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 tentang pemuaian termal dan perubahan fase; 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 tentang katup dan pengendalian air; palu air di jalur air di Bab 10 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi tekanan pada instalasi RO; pompa di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung; baja di Bab 2 · Material tentang besi dan baja; isolasi energi non-listrik di Bab 4 · Keselamatan; kerja di ketinggian di Bab 10 · Keselamatan. Sifat bahan dan jarak penyangga di bab ini adalah nilai umum; nilai untuk pipa tertentu diambil dari pembuat atau standar yang berlaku, dan tabelnya tidak disalin.

Muai termal pipa dan gaya bila muai ditahan

Pemuaian termal adalah faktor utama yang harus dipertimbangkan dalam rancangan sistem perpipaan. Koefisien muai panjang (coefficient of linear expansion) adalah pertambahan panjang per satuan panjang untuk setiap kenaikan suhu satu kelvin. Pertambahan panjang pipa yang bebas memuai, seperti di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal, adalah:

dengan $\Delta L$ pertambahan panjang (m), $\alpha$ koefisien muai panjang (per K), $L$ panjang pipa (m), dan $\Delta T$ perubahan suhu dari saat dipasang sampai suhu kerja (K). Koefisien muai yang 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. Koefisien muai panjang sebuah bahan pipa ada 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:

dengan $\sigma$ tegangan tekan (Pa) dan $E$ modulus elastisitas (Pa), 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 tentang besi dan baja. Gaya sebesar itu merusak angkur, membengkokkan pipa, memecah sambungan ulir, atau menekan nosel pompa dan katup.

Perubahan tekanan juga dapat menimbulkan tegangan yang tidak disadari pada gantungan dan penyangga sistem perpipaan, dan dalam keadaan seperti itu gantungan batang tarik biasanya berubah menjadi tertekan. 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.

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 (expansion loop) adalah 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.

Panjang terbentang sebuah susunan muai diukur sepanjang garis tengah pipa dan fitingnya, dan 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:

dengan $L_k$ panjang kaki (m), $D$ diameter luar pipa (m), $\Delta L$ muai yang harus ditampung kaki itu (m), dan $\sigma_{\text{izin}}$ tegangan yang diizinkan untuk pelenturan (Pa). Bila loop berada di tengah jalur dengan angkur di kedua ujung, setiap kaki menampung muai dari satu sisi saja. 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

Sambungan muai (expansion joint) adalah perangkat yang menampung muai di dalam jalur pipa itu sendiri. Bila ruang tidak cukup untuk loop, dipakai sambungan muai: sambungan berlipat dari logam tipis, sambungan geser, atau selang lentur berselubung anyaman. Sambungan muai adalah perangkat mekanis yang membawa risiko kegagalan. Hal yang perlu diperhatikan:

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

Angkur dipasang untuk menahan sistem perpipaan terhadap pemuaian atau penyusutan dan menghilangkan geseran pipa, dan pemandu muai dipakai bila arah pemuaian penting. Pembagian tugas yang umum:

1. Angkur (anchor) adalah 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 (guide) adalah penahan yang 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.

Jarak tepi penting karena sifat angkur ekspansi yang mengembang, dan angkur tembakan bubuk dipasang 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: gantungan batang dengan cincin atau klem, termasuk 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. Ukuran batang gantungan, kebutuhan penguat, dan jarak gantungan yang memenuhi peraturan disusun dalam tabel. Patokan kasar yang umum untuk pipa berisi air, dengan 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.

Penyangga untuk pipa panas berisolasi

Pipa berisolasi dapat disangga gantungan tipe cincin. Untuk pipa panas berisolasi, hal yang perlu diperhatikan:

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.

Lendutan pipa

Lendutan (deflection) adalah turunnya pipa di antara dua penyangga karena beratnya sendiri, isinya, dan isolasinya. Untuk pipa yang disangga sederhana di kedua ujung dengan beban merata, lendutan terbesarnya kira-kira:

dengan $\delta$ lendutan terbesar (m), $w$ berat per meter (N/m), $L$ jarak penyangga (m), $E$ modulus elastisitas (Pa), dan $I$ momen inersia penampang pipa (m⁴). 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 tentang distribusi uap dan kondensat. Pada pipa buangan, lendutan membalik kemiringan yang diperlukan.

Getaran pipa

Sumber getaran yang 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 tentang getaran harmonik. Frekuensi alami (natural frequency) adalah frekuensi tempat bentang pipa bergetar sendiri setelah diusik. Untuk bentang yang disangga sederhana, frekuensi alami pertama kira-kira:

dengan $f_1$ frekuensi alami pertama (Hz), $m$ massa per meter pipa beserta isinya (kg/m), dan $E$, $I$, serta $L$ seperti pada rumus lendutan. Memperpendek jarak penyangga menaikkan frekuensi alami, menjauhkannya dari frekuensi pompa yang lebih tinggi atau, bila tidak hati-hati, justru mendekatkannya.

Faktor penting lain adalah memisahkan pipa air dari gantungan dan sistem penyangga lain, dan 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 tentang getaran paksa dan isolasi getaran.

Pemeriksaan di lapangan

Daftar periksa yang 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. Palu air dan muai yang terhalang dapat sama-sama menimbulkan bunyi; keduanya diperiksa.

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

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

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: 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 4: 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 5: lendutan. Dengan $I = 2{,}77 \times 10^{-7}$ m⁴ untuk pipa pada Contoh 4, 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 6: 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

Hubungan dengan bab lain

Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase memberi dasar pemuaian dan tegangan termal, dan Bab 2 · Material tentang besi dan baja memberi batas luluh baja. Bab 13 · Fisika tentang getaran harmonik menjelaskan resonansi, dan Bab 22 · Fisika tentang getaran paksa dan isolasi getaran menjelaskan peredam di bawah pompa. Kantong kondensat dan palu air uap dibahas di Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap dan kondensat, palu air di jalur air di Bab 10 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi tekanan pada instalasi RO, katup dan muai tangki di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas tentang katup dan pengendalian air, dan pompa di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung. Pekerjaan pada pipa bertekanan memakai Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik, dan pemeriksaan di atas plafon memakai Bab 10 · Keselamatan tentang kerja di ketinggian. Bab ini menutup rak Fluida dan Termal.

Latihan dan pembahasan