Pressure Thrust Phenomena @Expansion Joint


PRESSURE THRUST PHENOMENA
Tentunya kita semua tahu bahwasanya untuk menambahkan flexibility pada Piping System salah satunya adalah dengan menambahkan atau memasang expansion joint pada line tersebut. Akan tetapi pemilihan jenis expansion joint yang tidak tepat (misalnya Single Expansion Joint dipasang pada high pressure line dan dekat dengan nozzle equipment) justru akan dapat berdampak buruk pada system terutama Nozzle Equipment karena adanya Force yang besar akibat dari Pressure Thrust. Untuk itu pemilihan Expansion Joint harus disesuaikan dengan kebutuhan apakah ingin mengabsorb gaya lateral atau gaya axial.
Hubungan antara Pressure (p), Force (F) dan Area (A) merupakan rumusan Fisika dasar sebagai berikut :
F (lbs) = p (psig) x A (in2)

Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa Pressure Thrust adalah Force yang diperoleh dari perkalian antara Pressure Internal (p) dengan Effektif Area (A) dari Expansion Joint. Sebenarnya semua pipa atau ducting dengan atau tanpa Expansion Joint memiliki Pressure Thrust yang mana akan bereaksi pada Fix Point (anchor atau equipment nozzle) dari Piping System tersebut. Pada pipa tanpa Expansion Joint Pressure Thrust (F) akan dikonversi menjadi Longitudinal Stress dengan rumusan sebagai berikut :

001

1

2

Ketika sebuah unrestrain Expansion Joint ditambahkan kedalam system pipa, hal tersebut sama halnya dengan memotong pipa karena flexibility yang melekat pada Expansion Join Bellow menyebabkan force tidak tersalurkan ke pipa. Sehingga timbullah Pressure Thrust (F) pada system tersebut.

Introducing Pipe Stress Analysis


Apa tujuan utama dilakukan Pipe Stress Analysis ?

– Keselamatan sistem perpipaan termasuk semua komponennya (flange, valve & fittings).
– Keselamatan sistem peralatan (mechanical equipment) yang berhubungan langsung (connected) dengan sistem perpipaan dan struktur bangunan pendukung sistem tersebut.
1. Beban Pada Pipa ( Pipe Loading )
Sustain Load
Beban yang muncul terus menerus dan berkesinambungan selama masa operasi dari sistem perpipaan. Contoh: beban berat pipa sendiri, beban internal pressure fluida.

Occassional Load

Beban yang muncul tidak berkesinambungan, atau munculnya tiba-tiba selama masa operasi dari sistem perpipaan. Contoh: gaya angin, gaya gempa bumi.
Expansion Load
Beban yang muncul karena adanya perubahan displacement dari system perpipaan yang bisa diakibatkan oleh thermal expansion dan perubahan letak tumpuan.
2. Stress Categories
Primary Stress
Adalah jenis stress yang ditimbulkan akibat Sustain Load. Stress kategori ini dikelompokkan dalam stress yang berbahaya (hazardous type of stress).

Primary Stress terdiri atas komponen sebagai berikut :

Longitudinal Stress

Yaitu stress yang terjadi akibat Gaya Dalam (Axial Force) + Gaya Tekanan Dalam (Internal Pressure) + Tegangan Lentur (Bending Stress)
Sl = Sl1 + Sl2 + Sl3
Sl1 : Tegangan longitudinal akibat gaya aksial
Sl1 = Fax/A
Sl2 : Tegangan Longitudinal akibat tekanan dalam
Sl2 = PDo/4t
Sl3 : Tegangan longitudinal akibat momen lentur
Sl3 = Db/Z
Secondary Stress
Adalah stress yang diakibatkan oleh thermal loads. Yaitu akibat temperature fluida yang mengalir, yang menyebabkan pipa mengalami pemuaian atau pengkerutan (expansion or contraction), dimana :
SE = (Sb2 + 4St2)1/2
3. Allowable Stress Limitation

Berdasarkan  ASME B31.3 limitasi dari masing-masing besaran pembebanan diatas adalah sbb:

Stress karena Sustained Load, limitasinya adalah :

SL < Sh, dimana :

Sh = Tegangan yang diijinkan pada suhu maksimum dari suatu material

Ketebalan dari pipa yang digunakan untuk menghitung SL haruslah merupakan   tebal nominal setelah dikurangi tebal lapisan korosi dan erosi yang diijinkan

Stress karena Occassional Load, limitasinya adalah :

Fax/A + Sb + Slp < k Sh , dimana nilai k = 1.33

Stress karena Thermal Load, limitasinya adalah :

SE < SA , dimana :

SE = (Sb2 + 4St2)1/2

SA = Allowable displacement stress range = f [(1.25(Sc + Sh) – SL]

3.1 Code Allowable Stress Comparison

LOAD CASE

ASME B 31.3

ASME B 31.8

ASME B 31.4

Sustain (SUS)

< Sh

For Restrained Pipe (as defined in Section 833.1):

< (0.75)  (Syield)

< 0.9 ST

For Unrestrained Pipe (as defined in Section 833.1):

< 0.75 ST

Operating (OPE)

No Allowable Limit

< 0.9 ST

< 0.9 (Syield)

Expansion (EXP)

< f [ 1.25 (Sc+Sh) – SL ]

< f [1.25 (SC + SH) – SL]

< 0.72 (Syield)

Hydrotest (HYD)

(Syield)

< 0.9 ST

< 0.9 (Syield)

Occassional (OCC)

< k Sh

For Restrained Pipe (as defined in Section 833.1):

< 0.8 (Syield)

< 0.9 ST

For Unrestrained Pipe (as defined in Section 833.1):

< 0.75 ST

PIPE STRESS ANALYSIS with CAESAR II


Pipe Stress Analisis merupakan perhitungan stress pada sistem perpipaan yang terjadi akibat beban statik maupun dinamik pada pipa karena adanya massa/berat, tekanan dan temperature fluida di dalam pipa. Analisa ini dilakukan dengan tujuan agar sistem yang telah kita desain tidak mengalami overstress atau mengalami tegangan yang berlebih baik pada perpipaan itu sendiri maupun perpipaan yang terhubung dengan Mechanical Equipment (pompa, vessel/tank , compressor dll.) sehingga sistem perpipaan tersebut dapat beroperasi dengan optimal sesuai dengan yang diharapkan.

Lebih detailnya, stress analysis pada sistem perpipaan dilakukan dengan tujuan sebagai berikut :
1. Untuk menjaga tegangan/stress di dalam pipa dan fitings tetap dalam range yang diijinkan Code Standard
2. Untuk menghitung ‘design load’ yang diperlukan untuk menentukan jenis dan dimensi support dan restraints
3. Untuk menentukan displacement/perpindahan pipa dimana hal ini diperlukan untuk perhitungan pada nozzle-vessel pada mechanical equipment.
4. Untuk mengatasi problem getaran pada sistem perpipaan.
5. Untuk membantu optimasi design sistem perpipaan.

Stress Analisis dengan Caesar II

CAESAR II adalah program computer untuk perhitungan Pipe Stress Analysis yang mampu mengakomodasi kebutuhan perhitungan Stress Analysis pada pemipaan. Software ini sangat membantu dalam Engineering terutama di dalam desain Mechanical dan system pemipaan. Pengguna Caesar II dapat membuat permodelan system pemipaan dengan menggunakan “simple beam element” kemudian menentukan kondisi pembebanan sesuai dengan kondisi yang dikehendaki. Dengan memberikan/membuat inputan tersebut, Caesar II mampu menghasilkan hasil analisa berupa stress yang terjadi, beban, dan pergeseran terhadap system yang kita analisa.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang Aplikasi Caesar II, saya akan memberikan apa yang saya bisa berikan dengan men-download file di bawah ini, semoa bermanfaat buat temen2 yang ingin atau baru akan mulai belajar program ini…….

Caesar II 5.1 Tutorial 1 (pdf)

Caesar II 5.1 Tutorial 2 (pdf)