Abstract - A vegetable oil production company located in Gresik, East Java is currently constructing a new plant, namely the New Amine Production Facility. In the production process of this amine compound, there is a Vent Recovery Unit where there is a Vent Knock Out Drum vessel with inlet and outlet pipelines. The pipelines in this flare system has 3 line numbers with a design pressure of 65.27 psi and a design temperature of 482°F, therefore this is a new design and the load received by the pipe is very large, so manual calculations, designs and simulations are required by computer. Stress analysis focuses on static stress analysis, allowable pipe span of the pipe which includes stress due to sustained load, and nozzle load. From the above problems analyzed by comparing manual calculation with running results on CAESAR II software so that the stress value can be determined according to the limits of ASME B31.3. The results of manual calculations show the sustained loads and CAESAR II software show the sustained loads and nozzle loads on the piping system is below the allowable limit value. So, from the results of the analyzed calculations or CAESAR II software states that the piping system is safe when operating

Ahmad, Mahasin Maulana

Mediana, Lisa Chandra

Setiawan, Priyo Agus

English

Kumpulan Jurnal dan Prosiding Elektronik PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya - Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, P3M)

The 7th Proceeding of National Conference on Piping Engineering and Its Application  ISSN No. 2656-0933  Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya 7  Analysis of Sustained Load and Nozzle Load Stresses on the Inlet and Outlet Pipe Vent Knock Out Drum   Lisa Chandra Mediana1*, Priyo Agus Setiawan2, Mahasin Maulana Ahmad3  Program Studi D4 Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia1*,2 Program Studi D4 Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia3 Email: lisamediana@student.ppns.ac.id1*; priyoas.ppns.ac.id 2*; mahasinmaulanagmail.com 3*  Abstract - A vegetable oil production company located in Gresik, East Java is currently constructing a new plant, namely the New Amine Production Facility. In the production process of this amine compound, there is a Vent Recovery Unit where there is a Vent Knock Out Drum vessel with inlet and outlet pipelines. The pipelines in this flare system has 3 line numbers with a design pressure of 65.27 psi and a design temperature of 482°F, therefore this is a new design and the load received by the pipe is very large, so manual calculations, designs and simulations are required by computer. Stress analysis focuses on static stress analysis, allowable pipe span of the pipe which includes stress due to sustained load, and nozzle load. From the above problems analyzed by comparing manual calculation with running results on CAESAR II software so that the stress value can be determined according to the limits of ASME B31.3. The results of manual calculations show the sustained loads and CAESAR II software show the sustained loads and nozzle loads on the piping system is below the allowable limit value. So, from the results of the analyzed calculations or CAESAR II software states that the piping system is safe when operating.  Keywords: allowable pipe span, ASME B31.3, nozzle load, sustained load  Nomenclature 𝒕𝒎 minimum wall thickness (in) 𝑷 design pressure (psi) 𝑶𝑫 outside diameter (in) 𝑰𝑫 inside diameter (in) 𝑬 quality factor 𝒀 coeficient 𝑾 weld joint strength reduction factor 𝒄 corrosion allowance (in) 𝝆𝒇 fluid density (lb/in3) 𝝆𝒑 pipe density (lb/in3) 𝒁 section modulus (in3) 𝑺𝒉 allowable stress (psi) 𝑰 moment inertia (in4) 𝑬 modulus of elasticity (psi) ∆ allowable deflection (in) 𝒘𝒑 berat pipa (lb/ft) 𝒘𝒇 berat fluida (lb/ft) 𝒘 berat total (lb/ft)  1. PENDAHULUAN  Perusahaan produksi minyak nabati yang berlokasi di Gresik, Jawa Timur sedang melakukan pembangunan plant baru yaitu New Amine Production Facility yang di produksi untuk bahan baku kimia yaitu amine. New Amine Production Facility ini dirancang untuk menghasilkan senyawa amine sebanyak 20000 metric ton per year. New Amine Production Facility akan dioperasikan dalam 24 jam sehari dan 7 hari seminggu secara kontinyu secara terus menerus tanpa berhenti. Pada plant ini terdapat banyak unit yang akan mengolah dan memproduksi senyawa amine yaitu unit utility, unit DMA (Dimethyl Amine), unit reactor, unit filtration, unit amine distillation, unit DMA (Dimethyl Amine) recovery, dan unit vent recovery. Pada unit vent recovery merupakan unit penting dimana unit tersebut berfungsi untuk pengolahan sisa hasil produksi senyawa amine.  Dalam proses produksi senyawa amine ini terdapat berbagai macam reaksi kimia dan juga berbagai macam gas berbahaya yang harus dimusnahkan sehingga tidak membahayakan lingkungan. Untuk memusnahkan gas berbahaya ini cara membakarnya adalah melalui flare.  Dimana pada unit tersebut terdapat equipment vessel Vent Knock Out Drum serta jalur pipa inlet dan outlet. Dalam tahap perancangan sistem perpipaan ini perlu dilakukan perhitungan yang kompleks untuk menjaga dan menjamin agar sistem perpipaan aman pada saat beroperasi. Salah satu perhitungan engineering yang vital dan menentukan keberhasilan suatu sistem perpipaan adalah perhitungan peletakan support dan analisa tegangan pipa (pipe stress analysis). Pipe stress analysis adalah suatu metode terpenting untuk meyakinkan dan menetapkan secara numerik bahwa sistem perpipaan dalam engineering adalah aman. Dalam analisa bahwa beban terjadi karena adanya pengaruh perlakuan beban statik dan perlakuan beban dinamik. Pemasangan support (penyangga) adalah hal yang paling penting agar pengaruh pembebanan (statik dan dinamik) selama operasi system perpipaan tidak mengalami kegagalan atau kerusakan [2]. Berdasarkan ASME 31.3, lingkup kerja yang dikembangkan pada code ini meliputi petroleum refineries plant, chemical plant, pharmaceutical, The 7th Proceeding of National Conference on Piping Engineering and Its Application  ISSN No. 2656-0933  Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya 8  textile, paper, semiconductor, and cryogenic plants, atau berkenaan dengan pabrik pengolahan lainnya [1]. Line pipe dari header vent menuju vent knock out drum kemudian dari vent knock out drum menuju flare stack merupakan proses utama pada proyek  sehingga desain line perancangan harus diperhitungkan. Analisa nozzle pada system ini menggunakan analisa nozzle load. Pada analisa nozzle ini juga bergantung pada perancangan line Vent Knock Out Drum menggunakan bantuan software CAESAR II 2019.  2. METODOLOGI 2.1 Prosedur Penelitian Proses pengerjaan Tugas Akhir dimulai dengan mengidentifikasi topik dan merumuskan masalah dari topik yang dipilih, dilanjutkan dengan penentuan dari pembuatan Tugas Akhir. Pengumpulan referensi dan data yang dikaji dalam proses pembuatan Tugas Akhir didapatkan dari data perusahaan dan studi literatur.  Setelah mendapatkan data untuk Pengerjaan Tugas Akhir dilanjutkan dengan pengolahan data dengan tahapan berikut: 1. Perhitungan allowable span optimal berdasarkan limitation allowable deflection dan limitation of stress dan penentuan jenis support yang digunakan. 2. Perhitungan tegangan sustained load. 3. Perhitungan besar gaya dan momen nozzle akibat operation load dan sustain load yang terjadi pada critical line.  2.2 Formula Matematika 2.2.1 Allowable Span L = √0.4𝑍𝑆ℎ𝑤    Limitation of stress   (1) L = √∆𝐸𝐼13.5 𝑤 Limitation of deflection        (2) Keterangan: L = allowable pipe span (in) Z = section modulus (in3) Sh = allowable tensile stress pada temperatur tinggi (lb/in2) W = berat total pipa (lb/in) E = Modulus Elastisitas (lb/in2)  2.3 Jumlah Pipe Support Jumlah support = 𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑝𝑖𝑝𝑎𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑠𝑝𝑎𝑛     (3)  2.4 Sustained Load Sustained load adalah beban akibat berat pipa,beart fluida, tekanan dlam pipa,tekanan luar,pengaruh angin dan gempa serta beban dari salju yang menimpa pipa.Sustained load merupakan tegangan primer yang menyebabkan kegagalan katastrofis.Tegangan Longitudinal merupakan jumlah dari Tegangan Aksial (Axial stress), Tegangan Tekuk (Bending stress) dan Tegangan Tekanan (Pressure Stress). Mengenai ketiga tegangan ini dapat diuraikan berikut ini.    𝜎𝛼𝑥 =  𝑃𝑥𝐴𝑖𝐴𝑚            (4)    𝜎𝑏 =𝑀𝐶𝐼             (5)   𝜎𝑙𝑝 =  𝑃𝐴𝑖𝐴𝑚=𝑃𝑑𝑖²𝑑𝑜²−𝑑𝑖²=𝑃𝑑𝑖²4𝑡𝑑𝑚=𝑃𝑑𝑜4𝑡         (6)    Keterangan :  P  = Gaya tekan internal   (lb/in2) I  = Momen inersia penampang      (in4) M = Momen bending    (in-lb) C  = Jarak dari netral axis        (in) Ai  = Luas permukaan dalam pipa      (in2) Am = Luas rata-rata permukaan pipa         (in2) t  = Tebal pipa         (in)  2.5 Modelling Caesar II Caesar II merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk analisa tegangan pipa yang tersedia sekarang dan pada umumnya menggunakan metode kekakuan [9].  2.6 Evaluasi beban nozzle Beban sebenarnya (aktual) yang terjadi pada nozzle berdasarkan hasil analisa suatu sistem perpipaan dapat dikatakan aman apabila beban tersebut dapat diterima atau berada pada zona ambang batas beban yang diperkenankan yang telah ditetapkan oleh standar API 610 untuk pompa dan WRC 297 untuk bejana (vessel) [8]. Batasan beban (gaya dan momen) yang terjadi pada nozzle equipment akibat beban operating dan sustain load sistem perpipaan [9].  2.7 Kode dan standart Perpipaan Kegiatan perekayasaan untuk memperoleh perilaku sistem pipa ini dikenal sebagai analisis tegangan pipa atau dahulu disebut juga analisis fleksibilitas [4]. Kode dan standart perpipaan adalah satu set persyaratan minimum yang harus digunakan pada setiap sistem perpipaan yang dibangun agar aman. Standart mencantumkan spesifikasi material yang diizinkan, rancang fabrikasi yang diterima, serta persyaratan dan prosedur inspeksi [5]. Pada saat ini ada beberapa bbuah kode standart dari komite B31 ini yang sering di pakai sebagai acuan di Indonesia sesuai kebutuhan bidang industri,yaitu:  ASME/ANSI B31.1 untuk sistem perpipaan di industry pembangkit listrik;  ASME/ANSI B31.3 untuk sistem perpipaan di industry proses dan petrokimia;  ASME/ANSI B31.4 untuk pipa transport minyak dan zat cair lainnya;  ASME/ANSI B31.5 untuk sistem perpipaan pendingin; The 7th Proceeding of National Conference on Piping Engineering and Its Application  ISSN No. 2656-0933  Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya 9   ASME/ANSI B31.8 untuk pipa transport gas.  3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Jarak Antar Penyangga (Support)  Dengan mengasumsikan sebagai simply supported beam maka persamaan yang digunakan berdasarkan batasan tegangan atau batasan defleksi. Dalam pengerjaan ini digunakan persamaan (1) dan (2) Dalam pengerjaan perhitungan Allowable pipe span adalah sebagai berikut.  Berat Pipa = 14𝑥𝜋𝑥(𝑑𝑜2𝑑𝑖2)𝑥𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 𝑝𝑖𝑝𝑎𝑥12 = 14𝑥𝜋𝑥(12.752 − 12.392)𝑥0.283     = 24.2 lb/ft  Berat Fluida   = 14𝑥𝜋𝑥(𝑑𝑖2)𝑥𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 x 12  = 14𝑥𝜋𝑥(12.39²)𝑥3.12 x 12  = 52.2 lb/ft  Berat Total   = Berat Pipa + Berat Fluida  = 24.2 + 52.2    = 76.4 lb/ft  Based on limitation of stress = √0.4𝑥𝑍𝑥𝑆ℎ𝑊                       = √0.4𝑥22𝑥1916276,4      = 46.9802 ft      = 14.319 m  ( Based on limitation of   = √∆𝐸𝐼13.5 𝑊4                                 allowable deflection)   = √0.625𝑥27300000𝑥14113.5𝑥 76,44           =  39.0804 ft      = 11.911 m  Pada perhitungan maksimum allowable pipe span line number maka memiliki maksimum allowable pipe span 14.319 m. Untuk allowable span pada line number agar mencapai parameter keamanan pemasangan pipe support tidak diletakkan pada jarak maksimum allowable pipe span. Hal ini tentu sebagai safety factor untuk pertimbangan agar tidak terjadi over stress walaupun sudak masuk dalam jarak allowable nya. Dalam hal ini untuk pemasangan pipe support untuk masing-masing line number dengan ukuran pipa 12”, 16” dan 2” menggunakan jarak kurang dari jarak maksimum allowable pipe span.  3.2 Perhitungang Jumlah Support Jumlah support = 𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑝𝑖𝑝𝑎𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑠𝑝𝑎𝑛       = 15.139.1     = 2 support  3.3 Beban Sustain (Sustained Load) Dari hasil perhitungan desain saddle dapat dilihat pada tabel 1 berikut. Table 1: Tabel perhitungan manual tegangan bending  Tabel 2: perhitungan manual dan software sustained load   3.4 Evaluasi Beban Nozzle menggunakan Software CAESAR II Pemodelan beban nozzle pada sistem perpipaan di Perusahaan pengolahan minyak yang lokasinya terdapat di Kalimantan adalah line number 300-V-9712-R1A-00NA dengan diameter nozzle adalah 12 inch menggunakan bantuan software CAESAR II. Beban yang terjadi diakibatkan oleh beban operation dan beban sustained yang ditunjukkan pada gambar 1 berikut.             Gambar 1. Pemodelan Nozzle pada Software CAESAR II  Tabel 3: perbandingan antara nilai batasan dan nilai beban nozzle Beban Nozzle Nilai Fa Fb Fc Ma Mb Mc FY FZ FX MY MZ MX lb lb lb lb.ft lb.ft lb.ft Sustain -1051 1 55 -378 40,4 -225,5 Limits 4316 4316 3237 11328,9 16993,4 14729 Result PASS PASS PASS PASS PASS PASS Dari hasil running software berdasarkan table 2 tersebut didapatkan nilai resultan gaya saat kondisi operation dan sustained pada N1 (inlet Vessel) dengan membandingkan kedua nilai resultan gaya allowable nozzle load pada saat sustained dan allowable nozzle load. Dapat dilihat pada table 3.  Node Allowable Stress (psi)203040506019162Segmen Bending Stress (psi)2 29,7453 400,145 191624 247,898 191625 911,849 191626 5150,133 19162Manual Software Manual Software Manual Software20 1107,10 1002,60 29,74478 10,00 2292,67 2168,42 5,73 Accept30 1107,10 1271,20 400,1451 320,40 2663,07 2747,42 3,07 Accept40 1107,10 1307,20 247,8984 198,50 2510,83 2661,52 5,66 Accept50 1107,10 1327,90 911,8489 905,90 3174,78 3389,62 6,34 Accept60 1107,10 1877,90 5150,133 4099,40 7413,06 7133,12 3,92 AcceptError (%) Allowable Stress AcceptanceNodeAxial Stress (psi) Bending Stress (psi) Sustain Load (psi)1916219162191621916219162The 7th Proceeding of National Conference on Piping Engineering and Its Application  ISSN No. 2656-0933  Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya 10  3.5 Pemodelan Software CAESAR II  Pemodelan software Caesar II pada sistem perpipaan dapat dilihat pada Gambar 2 sampai dengan gambar 4.             Gambar 2. Detail 1 Pemodelan CAESAR               Gambar 3. Detail 2 Pemodelan CAESAR             Gambar 4. Detail 3 Pemodelan CAESAR  4. KESIMPULAN   Berdasarkan hasil analisa yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan antara lain sebagai berikut : 1.  Dari perhitungan didapatkan hasil batas maksimal span yang diperbolehkan dipilih dari hasil terkecil antara Based on limitation of stress 14.319 m dan Based on limitation of allowable deflection 11.911 m, Jadi jarak span yang diijinkan maksimal 11.911 m. Sehingga jumlah support yang dibutuhkan yaitu 2 support.  2.   Nilai pada perhitungan manual terjadi pada segmen 5 node 60 pada jalur pipa inlet dengan nilai sebesar 7413,06 psi dan nilai tegangan tertinggi dari hasil running software CAESAR II terjadi pada segmen 5 node 60 pada jalur pipa inlet dengan nilai sebesar 7133,12 psi. Sedangkan allowable stress untuk sustained load sebesar 19162 psi. Sehingga beban masih di bawah allowable stress yang diijinkan. 3.  Nilai beban gaya dan momen nozzle tertinggi yang terjadi pada nozzle pada jalur pipa gas inlet dengan resultan gaya pada sumbu Fx, Fy, dan Fz sebesar 55 lb, -1051 lb, dan 1 lb dengan allowable nozzle load sebesar 3237 lb, 4316 lb, dan 4316 lb. Sedangkan resultan momen pada sumbu Mx, My, dan Mz sebesar -225,5 lb, -378 lb, dan 40,4 lb dengan allowable nozzle load sebesar 14729 lb, 11328,9 lb, dan 16993,4 lb. Dari nilai resultan gaya dan momen tersebut keduanya masih kurang dari batasan gaya dan momen yang dizinkan sehingga nozzle tersebut aman saat beroperasi. 5. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyadari penyusunan jurnal ini tidak terlepas dari bimbingan dan motivasi dari berbagai pihak, penulis menyampaikan terimakasih sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Eko Julianto, M.Sc., FRINA., selaku Direktur Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. 2. Bapak George Endri Kusuma, S.T., M.Sc.Eng., selaku Ketua Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. 3. Bapak Raden Dimas Endro W., S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Perpipaan, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. 4. Ibu Ika Erawati, S.S, M.Pd selaku Koordinator Tugas Akhir Program Studi Teknik Perpipaan, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. 5. Bapak Dr. Priyo Agus Setiawan, S.T., M.T., sebagai dosen pembimbing I yang telah memberikan banyak bimbingan dan pengarahan selama pengerjaan Tugas Akhir. 6. Bapak Mahasin Maulana Ahmad, S.T., M.T., sebagai dosen pembimbing II yang telah memberikan banyak bimbingan pengarahan selama pengerjaan Tugas Akhir. 7. Kedua orang tua yang telah memberi banyak motivasi dan juga nasehat selama menempuh perkuliahan ini. 8. Teman - teman seperjuangan Teknik Perpipaan angkatan 2018 yang telah memberikan banyak warna kehidupan, kebersamaan, dan canda tawa kepada penulis selama kuliah di PPNS.   6. DAFTAR PUSTAKA [1] ASME B31.3-2016. Process Piping. ASME Code  for Pressure Piping B31. The American Society of Mechanical Engineering. U.S.A. [2] Chamsudi, Achmad. (2005). Piping Stress Analysis. Badan Tenaga Nuklir Nasional PUSPITEK, Serpong. [3] Guyen, M R, Heroe Poernomo, dan Pekik Mahardhika (2018). Analisa Tegangan New The 7th Proceeding of National Conference on Piping Engineering and Its Application  ISSN No. 2656-0933  Program Studi D4 Teknik Perpipaan – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya 11  Critical Line Pipe dari Discharge Compressor Scrubber Train menuju Tie In Point Existing MP Gas Scrubber Pipe pada sistem CO2 Removal Di Fasilitas Produksi Cilamaya Utara. In: PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya), 2nd Conference On Piping Engineering and Its Application (CPEAA) 2018. Surabaya, Indonesia 23 September 2018. Indonesia: Surabaya. [4] Hasan. M. Pekik Mahardhika dan Emie Santoso.. 2017. Desain Expansion Loop  Pada Line 116sv203-150-16h20 Faty Acid Destilation Pt.Wilmar Nabati Indonesia. In: PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya). 2nd Conference On Piping. [5]   Farhani. Habibah, Heroe Poernomo dan Pekik Mahardhika (2019). Desain Penambah Jalur Perpipaan Tie-in Point Akibar Penambahan Deliquidizer. In: PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya), 3rd Conference On Piping Engineering and Its Application (CPEAA) 2019. Surabaya, Indonesia 23 September 2019. Indonesia: Surabaya. [6] Kannappan, Sam. (1986). Introduction to Pipe Stress Analysis. John Wiley & Sons, Inc., U.S.A. [7] Jamaludin,Achmad, Jurnal 2016, Analisis Tegangan Sistem perpipaan pada sisi Tekan Pompa P-003E Menggunakan CAESAR II dan Perhitungan Manual. [8] Nayyar,M.L.(2000). PIPING HANDBOOK. U.S.A; Mc Graw Hill Inc. [9] TIJARA PRATAMA. (2004). ANALISA DASAR PELATIHAN TEGANGAN PIPA. Jakarta : TIJARA PRATAMA Inc.    

Analysis of Sustained Load and Nozzle Load Stresses on the Inlet and  Outlet Pipe Vent Knock Out Drum

http://journal.ppns.ac.id/index.php/CPEAA/article/download/1494/1041

Analysis of Sustained Load and Nozzle Load Stresses on the Inlet and Outlet Pipe Vent Knock Out Drum

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Kumpulan Jurnal dan Prosiding Elektronik PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya - Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, P3M)