Studi Sistem Tambat FSO di Ladang Minyak Kakap Natuna

Transkripsi

1 1 Studi Sistem Tambat FSO di Ladang Minyak Kakap Natuna I Gusti Putu Suantara; Wasis Dwi ryawan Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. rief Rahman Hakim, Surabaya wasis@na.its.ac.id bstrak - Penelitian ini membahas sistem tambat FSO di lapangan minyak Kakap Natuna yang ditambat dengan single buoy mooring system. FSO yang berlokasi di laut china selatan ini memiliki ukuran utama panjang (Lpp) 272 meter, lebar () 43,4 meter, tinggi (H) 20,6 meter dan terhubung dengan buoy yang ditambat dengan 6 buah rantai. nalisa line tension pada rantai menggunakan time domain analysis. Perhitungan line tension dilakukan pada kondisi full load dan ballast dengan tali tambat utuh (intact) serta tali tambat terputus satu (one line damage). Hasil perhitungan menunjukkan bahwa line tension maksimum terjadi pada kondisi full load sebesar 173,618 ton (segmen kondisi intact) dan 258,464 ton (segmen kondisi one line damage). esar allowable tension 314,914 ton (intact) dan 411,823 ton (one line damage) dengan diameter rantai 76 mm. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa posisi pile baru dapat menghasilkan line tension yang lebih rendah. Rotasi pile 10 o memberikan line tension yang minimum sebesar 144,514 ton (segmen kondisi intact) dan 246,737 ton (segmen kondisi one line damage). Dari hasil tersebut, didapatkan diameter rantai baru pada segmen sebesar 60 mm dengan allowable line tension 194,776 ton (intact) dan 254,707 (one line damage). Kata Kunci : allowable tension, FSO, line tension,. I I. PENDHULUN ndustri minyak dan gas mengalami perkembangan yang sangat pesat. Hal ini ditunjukkan oleh kegiatan eksplorasi yang sangat gencar dilakukan baik di darat maupun di laut lepas. Namun seiring dengan menipisnya sumber cadangan minyak dan gas di darat, maka saat ini kegiatan eksplorasi di laut lepas semakin berkembang. anyak kegiatan pengeboran dilakukan di perairan laut dangkal. Fasilitasnya didukung oleh anjungan terpancang (fixed platform). Tetapi anjungan terpancang menjadi kurang ekonomis apabila dibandingkan dengan anjungan terapung (floating platform) pada perairan yang dalam. Oleh karena itu, suatu floating platform mempunyai peranan yang sangat penting dalam pengembangan ladang minyak di perairan dalam atau menengah dan menjadi suatu alternatif yang banyak dipilih daripada fixed platform. FSO (floating storage and offloading) merupakan anjungan terapung yang banyak dipakai dalam operasional kondisi seperti ini. Pada saat beroperasi (storage, loading ataupun offloading), FSO mengalami gerakan yang disebabkan oleh beban lingkungan (arus, angin dan gelombang) dimana tempat FSO beroperasi. Oleh karena itu, dibutuhkan sistem tambat yang berguna sebagai pengikat FSO agar tetap pada posisinya. Gerakan dari FSO menyebabkan adanya gaya yang bekerja pada sistem tambat tersebut (tension force, restoring force dan damping) pada mooring system. Gaya-gaya yang terjadi pada mooring system sangatlah bergantung pada karakteristik motion FSO, begitu pula sebaliknya. Ini merupakan suatu alasan mengapa analisa kekuatan mooring system perlu dilakukan, sehingga operabilitas dan keselamatan sistem dapat tetap terjaga. Single buoy mooring adalah salah satu sistem yang dapat dipilih untuk pengoperasian FSO. Kelebihan dari sistem ini adalah FSO akan selalu mengikuti arah gelombang dimana posisi heading akan selalu mengikuti arah gelombang. Posisi tersebut akan meminimalisir beban yang bekerja pada kapal. Namun sistem ini tidak dapat menjaga kapal untuk tetap dalam posisi yang diharapkan (berputar 360 o dengan buoy sebagai pusat rotasi). Dalam penelitian ini akan dilakukan studi sistem tambat yang dipakai pada FSO di lapangan minyak Kakap Natuna yang menggunakan single buoy mooring system. nalisa dilakukan untuk memastikan bahwa rantai yang ada saat ini mampu menahan beban yang dialami. Selain itu, pada penelitian ini akan dilakukan perhitungan spesifikasi rantai tambat yang memiliki diameter sekecil mungkin yang mampu menambat FSO pada kondisi ekstrim. II. DSR TEORI. Gerakan Kapal kibat Eksitasi Gelombang Gerakan kapal dalam enam derajat kebebasan dapat dijelaskan dengan Gambar 1. Dengan memakai konversi sumbu tangan kanan tiga gerakan translasi pada arah sumbu x,y dan z, adalah masing-masing surge (ζ 1 ), sway (ζ 2 ) dan heave (ζ 3 ), sedangkan untuk gerakan rotasi terhadap ketiga sumbu adalah roll (ζ 4 ), pitch (ζ 5 ) dan yaw (ζ 6 ).

2 2 Gambar 1. Six Degree Of Freedom (SDOF) FSO Dengan asumsi bahwa gerakan-gerakan osilasi tersebut adalah linier dan harmonik, maka enam persamaan diferensial gerakan kopel dapat dituliskan sebagai berikut [Chakrabarti,1987]: 6 ( m + M ) X k + C X k + ( K + R ) X k = Fj cosωt =Σ k 1 dimana :... (1) m = komponen matriks massa kapal. M, C = matriks koefisien massa tambah dan redaman K, R = koefisien gaya hidrostatik pengembali. F j = amplitudo gaya eksitasi dalam besaran kompleks. Ẍ dan Ẋ = percepatan dan kecepatan F1, F2, dan F3 adalah amplitudo gaya-gaya eksitasi yang mengakibatkan surge, sway, dan heave. Sedangkan F4, F5, dan F6 adalah amplitudo momen eksitasi untuk roll, pitch, dan yaw. Dengan menyelesaikan persamaan gerak ini dengan menggunakan teori difraksi didapatkan hasil berupa karakteristik gerakan kapal. Informasi ini pada umumnya disajikan dalam bentuk grafik, di mana perbandingan gerakan pada mode tertentu ζ i dengan parameter tinggi (atau amplitudo gelombang, ζ a ) diberikan sebagai fungsi frekuensi encounter ω e dari sumber eksitasi. Informasi gerakan ini dinamakan Response mplitudo Operator (RO).. Tension pada Mooring Line Gerakan pada kapal dan pengaruh lingkungan menyebabkan adanya tarikan pada mooring line. Tarikan (tension) yang terjadi pada mooring line dapat dibedakan menjadi 2, yaitu: a. Mean tension. Tension pada mooring line yang berkaitan dengan mean offset pada vessel. b. Maximum tension. Mean tension yang mendapat pengaruh dari kombinasi frekuensi gelombang dan low-frequency tension. Menurut PI RP 2SK 2nd edition, tarikan maksimum (maximum tension) dapat ditentukan dengan prosedur sebagai berikut: a. T lfmax >T wfmax, maka: T max =T mean +T lfmax +T wfsig... (2) b. T wfmax >T lfmax, maka: T max =T mean +T wfmax +T lfsig... (3) dengan: T mean T max T wfmax T wfsig T lfmax T lfsig = mean tension = maximum tension = maximum wave frequency tension = significant wave frequency tension = maximum low-frequency tension = significant low-frequency tension reaking strength merupakan batasan tegangan maksimum dari chain line yang tidak boleh dilampaui, artinya chain line tidak boleh memiliki tegangan lebih dari breaking strength. S cor dengan: S D = CS nom 2 Tcor... (4) Dnom = breaking strength CS = catalog breaking strength D t T = chain diameter = corrosion allowance = service time Menurut PI RP 2T untuk unity check tidak boleh melebihi nilai satu. Secara matematis persamaan unity check dapat dituliskan sebagai berikut: max. tension x UC = < 1... (5) ML dengan: UC ML = unity check = maksimum breaking load = safety factor Kondisi batas tegangan ijin didapat dengan membagi yield strength dengan safety factor. 1 σ n = S... (6) σ y σ = ijin... (7) dengan syarat σ n <σ ijin, dengan: σ ijin = tegangan ijin = safety factor atas dari tension dan safety factor untuk kondisi analisis mooring adalah sebagai berikut (PI RP 2SK 2nd edition): Tabel 1. atas tension dan safety factor kondisi ULS dan LS Condition Percent of reaking Strength KI Intact (ULS) 60 > 1,67 > 1,7 Damage (LS) 80 > 1,25 > 1,3

3 3 C. Simpangan (offset) Offset adalah perpindahan posisi pada FSO dengan jarak sejauh x meter setelah terkena gelombang dan merupakan salah satu bentuk respon dari FSO pada saat mendapat beban lingkungan. Offset dapat dibedakan menjadi beberapa kelompok, yaitu: a. Mean offset. Displasement dari kapal karena kombinasi dari pengaruh beban arus, mean wave drift dan angin. b. Maximum offset. Mean offset yang mendapat pengaruh dari kombinasi frekuensi gelombang dan low-frequency motion. Offset maksimum dapat ditentukan dengan prosedur dibawah ini: a. S lfmax > S wfmax, maka: S max =S mean +S lfmax + S... (8) b. S wfmax >S lfmax, maka: S max =S mean +S wfmax +S lfs ig... (9) dimana : S mean S max S wfmax S wfsig S lfmax S lfsig = meanvesseloffset =maximum vessel offset = maximum wave frequency motion = significant wavefrequency motion = maximumlow-frequency motion = significant low-frequency motion D. Metode nalisa Dinamis Tujuan dari rangkaian analisis dinamis penelitian ini pertama adalah untuk mendapatkan frekuensi alami struktur tanpa redaman dan kemudian mencari respon struktur terhadap pembebanan dinamis yang dalam hal ini menggunakan beban gelombang. Menurut PI RP 2T, terdapat 2 metode analisis simulasi domain dalam analisis dinamis struktur lepas pantai, yaitu: a. Frequency domain analysis adalah simulasi kejadian pada saat tertentu dengan interval frekuensi yang telah ditentukan sebelumnya. Keuntungannya adalah lebih menghemat waktu perhitungan dan juga input atau output lebih sering digunakan oleh perancang. b. Time domain analysis adalah penyelesaian gerakan dinamis struktur berdasarkan fungsi waktu. Pendekatan yang dilakukan dalam metode ini menggunakan prosedur integrasi waktu dan akan menghasilkan time history response berdasarkan fungsi waktu x(t). III. METODOLOGI PENELITIN nalisa dimulai dengan pengumpulan data yang diperlukan untuk penelitian seperti : data FSO, buoy, mooring layout, dan sebagainya. Dari data yang diperoleh, dilakukan pemodelan pada komputer untuk menghitung RO. RO diperlukan untuk menghitung besar line tension dan excursion dimana keduanya dihitung menggunakan time domain analysis dengan simulasi minimal selama 3 jam (DNV-OS-E301, 2004). Penelitian dilakukan pada kondisi full load karena pada kondisi ini memiliki line tension yang paling optimum. nalisa dilakukan dengan melakukan rotasi pada posisi pile untuk mencari line tension yang minimum sehingga diameter rantai yang digunakan akan minimum. Perhitungan line tension dilakukan berdasarkan batasan sebagai berikut: a. Ultimate Limit State (ULS), untuk memastikan bahwa sebuah mooring lines cukup kuat untuk bertahan terhadap efek beban yang ditimbulkan oleh beban lingkungan pada kondisi ekstrim. b. ccidental Limit State (LS), untuk memastikan bahwa suatu mooring system memiliki kapasitas yang cukup untuk bertahan pada kegagalan sebuah mooring line dimana penyebab dari terjadinya kegagalan tersebut tidak diketahui.. Data struktur Tabel 2. Data utama FSO 1. Length Overall 297,545 m 2. Length etween Perpendicular 272,000 m 3. readth Moulded 43,400 m 4. Depth Moulded 20,600 m 5. Full Load Draft 12,878 m 6. Full Load KG 10,49 m 7. Max. Displacement 126,615 ton Tabel 3. Data utama uoy 1. Diameter 13,5 m 2. Height 7,10 m 3. Draft 4,78 m 4. KG 4,797 m Line Tabel 4. Mooring line combination Segment (at buoy) Specification Segment (at pile) Pre- Tension L1 pprox. 165 m pprox. 289 m 31,9 MT L2 pprox. 165 m pprox. 289 m 31,9 MT L3 pprox. 165 m pprox. 289 m 31,9 MT L4 pprox. 165 m pprox. 289 m 31,9 MT L5 pprox. 165 m pprox. 289 m 31,9 MT L6 pprox. 165 m pprox. 289 m 31,9 MT

4 4 Tabel 5. Chain grade R4 specification (Segment ) 1. Diameter 0,076 m 2. Proof Load 482,260 ton 3. Maximum reaking Load (ML) 611,720 ton 4. Mass/unit Length 126,490 kg/m 5. Stiffness N Tabel 6. Chain grade ORQ specification (Segment ) 1. Diameter 0,1039 m 2. Proof Load 554,151 ton 3. Maximum reaking Load (ML) 829,050 ton 4. Mass/unit Length 247,041 kg/m 5. Stiffness N Rantai yang terpasang pada buoy disusun secara simetris dengan sudut horizontal sebesar 60 o.. Variasi Posisi Pile 1 15 o 15 o Variasi dilakukan dengan merotasi posisi pile dengan sumbu putar pada pusat buoy. Rotasi dilakukan searah jarum jam (+) dengan interval 15 o seperti tampak pada Gambar 2. Line tension yang maksimum terjadi pada arah pembebanan north east (timur laut) dan east (timur) maka perlu dilakukan variasi yang lebih detail yaitu sebesar 5 o dan dilakukan analisa hanya pada arah pembebanan north east dan east untuk mendapatkan posisi yang optimum.. Menghitung RO IV. MENGHITUNG LINE TENSION Perhitungan RO hanya dibutuhkan hanya pada kondisi following seas karena kondisi kapal selalu berada pada kondisi ini yaitu mengikuti arah gelombang. Distance 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Response mplitude Operators (RO) Translation Direction 0 o (Following Seas) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Frequency (Hz) Surge (x) Sway (y) Heave (z) 15 o Gambar 3.RO translasi following seas 6 15 o 2 Response mplitude Operators (RO) Rotation Direction 0 o (Following Seas) 0,70 0,60 Rotation 0,50 0,40 0,30 Roll (Rx) Pitch (Ry) 0,20 Yaw (Rz) 5 3 0,10 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Frequency (Hz) 4 = posisi saat ini = rotasi 15 o searah jarum jam = rotasi 30 o searah jarum jam = rotasi 45 o searah jarum jam Gambar 2. Variasi koordinat pile Gambar 4. RO rotasi following seas Persamaan (1) digunakan untuk menghitung RO dengan menggunakan teori difraksi dimana struktur memiliki dimensi yang relatif lebih besar terhadap panjang gelombang. Pada gerakan translasi, gerakan surge memiliki respon yang paling dominan dan gerakan sway tidak berpengaruh secar signifikan. Pada gerakan rotasi, gerakan pitch adalah yang paling dominan sedangkan gerakan roll dan yaw memberikan respon yang jauh lebih kecil.

5 5. Menghitung Tension Tabel 7. Maksimum line tension pada kondisi intact full load Rotasi Maksimum Line Tension (ton) Pile North East East North East East (deg.) (segmen ) (segmen ) (segmen ) (segmen ) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,728 Hasil perhitungan pada tabel diatas dapat disajikan dalam bentuk grafik seperti tampak pada Gambar 5: 220 Line Tension Distribution V. DESIN VERIFIKSI Persamaan (4) digunakan untuk menghitung besarnya breaking strength/breaking load rantai setelah FSO beroperasi selama 12 tahun yang akan datang (direncanakan FSO beroperasi selama 12 tahun) dengan asumsi laju korosi 4 mm/tahun. Nilai breaking load yang didapat dibagi dengan max. line tension untuk mendapatkan nilai safety factor. Nilai safety factor yang didapat harus lebih besar dari nilai safety factor yang diijinkan klas KI yaitu 1,7 (intact) dan 1,3 (one line damage). Tabel 1 menunjukkan nilai safety factor minimal yang diijinkan oleh klas KI. Chain Grade KI R4 Segment ORQ Segment From E Damage at Line #1 Tabel 8. esar diameter dan ML setelah terkorosi Normal Condition Nominal dia. (mm) fter Corrosion (12 years) reaking Load Nominal dia. (ton) (mm) reaking Load (ton) ,78 71,2 535,37 103,9 829,05 99,1 752,44 Tabel 9. Perhitungan safety factor dan excursion Segment Full Load Condition Computed Maximum Line Tension (Ton) 144, , , ,863 reaking Load (ton) 535,37 3,70 752,44 5,36 535,37 2,17 752,44 3,14 Maximum Excursion (Metre) X =-33,740 (from E ) Y = -25,605 (from N ) X = -43,436 (from E ) Y = -53,506 Line Tension (tonnes) Rotation (degree) Gambar 5. Distribusi maksimum line tension NE (segmen ) E (segmen ) NE (segmen ) E (segmen ) Dari Tabel 7 dan Gambar 5 dapat dilihat bahwa line tension yang paling minimum terjadi pada perubahan posisi pile sebesar 10 o searah jarum jam. Oleh karena itu, analisa lebih lanjut akan dilakukan pada posisi ini. Catatan : 1. Minimum Safety Factor = 1,7 (intact) = 1,3 (one line damage) 2. reaking load Computed Safety Factor = Max. line tension Penempatan posisi pile pada posisi rotasi 10 o memberikan line tension yang paling minimum. Pada posisi ini rantai mampu menahan beban yang terjadi seperti ditunjukkan pada Tabel 9. Namun, kondisi tersebut dapat dikatakan overdesign karena rantai terlalu kuat untuk menahan beban tersebut (nilai safety factor yang relatif besar).

6 6 Dengan nilai safety factor yang relatif besar tersebut, diduga penggunaan diameter rantai yang lebih kecil masih bisa untuk diterapkan. Pada Tabel 10 dan Tabel 11 ditampilkan perhitungan untuk diameter yang lebih kecil. Chain Grade KI R4 Segment ORQ Segment Tabel 10. esar diameter dan ML setelah terkorosi Normal Condition Nominal dia. (mm) fter Corrosion (12 years) reaking Load Nominal dia. (ton) (mm) reaking Load (ton) ,19 55,2 331, ,44 63,2 329,306 Tabel 11 nalisa maksimum line tension terhadap allowable line tension (rantai baru ) pada kondisi intact full load From E Damage at Line #1 Catatan : Segment Full Load Condition Computed Maximum Line Tension (Ton) 144, , , ,863 reaking Load (Ton) 331,119 2,29 329,306 2,34 331,119 1,34 329,306 1,37 1. Minimum Safety Factor = 1,7 (intact) = 1,3 (one line damage) 2. reaking load Computed Safety Factor = Max. line tension VI. KESIMPULN a. Maksimum excursion pada kondisi intact full load searah sumbu X sebesar -33,740 m dan sumbu Y sebesar -25,605 m. sedangkan pada kondisi one line damage full load searah sumbu X sebesar -43,436 m dan sumbu Y sebesar -53,506 m. excursion pada berbagai posisi pile tidak mengalami perubahan yang signifikan. b. Diameter rantai yang digunakan saat ini mampu menahan beban yang terjadi pada rotasi posisi pile sebesar 10 o. Namun nilai safety factor relatif jauh lebih besar dibandingkan terhadap safety factor yang diijinkan sehingga desain dapat dikatakan overdesain. c. Didapatkan diameter rantai yang lebih kecil dan memiliki nilai safety factor memenuhi kriteria dengan selisih yang relatif kecil. Diameter rantai yang dimaksud yaitu sebesar 60 mm untuk segmen dan 68 mm untuk segmen sebagai alternatif pengganti rantai yang lama. DFTR PUSTK [1] PI RP 2SK 2 nd edition, 1996, Recommended Practicefor Designand nalysis of Station Keeping Systems for Floating Structures, Washington, DC. [2] riane 7,2009, Theoritical Manual. ureau Veritas. [3] altrop N.D.P.,1991, Dynamics of Fixed Marine Structures [4] hattacharyya, R., 1978, Dynamics of Marine Vehicles, John Wiley & Sons. [5] KI, Guidelines for the Construction and Classification/ Certification of Floating, Production, Storage and Offloading Units, Edition [6] Chakrabarti,S.K.,1987, Hydrodynamics of Offshore Structures [7] Design of a mooring system of a concrete caison. [20 Februari 2012] [8] DNV-OS-E301, 2004, PositioningMooring,Norway. [9] GL Noble Denton Report, Report ND Indonesia DSLR South China Sea Metocean Data, September Dari Tabel 10 dan Tabel 11 didapatkan diameter rantai yang paling minimum yang dapat menahan beban yang terjadi yaitu rantai dengan diameter 60 mm pada segmen dan 68 mm pada segmen. Dengan adanya penelitian ini diharapkan bisa membantu pemilik FSO dalam memilih diameter rantai jika terjadi sebuah kegagalan dan akan melakukan pergantian rantai yang baru.