Refinery Series - Introduction

Di akhir tahun ini, mimin akan membuat tulisan berseri kembali mengenai pengilangan atau akrab dikenal dengan sebutan "refinery". Refinery ini merupakan sebuah proses pengolahan migas menjadi berbagai macam produk melalui fraksinasi. Produk yang dihasilkan bermacam-macam sesuai dengan kandungan dari crude oil yang diolah dan juga macam plantnya, mulai dari yang simple hingga complex refinery.

Mimin buat refinery series ini karena terkait program pemerintah yang berencana untuk membuat refinery plant baru di Indonesia. Semoga dengan adanya tulisan ini bisa menambah wawasan kawan semua mengenai industri pengilangan dan bisa turut berkontribusi dalam pembangunan kilang minyak yang ada di Indonesia. 

Ada enam proyek kilang yang akan dikerjakan dengan timeframe hingga 2025. Mungkin cukup sekian tulisan perkenalan. Siapa yang bersiap, mudah-mudahan bisa mendapat pekerjaan di proyek pemerintah tersebut.

Sampai berjumpa di tulisan berikutnya.

   

Comm Series: Pressure Testing - Boundary P&ID untuk Leak Test (6)

Salah satu hal yang disiapkan sebelum melakukan eksekusi leak test adalah "leak test boundary P&ID". Dalam P&ID tersebut dijelaskan mana sistem yang akan diuji kebocorannya beserta sampai dimana batas sistem yang berhubungan dengan sistem yang akan diuji. Hal ini dilakukan sebagai bentuk antisipasi kemungkinan apabila sistem lain yang merupakan interfase dengan sistem yang teruji ikut ter-press up, misalkan karena valve isolasi yang passing.

Contoh yang akan diberikan pada posting kali ini berasal dari kontraktor Halliburton PPS yang juga spesialis dalam menangani program leak test.

Berikut adalah contoh legend daripada mark-up P&ID yang dipakai dalam dokumen leak test pack.

Legend drawing yang dipakai dalam Leak Test Pack

Dengan memahami legend tersebut, maka kita bisa mengetahui segala informasi yang dibutuhkan dalam menjalankan sebuah uji kebocoran. Berikut adalah contoh penerapan segala informasi yang telah kita dapatkan sebelumnya dalam membuat sebuah leak test pack.

Untuk mengetahui tekanan desain, dalam P&ID biasanya diketahui dari dalam sebuah insert legend P&ID yang biasanya berada dalam sebuah "kotak kecil" yang berada pada ujung sebuah P&ID.

Berikut adalah contoh tekanan desain sebuah sistem yang akan diuji kebocorannya, yang dalam hal ini dicontohkan adalah well flowline,

Equipment design pressure

Dari informasi tersebut, bisa diketahui bahwa tekanan desain adalah 13617 kPag. Maka tekanan yang dipergunakan dalam leak test adalah sebesar 0.9*13617 kPag, atau sebesar 12255 kPag.

Leak test design pressure

Potongan gambar berikutnya menunjukkan batas boundary antara sistem yang terkena leak test dengan sistem yang berdampingan. Sistem yang terletak di sebelah sistem yang diuji akan dipastikan juga posisi valvenya karena bisa jadi valve isolasi yang terletak pada batas sistem yang diuji kemungkinan passing. Sehingga sistem yang bersebelahan dengan sistem yang duji biasa disebut secondary boundary. Ia juga ikut di-mark up dengan satu valve terbuka ke atmosfer sebagai safety path untuk mengantisipasi jika valve isolasi (no. 3 dan 6) bocor.

Boundary leak test P&ID dan sistem yang berada di interfase

 Dari legend, bisa diketahui beberapa hal sebagaimana berikut:

- Sistem yang ber-mark-up kuning adalah sistem yang dikenai leak test.
- Valve no. 3 dan 6 adalah valve isolasi dimana upstream dari valve tersebut tidak terkena leak test sehingga linenya diberi warna biru. Line tersebut adalah secondary path untuk mengantisipasi apabila valve no. 3 dan 6 passing.
- Valve no. 4 dan 7 dibuka ke atmosfer untuk menghindari apabila valve isolasi no. 3 dan 6 bocor, maka tekanan tersebut tidak lari kemana-mana. Tetapi, terbuang lewat valve yang sengaja dibuka tersebut.
- Batas sistem yang tidak memiliki sistem yang berdampingan (secondary path), maka diwajibkan untuk diberikan spade untuk mencegah kebocoran apabila valve isolasinya passing. Hal ini ditunjukkan pada posisi upstream valve no. 2.

Untuk contoh boundary leak test dalam sistem yang terdapat rotating equipment adalah sebagaimana berikut:

Leak test in rotating equipment

Sistem yang memiliki rotating equipment, misalkan pada gambar diatas adalah pompa, biasanya dihindari untuk di-leak test dikarenakan bisa saja merusak seal. Hal ini dikarenakan pada saat melakukan leak test, mechanical seal pompa tidak bekerja karena pompa dalam keadaan mati. Hal ini berlaku untuk pompa yang mengandalkan seal dari fluida discharge. Untuk beberapa alat berputar yang sealnya bisa diaktifkan dengan cara lain, meskipun alat tersebut tidak perlu diaktifkan, maka leak lest bisa dilakukan.

Kadangkala, ada juga sistem yang memiliki beberapa jenis tekanan uji, namun berada dalam satu testpack. Hal ini bisa dilakukan jika sistem tersebut tidak terlalu besar. Misalkan, untuk line yang berada di dekat sumur produksi. Hal ini bisa dilakukan dengan cara melakukan leak test pada line yang lebih rendah tekanan testnya. Dilanjutkan dengan leak test pada line yang memerlukan tekanan yang lebih tinggi. Tidak diperbolehkan melakukan proses decanting tekanan, atau memindahkan tekanan dari line yang lebih tinggi ke line yang lebih rendah. Hal ini untuk menghindari over-pressure karena bisa jadi pada saat dilakukan proses decanting terjadi sesuatu sehingga tidak bisa terkontrol dengan baik. 

Demikian Comm Series mengenai uji kebocoran dalam enam seri tulisan. Semoga dapat bermanfaat. Mohon maaf bila ada kekurangan dan mimin berterima kasih pada banyak sumber yang menjadi rujukan dalam penulisan seri uji kebocoran ini.

Semoga bermanfaat.

Comm Series: Pressure Testing - Equipment Installation (5)

Peralatan yang digunakan untuk melakukan uji tekan menggunakan nitrogen merupakan peralatan yang sebagian besar bersifat sementara dan membutuhkan waktu yang tidak sedikit untuk men-set up peralatan tersebut agar dapat digunakan di lapangan. Tulisan kali ini akan menjelaskan contoh satu set rangkaian peralatan yang dipergunakan pada saat leak test yang bersumber dari proyek leak test yang dikerjakan oleh Halliburton.

Halliburton Pipeline and Process Services : Salah satu penyedia jasa leak test

Beberapa contoh rangkaian peralatan yang digunakan pada saat leak test:

1. Nitrogen Converter + Booster Pump, jika menggunakan nitrogen cair

2. Leak test package: 

    - Mass spectrometer

    - Alat kalibrasi

    - Safety sign/ barrier

    - Hand tools

    - Fitting kits

3. Gas Bottle regulator

4. Chart Recorder

5. Pressure gauge

6. HP hoses

7. Overpressure shutdown skid

8. Manifold

9.Leak test cabin

10. PRVs

11. Nitrogen tank (2000USG)

12. 16 Cylinder helium quad

13. Vacuum test equipment, jika tekanan tes pada kondisi dibawah atmosferik

Berikut adalah rangkaian pemasangan dari peralatan diatas pada saat leak test dilakukan:

Leak test equipments assembly

Satu peralatan penting yang terdapat dari rangkaian tersebut adalah Over pressure protection (OPP)/ Over pressurization system (OPS) Skid. Alat ini berfungsi untuk mencegah sistem mengalami tekanan berlebih dengan cara men-shutdown pompa. Alat ini merupakan primary protection terhadap overpressure pada sistem. Secondary protection adalah PRV yang dipasang didalam sistem. Perlu untuk diketahui OPS Skid ini selain digunakan sebagai over pressure protection, juga bisa digunakan oleh operatir untuk memantau tekanan dalam sistem dan juga tempat pemasangan chart recorder sebagai dokumentasi.  

Tipikal setting pressure antara alat proteksi dan sistem yang dites adalah sebagai berikut:

System Design Pressure   > 100%
Leak Test Pressure           >  90% x system design pressure
Pressure relief valve         >  100% (sama dengan system design pressure)
OPS Skid                           >  95% x system design pressure

Ketika menjalankan pressure test, tidak serta merta tekanan akan dinaikkan secara terus menerus dari 0 hingga mencapai 100%, namun secara bertahap. Biasanya ia akan dinaikkan secara bertahap dengan interval sebesar 25%. Jadi, tiap 25% kenaikan tekanan, maka injeksi nitrogen akan distop dan sistem akan diamati apakah terjadi kebocoran. Hal ini sebagai upaya untuk meminimalisir terjadinya banyak kebocoran pada tekanan yang lebih tinggi. Jika terjadi kebocoran, maka akan segera diperbaiki pada kondisi bertekanan jika memungkinkan atau harus dilakukan lokal isolasi dan depresurisasi terlebih dahulu jika tidak memungkinkan untuk perbaikan kebocoran pada kondisi bertekanan. Hal ini merupakan tanggung jawab supervisor leak test.

Selain press-up secara bertahap, sebelum melakukan injeksi nitrogen  biasanya dilakukan gross leak test pada saat tekanan dalam sistem masih 0 psig yang bisa dengan menggunakan udara (dry air), hingga mencapai tekanan 1-2 bar. Hal ini untuk melihat apakah sistem yang di-leak test telah terisolasi secara sempurna dengan sistem yang lain dan tidak ada yang mengarah ke tempat yang tidak dikehendaki.

Berikut adalah grafik contoh mekanisme press-up dari tekanan nol hingga 100%:

Pada bagian selanjutnya, akan dibahs mengenai boundary limit dalam membuat leak test package.

Keep Stay Tuned

Comm Series: Pressure Testing - Menghitung Kebutuhan Nitrogen (4)

Bagaimana cara memperkirakan kebutuhan nitrogen yang dipergunakan untuk kegiatan leak test?

Free volume dari sebuah sistem perpipaan dapat diketahui dari gambar isometrik,sedangkan free volume dari sebuah bejana dapat diketahui dari P&ID maupun general arrangement drawing untuk lebih detailnya.

Dari isometric tersebut, bisa diketahui material list dari sebuah sistem perpipaan seperti panjang dan juga ukuran pipa yang dipakai.

Material list dalam isometrik pipa untuk melihat ukuran dan panjang pipa

Nah, dari informasi tersebut, bisa diperkirakan volume ruang dari sebuah sistem perpipaan. Begitupun juga yang akan dilakukan, jika sistem yang akan diuji juga terdapat sebuah bejana. Volume ruang yang didapatkan merupakan volume ruang untuk tekanan satu atmosfir. Untuk mendapatkan volume ruang yang dibutuhkan pada saat leak test, maka jumlah nitrogen yang dibutuhkan adalah volume ruang dikalikan dengan tekanan pada waktu test.

Contoh: Jika volume ruang ditemukan sebesar 20m3, dan tekanan test adalah sebesar 100 bar. Maka jumlah nitrogen yang dibutuhkan adalah 20*100 = 2ribu m3, dengan rincian bahwa ukuran volume tersebut adalah nitrogen dalam bentuk gas.

Biasanya kontraktor yang bertugas untuk melakukan leak test akan menggunakan ISO Tank berukuran besar yang berisi nitrogen cair untuk digunakan sebagai supply. ISO tank dipilih untuk kasus leak test yang memerlukan volume yang besar. Jika ternyata diketahui free volume yang diperlukan dalam uji tekanan kecil, maka yang dipergunakan adalah silinder dimana nitrogen yang keluar dari silinder tersebut langsung berwujud gas.

ISO tank sebagai kontainer nitrogen cair

Proses evaporasi dari nitrogen cair menjadi nitrogen gas akan menyebabkan volumenya naik secara signifikan. Hal ini bisa dijelaskan karena densitas suatu fluida pada keadaan cair lebih rapat jika dibandingkan dengan densitas fluida pada keadaan gas. Untuk mengetahui seberapa besar ekspansi nitrogen dari keadaan cair menjadi gas, bisa dilihat dari data specific volume yang dimiliki oleh suatu fluida. Namun, untuk lebih mudahnya bisa langsung melihat melalui kalkulasi instan yang sudah dibuat sebagaimana pada situs berikut.

Tabel konversi nitrogen

Bisa dilihat dari data diatas, untuk setiap liter nitrogen cair, akan menghasilkan volume sebesar 696 liter. Atau, dengan kata lain volume nitrogen akan meningkat 696x apabila berubah dari fasa cair ke fasa gas. Angka ini akan digunakan untuk memperkirakan jumlah nitrogen yang dibutuhkan pada saat leak test. Lebih lanjut lagi, volume yang dibutuhkan untuk menaikkan dari tekanan P1 ke P2 yang lebih tinggi tiap interval akan semakin berkurang seiring kenaikan tekanan karena adanya compressibility factor (Z). Semakin tinggi tekanan, molekul akan semakin sering bertumbukan satu sama lain, sehingga volumenya akan semakin membesar. Hal ini menyebabkan kebutuhan nitrogen menjadi berkurang.

Dalam segi operasional, hilangnya nitrogen selain dari kebutuhan tes juga tidak bisa dihindari, seperti akibat proses depress untuk menghindari tekanan berlebih jika menggunakan ISO tank dan kemudian hilangnya di perpipaan non permanen yang digunakan sebagai sambungan. Biasanya digunakan 10% tambahan dari jumlah nominal nitrogen yang dibutuhkan untuk mengakomodir hal tersebut.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai teknis setting peralatan yang digunakan pada saat leak test

Keep Stay Tuned

Comm Series: Pressure Testing - Pedoman Membuat Test Pack (3)

Setelah membahas mengenai aspek safety khusus untuk tes kebocoran pada posting sebelumnya, pada kesempatan kali ini akan dilanjutkan mengenai pembahasan apa yang seharusnya ditulis dalam membuat leak test pack (LTP).

Kegiatan uji kebocoran

LTP merupakan prosedur yang harus diserahkan dan di-review oleh perusahaan untuk didapatkan persetujuan sebelum eksekusi uji kebocoran dilakukan. Selain itu, peralatan yang digunakan untuk uji kebocoran, beberapa contoh diantaranya:  helium mass spectrometer, oxygen analyzer, pressure gauges, chart recorder, over-pressure protection (OPP), etc. harus dikalibrasi terlebih dahulu, sebelum digunakan. Hal ini dibuktikan dengan diserahkannya copi dari sertifikat kalibrasi yang masih valid sebagai dokumentasi pendahuluan.

LTP berisi satu set lengkap dari Process and Instrumentation Diagrams (P&ID) yang ditandai (mark-up) sesuai dengan kebutuhan untuk uji kebocoran. Dalam P&ID tersebut dengan jelas harus mengidentifikasikan:

1) Batas sistem yang di-tes

2) Valve-valve kritikal yang berada dalam zona tes dan posisi open/closenya

3) Titik dari mana pressurization dan de-pressurization dilakukan

4) Jalur venting primer dan sekunder (jika praktikal, menggunakan jalur venting yang sudah terpasang di sistem bisa dilakukan dibandingkan proses venting secara langsung ke atmosfir)

5) Pressure gauge lokal yang digunakan sebagai acuan tes

6) Prosedur inerting untuk sistem perpipaan sebagai persiapan untuk memasukkan hidrokarbon. Identifikasi adanya zona dead end dan metode yang efektif untuk mendapatkan kondisi inert tersebut.

7) Adanya peluang gas yang terjebak dan titik untuk melakukan release tekanan ("bleeding")

8) Valves kritikal yang dijadikan titik isolasi  

9) Batas dari LTP adalah valves double block and bleed atau di-blind. 

10) Kontraktor yang bertugas untuk melakukan uji kebocoran harus membuat rencana detail dan prosedur ketika dalam sebuah sistem memiliki beberapa rating uji tekan yang berbeda. Prosedur untuk memindahkan dari tekanan rendah ke tekanan yang lebih tinggi (yang belum terisi gas) harus dilakukan secara aman dan terkontrol. Catatan: tidak boleh memindahkan dari sistem dengan rating bertekanan tinggi ke rating yang bertekanan rendah.

11) Isolasi alat berputar (i.e.: pompa, kompresor, etc) dari sistem proses menggunakan blind atau valve isolasi. Pertimbangkan untuk membuka jalur drain atau bleed yang terdapat pada alat putar tersebut untuk menjaga jika sewaktu-waktu ada kebocoran gas yang masuk ke dalam alat tersebut.

Dari dasar LTP tersebut diatas, pada bagian selanjutnya akan kita lihat contoh dari pembuatan sebuah LTP dan ukuran penentuan gas yang dibutuhkan dalam melakukan sebuah uji kebocoran.

Keep Stay Tuned

Comm Series: Pressure Testing - Test Pack Leak Test, Safety Guideline (2)

Test Pack atau paket tes dalam pressure testing, biasa disebut leak test pack (LTP), merupakan dokumen yang menggambarkan bagaimana sebuah tes kebocoran dieksekusi untuk sebuah sistem dalam garis batas tekanan yang sama. Jumlah LTP akan menggambarkan seberapa banyak tes kebocoran dilakukan sekaligus menggambarkan seberapa banyak beban kerja tim commissioning dalam melakukan uji kebocoran.

Beberapa Safety Guidelines yang menjadi acuan dalam membuat dokumen LTP dan harus dipenuhi ketika eksekusi uji kebocoran:

1) Prosedur LTP harus dilengkapi dengan Job Safety Analysis (JSA), yang terdiri atas:

- Ijin kerja dan isolasi energi i.e.: log out/ tag out (LOTO) yang dibutuhkan
- Sistem proteksi untuk mencegah overpressure, i.e.: PSV, burst plate, etc.
- Pengaturan jarak aman (exclusion zone) dimana hanya pihak yang berkepentingan saja yang boleh masuk dan perlengkapan alat proteksi untuk personil yang melakukan inspeksi

2) Safety sign yang layak untuk memperingatkan pekerja yang tidak berkepentingan agar tidak masuk ke dalam exclusion zone, i.e.: warning flag, warning board, restricted access tape, etc.

3) Proses transfer tekanan dari satu LTP ke LTP lainnya dalam rangka menghemat gas yang digunakan untuk uji kebocoran bisa dilakukan jika ada persetujuan berdasarkan risk assesment yang telah dilakukan dan hanya untuk transfer dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Tidak berlaku sebaliknya.

4) Semua sistem yang diuji kebocorannya harus memiliki sistem proteksi terhadap peristiwa "over pressure" dalam bentuk online pressure relief valve (PRV) yang terhubung ke dalam sistem

5) Uji kebocoran hanya bisa dilakukan setelah ada notifikasi bahwa sistem secara fisik telah selesai dan siap beroperasi (ready for energization). Maka dari itu, uji kebocoran semestinya dilakukan sebagai pekerjaan terakhir dari commissioning sebelum start-up.

6) Saat menggunakan pompa nitrogen converter, harus dilengkapi dengan over pressure protection (OPP) skid yang bisa men-shutdown pompa ketika pompa menghasilkan tekanan berlebih.

7) Sebuah sistem yang memiliki rating tekanan yang berbeda-beda akan memiliki LTP yang konsisten dengan spesifikasinya. Jika sebuah LTP membutuhkan pengujian dengan rating tekanan yang berbeda-beda, maka sistem dengan tekanan yang paling rendah akan di-tes terlebih dahulu. Setelah tes dengan tekanan yang lebih rendah tersebut berhasil, maka isolasi akan dilakukan pada sebagian perpipaan pada titik specification breaks dan pipa tersisa yang memiliki spesifikasi rating untuk tekanan lebih tinggi akan dites sesuai dengan tekanan yang sesuai. 

8) Semua selang yang dipakai untuk uji kebocoran harus sesuai atau lebih besar dengan rating tekanan sistem yang diuji dan ditiap sambungannya harus diberi "whip check" untuk mencegah selang bertekanan bergerak liar ("whipping") ketika sambungan terlepas.

Beberapa safety guidelines yang tertuang diatas berasal dari ExxonMobile. Uji kebocoran merupakan sebuah kegiatan yang cukup beresiko dalam kegiatan commissioning karena pada waktu itulah kita membuat sebuah sistem menjadi bertekanan untuk pertama kalinya.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai aspek teknis LTP yang digunakan sebagai acuan dalam eksekusi uji kebocoran.

Keep Stay Tuned 

Comm Series: Pressure Testing - Metode Tes Kebocoran (1)

Salah satu tugas yang dilakukan dalam fase commissioning dalam sebuah proyek pembangunan sebuah plant adalah melakukan leak test atau tes kebocoran. Secara definisi, tes kebocoran adalah sebuah uji tekanan yang didesain untuk mengukur kemampuan sebuah sistem baik itu perpipaan maupun sebuah kontainer dalam menampung sebuah tekanan terutama pada sambungan-sambungannya setelah dirakit pada lokasi final di dalam sebuah site. Tekanan yang digunakan pada tes kebocoran ini biasanya adalah 90% daripada desain maksimum yang diperbolehkan.

Tes kebocoran ini sangat penting karena kita tidak menginginkan adanya kebocoran terutama ketika bahan baku produksi yang biasanya berbahaya dan bersifat beracun telah dimasukkan ke dalam alat produksi, Hal ini terutama pada proses produksi minyak bumi dimana bahan bakunya mudah terbakar dan terkadang mengandung senyawa H2S yang bisa mengakibatkan kejadian fatalitas apabila terpapar pada manusia. 

Media yang digunakan dalam melakukan tes kebocoran tentu saja sangat bergantung daripada jenis fluida yang ditangani dalam sebuah sistem. Untuk sistem yang menangani fluida yang tidak berbahaya seperti udara ataupun air, biasanya media yang digunakan adalah langsung fluida tersebut sendiri dan disebut sebagai service test. Adanya kebocoran bisa dicek secara visual menggunakan gelembung sabun ataupun tetesan apabila fluidanya cair. Sedangkan untuk sistem yang menangani fluida berbahaya, beracun dan mudah terbakar, biasanya digunakan nitrogen sebagai medium. Metoda Soap Bubble Test digunakan untuk mengecek adanya kebocoran. Dalam kelas yang lebih strict lagi, dimana fluida yang ditangani dalam sebuah sistem bersifat mematikan (lethal) contohnya sistem yang mengandung gas H2S, yang digunakan adalah nitrogen dengan tambahan gas residual yakni helium. Analyzer digunakan untuk mengecek adanya kebocoran lewat probe yang didekatkan ke arah sambungan-sambungan perpipaan.

Berikut adalah metode tes kebocoran dan kriteria dimana tes kebocoran tersebut dinyatakan berhasil versi dari perusahaan ExxonMobile: 

Dalam proyek Oil and Gas, concern paling utama adalah melakukan tes kebocoran dengan menggunakan nitrogen-helium. Hal ini dikarenakan apabila terjadi kebocoran, sistem harus di shut down untuk dapat memperbaiki kebocoran tersebut karena fluida yang ditangani bisa membahayakan keselamatan. Efek lainnya, kegiatan produksi menjadi terhenti.

Dalam tabel diatas dapat diketahui tes kebocoran dengan menggunakan N2/He, kriteria kebocoran yang masih bisa ditoleransi adalah tidak lebih dari 50 scf/yr. Angka ini adalah common practice yang sering digunakan di industri oil and gas. Jika mengacu pada BS EN 1779: 1999, untuk beberapa metode tes kebocoran, dapat diketahui berapa nilai minimum dari sebuah kebocoran yang dapat dideteksi dari metode tersebut, disajikan pada tabel dibawah:

Metode Tes Kebocoran

Berdasarkan pada tabel tersebut bahwa dengan menggunakan metode tes gelembung, i.e.: menggunakan SNOOP, minimum kebocoran yang bisa dideteksi adalah sekitar 111.4 scf/yr, sedangkan dengan menggunakan residual gas analyzer, misalkan helium bisa mendeteksi kebocoran hingga 0.114 scf/yr. Dengan kriteria acceptance minimum 50 scf/yr, maka tes dengan menggunakan nitrogen dan 1% helium harus digunakan. Inilah dasar tes kebocoran dengan menggunakan N2/He yang biasanya digunakan untuk menangani sistem yang mengandung fluida beracun.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai cara membuat test pack (TP) untuk kegiatan tes kebocoran

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Gas Liquid Line Design (4b)

Setelah sebelumnya dibahas mengenai persamaan yang digunakan dalam mendesain line yang dipergunakan untuk menangani fluida dua fasa, pada kesempatan kali ini akan dibahas mengenai aplikasi dari bahasan sebelumnya tersebut lewat soal yang akan dijelaskan dibawah.

Soal:

Diperlukan desain ukuran sebuah line closed drain header yang menampung buangan dari berbagai fluida proses, yang terdiri atas hydrocarbon berupa minyak dan gas. Closed drain header ini alirannya bersifat intermittent. Hanya akan digunakan, ketika kita ingin membuang fluida dari sebuah bejana, utamanya untuk kegiatan maintenance.  Karena fluida tidak mengandung H2S, maka material line yang digunakan adalah carbon steel. Adapun data operasi, berdasarkan simulasi buangan maksimum dari berbagai vessel yang terhubung ke dalam jalur header adalah sebagaimana berikut:

  

Pertanyaan:

Tentukan diameter line yang dapat digunakan untuk closed drain header tersebut sesuai dengan kondisi operasi seperti diatas.

Jawaban:

Berdasarkan standar API RP 14E section 2.5.b, kecepatan minimal yang diperbolehkan adalah sebesar 10 ft/s. Sedangkan, untuk material carbon steel bisa diketemukan, berdasarkan tulisan sebelumnya, konstanta empiris (C) untuk menghitung kecepatan erosi adalah sebesar 150 untuk intermittent service.    

Berdasarkan basis data yang sudah ada, maka didapatkan hasil kalkulasi sebagaimana berikut:

Dari data kalkulasi tersebut, maka bisa didapatkan kriteria desain sebagaimana berikut:

Setelah diketahui kecepatan minimum dan kecepatan maksimum yang berada dalam batasan desain, maka bisa didapatkan diameter maksimum dan minimum yang bisa dijadikan acuan untuk mencari diameter line yang sesuai.

Dari data tersebut, dapat diketahui bahwa diameter yang dibutuhkan ada pada range angka 3 hingga 9 inch. Dari beberapa pilihan ukuran tersebut, kita akan pilih yang sesuai dengan kriteria batasan desain. Hasilnya ditunjukkan, oleh kalkulasi dibawah:

Berdasar dari data tersebut, dapat diketahui bahwa yang memenuhi syarat adalah pipa dengan diameter nominal 4, 6 dan 8 inch. Selanjutnya, akan dilihat profil dari aliran pada tiap-tiap ukuran pipa tersebut. Hasilnya adalah seperti dibawah:

Berdasarkan regime flow, baik horizontal maupun vertikal line, tipe aliran yang ditimbulkan adalah sama. Maka, yang dipakai dalam desain line untuk sistem Closed Drain header ini adalah pipa dengan ukuran NPS 4 inch.

Demikian pembahasan mengenai perhitungan desain untuk mengetahui ukuran pipa yang digunakan untuk menangani fluida dua fasa.

Kita telah membahas desain ukuran pipa, baik untuk menangani fluida cair, gas maupun dua fasa. Pada bagian selanjutnya, kita akan mendesain sebuah pompa.

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Gas Liquid Line Design (4a)

Beberapa rumus yang dipergunakan untuk mendesain ukuran pipa yang menangani campuran fluida gas dan liquid adalah sebagaimana berikut:

1. Kecepatan:

2. Kecepatan erosi:

Adapun konstanta yang digunakan dalam persamaan diatas adalah sebaimana berikut:

3. Laju hilang tekan:

4. Tingkat kebisingan

Dari beberapa rumus tersebut, akan dikombinasikan untuk mendapatkan ukuran pipa sesuai dengan langkah-langkah sebagaimana berikut:

A. Hitung kecepatan erosi dan tentukan ukuran pipa minimum yang dibutuhkan untuk mencegah erosi fluida kedalam pipa.

B. Cek pola dari aliran yang ditimbulkan menggunakan Flow Regime Map, contohnya: "Mandhane et al.Horizontal Flow Regime Map" yang dijelaskan pada gambar 1 seperti dibawah untuk menjamin bahwa pola slug flow tidak terjadi dan annular mist flow yang dikehendaki. Meskipun demikian, jika slug flow pada akhirnya tidak bisa dihindari karena keterbatasan dari faktor lainnya, yakni kecepatan erosi, maka ukuran pipa bisa diterima.

C. Hitung laju hilang tekan sesuai dengan persamaan yang telah dijelaskan sebelumnya.

Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, untuk sistem perpipaan yang sangat panjang, seperti misalnya pada stasiun pengumpulan gas dan juga jalur perpipaan yang sangat panjang, maka penghitungan sesuai dengan rumus diatas bisa tidak valid dan harus menggunakan alat komputasi numerik yang sesuai, misalnya PIPESIM.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai pengaplikasian rumus diatas dalam mendesain ukuran pipa untuk menangani fluida yang berada dalam dua fasa.

Keep Stay Tuned.

Engineering Design: Line Sizing - Liquid Line Design Example (3b)

Setelah membahas cara mendesain sebuah line liquid pada tulisan terdahulu, saatnya kita kembali lagi untuk mempelajari contoh kasus dalam mendesain sebuah line untuk fluida liquid melalui soal dibawah ini:

Soal:

Sump Pit

Dalam sebuah plant, kita mengenal sebuah sistem yang dinamakan Open Drain. Sesuai namanya, sistem ini digunakan untuk menampung semua air buangan yang berada disekitar plant, yang tidak mengandung bahan berbahaya beracun (B3). Contohnya adalah air hujan, kondensat dari steam, dan lain sebagainya.

Sebelum dibuang kembali ke lingkungan, ia ditampung dalam sebuah bak yang disebut sebagai Open Drain Sump Tank, dipompakan ke dalam sebuah separator untuk dipisahkan jika mengandung minyak, untuk kemudian bisa dibuang kembali ke lingkungan di luar Plant.

Kali ini, kita akan mendesain ukuran pipa yang digunakan untuk mengalirkan air dari Open Drain Sump Tank. Detailnya, pipa ini terletak pada discharge pompa Open Drain Pump. Air yang ditransfer tidak mengandung pasir karena yang diambil adalah air yang berada berada pada sisi overflow Open Drain Tank yang terdiri atas dua kompartemen yang berbeda. Diketahui dari data proses, bahwa kondisi pada discharge pompa adalah P = 6.36 psig dan T = 70 F dengan normal flow rate sebesar 20235 lb/hr. Material pipa yang dipakai adalah karbon steel.

Pertanyaan: Tentukan ukuran pipa yang bisa dipakai untuk menyalurkan air tersebut

Jawaban:

Dari data yang bisa diambil dari persoalan diatas, bisa dibuat rincian sebagimana berikut:

Kita ambil kecepatan maksimum yang paling rendah yaitu untuk pipa ukuran kurang dari 4 inch pada desain kriteria (Vmax = 6 ft/s) untuk menghitung diameter minimum yang diijinkan.

Didapatkan Dmin = 1.66 inch. Vmax ini akan digunakan sebagai batasan desain, dengan catatan bahwa pipa yang dipergunakan sebagai trial harus kurang dari 4 inch agar valid. Untuk DP yang diijinkan pada kondisi tersebut, bisa dilihat pada tabel desain kriteria adalah maksimum 1.6 psi/ 100 ft. Bisa disimpulkan, batasan desain adalah sebagai berikut:

Selanjutnya, kita akan mencari ukuran pipa yang sesuai dengan batasan kriteria yang telah ditentukan diatas. Hasilnya bisa dilihat pada tabel dibawah:

Bisa dilihat bahwa pipa dengan Sch 40, NPS 2 dan 3 inch, memnuhi syarat dari segi kecepatan dan juga laju hilang tekan. Maka, bisa dipilih pipa ukuran 2 inch pada kasus kali ini.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas cara untuk mendesain ukuran pipa yang digunakan untuk menangani fluida dalam dua fasa sekaligus, yakni cair dan gas.

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Liquid Line Design (3a)

Untuk desain ukuran pipa pada jalur cairan, parameter yang digunakan bisa dikatakan kurang lebih sama dengan desain perpipaan dengan menggunakan fluida gas. Yang membedakan adalah dari segi sizing criteria. 

Mari kita tengok kembali persamaan yang digunakan pada waktu kita menentukan ukuran pipa pada fluida gas, yang kali ini dipergunakan untuk mendesain ukuran pipa untuk fluida cair:

================================================================

Formula Dasar

1. Rumus untuk menentukan kecepatan dalam aliran perpipaan untuk fluida satu fasa berbentuk cair:

2. Laju hilang tekan atau pressure drop dalam psi tiap 100 ft panjang aliran, yang dihitung berdasarkan persamaan Darcy:

Untuk mencari Moody friction factor (fm), kita harus mengetahui bilangan Reynoldnya terlebih dahulu, dengan rumus sebagaimana berikut:

Ketika aliran fluida laminar (Re < 2000), maka nilai fm memiliki hubungan dengan bilangan Re, sebagaimana berikut:

Tingkat kekasaran permukaan pipa tidak memiliki efek pada friksi yang dialami oleh aliran pada laju alir laminar. Namun, ketika fluida turbulen, maka nilai fm sangat bergantung pada bilangan Re dan tingkat kekasaran relatif dari sebuah pipa lewat persamaan berikut:

Tingkat kekasaran pipa untuk beberapa material yang berbeda ditunjukkan pada tabel dibawah:

          ================================================================

Sizing Criteria

Batasan dalam mendesain ukuran pipa untuk menangani fluida cair agak lebih rumit jika dibandingkan dengan ketika kita mendesain ukuran pipa untuk fluida gas. Untuk sistem dimana terdapat pasir dalam aliran liquid, misalkan air bawah tanah, maka kecepatan minimum 3 ft/s harus dijaga pada semua ukuran pipa untuk menghindari terjadinya endapan pasir dalam perpipaan.

A. Pumped Liquids
Untuk fluida mendidih yang berada dalam jalur perpipaan yang berhubungan dengan pompa, maka petunjuk untuk laju hilang tekan dan kecepatan aliran yang diperbolehkan ditunjukkan dalam tabel dibawah. Untuk fluida yang dianggap tidak dalam keadaan mendidih, maka suhu fluidanya setidaknya harus 30F dibawah titik didihnya. 

Untuk pompa berjenis reciprocating, perhatian yang spesifik harus diberikan ketika menentukan ukuran suction dan juga discharge pompa terhadap efek pulsasi/ getaran dan juga akselerasi. Secara umum, line didesain untuk kecepatan aliran yang rendah jika dibandingkan dengan pompa centrifugal. 

B. Liquid Flowing by Pressure
Untuk line dimana peristiwa flashing atau penguapan cairan bisa terjadi pada upstream control valve, maka line harus di-desain berdasarkan kriteria yang sama dengan line yang berada pada suction pompa, seperti yang ditunjukkan pada tabel sebelumnya.

Secara umum, untuk fluida liquid yang mengalir karena perbedaan tekanan, kriteria desainnya adalah seperti ditunjukkan pada tabel dibawah:

Jika laju hilang tekan yang tersedia rendah, routing line harus didesain sehingga laju hilang tekan akibat friksi perpipaan aktual tidak melebihi 50% dari laju hilang tekan yang tersedia.

C. Gravity Flow Lines
Untuk laju alir yang terjadi karena gravitasi, maka harus didesain dengan maksimum laju hilang tekan adalah 0.15 psi/ 100 ft panjang ekuivalen (berdasarkan kemiringan 1:100). Perhatian waktu mendesain harus diberikan untuk menghindari flashing pada line yang berada pada barometic legs. Untuk pipa dengan diameter dibawah 8 inchi harus didesain dengan 50% full liquid, sedangkan pipa dengan diameter 8 inchi atau lebih harus didesain dengan 75% full liquid.
 
D. Static Accumulation
Kecepatan maksimal dari line masuk/ meninggalkan tangki yang mengandung hidrokarbon, dan tidak memiliki blanket gas harus dibatasi sebesar 3ft/s pada 30 ft pertama line menuju/dari tangki untuk mencegah akumulasi muatan statis. Kriteria ini berlaku pada tangki yang mengandung fluida yang mudah terbakar seperti diesel.

E. Other Corrosive Liquids
Untuk meminimalisir korosi, pipa yang mengandung liquid korosif  harus didesain dengan batasan kecepatan dan laju hilang tekan maksimum seperti ditunjukkan pad tabel dibawah:

F. Drains
Untuk menghindari terbentuknya deposit partikel padat, pada sistem sewage, closed dan open drains harus didesain dengan kecepatan minimum yang diberikan pada tabel dibawah:

G. Tanks Overflows
Line overflow didesain mengacu pada net laju alir masuk maksimum ke dalam tangki dengan menggunakan head tersedia yang terbentuk pada titik overflow. Untuk overflow yang melalui line vertikal, digunakan persamaan Francis, sebagaimana berikut:

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai aplikasi dari rumus dan kriteria desain dalam menentukan ukuran pipa yang digunakan untuk mengalirkan fluida liquid

Keep Stay Tuned

Engineering Design: Line Sizing - Gas Line Design Example (2b)

Berikut adalah aplikasi dari bahasan sebelumya, untuk mendesain ukuran sebuah jalur perpipaan yang digunakan untuk menangani fluida gas.

Contoh Soal:

Desainlah sebuah ukuran line nitrogen yang digunakan pada tekanan 125 psig dan suhu 100 F dengan laju alir 1.368 MMSCFD melalui pipa dengan material galvanized carbon steel dengan kekasaran 0.0059 in. Adapun laju hilang tekan yang diperbolehkan adalah sebesar 1 psi/ 100 psig dan tingkat kebisingan pada jarak 3 ft adalah sekitar 85 dB. Tidak ada kelebihan margin desain pada line nitrogen ini.  

Jawaban:

Pertama, kita harus menjabarkan terlebih dahulu, data-data yang sudah diketahui sebelumnya dari soal diatas, sebagaimana berikut :

Dari data tersebut, kita bisa melakukan kalkulasi untuk beberapa ukuran line dengan berdasarkan kriteria desain sebagaimana berikut :

Dari data desain dan juga kriteria desain, dengan menggunakan rumus kecepatan, sebenarnya kita sudah bisa mendapatkan nilai diameter minimum dimana menghasilkan kecepatan maksimum yang diperbolehkan, yakni 1.29 in. Maka kita akan mulai uji pilihan ukuran pipa mulai dari diameter 1 in untuk menentukan apakah ukuran pipa tersebut memenuhi semua kriteria yang ada. 

Untuk ukuran pipa yang dijual mengacu pada standar internasional, bisa dilihat pada tautan dibawah:  https://www.pipefittingweb.com/news/Pipe's%20Wall%20Thickness.pdf

Dengan dimulai dari diameter pipa mininum ukuran satu inch hingga empat inch, hasilnya tercantum seperti dibawah:

Uji kriteria kecepatan yang dihasilkan

Dari segi kecepatan maksimum yang diperbolehkan, pipa ukuran 2,3 dan 4 masih sesuai dengan kriteria desain:

Uji hilang tekan yang diperbolehkan

Dari segi laju hilang tekan, yang maksimum adalah 1 psi/ 100 ft, hanya pipa ukuran 2 dan 3 yang memenuhi syarat:

Uji tingkat kebisingan yang diperbolehkan

Dari segi tingkat kebisingan, pipa ukuran  2, 3 dan 4 memenuhi syarat.

Maka dari segi kriteria desain, yang memenuhi syarat adalah pipa dengan NPS 3 dan 4. Yang dipilih tentu saja adalah pipa dengan dengan ukuran NPS = 3 karena dari segi keekonomisan dan tidak over-design.

Pada bagian selanjutnya, akan dibahas mengenai cara menentukan ukuran diameter untuk line yang menangani fluida cair.

Keep Stay Tuned