PSA - Pipe Span Calculation [Compatibility Mode].pdf

PIPING FLEXIBILITY ANALYSIS

by

Ir. Benny Setiawan

Pipe Span Calculation

Ir. Benny SetiawanPROGRAM PROFESIONAL

PEMIPAAN1

Pipe Span Calculation

Tujuan Mata kuliahTujuan Mata kuliah

1. Mahasiswa mengenal dunia Industri dan Petro kimia.

2. Mahasiswa memahami problematika dan kebutuhan keahlian dalam dunia Industri dan Petrokimia.

3. Besarnya kebutuhan akan tenaga ahli sistem perpipaan dari jenjang D fti hi E iDrafting hingga Engineer.

4. Speed up keahlian perpipaan untuk dapat menembus pasaran kerja yang berhubungan dengan sistem perpipaan.

5. Mahasiswa mengerti, memahami dan menguasai tools, kaidah, istilah dan software yang berkaitan dengan penggambaran sistem perpipaan.

6. Mahasiswa mengerti dan memahami design perpipaan sebagaimana kaidah yang dipersyaratkan.

7. Mahasiswa Mengerti dan memahami dan mampu menganalisa

Ir. Benny Setiawan PROGRAM PROFESIONAL PEMIPAAN

2

g p gFlexibilitas suatu sistem perpipaan.

Pipe Span CalculationPipe Span Calculation

Pipe span adalah jarak antara dua pipe support pada suatu sistem perpipaan.

Allowable span maksimum dibatasi oleh tiga faktor utama, yaitu:

1. Bending Stress

2 V ti l D fl ti2. Vertical Deflection

3. Natural Frequency (Frekuensi Pribadi)


3


Untuk suatu kasus pipa lurus dianggap beam dengan asumsi tumpuan sederhana (simply supported) pada kedua ujung pipa, maka persamaan menghitung maksimum allowable span adalah:

wZSL h33.0 Based on limitation of stress, (eq.1

wEIL5.22

Based on limitation of deflection, (eq.2w5.22 Asumsi kondisi tumpuan di atas memberikan tegangan dan lendutan yang

lebih besar sehingga menghasilkan span yang konservatif.


4


Untuk suatu kasus pipa lurus dianggap beam dengan beban seragam (uniform load) dengan asumsi tumpuan sederhana (simply supported) pada kedua ujung pipa, maka persamaan menghitung maksimum ll bl d l hallowable span adalah:

ZSL h4.0 Based on limitation of stress, (eq.3EIL

w Based on limitation of deflection (eq 4w5.13 Based on limitation of deflection, (eq.4

Kedua persamaan di atas dapat juga digunakan untuk kondisi tumpuan pipa fixed - fixed pada keduan ujung pipa. Karena kedua rumus di atas


5

diturunkan sebagai nilai rata-rata dari kedua kasus di atas.


Keterangan:

L = Allowable pipe span (feet)

Z M d l f i ti (i 3)Z = Modulus of pipe section (in3)

Sh = Allowable tensile stress of pipe material at design temperature (psi)

W = Total weight of pipe (lb/ft)g p p ( / )

= Allowable deflection (in)I = Area moment of inertia of pipe (in4)

E = Modulus elasticity of pipe material at design temperature (psi)


6


Asumsi

Sistem perpipaan adalah dalam keadaan statik, kecuali untuk gerakan yang diakibatkan oleh perubahan temperaturyang diakibatkan oleh perubahan temperatur.

Pengaruh pulsasi (pulsation), getaran, sway atau gempa tidak diperhitungkan.

Beban terkonsentrasi seperti katup (valve) tidak diperhitungkan pada keempat persamaan tersebut.


7


Hubungan Natural Frequency, fn (siklus/detik) sebagai fungsi dari defleksi maksimum, (in) dapat dituliskan sbb.:

1231 g12.3

21 gfn

Dengan g = percepatan gravitasi = 386 in/det2 = 32.12 ft/det2

(eq.5

Natural Frequency beam sederhana dengan defleksi maksimum (sag) sebesar 1 in. sama dengan 3.12 cps (cycle per second).

Salah satu alasan melakukan pembatasan defleksi pada sistem perpipaan Salah satu alasan melakukan pembatasan defleksi pada sistem perpipaan adalah untuk menaikkan natural frequency sehingga fenomena resonansi dapat dihindarkan.

Untuk kebanyakan pipa refinery, natural frequency 4 cps sudah cukup


8

Untuk kebanyakan pipa refinery, natural frequency 4 cps sudah cukup untuk menhindarkan resonansi dalam jaringan pipa non-pulsating.


Natural frequency yang dihitung dari persamaan (5) memberikan nilai yang lebih rendah dari kenyataannya, karena:

1. Rumus tersebut mengabaikan efek ends moment. Efek momen ujung g j gdapat menaikkan natural frequency sebesar 15%.

2. Critical span yang dibatasi tegangan umumnya jarang tercapai.

3 Berat pipa yang diasumsikan sering lebih besar dari nilai actual3. Berat pipa yang diasumsikan sering lebih besar dari nilai actual.

Dengan menghubungkan besaran natural frequency dan limitasi defleksi, maka span maksimum dapat dihitung sebagai nilai yang lebih kecil yang diperoleh dari persamaan (3) dan (4)diperoleh dari persamaan (3) dan (4).

Span yang diperoleh di atas kemudian dikalikan span reduction factor, f. Pada gambar 1 diberikan berbagai susunan konfigurasi pipa dan pada tabel 1 diberikan span reduction factor Seperti dapat dilihat pada tabel 1


9

tabel 1 diberikan span reduction factor. Seperti dapat dilihat pada tabel 1 span reduction factor adalah lebih kecil daripada 1.


Gambar 1.

Span reduction Span reduction factor untuk berbagai susunan konfigurasi pipa

For f see eq.8 and

Tabel 1

Case 6


10

Case 6


Dengan mengasumsikan pipa adalah ditumpu sederhana pada kedua ujungnya dan valve diletakkan pada tengah jarak tumpuan (case 6 pada gambar 1 a=b=L/2), dapat diturunkan persamaan sbb.:

LWLZ

LWwLBendingTegangan C

34

2

36522

35.1 (eq.6

EILWwLDefleksi C

34 365.22 (eq.7

Dengan WC = Beban terkonsentrasi seperti Valve, etc.

Persamaan 6 dan 7 dapat digunakan untuk menghitung tegangan bending dan defleksi jika span pipa diketahui atau diasumsikan diketahui.


11


Untuk menghitung allowable span pipa dengan berat terkonsentrasi yang umum (case 6 pada gambar 1), span reduction factor, f dapat digunakan.

Untuk kasus beam dengan tumpuan ujung dijepit (fixed ends) span Untuk kasus beam dengan tumpuan ujung dijepit (fixed ends), span reduction factor diperoleh dengan persamaan sbb.:

f 1' (eq.8

ba

bawWdengan

f

C

;

1121

bbaw Pada tabel 1 diberikan nilai span reduction factor, f untuk berbagai nilai

dan


12


bawWc L

a0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.40 0.50

0.10 0.97 0.95 0.94 0.93 0.92 0.92 0.92 0.93

0.20 0.95 0.92 0.89 0.87 0.86 0.86 0.86 0.86

baw

0.20 0.95 0.92 0.89 0.87 0.86 0.86 0.86 0.86

0.50 0.93 0.82 0.78 0.75 0.74 0.73 0.73 0.76

0.75 0.845 0.76 0.71 0.68 0.655 0.655 0.66 0.68

1.00 0.81 0.71 0.66 0.63 0.61 0.60 0.61 0.63

1.25 0.776 0.67 0.615 0.585 0.565 0.56 0.565 0.54

1.50 0.74 0.64 0.58 0.55 0.53 0.52 0.53 0.55

1.75 0.715 0.605 0.555 0.525 0.505 0.495 0.495 0.525 TABEL 12.00 0.69 0.58 0.53 0.50 0.48 0.47 0.47 0.50

2.50 0.65 0.54 0.49 0.45 0.44 0.43 0.43 0.46

4.00 0.56 0.45 0.40 0.37 0.36 0.35 0.36 0.38

TABEL 1

Span Reduction

Factor f for

V l L ti


13

5.00 0.52 0.41 0.37 0.34 0.33 0.32 0.32 0.34 Valve Location


Pada instalasi sistem perpipaan sering diperlukan adanya drainage akibat gravitasi (lebih disukai pada arah normal aliran). Untuk maksud ini, setiap span harus di-pitch sedemikian sehingga sisi keluar (outlet) lebih rendah dari defleksi (sag) maksimum pipadari defleksi (sag) maksimum pipa.

Pitch dari span pipa didefinisikan sebagai rasio antara beda ketinggian (drop in elevation) dengan panjang span. Besaran ini juga disebut gradien rata-rata yang dinyatakan dalam in per foot sbb :rata rata yang dinyatakan dalam in per foot, sbb.:

ftinspanoflengthelevationindropGratarataGradien , (eq.9

Syarat untuk memperoleh drainage yang baik adalah:

fl hmaksimumdefleksiGratarataGradien 4, (eq.10


14

spanoflength,


Dalam menghitung modulus penampang Z dan momen inersia penampang I, maka corrosion allowance dapat dimasukkan, sehingga menghasilkan span yang sedikit lebih panjang.

Pada tabel 2 diberikan material untuk isolasi pipa (mass type) yang umum digunakan. Tipe material yang lain dikenal sebagai reflective-type dan digunakan di dalam bangunan reaktor pusat pembangkit nuklir.

Pipe Insulation Type Density (lb/ft3)

Calcium Silicate 12.25

Foam Glass 8.25 TABEL 2 Common Pipe Insulation

Polyurethane 2.00

Fiber Glass 3.25

Polystyrene 2.00

Materials (mass type)


15


Contoh Soal 1

Hitunglah allowable span untuk pipa 10 dengan ketebalan standard dan beroperasi pada 400oF. Material pipa adalah baja karbon A106 Grade B. Pipa berisi crude oil dengan specify gravity (Sg)=1.2 dan dengan isolasi dari material calcium silicate setebal 2 in dan density sebesar 11 lb/ft3 dari material calcium silicate setebal 2 in. dan density sebesar 11 lb/ft3. Asumsikan bahwa defleksi maksimum yang diijinkan adalah 5/8 in.

Jawab

Dari standard pipa, untuk pipa 10 sch std. diperoleh besaran sbb.:

OD=10.75 in.; ID=10.02 in.; Z=29.9 in.3; I=141 in.4; A=11.9 in.2

Pipe self Weight w =40 5 lb/ftPipe self Weight, wp=40.5 lb/ft

Fluid/content weight, wf=1.2x34.1 lb/ft=40.92 lb/ft

Sh=22900 psi (untuk CS A106-B pada 400oF, based on ASME B31.3)


16


Perhitungan Insulation Weight, wi11 ftlbinlbdensityODODw ini 12.651.0121175.1075.1444 32222

Berat total pipa, wlb54871269240540 ftlbwwww ifp 54.8712.692.405.40

Dengan persamaan 3 (based on limitation of stress) diperoleh span, L

ZSh 229009294040 ftwZSL h 93.55

54.87229009.294.04.0

Dengan persamaan 3 (based on limitation of deflection) diperoleh span, L

ftw

EIL 94.3854.875.131611027

5.13

68

5

Jadi Panjang Span, L=Min(55.93;38.94)=38.94 ft


17

j g p , ( ; )


Untuk memberikan satu referensi tentang nilai span, pada tabel 3a dan 3b diberikan beberapa nilai span untuk suatu kasus dengan asumsi sbb.:

1. Material pipa adalah Carbon steel A53 Grade A. Tabel 3a berlaku 1. Material pipa adalah Carbon steel A53 Grade A. Tabel 3a berlaku secara konservatif untuk jenis baja yang lain.

2. Range temperatur adalah 0 s.d. 650oF. Pada 650oF, Sh= 12 ksi. Modulus Elastisitas, Eh= 25.2x106 psi (from piping CODE).odu us ast s tas, h 5 0 ps ( o p p g CO )

3. Specify Gravity Fluida adalah 1.0 (Water).

4. Density dari isolasi adalah 11 lb/ft3

Tebal isolasi adalah: 1.5 in untuk pipa 1 ~ 4 in.

2.0 in untuk pipa 6 ~ 12 in.

2 5 in untuk pipa 16 ~ 26 in


18

2.5 in untuk pipa 16 ~ 26 in.


5. Pipa diasumsikan sebagai beam horisontal, ditumpu di kedua ujungnya, menerima beban uniform yang sama dengan jumlah berat pipa, berat fluida (water) dan berat isolasi.

6. Defleksi statik maksimum adalah 1.0 in. dan frekuensi natural adalah 3.12 cps.

7. Tegangan Bending Maksimum = Allowable Weight Stress = Setengah ega ga e d g a s u o ab e e g t St ess Sete gadari Allowable Hot Stress, Sh.

Untuk nilai allowable stress defleksi dan frekuensi natural yang lainnya Untuk nilai allowable stress, defleksi, dan frekuensi natural yang lainnya, nilai span pada tabel 3a perlu dikalikan dengan span calculation factor C1, C2, dan C3 seperti diberikan pada tabel 3b.


19


1 1.5 2 3 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24L 13 15 17 20 22 25 29 30 32 37 38 39 39 41

Pipe Size (in.)

Schedule 10 L 13 15 17 20 22 25 29 30 32 37 38 39 39 41L' 13 16 18 21 24 28 31 34 37 41 42 44 46 48L 33 35 36 39 41 42 45 47L' 33 37 39 42 44 46 49 52L 34 37 39 42 43 46 49 52L' 34 38 41 43 45 48 51 55L 13 16 18 23 26 31 35 38 41 42 43 44 45 47Standard

Schedule 10

Schedule 20

Schedule 30

L 13 16 18 23 26 31 35 38 41 42 43 44 45 47L' 13 16 18 23 26 31 35 38 41 43 45 47 49 52L 13 16 18 23 26 31 35 38 41 43 46 49 51 56L' 13 16 18 23 26 31 35 38 42 44 45 50 52 57L 36 40 43 46 49 52 55 60L' 35 49 43 45 48 51 54 59L 13 17 19 24 27 33 37 41 43 45 46 48 49 51Extra Strongth

Standard

Schedule 40

Schedule 60

L 13 17 19 24 27 33 37 41 43 45 46 48 49 51L' 13 17 19 23 26 32 36 40 43 44 46 49 51 54L 13 17 19 24 27 33 37 42 46 48 52 55 58 63L' 13 17 19 23 26 32 36 40 44 46 50 52 55 61L 38 43 47 49 53 56 59 65L' 37 41 45 47 50 53 56 61L 28 34 39 44 48 51 54 57 61 67

Extra Strongth

Schedule 80

Schedule 100

Schedule 120

Note

1. Span L was calculated using eq.1 with limiting bending stress of S divided by 2L 28 34 39 44 48 51 54 57 61 67

L' 27 32 37 41 45 57 51 54 57 62L 28 34 40 44 49 51 54 58 61 67L' 27 33 37 42 45 58 51 54 57 62L 13 17 20 25 29 35 40 45 49 51 55 58 61 68L' 13 17 19 23 27 33 37 42 45 58 51 54 57 63

Schedule 140

Schedule 160

Schedule 120 stress of Sh divided by 2.

2. Span L was calculated using eq.2 with limiting static deflection of 1 in.


20

TABEL 3a Maximum Span of Horizontal Pipe Lines (ft)


If the allowable stress Sh is (psi)

2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 18,000 20,000Sh is (psi)

Multiply the Span L by C1=

0.408 0.577 0.707 0.816 0.913 1.000 1.080 1.115 1.225 1.291

If the allowable deflection (in.) is

1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 1 1/4 1 1/2

M lti l th S L b Multiply the Span L by C2=

0.595 0.707 0.782 0.841 0.883 0.930 0.967 1.000 1.057 1.106

If the minimum allowable freq. fn is

3.12 4 5 6 7 8 9 10 15 20

Multiply the Span L by C

1.000 0.883 0.790 0.720 0.668 0.625 0.589 0.559 0.456 0.395

Note

TABEL 3b Calculation Factor (C1, C2 and C3) for Span

C3=

Note

1. Span L was calculated using eq.1 with limiting bending stress of Sh divided by 2.

2. Span L was calculated using eq.2 with limiting static deflection of 1 in.


21


Ketentuan penggunaan tabel 3b adalah:

1. Untuk setiap allowable stress, Sh yang lain, maksimum span adalah C1L, dengan C1=(Sh/12000)1/2.C1L, dengan C1 (Sh/12000) .

2. Untuk defleksi selain dari 1 in., maksimum span adalah C2L, dengan C2=( /L)1/4.

3 U t k f k i t l f l i d i 3 12 k i d l h 3. Untuk frekuensi natural, f selain dari 3.12 cps, maksimum span adalah C3L, dengan C3=(3.12/f)1/2.

Calculation factor yang diberikan pada tabel 3b untuk beberapa nilai Shdan fdan f.

Calculation factor ini hendaknya dibedakan dengan span reduction factor, f yang diberikan pada gambar 1.


22

Pipe Span CalculationPipe Span CalculationContoh penggunaan tabel 3a dan 3b:

1. Dengan menggunakan tabel 3a, hitunglah span maksimum yang diijinkan untuk pipa 14 in. 1. Dengan menggunakan tabel 3a, hitunglah span maksimum yang diijinkan untuk pipa 14 in. dengan sch 40. (asumsikan Sh=12000 psi, defleksi 1 in, dan f=3.12 cps).

Span L, jika memperhatikan tegangan dari tabel 3a = 43 ft.

Span L, jika memperhatikan defleksi dari tabel 3a = 44 ft.

Jadi L = Min(43;44) = 43 ft.

2. Hitunglah span maksimum jika Sh=10000 psi.

Dari tabel 3b, diperoleh calculation factor, C1=0.913,

sehingga span = 0.913(43 ft) = 39.2 ft.

3. Hitunglah span maksimum jika defleksi = 1/2 in.



4. Hitunglah span maksimum jika frekuensi, f=8 cps.



23



Perhitungan allowable span untuk kasus beban dinamik tidak sesederhana seperti kasus statik. Salah satu formula konservatif untuk menghitung jarak tumpuan (restraint spacing) diberikan oleh persamaan sbb.:

KwZhSL 1219.2 (eq.11

Dengan K = koefisien seismik yang tergantung pada puncak dari floor response spectra (multiple of acceleration, G).


24


Kriteria defleksi dinamik dapat digunakan untuk menghitung allowable span untuk beban dinamik. Untuk kasus simply supported single span beam, defleksi maksimum dengan mengambil satu mode saja diberikan oleh persamaan sbb :oleh persamaan sbb.:

anAEILmMaximum 45

4 (eq.12

Yang mana:

m = massa pipa, lb/ftp p , /

E = modulus elastisitas bahan pipa, psi

I = momen inersia penampang pipa, in4


25

Aan = percepatan gempa pada pipa, ft/sec2


Jarak tumpuan pengarah (guides spacing) maksimum untuk pipa vertikal diberikan pada tabel 4.

Tabel 5 memberikan jarak tumpuan (support spacing or span) yang dianjurkan oleh ASME Nuclear Code, section III, division 1, subsection NF-3133.1-1


26


Nominal Pipe Size (in.) Guide Spacing (ft)

1 22

1.5 23

2 24

3 27 TABEL 4 M i S i f G id3 274 29

6 33

8 37Note

TABEL 4 Maximum Spacing of Guides

8 37

10 41

12 45

14 47

1. Guide should be kept about 40 pipe diameters clear of corner or loops.

2. Use of pipe guides on hot lines must be investigated to assure that no

16 50

18 53

20 56

higher forces or stresses are transmitted to piping system due to the location of the guide.

3. Calculation of wind loads on pipes is


27

24 60 given in reference 5.


TABEL 5 Suggested Pipe Support Spacing

Nominal Pipe Size (in.)

Suggested Maximum Span (ft)

Water Service Steam, Gas, or Air Service

Note

1. Suggested maximum spacing between pipe support for horizontal straight runs of

1 7 9

2 10 13

3 12 15

4 14 17

standard and heavier pipe at maximum operating temperature of 750oF.

2. Does not apply where span calculations are made or where there are concentrated

4 14 17

6 17 21

8 19 24

12 23 30

loads between supports such as flanges, valves and special items.

3. The spacing is based on a maximum combined bending and shear stress of 1500 i d i l t d i fill d ith 12 23 30

16 27 35

20 30 39

24 32 42

1500 psi and insulated pipe filled with water or the equivalent weight of steel pipe for steam, gas or air service and the pitch of the line is such that a sag of 0.1 in. between support is permissible.


28

pp p


Tumpuan pada sistem perpipaan dengan sumbu longitudinal yang mendekati posisi horisontal harus diatur jaraknya untuk mencegah terjadinya tegangan geser berlebih akibat defleksi (sag) dan momen bending karena adanya konfigurasi beban yang khusus misalnya beban bending karena adanya konfigurasi beban yang khusus, misalnya beban terkonsentrasi akibat adanya katup (valve), flens (flange) dsb.

Jarak maksimum tumpuan yang disarankan oleh ASME Code untuk pipa standard dan yang lebih berat diberikan pada tabel 5standard dan yang lebih berat diberikan pada tabel 5.


29


REFERENCE1. Sam Kannappan, P.E., Introduction to Pipe Stress Analysis, John Wiley and

Sons, 1986.

2. Barc W. et al., Pipe Supports for Industrial Piping Systems, Procon Inc., 19631963.

3. Flour Design Guide and Q. Truong Seminar of Piping Systems, A&M University, Texas.

4. Niyogi, B.K., Simplified Seismic Analysis Methods for Small Pipe, ASME 78-PVP-43.

5. ANSI standard A58.1, Wind Loads for Building and Other Structure., g

6. Stevenson et al., Seismic Design of Small Diameter Pipe and Tubing for Nuclear Power Plant, Paper #314, Fifth World Conference of Earthquake Engineering, Rome, 1973


30

g g, ,

PSA - Pipe Span Calculation [Compatibility Mode].pdf

Documents

Transcript of PSA - Pipe Span Calculation [Compatibility Mode].pdf