pressure vessel
-
Upload
nanda-rizqi-maulidya -
Category
Documents
-
view
430 -
download
69
description
Transcript of pressure vessel
-
12
BAB III
DASAR TEORI
3.1. Pengertian Bejana Tekan dan Separator
Tugas akhir ini mengangkat materi perancangan bejana tekan vertikal
yang berfungsi sebagai separator, oleh karena itu perlu dijelaskan pengertian
bejana tekan dan separator sebagai dasar perancangan.
3.1.1. Bejana tekan
Bejana tekan adalah suatu benda yang berfungsi untuk menampung atau
memproses suatu fluida. Contoh aplikasi bejana adalah sebagai berikut:
1. Storage tank
Fungsi untuk menampung fluida, contoh tangki bahan bakar.
2. Tempat proses atau reaksi
Fungsi untuk suatu proses kimia pada suatu fluida tertentu, contoh
separator, scrubber, dan slug catcher.
3. Alat bantu
Fungsi untuk menunjang suatu proses, contoh pada sistem pneumatik
diperlukan udara bertekanan yang disimpan di bejana tekan.
4. Transportation tank
Fungsi untuk mengangkut fluida, contoh mobil tangki bahan bakar.
Bejana tekan beroperasi pada tekanan operasi. Berdasarkan tinggi tekanan
operasi bejana tekan bisa dibagi menjadi sebagai berikut:
1. Atmospheric tanks
Beroperasi pada tekanan atmosfer atau pada tekanan maksimal 0,5
psig, contoh : atmospheric tanks atau silincer pada sistem geothermal.
2. Low pressure tanks
Beroperasi pada tekanan rendah (0,5 psig sampai 15 psig).
3. Pressure vessel
Beropersi pada tekanan tinggi lebih dari 15 psig.
4. Pressure vessel vakum
-
13
Beroperasi pada tekanan di bawah tekanan atmosfer (terjadi eksternal
pressure).
Berdasarkan hubungan tekanan operasi pada bejana tekan dengan udara
luar, tekanan operasi dapat dibedakan menjadi:
1. Tekanan internal
Bila tekanan dalam bejana melebihi tekanan atmosfer di luar bejana.
2. Tekanan eksternal
Bila tekanan dalam bejana kurang dari tekanan atmosfer dari luar,
termasuk juga bejana yang menderita tekanan vakum.
Bejana tekan dapat dibedakan berdasarkan bentuk shell. Shell mempunyai
beberapa bentuk, pemilihan bentuk mempertimbangkan tekanan operasi, fungsi,
dan harga. Jenis bejana tekan berdasarkan bentuk shell adalah sebagai berikut:
1. Silinder
Bentuk shell silinder dibuat untuk incompressible fluid dan mix.
2. Bola
Bentuk bola dibuat untuk compressible fluid. Dengan bentuk bola
pada ketebalan yang sama maka ketahanan menahan tekanan lebih
baik daripada bentuk silinder.
3. Rectangular
Bentuk sederhana dan pembuatan mudah. Bentuk persegi tidak
dipakai untuk tekanan tinggi, biasanya dipakai untuk menampung
fluida dengan tekanan hidrostatik. Bentuk rectangular sangat jarang
digunakan dan dirancang dengan standar API.
Bejana tekan silinder dapat dibedakan menjadi dua berdasarkan posisi
pemasangan shell:
1. Horisontal
Pada pressure vessel horisontal, vessel ditumpu oleh saddle.
Keuntunganya adalah kontruksi lebih mudah karena beban angin dan
gempa lebih kecil daripada vessel vertikal. Kerugian membutuhkan
tempat lebih luas.
-
14
2. Vertikal
Pada konstruksi posisi vessel vertikal, vessel ditumpu oleh skirt atau
leg. Keuntungan membutuhkan tempat lebih sempit daripada
horisontal. Kerugian beban angin dan gempa harus dipertimbangkan.
Contoh bejana tekan dapat dilihat pada Gambar 3.1. sebagai berikut.
Gambar 3.1. Contoh bejana tekan vertikal dalam proses pabrikasi
Pada tugas akhir ini akan dirancang pressure vessel atau bejana tekan
dengan bentuk shell silinder, dengan posisi vertikal. Bejana tekan yang dirancang
akan berfungsi sebagai separator pada instalasi geothermal. Bejana tekan
dirancang berdasarkan tekanan internal.
3.1.2. Separator
Separator adalah suatu alat untuk memisahkan fasa fluida. Dalam
perancangan ini separator diklasifikasikan sebagai separator dua fasa, separator
akan memisahkan brine dan uap dari sumur produksi geothermal. Brine kemudian
akan dialirkan ke silencer dan selanjutnya akan dipompa ke sumur injeksi. Uap
-
15
selanjutnya akan dialirkan ke scrubber dan selanjutnya akan digunakan untuk
menggerakkan turbin.
Jenis separator yang dipakai dalam perancangan ini adalah separator
vertikal. Fluida masuk melalui nozzle pada dinding samping. Proses pemisahan
fluida pertama aliran dua fasa masuk melalui cyclone inlet. Karena perbedaan
densitas, brine akan turun ke bawah dan keluar melalui nozzle pada bottom head.
Uap akan bergerak ke atas dan uap mengalir melalui lubang pipa yang ada di
bagian atas dan keluar melalui nozzle outlet di bottom head, kemudian uap
mengalir ke scrubber. Separator dilengkapi dengan peralatan internal dan
peralatan pendukung. Contoh separator pada lapangan geothermal dapat dilihat
pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2. Bejana tekan separator geothermal PT. Geodipa Energi Dieng
3.1.3. Kriteria desain
Kriteria perancangan merupakan kebutuhan minimum dalam
perancangan dan pemilihan material bejana tekan. Prosedur umum dalam
-
16
perancangan bejana tekan adalah dengan menentukan kondisi desain dan
pembebanan akibat gaya-gaya luar yang menyebabkan tegangan. Lingkup
pekerjaan perancangan bejana tekan meliputi juga nozzle dan opening sampai
muka flange-nya, penumpu, dan lifting lugs.
Code dasar dalam perancangan bejana tekan adalah ASME (Boiler and
Pressure Vessel Code), Section VIII divisi 1, penggunaan code atau metode
lain hanya terbatas pada kasus-kasus yang tidak tercakup pada code (ASME
VIII divisi 1). Simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle berdasarkan code
WRC 107.
3.1.4. Data perancangan
Kondisi perancangan harus diperhatikan sebelum perancangan. Data
operasi diperoleh dari Process Flow Diagram (PFD) dan perhitungan proses
untuk dimensi utama peralatan bejana tekan. Data-data tersebut meliputi
temperatur operasi, tekanan operasi, dimensi utama (diameter dalam,
tinggi/panjang), fasa/kondisi fluida. Data-data tersebut didapat dari lapangan
dengan menguji sumur produksi dan memasang separator uji coba. Gambar dari
sumur produksi dan separator uji coba dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Sumur produksi dan separator uji coba di geothermal Karaha
-
17
Bejana tekan dirancang untuk kondisi yang paling buruk terhadap tekanan
maupun temperatur seperti yang diperkirakan akan terjadi selama operasional
normal. Tekanan dan temperatur perancangan akan dipakai sebagai dasar
pemilihan material dan tidak boleh melebihi dari tekanan dan temperatur
maksimum sesuai data material. Kondisi lingkungan juga perlu diperhatikan
dalam perancangan. Data lingkungan yang dipakai dalam perancangan bejana
tekan meliputi intensitas angin, zona gempa, kelembaban, temperatur lingkungan,
dan tekanan atmosfer.
3.1.5. Pembebanan
Pembebanan yang terjadi pada bejana tekan perlu diperhitungkan agar
bejana tekan mampu menahan beban tersebut. Beban-beban yang dialami oleh
bejana tekan meliputi:
a. Tekanan internal perancangan
b. Berat bejana tekan, berat peralatan dan berat isi ketika operasi dan
pengujian.
c. Superposisi reaksi-reaksi statik dari berat peralatan yang menempel,
seperti: perpipaan, lining, dan isolasi.
d. Peralatan lain yang tertempel, seperti: platform dan ladder.
e. Peralatan internal.
f. Penumpu, seperti: skirt, saddle, lugs, dan legs
g. Reaksi-reaksi dinamik/siklik akibat variasi tekanan atau temperatur, atau
akibat peralatan yang menempel pada bejana
h. Angin dan gempa
i. Beban impak akibat aliran fluida yang masuk bejana
j. Ekspansi termal
3.2. Teori Tegangan
Teori tegangan pada bejana tekan secara umum merupakan pengembangan
dari teori tegangan dalam mekanika. Tegangan yang terjadi dalam bejana tekan
-
18
bisa disebabkan oleh tekanan internal bejana tekan dari fluida kerja, tekanan
eksternal dari udara luar, beban berat dari bejana tekan, beban akibat gaya luar
seperti beban angin, gempa dan beban eksentrik akibat perpipaan. Adapun
karakteristik hubungan antara tegangan regangan dapat dilihat pada kurva
tegangan regangan, yang di dalamnya mencakup tegangan luluh dan tegangan
ultimate. Kurva karakteristik antara tegangan regangan ditunjukkan pada Gambar
3.4. di bawah ini.
Gambar 3.4. Diagram tegangan regangan baja ulet (kiri) dan bahan getas
(kanan)
Titik tegangan luluh merupakan titik acuan sebagai batas tegangan ijin
dalam perancangan. Tegangan ultimate merupakan titik yang menunjukkan besar
tegangan maksimum yang mampu ditahan material sebelum mengalami
kegagalan. Titik kegagalan merupakan titik di mana material tersebut mengalami
kegagalan. Di bawah titik tegangan luluh material bersifat elastis dan di sebelah
kanan titik tegangan luluh, material bersifat plastis (bila diberi pembebanan pada
material tersebut dan beban ditiadakan, material akan berdeformasi).
3.2.1. Tegangan pada shell
Pada shell silindris, tekanan akan terbagi secara merata pada setiap
dinding. Tegangan yang terjadi pada shell karena tekanan internal P dapat
dihitung dari kesetimbangan statis. Dalam analisis tegangan shell dapat dibagi dua
-
19
yaitu shell tebal dan tipis. Shell tipis adalah shell dengan rasio dari ketebalan shell
t terhadap principal radius minimum dari kelengkungan adalah
atau
.
Dalam analisis tegangan diasumsikan shell adalah silinder panjang dan
tipis maka dan
. Selanjutnya kedua ujung shell ditutup dan
dikenai tekanan internal P, maka akan terjadi tegangan pada arah hoop
(sirkumferensial atau tangensial) dan arah aksial (longitudinal). Dalam
perancangan ini shell diasumsikan shell tipis.
3.2.1.1. Tegangan sirkumferensial (tangensial/hoop)
Tegangan sirkumferensial adalah tegangan yang arahnya sejajar dengan
sumbu sirkumferensial. Tegangan sirkumferensial disebut juga tegangan
tangensial atau tegangan hoop. Tegangan sirkumferensial c ditimbulkan oleh
tekanan internal yang bekerja secara tengensial dan besarnya bervariasi
tergantung pada tebal dinding. Untuk shell yang berdinding tipis dapat dilakukan
penyederhanaan penurunan rumus tegangan pipa dengan mengasumsikan gaya
akibat tekanan dalam bekerja sepanjang shell ditahan oleh dinding shell.
Persamaan tegangan sirkumferensial atau tangensial (hoop) dapat
dinyatakan dengan rumus sebagai berikut.
(3.1)
Dimana:
c = t = Tegangan sirkumferensial atau tangensial
P = Tekanan pada shell
t = Tebal shell
D = Diameter luar shell
Arah tekanan dan tegangan sirkumferensial yang terjadi pada shell dapat
dilihat pada Gambar 3.5.
-
20
Gambar 3.5. Tegangan sirkumferensial pada shell karena tekanan internal
3.2.1.2. Tegangan longitudinal
Tegangan longitudinal adalah tegangan yang searah dengan shell atau
pipa. Tegangan longitudinal ditimbulkan oleh gaya tekan internal p yang bekerja
pada dinding pipa searah sumbu pipa. Arah tekanan dan tegangan longitudinal
yang terjadi pada shell dapat dilihat pada Gambar 3.5. di bawah ini.
Gambar 3.5. Tegangan longitudinal pada shell karena tekanan internal
-
21
Persamaan tegangan longitudinal yang bekerja pada shell dapat dinyatakan
dengan rumus berikut.
(3.2)
Dimana:
l = Tegangan longitudinal (kPa)
P = Tekanan pada shell (kPa)
t = Tebal shell (mm)
D = Diameter luar shell (mm)
3.2.1.3. Tegangan Radial
Penggunaan persamaan tegangan untuk shell tipis berbeda untuk shell
tebal yang mempunyai rasio
. Shell tebal diasumsikan mempunyai radius
dalam dan radius luar, sehingga tegangan radial yang terjadi diperhitungkan.Besar
tegangan radial adalah bervariasi dari permukaan dalam shell ke permukaan
luarnya dan dapat dinyatakan dengan rumus di bawah ini.
(3.3)
Dimana:
R = Tegangan radial (kPa)
P = Tekanan pada pipa (kPa)
ri = Jari-jari dalam (mm)
ro = Jari-jari luar (mm)
Tegangan radial maksimum mak terjadi pada permukaan dalam shell dan
tegangan minimum min pada permukaan luarnya.
Tegangan sirkumferensial adalah tegangan terbesar yang terjadi di bejana
tekan akibat tekanan internal. Tegangan yang terjadi dibandingkan dengan
tegangan maksimum yang diijinkan di shell pada kondisi operasi. Tegangan
dinyatakan aman apabila tegangan yang terjadi tidak melebihi dari tegangan
maksimum yang diijinkan.
-
22
3.2.2. Tegangan pada ellipsoidal head
Head pada bejana tekan vertikal membatasi shell pada sisi atas dan bawah.
Head mempunyai beberapa jenis berdasarkan bentuk menyesuaikan dengan
tekanan kerja dan fungsi. Contoh bentuk head menurut Megyesy (1997) dapat
dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Jenis-jenis head berdasarkan bentuk
Tipe head Tebal minimum Tekanan maksimal
yang diijinkan
Hemispherical Head
2:1 ellipsoidal Head
Conical Head
ASME Flanged dan Dished Head
(Torispherical Head)
Jika
Jika
-
23
Berdasarkan ketebalan minimum dan tekanan maksimum yang diijinkan
pada beberapa head maka head yang dipilih dalam perancangan adalah antara
hemispherical head atau ellipsoidal head karena lebih dapat menahan tekanan.
Jika menggunakan hemispherical head maka tebal dinding akan lebih tipis
dibanding ellipsoidal head, tetapi hemispherical head mempunyai kesulitan yang
tinggi dan lebih mahal dalam pabrikasi sehingga dipilih ellipsoidal head. Jadi
jenis head yang dipilih dalam perancangan adalah ellipsoidal head dengan rasio
2:1.
Menurut Dennis Moss (2004), pada ellipsoidal head terdapat perbedaan
nilai radius dari satu titik ke titik yang lain (meridional radius Rm dan latitudinal
radius RL), persamaan untuk mencari nilai Rm dan RL adalah sebagai berikut.
Persamaan radius pada garis tangen:
(3.4)
(3.5)
Persamaan radius pada titik tengah head:
(3.6)
(3.7)
Persamaan radius pada titik X di manapun:
(
) (3.8)
(3.9)
Menurut Dennis Moss (2004), tegangan pada head terdiri dari dua arah
tegangan yaitu meridional dan latitudinal (hoop) , dan dapat dibedakan di
titik tengah head, titik pada garis tangen dan pada setiap titik X. Arah tegangan
dan data dimensi dari ellipsoidal head dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan 3.8.
berikut.
-
24
Gambar 3.7. Arah tegangan pada head
Gambar 3.8. Data dimensi pada head
Tegangan meridional atau longitudinal dan tegangan tangensial atau
latitudinal berbeda-beda pada setiap titik tertentu, dan dapat ditentukan dengan
rumus sebagai berikut.
Persamaan tegangan pada titik X di manapun:
Tegangan meridional atau longitudinal
(3.10)
Tegangan tangensial atau latitudinal
(
) (3.11)
Persamaan tegangan pada titik tengah head:
Tegangan meridional atau longitudinal
(3.12)
Tegangan tangensial atau latitudinal (3.13)
Persamaan tegangan pada garis tangen:
Tegangan meridional atau longitudinal
(3.14)
-
25
Tegangan tangensial atau latitudinal
(
) (3.15)
Tegangan dinyatakan aman apabila tegangan terbesar yang terjadi pada
head tidak melebihi dari tegangan maksimum yang diijinkan.
3.3. Perancangan Shell
Shell yang akan dirancang adalah jenis shell berbentuk silinder (cylindrical
shell). Shell mempunyai struktur yang bentuknya menyerupai plat melengkung.
Bentuk silinder shell merupakan bentuk jadi yang diperoleh dari lembaran plat
yang telah dilengkungkan lalu dirangkai dengan sambungan las sehingga menjadi
bentuk silinder dengan ukuran yang telah ditentukan. Pemilihan material shell
ditentukan berdasarkan kondisi kerja dari bejana tekan, dan secara khusus kondisi
yang sangat berpengaruh terhadap selubung shell. Pemilihan material terutama
ditentukan oleh temperatur operasi dan desain. Temperatur operasi temperatur
yang terjadi saat proses pada kondisi operasi normal. Pada perancangan bejana
tekan separator ini temperatur operasi diambil nilai maksimum saat operasi.
Temperatur desain adalah temperatur yang digunakan untuk desain bejana tekan,
temperatur desain mempunyai nilai lebih tinggi daripada tekanan operasi dengan
menambahkan margin. Temperatur desain mempengaruhi desain dalam pemilihan
material dan penentuan tegangan maksimum yang diijinkan pada material.
Ketebalan shell adalah parameter utama dalam mendesain dan dipengaruhi
oleh tekanan dan beban-beban yang terjadi. Tekanan operasi berupa tekanan
internal yang terjadi saat proses pada kondisi operasi normal. Tekanan desain
digunakan untuk desain bejana tekan,tekanan desain mempunyai nilai lebih tinggi
30 psig atau 10 % daripada tekanan operasi atau ditentukan perancang.
Plat mempunyai ketebalan tertentu sehingga dalam perancangan ketebalan
plat yang digunakan harus sesuai dengan ketebalan pada plat dipasaran.Sebagai
dasar pemilihan material dapat mengacu pada tabel yang ada di referensi dan
Lampiran 5.
-
26
3.3.1. Tebal minimum shell dan MAPNC shell
Penentuan tebal bejana, awalnya dilakukan dengan beban utama tekanan
internal. Penentuan tebal bejana silindrikal dilakukan berdasarkan circumferential
stress maupun longitudinal stress. Setelah ditambahkan corrosion allowance dan
penentuan dimensi penting lain, maka tingkat tegangan setiap komponen bejana
akan dianalisis secara lebih detail dengan memperhatikan pembebanan yang
mungkin terjadi selama operasional. Tebal minimum shell dan tekanan maksimal
yang diijinkan dapat dihitung berdasarkan diameter dalam atau diameter luar.
a. Berdasarkan diameter dalam
Ketebalan plat karena tekanan internal dan berdasarkan diameter dalam
dapat dihitung dari rumus berikut.
(3.16)
MAPNC (Maximum Allowable Pressure New and Cold) adalah tekanan
maksimum yang diijinkan pada bejana tekan pada kondisi baru difabrikasi dan
bekerja pada temperatur ruangan.Tekanan maksimum yang diijinkan pada kondisi
baru dan pada temperatur ruangan MAPNC (Maximum Allowable Pressure New
and Cold), untuk plat dengan ketebalan t, dapat dihitung menggunakan rumus
berikut.
(3.17)
Dimana:
tr = Tebal minimum shell (mm)
MAPNC = Maximum Allowable Pressure New and Cold shell (kPa)
R = Radius dalam shell kondisi terkorosi (mm)
S = Tegangan maksimum yang diijinkan oleh material shell (kPa)
E = Efisiensi sambungan las
CA = Corrosion allowance (mm)
-
27
b. Berdasarkan diameter luar
Ketebalan plat karena tekanan internal dan berdasarkan diameter luar,
dapat dihitung menggunakan rumus berikut.
(3.18)
Tekanan maksimum yang diijinkan pada kondisi baru dan pada temperatur
ruangan MAPNC (Maximum Allowable Pressure New and Cold). untuk plat
dengan ketebalan t
(3.19)
Dimana:
tr = Tebal minimum shell (mm)
t = Tebal nominal shell (mm)
MAPNC = Maximum Allowable Pressure New and Cold shell (kPa)
R = Radius luar shell kondisi terkorosi (mm)
S = Tegangan maksimum yang diijinkan oleh material shell (kPa)
E = Efisiensi sambungan las
CA = Corrosion allowance (mm)
Shell pada perancangan ini akan dihitung berdasarkan diameter dalam.
Dengan melihat ketersediaan ukuran tebal plat yang tersedia di pasaran, dipilih
tebal yang lebih besar dari tebal minimal yang diperlukan. Penentuan nilai S
(tegangan maksimum yang diijinkan oleh material shell), E (efisiensi sambungan
las), dan CA (corrosion allowance) ditentukan oleh perancang berdasarkan
pemilihan material, umur, dan metode pengelasan.
a. Pemilihan material
Pemilihan material bejana tekan ditentukan berdasarkan kondisi kerja dari
bejana tekan, dan secara khusus kondisi yang sangat berpengaruh terhadap
bejana tekan. Kondisi kerja ini menentukan kekuatan bejana tekan yang harus
dimiliki material bejana tekan. Tinggi rendahnya temperatur menjadi dasar
pemilihan material karena setiap jenis material memiliki kekuatan pada batas
-
28
temperatur tertentu. Material mempunyai tegangan maksimum yang diijinkan
yang harus diperhatikan.
Tegangan maksimum yang diijinkan (maximum allowable stress) adalah
tegangan maksimum yang diperbolehkan pada material yang dipakai untuk
bejana yang dirancang dan dibangun. Spesifikasi dan grade material dipilih
berdasarkan pada kriteria tegangan maksimum yang diijinkan dengan
pertimbangan-pertimbangan lain seperti ketahanan terhadap korosi, ketersediaan
di pasar dan ekonomis. Material yang dipilih diutamakan sama dengan material
yang digunakan pada bejana-bejana tekan sejenis pada instalasi transmisi
geothermal terpasang.
b. Corrosion allowance
Corrosion allowance adalah tambahan pada ketebalan minimum bejana
tekan. Bejana tekan maupun komponen-komponennya mengalami penipisan
dinding akibat korosi, erosi maupun pengikisan mekanis, sehingga memerlukan
tambahan ketebalan (corrosion allowance) dari tebal minimum yang diperlukan.
Tambahan tebal ditentukan oleh kebutuhan umur bejana. Perlindungan terhadap
korosi juga dapat dilakukan dengan cara lain. Tambahan ketebalan, atau lapisan
tidak dipertimbangkan dalam penghitungan kekuatan dinding bejana.
Tambahan tebal untuk nozzle, opening, dan manhole ditetapkan minimum
sama dengan harga untuk bejana. Corrosion allowance pada perancangan bejana
tekan dipilih sebesar 0.125 in atau 3.175 mm
c. Pengelasan
Pengelasan digunakan untuk menyambung pelat dinding bejana tekan dan
untuk menyambung komponen-komponen. Pengelasan dapat dibedakan menjadi
beberapa kategori dan tipe pengelasan. Setelah dilakukan pengelasan, lasan perlu
dites untuk mengetahui adanya cacat pada lasan.
Efisiensi las didasarkan pada tipe sambungan dan pengujian lasan. Tipe
sambungan pada shell adalah butt joint dilas single welding tanpa backing strip
dengan fully radiographed maka efisiensi las yang dipakai adalah satu.
-
29
Spesifikasi las, kualifikasi pengelas dan metode inspeksi bejana tekan
mengacu pada ASME Section IX. Teknik Pengelasan dalam praktek dapat
dilakukan pada posisi datar. Las yang dibentuk dari satu laluan tidak dapat
digunakan untuk menahan beban tekanan. Pengelasan harus mengikuti Welding
Procedure Specification (WPS) dan Procedure Qualification Record (PQR).
3.3.2. MAWP (Maximum Allowable Working Pressure) shell
Dalam perancangan bejana tekan, dihitung nilai MAWP (Maximum
Allowable Working Pressure). Di dalam praktiknya, MAWP digunakan sebagai
basis untuk menentukan peralatan pressure relieving untuk melindungi bejana
tekan. MAWP adalah tekanan maksimum yang diijinkan pada bejana tekan pada
kondisi operasi normal dan temperatur kerja. MAWP dihitung pada kondisi shell
yang terkorosi. Hasil dari perhitungan MAWP harus dikurangi dengan tekanan
hidrostatis dari fluida (PS).
(3.20)
MAWP shell dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.21)
3.3.3. Berat shell
Berat shell dapat dihitung dengan mengalikan volum shell dan densitas
shell. Berat shell dihitung dengan berdasar sketsa pada gambar 3.9.
Gambar 3.9. Sketsa ukuran perhitungan berat shell
-
30
Volum shell
(3.22)
Berat shell
(3.23)
Dimana:
Vs = Volum shell (mm3)
Di = Diameter dalam shell (mm)
Hs = Panjang shell (mm)
Ms = Berat shell (kg)
= Densitas material (kg/mm3)
3.4. Perancangan Head
Head pada bejana tekan vertikal membatasi shell pada sisi atas dan bawah.
Ukuran dari head tergantung dari ukuran shell berdasarkan parameter desain.
Material head biasanya sama dengan material shell.
3.4.1. Tebal minimum head
Tebal minimum head berdasarkan pada tekanan internal. Tebal minimum
head selanjutnya ditambahkan corrosion allowance. Tekanan maksimal yang
diijinkan didapat dari ketebalan head. Berdasarkan ketebalan minimum dan
tekanan maksimum yang diijinkan serta nilai fungsional dan ekonomis maka head
yang dipilih dalam perancangan adalah ellipsoidal head dengan rasio 2:1.
Perhitungan tebal minimum head adalah dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut.
(3.24)
Dimana :
tr = Tebal minimum head (mm)
P = Tekanan total internal head (kPa)
-
31
R = Radius dalam shell kondisi terkorosi (mm)
S = Tegangan maksimum yang diijinkan oleh material head (kPa)
E = Efisiensi sambungan las
CA = Corrosion allowance (mm)
K = Faktor pengali head elipsoidal
Nilai K dapat ditentukan dengan persamaan berikut.
(
) [ (
) ] (3.25)
Dimana:
D = Diameter dalam head (mm)
h = Panjang head (mm)
Dengan melihat ketersediaan ukuran tebal plat yang tersedia di pasaran,
dipilih tebal yang lebih besar dari tebal minimal yang diperlukan.
3.4.2. MAPNC head
Tekanan maksimum yang diijinkan pada kondisi baru dan pada temperatur
ruangan MAPNC (maximum allowable pressure new and cold). untuk head
dengan ketebalan t dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut.
(3.26)
3.4.3. MAWP (Maximum Allowable Working Pressure Head)
Pada perancangan head juga dihitung nilai MAWP (Maximum Allowable
Working Pressure). MAWP adalah tekanan maksimum yang diijinkan pada bejana
tekan pada kondisi operasi normal dan temperatur kerja. MAWP dapat dihitung
dengan persamaan sebagai berikut.
(3.27)
Dimana PS merupakan tekanan hidrostatis fluida dalam bejana tekan.
-
32
3.4.4. Berat head
Berat head dapat dihitung dengan mengalikan volum head dan densitas
head. Berat head dapat dihitung dengan berdasarkan sketsa pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10. Sketsa ukuran perhitungan berat head
a. Berat head
Volume head (3.28)
Berat head dapat dicari dengan mengalikan volum dan densitas.
(3.29)
b. Berat straight flange
Volum straight flange (3.30)
(3.31)
Jadi berat total head
(3.32)
Dimana:
Velips
Vsf
Hsf
Mh
Dm
th
tsf
=
=
=
=
=
=
=
=
Volum elipsoidal head (mm3)
Volum straight flange (mm3)
Panjang straight flange (mm)
Berat head (kg)
Diameter dalam head (mm)
Tebal nominal head (mm)
Tebal nominal straight flange (mm)
Densitas material (kg/mm3)
-
33
3.4.5. Tekanan pengujian hidrostatis
Pengujian hidrostatis dilakukan dengan cara memasukan air ke dalam
bejana dan menekannya, tujuan hidrostatis tes untuk menguji kebocoran pada
material atau sambungan las. Pengujian hydrotest dilakukan pada temperatur air
normal yaitu 21oC. Menurut ASME VIII divisi 1 UG-99, tekanan hydrotest dapat
dihitung melalui persamaan berikut.
(3.33)
Dimana:
Ps
MAWP
S
Sa
=
=
=
=
Tekanan hidrotest (kPa)
Maximum allowable working pressure (kPa)
Tegangan maksimum yang diijinkan pada kondisi lingkungan (kPa)
Tegangan maksimum yang diijinkan pada kondisi temperatur
operasi (kPa)
Tekanan hydrotest total (Pst) dihitung dengan menambahkan tekanan
hydrotest (Ps) dengan tekanan hidrostatis liquid (Ph) atau .
Untuk memastikan bejana tekan dapat menerima tegangan yang
diakibatkan pada hydrotest, diperlukan analisis tegangan. Setelah didapat
tegangan yang ditimbulkan pada shell dan head, dibandingkan dengan tegangan
maksimum yang diijinkan pada hydrotest (tegangan yield).
3.5. Perancangan Nozzle
Bejana tekan dilengkapi berbagai nozzle untuk menghubungkan secara
fungsional bejana dengan perpipaan dan perlengkapan lainnya. Nozzle dibuat dari
bahan pipa. Perancangan nozzle meliputi perancangan pipa nozzle (nozzle neck),
flange, reinforcement pad, dan pengelasannya.
Perancangan yang dilakukan pada nozzle mencakup pemilihan tebal pipa
yang akan digunakan dan perhitungan kebutuhan reinforcement pad pada
opening. Aturan untuk opening ini didasarkan pada adanya intensifikasi
-
34
tegangan karena adanya lubang pada bejana yang sebelumnya berbentuk struktur
yang simetris.
Semua nozzle dan opening yang tertempel pada bagian bejana atau head
dipilih memiliki penampang melingkar (circular). Nozzle dan opening, jika
perlu, dirancang memiliki penguat sesuai dengan aturan UG-36 sampai UG-43
(CODE). Opening pada bejana silindrikal diperkuat sesuai dengan aturan UG-
37. Perancangan opening pada sisi bejana datar mengikuti aturan UG-39.
Hal yang harus diperhatikan dalam perancangan penguat secara efisien
adalah penguat tidak berlebih dan penguat di dekat opening. Digunakan fillet
dalam penyambungan untuk menghindarkan konsentrasi tegangan. Penampang
nozzle dapat dilihat pada Gambar 3.11. sebagai berikut.
Gambar 3.11. Penampang nozzle tanpa reinforcing pad (kiri)
dan nozzle dengan reinforcing pad (kanan)
3.5.1. Perancangan flange
Flange adalah bagian sistem perpipaan yang berfungsi untuk
menyambungkan dua buah pipa. Flange pada nozzle dilas pada nozzle neck.
Flange dirancang dengan berdasar standar ASME B16.5. dipilih dengan rating
class sesuai dengan tekanan maksimum yang dapat ditahan oleh flange. Pemilihan
rating tekanan didasarkan pada temperatur dan tekanan desain bejana tekan.
Pemilihan rating dapat dilihat pada tabel untuk menentukan rating tekanan flange.
Dalam perancangan ini dipilih flange dengan rating 300, dengan material
SA 105. Pemilihan tipe flange berdasarkan fungsi, contoh tipe flange ada pada
Gambar 3.12. Ukuran dari flange dapat ditentukan ukuran flange standar sesuai
-
35
ukuran pipa dan rating. Penentuan rating flange dapat dilakukan dengan
berdasarkan Tabel 3.2.
Gambar 3.12. Contoh jenis-jenis flange
Tabel 3.2. Penentuan rating flange (ASME B16.5)
-
36
3.5.2. Tebal minimum nozzle
Pemilihan material pipa ditentukan berdasarkan kekuatan yang dimiliki
bahan pipa pada temperatur desain. Semua nozzle dan opening yang tertempel
pada bagian bejana atau head memiliki penampang melingkar (circular).
Ketebalan dinding yang dibutuhkan untuk nozzle agar mampu menahan tekanan
P, dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.34)
Dimana:
tn = Tebal minimum nozzle yang diperlukan (mm)
P = MAWP shell + Ps (tekanan hidrostatik pada kondisi operasi) (kPa)
Rn = Radius dalam nozzle pada kondisi terkorosi (mm)
Sn = Tegangan maksimum yang diijinkan pada nozzle (kPa)
E = Efisiensi pengelasan
Pipa telah mempunyai ukuran standar berdasarkan diameter dan schedule.
Setelah didapat tebal minimum yang dibutuhkan nozzle maka dapat dipilih pipa
dengan ketebalan standar atau schedule.
3.5.3. Luasan penguat
Dinding shell yang berfungsi untuk pamasangan nozzle akan berlubang
sehingga akan terjadi konsentrasi tegangan, reinforcement pad adalah tambahan
material untuk membagi tegangan di sekitar lubang pada dinding shell. Nozzle
harus terpasang dalam kondisi yang aman sehingga perlu dilakukan analisis
kekuatan nozzle untuk mengetahui nozzle tersebut perlu reinforcement (penguat)
atau tidak. Perhitungan luasan penguat pada nozzle dapat dilihat pada Gambar
3.13.
Menurut ASME VIII Divisi 1 UG-37, perhitungan luasan menggunakan
faktor pengurangan kekuatan (strength reduction factor). Faktor pengurangan
kekuatan nozzle dan shell dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.
(3.35)
-
37
Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan reinforcement pad dapat
dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.
(3.36)
Dimana dipilih dengan nilai yang lebih rendah.
Faktor pengurangan kekuatan reinforcement pad dan shell dapat
dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.
(3.37)
Gambar 3.13. Luasan nozzle dengan penguat (ASME VIII Divisi 1)
3.5.3.1. Luasan yang dibutuhkan nozzle jika tanpa reinforcing element
Area yang dibutuhkan pada shell atau head untuk menahan tekanan
internal.
(3.38)
-
38
Total area yang tersedia
1. A1, luas yang tersedia pada shell untuk menahan tekanan. Dipilih dengan nilai
yang terbesar.
) (3.39)
atau
(3.40)
2. A2, area yang tersedia pada proyeksi keluar nozzle, dipilih dengan nilai yang
terkecil
(3.41)
atau
(3.42)
3. A3, luas yang tersedia pada proyeksi kedalam nozzle
(3.43)
(3.44)
(3.45)
4. A4, area yang tersedia pengelasan
Nozzle dan reinforcement pad. (3.46)
Reinforcement pad dan shell (3.47)
Nozzle dan shell (3.48)
Total area yang tersedia = A1+A2+A3+A4
Pada pengelasan jika area yang tersedia lebih dari area yang dibutuhkan
, tambahan reinforcement tidak dibutuhkan. Jika area yang
tersedia kurang dari dari area yang dibutuhkan untuk reinforcement, tambahan
reinforcement pad dibutuhkan
3.5.3.2. Luasan yang dibutuhkan nozzle dengan Reinforcing Element
Area yang dibutuhkan pada shell atau head untuk menahan tekanan internal
(3.49)
-
39
Total area yang tersedia
1. A1, luas yang tersedia pada shell untuk menahan tekanan. Dipilih dengan nilai
yang terbesar.
) (3.50)
atau
(3.51)
2. A2, area yang tersedia pada proyeksi keluar nozzle. Dipilih dengan nilai yang
terkecil.
(3.52)
atau
(3.53)
3. Luas yang tersedia pada nozzle proyeksi ke dalam dipilih nilai yang terkecil.
(3.54)
(3.55)
(3.56)
4. A4, area las fillet
Nozzle dan reinforcement pad. (3.57)
Reinforcement pad dan shell (3.58)
Nozzle dan shell (3.59)
5. A5, area yang tersedia pada reinforcement pad
(3.60)
Total area yang tersedia = A1+A2+A3+A4+A5
Jika area yang tersedia lebih dari area yang dibutuhkan
maka tebal reinforcement pad dan diameter pad mencukupi.
Keterangan:
At = Luas penguat yang dibutuhkan (mm2)
A1 = Luas yang tersedia pada shell (mm2)
A2 = Luas yang tersedia pada nozzle (mm2)
A41 = Luas yang tersedia di pengelasan nozzle dan reinforcement pad (mm2)
A42 = Luas yang tersedia di pengelasan reinforcement pad dan shell (mm2)
-
40
A5 = Luas yang tersedia di reinforcement pad (mm2)
d = Radius dalam nozzle keadaan terkorosi (mm)
Dp = Radius luar pad (mm)
tr = Tebal shell minimum yang dibutuhkan (mm)
tn = Tebal nominal nozzle keadaan terkorosi (mm)
t = Tebal shell dalam keadaaan terkorosi (mm)
F = Faktor koreksi =1
fr1 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan shell
fr2 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan shell
fr3 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan reinforcement pad
fr4 = Faktor pengurangan kekuatan nozzle dan reinforcement pad
trn = Tebal nozzle minimum yang dibutuhkan
E1 = Efisiensi pengelasan nozzle
Leg = Lebar kaki las (mm)
3.5.4. Tegangan yang diijinkan pada pengelasan
Tegangan untuk nozzle didasarkan pada adanya intensifikasi tegangan
karena adanya lubang pada bejana yang sebelumnya berbentuk struktur yang
simetris. Jika lubang pada plat dikenai tegangan tarik yang uniform maka akan
menimbulkan konsentrasi tegangan yang tinggi disekitar lubang.
Tegangan yang terjadi pada pengelasan adalah tegangan yang diijinkan
pada material nozzle dikalikan dengan faktor reduksi kekuatan. Beban pada
pengelasan nozzle adalah luas dikalikan tegangan.
Bagian-bagian nozzle digabungkan dengan cara pengelasan. Bagian yang
dilas adalah pipa nozzle dengan reinforcement pad, pipa nozzle dengan shell dan
reinforcement pad dengan shell. Gambar 3.14. berikut adalah nozzle dan posisi
pengelasan pada nozzle.
-
41
Gambar 3.14 Daerah pengelasan pada nozzle
Menurut ASME VIII divisi 1 appendix-L, Tegangan yang diijinkan pada
pengelasan nozlze adalah sebagai berikut.
Tegangan ijin tarik pada las groove shell (Sg) : 0.74 x S (3.61)
Tegangan ijin geser pada dinding nozzle (Sn) : 0.7 x Sn (3.62)
Tegangan ijin geser pada las inner fillet (Si) : 0.49 x Sn (3.63)
Tegangan ijin geser pada las outer fillet (So) : 0.49 x S (3.64)
Tegangan ijin pada pada las groove pad (Sgp) : 0.74 x S (3.65)
3.5.5. Beban pengelasan pada nozzle
Beban pengelasan pada nozzle dapat dianalisis sesuai jenis nozzle, jenis
nozzle dapat dengan neck inserted atau dengan proyeksi internal dan neck abutting
atau tanpa proyeksi ke dalam.
Las groove
shell (Sg)
Las groove
reinforcement pad
Las inner
Fillet (Si)
Las outer
Fillet (So)
-
42
3.5.5.1. Nozzle dengan neck inserted pada dinding vessel
Analisis kekuatan las untuk nozzle dengan neck inserted berdasarkan pada
garis path yang ditunjukan pada Gambar 3.15.
Gambar 3.15. Sketsa analisis kekuatan las nozzle dengan neck inserted
Total beban pengelasan
[ ] (3.66)
Beban pengelasan untuk kekuatan path 1-1
[ ] (3.67)
Beban pengelasan untuk kekuatan path 2-2
[ ] (3.68)
Beban pengelasan untuk kekuatan path 3-3
[ ] (3.69)
Area A1 , A2, A3., A5 dan A4i dikalikan faktor frx
3.5.5.2. Nozzle dengan neck abutting pada dinding vessel
Analisis kekuatan las untuk nozzle dengan neck abbuting berdasarkan
pada garis path yang ditunjukan pada Gambar 3.16.
-
43
Gambar 3.16 Sketsa pengecekan kekuatan las nozzle dengan neck abbuting
Total beban pengelasan
[ ] (3.70)
Beban pengelasan untuk kekuatan path 1-1
[ ] (3.71)
Beban pengelasan untuk kekuatan path 2-2
[ ] (3.72)
Area A1, A2, A5, dan A4i dikalikan faktor frx
3.5.6. Kekuatan antar elemen pengelasan
Gaya antar elemen pengelasan perlu dibandingkan dengan kekuatan las
untuk memastikan lasan mampu menahan beban.
(a) Gaya geser pada las inner fillet
(
) (3.73)
(b) Gaya geser pada las dinding nozzle
(
) (3.74)
(c) Gaya tarik pada las groove
-
44
(
) (3.75)
(d) Gaya geser pada las outer fillet
(
) (3.76)
(e) Gaya tarik pada las upper groove
(
) (3.77)
3.5.7. Analisis kekuatan pengelasan
Berdasarkan ASME Divisi 1 UG-41, total beban yang terjadi tidak boleh
melebihi kekuatan hubungan antar elemen. Hubungan antar elemen disatukan
dengan garis kekuatan elemen yang dapat dilihat pada Gambar 3.15 dan 3.16.
Analisis kekuatan las di garis 1-1.
Garis 1-1 adalah elemen las pada dinding nozzle dan las outer fillet.
Desain aman apabila kekuatan las pada garis 1-1 lebih besar dari pembebanannya.
Persamaan analisis kekuatan las garis 1-1 adalah :
(b) + (d) > W 1-1 atau W (3.78)
Analisis kekuatan las di garis 2-2
Garis 2-2 adalah elemen las pada inner fillet, las groove dan las upper
groove. Desain aman apabila kekuatan las pada garis 2-2 lebih besar dari
pembebanannya. Persamaan analisis kekuatan las garis 2-2 adalah :
(a)+ (b) + (c) > W2-2 atau W (3.79)
Analisis kekuatan las di garis 3-3.
Garis 3-3 adalah elemen las pada las groove dan las outer fillet. Desain
aman apabila kekuatan las pada garis 3-3 lebih besar dari pembebanannya.
Persamaan analisis kekuatan las garis 3-3 adalah :
(a)+ (d) > W3-3 atau W (3.80)
-
45
3.5.8. Berat nozzle
Nozzle terdiri dari 3 komponen. Komponennya meliputi flange, pipa
nozzle (nozzle neck) dan reinforcement pad. Untuk menghitung berat nozzle, berat
ketiga komponen dijumlahkan.
Berikut adalah persamaan untuk menghitung berat nozzle.
a. Berat pipa nozzle
Wpipa = Lpipa x Wpipa per meter (3.81)
b. Berat flange
Berat flange didapatkan dalam standar ASME B.16.5. Rating flange yang
berbeda akan mempunyai berat flange yang berbeda juga.
c. Berat reinforcement pad
(
)
(3.82)
(3.83)
Dimana :
Wpipa = Berat pipa (kg)
Lpipa = Panjang pipa (mm)
Wpipa per meter = Berat pipa per satuan meter (kg/m)
Vpad = Volume reinforcement pad (mm3)
Wpad = Berat reinforcement pad (kg)
= Densitas material (kg/mm3)
3.6. Perlengkapan Pendukung
Bejana dilengkapi perlengkapan-perlengkapan untuk mendukung operasi
bejana tekan. Perlengkapan itu antara lain isolasi, instrumentasi, platform, ladder,
perlengkapan internal bejana tekan, dan lain-lain.
3.6.1. Isolasi
Tujuan dari memasang isolasi pada peralatan yang digunakan untuk
mengalirkan fluida dengan suhu tinggi adalah:
-
46
1. Mencegah kerugian energi yang disebabkan oleh kehilangan panas.
2. Mempertahankan suhu proses.
3. Sebagai perlindungan bagi manusia dalam kasus kontak langsung dengan
peralatan.
Isolasi termal harus sesuai untuk kondisi operasi dan desain yang
ditentukan. Ketebalan insulasi yang dapat disentuh sebagai bagian dari operasi
normal atau kegiatan pemeliharaan tidak melebihi 45C. Bahan Isolasi tidak
dibolehkan dengan asbes. Perpindahan panas pada isolasi dapat diturunkan dari
persamaan perpindahan panas.
Gambar 3.17. Perpindahan panas pada isolasi
3.6.2. Platform dan ladder
Platform dan ladder dipasang pada bejana tekan vertical dengan tujuan
untuk memudahkan pengecekan nozzle dan instrumentasi pada bejana tekan.
Platform dan ladder juga digunakan saat maintenance bejana tekan. Platform
didesain dengan mempertimbangkan posisi nozzle, luas dan ketinggian platform
menyesuaikan dengan bejana tekan.
Platform dapat didesain dengan grating atau dengan floor plate. Ladder
dapat didesain dengan sangkar sebagai pengaman pada ketinggian. Pada bejana
tekan vertical dirancang platform sirkular pada shell, dan platform rectangular
diatas top head. Platform dan ladder harus didesain sesuai standar agar mampu
menahan beban manusia dan aman untuk digunakan.
-
47
3.6.3. Instrumentasi
Bejana tekan dilengkapi dengan perlengkapan instrumentasi diantaranya
adalah:
1. Indikator tekanan
2. Indikator temperatur
3. Level gauge
4. Transmiter tekanan
5. Transmiter temperatur
6. Transmiter level gauge
Instrumen digunakan sebagai sensor untuk mengetahui kondisi opersai
bejana tekan. Instrumentasi terhubung pada nozzle ukuran 2 in ke shell. Posisi
Instrumen dapat dilihat pada P&ID (Process and Instrumentation Diagram)
pada Lampiran 2.
3.6.4. Perlengkapan internal
Perlengkapan internal dalam separator diantaranya adalah inlet diverter,
mist extractor dan vortex breaker.
1. Inlet diverter: cyclone inlet
Inlet diverter berfungsi untuk membantu memisahkan fluida yang
masuk menjadi dua fasa yang berbeda. Cylone inlet memisahkan fluida
dengan gaya sentrifugal.
Gambar 3.18. Cyclone Inlet
-
48
2. Mist extractor atau demister pad
Mist Extractor berfungsi untuk mengumpulkan titik-titik cairan
yang masih terdapat dalam gas. Mist Extractor mampu melepaskan
droplets yang berukuran hingga 10 micron.
Gambar 3.19. Mist Extractor dan support dari mist extractor
3. Vortex breaker
Vortex breaker berfungsi mencegah timbulnya vortex pada cairan
yang keluar.
Gambar 3.20. Vortex breaker
-
49
3.7. Perancangan Support
Support digunakan untuk menyangga bejana tekan ke pondasi. Support
terdiri dari beberapa jenis. Contoh jenis support untuk bejana tekan vertikal.
1. Leg support
Untuk bejana vertikal ukuran menengah hingga kecil.
2. Skirt support
Skirt semacam shell yang berbentuk silindris atau konikal sehingga beban
terdistribusi merata. Support yang dipakai dalam perancangan ini yaitu
jenis skirt silinder.
3.7.1. Perancangan skirt
Bejana tekan vertikal yang dirancang harus bisa berdiri dan ditumpu oleh
skirt silinder. Tumpuan skirt dilas langsung pada bagian bottom head bejana atau
shell. Perancangan tumpuan skirt ini dilakukan sesuai dengan diameter shell dan
berdasarkan berat vessel serta beban yang diderita. Komponen lain yang harus
diperhatikan adalah dasar skirt, ring bawah, lasan antara skirt dengan ring
bawah, ring penguat atas, dan penguat vertikal,
Ketebalan minimum diperlukan agar skirt dapat menyangga bejana tekan.
Faktor yang mempengaruhi diantaranya adalah berat bejana dan momen eksternal
akibat beban angin dan gempa. Ketebalan minimum dapat dicari menggunakan
rumus berikut.
(3.84)
Dimana:
D = Diameter luar skirt
E = Efisiensi sambungan skirt ke head
MT = Moment pada skirt
R = Radius luar
S = Tegangan
t = Tebal skirt yang dibutuhkan
W = berat vessel yang ditumpu skirt pada kondisi paling berat (hidrotes)
-
50
Pengelasan digunakan untuk menyambung skirt dan head. Efisiensi
sambungan skirt ke head adalah sebagai berikut:
a. 0.6 untuk butt weld
b. 0.45 untuk lap weld
Gambar 3.21. Pengelasan pada skirt ke head butt weld (kiri) dan lap weld (kanan)
3.7.2. Anchor bolt
Hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan anchor bolt sehingga
mampu menahan beban tarik yang timbul yaitu
a. Jumlah anchor bolt
b. Spasi dari anchor bolt
c. Diameter anchor bolt
Perhitungan anchor bolt dapat dilakukan dengan metode pendekatan sebagai
berikut.
Gaya tarik maksimum
(3.85)
Area yang dibutuhkan untuk satu baut BA
(3.86)
Tegangan pada anchor bolt
(3.87)
Dimana:
=
=
-
51
=
=
=
3.7.3. Base rings
Permukaan base ring harus cukup luas untuk mendistribusikan beban
merata pada pondasi beton. Ketebalan base ring harus mampu menahan tegangan
bending akibat gempa atau beban angin.
Gambar 3.22. Sketsa dimensi dari base ring
Perhitungan base ring dapat dilakukan dengan metode pendekatan sebagai
berikut.
Gaya desak maksimum.
(3.88)
Lebar base ring kira-kira
(3.89)
Tebal base ring kira-kira
(3.90)
Tegangan bearing
(3.91)
Tegangan bending
(3.92)
Dimana:
-
52
=
(3.93)
= skirt
=
=
=
=
=
=
3.7.4. Desain anchor bolt dan base ring
Anchor bolt dan base ring digunakan untuk menanam bejana tekan di atas
pondasi beton. Perancangan dimaksudkan agar bejana tekan dapat menahan beban
berat bejana tekan dan beban akibat angin dan gempa. Sketsa perancangan anchor
bolt dan base ring dapat dilihat pada Gambar 3.23.
Gambar 3.23. Sketsa perancangan anchor bolt dan base ring
Prosedur desain untuk memperoleh anchor bolt yang sesuai dengan base
ring adalah sebagai berikut.
-
53
Nilai dari konstanta dimensi k
(3.94)
Total area yang dibutuhkan anchor bolts
(3.95)
Hubungan antara tegangan desak maksimum yang diijinkan pada tepi luar base
ring dan bolt circle
(3.96)
(3.97)
Beban tarik pada anchor bolts
(3.98)
Tegangan tarik di anchor bolts.
(3.99)
Ketebalan ring dengan area sama dengan area dari anchor bolts.
(3.100)
Beban desak pada beton.
(3.101)
Tegangan desak pada beton.
(3.102)
Hubungan antara gaya tarik di baja dan desak di beton.
(3.103)
Ketebalan base ring tanpa gusset plate.
(3.104)
Ketebalan base ring dengan gusset plate.
(3.105)
Dimana:
b = jarak antara gusset plates, diukur dari arc bolt circle
-
54
Bt = Total area yang dibutuhkan untuk anchor bolt
Cc,Ct = Konstanta
d = Diameter lingkaran anchor bolt
D = Diameter lingkaran anchor bolt
fc = Tegangan tekan pada pondasi di edge terluar pada base ring
fcb = Tegangan tekan pada pondasi di lingkaran bolt.
j = Konstanta
l4 = l - ts = lebar base ring
M = Momen pada base akibat beban angin dan gempa.
Mmax = Mx atau My dipilih yang terbesar
n = Rasio modulus elastisitas dari baja dan beton
r = Radius lingkaran bolt
Sa = Tegangan tarik pada anchor bolt
S = Teganan maksimal yang diijinkan pada base
W = Berat bejana tekan saat operasi
z = Konstanta
Gusset plate, anchor chair, atau compression ring dapat digunakan untuk
distribusi tegangan yang lebih baik.
3.8. Berat Bejana Tekan
Berat perlu dihitung untuk memperkirakan biaya pembuatan dan
transportasi. Berat juga dipakai untuk perancangan support, pondasi dan lifting
lug. Berat dihitung dari total kebutuhan material minimum bejana tekan. Berat
dihitung dengan cara mengalikan volum dari bagian-bagian bejana tekan dengan
berat teoritis dari material.
Berat dapat dibedakan menjadi berat pabrikasi, berat pemasangan, berat
operasi, dan berat uji.
-
55
3.8.1. Berat pabrikasi
Berat total saat dibuat dipabrik. Berat pabrikasi terdiri dari dari berat:
1. shell
2. heads
3. Internal plate work
4. Tray support
5. Insulation rings
6. Openings
7. Skirt
8. Base ring
9. Anchor ring
10. Anchor lug
11. Misscellaneous
12. Ditambah 6% dari berat poin 1 sampai 11untuk kelebihan berat pada
plat dan berat dari lasan
3.8.2. Berat ereksi (pemasangan)
Berat ereksi adalah berat total saat pabrikasi ditambah berat dari
perlengkapan tambahan.
Perlengkapan tambahan
1. Insulation
2. Fireproofing
3. Platform
4. Ladder
5. Piping
6. Miscellaneous
-
56
3.8.3. Berat operasi
Berat kosong ditambah berat fluida pada kondisi operasi. Berat fluida
kerja dapat dicari dengan mengalikan volum fluida dengan densitas. Di dalam
separator terjadi pemisahan brine dan uap. Brine akan berada di bawah dan uap di
atas. Ketinggian brine dibatasi pada level tertentu. Berat brine dihitung pada
kondisi brine berada pada elevasi maksimal. Berat brine dapat dicari dengan
mengalikan volum dengan densitas brine. Berat uap dihitung dari volum vessel
dikurangi volum brine maksimal dan dikalikan dengan densitas dari uap.
3.8.4. Berat uji
Berat total ketika pengujian tekanan menggunakan air yang diisikan secara
penuh ke bejana tekan. Berat kosong ditambah berat fluida air pada kondisi
pengujian atau penuh. Berat fluida air dapat dicari dengan mengalikan volum
fluida dengan densitas air.
3.8.5. Titik berat bejana tekan
Titik berat dapat menentukan posisi titik angkat crane pada saat
pengangkatan (ereksi) dan gaya reaksi pada support. Menurut Moss, titik berat
bejana tekan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.106)
Dimana:
C = Titik pusat gravitasi dihitung dari garis tangen kiri (mm)
Ln = Jarak dari tangen line ke titik berat tiap komponen (mm)
Wn = Berat tiap komponen (kg)
W = Berat total bejana tekan (kg)
-
57
3.9. Pembebanan pada Bejana Tekan
Pembebanan yang terjadi pada bejana tekan perlu diperhitungkan agar
bejana tekan mampu menahan beban tersebut. Pembebanan luar pada bejana tekan
yang perlu diperhatikan adalah beban akibat beban angin dan gempa.
3.9.1. Beban angin
Angin adalah aliran udara turbulen pada permukaan bumi dengan
kecepatan bervariasi. Kecepatan angin dipengaruhi oleh gesekan pada permukaan
bumi. Besarnya kecepatan udara akan meningkat dengan bertambahnya
ketinggian dari permukaan bumi. Profil kecepatan angin tergantung dari
karakteristik permukaan dari suatu wilayah.
Angin akan menimbulkan momen yang menghasilkan tegangan pada shell
dan skirt untuk bejana vertikal. Beban angin dapat dikonsiderasikan berdasarkan
standar UBC 1997 atau bisa juga dengan standar ANSI/ASCE 7. Sebelum
dikonderasi perlu diketahui kecepatan angin basis di lokasi.
a. Konsiderasi dengan standar UBC-1997
Kecepatan angin didapat dari data lapangan, keceepatan angin desain
dipilih berdasarkan kecepatan angin maksimal yang mungkin terjadi. Dari
kecepatan angin dapat dicari parameter lain dari tabel yang telah disediakan oleh
UBC-1997. Persamaan yang digunakan pada standar UBC-1997
(3.107)
Dimana,
Ce = Faktor koefisien gust
Cq = Koefisien tekanan
qs = Tekanan angin stagnasi
I = Faktor importance
Nilai Ce Cq qs dan I diperoleh dari tabel 3.3. sampai dengan tabel 3.6. berikut yang
diambil dari UBC-1997.
-
58
Tabel 3.3. Tekanan angin stagnasi (qs) pada ketinggian standar 33 ft (UBC)
Kecepatan angin basis (mph) 70 80 90 100 110 120 130
Tekanan qs (psf) 12.6 16.4 20.8 25.6 31 36.9 43.3
Tabel 3.4. Koefisien Ce kombinasi ketinggian, exposure dan gust factor
(UBC)
Ketinggian diatas
permukaan tanah (feet)
Exposure D Exposure C Exposure B
0-15
20
25
30
40
60
80
100
120
160
200
300
400
1.39
1.45
1.5
1.54
1.62
1.73
1.81
1.88
1.93
2.02
2.1
2.23
2.34
1.06
1.13
1.19
1.23
1.31
1.43
1.53
1.62
1.67
1.79
1.87
2.05
2.19
0.62
0.67
0.72
0.76
0.84
0.95
1.04
1.13
1.20
1.31
1.42
1.63
1.80
Tabel 3.5. Koefisien tekanan Cq (UBC)
Struktur atau part thereof diskripsi Factor Cq
Chimney, tanks dan solid
tower
Square atau rectangular
Hexagonal atau octagonal
Round atau elliptical
1.4
1.1.
0.8
Open frame tower Square dan rectangular
Diagonal
Normal
Triangular
4.0
3.6
3.2
Aksesoris tower ( seperti
ladders, conduicts, light,
dan elevator)
Cylindrical members
Diameter 2 in atau kurang dari
Diameter lebih dari 2 in
Flat atau angular members
1
0.8
1.3
Tabel 3.6. Faktor importance I (UBC)
Kategori Occupancy Faktor importance angin I
I Fasilitas essential 1.15
II Fasilitas Hazardous 1.15
III Spesial struktur occupancy 1.00
IV Standar struktur occupancy 1.00
-
59
Konsiderasi beban angin perlu dilakukan sehingga bejana tekan mampu
menahan beban angin. Setelah dilakukan konsiderasi baban angin maka dapat
dilakukan perhitungan untuk mencari momen yang terjadi berdasarkan gambar
3.24. dan rumus sebagai berikut.
Gambar 3.24. Dimensi bejana tekan untuk konsiderasi beban angin
Gaya geser pada base.
(3.108)
Momen yang terjadi pada base akibat gaya geser.
(3.109)
Momen pada ketinggian hT .
(3.110)
Tegangan yang terjadi karena beban angin.
(3.111)
Tebal minimum yang dibutuhkan untuk menahan beban angin.
(3.112)
Keterangan:
D = Diameter luar skirt
H = Tinggi bejana
h = Lever arm =H/2
hT = Jarak dari base hingga bagian bawah dari shell
E = Efisiensi las
-
60
b. Konsiderasi dengan ANSI/ASCE 7-93
Konsiderasi dapat dilakukan juga menggunakan ANSI/ASCE 7-93
Desain tekanan angin
(3.113)
Dengan tekanan kecepatan
(3.114)
Dimana:
kz = Tekanan kecepatan koefisien exposure
I = Faktor importance
V = Kecepatan angin
G = Faktor respon Gust dimana lokasi tower
Cf = Faktor bentuk = 0,8 untuk silinder
Af = Area yang diproyeksikan
3.9.2. Beban gempa
Pembebanan gempa pada bejana tekan dapat juga menyebabkan momen.
Bejana tekan dapat diasumsikan sebagai cantilever beam yang mengalami
pembebanan. Pembebanan meningkat saat mendekati ujung secara uniform seperti
terlihat pada Gambar 3.25.
Gambar 3.25. Diagram beban seismic dan tegangan geser akibat beban seismic
-
61
Prosedur pembebanan karena gempa dapat dihitung dengan standar UBC
1997. Perhitungan gempa dengan peraturan UBC sering dipakai pada proyek-
proyek oil, gas dan juga geothermal.
Langkah-langkah perhitungan beban gempa dengan standar UBC 1997 adalah
sebagai berikut:
1. Faktor zona seismic
Zona seismic dapat diketahui dari peta gempa di Indonesia yang terdapat
pada Lampiran 6. Dari zona seismic dapat ditentukan faktor zona seismic UBC,
berikut penentuan faktor Z dari zona seismic.
Tabel 3.7. Faktor zona seismic (UBC)
Zone 1 2A 2B 3 4
Z 0.075 0.15 0.2 0.3 0.4
2. Tipe tanah
Tipe tanah sangat menentukan dalam kegempaan. Tipe tanah dapat
bernilai 1 sampai 5 secara lengkap dapat dilihat pada tabel 3.8. dibawah ini.
Tabel 3.8. Tipe tanah (UBC)
Staad value Tipe tanah Deskripsi tanah N-SPT
1 Sa Hard rock
2 Sb Rock
3 Sc Very dense >50
Soil/soft rock
4 Sd Stiff soil profile 15 sampai50
5 Se Sofy soil
-
62
Tabel 3.9. R value untuk bangunan struktur dan non building struktur (UBC)
R value Tipe Struktur
bangunan struktur
5.6 OBF untuk baja dan concrete
4.5 OMRF untuk baja
3.5 OMRF untuk concrete
non building struktur
2. ,2 Monumen, vessel, tank dan sperical tank, cantilever column
structure,
2.9 Bin dan hopper, distributed vertical mass such chimney, silo, truss
tower
3.6 Storage rack, signs, billboard, cooling tower
5. Faktor koefisien seismic
Dari nilai-nilai di atas dapat ditentukan faktor koefisien seismik Ca dan Cv . Ca
dan Cv akan digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi.
Tabel 3.10. Penentuan ditentukan faktor koefisien seismik Ca (UBC) faktor koefisien seismik Ca
Jenis profil
tanah
Seismic Zone Factor, Z
Z=0.075 Z=0.15 Z=0.2 Z=0.3 Z=0.4
SA 0.06 0.12 0.16 0.24 0.32Na
SB 0.08 0.15 0.2 0.3 0.40Na
SC 0.09 0.18 0.24 0.33 0.40Na
SD 0.12 0.22 0.28 0.36 0.44Na
SE 0.19 0.3 0.34 0.36 0.36Na
SF
Tabel 3.11. Penentuan ditentukan faktor koefisien seismik Cv (UBC) Faktor koefisien seismik Cv
Jenis profil
tanah
Seismic Zone Factor, Z
Z=0.075 Z=0.075 Z=0.075 Z=0.075 Z=0.075
SA 0.06 0.12 0.16 0.24 0.32Nv
SB 0.08 0.15 0.2 0.3 0.40Nv
SC 0.13 0.25 0.32 0.45 0.56Nv
SD 0.18 0.32 0.40 0.54 0.64Nv
SE 0.26 0.50 0.64 0.84 0.96Nv
SF
-
63
Investigasi geoteknik site secara spesifik dan analisis respon dinamik
harus dilakukan untuk menentukan seismic coefficient untuk tanah tipe SF. Nilai
Na dan Nv dapat ditentukan berdasarkan tipe dan jarak dari sumber gempa seperti
pada tabel 3.12 dan 3.13.
Tabel 3.12. Faktor kedekatan sumber gempa Na dan Nv (UBC 1997)
Tipe
sumber
seismic
Jarak terdekat ke sumber gempa
2km 5km 10km 15km
Na Nv Na Nv Na Nv Na Nv
A 2 1.5 1.6 1.2 1.2 1.0 1.0 1.0
B 1.6 1.3 1.2 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
C 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
Tabel 3.13. Tipe sumber seismic (UBC 1997)
Tipe
sumber
seismic
Deskripsi sumber seismic
Definisi sumber seismic
Momen
magnitude
maksimum M
Slip rate SR
(mm/year)
A Patahan yang mempunyai
kapasitas produksi magnitude
dan aktivitas seismic tingkat
tinggi
M 7.0 SR 5
B Kecuali tipe A dan C M 7.0
M 2
SR < 2
C Patahan yang tidak mempunyai
kapasitas produksi magnitude
dan aktivitas seismic relatif
tingkat rendah
M < 6.5 SR 2
Setelah dilakukan konsiderasi beban gempa maka dapat dilakukan
perhitungan untuk mencari momen yang terjadi berdasarkan gambar 3.24. dan
rumus sebagai berikut.
Tegangan geser pada base, V (dimana V>V1 atau V2, V
-
64
(3.116)
(3.117)
Nilai V dengan syarat V>V1 atau V2, V
-
65
w = Berat vessel per satuan panjang dari ketinggian
t = Ketebalan skirt pada base
3.10. Perancangan Lifting Lug
Lifting lug digunakan untuk ereksi atau pengangkatan separator. Piranti
pengangkatan harus dipastikan memiliki kekuatan sambungan yang memadai
untuk mengangkat bejana dengan aman dan sekaligus tidak merusak dirinya
sendiri. Lifting lug didesain dengan berdasarkan data berat ereksi vessel dan titik
berat
W1 = Berat ereksi untuk perhitungan W * c (3.125)
Dimana:
W = Berat ereksi vessel
c = Faktor impact
Selanjutnya ditentukan jarak I dan L dimana:
I = Jarak dari CG ke R2 (base)
L = Jarak dari R1 (lubang lifting lug) ke R2,
Lifting lug terdiri dari tiga part yaitu lifting lug, pad, dan support. Bahan
yang digunakan dalam desain akan mempunyai tegangan yang diijinkan a yang
digunakan sebagai dasar dalam mendesain. Lifting lug akan menderita beban
akibat berat dari vessel. Dalam perancangan ini beban untuk lifting lug dapat
dibedakan pada posisi vertikal dan horisontal.
Posisi horizontal,
(3.126)
Posisi vertikal,
(3.127)
Bejana tekan dilengkapi juga dengan tailing lug yang terletak pada base
ring. Beban untuk tailing lug adalah sebagai berikut.
Posisi horizontal,
-
66
(3.128)
Posisi vertikal, untuk posisi vertikal pengangkatan bejana tekan hanya dengan
lifting lug, sehingga pada tailing lug
3.10.1. Desain reaksi dan tegangan yang diijinkan
Reaksi aktual yang terjadi pada setiap lifting lug adalah
. Desain reaksi
yang terjadi pada setiap lifting lug
(3.129)
Tegangan yang diijinkan pada lifting lug berdasarkan material yang
digunakan.
a = Tegangan yang diijinkan untuk tarik, desak dan bending
= Dipilih yang terkecil dari 1/3 t atau 2/3 y
a = Tegangan geser yang diijinkan
Lifting lug terdiri dari tiga part yaitu lifting lug, pad dan support. Dimensi
dari ketiga komponen tersebut perlu diperhitungkan agar mampu menahan bejana
tekan saat ereksi. Perhitungan juga dilakukan pada penyambungan. Sketsa lifting
lug sebagai dasar perhitungan dan perancangan ditunjukkan pada Gambar 3.26.
Perhitungan lifting lug mengacu pada moss (2004) dan desain PT Tripatra
Engineers and Constructors.
Gambar 3.26. Sketsa lifting lug
-
67
Keterangan :
a = Jarak antara lubang pin bagian atas dengan diameter atas
a' = Lebar support
b = Lebar pad
c = Tinggi pad
c' = Tinggi area tambahan lasan
d = Diameter pin
d' = Diameter setengah lingkaran untuk area tambahan lasan
e = Tinggi area tambahan lasan ditambah radius
h = Lebar lifting lug
l = Panjang support
l1 = Jarak vertikal titik tengah lubang pin dengan sisi atas support
l2 = Jarak vertikal sisi atas support dengan tangen line
l3 = Jarak vertikal tangen line dengan sisi bawah lifting lug
T = Tebal lifting lug
t = Tebal pad
t' = Tebal support
= sudut
Keterangan satuan yang digunakan dalam mm.
3.10.2. Kekuatan lifting lug saat pengangkatan posisi vertikal
Tegangan sirkumferensial dari ring dapat dihitung dengan persamaan
berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.
(3.130)
Dimana:
f(y)=Faktor tegangan, rasio y=a/d,
f(y) dapat diketahui dari tabel
Y= a/d f(y)
tw = tebal throat las fillet
tw1 = tebal throat lug-pad
tw1'= tebal throat lug-supp't
tw2 = tebal throat pad-shell
-
68
Tegangan tarik pada A-A dapat dihitung dengan persamaan berikut. Jika
kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman
(3.131)
Tegangan geser pada ring dapat dihitung dengan persamaan berikut. Jika
kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.
(3.132)
Dimana:
(3.133)
[(
)
(
) ] (3.134)
Kombinasi tegangan pada B-B dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.135)
(3.136)
Kombinasi tegangan pada B-B merupakan penjumlahan dari .
(3.137)
Tegangan yang diijinkan adalah sebagai berikut.
(3.138)
Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman
3.10.3. Kekuatan las saat pengangkatan posisi vertikal
Penyambungan antara lifting lug dan pad, lifting lug, dan support, pad
dan shell menggunakan las fillet. Saat pengangkatan posisi vertikal las akan
mengalami tegangan sehingga perlu dilakukan perhitungan.
Dimana:
tw = tebal las fillet
tw1 = tebal las lug-pad
tw1' = tebal las lug-support
-
69
tw2 = tebal las pad-shell
Efisiensi las
Tegangan geser pada sambungan lifting lug ke pad dapat dihitung
dengan rumus sebagai berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi
masih aman.
(3.139)
Tegangan geser pada sambungan lifting lug ke support dapat dihitung
dengan rumus sebagai berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi
masih aman.
(3.140)
Tegangan geser pada sambungan pad ke shell dapat dihitung dengan
rumus sebagai berikut. Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih
aman.
(3.141)
3.10.4. Kekuatan lifting lug saat pengangkatan posisi horisontal
Reaksi yang terjadi pada lifting lug saat terjada pengangkatan dalam posisi
horisontal dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.142)
(3.143)
(3.144)
Gambar 3.27. Arah gaya pada lifting lug saat pengangkatan dalam posisi
horisontal.
-
70
Tegangan bending dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut. Jika
kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.
(3.145)
(3.146)
(3.147)
Tegangan geser dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut. Jika
kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.
(3.148)
(3.149)
(3.150)
Tegangan maksimum dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.
*
+ (3.151)
Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.
(3.152)
3.10.5. Kekuatan las lifting lug saat pengangkatan posisi horisontal
Penyambungan antara lifting lug dan pad, lifting lug, dan support, pad dan
shell menggunakan las fillet. Saat pengangkatan posisi horisontal, las akan
mengalami tegangan sehingga perlu dilakukan perhitungan. Momen inersia polar
dari lasan (lifting lug ke lasan pad) dapat dihitung berdasarkan Gambar 3.28.
-
71
Gambar 3.28. Lasan pada lifting lug dan arah gaya pada posisi horizontal
Momen inersia polar dari lasan (lifting lug ke lasan pad) dapat dihitung
berdasarkan dengan persamaan berikut.
Sumbu netral (N-A) dari sumbu X
(3.153)
Sumbu netral (N-A) dari sumbu Y
(3.154)
Momen inersia polar
(3.155)
Maksimum radius dari las r1 dan sudut 1 dihitung dengan persamaan
berikut.
[(
)
(
)
] (3.156)
(3.157)
Maksimum radius dari las r2 dan sudut 2 dapat dihitung dengan persamaan
berikut.
-
72
[(
)
] (3.158)
(
)
(3.159)
a. Kekuatan lasan lifting lug ke pad
Tegangan geser langsung ke lasan dapat dihitung dengan persamaan
berikut.
(3.160)
Dimana = total throat area pada lasan
[ ( )] [ ] (3.161)
Tegangan geser akibat momen bending dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.162)
Tegangan geser maksimum dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.163)
Tegangan yang diijinkan diipilih nilai yang paling kecil diantara pad atau lug.
(3.164)
Jika kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.
b. Kekuatan lasan lifting lug ke support
Tegangan geser langsung ke lasan dapat dihitung dengan persamaan
berikut.
(3.165)
Dimana , maka tegangan geser yang terjadi.
Tegangan geser akibat momen bending dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.166)
Tegangan geser maksimum dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.167)
Tegangan geser yang diijinkan
-
73
(3.168)
Dimana dipilih nilai yang paling kecil diantara support atau lug, Jika
kurang dari maka tegangan yang terjadi masih aman.
Tegangan bending dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.169)
Dimana:
F=gaya reaksi pada las support
(3.170)
Z adalah modulus section dari lasan support
(3.171)
Jika kurang dari untuk support maka desain aman.
c. Kekuatan lasan pad ke shell
Tegangan geser pada lasan pad ke shell dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut.
(3.172)
Dimana:
(3.173)
Jika kurang dari , maka tegangan yang terjadi masih aman.
3.10.6. Perancangan tailing lug.
Saat pengangkatan dengan posisi horisontal maka pengangkatan selain
menggunakan lifting lug juga dengan menggunakan tailing lug. Tailing lug
terletak pada base. Perancangan dilakukan agar tegangan yang terjadi tidak
melebihi tegangan yang diijinkan. Tegangan yang diijinkan pada lifting lug
berdasarkan material yang digunakan.
a = Tegangan yang diijinkan untuk tarik, desak, dan bending
= Dipilih yang terkecil dari 1/3 t atau 2/3 y
-
74
a = Tegangan geser yang diijinkan
Gambar 3.29. Sketsa tailing lug
Sketsa dari tailing lug dapat dilihat pada Gambar 3.29.
Keterangan :
Keterangan satuan panjang dalam mm.
Beban pada tailing lug (Fb) ,
Fb=R2 (3.174)
Tegangan sirkumferensial pada ring (1) dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut.
(3.175)
Jika kurang dari maka desain aman.
L1 = Jarak titik tengah lubang dan base
L3 = Lebar tailing lug
R = Radius atas tailing lug
d = Diameter lubang
t = Ketebalan tailing lug
a = Jarak radius luar dengan radius lubang
f(y) = Faktor tegangan
E = Efisiensi las
a = Tegangan yang diijinkan
-
75
Tegangan geser dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.176)
Jika kurang dari maka desain aman
Bending stress ( 3 ) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.177)
Jika kurang dari maka desain aman.
3.10.7. Kekuatan lasan tailing lug
Penyambungan antara tailing lug dan base menggunakan las fillet. Saat
pengangkatan posisi horisontal, las akan mengalami tegangan sehingga perlu
dilakukan perhitungan.
Bending stress dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.178)
Jika kurang dari maka desain aman.
Tegangan geser dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.179)
Jika kurang dari maka desain aman.
Tegangan kombinasi (S) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.
(3.180)
Tegangan yang diijinkan = E . Sa (3.181)
Jika tegangan kombinasi kurang dari E . Sa maka kekuatan tailing lug aman.
-
76
3.11. Pembebanan Eksentrik pada Nozzle dengan Analisis Tegangan Lokal
(WRC 107)
Bejana tekan terhubung dengan sistem perpipaan sehingga beban eksentrik
pada nozzle akibat sistem perpipaan harus dipertimbangkan.
3.11.1. Sistem perpipaan
Sistem perpipaan dalam operasi menerima beban yang kompleks, yaitu
meliputi beban sustain, beban ekspansi, beban operasi dan beban occasional.
Masing-masing beban yang terjadi pada sistem tersebut diakibatkan oleh
pembebanan akibat dari kondisi operasi sistem perpipaan sendiri maupun dari
lingkungan sekitar. Untuk memperoleh hasil rancangan sistem perpipaan yang
aman tiap komponen beban baik akibat kondisi dari beban internal maupun akibat
beban eksternal harus diperhatikan pada saat melakukan perancangan.
Penggolongan pembebanan pada sistem perpipaan berdasarkan pada jenis beban-
beban yang terjadi secara umum dapat diklasifikasikan secara sederhana meliputi
beban - beban sustain, beban ekspansi, beban operasi, dan beban occasional.
a. Beban sustain
Beban sustain adalah beban yang dialami oleh instalasi pada pipa yang
terjadi secara terus menerus. Beban ini merupakan kombinasi beban yang
diakibatkan oleh tekanan internal dan beban berat (berat fluida dan berat pipa).
Tegangan pada beban sustain = tegangan longitudinal akibat internal pressure +
tegangan akibat gaya berat sistem perpipaan.
b. Beban ekspansi
Tegangan yang terjadi pada beban ekspansi merupakan tegangan normal
maupun tegangan geser yang diakibatkan oleh adanya ekspansi material pipa
akibat perbedaan temperatur pipa dengan temperatur lingkungan sekitar.
c. Beban operasi
Beban operasi adalah beban yang diterima oleh pipa selama operasi
berlangsung, beban yang diterima pipa merupakan kombinasi dari beban sustain
dan beban termal. Beban operasi = beban sustain + beban ekspansi
-
77
d. Beban occasional
Beban occasional adalah beban yang terjadi kadangkadang pada sistem
perpipaan selama operasi normal. Ada beberapa hal yang dapat menyebabkan
timbulnya beban occasional, yaitu akibat gaya angin, gaya dinamik gempa, dan
gaya-gaya lain dalam beban occasional. Tegangan pada beban occasional =
tegangan akibat beban sustain + tegangan akibat gaya occasional.
3.11.2. Pembebanan eksentrik pada nozzle
Separator terhubung dengan perpipaan pada nozzle inlet dan outlet.
Tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan akan berpengaruh terhadap kekuatan
nozzle. Perpipaan yang menempel pada bejana tekan bagian luar dapat
mengakibatkan pertambahan tegangan pada nozzle. Sehingga perlu dilakukan
simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle untuk mengetahui kekuatan nozzle.
Pada saat beroperasi sistem perpipaan akan memberikan gaya dan momen
pada nozzle di kondisi sustained, expansion dan occasional. Pada perancangan
bejana tekan, perlu dianalisa pengaruh beban perpipaan pada nozzle agar tidak
melebihi tegangan yang diijinkan oleh bejana tekan dan nozzle. Jika tegangan
yang terjadi akibat beban eksternal perpipaan telah mencapai limit-nya maka
harus dievaluasi fleksibilitas nozzle dengan cara menambah ketebalan dan
diameter reinforcement pad ataupun ketebalan nozzle. Dalam perancangan ini
akan dianalisa pembebanan eksentrik pada nozzle inlet. Analisa dilakukan dengan
metode analisis tegangan lokal pada nozzle sesuai dengan WRC 107.
3.11.3. Analisis Tegangan Lokal pada Nozzle (WRC 107)
Perumusan secara umum analisis tegangan lokal adalah mencari hubungan
antar tegangan. Pembebebanan diasumsikan berlangsung pada titik pusat nozzle
dan titik pusat shell. Arah pembebanan dan momen dapat dilihat pada gambar.
Hubungan antara tegangan membran internal, tegangan lengkung internal dan
konsentrasi tegangan dapat dirumuskan sebagai berikut.
-
78
(3.182)
Dimana:
i = Tegangan arah i pada permukaan shell (kPa)
Kn = Konsentrasi tegangan tekan atau tarik
Kb = Konsentrasi tegangan lengkung
Mi = Momen bending pada arah i (kg/mm.mm)
Ni = Gaya membran per satuan unit pada arah I (kg/mm)
T = Tebal shell (mm)
Parameter shell () Parameter shell dapat dicari dengan persamaan berikut.
(3.183)
Parameter nozzle (), untuk nozzle yang berbentuk lingkaran, parameter
dapat dicari dengan persamaan berikut.
(3.184)
Dimana:
Rm = Diameter rata-rata shell (mm)
T = Tebal nominal shell (mm)
ro = Radius luar shell (mm)
Berikut adalah gambar 3.30 dan tabel 3.14 tentang perjanjian tanda dari
beban dan momen pada nozzle. Dari beban dan momen dapat ditentukan tegangan
lokal yang terjadi dengan langkah-langkah perhitungan sesuai pada WRC 107 dan
menggunakan grafik WRC 107.
Gambar 3.30. Perjanjian tanda WRC 107
-
79
Tabel 3.14. Perjanjian tanda untuk tegangan akibat beban dan momen pada
spherical shell (WRC 107)
Berikut langkah untuk menentukan tegangan akibat beban dan momen
berdasarkan WRC 107. Grafik mengacu pada grafik pada WRC 107 dan terdapat
pada Lampiran.
-
80
3.11.4. Tegangan akibat beban radial, P
a. Tegangan sirkumferensial
Langkah untuk menentukan tegangan sirkumferensial berdasarkan WRC 107.
1. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan Grafik 3C dan 4C (WRC
107) pada Lampiran 7 dan 8, kemudian ditentukan parameter tidak
berdimensi gaya membran (
).
2. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan pada Grafik 1C dan 2C-1
(WRC 107) pada Lampiran 9 dan 10, kemudian ditentukan parameter tak
berdimensi gaya membran (
).
3. Digunakan nilai dari P, Rm dan T untuk menghitung tegangan membran
sirkumferensial (
) dengan persamaan berikut.
(
) (
) (3.185)
4. Dengan menggunakan nilai dari P dan T, tegangan lengkung
sirkumferensial dihitung dengan persamaan berikut.
(
) (
) (
) (3.186)
5. Tegangan kombinasi antara tegangan membran dan tegangan lengkung
dihitung dengan persamaan berikut.
(3.187)
Dimana:
N = Gaya membran pada dinding shell pada arah sirkumferensial (kg/mm)
P = Gaya radial (N)
Rm = Radius rata-rata shell (mm)
M = Momen lengkung dinding shell arah sirkumferensial (mm. kg/mm)
= Tegangan sirkumferensial akibat pembebanan eksternal (kPa)
b. Tegangan longitudinal ( )
Langkah sama dengan tegangan sirkumferensial, kecuali (
) didapat
dari grafik 3C atau 4C pada Lampiran 7 dan 8. (
) didapat dari grafik 1C-1 atau
-
81
2C pada Lampiran 9 dan 10. Persamaan untuk menghitung tegangan longitudinal
adalah sebagai berikut.
(
) (
) (3.188)
(
) (
) (3.189)
(3.190)
Dimana:
Nx = Gaya membran pada dinding shell pada arah longitudinal (kg/mm)
Mx = Momen lengkung pada dinding shell arah longitudinal (mm.kg/mm)
x = Tegangan longitudinal akibat pembebanan eksternal (kPa)
T = Tebal shell (mm)
3.11.5. Tegangan karena momen sirkumferensial, Mc
a. Tegangan sirkumferensial (
Langkah untuk menentukan tegangan sirkumferensial berdasarkan WRC 107.
adalah sebagai berikut.
1. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan Grafik 3A pada Lampiran
11 kemudian ditentukan parameter tidak berdimensi gaya membran
(
)
2. Berdasarkan nilai dan , dilakukan pembacaan Grafik 1A pada Lampiran
12 kemudian ditentukan parameter tak berdimensi momen lengkung
(
)
3. Digunakan nilai dari Mc, Rm, dan T, untuk menghitung tegangan
membran sirkumferensial dengan persamaan berikut.
(
)(
) (3.191)
4. Digunakan nilai dari Mc, Rm, dan T, untuk menghitung tegangan
lengkung sirkumferensial (
) dihitung persamaan berikut.
(
) (
) (3.192)
-
82
5. Tegangan gabungan antara tegangan membran dan tegangan lengkung
dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3.193)
b. Tegangan longitudinal
Langkah sama pada tegangan sirkumferensial karena momen
sirkumferensial, kecuali (
) didapat dari Grafik 4A pada Lampiran 13.
(
) menggunakan Grafik 2A pada Lampiran 14. Persamaan untuk
menghitung tegangan longitudinal adalah sebagai berikut.
(
)(
) (3.194)
(
) (
) (3.195)
(3.196)
3.11.6. Tegangan karena longitudinal momen, ML
a. Tegangan sirkumferensial ( )
Ikuti langkah pada tegangan sirkumferensial kecuali (
yang
didapat dari Gambar 3B pada Lampiran dan (
) dari Grafik 1B atau 1B-1
pada Lampiran 16 yang dinyatakan dengan persamaan berikut.
(
) (
) (3.197)
(
) (
) (3.198)
b. Tegangan longitudinal ( )
Dengan mengikuti langkah pada tegangan sirkumferensial kecuali
(
) yang didapat dari Grafik 4B pada Lampiran 15 dan (
) dari
-
83
Grafik 2B atau 2B-1 pada Lampiran 17 yang dinyatakan dengan persamaan
berikut.
(
) (
) (3.199)
(
) (
) (3.200)
3.11.7. Tegangan karena momen torsional (
Pada kasus nozzle yang berada pada shell silindris, momen torsional
diasumsikan menyebabkan tegangan geser. Tegangan geser () pada shell di titik
attachement adalah :
(3.201)
Jika hanya tegangan geser yang dipertimbangkan, dapat disimpulkan bahwa
intensitas tegangan adalah 2 kali tegangan geser yang terhitung.
Dim