Bab 10 Expansion Loops

Bab 10 Expansion Loops

BAB 10 EXPANSIONS LOOPS, EXPANSIONS JOINTS, AND FLANGED JOINTS

Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

1


10.1. FLEKSIBILITAS Menunjukkan adanya ukuran panjang pipa yang cukup pada arah yang tepat. Manfaatnya : Mencegah kegagalan pipa atau tumpuan akibat overstress/fatigue. Mencegah kebocoran pada sambungan. Mencegah terjadin terjadinya a distorsi pada pipa ata atau pada sambungan dengan peralatan lain (pompa, vessel, dsb.); yang diakibatkan oleh adanya gaya dan momen yang berlebih pada sistem perpipaan. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

2


Upaya untuk memperbaiki fleksibilitas sistem perpipaan, dilakukan dengan menggunakan :

Expansion loops

z

Gb. 7.1 Expansion Loop tipe omega

z

Expansion joints Gb. 7.2 Universal Expansions joints Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

3


10.2. EXPANSIONS LOOPS ª Expansion loops memberikan kaki yang diperlukan oleh sistem pipa pada arah tegak lurus untuk menyerap ekspansi termal yang terjadi. ª Expansion loops lebih aman dibandingkan dengan expansion joints, tetapi memerlukan lebih banyak ruang. ª Expansion loops dapat dibuat simetris atau non-simetris. ª Loops simetris lebih menguntungkan karena dapat menyerap ekspansi termal yang sama besar dari kedua sisi secara lebih efisien. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

4


W H L Gb. 7.3 Symmetrical expansion loop

W H L Gb. 7.4 Non-symmetrical expansion loop


5


ª Panjang daerah lengkungan L2 diberikan oleh rumus

L2 = W + 2H ª L adalah jjarak antara p pengarah g ((distance between g guide)) ª Loops yang non-simetris juga terkadang digunakan bila loops simetris sukar atau tidak mungkin dilakukan, seperti misalnya dalam hal pemanfaatan adanya tumpuan yang sudah ada atau untuk menempatkan loops pada daerah perlintasan dengan jalan jalan. ª Rasio optimum antara tinggi dan lebar (H/W) diperoleh dengan diestimasi dan perhitungan secara iteratif.


6


Tumpuan Vertikal ª Tumpuan arah vertikal pada sistem perpipaan diperlukan untuk menumpu berat pipa dan ditempatkan pada jarak tertentu yang dapat dihitung. ª Loops horisontal memerlukan tumpuan lebih banyak dibandingkan dengan loops vertikal pada daerah lengkungan (bend length) seperti ditunjukkan oleh tumpuan S1S1 pada Gb. 7.5.


7


Multiple loops

Gb. 7.5 Lay-out beberapa loops horizontal

ª Jika beberapa loops pipa diletakkan berdampingan pada sebuah rak pipa, maka ukuran loops dapat dimodifikasi untuk meletakkan loops yang satu di dalam loops yang lain, seperti ditunjukkan pada Gb. 7.5. Tetapi ukuran akhir dari setiap loop (bend length) harus lebih besar dibandingkan dengan yang diperoleh dari perhitungan. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

8


ª Pipa dengan diameter lebih besar dan dengan temperatur lebih panas diletakkan pada posisi paling luar, karena memerlukan tinggi gg loops p ((H)) yyang g lebih besar. Sedangkan g pipa dengan diameter lebih kecil dan temperatur lebih rendah diletakkan di sebelah dalam. ª Karena susunan multiple loops dapat mengubah keseluruhan layout dari rak pipa, maka dianjurkan untuk melakukan perkiraan ukuran semua loops dengan perhitungan sederhana atau dengan bantuan nomograph pada fase awal dari pelaksanaan proyek.


9


ª Tumpuan pengarah pada kedua sisi loops, ditunjukkan sebagai G1 dan G2 pada Gb. 7.5 dan sangat diperlukan untuk menjamin j ekspansi p bergerak g p pada arah yyang g tepat p (searah sumbu pipa). ª Untuk menghindari adanya interferensi antara satu loops dengan yang lainnya, diperlukan gap atau celah antara pipa yang cukup dalam perancangan multiple loops.


10


ª Besarnya gap, setelah mempertimbangkan adanya insulasi pada kedua pipa yang saling berdekatan, harus lebih besar dari perbedaan ekspansi pada elbow E1 dan E2, seperti ditunjukkan pada Gb. Gb 7.6. 76 Untuk menghindari interferensi, maka gap > ( Δx 2 − Δx1 ), di mana Δx 2 dan Δx1 adalah masing-masing besarnya ekspansi loops sebelah luar dan sebelah dalam pada arah dan waktu yang sama. ª Seandainya pipa sebelah dalam tidak beroperasi, artinya temperaturnya adalah pada temperatur lingkungan (70oF), maka gap aktual yang terjadi akan lebih kecil, seperti ditunjukkan pada Gb. 7.7. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

11


Gb. 7.6 Gap yang diperlukan untuk kasus dua pipa panas

Gb. 7.7 Gap yang diperlukan jika inner loops tidak beroperasi


12


Gb. 7.8 Manfaat tumpuan pengarah pada sistem perpipaan

ª Pada P d Gb Gb. 7 7.8a. 8 dit ditunjukkan j kk manfaat f t ttumpuan pengarah h terhadap pola defleksi dari pipa di sekitar loops. Sedangkan pada Gb. 7.8b. ditunjukkan pengaruh tumpuan pengarah pada pipa lurus. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

13


ª Loops 3-dimensi, Gb. 7.9 digunakan secara luas karena susunan tersebut tidak memblokir rangkaian pipa yang bertemperatur rendah. Tinggi raiser yang umum digunakan adalah sekitar 3 ft. Panjang lengkungan loop juga dihitung dengan rumus L2 = W + 2H.

Gb. 7.9 Expansions loop horisontal 3-dimensi Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

14


ª Pada daerah pelintasan dengan jalan raya, di mana loops horisontal sukar dibuat, maka diganti dengan vertikal loops. Vertikal loops sering tidak simetris. Pada loops vertikal, tumpuan vertikal menjadi sangat perlu untuk menjaga line tetap vertikal, seperti pada Gb. 7.10.

Gb. 7.10 Expansions loops vertikal pada perlintasan jalan


15


Perhitungan gaya/momen pada loops Perhitungan gaya/momen pada loops yang dijelaskan di sini didasarkan pada metode M. W. Kellogg sbb. Contoh perhitungan Diketahui sebuah loop pipa Grade A, ASTM A-135 dengan OD 20 in dan tebal 0,5 in. Panjang K1L adalah 20 ft. Tumpuan pengarah diletakkan sejarak 10 ft pada kedua sisi loop, sehinggan panjang L = 40 ft, Gb. 7.11. Jarak antara tumpuan anchor A’ dan B’ adalah 100 ft. Sistem pipa digunakan untuk mengalirkan minyak pada suhu 425oF. Ditanyakan : a. Tinggi loop K2L yang diperlukan b. Gaya yang bekerja di titik A’ dan B’ serta momen di titik A dan B.


16


Gb. 7.11 Expansion loop simetrik dengan beban termal

Jawab : a. Ekspansi termal linier baja karbon pada 425oF adalah 0,030 in/ft. Tegangan yang diijinkan, SA = 19.890 psi (ignoring code permission to exlude longitudinal joint efficiency) Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

17


Hitung besaran,

2 ( 40 ) (19.890 ) L2SA = = 0,0531 7 10 7 DΔ 10 ( 20 )(3 )

Masukkan nilai 0,0531 pada sumbu vertikal dari diagram pada Gb. 7.12. Dari titik 0,0531 pada sumbu vertikal tarik garis horisontal ke kanan sampai memotong garis K1 = 0,5. Kemudian dari titik potong yang dihasilkan ditarik garis vertikal ke bawah sehingga diperoleh harga K2 = 0,32. Sehingga nilai K2L diperoleh = 0,32 x 40 ft = 12,80 ft. g gg gaya y dan momen adalah b. Rumus untuk menghitung

⎛ IΔ ⎞ FxA' = −FxB ' = −106 A1 ⎜ 3 ⎟ ⎝L ⎠

5 ⎛ IΔ ⎞ M zA ' = −M zB = 10 A2 ⎜ 2 ⎟ ⎝L ⎠

Dengan I adalah momen inersia penampang serta A1 dan A2 diperoleh dari diagram pada Gb. 7.13 Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

18


Gb. 7.12 Diagram untuk mendisain loops nenurut M. W. Kellogg


19


Dari tabel standard pipa diperoleh I = 1460 in4., sehingga diperoleh IΔ 3

L

=

1460(3 ) 40

3

IΔ

= 0,0684

3

L

=

1460( 3 ) 40

2

= 2,738

Dengan memasukkan nilai-nilai tersebut di atas dalam diagram pada Gb. 7.13 dan mengingat bahwa K1 = 0,5 dan K2 = 0,32, maka diperoleh A1 = 0,55 dan A2 = 0,86. Sehingga gaya dan momen dapat dihitung sbb.

FxA ' = −FxB ' = −106 (0,0684)(0,55) = −37.620 lb M xA = −M xB = +105 (2,73)(0,86) = 234.780 ft − lb Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

20


Gb. 7.13 Diagram untuk menghitung gaya dan momen pada loop nenurut M. W. Kellogg


21


Perhitungan panjang lengkungan L2 F Nomograph pada Gb. 7.14 dapat digunakan untuk memperkirakan dimensi dari expansion loops F Dalam penggunaan nomograph Gb. 7.14, asumsi berikut ini harus diperhatikan, yaitu bahwa

Rumus yang digunakan adalah didasarkan pada metode kantilever terarah (guided cantilever) dengan rumus sbb. L2 =

3E D Δ 144 S A


22


Gb. 7.14 Nomograph untuk menghitung loop size


23


Parameter yang dilibatkan dalam rumus untuk menghitung bend length adalah SA = 20.000 20 000 psi (allowable stress for carbon steel at 400 o F ) E Δ D

= 29 × 10 6 psi (modulus elasticity carbon steel at 400 o F ) = expansions to be absorbed by the loop, inches = nominal diameter, inches

(note that the equation for L

2

use OD as input )

L = distance between guides, guides ft L1 = distance between anchors, ft L2 = bend length required to absorb expansion, ft


24


Contoh 1 :

Tentukan ukuran dari expansion loop yang mampu menyerap expansi yang terjadi pada sistem pipa berdiameter 12 in sepanjang 200 ft. Material p pipa p adalah baja j karbon dan beroperasi p p pada temperatur p o 400 F. Asumsikan rasio antara tinggi dan lebar loop. Jawab : Total expansi yang terjadi = (200)(0.027) = 5,4 in. Dengan menggunakan nomograph Gb. 7.14 dan menarik satu garis lurus dengan titik awal pada diameter nominal 12 in dan melalui expansi termal mendekati 6 in ( 5.4 in) akan memotong garis bend length kira-kira pada angkan 50 ft. Jika diasumsikan H = W, maka dari rumus bend length L2 = W + 2H, maka diperoleh H = W = 17 ft yang menghasilkan L2 = 17 + 2(17) = 51 in. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

25


Gb. 7.15 Perhitungan expansion loop menggunakan nomograph

Dengan perhitungan diperoleh

L2 =

3E D Δ 3(29 × 10 6 )12(5,4) = = 44,24 ft 144 S A 144(20.000 )

Jika dibandingkan dengan perkiraan menggunakan nomograph, terjadi kesalahan sebesar 16 % Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

26


Contoh 2 :

Dengan menggunakan metode Kellogg hitunglah tegangan, gaya, dan momen pada expansion loop seperti Gb. 7.16. Diameter pipa 6 in sch. 40 dibuat dari material baja karbon. Temperatur operasinya adalah 450oF. y Fx

Mz

x

Fy

Gb. 7.16 Perhitungan tegangan dan beban menggunakan metode Kellogg


27


Jawab : Koefisien ekspansi baja karbon pada 450oF = 0,0316 in/ft Menghitung konstanta K1 dan K2 sbb. : K1

=

W L

=

20 = 0,5 40

K2

=

H L

=

20 = 0,5 40

Untuk K1 = 0,5 dan K2 = 0,5, dari Gb. 7.12 diperoleh

L2SA = 0,03 10 7 DΔ

Defleksi Δ = 200(0,0316 ) = 6,32 in; OD = 6,625 in (dari standard pipa)

Lc = 21 L(1 − K1 ) = 21 ( 40 )(1 − 0,5) = 10 ft Tegangan = S =

0,03(10 7 )DΔ 0,03(10 7 )( 6,625 )( 6,32 ) = = 7850 psi L2 40 2 Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

28


Menghitung gaya dan momen Dengan menggunakan diagram pada Gb. 7.13 diperoleh A1 = 0,21 dan A2 = 0,5 dengan K 1 = K 2 = 0,5 dan I = 28,14 in.4

Gaya di anchor diperoleh dari rumus sbb. FxA ' = −FxB ' = −

10 6 A1Δ 10 6 (0,21)(6,32) = − = −584 lb. L3 40 3

M Momen di ttumpuan di diperoleh l hd darii rumus sbb. bb M zA = −M zB =

10 5 A2IΔ 10 5 (0,5)(28,14)(6,32) = = 5558 ft - lb. L2 40 2



10.3. EXPANSIONS JOINTS ª Dalam tahun 1984, penggunaan expansion joints mulai diijinkan dalam nuclear piping design kecuali untuk ASME S ti III, Section III N Nuclear l Cl Class 1 C Code d Subsection S b ti NB-3671.2 NB 3671 2 yang menyatakan bahwa expansion joint tidak diijinkan dalam Class 1 nuclear components. ª Expansion joints digunakan untuk menyerap kompresi arah aksial atau perpanjangan offset arah lateral dan rotasi sudut. ª Seperti dianjurkan oleh standard pembuat extension joint, rotasi arah torsional pada bellows harus dihindarkan oleh karena momen puntir dapat menimbulkan level tegangan yang tinggi pada bellows. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

29


ª Expansion joints umumnya dapat diklasifikasikan ke

dalam kelas jenis sliding atau flexible. ª Pada jenis sliding dimungkinkan adanya gerakan relatif

antara bagian yang berdekatan. Termasuk ke dalam jenis ini adalah : slip joints, swivel joints, dan ball joints. Dresser coupling dan Victaulic coupling adalah contoh nama komersial dari joints jenis sliding. Nama lain dari sliding joints adalah packed joints. joints ª Jenis flexible joints dapat dibagi lagi menjadi bellows

joints, metal hose, dan corrugated pipe.


31


Gb. 7.17 Berbagai tipe expansion joints


32


Gb. 7.17 Berbagai tipe expansion joints (sambungan)


33


Beberapa istilah/nomenklatur F

Main Anchor : Main anchor harus didisain untuk dapat menahan gaya/momen yang bekerja. Pada kasus di mana digunakan expansion joint, joint, ada tambahan gaya/momen yang timbul yang terdiri dari gaya dorong akibat tekanan internal, gaya yang diperlukan untuk mendefleksi expansion joint, joint, dan gaya gesekan antara pipa dengan alignment guides dan tumpuan. g p Jika anchor utama dipasang pada tempat di mana terjadi perubahan arah aliran, maka efek elbow dan gaya centrifugal akibat aliran fluida, harus diperhitungkan. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

34


F

Intermediate Anchor : Intermediate anchor membagi jaringan pipa menjadi dua bagian yang dapat berekspansi bebas secara terpisah. Kedua bagian pipa dibuat fleksibel dengan menggunakan satu atau lebih expansion joint. joint.

F

Directional Anchor : Directional anchor atau sliding anchor adalah anchor yang dirancang untuk menyerap/menahan beban pada satu arah tertentu dan mengijinkan adanya gerakan pada arah yang lainnya.

F

Bellows : Adalah elemen fleksibel dari sebuah expansion joint yang terdiri dari satu atau lebih bagian berombak (corrugated (corrugated)) dan saling bersinggungan.

F

Bellows Material : Beberapa material yang umum digunakan untuk material bellows diberikan pada tabel berikut ini : Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

35


Table Bellow Material Bellow material

Temperature Range oF (According to ASME Section VIII)

304 Stainless steel

- 300 – + 750

316 Stainless steel

- 300 – + 750

321 Stainless steel

- 300 – + 1500

347 Stainless steel

- 300 – + 1400

Nickel 200

- 300 – + 600

Monel 400

- 300 – + 900

I Inconel l 600

- 250 – + 1200

Inconel 625

- 250 – + 1200

Inconel 800

- 250 – + 1500

Inconel 825

- 250 – + 800


36


F

Squirm in Bellows Expansion Joint : Suatu istilah yang digunakan untuk menunjukkan munculnya ketidakstabilan (instability instability)) yang disebabkan oleh tekanan internal dan yang berhubungan dengan sambungan pipa dengan diameter 20 inchi dan yang lebih kecil. kecil

F

Flexibility of an Expansion Joint : Dapat ditingkatkan dengan bellows yang lebih tipis (tetapi masih cukup kuat untuk menahan tekanan kerja), menambah jumlah bellows bellows,, dan dengan multiple bellows.. bellows

F

External Cover : Tutup luar yang digunakan untuk melindungi bagian luar dari bellows dari bendabenda-benda asing, khususnya jika joint ditanam di bawah permukaan tanah. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

37


F

Tie Rods : Adalah batang yang digunakan untuk menahan expansion joint dari gaya yang diakibatkan oleh tekanan internal. Besarnya dan jumlah tie rods tergantung dari besarnya gaya yang t j di akibat terjadi kib t ttekanan k internal i t l ttersebut. b t Tie Ti rod d juga j h harus d dapatt berfungsi sebagai pembatas defleksi.

F

Equalizing or Reinforcing Rings : Device yang digunakan untuk memperkuat elbows terhadap tekanan internal dan membantu menjaga bentuk asli dari elbow .

F

Guides : Guides merupakan bagian penting bagi performans expansion joint . Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

38


Beberapa Tipe Expansion Joints F

Single Expansion Joint : Merupakan bentuk yang paling sederhana dari expansion joint untuk jenis kontruksi bellow tunggal. Bellow ini dirancang untuk menyerap semua gerakan dari sistem pipa di mana joint tersebut dipasang.

F

Double Expansion Joint : terdiri dari dua bellows disambung oleh satu t penghubung h b yang di dipegang oleh l h ttumpuan yang di dipasangkan k pada dasar anchor. DEJ tidak sama dengan universial expansion joints.. joints


39


F

Internally Guided Expansion Joint : Tipe ini dirancang untuk dapat memberikan axial guiding pada expansion joint dengan memasang sebuah heavy telescoping internal guide sleeve .

F

Universal Expansion Joint : terdiri dari dua bellows yang disambungkan dengan sebuah penghubung dan digunakan untuk menyerap setiap kombinasi dari tiga gerakan dasar, yaitu : gerakan aksial, defleksi lateral, dan rotasi sudut. Jenis ini biasanya dilengkapi dengan batangbatang-batang pembatas (limit (limit rods) rods) untuk mendistribusikan gerakan diantara kedua bellows dan menstabilkan penghubung kedua belows. Definisi ini tidak berarti bahwa hanya double expansion bellows joint yang dapat menyerap gerakan universal. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

40


F

Hinged Expansion Joint : terdiri dari satu bellows dan dirancang untuk tumpuan yang mengijinkan adanya rotasi sudut pada satu bidang hanya menggunakan sepasang pin melalui hinge plate yang dikaitkan dengan ujungujung-ujung expansion joint joint.. Hinge pins dan hinge harus dirancang agar masih kuat menahan gaya dorong akibat tekanan internal. HEJ harus digunakan berpasangan dua atau tiga agar dapat berfungsi dengan baik .

F

Swing g Expansion p Joint : tipe p ini dirancang g untuk menyerap y p defleksi lateral dan/atau rotasi sudut pada satu bidang. Gaya akibat tekanan internal dan gaya lainnya ditahan dengan menggunakan sepasang swing bar yang masing masing--masingnya disambung dengan pin pada ujungujung-ujung expansion joint. joint. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

41


F

Gimbal Expansion Joint : tipe ini dirancang untuk dapat memungkinkan adanya rotasi sudut pada setiap bidang dengan menggunakan dua pasang hinge yang dipasangkan pada common floating gimbal ring. Gimbal ring, hinge, hinge, dan pin harus dirancang cukup kuat untuk menahan gayagaya-gaya yang mungkin terjadi.

F

Pressure Balanced Expansion Joint : jenis ini dirancang untuk menyerap gerakan aksial dan/atau defleksi lateral sambil menahan gaya akibat tekanan internal dengan alat tie devices yang saling menghubungkan flow bellow dengan opposed bellow bellow.. PBEJ ini umumnya digunakan di mana terdapat perubahan arah pada pipa utama. Ujung aliran dari PBEJ terkadang terdiri dari dua bellows yang dipisahkan oleh penghubung bersama. Jenis expansion joint seperti tersebut dinamakan universal PBEJ. PBEJ. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

42


Pressure Trust Force F

Gaya dorong statik (static thrust), Fs akibat tekanan internal, dihitung dengan rumus :

Fs = a p yang mana : a : luas l efektif f k if yang berhubungan b h b d dengan diameter rata-rata dari corrugations, [in2] p : tekanan kerja maksimum yang mungkin terjadi, [psi]


43


F

Gaya yang diperlukan untuk menekan expansion joint pada arah aksial, Fm diberikan oleh rumus :

Fm = k a × Δ a yang mana :

k a : kekakuan expansion joint arah aksial [lb/in] Δ a : defleksi expansion joint arah aksial (kompresi), [in]


44


F

Gaya sentrifugal pada elbow akibat aliran, Fp diberikan oleh:

2 AρV 2 sin(θ2 ) Fp = g yang mana :

A : luas penampang internal pipa, [in2]

ρ

: berat jenis fluida, [lb/ft3]

l j aliran, li [ft/det] [ft/d t] V : laju g : percepatan gravitasi, [32.2 ft/det2]

θ

: sudut belok Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

45


F

Pada Gb. 7.18 diperlihatkan sebuah elbow yang diletakkan pada anchor utama. Perancangan/perhitungan gaya anchor harus meliputi gaya dorong akibat tekanan, gaya sentrifugal, gaya gesek pada tumpuan dan guide, dan gaya untuk menekan bellows.

Gb. 7.18 Gaya anchor pada elbow


46


F

Menghitung tekanan test hidrostatik, pt, menurut Expansion Joint Manufacturers Association (EJMA) adalah :

pt = 1,5 yang mana :

pd St Sd

pt : tekanan test hidrostatik pd : tekanan disain (design pressure) g g yang y g diijinkan j untuk material bellows St : tegangan pada temperatur pengetesan (70oF)

Sd : tegangan yang diijinkan untuk material bellows pada temperatur disain. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

47


Contoh perhitungan :

Hitunglah tekanan test hidrostatik untuk sistem perpipaan yang mempunyai tekanan disain sebesar 125 psig dan temperatur disain 500oF. Material bellow adalah carbon steel ASTM A53 Grade B. Jawab : Dari tabel standarad diperoleh tegangan ijin untuk material carbon steel ASTM A53 Grade B pada temperatur pengujian (70oF) diperoleh St = Sc = 20 ksi. Sedangkan tegangan ijin pada temperatur disain adalah Sd = Sh = 18,9 ksi. Dengan memasukkan data-data numerik t tersebut b t ke k dalam d l rumus di diperoleh l h ttekanan k ttestt hid hidrostatik t tik sbb. bb

pt = 1,5

pd St ⎡125(20.000 ) ⎤ = 198,4 psig = 1,5 ⎢ Sd ⎣ 18.900 ⎥⎦ Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

48


10.4. FLANGED JOINTS ª Flange digunakan untuk menyambung dua bagian panjang pipa dan/atau untuk menghubungkan pipa dengan peralatan lain. ª Ada dua tipe flange, yaitu : permukaan datar (flat face) dan permukaan timbul/cembung (raised face). ª Dalam analisis tegangan sistem pipa, kemampuan sebuah flange untuk memikul momen eksternal adalah sangat penting untuk diperhitungkan. ª Perancangan flange joint sekarang dapat diperoleh dari sumber referensi lain, seperti ASME Section III, Division 1. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

49


Parameter dalam disain flange joint : ª Bolt Preload : Pemberian p preload p pada baut dimaksudkan untuk memberikan pengencangan awal pada sambungan flange (baut menerima tarikan awal dan flange menerima tekanan awal). Besarnya beban awal tersebut harus cukup untuk menahan beban-beban yang bekerja pada flange agar tidak terjadi kebocoran, tetapi harus tidak melebihi kekuatan yield atau kekuatan proof dari material baut. Untuk sambungan yang mengalami tekanan hidrostatik (1,5 kali tekanan disain), maka tegangan awal baut akibat preload diperbolehkan melebihi tegangan disain yang diijinkan. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

50


ª Internal Pressure : Bila ada tekanan internal pada sistem pipa, tambahan yielding yang terjadi pada baut dapat menghasilkan kebocoran jika margin antara tegangan inisial preload dan kekuatan-yield bahan tidak cukup.

ª External Pressure : gaya y akibat momen lentur eksternal dan beban p pada Kombinasi g baut mungkin dapat memberikan deformasi plastis pada beberapa gasket, sehingga menyebabkan hilangnya tekanan gasket jika tekanan sambungan dihilangkan (depressurized). Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

51


ª Temperature : Kenaikan temperatur menyebabkan berkurangnya tekanan pada flange. Pada temperatur yang tinggi, nilai tegangan disain dikendalikan oleh laju creep. Jika koefisien muai antara flange dan b tb baut berbeda b d (k (karena materialnya t i l b berbeda), b d ) mungkin ki akan k titimbul b l kebocoran karena bertambahnya beban pada baut. Pengencangan ulang baut mungkin diperlukan, tetapi jangan lupa bahwa pengencangan berulang-ulang dapat membuat sambungan tidak dapat berfungsi dengan baik.

ª Gaskets: Section S ti NC-3647.5 NC 3647 5 h hanya mengijinkan iji k mettalic tt li or asbestos b t gaskets k t jika tekanan operasi yang dikehendaki melebihi 720 psi atau temperatur melebihi 750oF. Tetapi compressed sheet asbestosconfined gaskets memiliki range operasi yang lebih tinggi.


52


Nomenklatur Sy : yield strength material flange, [psi]. g baut p pada flange, g , [[in]. ] C : diameter lingkaran Ab : luas penampang total baut pada akar ulirnya, [in2]. Do : diameter luar flange raised face, [in].

PR : tekanan yang terjadi bersamaan dengan momen lentur akibat beban dinamik, [psi].

G : diameter di mana beban reaksi pada gasket terjadi, [in] (dpt didekati dg diameter-dalam dari flange raised face).

Sa : tegangan ijin baut, [psi]. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

53


Nomenklatur (sambungan) OBE : operating basis earthquake. SSE : safety shutdown earthquake. SAM : seismic anchor movement. Faulted condition diasosiasikan dengan SSE atau pipa patah. Keadaan ini sangat jarang terjadi.

LOCA : loss of coolant accident. Dapat berakibat membukanya presurized safety atau relief valve tanpa alert, karena berkurangnya media pendingin (coolant).


54


Momen Eksternal Perhitungan momen yang diijinkan dapat dilakukan dengan 3 metode yyang g diberikan p pada ASME Section III,, Nuclear Power Plants Components Code NC-3658. Metode 1

Metode ini mengacu pada ANSI B16.5 flanged joint with high strength bolting (baut dengan material yang mempunyai tegangan ijin pada 100oF paling rendah 20 ksi).

55



(1a) Untuk service level A dan B dengan beban statik diberikan oleh persamaan. ⎛ Sy ⎞ ⎛ Sy ⎞ ⎛ 1⎞ M allow static = 3125⎜ ⎟ <1 ⎟C Ab ⎜ ⎟; dgn ⎜ ⎝ 12 ⎠ ⎝ 36000 ⎠ ⎝ 36000 ⎠

(7.1)

(1b) Untuk service level A dan B dengan beban statik dan dinamik diberikan oleh persamaan. ⎛ Sy ⎞ ⎛ 1⎞ M allow dynamic = 6250⎜ ⎟C Ab ⎜ ⎟ ⎝ 12 ⎠ ⎝ 36000 ⎠

( 7.2)

(1 ) Untuk (1c) U t k service i llevell C d dan D d dengan b beban b statik t tik d dan dinamik diberikan oleh persamaan. π ⎡ ⎤ C ⎛ Sy ⎞ Mallow dynamic = ⎢11250 Ab − (Do2PR)⎥ ⎜ ⎟ 16 ⎣ ⎦ 12 ⎝ 36000 ⎠ Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

(7.3)

56


Metode 2 Metode ini menyangkut standard flange joint pada tekanan dan temperatur yang moderat dalam standard ANSI B16.5, MSS SP-44, SP 44, API 605 (tekanan kurang dari 100 psi dan temperatur kurang dari 200oF). Persamaan momen sbb : ⎛S ⎞ 1 kasus statik M allow static = AbC ⎜ a ⎟ ⎝ 4 ⎠ 12

(7.4)

⎛S ⎞ 1 M allow dynamic = AbC ⎜ a ⎟ kasus dinamik ⎝ 2 ⎠ 12

(7.5)

57



Metode 3 (equivalent pressure method )

Peq =

16 (12 )M π G3

(7.5)

M : largest moment (actual) dari persamaan (7.9), (7.10) & (7.11)

Actual/tot al pressure = Peq + design pressure

(7.6)

Persyaratan penggunaan rumus (7.6) adalah

(P

eq

+ design pressure ) < rated pressured


(7.7)

58


Actual moments M(normal) = Mactual static = higher of torsional or resultant of two bending moments for gravity plus thermal normal loading, sustained anchor plus relief valve thrust force and other mechanical movement p sustained loads.

(7.9)

M(upset) = Mactual dynamic = higher of torsional or resultant of two bending (7.10) moments plus thermal upset plus OBE plus SAM OBE plus LOCA. M(faulted) = Mactual dynamic (faulted) = higher of torsional or resultant of two (7 11) (7.11) b di moments bending t plus l th thermall upsett plus l SSE plus l SAM SSE plus l LOCA.

M = greater of the above three actual moments

(7.12)

59



Dalam aplikasinya : actual or calculated bending moments harus lebih kecil dari allowable moments seperti ditunjukkan pada tabel berikut ACTUAL

ALLOWABLES

M(normal),

pers. (7.9)

Mallow static,

pers (7.1)

M(upset),

pers. (7.10)

Mallow dynamic,

pers (7.2)

M(faulted),

pers. (7.11)

Mallow dynamic (faulted), (7.3)

pers

M(normal),

pers. (7.9)

Mallow satatic,

pers (7.4)

M(upset),

pers. (7.10)

Mallow dynamic,

pers (7.5)

M(faulted),

pers. (7.11)

Mallow dynamic,

pers (7.5)

Ped + Design Pressure, pers. (7.7)

Rated pressure


60


Contoh perhitungan : Hitunglah bending momen aktual dan yang diijinkan dan periksa apakah flange dikualifikasi memenuhi ASME Section III, NC-3658 (Edisi Summer 1979). Data sistem perpipaan : Diameter pipa = 30 in in. Diameter luar (OD) flange tipe raised face = 33,75 in. Jumlah baut = 28 buah. Luas baut total = 28 (0,8898) = 24.94 in2. Diameter lingkaran baut, C = 36 in. Material flange : baja karbon SA105 Material baut : SA193 Grade B7 Tegangan ijin baut = 25 ksi. ksi Yield strength material flange, Sy = 32,8 ksi. Pressure rating = 150 psi. Temperatur disain = 200oF. Tekanan disain = 175 psi. 61



Momen aktual (ft-lb) (from piping analysis) Loading

MT

BM1

BM2

MR (*)

M (**)

Dead-weight

1084

1939

11520

11682

11682

Thermal

1901

6350

2825

6950

6950

OBE

8518

7979

9817

12650

12650

0

0

0

0

0

18354

16638

10448

19646

19646

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

OBE SAM SSE SSE SAM LOCA (*): M R = BM + BM 2 1

2 2

(**) : M = Max (MT , M R )

Mactual static (normal ) = 11682 + 6950 = 18632 ft - lb.

⇒

dari pers. (7.9)

M actual dynamic (upset ) = 11682 + 6950 + 12650 = 31282 ft - lb.

⇒

dari pers. (7.10)

M actual dynamic (faulted ) = 11682 + 6950 + 19646 = 38278 ft - lb.

⇒

dari pers. (7.11)


62


Momen yang diijinkan (allowable moments) Material baut adalah SA193 Grade B7 dengan allowable stress 25000 psi > 20000 psi pada 100oF, sehingga metode 1 dapat diaplikasikan. ⎛ 32800 ⎞⎛ 36 ⎞ M allow static = 3125⎜ ⎟⎜ ⎟(24,92 ) = 212858 ft - lb. ⎝ 36000 ⎠⎝ 12 ⎠

(7.1)

⎛ 32800 ⎞⎛ 36 ⎞ M allow dynamic = 6250⎜ ⎟⎜ ⎟(24,92 ) = 425716 ft - lb. ⎝ 36000 ⎠⎝ 12 ⎠

(7.2)

π ⎡ ⎤⎛ 36 ⎞ 32,8 M allow dynamic (faulted) = ⎢(11250 )(24,92) − (33,75)2 (175 )⎥⎜ ⎟ 16 ⎣ ⎦⎝ 12 ⎠ 36 = 659310 ft - lb.

(7.3)

R Resume perbandingan b di momen (ft-lb) (f lb) Condition

Actual moment

Allowable

Moment

Normal

18632

212858

OK

Upset

31282

425716

OK

Faulted

38278

659310

OK 63



Flange Allowable Moments (ft-lb) Using Method 1 Pipe diameter (in.)

Total bolt area Ab (in2)

Bolt circle diameter (in.)

Rating (psi)

2

0 81 0.81

4 75 4.75

2

0.81

3

Allowable Moment

Material

Bolt

Flange

Material

Static. (eq. 7.1)

Stat. + Dyn. (eq. 7.2)

Sta. + Dyn. (eq. 7.3)

150

912

1825

3123

Carbon steel SA105

SA193 Grade B7

4.75

150

592

1185

2028

Stainless steel SA 182

SA193 Grade B7

0.81

6

150

748

1497

2441

Grade F304

SA193 Grade B7

4

1.62

7.5

150

1872

3744

6252

Grade F304

SA193 Grade B7

4

2.42

7.88

300

4524

9049

15501

Grade F304

SA193 Grade B7

8

2.42

11.75

150

6746

13493

20825

Carbon steel SA105

SA193 Grade B7

8

5.03

13.0

300

15515

31030

52022

Stainless steel

SA193 Grade B7

The temperature is 200oF and pressure is 175 psi.

Sy for carbon steel at 200oF IS 32800 psi. Sy for stainless steel at 200oF is 21300 psi.


64


Dari pengaruh flange material, flange rating, dan flange diameter terhadap allowable moments diperoleh bahwa : Allowable moments membesar dengan membesarnya ukuran flange. Allowable moments membesar dengan membesarnya pressure rating rating.

Allowable moments flange dengan material carbon steel lebih besar dibandingkan dengan material stainless steel, karena Sy carbon steel yang digunakan lebih besar dari Sy stainless steel.

Referensi : Sam Kannappan, P.E., “Introduction to Pipe Stress Analysis”, John Wiley & Sons, 1986. Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

65


TERIMA KASIH Desain, Fabrikasi, dan inspeksi Sistem Perpipaan

66

Bab 10 Expansion Loops

Recommend Documents