ANALISA ALIRAN HIDRODINAMIKA FLUIDA INTERNAL dan...

Oleh : Ari Widiyanto

NRP : 4303.100.006

Dosen Pembimbing:

1.Prof. Dr. Ir. Paul Indiyono, M.Sc, Ph.D

2.Ir. Joswan J. Soedjono, M.Sc

Analisa Aliran Fluida Internal dan Vibrasi

pada Expansion Loop dengan Variasi

Jumlah Elbow

Latar Belakang

Dalam dunia industri khususnya industri

migas selalu membutuhkan sistem

perpipaan.

Sistem perpipaan rentan mengalami

pemuaian akibat perbedaan suhu fluida

internal dan eksternal.

1. Bagaimana pengaruh variasi jumlah elbow pada

expansion loop terhadap aliran di dalam pipa?

2. Bagaimana velocity yang terjadi pada tiap-tiap variasi

expansion loop akibat aliran fluida internal?

3. Bagaimana keamanan dari setiap expansion loop

karena adanya flow induced vibration?

1. Mengetahui pengaruh variasi jumlah elbow

pada expansion loop terhadap aliran di dalam

pipa.

2. Mengetahui velocity yang terjadi pada tiap-tiap

expansion loop akibat aliran fluida internal.

3. Mengetahui nilai keamanan setiap expansion

loop karena adanya flow induced vibration.

1. Memberikan informasi mengenai karakteristik

dari expansion loop 90° dengan jumlah 4 elbow, 5

elbow, 6 elbow.

2. Diharapkan dapat menjadi acuan dalam

pemilihan penggunaan expansion loop

khususnya dengan 4 elbow, 5 elbow, 6 elbow.

1. Piping system diasumsikan berada dalam keadaan steady state.

2. Fluida diasumsikan incompressible, viscous, dan uniform.

3. Dinding pipa bagian dalam dianggap halus.

4. Pengaruh eksternal pipa tidak diperhitungkan.

5. Karakteristik struktur yang ditinjau adalah frekuensi natural dan pressure yang dialami oleh expansion loop.

6. Vibrasi karena pengaruh velocity dan panjang bentangan, eksitasi lainnya tidak diperhitungkan.

7. Tegangan sisa yang dialami pipa tidak diperhitungkan.

8. Analisa hidrodinamika internal fluida untuk pola dan laju aliran.

9. Sudut kemiringan loop tidak diperhitungkan dalam analisa.

Mulai

Studi Literatur

Data

Desain Expansion Loop

Pemodelan dengan ANSYS

Analisa Kecepatan dan Pola Aliran

Input berupa Lajudan Pola Aliran

A

A

Perhitungan Vibrasi

Perhitungan Velocity manual

Validasi Hasil

Kesimpulan

Selesai

Analisa Vibrasi

PEMODELANData Desain Pipa

umur desain pipa 25 tahun

massa pipa 720.78

tekanan operasi 53.3 Mpa

suhu desain 560C

suhu tanah 190C (66.2 F ) - 320C (89.6 F)

Data material pipa

material grade API 5L X42

modulus young 200 Gpa

diameter luar pipa (5 variasi diameter luar)

6 in (152.4 mm)

8 in (203.2 mm)

10 in (254 mm)

12 in (304.8 mm)

16 in (406.4 mm)

Diameter dalam pipa

4.876 in (123.85 mm)

7 in (177.8 mm)

9.18 in (233.17 mm)

10.576 in (268.63 mm)

15.250 in (387.35 mm)

ketebalan pipa

0.562 in (14.275 mm)

0.5 in (12.7 mm)

0.41 in (10.414 mm)

0.712 in (18.085 mm)

0.375 in (9.525 mm)

Allowable stress 30250 psi (208 Mpa)

Menghitung Thermal Expansion:

ΔL= C x L x)Tf-Tg) x 12 in./ft.

Variasi desain expansion loop

1.) 4 elbow dengan suhu fluida 113 F (ΔL = 0.719 in)

Pipe Size

(in)∆L (in)

Loop size (ft)

H W

6 0.46 – 1.16 6 3

8 0.64 – 1.00 6 3

10 0.42 – 0.91 6 3

12 0.39 – 0.87 6 3

16 0.41 – 0.85 6 3

2.) 4 elbow dengan suhu fluida 149 F (ΔL = 1.27 in)

Pipe Size

(in)∆L (in)

Loop size (ft)

H W

6 1.16 – 1.87 8 4

8 1.00 – 1.64 8 4

10 0.91 – 1.44 8 4

12 0.87 – 1.34 8 4

16 0.85 – 1.32 8 4

3.) 4 elbow dengan suhu fluida 185 F (ΔL = 1.82 in)

Pipe Size

(in)∆L (in)

Loop size (ft)

H W

6 1.16 – 1.87 8 4

8 1.64 – 2.30 10 5

10 1.44 – 2.00 10 5

12 1.34 – 1.88 10 5

16 1.32 – 1.83 10 5

4.) 5 elbow dengan suhu fluida 113 F (ΔL = 0.719 in)

Pipe Size

(in)∆L (in)

Loop size (ft)

H W

6 0.46 – 1.16 6 3

8 0.64 – 1.00 6 3

10 0.42 – 0.91 6 3

12 0.39 – 0.87 6 3

16 0.41 – 0.85 6 3

5.) 5 elbow dengan suhu fluida 149 F (ΔL = 1.27 in)

Pipe Size (in) ∆L (in)Loop size (ft)

H W

6 1.16 – 1.87 8 4

8 1.00 – 1.64 8 4

10 0.91 – 1.44 8 4

12 0.87 – 1.34 8 4

16 0.85 – 1.32 8 4

6.) 5 elbow dengan suhu fluida 185 F (ΔL = 1.82 in)

Pipe Size (in) ∆L (in)Loop size (ft)

H W

6 1.16 – 1.87 8 4

8 1.64 – 2.30 10 5

10 1.44 – 2.00 10 5

12 1.34 – 1.88 10 5

16 1.32 – 1.83 10 5

7.) 6 elbow dengan suhu fluida 113 F (ΔL = 0.719 in)

Pipe Size

(in)∆L (in)

Loop size (ft)

H W

6 0.46 – 1.16 6 3

8 0.64 – 1.00 6 3

10 0.42 – 0.91 6 3

12 0.39 – 0.87 6 3

16 0.41 – 0.85 6 3

8.) 6 elbow dengan suhu fluida 149 F (ΔL = 1.27 in)

Pipe Size

(in)∆L (in)

Loop size (ft)

H W

6 1.16 – 1.87 8 4

8 1.00 – 1.64 8 4

10 0.91 – 1.44 8 4

12 0.87 – 1.34 8 4

16 0.85 – 1.32 8 4

9.) 6 elbow dengan suhu fluida 185 F (ΔL = 1.82 in)

Pipe Size

(in)∆L (in)

Loop size (ft)

H W

6 1.16 – 1.87 8 4

8 1.64 – 2.30 10 5

10 1.44 – 2.00 10 5

12 1.34 – 1.88 10 5

16 1.32 – 1.83 10 5

Pemodelan dengan ANSYS

Gambar Boundary Condition Expansion Loop 4 Elbow pada ANSYS CFX

Gambar Boundary Condition Expansion Loop 5 Elbow pada ANSYS CFX

Gambar Boundary Condition Expansion Loop 6 Elbow

pada ANSYS CFX

Output ANSYS Post

Kontur dan Kurva Velocity Expansion Loop 4 Elbow

4 elbow-6 in Med V

55

60

65

70

75

80

inlet pipe1 bend1 pipe2 bend2 pipe3 bend3 pipe4 bend4 pipe5 outlet

bagian pipa

Velocity (in/s)

Tf= 113 F

Tf= 149 F

Tf= 185 F

Analisa

Bagian pipa V (in/s) Re Pola Aliran

inlet 35.971 131220.3 Turbulen

pipe1 34.814 126999.6 Turbulen

bend1 32.012 116778 Turbulen

pipe2 32.164 117332.5 Turbulen

bend2 31.955 116570.1 Turbulen

pipe3 37.314 136119.5 Turbulen

bend3 33.575 122479.8 Turbulen

pipe4 32.509 118591.1 Turbulen

bend4 32.295 117810.4 Turbulen

pipe5 36.69 133843.1 Turbulen

outlet 35.951 131147.3 Turbulen

Pola aliran

Frekuensi natural

OD (in) fn (Hz)

6 442.3066

8 589.3552

10 742.8828

12 872.1767

16 1121.642

Frekuensi eksitasi

OD (in) Fl (Hz)

6 441.2036

8 588.858

10 742.6385

12 872.0812

16 1121.553

Kesimpulan dan SaranKesimpulan:

Dari analisa yang telah dilakukan,maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Pengaruh dari penggunaan variasi beberapa jumlah elbow pada expansion loop terhadap aliran fluida di dalam pipa dengan beberapa variasi properti fluida memberikan pola aliran yang sama yaitu pola aliran turbulen. Nilai Re terbesar terjadi pada expansion loop5 elbow diameter 12 in pada suhu fluida 149 F.

2. Velocity yang terjadi pada tiap-tiap expansion loop yang disebabkan oleh aliran fluida internal memiliki perbedaan perubahan kecepatan rata-rata di setiap bagian pipa. Nilai perubahan kecepatan fluktuatif maksimum pada expansion loop 4 elbow terjadi pada diameter 6 in suhu fluida 185 F sebesar 13.11 %, pada expansion loop 5 elbow terjadi pada diameter 12 in suhu fluida 149 F sebesar 17.68 %, pada expansion loop 6 elbow terjadi pada diameter 8 in suhu fluida 185 F sebesar 15.67 %.

3. Keamanan dari setiap expansion loop dengan adanya flow induced vibrationsangat ditentukan oleh kecepatan fluida yang mengalir di dalam pipa. Semakin kecil kecepatan fluida yang mengalir semakin kurang aman pipa expansion loop karena nilai frekuensi eksitasi semakin mendekati frekuensi natural yang akan berakibat terjadinya resonansi lebih besar dari pada kecepatan fluida yang tinggi

Saran :

Beberapa hal yang dapat disarankan pada tugas akhir ini antara lain:

1. Diperlukan penelitian lebih lanjut mengenai sumber-sumber yang dapat menyebabkan vibrasi pada pipa selain faktor fluida internal yang mengalir di dalam pipa (flow induced vibration),seperti adanya faktor eksternal serta kemungkinan adanya getaran mesin diesel di sekitar piping system ataupun getaran dari pompa dan rotary machine lainnya yang dekat dan atau menempel pada piping system.

2. Kecepatan fluida yang tinggi pada daerah elbow pada expansion loop dapat menimbulkan resiko erosi yang lebih tinggi, sehingga menyebabkan ketebalan pipa menjadi berkurang dan memperngaruhi kekuatan pipa. Untuk itu, diperlukan penelitian selanjutnya dengan melakukan analisis masalah erosi pada elbow agar hasil yang diperoleh lebih komprehensif.