal akibat tekukan
S = M R I = M Z c.  Tegangan  longitudinal  akibat  tekanan dalam S = Pd 4t
Jadi  total  dari  tegangan  longitudinal  adalah sebagai berikut:
S = F A + Pd 4t + M
Z
2.  Tegangan  utama  radial (Radial  principal stress) yaitu tegangan yang bekerja pada satu garis  mulai  dari  pusat  pipa  secara  radial sampai ke dinding pipa, tegangan ini bersifat tegangan tekan bila disebabkan oleh tekanan dalam  pipa  dan  tegangan  ini  bersifat tegangan tarik bila tekanan dalam pipa hampa (vacuum pressure).
S = P(r − r . r r ) (r −   r ) 3.  Tegangan utama circumferential
(Circumferential principal stress) atau disebut juga  sebagai Hoop  stress, tegangan  ini bekerja  tegak  lurus  terhadap  tegangan longitudinal dan tegangan radial, tegangan ini bertendensi  membelah  dinding  pipa  dalam arah  melingkar  pipa  dan  tegangan  ini disebabkan tekanan dari dalam pipa, besarnya  bervariasi  sesuai  dengan  tebal dinding pipa. Rumus untuk tegangan tangensial  dapat  didekati  dengan  memakai
persamaan  berikut  dan  dijelsakan  pada gambar 3.
Gambar 3 Tegangan utama longitudinal
S = P(r + r  x r r ) (r −  r )
Secara  konservatif  untuk  pipa  yang  lebih  tipis dapa dilakukan penyederhanaan rumus tegangan pipa tangensial ini dengan mengasumsikan gaya akibat tekanan dalam bekerja sepanjang pipa.
Didasarkan oleh F=P.d i .I ditahan oleh dinding pipa  seluas  A m =2 t .L  sehingga  rumus  untuk tegangan  tangensial  ini  dapat  dituliskan  sebagai berikut:
S = P. d 2t Nozzle displacement
Didalam melakukan perhitungan analisis tegangan pada  sistem pemipaan, terutama pada pipa  yang  tersambung  ke equipment, baik  static maupun rotating equipment, maka salah satu hal yang paling penting yang harus disiapkan adalah menghitung besarnya  pergerakkan nozzle akibat temperature pada equipment tersebut.
Secara  umum  untuk  mengetahui  apakah sebuah  sistem  pemipaan  akan  mengalami kelebihan  tegangan  ( overstress) pada  kondisi paling ekstrim, maka digunakan temperature yang paling tinggi (design temperature), yang mungkin terjadi pada suatu sistem pemipaan.
Dengan  temperature  tertinggi  yang  mungkin terjadi  pada  suatu  sistem,  maka  kita  akan  bisa tahu  dan  yakin  bahwa  pada  saat  itu  sistem pemipaan  yang  telah  dihitung  akan  mampu bertahan tanpa mengalami overstress.
Displacement pada nozzle pompa dapat dihitung dengan:
dY = Y . e . (T1 − T2)

## Kondisi pembebanan
Sistem  pemipaan  yang  dirancang,  direncanakan dapat menahan bermacam-macam pembebanan yaitu:
1.  Pada keadaan hydrostatic test
a.  Beban akibat material dan gaya luar.
b.  Beban akibat fluida yang digunakan untuk pengetesan.
2.  Pada keadaan operasi
P S H S H L L FA x x F
a.  Beban  akibat  material,  berat  fluida, temperature dan gaya luar.
b.  Beban  akibat  material,  berat fluida , temperature (desain / operasi), gaya luar, dan tekanan (desain / operasi) c.  Beban akibat berat material, berat fluida , temperature  (desain  /  operasi),  tekanan (desain  /  operasi),  berat  konstruksi ( settlement ) dan gempa bumi.

## Teori-teori kegagalan
1. Teori kegagalan tegangan  utama maksimum (maximum  principal  stress  failure  theories) menyatakan bila salah satu dari tiga tegangan utama  yang  saling  tegak  lurus  melebihi  dari kekuatan luluh (yield strength) material pada temperature yang sama maka kegagalan atau kerusakan akan terjadi pada material tersebut. Hal ini dapat dirumuskan :
 Tegangan utama longitudinal (LPS) :
LPS = P x Do
4t
 Tegangan utama circumferential (CPS) :

## CPS =
P x Do
2t

## 2.  METODOLOGI PENELITIAN
Didalam suatu penelitian diperlukan adanya data- data pendukung penelitian yang akan digunakan untuk  input  baik  untuk  perhitunngan  manual maupun  perhitungan  analisa  dengan  bantuan software CAESAR II.
Untuk  menyimpulkan  data  digunakan metode  penelitian  dengan  studi  literatur  atau pustaka,  dan  metode  wawancara.  Diagram  alir Analisa  overstress  sistem  perpipaan adalah sebagai berikut:
Gambar 4, Diagram alir perencanaan
Analisa  sistem  perpipaan  dilakukan  dengan menggunakan software Caesar II 5.0
Data-data design: Temp. Design (DT) : 200 0 C Temp. Operasi (OT) : 155 0 C Pressure Design (DP) : 784.5  KPa Pressure Operasi (OP) : 588.4 KPa Diameter luar pipa (D) : 168.28  mm Tegangan yang diijinkan (S): 137.8951     N/mm 2 Faktor kualitas (E) : ≥ 0.9 Koefisien Bahan (Y) : 0.4 Faktor korosi ( c ) : 1.7mm

## 3.  ANALISIS DAN HASIL
Maka,
= . ( ) + C t   =
. .
([ . ] [ . . ]) + 1.7 t   = 132.0157 276.4178 + 1.7 t   =  2.17 mm
Ketebalan minimum yang dibutuhkan adalah 2.17 mm.  Jadi  schedule  yang  cocok  untuk  ketebalan pipa  seperti  hasil  diatas  adalah  schedule  10S, akan  tetapi  perusahaan  mempunyai  standard proyek  untuk  pipa  diameter  168.28  mm  (6  inch) menggunakan schedule 40. Data pipa DN 150 SCH 40 :  Diameter Luar (D) = 168.28 mm
 Ketebalan dinding pipa = 7.11 mm
2. Perhitungan displacement Nozzle.
Perubahan  panjang  ataupun  pergerakan  titik nozzle pada suatu equipment dapat memberikan beban  tambahan  baik  pada  pipa  maupun  pada equipment itu sendiri. Sehingga perlu diperhitungkan pada analisa flexibilitas. Perhitungannya  didapat  dengan  mengalikan koefisien  thermal  ekspansi  pada  temperatur operasi dengan dimensi dari ujung nozzzle ke titik pusat anchor equipment itu sendiri. berikut adalah perhitungannya :
T 2 = 155 o C = 311 o F
α = 1.82 in/100 ft (lihat table 3.2)
= 22.86 mm/30480mm = 0.00075 mm
Ln = 280 mm
 T = T 1 – T 2
= 200-155 = 45 o C Maka,  L = α.Ln.  T
 L = 0.00075 x 280 x 45  L = 9.45 mm Akibat  perubahan  suhu,  nozzle  pada equipment mengalami  perubahan  panjang  9.45 mm.  Nilai  ini  menjadi  data  input  pada software Caesar II pada parameter displacement.
3. Perhitungan jarak penyangga pipa Pipe  support  adalah  salah  satu  bagian  yang penting  dalam  sistem  perpipaan  di  suatu  plant atau  pabrik.  Sebuah  pipa  yang  menumpu  pada suatu  support  akan  memberikan  gaya  berupa berat pipa beserta isinya ataupun gaya-gaya lain yang terjadi pada support tersebut. Karena tujuan pipe  support  adalah  mampu  menahan  beban dalam  jangka  waktu  yang  lama,  maka  masing- masing  bagian  yang  bersentuhan  haruslah  kuat dan mampu menerima beban tersebut.
Untuk  mengetahui  jarak  maksimum  antara support, berikut adalah perhitungannya:
L = . .
Dimana,
 Z = (d o 4 – d i 4 / d o ) = (168.28 4 – 154.06 4 / 168.28) = 139 124.54 mm 3
 W p = berat pipa per satuan panjang =  /4 . (d o 2 -d i 2 ) . ( density of steel ) =  /4 . (168.28 2 – 154.06 2 ) . (7.85 x 10 -6 ) = 2.8246 x 10 -2 kg/mm
= 0.2768 N/mm
 W c = Berat pipa persatuan panjang (N/mm)
=  /4 . (d i 2 ) . ( density of fluida ) =  /4 . (154.06 2 ) . (9.12 x 10 -7 ) = 1.6992 x 10 -2 kg/mm = 0.1665 N/mm
 W i = Berat pipa persatuan panjang (N/mm) = /4  .  (d o  insul 2 -d o 2 )  .  ( density  of insulation ) =  /4 . (218.28 2 -168.28 2 ) . (2.4 x 10 7 ) = 3.6414 x10 -3 kg/mm = 0.0357 N/mm Jadi total berat per satuan panjang (W), W   = 0.2768 + 0.1665 + 0.0357 = 0.479 N/mm
L = . .
= . ( . ). . . = 3580 mm

## Hasil output data Caesar dan analisa
Sebagai  langkah  awal  perhitungan  analisa tegangan  pipa  dengan  menggunakan  software Caesar,  kita  perlu  memodelkannya  terlebih dahulu.  Adapun  parameter-parameter yang menjadi data masukan (di input) kedalam program Caesar II sebagai data yang akan diproses adalah sebagai berikut : Node  Node yaitu titik awal perencanaan yang akan disediakan  oleh  Caesar  II  dalam dialog  box . Biasanya nilai 10 akan menjadi titik awal dari perencanaan  jalur  perpipaan  yang  akan dilakukan  dan  akan  diikuti  dengan  angka-
angka selanjutnya sesuai
dengan keperluannya.
 Name of first point : 10
 Apabila identitas pipa  yang akan dimodelkan pada  tiap  segmen  belum  didefinisikan  pada tahapan sebelumnya, secara otomatis program  akan  meminta  input  definisi  pipa yang  akan  menggunakan  identitas  tersebut. Data  yang  harus  dimasukkan  antara  lain adalah diameter luar, schedule pipa, corrosion  allowance, tebal  isolasi,  jenis material , temperature, pressure, dan properties dari material tersebut.
Gambar 4.1. Input diameter pipa Referensi : Program CAESAR II 5.0
Gambar 4.2. Input Desain Pressure dan
Operating  Pressure,  input  Desain  Temperature dan Operating Temperature.
Gambar 4.3. Input material Referensi : Program CAESAR II 5.0
Caesar  II  memiliki  9  kondisi  temperature  dan tekanan  serta  tekanan  hydrotest  yang  dapat diberikan  untuk  masing-masing  elemen  pipa. Caesar  II  mempergunakan  data  temperature tersebut untuk mendapatkan thermal strain/regangan akibat temperature dan allowable stress/tegangan yang diijinkan dari suatu elemen dari  material  data  base.  Input  temperature  dan takanan ini juga berfungsi untuk mensimulasikan kondisi pembebanan ketika kita akan melakukan analysis.
Caesar  II  membutuhkan  spesifikasi  material pipa,  elastic  modulus,poisons  ratio,  density,dll. Sebagai  parameter  dasar  yang  akandigunakan untuk  perhitungan.  Caesar  II  telah  memiliki berbagaidata  base  tentang  material  dimana  kita dapat  memilih  sesuai  dengan  spesisifasi  yang dikehendaki, dan atau kita dapatmerubah/membuat  material  data  base sendiri  dengan  menggunakan  Caesar  II  material data base editor.
Nilai  Elastic  Modulus  dalam  CAESAR  II 5.1 akan diberikan dengan 4  nilai  dimana  nilainya  akan  diberikan  secara otomatis oleh CAESAR II.
Gambar 4.4. Input density Referensi : Program CAESAR II 5.0
Pemodelan pada software Caesar disini mengikuti desain routing isometrik yang ada pada projek dan input  didalamnya  diharapkan  dapat  mendekati kebenaran hasilnya.
Gambar 4.5. Pemodelan pipa
Kemudian run dijalankan  untuk  menganalisis tegangan yang terjadi pada pemodelan yang telah dibuat.  Berikut  ini  adalah  hasil  analisa  program Caesar II
Gambar 4.6. Pemodelan pipa dengan expansi pipa

## LOAD CASE DEFINITION KEY
Penjelasan  Allowable  Stress  Type  dan  Load Case:
1.  (OPE)  Operating:  Stress  yang  terjadi  akibat beban  kombinasi  antara  sustain  load  dan expansion  load  dimana  biasa  terjadi  pada kondisi operational.
2. (OCC) Occassional: Stress yang terjadi hanya dalam  waktu  relative  singkat  akibat  beban sustain  load  +  occassional  loading  (seperti angin,wave, dll.)
3.  (SUS)  Sustained:  Stress  yang  terjadi  secara terus  menerus  selama  umur  operasi  akibat tekanan dan berat pipa & fluida.
4.  (EXP)  Expansion:  Stress  yang  terjadi  akibat adanya perubahan temperature
5. (HYD) Hydrotest : Stress akibat tekanan air saat dilakukan hydrotest.
Gambar 4.7. Pemodelan pipa dan Node Referensi : Program CAESAR II 5.0
Case I diatas memberikan data-data stress yang terjadi akibat beban kombinasi antara sustain load dan  expansion  load  dimana  biasa  terjadi  pada kondisi  operational,  dengan  menggunakan value data temperatur1 dan pressure1.
Case  II  diatas  memberikan  data-data  stress yang  terjadi  akibat  beban  kombinasi  antara sustain  load  dan  expansion  load  dimana  biasa terjadi pada kondisi operational, dengan menggunakan value data  temperatur2  dan pressure2.
Pada  Case  III  diatas  memberikan  data-data Stress yang terjadi secara terus menerus selama umur  operasi  akibat  tekanan  dan  berat  pipa  & fluida, yaitu W dan P1.
Sama  halnya  yang  terjadi  pada  Case  III,  pada Case  IV  ini  merupakan  data  Stress  yang  terjadi secara terus menerus selama umur operasi akibat tekanan dan berat pipa & fluida tetapi pada W dan P2. Pada Case V dan VI adalah merupakan data stress  yang  terjadi  akibat  adanya  perubahan temperature.
Dari  hasil  diatas  ditunjukkan  bahwa  sistem perpipaan  tersebut  telah  memenuhi  standar karena  beban  dan  tegangan  yang  terjadi  tidak melebihi  batasan  yang  diizinkan  yaitu  tegangan maksimum  pada  kasus  pembebanan sustained load (SUS) adalah 1406.1 kg/cm 2 = 137.89 N/mm 2 . Sedangkan  yang  terjadi  pada  sistem  tersebut adalah 297.6 kg/cm 2 = 29.18 N/mm 2 .

## 4.  KESIMPULAN
Berdasarkan hasil perhitungan dan analisis pada perencanaan  jalur  perpipaan,  dapat  disimpulkan sebagai berikut:
1.  Sistem  perpipaan  pada  kondisi  awal dinyatakan  aman  beroperasi  karena  pada analisa  tegangan  pipa  tidak  terjadi  over stress  yang  pada  kondisi  desain  sistem perpipaan menunjukkan
tegangan
maksimum terdapat pada node 30 sebesar
297.6 kg/cm 2 = 29.18 N/mm 2 .
2.  Jalur perencanaan perpipaan tidak terjadi overstress dan aman bagi manusia dan fasilitas migas di sekitarnya.

## DAFTAR PUSTAKA
1.  Chamsudi,  Diklat  –  Pipe  Stress  Analisis, Jakarta: PT. Rekayasa Industri, 2005
2.  Diklat,  Pelatihan  Dasar  Analisa  Tegangan Pipa. Jakarta: PT. Tijara Pratama, 2004
3.  Hertanto, Teguh. P,  “Buku Pegangan Peserta Pelatihan”. Jakarta, 2009
4.  Klass,  Dua  K.S.Y,  Desain  Jaringan  Pipa, Prinsip  Dasar  dan  Aplikasi.  Bandung:  CV. Mandar Maju, 2009
5.  Raswari,  Teknologi  dan  Perancangan  Sistem
Perpipaan, Jakarta: Bagian Penerbitan
Universitas Indonesia (UI-Press), 1986 6.  Rekayasa  Engineering  Designing  School, Jakarta 2010 7.  The American Society of Mechanical Engineers, ASME B13.3-2006. Piping Proses, NewYork
8.  Tungga  BK,  Dasar-dasar  Getaran  Mekanis, Yogyakarta: CV Andi Offset