Hana Subhiyah, Budi Santoso

Proseding Pertemuan Ifmiah Rekayasa Perangkat NukfirPRPN - SATAN, 30 November 2011

EVALUASI BEBAN NOZZLE POMPA PAD A SISTEM PENDINGIN PRIMERREAKTOR RISET TRIGA BANOUNG

Hana Subhiyahl11, Budi Santo501>J

1.2Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir, Kawasan PUSPIPTEK Serpong, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

EVALUASI BEBAN NOZZLE POMPA PADA SISTEM PENDINGIN PRIMER REAKTORRISET TRIGA MARK /I BANDUNG. Hasil keluaran Caesar /I 5.10 yang bempa gaya dan momentdigunakan untuk mengevaluasi besamya beban yang diterima oleh masing - masing nozzlepompa. API 610 mempakan Standar intemasional yang menetapkan persyaratan untuk pompahorisontal. Berdasarkan kriteria untuk design pipa untuk pompa horizontal sesuai halaman 126-127hams memenuhi kriteria F1.2a, F1.2b, F1.2c. Kriteria F1.2ajika nozzle tiap pompa menerima gayadan moment lebih dari 1 kali tetapi lebih keeil dari 2 kali Tabel 1-APJ 610 maka nozzle pompahams memenuhi kriteria F1.2b dan F1.2c. Hasif evaluasi menunjukkan bahwa kondisi operas; 2dan 3 masing - masing nozzle di kedua pompa menerima gaya dan moment lebih dari 1 kali tetapilebih kecil dari 2 kali Tabel1 - API 610 sehingga masing - masing nozzle hams dikombinasikanagar memenuhi kriteria F1.2b dan F1.2c. Hasil dari perhitungan secara manual menunjukkanbahwa nozzle pompa sesuai dengan kriteria F1.2b dan kriteria F1.2c.Kata Kunci: Gaya, Momen, Caesar /I 5.10, Nozzle pompa, API 610

ABSTRACT

PUMP NOZZLE LOAD EVALUATION ON PRIMARY COOLING SYSTEM BANDUNG TRIGA

MARK /I RESEARCH REACTOR. Caesar /15.10 in the form of the output force and moment magnitude isused to evaluate the load received by each pump nozzle. API 610 is an international standard that specifiesrequirements for horizontal pumps. Based on the criteria for the design of the horizontal pipe to the pumpaccording to pages 126-127 must meet the criteria F 1.20. F 1.2b. FI.2c. Criteria FI.2a [f every pump nozzlereceive force and moment more than I times but less than 2 limes Table 1-610 API then Ihe pump nozzle mustmeet the criteria and FI.2c FI.2b. Evaluation results indicate that operating conditions 2 and 3 respectivelyeach nozzle on both pumps receive the forces and momeflfs more than I times but less than 2 times Table I ­

APl 610 so each noz:de must be combined in order to meet the criteria FI.2b and FI .2 c. The results ofmanual calculations indicale that the pump nozzle in accordance with the criteria F 1.2h and criteria F 1.2c

1.PENDAHULUAN

SATAN (Sadan Tenaga Nuklir Nasional) adalah salah satu lembaga penting yangmempunyai sebuah reaktor nuklir di Sandung yang bernama reaktor TRIGA MARK II. Reaktor inidibangun sejak tahun 1965 dan digunakan untuk penefitian, petatihan, dan pembuatanradioisotop[1J• Reaktor TRtGA Mark It Bandung (dibuat oleh General Atomic Co, San Diego, CA,USA) di Puslitbang Teknik Nuklir (P3TN) dirancang dan dibangun dengan daya 250 kW. Reaktorini mencapai kritis pertama kalinya pada 10 Oktober 1964 Sejak itu reaktor dioperasikan pada dayamaksimum 250 kW.

Pad a tahun 1971, seiring dengan meningkatnya kegiatan, daya reaktor ditingkatkan menjadi1000 kW. Hingga tahun 1996, atau sekitar 32 tahun dari saat kritis pertama kali. Reaktor telahberoperasi secara aman. Operasi reaktor TRIGA Mark " berlangsung lancar, teratur tanpamengatami gangguan yang berarti[2}.

-254-

Proseding Pertemuan IImiah Rekayasa Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 30 November 2011

Salah satu sistem yang penting di dalam operasi Reaktor TRIGA Mark II adalah sistem pendinginprimer. Sistem pendingin primer ini terdiri dari pompa, penukar panas dan sistem perpipaan yangdi dalamnya ada fluida pendingin untuk memindahkan energi yang berupa panas kelingkungan[1J•

Jika perpipaan sistem pendingin primer mengalami kegagalan akibat beban yang diterimanozzle yang ada pad a pompa berlebih maka akan menggangu proses pendinginan sistempendingin primer. Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan evaluasi beban nozzle pompasistem pendingin primer Reaktor TRIGA Mark II Bandung. Analisis dilakukan dengan bantuanperangkat lunak Caesar II versi 5.10. Acuan analisis yang digunakan adalah code API 610.

Analisis dilakukan secara terpisah dalam 2 (dua) bagian jalur pipa yang melewati pompayaitu dari teras reaktor ke nozzle pompa dan dari nozzle pompa ke nozzle penukar panas.Setelah itu dilakukan evaluasi beban nozzle yang diterima pompa.

2.DASAR TEORI

2. 1 ANALISA ST ATISTIK

Pipa yang didalamnya mengalir fluida, baik panas maupun dingin akan mengalami pemuaian(expansion) atau pengkerutan (contraction) yang berakibat timbulnya gaya yang bereaksi padaujung koneksi (connection), akibat dari temperatur, be rat pipa dan fluida itu sendiri serta tekanandidalam pipa[31•

Dengan demikian, sebuah sistem pemipaan harusfah didesain sefleksibel mungkin demimenghindari pergerakan pipa (movement) akibat thermal expansion atau thermal contraction yangbisa menyebabkan'1. Kegagalan pada sistem pemipaan karena te~adinya tegangan yang berlebihan atau overstress

maupun fatigue.2. Terjadinya tegangan yang berlebihan pada pipe support atau titik tumpuan.3. Terjadinya kebocoran pad a sambungan flanges maupun di Valves.4. Terjadi kerusakan material di Nozzle Equipment (Pump, Tank, Pressure Vessel, Heat

Exchanger, etc) akibat gaya dan moment yang berlebihan akibat pemuaian atau pengkerutanpipa tadi.

5. Resonansi akibat terjadi Vibration.Analisa statik adalah memperhitungankan beban statik yang akan menimpa pipa secara

perlahan sehingga sistem pemipaan memiliki cukup waktu untuk menerima, bereaksi danmendistribusikan beban tadi keseluruh sistem pemipaan sampai tercapainya keseimbangan.

Beban operasi adalah beban yang terjadi pad a sistem pemipaan selama operasi panas yangmeliputi beban sustain dan beban termal.

1. Beban Sustain: yailu beban akibal beral pipa, berat f1uida, tekanan dalam pipa, tekananluar, pengaruh angin dan gempa, serta beban dari salju yang menimpa pipa. Satu hal yangpenting disini adalah jika pipa terkena beban demikian, maka bisa mengakibatkan pipa menjadipecah dan collaps, jika tidak dilakukan upaya pencegahan.

2. Beban Thermal: beban ini adalah beban yang ditimbulkan akibat ditahannya expansionatau gerakan suatu pipa yang mengalami pemuian ataupun pengkerutan akibat temperaturdari fluida yang mengalir didalamnya. Penahanan (restriction) yang diberikan dapat berupaAnchor, atau tersambung ke peralatan (equipmenO. Satu hal yang perlu juga diperhatikanadalah· bahwa be ban thermal ini adalah sifatnya siklus, artinya jika anchor dilepas ataufluidanya di hentikan mengalir di pipa tersebut, maka hilang pula beban yang ditimbulkanya13J.

2. 2 POMPA

Pompa secara sederhana didefinisikan sebagai alat transportasi fluida cair. Jadi, jika fluidanyatidak cair, maka belum tentu pompa bisa melakukannya. Misalnya fluida gas, maka pompa tidakdapat melakukan operasi pemindahan tersebut. Namun, teknologi sekarang sudah jauhberkembang di mana mulai diperkenalkan pompa yang multi-fasa, yang dapat memompakan fluidacair dan gas(4). Pompa yang digunakan di sistem pendingin primer adalah pompa sentrifugaldengan 2 nozzle yaitu discharge dan suction. Berikut' adalah gambar pompa sentrifugalberdasarkan API 610 :

-255-

Proseding Pertemuan Ifmiah Rekayasa Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 30 November 2011

LI .~

jj

!

Key

1.

2.3.

5.3.

919ft GBntrahn8

Co'\£':jfl9;gaS;.r-ti:;: n

Ce~11!"9 :Jf :J U!"1::J

;:::Ja.das.tgi cantra:ana

..•..·aMi:;:31 ;:Iiene

Gambar 1. Pompa horizontal dengan tipe end suction dan top discharge nozzle

(F.1)(F .2)

API 610 merupakan Standar internasional yang menetapkan persyaratan untuk pompahorisontal. Berdasarkan kriteria untuk design pipa untuk pompa horizontal sesuai halaman 126-127harus memenuhi kriteria F1.2a, F1.2b, F1.2c.Dengan :~ F1.2a, gaya dan momen yang ada ~ tabel API 610 tetapi jika gaya dan momen lebih dari 1X

tabel tetapi kurang dari 2X tabel maka nozzle pompa harus memenuhi kriteria F1.2b dan F1.2c~ F1.2b, 'gaya resultan (FRSuction.FRo,scharge)dan Momen resultan (MRSuction.MROischarge)yang

bekerja pada masing-masing nozzle pompa harus memenuhi kriteria berikut :[FRDA / (1.5 x FRDT)) + [MRDA / (1.5 x MRDT)] :<=; 2[FRSA / (1.5 x FRST)] + [MRSA / (1.5 x MRST)] ~ 2Dengan :FRDA adalah resultan gaya discharge aktualFRSA adalah resultan gaya suction aktual

F1.2c dengan masing-masing flange nozzle pompa harus diterjemahkan ke pusat pompa,besarnya gaya resultant yang diberikan (FRCA), moment resultant (MRCA) dibatasi oleh kriteriaF.3, FA dan F.5 seperti berikut [51:

FRCA < 1.5 (FRST + FRDT) (F .3)MYCA < 2.0 (MYST + MYDT) (FA)MRCA < 1.5 (MRST + MRDT) (F.5)dengan :FRCA = [(FXCA)2 + (FYCA)2 + (FZCA)2]05

dengan :FXCA = FXSA + FXDAFYCA = FYSA + FYDAFZCA = FZSA + FZDAMRCA = [(MXCA/ + (MYCA)2 + (MZCA)2]O 5

dengan :MXCA= MXSA + MXDA -«FYSA)(ZS)+(FYDA)(ZD}-(FZSA)(YS)-(FZDA)(YD))/1000MYCA= MYSA+ MYDA+«FXSA)(ZS)+(FXD A)(ZD)-(FZSA)(XS)-(FZDA)(XD) )/1000MZCA= MZSA+ MZDA - «FXSA)(YS)+(FXDA)(YD)-(FYSA)(XS)-(FYDA)(XD»/1 000

-256-

Proseding Pertemuan IImiah Rekayasa Perangkat NukfirPRPN - BATAN, 30 November 2011

Tabel 1. Load nozzle berdasarkan API 610

SI units

N<>minal ,.;>: •• of flang •• (DN)50

80100150200250300350400

Forces (N) and moments (Nm)Ea::h lop nozz.ie FX

710~ 070' 428249837885348657;)7 '.208450FV

580890.,. 16020503 -·10445053485780;) 670FZ

8901330' 7883 ;1;)489066788 000800010230FR

1280193025604480692096301 ~. 7Ct~1278014850Eaocft slue nuzzle FX

7H)1070142D2490378053406. 67071208450FV

890' 3381 7803 "0489066708000800010230FZ

580890' 16020503 1104450534057806670FR

1 2801 9302560448a;) 9209530~~ 70a12780'4850Each en:j noz.zle FX

890' 330' 7803 ":";04890557:)S D:)D8900'0 230FV

7101070' 420249837805340667:'17 '208450FZ

580890'", -:6020503 '104450534057806670FR

1 280193025-30448069209638.."":700'278014850Each n;:)z.z.!e ,.,...•

460950"', 33D23D::-35305020:3 • DJ;) 3707320.~'.A

:.:V23047068:), '801 7602448298031203660

,',;,:Z

350720'\ O~Oi 7602580380040"':)4 7505 420t.1R

62012801 800313:'4 ?~;)5758321:)85409820NCiTE 1

S':"~ F:-;;:.;rt: 2:J thr:rw'Q-h F~;;1..ire 24 fer ::>~,e!"'.tat:o;"" -~1r:)z.z~e- ;'::'03-::5::X. Y. ~ ;~: Z.:.

3.TATA KERJA

Metode yang dipakai dalam analisa nozzle pompa pada penelitian ini adalah metode manualyaitu menghitung manual sesuai dengan kriteria untuk design piping pompa horizontal sesuaiha/aman 126-127 untuk mengana/isa apakah beban yang diterima nozzle masih dalam batas yangdiijinkan sesuai dengan standart API 610. Analisa dilakukan dengan bantuan software perpipaanyakni CAESAR 1\ versi 5.10 untuk mengetahui gaya dan moment yang dihasilkan oleh nozzle pad amasing-masing pompa. Sehingga bisa dilakukan perhitungan nozzle pompa secara manual.

3. 1 KOMPONEN BAHAN PIPA

Pada sistem perpipaan ini1. Bahan Pipa & Flange2. Nominal pipe size3. Ketebalan pipa (Schedule)4. Temperatur operasi6. Tekanan operasi7. Densitas cairan

menggunakan komponen sebagai berikut :: paduan aluminium: 6" dan 4"

: 6.0198 mm (40): 45.3°C

: 1.5295 (kg/cm2): 0.9992 (kg/mm3)

-257 -

Proseding Pertemuan IImiah Rekayasa Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 30 November 2011

v

Gambar 2. Koordinat nozzle pompa

3.2 PEMODElAN STRUKTUR

Struktur dimodelkan sesuai dengan keadaan di lapangan dengan bantuan software CAESAR IIversi 5.10.Tahapan selanjutnya setelah pemodelan adalah melakukan analisa tegangan yangterjadi pada sistem pemipaan. Berikut ini adalah gambar tampilan pemodelan setelah dilakukananalisa tegangan pada sistem perpipaan sistem pendingin primer pompa suction dan discharge.

____ t _". ('f ; :'~ .I:~ !

.f' f,"r 'r":"',

'.';-t.!:.:

••.•• .;... ":':j J..:f ;,p ·.I--- -------------------------,------,

I;;.· ..••

_..t _-- -( .

--- -- -, q----- --

-------_.!_----------- .

. ..

,

Gambar 3. Flow chart pengujian dengan Caesar II 5.1

-258-

Proseding Pertemuan IImiah Rekayasa Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 30 November 2011

Gambar 4. Gambar pemodelan pompa suction

Gambar 5. Gambar pemodelan pompa Discharge

-259-

T

Proseding Pertemuan IImiah Rekayasa Perangkat NukJirPRPN - BATAN, 30 November 2011

4.HASll DAN PEMBAHASAN

Sebagai acuan analisis pemipaan untuk sistem pending in primer reaktor TRIGA MARKBandung digunakan code untuk power piping yaitu ASME B31.1. Setelah dilakukan pemodelanlangkah selanjutnya adalah melakukan running. Jika hasif running caesar yang dihasilkan masihgagal ataumasih terjadi over stress dari pemodelan karena melebihi batasan allowable dari codeyang digunakan yaitu 831.1, maka model yang sudah dibuat harus dievaluasi lagi denganmerubah besarnya gap pada sistem penyangga (support). kemudian dilanjutkan menganalisadisplacement serta restraint yang ada. Analisa displacement dimaksudkan untuk mengetahuiberapa besarnya penurunan atau kenaikan dari pipa sedangkan untuk analisa restraindimaksudkan untuk mengetahui berapa besarnya gaya dan momen pada tiap titik support.Kemudian dilanjutkan dengan menganalisa beban aktual yang diperbolehkan pada masing­masing nozzle yang ada pada pompa suction (hisap) maupun discharge (sembur) dari sistempendingin primer reaktor TRIGA MARK 8andung.

8atasan beban aktual yang diperbolehkan pada masing-masing nozzle yang tersambungdengan pompa telah ditetapkan dalam standard, yaitu standard API (American PetroleumInstitute) 610 untuk pompa sentrifugal. Dari analisa diperoleh besarnya gaya dan momen yangditerima oteh nozzle pompa seperti terlihat dalam tabel 2. Gaya dan momen tersebut kemudiandibandingkan dengan gaya dan momen maksimum yang diizinkan untuk nozzle pompaberadasarkan API 610.

I aool L. l.:iaya can momem nasI! run caesar umUKpompa A

Nozzle

UkuranNodeCase

FXFYFZMXMYMZ

Nozzle(Kg)(Kg-m)

1 (OPE)

-178-93245-13.0928.7312.6

SUCTION6"

102 (OPE)-137-94313-13.3822.1812.87

(END)3 (OPE)

-218-87169-12.235.2211.74

4 (SUS)

0-74-5-10.01 0.018.32

1 (OPE)

-108-6614041.73.3153.19

DISCH.4"102 (OPE)-87-9023378.476.434.99

(TOP) 3 (OPE)-1316-18-5.590.5371.31

4 (SUS)

30-7-1.65-0.970.28

. aDel J. l.:iaya can moment nasI! run caesar untUK pompa ts

Nozzle

UkuranNode

CaseFX

FYFZMXMYMZNozzle

(Kg)(Kg-m)

1 (OPE)

217-28259-2.63-35.03-14.61

SUCTION6"

1302 (OPE)257-26186-2.35-41.58-14.99

(END)3 (OPE)

176-25322-2.17-28.44-13.67

4 (SUS)

-1-73 0-9.91 0.11-8.34

1 (OPE)

110-6514443.54-3.45-54.02

OI$CH.4"

2702 (OPE)1337-18-5.67-0.67-72.12

(TOP)3 (OPE)

89-8923981.04• -6.53-35.8

4 (SUS)

-30-7-1.650.97-0.28

-260-

Proseding Perlemuan flmiah Rekayasa Perangkat NuklirPRPN - BATAN, 30 November 2011

Oari hasH running Caesar didapatkan gaya dan momen yang bervariasi untuk setiap nozzlepompa. Secara individual masing-masing pompa baik itu pompa discharge maupun pompa suctionada yang melebihi allowable pada kondisi operasi 2 dan kondisi operasi 3 hal itu bisa dilihat untukpompa discharge di node 10 dan node 270 untuk gaya ke arah Z dan gaya ke arah X melebihiallowable. Sedangkan untuk pompa suction pada kondisi operasi 2 dan kondisi operasi 3 padanode 130 gaya ke arah X dan gaya ke arah Z melebihi allowable. Setelah dibandingkan dengantabel API 610 bisa diketahui bahwa gaya dan moment yang ada pada setiap nozzle pompa kurangdari 2 kali tabel. Sehingga perlu dilakukan perhitungan gabungan (kombinasi) sesuai kriteria F1.2bdan F1.2c untuk pompa A dan pompa B berdasarkan API 610 antara pompa suction dan pompadischarge. Berikut hasil perhitungan berdasarkan kriteria F1.2b dan F1.2c adaJah:

- - - --- - - -------~ --------..~~Kriteria Kondisi Operasi 2

Kondisi Operasi 3F1.2.bF.1

0.98890.59814

F.2

0.577550.50373Tabef. 4 P, F1.2b k A

F1.2. ---- -. - ----------- - -.-- ------.---- - ..Kriteria Kondisi Operasi 2

Kondisi Operasi 3F1.2.cF.3

618.18 < 1,076.68388.8 < 1,076.68F.4

126.52 < 379-31.96 < 379

F.5

152.70 < 753.55139.4 < 753.55

-- ---- --------- ------..--- -Kriteria Kondisi Operasi 2

Kondisi Operasi 3F1.2.bF.1

0.60631.013

F.2

0.5570.6028

... --- - --. ----- . .---- -Kriteria Kondisi Operasi 2

Kondisi Operasi 3F1.2.cF.3

425.07 < 1,076.68630.83 < 1,076.68

F.4

-16.09 < 379149.03 < 379

F.5

145.41 < 753.55175.580 < 753.55

Tabel 6. P

Tabel7. P

F1.2b

F1.2

k

k

B

B

setelah dilakukan kombinasi antara pompa suction dan pompa discharge untuk pompa A danjuga pompa B bisa dilihat bahwa berdasarkan kriteria F12.b pada kondisi operasi 2 dan 3 kurangdari 2 dan berdasarkan kriteria F12.c untuk pompa A dan pompa B nozzle pompa masih dalambatas yang diijinkan.

1. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil dan pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :1. Nozzle pompa masih dalam batas yang diijinkan berdasarkan tabel API 610 yaitu

kurang dari 2 kali tabel API 610.2. Kombinasi pompa A dan Pompa B berdasarkan kriteria F12.b dan kriteria F12,c masih

dalam batas yang diijinkan.

-261-

Proseding Perlemuan IImiah Rekayasa Perangkat NukfirPRPN-BATAN. 30 November 2011

2. DAFT AR PUST AKA

1. Rahardjo, Henky Poedjo, "Pengaruh Gempa Patahan Lembang Terhadap Tegangan PipaSistem Pendingin Primer Reaktor TRIGA 2000 Bandung", Proseding Seminar Nasional ke-15Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir, Surakarta, 17 Oktober 2009.

2. Anhar R. Antariksawan, Aliq, Puradwi, Ismu Handoyo, "EVALUASI D1SAIN SISTEMPENDINGIN REAKTOR TRIGRA MARK /I BANDUNG DAYA 2 MW", Proseding PresentasiItmiah Teknologi Keselamatan Nuklir-V, Serpong, 28 Juni 2000.

3. http://pipestress2009 .word press. com/2008/04/09/penQantar -dvnamic-analvsis-pada-caesar-lil

4. Priyoasmoro, Cahyo Hardo, .• CARA MENGKAJI PIPING & INSTRUMENTATIONDIAGRAM', Mitis Migas Indonesia, diakses pad a tanggal 5 Mei 2011.

5. API Standard 610, 1995, Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and GasIndustry, American Petroleum Institute, Washington, DC.

6. Perangkat lunak Caesar \I 5.10

PERTANYAAN:

1. Beban Nozzle pompa pad a item peningin primer memenuhi kriteria (aman dan memenuhisyarat untuk pendinginan reactor pad a daya berapa? Mohon dijelaskan (SUWARDIYONO)

JAWABAN :

1. Berdasarkan temperature yang kami pakai yaitu 45,3°C, untuk system pendingin primer pad asaat itu kondisi operasi daya. 2000 kW. Berdasarkan data yang ada walaupun pada sa at surveykondisi reactor shut-down tetapi untuk analisis yang ada memasukan temperature dan tekananpada daya 2000 kW.

-262-