Pipe Stress Analysit
Kenapa Harus di lakukan Stress Analysis?
Seperti diketahui bersama bahwa tujuan dilakukannya perhitungan Stress Analysis dari piping system, secara singkat adalah untuk menjamin (to ensure) bahwa piping system tersebut dapat beroperasi dengan aman tanpa mengalami kecelakaan.
Dalam “kehidupannya”, piping yang didalamnya mengalir fluida, baik panas, dingin atau angat-angat kuku, akan mengalami pemuaian (expansion) atau pengkerutan (contraction) yang berakibat timbulnya gaya yang bereaksi pada ujung koneksi (connection), akibat dari temperature, berat pipa dan fluida itu sendiri serta tentu saja tekanan didalam pipa.
Dengan demikian, sebuah piping system haruslah didisain se-flexible mungkin demi menghindari pergerakan pipa (movement) akibat thermal expansion atau thermal contraction yang bisa menyebabkan:
Kegagalan pada piping material karena terjadinya tegangan yang berlebihan atau overstress maupun fatigue.
Terjadinya tegangan yang erlebihan pada pipe support atau titik tumpuan.
Terjadinya kebocoran pada sambungan flanges maupun di Valves.
Terjadi kerusakan material di Nozzle Equipment (Pump, Tank, Pressure Vessel, Heat Exchanger etc) akibat gaya dan moment yang berlebihan akibat expansion atau contraction pipa tadi.
Resonansi akibat terjadi Vibration.
Loadings
Kita mengerti bahwa pipa menerima beban baik akibat berat pipa itu sendiri, berat fluida didalamnya, akibat tekanan dalam (internal pressure), temperature fluida, angin maupun gempa bumi atau earthquake.
Setiap beban yang diterima pipa akan ditahan oleh pipa tersebut sesuai dengan kemampuan dia menahannya, yang tentu saja tergantung dari material pipa yang kita gunakan.
Beban diatas dibagi dalam dua kelompok, yaitu:
- Sustained Load: yaitu beban akibat berat pipa, berat fluida, tekanan dalam pipa, tekanan luar, pengaruh angin dan
gempa, serta beban dari salju yang menimpa pipa. Satu hal yang penting disini adalah jika pipa terkena beban demikian, maka bisa mengakibatkan pipa menjadi pecah dan collaps, jika tidak dilakukan upaya pencegahan. - Thermal Load:beban ini adalah beban yang ditimbulkan akibat ditahannya expansion atau contraction suatu pipa yang mengalami pemuian ataupun pengkerutan akibat temperatur dari fluida yang mengalir didalamnya. Penahanan (restriction) yang diberikan dapat berupa Anchors, atau tersambung ke equipment. Satu hal yang perlu juga diperhatikan adalah bahwa thermal load ini adalah sifatnya siklus, artinya jika anchor nya dilepas atau fluidanya di hentikan mengalir di pipa tersebut, maka hilang pula load yang ditimbulkanya.
Stress Categories:
Primary Stress
Primary Stress adalah, sesuai namanya, Stress yang paling berbahaya yang diakibatkan oleh Sustained Load. Kenapa disebut berbahaya, karena jika timbul stress ini, maka efeknya catasthropic, yaitu rusaknya atau pecahnya pipa karena tidak mampu menahan berat atau beban yang ditimpakan kepadanya.
Primary Stress adalah direct stress, shear atau bending stresses yang dihasilkan oleh beban yang menimpa piping. Beban tersebut bisa datang dari pengaruh beban luar pipa seperti longitudinal dan circumferential stresses due to internal pressure dan bending dan torsional stresses karena berat pipa itu sendiri, snow, ice, wind atau earthquake. Sebagai tambahan akan ada bending dan torsional stress akibat dipasang Anchor atau jenis support lainnya yang juga menimpa pipa. Sehingga pipa diharapkan mampu menahan beban-beban tersebut dengan aman tanpa harus mengalami pecah atau gagal.
Tapi, jika ini terjadi ketika dilakukan perhitungan stress analysis dengan menggunakan program komputer, maka pemecahannya gampang sekali, yaitu dengan menempatkan tumpuan atau pipe support yang tepat pada lokasi yang overstress tadi, atau disekitarnya.
Secondary Stress
Secondary stress adalah stress yang diakibatkan oleh thermal loads. Yaitu akibat temperatur fluida yang mengalir yang menyebabkan pipa akan mengalami pemuaian atau pengkerutan (expansion or contraction).
Pipa akan menerima apa yang disebut bending nature yang bekerja pada penampang pipa (accross wall thickness) dan bervariasi dari negative ke positive dan timbul karena terjadinya beda defleksi secara radial dari pipe wall.
Secondary Stress bukanlah sebagai penyebab terjadinya kegagalan material secara langsung akibat beban tunggal. JIka pun terjadi stress yang melewati Yield Strenght, maka efek nya hanyalah terjadinya “local deformation” yang berkibat berkurangnya stress pada kondisi operasi.
Hanya sja jika hal ini berlangsung berulang-ulang, cyclic, maka akan timbullah apa yang disebut “local strain range” yang berpotensi menjadi penyebab timbunya Fatigue Failure.
Allowable Stress
Untuk Primary Stress menggunakan Code Allowable STress pada Operating Temperature…(ASME B31.3 302.3.5 (c)
Karena Failure pada Secondary Stress adalah akibat terjadi gaya berulang pada pipa maka Allowable STress nya pun haruslah mempertimbangkan faktor siklus (cycles) yang diantisipasi akan terjadi sepanjang hidup pipa tersebut.
Kegagalan biasanya terjadi pada bagian yang mendapatkan regangan terbesar (highest cyclic strain).
Allowable Stress untuk Thermal Expansion Stress adalah:
SA = 1.25 Sc + 0.25 Sh
Sc = Allowable Stress pada temperature ambient
Sh = Allowable Stress pada temperature operasi
Allowable Stress ini akan menjadikan system piping akan aman beroperasi dalam siklus 7000 kali tanpa failure.
Jika siklus yang terjadi diharapkan lebih dari 7000 kali dalam umurnya pipa, maka Allowable Stress-nya akan berkurang dengan menambahkan faktor pada formula diatas.
SA = f(1.25 Sc + 0.25 Sh)….ASME B31.3 302.3.5 (1a)
Sc = Allowable Stress pada temperature ambient
Sh = Allowable Stress pada temperature operasi
f= Stress Range Factor, dari figure 302.3.5 ASME B31.3
