TRAINING CAESAR II PIPE STRESS ANALYSIS

PRESENTED BY :Gede Resa Udayana

• Primary Stress– Primary Stress adalah jenis stress yang diakibatkan oleh

sustained load.• Primary Stress terdiri atas komponen sebagai berikut :

– Longitudinal Stress– Hoop Stress (Circumferential Stress)

• Secondary Stress– Secondary Stress adalah jenis stress yang diakibatkan oleh

thermal load, yaitu akibat temperatur fluida yang mengalir , yang menyebabkan pipa mengalami pemuaian atau pengerutan (expansion or contraction).

• Secondary Stress , SE sebagai berikut :– Bending Stress (Sb)– Torsional Stress (St)

Stress Catagories

Primary Stress

1. Tegangan arah longitudinal 1. Tegangan arah longitudinal longitudinal stresslongitudinal stress

2. Tegangan arah tangensial2. Tegangan arah tangensial hoop stresshoop stress

3. Tegangan arah radial 3. Tegangan arah radial radial stressradial stress

Longitudinal StressLongitudinal Stress

Tegangan yang bekerja dalam arah axial yang sejajar Tegangan yang bekerja dalam arah axial yang sejajar dengan sumbu pipadengan sumbu pipa

Akibat gaya dalam FAX

LL = longitudinal stress= longitudinal stressAAmm = luas penampang pipa= luas penampang pipa

= = (d(doo22 – d – dii

22)/4)/4= = d dm m tt

dd00 = diameter luar= diameter luarddii = diameter dalam= diameter dalamddmm = diameter rata-rata= diameter rata-rata

FFAXAX

m

AXL A

F

Longitudinal stress akibat internal pressure

PP = design pressure= design pressureAAii = luas penampang dalam= luas penampang dalam

= = d dii22/4/4

Penyederhanaan

m

iL A

PA

td4Pd

)dd(Pd

m

2i

2i

20

2i

L

t4

Pd0L

Longitudinal stress akibat momen bending Tegangan bervariasi linier pada penampang, proporsional Tegangan bervariasi linier pada penampang, proporsional

thd jarak ke neutral axisthd jarak ke neutral axis

MMBB = momen bending= momen bendingcc = jarak p.o.i ke sumbu netral= jarak p.o.i ke sumbu netralII = momen inersia penampang= momen inersia penampang

= = (d(doo44 – d – dii

44)/64)/64Tegangan maksimumTegangan maksimumdinding luardinding luar

ZZ = section modulus= section modulus

IcMB

LB

ZM

IRM B0B

maxLB

Hoop StressHoop Stress Tegangan yang bekerja dalam arah tangensialTegangan yang bekerja dalam arah tangensial Besarnya bervariasi terhadap tebal dinding pipa Besarnya bervariasi terhadap tebal dinding pipa Lame’s equationLame’s equation

Penyederhanaan Thin walled cylinder

)rr(rrrrP

2i

2o

2

2o

2i2

i

SH

r = radius p.o.i

t2Pd

tL2LPd ii

H t2

Pd0H

Shear StressShear Stress Bekerja dalam arah penampang pipaBekerja dalam arah penampang pipa Akibat gaya geser :Akibat gaya geser :

mmax A

VQ

VV = gaya geser= gaya geserAAmm = luas penampang= luas penampangQQ = Shear form factor (1.33 for solid circular section)= Shear form factor (1.33 for solid circular section)

Maksimum pada sumbu netral & minimum pada jarak Maksimum pada sumbu netral & minimum pada jarak maks dari sumbu netralmaks dari sumbu netral opposite bending stress opposite bending stress

Magnitude relatif kecilMagnitude relatif kecil diabaikan (traditionaly)diabaikan (traditionaly)

Shear stress akibat momen puntirShear stress akibat momen puntir

RcMT

MMTT = momen puntir= momen puntircc = jarak dari titik pusat= jarak dari titik pusatRR = Torsional resistance= Torsional resistance

= = (d(doo44 – d – dii

44)/32)/32

Tegangan maksimum terjadi pada dinding luar :Tegangan maksimum terjadi pada dinding luar :

Z2MT

max

Total longitudinal stress

ZM

t4Pd

AF B0

m

AXL

Secondary Stress

• Secondary Stress , SE sebagai berikut :–Bending Stress (Sb)–Torsional Stress (St)

Secondary Stress

• Secondary Stress disebut juga dengan Expansion Stress atau Displacement Stress Range , Sa Komponen dari Expansion Stress adalah Bending Stress (Sb) dan Torsional Stress (St)

• Adapun persamaan masing-masing komponen :

Beban Pada Pipa (Pipe Loadings)

• Sustained Load– Adalah beban akibat berat pipa, berat fluida, tekanan dalam

pipa, tekanan luar

• Faktor utama dari sustained load :1. Design Pressure Tekanan Disain adalah tekanan

maksimum yang mungkin terjadi pada kondisi operasi. 2. Operating Weight Berat Operasi adalah berat dari

pipa, berat dari fluida, ditambah dengan berat Insulasi, dan komponen yang berada pada sistem tersebut

3. Hydro test Load Beban yang terjadi pada saat sistem dilakukan test dengan pengisian air (hydrostatic).

• Thermal Load

– Adalah beban yang ditimbulkan akibat ditahannya expansion atau contraction suatu pipa yang mengalami pemuaian ataupun pengkerutan akibat temperatur fluida yang mengalir didalamnya

– Yang menjadi sumber utama pada thermal load adalah :• Temperatur Disain : yaitu besarnya temperatur maksimum yang

dapat terjadi pada sistem pemipaan dalam kondisi operasi• Pipe Bowing• Temperatur Normal Operasi• Temperatur ambient untuk menghitung variasi tegangan atau stress

range• Steam out, steam tracing, Regeneration, Decoke, dan Purging• Equipment expansion

Analisis ASME B31.3• Nilai aktual terhadap batasan yang diijinkan pada setiap

pembebanan adalah :

Sustain• Stress yang terjadi pada beban sustain merupakan jumlah stress

longitudinal Sl akibat efek tekanan, berat, dan beban sustain yang lain dengan tidak melebihi dari Sh

Beban Occasional • Stress yang terjadi pada beban occasional merupakan jumlah stress

longitudinal akibat tekanan, berat, dan beban sustain lain serta stress yang dihasilkan oleh beben occasional misalnya angin atau gempa. Stress ini tidak boleh melebihi 1.33Sh.

Beban Ekspansi • Stress yang diakibatkan oleh adanya expansi thermal dan atau

displacement (pergeseran) Se akan dihitung sebagai berikut :

Allowable Stress• Allowable Stress pada sistem piping adalah merupakan

fungsi dari sifat material (material properties) pada temperatur dingin sampai temperatur tertentu dan faktor keamanan (Safety Factor).

Ada dua jenis Allowable Stress

Code Allowable Stress

Allowable Stress Range

Code Allowable Stress• Yaitu besarnya stress yang diizinkan, yang boleh terjadi

pada suatu material pada temperatur tertentu mulai dari temperatur dingin sampai dengan temperatur yang lebih tinggi.

Allowable Stress pada kondisi temperatur dingin diberi simbol Sc,(kondisi ambient, kondisi cryogenic).

Allowable Stress pada kondisi mengalami temperatur yang lebih tinggi saat operasinya diberi simbol Sh

Nilai Sc dan Sh ditampilkan pada Appendix A tabel A-1 B31.3 Process Piping Code

Allowable Stress Range• Allowable Stress untuk Thermal Expansion Stress atau

juga disebut Displacement Stress Range adalah terdiri atas dua persamaan, seperti pada ASME B31.3 para 302.3.5 (d) persamaan (1a)

Allowable Stress Range• ASME B31.3 para 302.3.5 (d) persamaan (1b)

ALLOWABLE LOAD

• Ada dua kelompok utama equipment yang biasanya diperhatikan dalam melakukan analisis tegangan, yaitu :

– Static Equipmet, seperti pressure vessel

– Rotating Equipment, seperti pompa, kompressor, dan turbin

• Sebuah sistem perpipaan dapat dikatakan “Aman” jika :

Output dari kalkulasi pada nozzle berada pada allowable nozzle load range

PRESSURE VESSEL

• Allowable Load pada Nozzle biasanya merujuk pada ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section 8 Div. 2

• Cara lain adalah dengan menggunakan WRC 107, dimana evaluasi nozzle dilakukan sesuai dengan ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section 8 Div. 2

CENTRIFUGAL COMPRESSOR

• Untuk compressor jenis ini merujuk pada API 617 serta menggunakan data allowable yang diberikan vendor

RECIPROCATING COMPRESSOR

• Pipa yang tersambung pada jenis equipment ini biasanya akan mengalami beberapa jenis beban, baik yang statis maupun dinamis, selain tentu saja beban karena pengaruh temperatur. Umumnya menggunakan data allowable nozzle load dari manufacture

CENTRIFUGAL PUMPS

• Untuk beban yang diijinkan biasanya merujuk pada API 610 dengan menggunakan faktor sebesar 2 kali daripada data yang ada dalam API 610/ ISO 13709 Tabel 4 maupun data vendor atau manufacture

TURBINE

• Untuk beban yang diizinkan umumnya merujuk kepada NEMA SM 23, maupun data dari vendor atau manufacture

AIR COOLERS

• Merujuk kepada nilai yang ada dalam tabel 4 API 661

• Secara umum dikelompokan menjadi : Sustained Load Thermal load atau disebut Expansion Load Occasional Load Operating Load

LOAD CASE

• Jenis Load Case :

Berat Pipa, Berat Fluida, berat insulasi, berat flange, berat valve Dead Weight : W

Berat Pipa tanpa fluida, tapi beserta insulasi, flange, valve dsb : WNC (Weight No Fluid Content)

Hydrotest WW (Water Weight) Temperatur 1: T1 , dan seterusnya T2, T3, T4,… Pressure 1 : P1 , dan seterusnya P1, P2, P3,..

LOAD CASE

LOADSW Deadweight

WNC Weight (No Contents)

P1 Pressure Set 1

P2 Pressure Set 2

T1 Thermal Set 1

T2 Thermal Set 2

T3 Thermal Set 3

D1, D2, D3 Displacement

F1, F2, F3 External Forces

U1, U2, U3 Uniform Loads

WIN 1 Wind Load 1

WIN 2 Wind Load 2

Kategori Stress

EXP Expansion

SUS Sustained

OCC Occasional

OPE Operating

ContohNo Load

Case Load Remarks Stress Category

1 L1 W+D1+T1+P1+F1 Operating OPE2 L2 W+P1+F1 Deadweight + Pressure SUS

3L3 WIN 1 Wind Along X (Dikategorikan ke SUS bukan

OCC demi menghindari diaktifkannya Snubber Support jika ada untuk Seismic)

SUS

4L4 WIN 2 Wind Along Z (Dikategorikan ke SUS bukan

OCC demi menghindari diaktifkannya Snubber Support jika ada untuk Seismic)

SUS

5 L5 U1 Seismic Load X OCC6 L6 U2 Seismic Load Y OCC7 L7 U3 Seismic Load Z OCC8 L8 L1-L2 Expansion Range EXP9 L9 L5+L6+L7 Resultant Seismic Load OCC

10 L10 L2+L3 Sustained plus Wind X Combined absolut, Code Case

OCC

11 L11 L2+L4 Sustained plus Wind Z Combined absolut, Code Case

OCC

12 L12 L2+L9 Sustained plus Seismic Combined absolut, Code Case

OCC

ANALYSIS GRADEPiping systems shall be evaluated to determine which line requires flexibility

analysis. The criteria used to determine this are shown in Appendix-1 and as below.

Grade-A– No formal analysis is required for the following piping system

which:1) Meet the requirements in paragraph 319.4.1, ASME B31.3.2) Are small bore line with temperature around ambient temperature.3) Instrument and utility lines 4) Small bore line 4” and below5) Open drain lines 6) Non hazardous lines7) Line discharges to atmosphere8) Are reviewed and judged to have adequate flexibility according to

visual inspection or simplified methods.

Grade-B

– Any piping system which does not meet the criteria in paragraph 319.4.1 of ASME B.31.3 above and Grade-A, shall be analyzed in accordance to paragraph 319.4.2 of ASME B.31.3. Grade “B” evaluation shall be performed for the following piping systems:

1) Lines where the size and design temperature is in Grade B as describe in Appendix-1.

2) Heavy wall pipe, size 2” sch 160 up to and including 24” NB or piping with a thickness greater than 10 % of the diameter.

3) Piping connected to equipment subject to significant thermal growth (due to differential temperature between operating and ambient temperature x length or distance).

4) Other lines which could operate under particularly severe conditions:• Unbalanced piping configurations such as long runs of piping with a short

branch connected to an anchor.• Piping subject to highly cyclic temperature conditions (e.g. greater than 7000

cycles during the operational life of the plant).• Gas or vapour lines in which liquid slugs may form and cause high impact

loads at valves, bends, tees and vessels.• Piping subject to short term variation such as purge piping. • Piping subject to extreme hot and cold conditions such as flare lines, stress

calculation shall be conducted taking into consideration of both hot and cold conditions.

• Pipe subject to high impact as a result of valves closing quickly.

5) 3” NB and smaller with design temperature at 300°F and above, or ‑95°F and below.

6) 4” NB and larger with design temperature at 200°F and above, or -75°F and below.

7) 12” NB and larger.8) Hydrocarbon lines 2" NB and larger connected to strain sensitive equipment

such as rotating machinery (pumps, compressors, heaters, fin-fan coolers, exchanger, blowers, etc).

9) High alloy, stainless steel and non-ferrous piping size 4” and large and size 2” and larger for temperature above 300°F.

10) Thin wall pipe of 18” diameter or over with a wall thickness less than 1% of the outside diameter.

11) Relief lines from relief valves or bursting discs discharging to atmosphere.12) Liquid blow-down lines from process equipment (excluding drains).13) Drain and vent lines dumping high or low temperature material to systems not

designed for extreme temperatures.14) Flare system piping

If formal computerized comprehensive flexibility analysis is required then it shall be performed using Caesar II Ver 5.0 or later version software.

CHECKING GRADE OF PIPING STRESS ANALYSIS

Piping Connected to Rotating Equipment and Critical Equipment

Example of critical line list