College e51 Inleiding Railbouwkunde

1
BAB VIPIPE STRESS REQUIREMENTS

• Failures Theories
• Stress Catagories
• Stress limits
• Fatigue

• B31.1 Power Piping Code
• B31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinery
  Piping Code
• B31.7 Nuclear Power Piping Code
• B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping
  Code
• ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III

2
6.1 Introduction

• Untuk menumpu/restrain sistem perpipaan code
  telah menstandardkan persyaratan-persyaratan yang
  harus dipenuhi ? design criteria
• ANSI Piping Code dan ASME Boiler and Pressure
  Vessel Code ? informasi yang diperlukan dlm
  design
• Allowable material stress value
• Design equation governing stress
• Temperature effect
• Other design environtments

3
6.2 Failures Theories

• Teori Tegangan Normal Maksimum (TTNM)
• Teori Tegangan Geser Maksimum (TTGM)
• Teori Regangan Normal Maksimal (TRNM)
• Teori Energi Regangan Total (TERT)
• Teori Energi Distorsi (TED)

4
1. TEORI TEGANGAN NORMAL MAKSIMUM (TEORI RAKINE)

• Teori kegagalan ini diperkenalkan 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.
• Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb.
  

Catatan Perlu dicatat bahwa kegagalan yang
diprediksi dengan TTNM akan terjadi jika salah
satu dari hubungan terpenuhi.
5
Lingkaran Mohr menunjukkan tegangan maksimum
6
Hasil pengujian uniaksial baja
7
Representasi grafis TTNM
8
2. TEORI TEGANGAN GESER MAKSIMUM (TEORI
TRESCA-GUEST)

• Teori kegagalan ini diperkenalkan oleh Tresca
  (1865) , eksperimental 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.
• Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb.
  

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.
VENANTS)

• Teori kegagalan ini diperkenalkan 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.
• Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb.
  

Catatan Perlu dicatat bahwa kegagalan yang
diprediksi dengan TRNM akan terjadi jika salah
satu dari hubungan pada rumus (8.3) terpenuhi.
11
Representasi grafis TRNM
12
4. TEORI ENERGI REGANGAN TOTAL (TEORI BELTRAMI)

• Teori kegagalan ini diperkenalkan 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.
• Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb.
  

• Catatan
• 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)

• Teori kegagalan ini diperkenalkan Huber (1904)
  dan kemudian oleh adanya kontribusi Von Mises dan
  Hengky
• 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.
• Atau dalam bentuk matematik dapat dituliskan sbb.
  

• Catatan
• Penurunan rumus seperti persamaan (8.5) dapat
  diperoleh pada buku referensi Ref 1 atau buku
  teori kegagalan atau elemen mesin lainnya.
• Teori ini juga dinamakan teori tegangan geser
  oktahedral (octahedral shearing stress) karena
  sama-sama menghasilkan hubungan seperti pada
  persamaan (8.5) .

15
Representasi grafis 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 ? Alasan
• mudah diaplikasikan
• acceptable safe results (suitable SF)

• ASME section VIII sub NB (class 1) menggunakan
  Teori Tegangan Geser Maksimum
• ? Alasan
• lebih akurat
• lebih konservatif
• jika semua principal stress sama ??

20
6.3 Stress Catagories

• Mode kegagalan yang di-cover code
• Bursting atau excessive plastic deformation
• Plastic instability
• Incremental collaps due to cycling in platic
  range
• High strain low cycle fatigue

• Mode kegagalan yang tidak di-cover code
• Buckling
• Stress corrosion
• Brittle fracture

21
Catagori Stress

• 1. Primary Stress
• Menimbulkan kegagalan deformasi plastis, bursting
• Disebabkan oleh mechanical loadings
• Kegagalan baru terjadi jika seluruh cross section
  mencapai yield strength
• Not self limiting
• Pencegahan failure penghilangan beban
• strain hardening

22

• 2. Secondary Stress
• Menimbulkan kegagalan plastic instability dan
  incremental collapse
• Disebabkan oleh thermal expansion, anchor dan
  restraint movement
• self limiting

• 3. Peak Stress
• Menimbulkan kegagalan fatigue
• Tegangan lokal tertinggi yang menimbulkan
  kegagalan fatigue

23
6.4 Fatigue

• Tegangan bolak-balik dapat menimbulkan kegagalan
  fatigue
• Mekanisme localized discontinuities menjadi
  initial crack ? merambat akibat beban bolak balik
• Occur with litle or no warning

Gambar beban bolak balik
24

• Klasifikasi
• 1. Low-cycle fatigue
• Setiap siklus terjadi significant plastic
  strain
• High loads and small number of cycle before
  failure
• Kegagalan terjadi pada siklus lt 105
• 2. High cycle fatigue
• strain cycle dalam elastic range
• beban relatif rendah, high cycle
• Kegagalan terjadi pada siklus gt 106

Dalam struktur perpipaan, kegagalan fatigue
umumnya low-cycle fatigue
25

• S-N CURVE beberapa jenis material

Ferro alloys
Al alloys
Non Metal
26

• APLIKASI PADA SISTEM PERPIPAAN
• Beban alternating pada sistem perpipaan umumnya
  besarnya bervariasi selama service life
• Formula sederhana verified by eksperimental

U usage factor ni jumlah siklus
operasi pada level stress i Ni Jumlah
siklus sampai failure pada level
stress i di S-N curve
27
6.5 Service Levels Loads

• Berdasarkan durasi aplikasi beban, primary load
  diklasifikasikan menjadi dua jenis
• 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 pada safety perpipaan
  dalam menahan beban dibagai menjadi 4 level (ASME
  code Section VIII)
• Level A (normal)
• Instalasi bekerja dibawah beban normal seperti
  yang didesign
• Level B (Upset)
• Instalasi bekerja dibawah beban normal dan beban
  occasional ? instalasi tidak boleh mengalami
  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 assembly units
• Requirements for the evaluation and limitation of
  stresses, reactions, and movements
• Requirements for the fabrication, assembly, and
  erection of piping system
• Requirements for examination, inspection, and
  testing of piping system

30
6.6.1 B31.1 Power Piping Code

• Stress due to Sustained loadings
• Pressure, weight(live, dead, and under test
  loads), other mechanical load

P internal design pressure (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
• Sustained loading cccasional loading (including
  earthquake)

k 1.15 jika beban occasional lt 10 perioda
operasi 1.2 jika beban occasional lt 1
perioda operasi MB resultan momen pada
penampang akibat beban occasional (jika gempa
diperhitungkan gunakan 0.5 Mgempa, in.lb (mm.N)
34

• Stress due to expansion loadings
• Thermal expansion

Faktor reduksi f
Jml siklus temp f
lt 7000 1.0
7 000-14 000 0.9
22 000-22 000 0.8
22 000-45 000 0.7
45 000-100 000 0.6
gt 100 000 0.5
MC resultan momen pada penampang akibat
ekspansi thermal, in.lb (mm.N) SA allowable
stress for thermal ekspansion f(1.25Sc
0.25Sh) , psi (kPa) Sc basic allowable stress
(cold), psi (kPa) f faktor reduksi akibat beban
cyclic (tabel) SL sustained stress
35

• B31.1 - Perhitungan Basic allowable stress SC dan
  Sh ditentukan dari nilai minimum
• 0.25 ?ultimate pada temperatur operasi yang
  didesign
• 0.25 ?ultimate pada temperatur instalasi
• 0.625 ?yield pada temperatur operasi yang
  didesign
• 0.625 ?yield pada temperatur instalasi

36
6.6.2 B31.3 Chemical Plants Petroleum Refinery

• Stress due to Sustained loadings
• The longitudinal stress SL akibat tekanan, berat,
  dll tidak boleh melebihi Sh
• Dalam perhitungan SL tebal pipa tidak termasuk
  corrosion allowance, erosion, threads, groove
  depth

• Stress due to Occasional loadings
• The longitudinal stress SL akibat sustained
  loading occasional loading tidak boleh melebihi
  1.33Sh
• Beban angin dan gempa tidak terjadi bersamaan

37

• Stress due to thermal expansion loading

Bending stress
Torsional stress
ii in-plane stress intensification factor io
out-plane stress intensification factor Mi
in-plane bending moment Mo outplane bending
moment
Mt torsional moment, in.lb (mm.N) Z section
modulus, in3 (mm3)
38

• B31.3 - Perhitungan Basic allowable stress SC dan
  Sh ditentukan dari nilai minimum
• (1/3) ?ultimate pada temperatur kamar
• (1/3) ?ultimate pada temperatur operasi yang di
  design
• (2/3) ?yield pada temperatur kamar
• (2/3) ?yield pada temperatur operasi yang di
  design
• (khusus austenitic SS Nickel alloys ? 0.9
  ?yield
• 100 average stress for 0.01 creep rate per
  1000 jam
• 67 average stress for rupture at the end of 100
  000 jam
• 80 minimum stress rupture at the end of 100 000
  jam

39
6.6.3 B31.8 Gas Transmission and Distribution

• Stress due to Primary loadings
• The total longitudinal stress SL akibat primary
  loading (tekanan, berat, wind dll) dibatasi sbb

S specified minimum yield strength F
construction factor T temperatur derating
factor
Construction type Design factor F
A sparsely populated area - mountains, dessert, dll. 0.72
B fringe area - pinggir kota, pedesaan dll. 0.60
C dalam kota dengan bangunan lt 3 lantai 0.50
D dalam kota dengan bangunan tinggi 0.40
40
T Temperatur derating factor
Temperatur T
2500F (1210C) atau kurang 1.000
3000F (1490C) 0.967
3500F (1770C) 0.933
4000F (2040C) 0.900
4500F (2320C) 0.867
41

• Stress due to thermal expansion loading

Bending stress
Torsional stress
S Minimum yield strength MB resultant
bending moment Z section modulus i stress
intensification factor
Mt torsional moment

• Stress due to primary expansion loading lt S

42
6.6.4 ASME Boiler and Pressure Vessel Code
Section VIII, subsection ND

• Primary Stress Intensity Check

B1, B2 primary stress index P design gauge
pressure, psi (kPa) D0 outside diameter, in
(mm) t nominal wall thickness, in (mm) I
momen inersia penampang, in4 (mm4) Mi resultan
momen pada penampang, in.lb (mm.N) k 1.5
untuk level A, 1.8 untuk level B, 2.25 for level
C Sm allowable stress intensity value, psi (kPa)
43

• Primary plus Secondary Stress Intensity Range
• Mengevaluasi stress pada sistem dari satu load
  set ke load set yang lain

C1, C2, C3 secondary stress index for
component under investigation Mi resultan momen
yang terjadi akibat perubahan load set, in.lb
(mm.N) P0 range of service pressure, psi
(kPa) Ta, Tb Range of average temperature on
side a or b ?a,b coefficient of thermal
expansion on side a or b, in/(in.0F)mm/(mm.0C) Ea
b average modulus elasticity (pada temp kamar)
44

• Peak Stress Intensity range and fatigue analysis

45
Peak stress dihitung dengan persamaan
K1, K2, K3 local stress index for component
under investigation ? Poissons ratio
46
Untuk setiap Sp alternating stress intensity
dihitung dengan
m, n material parameters
Material m n
Low alloy steel 2.0 0.2
Martensitic stainless steel 2.0 0.2
Carbon steel 3.0 0.3
Austenitic stainless steel 1.7 0.3
Nickel chrome iron 1.7 0.3
47
Cummulative effect of stress cycles 1. Jumlah
siklus pembebanan untuk setiap tipe diberi simbul
n1, n2, dst 2. Untuk setiap siklus tegangan
hitung Salt 3. Aplikasikan Salt pada S-N curve
untuk mendapatkan umur siklus dengan tegangan
Salt (Code Appendix) 4. Hitung usage factor
untuk setiap stress cycle 5. Cumulative usage
factor U U1 U2
48
6.6.5 ASME Boiler and Pressure Vessel Code
Section III, subsection NC dan ND

• Stresses due Sustained Loading

Longitudinal pressure
B1, B2 primary stress index P design gauge
pressure, psi (kPa) D0 outside diameter, in
(mm) tn nominal wall thickness, in (mm) I
momen inersia penampang, in4 (mm4) MA resultan
momen pada penampang, in.lb (mm.N) Z section
modulus Sh basic material allowable stress, psi
(kPa)
49

• Stress due to Occasional Loadings
• Sustained loading occasional loading (including
  earthquake)

Pmax peak gauge pressure, psi (kPa) MB
resultan momen pada penampang akibat beban
sustained MB resultan momen pada penampang
akibat beban occasional
50

• Stress due to thermal expansion

atau
MC resultan momen akibat thermal expansion SA
Allowable stress for thermal expansion
f(1.25SC0.25Sh) SC basic alloable stress
(temp kamar) f stress reduction factor karena
beban cyclic (tabel)
51

• Stress due to unrepated anchor movement

MD resultan momen akibat anchor movement

• Catatan
• Basic allowable stress adalah nilai terendah dari
  
• 0.25 ?ultimate pada temperatur operasi
• 0.25 ?ultimate pada temperatur instalasi
• 0.625 ?yield pada temperatur operasi
• 0.625 ?yield pada temperatur instalasi

52
Perbandingan allowable stress (ksi)
53
END OF CHAPTER VI