07 Pipe Stress Requirement.pdf

MS 454 Rekayasa Perpipaan y pp

PIPE STRESS REQUIREMENT

sumber:: Pelatihan LAPI 2001 sumber

1 Introduction 1. ‰

Untuk menumpu/restrain  menumpu/restrain sistem sistem perpipaan code telah code telah persyaratan‐ persyaratan y ‐p persyaratan y yang harus yyang  g harus menstandardkan p dipenuhi Æ design criteria

‰

ANSI Piping Code dan ANSI Piping Code dan ASME Boiler and Pressure Vessel  Code Æ Code  Æ informasi yang  yang diperlukan diperlukan dlm design ¾

Allowable material stress value

¾

Design equation governing stress

¾

Temperature effect T t   ff t

¾

Other design environtments Other design environtments 3

2. 2 Failures Theories cTeori Tegangan Normal Maksimum (TTNM) dTeori Tegangan Geser Maksimum (TTGM) eTeori Regangan Normal Maksimal (TRNM) fTeori Energi g Regangan g g Total (TERT) gTeori Energi Distorsi (TED)

4

1. TEORI TEGANGAN NORMAL MAKSIMUM (TEORI RAKINE) Ö

Teori kegagalan g g ini diperkenalkan p 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.

Ö

A dalam Atau d l bentuk b k matematik ik dapat d dituliskan di li k sbb. bb :

σ1 ≥ σ f σ2 ≥ σf σ3 ≥ σf σ1 ≤ σ c σ2 ≤ σc σ3 ≤ σc

di mana : σ1, σ 2 , σ 3 = tegangan - tegangan utama ( principal stresses) σ = kekuatan tarik uniaksial (uniaxial strength in tension) f σ c = kekuatan tekan uniaksial (uniaxial strength g in compressio p n) Catatan : Perlu dicatat bahwa kegagalan yang diprediksi dengan TTNM akan terjadi jika salah satu dari hubungan terpenuhi.

5

Li k Lingkaran Mohr M h menunjukkan j kk tegangan maksimum ki 6

Hasil pengujian uniaksial baja 7

Representasi grafis TTNM 8

2. TEORI TEGANGAN GESER MAKSIMUM (TEORI TRESCA-GUEST) Ö

Teori kegagalan g g ini diperkenalkan p oleh Tresca (1865) ( ) , eksperimental p 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.

Ö

A dalam Atau d l bentuk b k matematik ik dapat d dituliskan di li k sbb. bb :

σ1 − σ 2 ≥ σ f σ 2 − σ3 ≥ σf σ3 − σ1 ≥ σ f

di mana : σ , σ , σ = tegangan - tegangan utama ( principal stresses ) 1 2 3 σ = kekuatan tarik uniaksial ( uniaxial strength in tension ) f

Catatan : Perlu dicatat bahwa kegagalan yang diprediksi dengan TTGM akan terjadi jika salah satu dari persamaan terpenuhi.

9

Representasi grafis TTGM 10

3. TEORI REGANGAN NORMAL MAKSIMUM (TEORI ST. VENANT’S) Ö

Teori kegagalan g g ini diperkenalkan p 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.

Ö

Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. :

σ1 − ν(σ 2 + σ3 ) ≥ σ f σ 2 − ν(σ1 + σ3 ) ≥ σ f σ3 − ν(σ1 + σ 2 ) ≥ σ f

di mana : σ1, σ2 , σ3 = tegangan - tegangan utama ( principal stresses) σ f = kekuatan tarik uniaksial (uniaxial strength in tension) ν = rasio poisson dari material

σ1 − ν(σ 2 + σ3 ) ≤ −σ f σ 2 − ν(σ1 + σ3 ) ≤ −σ f σ3 − ν(σ1 + σ 2 ) ≤ −σ f

Catatan : Perlu dicatat bahwa kegagalan yang diprediksi dengan TRNM akan terjadi jika salah satu dari hubungan pada rumus (8.3) terpenuhi.

11

R Representasi i grafis fi TRNM 12

4. TEORI ENERGI REGANGAN TOTAL (TEORI BELTRAMI) Ö

Teori kegagalan g g ini diperkenalkan p 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.

Ö

Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. :

[σ

2 1

]

+ σ 2 + σ 3 − 2ν 2 (σ 1σ 2 + σ 2 σ 3 + σ 3 σ 1 ) ≥ σ 2f 2

2

di mana : σ1, σ2 , σ3 = tegangan t - tegangan t utama t ( principal i i l stresses t ) σ f = kekuatan tarik uniaksial (uniaxial strength in tension) ν = rasio poisson dari material

Catatan : Ö Penurunan rumus seperti persamaan (8.4) dapat diperoleh pada buku referensi [Ref 1] atau buku teori kegagalan atau elemen mesin lainnya.

13

Representasi grafis TERT 14

5. TEORI ENERGI DISTORSI (TEORI HUBER-VON MISES-HENGKY) Ö

Teori kegagalan g g ini diperkenalkan p Huber (1904) ( ) dan kemudian oleh adanya y kontribusi Von Mises dan Hengky g y: 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.

Ö

Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb. :

[(σ − σ ) + (σ 2

1

2

]

− σ 3 ) + (σ 3 − σ1 ) ≥ 2σ f2 2

2

2

di mana : σ1, σ2 , σ3 = tegangan - tegangan utama ( principal stresses) σ f = kekuatan tarik uniaksial (uniaxial strength in tension)

Catatan : Ö Penurunan rumus seperti persamaan (8.5) dari buku teori kegagalan atau elemen mesin lainnya. Ö Teori ini juga dinamakan teori tegangan geser oktahedral (octahedral shearing stress) karena sama-sama menghasilkan hubungan seperti pada persamaan (8.5) .

15

R Representasi i grafis fi TED 16

6. PERBANDINGAN TEORI KEGAGALAN DALAM KASUS KEADAAN TEGANGAN BIDANG

17

Perbandingan data kekuatan biaksial dengan TED dan TTGM untuk berbagai jenis material ulet/liat 18

Perbandingan data kekuatan biaksial dengan TTNM untuk berbagai jenis material getas 19

Failures Theory yang diadopsi Code ™

ANSI B31 dan ASME section III sub NC dan ND (classes 2 and 3) menggunakan Teori Tegangan Normal Maksimum Æ Alasan ¾

mudah diaplikasikan

¾acceptable ™

safe results (suitable SF)

ASME section VIII sub NB (class 1) menggunakan Teori Tegangan g g Geser Maksimum Æ Alasan ¾

lebih akurat

¾

lebih konservatif

¾

jika semua principal stress sama ?? 20

3. Stress Catagories ™

Mode kegagalan yang di di--cover code ¾Bursting ¾Plastic

atau excessive plastic deformation

instability

¾Incremental ¾ ™

collaps due to cycling in platic range

High strain low cycle fatigue

Mode kegagalan yang tidak didi-cover code ¾Buckling ¾Stress ¾Brittle

corrosion

fracture 21

C t Catagori i Stress St 1 Primary Stress 1. ¾

Menimbulkan kegagalan deformasi plastis, bursting

¾

Disebabkan oleh mechanical loadings

¾

Kegagalan baru terjadi jika seluruh cross section mencapai yield strength

¾

Not self limiting

¾

Pencegahan failure : penghilangan beban g strain hardening

22

2. Secondary Stress ¾

Menimbulkan kegagalan g g p plastic instability y dan incremental collapse

¾

Disebabkan oleh thermal expansion, p , anchor dan restraint movement

¾

self limiting g

3. Peak Stress ¾

Menimbulkan kegagalan fatigue

¾

Tegangan lokal tertinggi yang menimbulkan kegagalan fatigue

23

4 Fatigue 4. ™

Tegangan bolak bolak--balik dapat menimbulkan kegagalan f ti fatigue

™

Mekanisme : localized discontinuities menjadi initial crackk Æ merambat b t akibat kib t b beban b b bolak l kb balik lik

™

Occur with litle or no warning

24

™

Klasifikasi : 1. LowLow-cycle fatigue ¾Setiap S ti siklus ikl terjadi t j di ‘significant ‘ i ifi t plastic l ti strain’ t i ’ ¾High loads and small number of cycle before failure ¾Kegagalan K l tterjadi j di pada d siklus ikl < 105 2. High g cycle y fatigue g ¾ strain cycle dalam elastic range ¾ beban relatif rendah,, high g cycle y ¾ Kegagalan terjadi pada siklus > 106

Dalam struktur perpipaan, kegagalan fatigue umumnya low low--cycle fatigue

25

™

S-N CURVE beberapa p jjenis material

Ferro alloys

Al alloys

N M Non Metal t l 26

APLIKASI PADA SISTEM PERPIPAAN : ™

Beban alternating pada sistem perpipaan umumnya besarnya bervariasi selama service life

™

Formula sederhana [verified by eksperimental]

ni U=∑ Ni

U = usage factor ni = jumlah siklus operasi pada level stress i p Ni = Jumlah siklus sampai failure pada level stress i di S S--N curve

27

5. 5 Service Levels & Loads ™

Berdasarkan durasi aplikasi beban, primary load dikl ifik ik menjadi diklasifikasikan j di d dua jjenis i : ‰

Sustained load Beban ini selalu ada selama umur operasi plant Ex : berat struktur, berat fluida, tekanan fluida

‰

Occasional load Beban yang terjadi hanya dalam waktu relatif singkat dibandingkan umur operasi plant Ex : high winds, fluid hammer, relief valve discharge, gempa,

28

™

Service level didasarkan p pada safety yp perpipaan pp dalam menahan beban dibagai menjadi 4 level (ASME code Section VIII) ‰

Level A (normal) Instalasi bekerja dibawah beban normal seperti yang didesign

‰

Levell B (U L (Upset)) Instalasi bekerja dibawah beban normal dan beban occasional Å instalasi tidak boleh mengalami g kerusakan

‰

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

‰

Level D (faulted) Pembebanan diasosiasikan extreme accidents dan kemungkinan kecil diperihitungkan dlm design. 29

6. 6 B31 Basic Reference Data & Formula ™

Material specifications and component standards yang dapat diterima sesuai code

™

Acceptable dimensional standards for elements comprising piping systems

™

Requirements for the pressure design component parts and d assembly bl units it

™

Requirements for the evaluation and limitation of stresses, reactions, ti and d movements t

™

Requirements for the fabrication, assembly, and erection off piping i i system t

™

Requirements for examination, inspection, and testing of piping i i system t 30

6.1 B31.1 Power Piping Code ™

Stress due to Sustained loadings ¾

Pressure weight(live Pressure, weight(live, dead dead, and under test loads) loads), other mechanical load

PD 0 0.75iM A + ≤ 1.0Sh 4t n Z

(USCS units)

PD 0 1000(0.75i)M A + ≤ 1.0Sh (SI units) 4t n Z P = internal design pressure (gauge) (gauge), psi(kPa) D0 = outside diameter of pipe, in (mm) tn = nominal wall thickness, in (mm) MA = resultan momen pada penampang, in.lb (mm.N) Z = section modulus, in3 (mm3) i = stress intensification factors Sh = Basic material allowable stress pada temp. maksimum, psi (kPa) 31

Tabel stress intensification factors

32

Tabel stress intensification factors

33

™

Stress due to Occasional Loadings ¾

Sustained loading + cccasional loading (including earthquake)

PD 0 0.75iM A 0.75iM B + + ≤ kSh 4t n Z Z

(USCS units)

PD 0 1000(0.75i)M A 1000(0.75i)M B + + ≤ kSh (SI units) 4t n Z Z k

= 1.15 1 15 jika beban occasional < 10% perioda operasi = 1.2 jika beban occasional < 1% perioda operasi

pada p penampang p g akibat beban occasional MB = resultan momen p (jika gempa diperhitungkan : gunakan 0.5 Mgempa, in.lb (mm.N)

34

St Stress d due tto expansion i lloadings di

™

¾

Thermal expansion

iM c SE = ≤ S A + f(Sh - Sc ) (USCS units) Z 1000iM c SE = ≤ S A + f(Sh - Sc ) (SI units) Z

Faktor reduksi f Jml siklus temp

f

MC = resultan momen pada penampang akibat ekspansi thermal, in.lb ((mm.N mm.N))

< 7000

10 1.0

7 000-14 000

0.9

SA = allowable stress for thermal ekspansion

22 000-22 000 22 000

08 0.8

22 000-45 000

0.7

45 000-100 000

0.6

> 100 000

0.5

= f(1.25Sc + 0.25Sh) , psi (kPa (kPa)) Sc = basic b i allowable ll bl stress ((cold), ld) psii (kP ((kPa kP ) kPa) f

= faktor reduksi akibat beban cyclic (tabel (tabel))

SL = sustained stress Sh = stress (hot),

35

™ B31.1 - Perhitungan Basic allowable stress SC dan Sh ditentukan dari nilai minimum : ¾ 0.25 0 25 σultimate pada temperatur operasi yang didesign ¾ 0.25 σultimate pada temperatur instalasi

¾ 0.625 0 625 σyield pada temperatur operasi yang didesign ¾ 0.625 σyield pada temperatur instalasi

36

TERIMAKASIH