Menghitung Branch Reinforcement Pad (ASME B31.3)

Sebelum membahas Reinforcement Pad, terlebih dahulu kita kenalan dengan apa itu Branch Connection. Branch Connection yaitu cabangan pipa dari dari run (header) ke branch melalui fitting (tees, olet, lateral) atau pipe-to-pipe. Yang akan kita bahas adalah sambungan pipa ke pipa karena ketika menyambung antara header pipa dengan branch pipa harus dipastikan kekuatan sambungan atau pengelasannya. Oleh karena itu diperlukan kalkulasi Branch Connection yang hasilnya nanti apakah sudah cukup dengan kekuatan sambungannya saja atau perlu ada treatment lain, seperti Reinforcement Pad. Reinforcement pad merupakan salah satu perlakuan yang bertujuan untuk menguatkan sambungan dari header ke branch atau nozzle jika wall thickness yang dimiliki oleh run pipe dan branch pipe tidak cukup menahan pressure (lihat picture dibawah, reinforcement pad ditunjukkan pada warna yang lebih pekat).

pict: branch connection (source google image)

Di ASME B31.3 Para. 304.3.1 (b) disebutkan kriteria diperlukannya kalkulasi pada branch connection, yaitu:
1. Rasio Diameter run pipe (header), Dh, dengan thickness Th (Dh/Th) harus kurang dari 100 dan rasio Diameter branch, Db, dengan Diameter run pipe, Dh (Db/Dh) tidak boleh lebih dari 1.0.
2. Jika rasio Dh/Th ≥ 100, maka Db < 1/2 Dh.

Salah satu formula yang sering digunakan oleh Piping Engineer adalah menghitung Branch Reinforcement Pad, dan biasanya formula ini dibutuhkan untuk fabrikasi material Tee. Pengalaman penulis dalam mengaplikasikannya adalah ketika menghitung apakah perlu dibutuhkannya reinforcement pad atau tidak pada material Lateral Tee berdasarkan ASME B31.3.

Gambar 1. Source from ASME B31.3

Untuk mempersingkatnya, mari kita coba satu soal berikut sesuai contoh yang ada di ASME B31.3 bagian H301.

Basic Data:

Header NPS = 8" ; branch NPS = 4" dengan sudut 90deg; Tipe Reducing Tee (gambar 2) ; Header dan Branch menggunakan material & thickness yang sama, yaitu API 5L Grade A Seamless dengan Sch 40 ; Desain Pressure = 300 psig @ 400degF ; Corrosion Allowance = 0.10 inch. 

Pertanyaan: apakah perlu reinforcement pad atau tidak ?

Gambar 2. Tee

Jawab:

Kalau di ASME B31.3, satuan yang digunakan tidak SI. Tapi coba kita pakai satuan SI.
Saran dari penulis, sebaiknya untuk mengetahui wall thickness harus melihat langsung data dari dokumen ASME B36.10M agar lebih akurat.

➧ Required Calculation Parameters:
   ➞ P (Design Pressure) = 300 psig = 2.07 MPa
   ➞ TH (Nominal Run Pipe Wall Thickness) = 8.18 mm (ASME B36.10M)
   ➞ TB (Nominal Branch Pipe Wall Thickness) = 6.02 mm (ASME B36.10M)
   ➞ Dh (Outside Diameter of Header Pipe) = 219.1 mm (ASME B36.10M)
   ➞ Db (Outside Diameter of Branch Pipe) = 114.3 mm (ASME B36.10M)
   ➞ Tr (Nominal Reinforcement Plate Thickness) = 0 mm →lihat di hasil
   ➞ E (Quality Factor) = 1 (for API 5L Smls; Table A-1B)
   ➞ S (Stress Value for Material) = 110 MPa (for API 5L Grade A; Appendix A, Table A-1)
   ➞ Y(Coeff. from table 304.1.1) = 0.4 (as per Table 304.1.1)
   ➞ c (Corrosion Allowance) = 2.54 mm
   ➞ ẞ (Smaller angle between axes of run & branch = 90
 
➧ Calculation:

   ➞ Th (Header Wall Thickness dikurangi mill tolerance) = 8.18 mm - (8.18 x 12.5%) = 7.16 mm
   ➞ Tb (Branch Wall Thickness dikurangi mill tolerance) = 6.02 mm - (6.02 x 12.5%) = 5.28 mm
   ➞ TC (Throat thickness of cover filled weld) = 0.7(TB) or 6mm, whichever is less
        TC = 0.7(6.02) = 4.21 mm, maka Tc = 4.21 mm (karena lebih kecil dari 6mm)
   ➞ Minimum leg dimension of fillet weld 1 = Tc / 0.707 = 4.21 / 0.707 = 5.95 mm, or

   ➞ Minimum leg dimension of fillet weld 2 = 0, diasumsikan "0" karena dianggap tidak ada reinforce pad terlebih dahulu (jika hasilnya dibutuhkan maka rumusnya = 1/2 x TH / 0.707 )

   ➞ L4 (Height of reinforcement zone outside of run pipe)

        L4 = 2.5 (7.16 - 2.54)  = 11.55 mm; or 2.5 (5.28 - 2.54) + 0 = 6.85 mm (pilih yang lebih kecil) 

        L4 = 6.85 mm

   ➞ d1 (effective length removed from pipe at branch)

        d1 = [114.3 - 2(5.28 - 2.54)]/sin 90 = [108.82]/1 = 108.82 mm

   ➞ d2 ("half width" of reinforcement zone) 

        d2 = (5.28 - 2.54) + (7.16 - 2.54) + (108.82/2) = 61.77
        d2 = 108.82 mm (karena diambil dari nilai d1 yang lebih besar)

   ➞ th & tb (Wall Thickness pada header & branch, pembahasan sama dengan postingan beberapa waktu lalu, klik link ini) 

          th = 2.07 x 219.1 / 2 ((110 x 1) + (2.07 x 0.4)) = 2.05 mm
          tb = 2.07 x 114.3 / 2 ((110 x 1) + (2.07 x 0.4)) = 1.07 mm

    ➞ A1 (Required Reinforcement Area), for under internal pressure is = 2.05 x 108.82 (2 - 1) = 223.08 mm2

 

    ➞ A2 (Available area as result from excess thickness in the run pipe wall)

 

         A2 = (2 x 108.82 - 108.82) (7.16 - 2.05 - 2.54) = 279.67 mm2

    ➞ A3 (Available area as result from excess thickness in the branch pipe wall) 

         A3 = 2 x 6.85 (5.28 - 1.07 - 2.54)/1 = 22.88 mm2

   ➞ A4 (Area of other metal provided by welds and properly attached reinforcement in branch weld) 

         A4 = 2(1/2)((5.95)^2) mm = 35.40 mm2

Total: A2 + A3 + A4 = 337.95 mm2

A2 + A3 + A4 ≥ A1 → hasilnya masih lebih besar dari A1, artinya tidak perlu ada tambahan reinforcement pad sehingga nilai Tr = 0