Bab 8 Pipe Stress Requirements BAB VI PIPE

Bab 8 Pipe Stress Requirements BAB VI PIPE STRESS REQUIREMENTS v Failures Theories v Stress Catagories v Stress limits v Fatigue v B 31. 1 Power Piping Code v B 31. 3 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code v B 31. 7 Nuclear Power Piping Code v B 31. 8 Gas Transmission and Distribution Piping Code v ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 1 Introduction q Untuk menumpu/restrain sistem perpipaan code telah menstandardkan persyaratan-persyaratan yang harus dipenuhi design criteria q ANSI Piping Code dan ASME Boiler and Pressure Vessel Code informasi yang diperlukan dlm design Ø Allowable material stress value Ø Design equation governing stress Ø Temperature effect Ø Other design environtments

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 2 Failures Theories Teori Tegangan Normal Maksimum (TTNM) Teori Tegangan Geser Maksimum (TTGM) Teori Regangan Normal Maksimal (TRNM) Teori Energi Regangan Total (TERT) Teori Energi Distorsi (TED)

Bab 8 Pipe Stress Requirements 1. TEORI TEGANGAN NORMAL MAKSIMUM (TEORI RAKINE) ð Teori kegagalan ini diperkenalkan oleh Rankine : Kegagalan akan terjadi jika tegangan utama maksimum sama atau lebih besar dibandingkan tegangan normal maksimum pada saat terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksial. ð Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. : Catatan : Perlu dicatat bahwa kegagalan yang diprediksi dengan TTNM akan terjadi jika salah satu dari hubungan terpenuhi.

Bab 8 Pipe Stress Requirements Lingkaran Mohr menunjukkan tegangan maksimum

Bab 8 Pipe Stress Requirements Hasil pengujian uniaksial baja

Bab 8 Pipe Stress Requirements Representasi grafis TTNM

Bab 8 Pipe Stress Requirements 2. TEORI TEGANGAN GESER MAKSIMUM (TEORI TRESCA-GUEST) ð Teori kegagalan ini diperkenalkan oleh Tresca (1865) , eksperimental oleh Guest (1900) : Kegagalan diprediksi terjadi tegangan geser maksimum sama atau lebih besar dibandingkan tegangan geser maksimum pada saat terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksial. ð Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. : Catatan : Perlu dicatat bahwa kegagalan yang diprediksi dengan TTGM akan terjadi jika salah satu dari persamaan terpenuhi.

Bab 8 Pipe Stress Requirements Representasi grafis TTGM

Bab 8 Pipe Stress Requirements 3. TEORI REGANGAN NORMAL MAKSIMUM (TEORI ST. VENANT’S) ð Teori kegagalan ini diperkenalkan oleh Beltrami (1885) : Kegagalan diprediksi terjadi pada keadaan tegangan multiaksial jika energi regangan total per satuan volume menjadi sama atau lebih besar dibandingkan energi regangan total per satuan volume pada saat terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksial sederhana yang menggunakan spesimen dengan material yang sama. ð Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. : Catatan : Perlu dicatat bahwa kegagalan yang diprediksi dengan TRNM akan terjadi jika salah satu dari hubungan pada rumus (8. 3) terpenuhi.

Bab 8 Pipe Stress Requirements Representasi grafis TRNM

Bab 8 Pipe Stress Requirements 4. TEORI ENERGI REGANGAN TOTAL (TEORI BELTRAMI) ð Teori kegagalan ini diperkenalkan oleh St. Venant : Kegagalan diprediksi terjadi pada keadaan tegangan multiaksial jika regangan normal utama maksimum sama atau lebih besar dibandingkan regangan normal maksimum pada saat terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksial sederhana yang menggunakan spesimen dengan material yang sama. ð Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. : Catatan : ð Penurunan rumus seperti persamaan (8. 4) dapat diperoleh pada buku referensi [Ref 1] atau buku teori kegagalan atau elemen mesin lainnya.

Bab 8 Pipe Stress Requirements Representasi grafis TERT

Bab 8 Pipe Stress Requirements 5. TEORI ENERGI DISTORSI (TEORI HUBER-VON MISES-HENGKY) ð Teori kegagalan ini diperkenalkan Huber (1904) dan kemudian oleh adanya kontribusi Von Mises dan Hengky : Kegagalan diprediksi terjadi pada keadaan tegangan multiaksial jika energi distorsi per satuan volume sama atau lebih besar dibandingkan energi distorsi per satuan volume pada saat terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan uniaksial sederhana yang menggunakan spesimen dengan material yang sama. ð Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. : Catatan : ð Penurunan rumus seperti persamaan (8. 5) dapat diperoleh pada buku referensi [Ref 1] atau buku teori kegagalan atau elemen mesin lainnya. ð Teori ini juga dinamakan teori tegangan geser oktahedral (octahedral shearing stress) karena sama-sama menghasilkan hubungan seperti pada persamaan (8. 5).

Bab 8 Pipe Stress Requirements Representasi grafis TED

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. PERBANDINGAN TEORI KEGAGALAN DALAM KASUS KEADAAN TEGANGAN BIDANG

Bab 8 Pipe Stress Requirements Perbandingan data kekuatan biaksial dengan TED dan TTGM untuk berbagai jenis material ulet/liat

Bab 8 Pipe Stress Requirements Perbandingan data kekuatan biaksial dengan TTNM untuk berbagai jenis material getas

Bab 8 Pipe Stress Requirements Failures Theory yang diadopsi Code v ANSI B 31 dan ASME section III sub NC dan ND (classes 2 and 3) menggunakan Teori Tegangan Normal Maksimum Alasan Ø mudah diaplikasikan Øacceptable v safe results (suitable SF) ASME section VIII sub NB (class 1) menggunakan Teori Tegangan Geser Maksimum Alasan Ø lebih akurat Ø lebih konservatif Ø jika semua principal stress sama ? ?

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 3 Stress Catagories v Mode kegagalan yang di-cover code ØBursting ØPlastic atau excessive plastic deformation instability ØIncremental Ø v collaps due to cycling in platic range High strain low cycle fatigue Mode kegagalan yang tidak di-cover code ØBuckling ØStress ØBrittle corrosion fracture

Bab 8 Pipe Stress Requirements Catagori Stress 1. Primary Stress Ø Menimbulkan kegagalan deformasi plastis, bursting Ø Disebabkan oleh mechanical loadings Ø Kegagalan baru terjadi jika seluruh cross section mencapai yield strength Ø Not self limiting Ø Pencegahan failure : penghilangan beban strain hardening

Bab 8 Pipe Stress Requirements 2. Secondary Stress Ø Menimbulkan kegagalan plastic instability dan incremental collapse Ø Disebabkan oleh thermal expansion, anchor dan restraint movement Ø self limiting 3. Peak Stress Ø Menimbulkan kegagalan fatigue Ø Tegangan lokal tertinggi yang menimbulkan kegagalan fatigue

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 4 Fatigue v Tegangan bolak-balik dapat menimbulkan kegagalan fatigue v Mekanisme : localized discontinuities menjadi initial crack merambat akibat beban bolak balik v Occur with litle or no warning Gambar beban bolak balik

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Klasifikasi : 1. Low-cycle fatigue ØSetiap siklus terjadi ‘significant plastic strain’ ØHigh loads and small number of cycle before failure ØKegagalan terjadi pada siklus < 105 2. High cycle fatigue Ø strain cycle dalam elastic range Ø beban relatif rendah, high cycle Ø Kegagalan terjadi pada siklus > 106 Dalam struktur perpipaan, kegagalan fatigue umumnya low-cycle fatigue

Bab 8 Pipe Stress Requirements v S-N CURVE beberapa jenis material Ferro alloys Al alloys Non Metal

Bab 8 Pipe Stress Requirements APLIKASI PADA SISTEM PERPIPAAN : v Beban alternating pada sistem perpipaan umumnya besarnya bervariasi selama service life v Formula sederhana [verified by eksperimental] U = usage factor ni = jumlah siklus operasi pada level stress i Ni = Jumlah siklus sampai failure pada level stress i di S-N curve

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 5 Service Levels & Loads v Berdasarkan durasi aplikasi beban, primary load diklasifikasikan menjadi dua jenis : q Sustained load Beban ini selalu ada selama umur operasi plant Ex : berat struktur, berat fluida, tekanan fluida q Occasional load Beban yang terjadi hanya dalam waktu relatif singkat dibandingkan umur operasi plant Ex : high winds, fluid hammer, relief valve discharge, gempa,

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Service level didasarkan pada safety perpipaan dalam menahan beban dibagai menjadi 4 level (ASME code Section VIII) q Level A (normal) Instalasi bekerja dibawah beban normal seperti yang didesign q Level B (Upset) Instalasi bekerja dibawah beban normal dan beban occasional instalasi tidak boleh mengalami kerusakan q Level C (emergency) Pembebanan diasosiasikan dengan “design accident”. Instalasi harus mampu shotdown dengan aman. Tidak ada kerusakan, tetapi perlu inspeksi setelah shutdown. Ex : SSE –safe shutdown earthquake q Level D (faulted) Pembebanan diasosiasikan extreme accidents dan kemungkinan kecil diperihitungkan dlm design.

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 6 B 31 Basic Reference Data & Formula v Material specifications and component standards yang dapat diterima sesuai code v Acceptable dimensional standards for elements comprising piping systems v Requirements for the pressure design component parts and assembly units v Requirements for the evaluation and limitation of stresses, reactions, and movements v Requirements for the fabrication, assembly, and erection of piping system v Requirements for examination, inspection, and testing of piping system

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 6. 1 B 31. 1 Power Piping Code v Stress due to Sustained loadings Ø Pressure, weight(live, dead, and under test loads), other mechanical load P = internal design pressure (gauge), psi(k. Pa) D 0 = outside diameter of pipe, in (mm) tn = nominal wall thickness, in (mm) MA = resultan momen pada penampang, in. lb (mm. N) Z = section modulus, in 3 (mm 3) i = stress intensification factors Sh = Basic material allowable stress pada temp. maksimum, psi (k. Pa)

Bab 8 Pipe Stress Requirements Tabel stress intensification factors

Bab 8 Pipe Stress Requirements Tabel stress intensification factors

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Stress due to Occasional Loadings Ø Sustained loading + cccasional loading (including earthquake) k = 1. 15 jika beban occasional < 10% perioda operasi = 1. 2 jika beban occasional < 1% perioda operasi MB = resultan momen pada penampang akibat beban occasional (jika gempa diperhitungkan : gunakan 0. 5 Mgempa, in. lb (mm. N)

Bab 8 Pipe Stress Requirements Stress due to expansion loadings v Ø Thermal expansion Faktor reduksi f Jml siklus temp f MC = resultan momen pada penampang akibat ekspansi thermal, in. lb (mm. N) < 7000 1. 0 7 000 -14 000 0. 9 SA = allowable stress for thermal ekspansion 22 000 -22 000 0. 8 22 000 -45 000 0. 7 45 000 -100 0. 6 > 100 0. 5 = f(1. 25 Sc + 0. 25 Sh) , psi (k. Pa) Sc = basic allowable stress (cold), psi (k. Pa) f = faktor reduksi akibat beban cyclic (tabel) SL = sustained stress

Bab 8 Pipe Stress Requirements v B 31. 1 - Perhitungan Basic allowable stress SC dan Sh ditentukan dari nilai minimum : Ø 0. 25 ultimate pada temperatur operasi yang didesign Ø 0. 25 ultimate pada temperatur instalasi Ø 0. 625 yield pada temperatur operasi yang didesign Ø 0. 625 yield pada temperatur instalasi

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 6. 2 B 31. 3 Chemical Plants & Petroleum Refinery v v Stress due to Sustained loadings Ø The longitudinal stress SL akibat tekanan, berat, dll tidak boleh melebihi Sh Ø Dalam perhitungan SL tebal pipa tidak termasuk corrosion allowance, erosion, threads, groove depth Stress due to Occasional loadings Ø The longitudinal stress SL akibat sustained loading + occasional loading tidak boleh melebihi 1. 33 Sh Ø Beban angin dan gempa tidak terjadi bersamaan

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Stress due to thermal expansion loading Bending stress: ii io Mi Mo = in-plane stress intensification factor =out-plane stress intensification factor = in-plane bending moment = outplane bending moment Torsional stress: Mt = torsional moment, in. lb (mm. N) Z = section modulus, in 3 (mm 3)

Bab 8 Pipe Stress Requirements v B 31. 3 - Perhitungan Basic allowable stress SC dan Sh ditentukan dari nilai minimum : Ø (1/3) ultimate pada temperatur kamar Ø (1/3) ultimate pada temperatur operasi yang di design Ø (2/3) yield pada temperatur kamar Ø (2/3) yield pada temperatur operasi yang di design (khusus austenitic SS & Nickel alloys 0. 9 yield Ø 100% average stress for 0. 01% creep rate per 1000 jam Ø 67% average stress for rupture at the end of 100 000 jam Ø 80% minimum stress rupture at the end of 100 000 jam

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 6. 3 B 31. 8 Gas Transmission and Distribution v Stress due to Primary loadings Ø The total longitudinal stress SL akibat primary loading (tekanan, berat, wind dll) dibatasi sbb: S = specified minimum yield strength F = construction factor T = temperatur derating factor Construction type Design factor F A : sparsely populated area - mountains, dessert, dll. 0. 72 B : fringe area - pinggir kota, pedesaan dll. 0. 60 C : dalam kota dengan bangunan < 3 lantai 0. 50 D : dalam kota dengan bangunan tinggi 0. 40

Bab 8 Pipe Stress Requirements T = Temperatur derating factor Temperatur 2500 F (1210 C) atau kurang 3000 F (1490 C) 3500 F (1770 C) 4000 F (2040 C) 4500 F (2320 C) T 1. 000 0. 967 0. 933 0. 900 0. 867

Bab 8 Pipe Stress Requirements Stress due to thermal expansion loading v Bending stress: S = Minimum yield strength = resultant bending moment MB Z = section modulus i v Torsional stress: Mt = torsional moment = stress intensification factor Stress due to primary + expansion loading < S

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 6. 4 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII, subsection ND v Primary Stress Intensity Check B 1, B 2 = primary stress index P = design gauge pressure, psi (k. Pa) D 0 = outside diameter, in (mm) t = nominal wall thickness, in (mm) I = momen inersia penampang, in 4 (mm 4) Mi = resultan momen pada penampang, in. lb (mm. N) k = 1. 5 untuk level A, 1. 8 untuk level B, 2. 25 for level C Sm = allowable stress intensity value, psi (k. Pa)

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Primary plus Secondary Stress Intensity Range v Mengevaluasi stress pada sistem dari satu load set ke load set yang lain C 1 , C 2 , C 3 = secondary stress index for component under investigation Mi = resultan momen yang terjadi akibat perubahan load set, in. lb (mm. N) P 0 = range of service pressure, psi (k. Pa) Ta, Tb = Range of average temperature on side a or b a, b = coefficient of thermal expansion on side a or b, in/(in. 0 F); mm/(mm. 0 C) Eab = average modulus elasticity (pada temp kamar)

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Peak Stress Intensity range and fatigue analysis

Bab 8 Pipe Stress Requirements Peak stress dihitung dengan persamaan K 1, K 2, K 3 = local stress index for component under investigation = Poisson’s ratio

Bab 8 Pipe Stress Requirements Untuk setiap Sp alternating stress intensity dihitung dengan m, n – material parameters Material m n Low alloy steel 2. 0 0. 2 Martensitic stainless steel 2. 0 0. 2 Carbon steel 3. 0 0. 3 Austenitic stainless steel 1. 7 0. 3 Nickel chrome iron 1. 7 0. 3

Bab 8 Pipe Stress Requirements Cummulative effect of stress cycles 1. Jumlah siklus pembebanan untuk setiap tipe diberi simbul n 1, n 2, …dst 2. Untuk setiap siklus tegangan hitung Salt 3. Aplikasikan Salt pada S-N curve untuk mendapatkan umur siklus dengan tegangan Salt (Code Appendix) 4. Hitung usage factor untuk setiap stress cycle 5. Cumulative usage factor : U = U 1 + U 2 + ……

Bab 8 Pipe Stress Requirements 6. 6. 5 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section III, subsection NC dan ND v Stresses due Sustained Loading Longitudinal pressure B 1, B 2 = primary stress index P = design gauge pressure, psi (k. Pa) D 0 = outside diameter, in (mm) tn = nominal wall thickness, in (mm) I = momen inersia penampang, in 4 (mm 4) MA = resultan momen pada penampang, in. lb (mm. N) Z = section modulus Sh = basic material allowable stress, psi (k. Pa)

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Stress due to Occasional Loadings Ø Sustained loading + occasional loading (including earthquake) Pmax = peak gauge pressure, psi (k. Pa) MB = resultan momen pada penampang akibat beban sustained MB = resultan momen pada penampang akibat beban occasional

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Stress due to thermal expansion atau MC = resultan momen akibat thermal expansion SA = Allowable stress for thermal expansion = f(1. 25 SC+0. 25 Sh) SC = basic alloable stress (temp kamar) f = stress reduction factor karena beban cyclic (tabel)

Bab 8 Pipe Stress Requirements v Stress due to unrepated anchor movement MD = resultan momen akibat anchor movement Catatan : Basic allowable stress adalah nilai terendah dari : Ø 0. 25 ultimate pada temperatur operasi Ø 0. 25 ultimate pada temperatur instalasi Ø 0. 625 yield pada temperatur operasi Ø 0. 625 yield pada temperatur instalasi

Bab 8 Pipe Stress Requirements Perbandingan allowable stress (ksi)

Bab 8 Pipe Stress Requirements END OF CHAPTER VI