Muai, penyangga, dan getaran pipa: muai termal pipa, loop dan sambungan muai, jarak penyangga, angkur dan pemandu, getaran pipa, dan pemeriksaan

Laundry sebuah hotel mendapat uap dari ruang boiler di ujung gedung melalui pipa baja 2 inci sepanjang sekitar empat puluh meter yang berjalan lurus di sepanjang dinding. Kontraktor memasangnya rapi: setiap tiga meter ada klem baja yang dikencangkan kuat ke angkur dinding. Setiap pagi, ketika operator membuka katup uap utama, terdengar bunyi keras seperti pukulan beberapa kali. Setahun kemudian, satu angkur dinding retak dan terlepas, dan sambungan ulir pada cabang menuju mesin setrika mulai bocor uap.

Di ruang yang sama, pipa air panas plastik yang menuju mesin cuci melengkung ke kiri dan ke kanan di antara klemnya, sehingga tampak seperti ular. Dan pipa air di dekat pompa transfer bergetar cukup keras sampai klemnya longgar sendiri. Teknisi yang memeriksa menemukan satu benang merah: pipa memuai dan bergetar, tetapi pemasangannya tidak memberi tempat untuk itu. Pipa uap tidak mempunyai belokan, loop, atau sambungan muai, sehingga muainya mendorong angkur dan sambungan. Pipa plastik memuai jauh lebih banyak dari pipa logam, tetapi klemnya dipasang dengan jarak seperti pipa baja. Bab ini menjelaskan cara menghitung muai dan memasang pipa yang dapat bergerak dengan aman.

Batas pembahasan

Bab ini membahas muai termal, penyangga, angkur, pemandu, dan getaran pipa di gedung, laundry, dan utilitas dari sisi teknisi: perhitungan muai, gaya bila muai ditahan, cara menampung muai, penyangga dan jaraknya, lendutan, getaran, dan pemeriksaan. Analisis tegangan pipa bertekanan secara rinci ditetapkan perancang yang berwenang. Pemuaian dan tegangan termal dasar ada di Bab 11 · Fisika; getaran harmonik dan resonansi di Bab 13 · Fisika; getaran paksa dan isolasi getaran di Bab 22 · Fisika; distribusi uap, kondensat, dan palu air uap di Bab 5 · Utilitas; katup dan muai termal tangki di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas; palu air di jalur air di Bab 10 · Air & Pengolahan Air; pompa di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas; baja di Bab 2 · Material; isolasi energi non-listrik di Bab 4 · Keselamatan; kerja di ketinggian di Bab 10 · Keselamatan. Sumbernya adalah narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri, terutama dua jilid buku pegangan rancangan plumbing, buku plumbing praktis, dan buku prinsip desain teknik kimia, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Sifat bahan dan jarak penyangga umum ditandai nilai literatur umum; nilai untuk pipa tertentu diambil dari pembuat atau standar yang berlaku, dan tabelnya tidak disalin. Angka contoh adalah angka latihan.

Muai termal pipa

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku prinsip desain teknik kimia bahwa pemuaian termal adalah faktor utama yang harus dipertimbangkan dalam rancangan sistem perpipaan. Pertambahan panjang pipa yang bebas memuai, seperti di Bab 11 · Fisika:

dengan $\alpha$ koefisien muai panjang, $L$ panjang pipa, dan $\Delta T$ perubahan suhu dari saat dipasang sampai suhu kerja. Koefisien muai yang umum (nilai literatur umum): baja karbon sekitar $12 \times 10^{-6}$ per K, baja tahan karat austenitik dan tembaga sekitar $17 \times 10^{-6}$ per K, PVC dan CPVC sekitar 60 sampai $70 \times 10^{-6}$ per K, dan PPR serta PE sekitar 150 sampai $200 \times 10^{-6}$ per K. Pipa plastik memuai sekitar sepuluh kali lebih banyak dari baja untuk perubahan suhu yang sama. Narasi yang sama mengutip buku pegangan rancangan plumbing tentang koefisien muai panjang sebuah bahan pipa yang dinyatakan per derajat Fahrenheit, sehingga satuannya diperiksa sebelum dipakai.

Pipa juga menyusut ketika didinginkan di bawah suhu pemasangan, misalnya pipa air dingin atau pipa yang dikuras pada malam hari; perubahan suhu dihitung dari kedua arah.

Gaya dan tegangan bila muai ditahan

Bila pipa ditahan sehingga tidak dapat memuai, timbul tegangan tekan yang kira-kira (nilai literatur umum):

dengan $E$ modulus elastisitas, sekitar 200 GPa untuk baja. Gaya yang mendorong angkur adalah tegangan itu dikalikan luas penampang logam pipa. Untuk baja, setiap kenaikan 1 K pada pipa yang ditahan penuh menimbulkan sekitar 2,4 MPa, sehingga kenaikan seratus derajat lebih sudah mendekati atau melewati batas luluh baja pipa yang umum, seperti dijelaskan untuk baja di Bab 2 · Material. Gaya sebesar itu merusak angkur, membengkokkan pipa, memecah sambungan ulir, atau menekan nosel pompa dan katup.

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku pegangan rancangan plumbing bahwa perubahan tekanan dapat menimbulkan tegangan yang tidak disadari pada gantungan dan penyangga sistem perpipaan, dan buku pegangan rancangan plumbing jilid pertama bahwa gantungan batang tarik biasanya berubah menjadi tertekan dalam keadaan seperti itu. Gaya pada penyangga tidak hanya berat; muai dan tekanan ikut menekan dan menarik.

Menampung muai: belokan, loop, dan offset

Cara yang paling andal adalah memberi pipa kelenturan dengan bentuknya sendiri (nilai literatur umum):

1. Belokan alami: pipa yang berbelok 90 derajat dengan kaki yang cukup panjang dapat menampung muai bagian lurus di sebelahnya dengan sedikit melentur.
2. Loop muai: lengkung berbentuk U yang disisipkan di jalur lurus panjang; kedua kakinya melentur menampung muai dari kedua sisi.
3. Offset: pergeseran jalur dengan dua belokan, untuk muai yang kecil.

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku plumbing praktis tentang panjang terbentang sebuah susunan muai yang diukur sepanjang garis tengah pipa dan fitingnya, dan buku pegangan rancangan plumbing jilid pertama bahwa untuk pipa berulir, kelenturan dapat diberikan dengan memasang sambungan ayun.

Panjang kaki yang diperlukan dapat diperkirakan kasar dengan menganggap kaki sebagai batang yang ujungnya dipandu (nilai literatur umum):

dengan $D$ diameter luar pipa, $\Delta L$ muai yang harus ditampung kaki itu, dan $\sigma_{\text{izin}}$ tegangan yang diizinkan untuk pelenturan. Rumus ini hanya untuk memeriksa apakah ukuran yang ada masuk akal; ukuran akhir ditetapkan perancang dengan standar perpipaan yang berlaku.

Sambungan muai dan selang lentur

Bila ruang tidak cukup untuk loop, dipakai sambungan muai: sambungan berlipat dari logam tipis, sambungan geser, atau selang lentur berselubung anyaman. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku pegangan rancangan plumbing bahwa sambungan muai adalah perangkat mekanis yang membawa risiko kegagalan. Hal yang perlu diperhatikan (nilai literatur umum):

1. Gaya dorong tekanan: sambungan berlipat menekan ke arah luar dengan gaya sebesar tekanan kali luas efektifnya; angkur di kedua sisinya harus menahan gaya itu.
2. Arah gerak: sambungan berlipat aksial hanya untuk gerak sepanjang sumbu; gerak menyamping atau memuntir merusaknya.
3. Pemandu di dekatnya supaya pipa tidak melengkung keluar jalur.
4. Prapenyetelan menurut suhu saat dipasang, supaya sambungan bekerja di tengah rentang geraknya.
5. Pemeriksaan: retak, karat, dan lipatan yang tidak rata; sambungan yang rusak dapat pecah tiba-tiba.

Selang lentur di dekat pompa dan mesin juga berguna untuk meredam getaran dan menampung gerak kecil, tetapi tidak menggantikan loop untuk muai besar.

Angkur dan pemandu

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku pegangan rancangan plumbing bahwa angkur dipasang untuk menahan sistem perpipaan terhadap pemuaian atau penyusutan dan menghilangkan geseran pipa, dan bahwa pemandu muai dipakai bila arah pemuaian penting. Pembagian tugas yang umum (nilai literatur umum):

1. Angkur: titik yang tidak boleh bergerak, biasanya di antara dua loop atau sambungan muai, di dekat peralatan yang tidak boleh dibebani, dan di cabang penting.
2. Pemandu: membiarkan pipa bergerak sepanjang sumbunya tetapi menahan gerak menyamping, dipasang di dekat sambungan muai dan di jalur panjang.
3. Penyangga geser atau rol: memikul berat tetapi membiarkan pipa bergerak.
4. Klem: menahan pipa di tempatnya; klem yang dikencangkan kuat di setiap penyangga mengubah semua penyangga menjadi angkur, seperti pada kasus pembuka.

Narasi yang sama mengutip buku pegangan rancangan plumbing jilid pertama bahwa jarak tepi penting karena sifat angkur ekspansi yang mengembang, dan buku plumbing praktis tentang angkur yang dipasang dengan tembakan bubuk sampai kedalaman yang benar. Angkur dinding yang menahan gaya muai harus dipilih dan dipasang untuk gaya itu, tidak hanya untuk berat pipa.

Penyangga dan jarak penyangga

Jenis penyangga yang umum (nilai literatur umum): gantungan batang dengan cincin atau klem, narasi mengutip buku pegangan rancangan plumbing tentang gantungan atau penyangga yang memiliki batang terpadu; penyangga rol untuk pipa panas yang bergerak; sadel dan sepatu untuk pipa berisolasi; dan konsol dinding dengan klem.

Jarak antarpenyangga dibatasi oleh lendutan pipa, tegangan, dan beban di penyangga. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku plumbing praktis tentang tabel ukuran batang, kebutuhan penguat, dan jarak gantungan yang memenuhi peraturan. Patokan kasar yang umum untuk pipa berisi air (nilai literatur umum; jarak untuk pemasangan nyata diambil dari pembuat atau standar):

1. Baja 50 mm: sekitar 3 m.
2. Tembaga 22 mm: sekitar 1,5 sampai 2 m.
3. Plastik tekan dingin: lebih rapat dari logam.
4. Plastik panas: jauh lebih rapat, sering kurang dari 1 m, atau disangga menerus dengan talang, karena bahan melunak dan muainya besar.

Penyangga tambahan diperlukan di dekat katup, saringan, dan peralatan berat, dan di setiap perubahan arah.

Lendutan pipa

Pipa di antara dua penyangga melendut karena beratnya sendiri, isinya, dan isolasinya. Untuk pipa yang disangga sederhana di kedua ujung dengan beban merata, lendutan terbesarnya kira-kira (nilai literatur umum):

dengan $w$ berat per meter, $L$ jarak penyangga, dan $I$ momen inersia penampang pipa. Lendutan sebanding dengan pangkat empat jarak penyangga, sehingga menggandakan jarak menaikkan lendutan enam belas kali. Pada pipa uap dan kondensat, lendutan membentuk kantong rendah tempat kondensat menggenang, sumber palu air seperti di Bab 5 · Utilitas. Pada pipa buangan, lendutan membalik kemiringan yang diperlukan.

Getaran pipa

Sumber getaran yang umum (nilai literatur umum): pompa dan kompresor, aliran yang sangat cepat, katup yang berkavitasi, palu air, dan mesin cuci yang memeras di dekat pipa. Getaran berbahaya bila frekuensi sumber mendekati frekuensi alami bentang pipa, seperti resonansi di Bab 13 · Fisika. Untuk bentang yang disangga sederhana, frekuensi alami pertama kira-kira:

dengan $m$ massa per meter pipa beserta isinya. Memperpendek jarak penyangga menaikkan frekuensi alami, menjauhkannya dari frekuensi pompa yang lebih tinggi atau, bila tidak hati-hati, justru mendekatkannya.

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku pegangan rancangan plumbing jilid pertama bahwa faktor penting lain adalah memisahkan pipa air dari gantungan dan sistem penyangga lain, dan bahwa alas beton dapat dipakai bersama peredam pegas, peredam karet, dan bantalan neopren. Cara yang umum untuk getaran dari pompa adalah sambungan lentur di sisi isap dan buang, penyangga pipa yang tidak bertumpu pada pompa, dan peredam getaran di bawah alas pompa, seperti isolasi getaran di Bab 22 · Fisika.

Penyangga untuk pipa panas berisolasi

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku plumbing praktis tentang pipa berisolasi yang disangga gantungan tipe cincin. Untuk pipa panas berisolasi, hal yang perlu diperhatikan (nilai literatur umum):

1. Isolasi tidak boleh terjepit sampai gepeng di penyangga, karena isolasi yang tertekan kehilangan fungsinya dan basah oleh embun pada pipa dingin.
2. Sepatu atau sadel di bawah pipa panas memikul berat dan membiarkan pipa bergeser di atas rol atau pelat geser, dengan isolasi di sekelilingnya.
3. Gerak muai di penyangga diperhitungkan: sepatu harus tetap di atas rol pada suhu dingin dan panas.
4. Pelindung isolasi pada titik penyangga supaya isolasi tidak terkikis oleh gerak pipa.

Pemeriksaan di lapangan

Daftar periksa yang umum (nilai literatur umum):

1. Jalur lurus panjang pada pipa panas: adakah belokan, loop, atau sambungan muai?
2. Angkur dan pemandu: di mana letaknya, dan apakah klem di penyangga lain memungkinkan gerak?
3. Tanda gerak terhalang: pipa melengkung, penyangga miring, angkur retak, cat mengelupas di penyangga, sambungan bocor di dekat belokan.
4. Jarak penyangga dibanding patokan, terutama untuk pipa plastik panas.
5. Lendutan dan kantong rendah pada pipa uap, kondensat, dan buangan.
6. Getaran: pipa di dekat pompa dan mesin, klem yang longgar sendiri, bunyi berdengung.
7. Keadaan sambungan muai: retak, karat, lipatan tidak rata, dan apakah gerak yang terjadi sesuai arah rancangannya.
8. Pengamatan saat pemanasan: perhatikan pipa saat uap dibuka pagi hari; bunyi dan gerak tiba-tiba menunjuk muai terhalang atau palu air.

Pemeriksaan pipa di atas plafon atau di ketinggian mengikuti aturan kerja di ketinggian di Bab 10 · Keselamatan, dan pekerjaan pada pipa bertekanan mengikuti isolasi energi di Bab 4 · Keselamatan.

Contoh kerja

Contoh 1: muai pipa uap baja. Pipa baja 40 m dipasang pada 25 °C dan bekerja pada 150 °C, jadi $\Delta T = 125$ K. $\Delta L = 12 \times 10^{-6} \times 40 \times 125 = 0{,}060$ m, yaitu 60 mm.

Contoh 2: muai pipa air panas PPR. Pipa PPR 20 m dipasang pada 25 °C dan bekerja pada 65 °C, dengan $\alpha = 150 \times 10^{-6}$ per K. $\Delta L = 150 \times 10^{-6} \times 20 \times 40 = 0{,}12$ m, yaitu 120 mm, dua kali muai pipa baja pada Contoh 1 walaupun suhunya jauh lebih rendah. Muai ini yang membuat pipa melengkung seperti ular di antara klem.

Contoh 3: muai pipa tembaga. Pipa tembaga 15 m dengan kenaikan suhu 50 K memuai $17 \times 10^{-6} \times 15 \times 50 = 0{,}0128$ m, sekitar 13 mm.

Contoh 4: tegangan bila ditahan penuh. Untuk baja pada Contoh 1, $\sigma = 200 \times 10^9 \times 12 \times 10^{-6} \times 125 = 300$ MPa, melebihi batas luluh baja pipa yang umum. Pipa 2 inci dengan luas logam sekitar 690 mm² akan mendorong angkurnya dengan gaya sekitar $300 \times 10^6 \times 690 \times 10^{-6} = 207.000$ N, sekitar 21 ton, jauh di atas kemampuan angkur dinding biasa.

Contoh 5: perkiraan panjang kaki loop. Untuk pipa berdiameter luar 0,060 m yang harus menampung 60 mm muai pada satu kaki, dengan tegangan izin pelenturan 100 MPa (angka latihan), $L_k \approx \sqrt{3 \times 200 \times 10^9 \times 0{,}060 \times 0{,}060/(100 \times 10^6)} = \sqrt{21{,}6} = 4{,}6$ m. Bila loop di tengah jalur dengan angkur di kedua ujung, setiap kaki menampung muai dari satu sisi, sekitar 30 mm, dan panjangnya sekitar $\sqrt{10{,}8} = 3{,}3$ m.

Contoh 6: gaya dorong sambungan muai. Sambungan berlipat dengan diameter efektif 64 mm, yaitu luas efektif sekitar 0,0032 m², pada tekanan uap 8 bar ukur mendorong ke luar dengan gaya $800.000 \times 0{,}0032 = 2.560$ N, sekitar 2,6 kN, yang harus ditahan angkur di kedua sisinya.

Contoh 7: berat per meter dan beban penyangga. Pipa baja 2 inci berisi air dengan isolasi berbobot sekitar 5,4 + 2,2 + 1,0 = 8,6 kg/m, yaitu sekitar 84 N/m. Dengan penyangga setiap 3 m, setiap penyangga memikul sekitar 250 N, belum termasuk katup dan gaya muai.

Contoh 8: lendutan. Dengan $I = 2{,}77 \times 10^{-7}$ m⁴ untuk pipa itu, pada jarak 3 m, $\delta = 5 \times 84 \times 3^4/(384 \times 200 \times 10^9 \times 2{,}77 \times 10^{-7}) = 34.020/21.270.000 = 0{,}0016$ m, sekitar 1,6 mm. Pada jarak 6 m, lendutannya enam belas kali, sekitar 26 mm, cukup untuk membentuk kantong kondensat.

Contoh 9: frekuensi alami bentang. Dengan massa 8,6 kg/m dan jarak 3 m, $f_1 = (\pi/2) \sqrt{200 \times 10^9 \times 2{,}77 \times 10^{-7}/(8{,}6 \times 3^4)} = 1{,}571 \times \sqrt{79{,}5} = 14$ Hz. Pompa 2.900 putaran per menit bergetar sekitar 48 Hz. Bila jarak penyangga diperpendek menjadi 1,6 m, frekuensi alami naik sekitar $(3/1{,}6)^2 = 3{,}5$ kali menjadi sekitar 49 Hz, tepat di dekat frekuensi pompa; jarak itu sebaiknya dihindari dan dipilih jarak yang memberi frekuensi jauh dari 48 Hz.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan perancang, penyelia, atau pemilik bila:

1. Angkur, penyangga, atau sambungan muai pipa uap atau air panas bertekanan akan dilepas atau dipindah saat pipa bertekanan atau panas.
2. Pipa uap tidak mempunyai cara menampung muai yang memadai dan angkur atau sambungan sudah menunjukkan kerusakan.
3. Sambungan muai menunjukkan retak, karat dalam, atau lipatan yang rusak.
4. Pipa harus dipotong, dilas, atau ditambah loop tanpa izin kerja panas dan isolasi energi.
5. Pekerjaan di ketinggian atau di atas plafon dilakukan tanpa akses dan pengaman yang sesuai.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Klem yang lebih kencang membuat pipa lebih aman." Klem yang kencang di setiap penyangga menahan muai dan memindahkan gaya besar ke angkur dan sambungan.
2. "Pipa plastik tidak perlu memperhitungkan muai karena lentur." Muai pipa plastik sekitar sepuluh kali baja; tanpa ruang gerak, pipa melengkung dan sambungan tertekan.
3. "Muai beberapa sentimeter tidak berarti." Bila ditahan, beberapa sentimeter muai baja menimbulkan gaya puluhan kilonewton.
4. "Sambungan muai dapat dipasang di mana saja." Sambungan muai memerlukan angkur yang menahan gaya dorong tekanan dan pemandu di dekatnya.
5. "Jarak penyangga pipa plastik sama dengan pipa baja." Pipa plastik, terutama yang panas, memerlukan penyangga jauh lebih rapat.
6. "Getaran pipa diatasi dengan menambah klem." Klem tambahan mengubah frekuensi alami dan dapat mendekatkan resonansi; sumber getaran dan peredamnya diperiksa lebih dulu.
7. "Bunyi pukulan saat uap dibuka hanya karena kondensat." Palu air dan muai yang terhalang dapat sama-sama menimbulkan bunyi; keduanya diperiksa.

Hubungan dengan bab lain

Bab 11 · Fisika memberi pemuaian dan tegangan termal, Bab 13 · Fisika resonansi, Bab 22 · Fisika isolasi getaran, Bab 5 · Utilitas pipa uap dan kondensat, Bab 12 · Bangunan & Fasilitas katup dan muai tangki, Bab 10 · Air & Pengolahan Air palu air, Bab 9 · Bangunan & Fasilitas pompa, Bab 2 · Material baja, Bab 4 · Keselamatan isolasi energi non-listrik, dan Bab 10 · Keselamatan kerja di ketinggian. Bab ini menutup rak Fluida & Termal.

Latihan dan pembahasan

1. Pipa baja tahan karat 25 m dengan $\alpha = 17 \times 10^{-6}$ per K dipanaskan dari 25 menjadi 85 °C. Berapa muainya?
2. Pipa PVC 12 m dengan $\alpha = 70 \times 10^{-6}$ per K dipanaskan 30 K. Berapa muainya?
3. Bila pipa baja karbon ditahan penuh dan dipanaskan 60 K, berapa tegangan tekannya?
4. Sambungan muai berluas efektif 0,005 m² bekerja pada 6 bar ukur. Berapa gaya dorongnya?
5. Jarak penyangga dinaikkan dari 2 m menjadi 3 m. Berapa kali lendutannya bertambah?
6. Apa tiga tanda di lapangan bahwa muai pipa terhalang?

Kunci jawaban beralasan

1. $\Delta L = 17 \times 10^{-6} \times 25 \times 60 = 0{,}0255$ m, sekitar 26 mm.
2. $\Delta L = 70 \times 10^{-6} \times 12 \times 30 = 0{,}0252$ m, sekitar 25 mm, hampir sama dengan pipa baja tahan karat 25 m pada Latihan 1 walaupun lebih pendek dan kenaikan suhunya lebih kecil.
3. $\sigma = 200 \times 10^9 \times 12 \times 10^{-6} \times 60 = 144$ MPa, sebagian besar dari batas luluh baja pipa yang umum, sehingga angkur dan sambungan menerima gaya besar.
4. $F = 600.000 \times 0{,}005 = 3.000$ N, yaitu 3 kN.
5. $(3/2)^4 = 5{,}1$ kali, karena lendutan sebanding dengan pangkat empat jarak penyangga.
6. Pipa melengkung atau bergeser keluar jalur, angkur atau penyangga miring dan retak, sambungan bocor di dekat belokan atau peralatan, cat mengelupas di titik penyangga, dan bunyi keras ketika pipa dipanaskan.

Referensi