Post on 27-Feb-2018
Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
1. PENDAHULUAN
ISSN 1693-3346
Getaran (vibrasi) sering dilupakan dalam penerapannya pada suatu sistem
perpipaan, sehingga timbul masalah, yang mengakibatkan sistem harus berhenti dan
menyebabkan produksi tertunda, tentunya secara ekonomis sangat merugikan perusahaan,
juga membahayakan keselamatan kerja dan karyawan, serta lingkungan. Vibrasi pad a
sistem perpipaan dapat terjadi karena adanya berbagai sumber yang memang menghasilkan
getaran, antara lain "Flow-induced turbulence ", "Two phase flow", "Pulsation"
"(Reciprocating machinery, Rotating stall periodic flow-induced excitations)", "Fluid
transient "- (water hammer, relief valve discharge) ", "High frequency acoustic emission"
dan "rotating machinery ". Sumber masalah berupa getaran yang terjadi pada system
perpipaan dapat diatasi dengan Analisis Vibrasi menggunakan metoda MMS (Matching
Mode Shape) saat desain, sehingga vibrasi dapat diprediksi dan dicegah pada saat pabrik
beroperasi, juga sistem perpipaan dapat dijamin dalam keadaan aman.
2. TEORI DASAR
Vibrasi adalah gerak periodik, secara umum mempunyai sifat level amplitudo
rendah dan besaran nilai siklusnya melebihi "umur waktu" pad a operasi pabrik.
Pengukuran kecepatan puncak vibrasi di lapangan dapat dilakukan dengan menggunakan
vibrasi meter, harga yang tertera dapat dibandingkan dengan harga yang diijinkan
(allowable) dari kecepatan puncak, seperti dalam Tabel I. Hubungan frekwensi dan
kecepatan puncak dapat dinyatakan secara matematis [2Jsebagai berikut :
f= 2.4 (Vpk/cr)E.D/rcL2 (1)
fn = (C/L2) (EIIW)I/2 (2)
Vpk/cr = (rcC/9.6(Ep)I/2)[I+(d/D)2] Y, (3)
'D/cr = L2/4.8ED (4)
Vpk = Kecepatan puncak, (mm/dt , ips)
E = Modulus Elastisitas material pipa, (Kg/mm4, Ib/inch4)
W = Berat pipa per satuan panjang (Kg/mm, Lb/inch)
C = Konstanta untuk frequency natural
187
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
I = Momen lnersia cross section pipa, inch4
L = Panjang pipa antar support, (mm, inch)
p = Density pipe material, (kg/mm3, Ib/inch3)
d,D = inside dan outside diameter pipa, (mm, inch)
f = frequency vibrasi sinusoidal, (Hz)
fn = Frequency natural sistem, (Hz)
a = Stress bending pipa, (Kg/mm2, Ib/inh2)
8 = Deflection (mm, in)
ISSN 1693-3346
Sedangkan perhitungan frekuensi yang terjadi pada pipa tanpa menggunakan supot
dapat diperoleh dengan persamaan!2] sebagai berikut :
m.d2x/dt2+kx = 0, dimana x = Ae"w' (5)
m = massa (kgf)
d2x = perubahan jarak (secon)
dt2 = perubahan waktu (secon)
k = konstanta
x = tinggi gerakan vibrasi (mm)
A = amplitude
W = kecepatan angular (cps)
0=
Dan untuk perhitungan frekuensi yang terjadi pada pipa dengan menggunakan
supot dapat diperoleh berdasarkan persamaan [2]berikut :
(6)
C = konstanta dumper/supot
188
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Sistem dikatakan stabil apabila frequensi natural menunjukan harga 1,2 dari
frekuensi terukur dalam sistem.
121- ---~ - - - ~
NO.
Severity RatingMachinery, ipsPiping, ips
(On bearing housing)(Center of span)
1
AcceptableVpk~ 0.2Vpk~0.6
2
Fair to Rough (correction0.2 ~Vpk~0.50.6~Vpk~I.5
required)3
Very rough0.5~Vpk~1.01.5~Vpk~3.0
(danger, consider shutdown)
3. METODA ANALISIS
Analisis vibrasi pada sistem perpipaan dapat didekati dengan metoda analisa
dinamik Harmonik dan dinamik Model. Beban at au displacement dinamik terjadi karena
adanya perubahan arah dan besar sebagai fungsi waktu. Secara matematis [3] dapat ditulis
dengan :
F(t) = Fo + Fa COS(CD t + 8)
D(t) = Do + Da COS(CD t + 8)
(7)
(8)
Dimana: FiDo = Beban /Displacement Rata-rata (Kgf/mm)
FaiDa = Variasi beban /Displacement minimum dan maximum
rata-rata (Kgf/mm)
CD = Kecepatan angular (cps)
8 = Sudut phase (degree)
= waktu (second)
Ada beberapa tipe beban vibrasi yang sering terjadi dalam sistem perpipaan [I], diantaranya
adalah :
1). Alat-alat VibrasiJika suatu perlengkapan rotasi dikaitkan pada sistem perpipaan. Vibrasi akan
terjadi apabila besaran vibrasinya atau kecepatan puncaknya (Vpk) secara aktual
melebihi nilai toleransinya (kondisi no. 3 pada Tabel I), sehingga menimbulkan cycle
displacement pada sistem perpipaan dan dalam sistem dinamik hal tersebut sangat
besar berpengaruhnya, karena mempengaruhi umur sistem.
189
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
2). Akustik Vibrasi
ISSN 1693-3346
Vibrasi terjadi apabila aliran fluida di dalam suatu sistem perpipaan mengalami
perubahan mendadak dari laminar ke turbulen. Berdasarkan persamaan "Strouhal" [3]
besarnya [rekuensi yang diakibatkan oleh adanya Akustik Vibrasi adalah :
3). Pulsasi
0.2 V/D :s f (Hz) :s 0.3 V/D
Dimana: V = kecepatan fluida (ft/sec) dan D = diameter orifice (ft)
(9)
Selama operasi suatu reciprocating pump atau compressor, fluida yang dikompres
oleh pengendali piston dengan suatu poros putar. Hal ini menyebabkan perubahan
suatu siklus tekanan fluida pada semua lokasi dalam sistem. Jika tekanan fluida pada
pasangan elbow yang berdekatan tidak sarna, maka akan terjadi ketidakseimbangan
beban tekanan dalam sistem. Perbedaan tekanan yang besar ini akan terus bergerak
sepanjang aliran fluida. Besarnya beban tergantung pada kecepatan pulsasing, dan
panjang pipa antara pasangan elbow. Besarnya ketidakseimbangan gaya· sebagai fungsi
waktu pada pasangan elbow yang berdekatan akibat pulsasing dalam suatu sistem
perpipaan (di bawah kondisi steady state), dapat dinyatakan secara matematis [3]
sebagai berikut :
F(t) = 0.5( dP)A * [cos ill t - COS ill (t -Llc)]
Dimana :
dP = alternating component of the pressure (psia)
L = panjang pipa antara elbow (ft)
c = kecepatan suara dalam fluida (ft/sc)
A = luas internal pipa (ft2)
T = waktu (second)
(10)
Untuk penyelesaian masalah vibrasi ini pada sistem perpipaan dapat dilakukan dalam
metode MMS yang terbagi dalam dua cara, yaitu:
190
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
1. Cara Engineering, yaitu vibrasi dipertimbangkan dalam analisis terlebih dahulu
sebelum dilakukan
instalasi di lapangan.
2. Cara Sistem Piping Terinstalasi, yaitu vibrasi diperhitungkan pada existing sistem
perpipaan dalam kondisi pabrik beroperasi.
Kedua cara ini dapat dilakukan, apabila data-data pendukung baik berdasarkan
proses maupun secara mekanik sudah terpenuhi dan natural frequency information (NFl)
dalam sistem perpipaan sudah terhitung pada metoda dinamik modal, sehingga dapat
diperoleh force function beban harmonik untuk menetapkan acceptabilitas actual nozzle
load berdasarkan kode yang digunakan. Sebagai dasar untuk penyelesaian masalah vibrasi
adalah dapat dihitungnya Dominant Vibration Frequency (DVF) dalam kondisi steady
state response. Frekuensi ini dapat ditentukan besarannya dari hasil analisa dinamik
"Modal" dan memilah (trace) frekuensi yang dihasilkan hingga pada kondisi minimal 1,2
dari frekuensi sumber terukur (NFl). DVF yang telah dihitung dapat digunakan sebagai
acuan untuk menetapkan bahwa sistem perpipaan adalah rigid, yaitu apabila
perbandingan antara NFl pad a mode shape terkecil adalah > 1,2 dari DVF dengan cara
menambah, mengurangi atau memindahkan posisi supot dalam sistem perpipaan.
4. HASIL DAN BAHASAN
Bila suatu sistem perpipaan melebihi nilai toleransinya (berdasarkan tabel 1) akan
mengakibatkan terhentinya produksi dan secara ekonomis sangat merugikan. Analisis
vibrasi pada sistem perpipaan memang patut untuk dipertimbangkan saat tahap rekayasa
sebelum pembelian material dan pabrikasi dilakukan. Hal ini perlu, karena perubahan
sistem perpipaan dapat juga berdampak pad a perubahan konfigurasi, sistem dan
materialnya.
Dua pendekatan data yang diperlukan sebagai pendukung dalam analisa vibrasi,
yakni pendekatan secara proses dan pendekatan secara mekanik. Pendekatan secara proses
biasanya sangat komplek, memerlukan akurasi data, delivery time yang panjang dan
memerlukan bantuan software pendukung yang lain (misalnya dalam perhitungan
"pressure balance" untuk mencapai kondisi steady state).
191
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Sedangkan pendekatan secara mekanik adalah sangat cepat dan tidak memerlukan data
yang komplek, cukup dimodelkan secara statik sistem perpipaan tersebut pada software
pipingjlexibility analysis paket Program Caesar-II. Misalkan dalam sistem perpipaan pada
rancangan instalasi mesin berkas electron yang dilukiskan dalam bent uk isometric
sebagaimana pada lampiran (I), vibrasi terjadi karena sistem perpipaan yang dikaitkan
dengan rotating equipment dalam hal ini adalah kompresor. Dari analisa dinamik posisi,
tipe dan jumlah support awal sebagaimana dalam analisa statik diperoleh frekuensi natural
dari mode terkecil adalah 0,814 Hz. Karena frekuensi pengganggu (eksitasi) adalah 12,69
Hz, maka dalam analisa harus dibuat frekuensi natural pada mode 1 minimal 1,2 dari
frekuensi pengganggu tersebut. Dari gambar 8 terlihat, bahwa dengan memodifikasi supot
dapat diperoleh frekuensi natural pada mode 1, yaitu 15,2318 Hz, artinya bahwa NFl> 1,2
DVF dan system stabil selama operasi pada kondisi frekuensi maksimal eksitasi 12,69 Hz
Nilai frekuensi (NFl) pada Mode Shape I merupakan dasar untuk menentukan
bahwa frekuensi sistem perpipaan adalah 1,2 terhadap frekuensi eksitasi (terukur),
Perhatikan gambar 1 hingga 8 :
1. Pada gambar I, Mode 1, fn = 0.814 HZ dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi
seperti ini, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar terse but kita
dapat menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada
gambar 4.
2. Pada gambar 4, Mode 1, fn = 4.762 Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi
tersebut, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar tersebut kita dapat
menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada
gambar 5.
3. Pada gambar 5, Mode 1, fn = 9.282 Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi
tersebut, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar terse but kita dpat
menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada
gambar 6.
4. Pada gambar 6, Mode I, fn = 9.368 Hz dan DYF = 12,69 Hz, pada kondisi
terse but, system mengalami vibrasi , maka dengan dasar tersebut kita dapat
menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada
gambar 7.
192
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
5. Pada gambar 7, Mode I, fn = 11.633 Hz dan DVF = 12,69 Hz, pada kondisi
tersebut, system mengalami vibrasi, maka dengan dasar tersebut kita dpat
menambah, menggeser atau mengeliminasi supot dan diperoleh pada
gambar 8.
6. Pada gambar 8, Mode I, fn = 15.231 Hz dan DVF = 12,69 Hz, pada kondisi
tersebut terjadi resonansi, maka nilai vibrasi secara general pada sistem
perpipaan dan semua posisi supot dan tipenya adalah acceptable
(sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2. Dispalacement setelah analisa
vibrasi).
-?
Gambar 1.
Displacement sebelum analisa vibrasi
Gambar 3.
Freq. natural 0.814 Hz pad a mode shape I
193
~~l'\' '. ~.It' ~ . ~
UA~U., ~"-:v; i.~ G" :".~ ~ "0-
*"",-"" AA<o~J'('I~". ,Co/' ~.,1' ~
JrGambar 2.
Displacement setelah analisa vibrasi
Gambar 4. Frekuensi natural 4.7619 Hz
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Gambar 5. Frekuensi natural 9.2820 Hz
~ //~J'l// / \'/' '----\
. "" ~/\ ['\<-1-
Gambar 7. Frekuensi natural 11.6325 Hz
194
Gambar 6. Frekuensi natural 9.3678 Hz
~~~r'l~*~ ~''] ~rV ~~
Gambar 8. Frekuensi natural 15.2318 Hz
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
5. KESIMPULAN DAN SARAN
ISSN 1693-3346
Berdasarkan analisis dengan paket program Caesar II metoda MMS dan
menggunakan salah satu piping stress software sebagaimana yang dijelaskan di atas, maka
dapat disimpulkan sebagai berikut :
Analisis vibrasi dengan metoda Matching Mode Shape dapat menganalisa instalasi
perpipaan baik secara engineering maupun kondisi pabrik yang sedang beroperasi, yaitu
dengan cara menentukan nilai resonansi NFl sebagai frekuensi yang dicari harganya dan
DVF sebagai frekuensi eksitasi (penganggu) dari suatu compressor (NFl > 1,2 DVF).
Dalam analisis ini harga DVF sebesar 12,69 Hz, sedangkan harga NFl diperoleh hasilnya
setelah dilakukan 6 kali perubahan posisi, tipe dan jumlah supot yaitu sebesar 15,231
Hz. Harga frekuensi resonansi NFl dan DVF ternyata acceptable dan aman bagi suatu
intalasi perpipaan dari suatu pabrik.
SARAN
Analisis vibrasi sistem perpipaan sangat berrnan faat bagi semua engineering
maupun pabrik, oleh karenanya analisis ini sangat penting untuk digunakan dalam proyek
lnstalasi Pengolah Gas Buang dengan Mesin Berkas Elektron pada Pembangkit Listrik
Tenaga Uap.
DAFT AR PUST AKA
I. LS. TUBA and W.B.WRIGHT, "PRESSURE VESSEL AND PIPING 1972
COMPUTER PROGRAM VERIFICATION AND AID TO DEVELOPERS
AND USERS. " The American Society of Mechanical Enginers, New York, 1972.
Problem 6 and 2.
2. MATEN, S.,"FIELD CRITERIA FOR PIPE VIBRA TION," Hydrocarbon
Processing, July 1984.
3. S. SAHA, RA VI RAJ RASTOGI, and A. BHATTACHARYA, "AN EFFECTIVE
METHODE FOR ANAL YZING PIPING VIBRATION PROBLEMS,"
Hydrocarbon Processing, April 2004.
195
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat N••klirSerpong, 20 Nopember 2007
LEMBAR TANYA-JAWAB
ISSN 1693-3346
PERTANYAAN:
dari Hyundianto A.G.
JAWABAN
PERTANYAAN:dari Mike Susmikanti
JAWABAN
1. Bagaimana filosofi dasar dalam penanganan vibrasi dalamsuatu sistem pemipaan ?
2. Bagaimana urutannya metoda matching mode shape sehiggasistem pemipaan dapat memenuhi allowable vibration ?, dan;
3. Berapa besarnya vibration allowable yang diijinkan dalamindustri untuk mencapai keadan safe dalam operasi ?
1. Filosofi dasar dalam penangan vibrasi dalam suatu sistemperpipaan, filosofinya adalah vibrasi yang terjadi pad a sistemperpipaan harus dihilangkan atau pipa tanpa getaran bila masihterdapat getaran karena pengaruh rotating equipment(kompressor), maka harus mengikuti allowable vibrasi yaituNFl> 1,2 DYF;
2. Urutannya adalah :Dari isometrik perpipaan diinputkan ke caesar, lalu di run dandianalisis dengan dinamik analisis hingga kita dapatkan hargavibrasi, lalu kita ambil harga vibrasi pad a mode 1 sebagaiharga NFl. Kemudian kembali ke caesar, supotnyaditambah atau digeser/dikurangi selanjutnya dianalisis padadinamik beberapa kali hingga diperoleh allowable vibrasi.NFl> 1,2 DYF;
3. Besamya allowable vibrasi NFl> 1,2 DYF.
I. Apakah analisis tersebut diterapkan pada komponen dengan nondestructive test atau destructive test?
1. Analisis vibrasi merupakan suatu analisa terhadap instalasiperpipaan yang karena beban pipa itu sendiri, temperatur dantekanan mengakibatkan pipa menimbulkan vibrasi (bergetar)ketika instalasi running (beroperasi). Untuk mencegahtimbulnya vibrasi, maka harus dilakukan analisis dengan metodeMMS dengan cara mengatur, mengubah atau menambah supot,hingga diperoleh harga NF::::. 1,2 DYF. Itulah suatu gambarantentang analisis vibrasi dengan metode MMS.Sedangkan motode MMS ini tidak diterapkan dengan nondestructive test maupun destructive test dan ini memang berbeda.
196