Perhitungan Kekuatan Struktur Pipa

Sistem perpipaan adalah suatu sistem yang sering digunakan untuk memindahkan fluida maupun campuran fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain. Dalam dunia industri sistem perpipaan banyak digunakan untuk membantu proses produksi. Pipa – pipa yang digunakan umumnya sudah dirancang sedemikian rupa, sehingga umur kerjanya mencapai jangka waktu tertentu yang diharapkan mencapai 100.000 jam operasi (API Recommended 530). Semua pipa yang bekerja pada suhu tinggi tentu saja dalam kondisi aman.

Suatu keadaan atau masa kerja yang cukup lama terjadi, dapat menyebabkan perubahan kekuatan – kekuatan mekanis dari sistem perpipaan, yang akan mengakibatkan terjadinya kerusakan fatal. Diperlukan inspeksi yang optimal agar keadaan tersebut dapat terdeteksi sedini mungkin. Kerusakan – kerusakan yang mungkin terjadi, yaitu: korosi sehingga pipa dapat berlubang, menipis, dan retak.

Pada pipa air yang sedang mengalir dapat menyebabkan bahaya, jika katup turbin secara tiba – tiba ditutup, karena menimbulkan dorongan air yang mengakibatkan bertambahnya tekanan dalam pipa. Demikian pula, jika katup terbuka secara tiba – tiba saat air tidak mengalir/diam, yang dapat menimbulkan kehampaan (vacuum). Kedua peristiwa ini dapat mengakibatkan kerusakan pada pipa, pertama karena bertambahnya tekanan yang terlalu besar dan peristiwa kedua karena memperoleh tekanan udara dari luar.

Bila air dalam pipa mempunyai kecepatan v dan katup turbin secara tiba – tiba ditutup maka timbul gaya (F) sebesar: F=m.a=m ΔV/ΔT=(m(v_2-v_1))/Δt . v2 menjadi nol, sehingga: F=(m-v)/Δt (arah gaya berlawanan dengan arah aliran). Gaya F=(l . A . ρ_v)/∆T (A = luas penampang pipa, ρ = massa jenis, l = panjang kolom air yang terhenti selama waktu Δt).

Tambahan tekanan oleh gaya tersebut adalah: p= F/(A )=(l . ρ . v)/Δt
h tambahan =p/(ρ . g)=(l . v)/( g . Δt)
Jadi, semakin kecil Δt maka semakin besar tambahan tekanan nya. Pada umumnya, kekuatan pipa dapat ditetapkan berdasarkan pipa tipis, yaitu bahwa tegangan tangensial terbagi rata pada tebal pipa. Pipa dinamakan tipis jika (d (diameter))/(δ (tebal pipa))= ≥20.

Perhatikan keseimbangan suatu elemen seluas du . dz
N = p . du . dz dengan p adalah tekanan air. p = H . ρ . g besarnya H adalah tinggi hidrostatis ditambah pengaruh dorongan air. Tegangan σ menimbulkan gaya sebesar σδ dz. Resultan gaya ini adalah 2σδ dz sin1/2 dφ.

Bila p diketahui dan σw sebesar tegangan yang diperbolehkan maka δ = (p .d)/(2σ_w ) (untuk pipa utuh). Saat ini, umumnya menggunakan pipa yang dilas, sehingga δ = (p .d)/(2〖 φ σ〗_w ) dengan φ ditetapkan berdasarkan kekuatan las, yaitu: φ = 0,85 – 0,95. Dengan kemajuan teknik las, cp juga diambil sebesar satu. Bila pipa dibuat dengan memakai paku keling maka φ = (e – ∆)/e (Δ = diameter paku; e = jarak paku). Besarnya tegangan yang diperbolehkan berdasarkan atas kekuatan baja yang hendak dipakai. Ada beberapa macam baja yang terdapat di pasaran:

Umumnya baja konstruksi adalah Fe 360. Sebaik apapun kualitas suatu pipa baja, pasti akan timbul korosi (karat). Oleh karena itu, pada tebal yang diperhitungkan selalu ditambahkan tebal untuk karat. Tambahan tebal untuk karat sebesar 1 – 3 mm, sehingga: δ = (p . d)/2σ + (1 – 3) mm. Tambahan tebal untuk karat akan menambah kekakuan pipa. Dengan demikian, perhitungan angkutan dan montase atau pemasangan diambil berdasarkan tebal minimum. Tebal minimum untuk pipa adalah:
sampai dengan diameter hingga 0,80 m 5 mm
sampai dengan diameter hingga 1,50 m 6 mm
sampai dengan diameter hingga 2,00 m 7 mm
Pada pipa dengan diameter yang lebih besar diberi penguatan, agar pipa pada pengangkutan dan pemasangan tetap kaku. Perlu diperhatikan juga bahwa pipa tipis berdiameter besar berisi sebagian dengan air dapat menyebabkan bahaya saat pipa sedang diisi atau dikosongkan.

Meskipun perhitungan secara manual seperti di atas dapat dilakukan, namun seringkali desain dari pipa dan komponen-komponen seperti flange, valve, dan lain sebagainya saling berinteraksi mengakibatkan tegangan sekunder, dan hal ini membuat perhitungan analitis tidak mungkin untuk dilakukan. Salah satu metode yang paling umum adalah menggunakan Finite Element Method (FEM), yaitu menggunakan metode numerik yang diselesaikan dengan bantuan komputer. Untuk mempelajari selangkapnya tentang FEM >>Klik di sini!

Kami juga menyediakan solusi yaitu training dengan topik-topik seputar pipa dengan trainer yang sudah sangat berpengalaman di bidangnya untuk meningkatkan skill dan kompetensi anda sebagai seorang engineer profesional. Berikut adalah beberapa topik training terkait topik pipa:

>> TRAINING PIPING AND PIPELINE TECHNOLOGY

>> FLUID FLOW CHARACTERISTIC AND PIPING

Kontributor: Feri Wijarnako (feriwijarnako@gmail.com)

By Caesar Wiratama