Analisis Pengaruh Kedalaman Laut Terhadap Distribusi Tegangan dan Regangan Pipa Saat Instalasi Menggunakan Metode S-lay

Transkripsi

1 Analss Pengauh Kedalaman Laut Tehadap Dstbus Tegangan dan Regangan Ppa Saat Instalas Menggunakan Metode S-lay IGN Watmaja Puja, Tessal Mahazky Feban Engeneeng Desgn Cente, Depatemen Teknk Mesn Fakultas Teknk Mesn dan Dgantaa Insttut Teknolog Bandung Jl. Ganesha No. 10 Bandung, Indonesa Emal: Fax: Abstak nstalas ppelne d lepas panta memlk peanan pentng dalam pekembangan ndust mnyak dan gas bum saat n, sebab sebelum beopeas d lepas panta, setap ppelne yang akan dpaka haus melalu tahap nstalas. Selama tahap tesebut ppa akan mengalam tegangan yang pelu danalss, sehngga tegangan yang tejad tdak mengganggu keamanan saat poses nstalas dan tansms nantnya. Peangkat lunak Offppe dgunakan untuk pehtungan dan smulas da poses nstalas dengan metode S-lay dan besa tegangan total yang dhaslkan tesebut akan devaluas Poses bedasakan ktea yang tedapat pada DNV OS F101 dan petunjuk pakts API RP Hasl analss yang dlakukan menunjukkan bahwa untuk setap penngkatan kedalaman laut sebesa 30 mete, tegangan total yang tejad d ttk kts pada daeah oveb akan menngkat sekta 3.5% SMYS (Specfed Mnmum Yeld Stength) dan sekta 3% SMYS d ttk kts pada daeah sagb. Sedangkan da hasl analss nstalas yang dlakukan pada stud kasus yang dbahas menunjukan bahwa poses nstalas dengan menggunakan metode S-lay dapat dlakukan sampa kedalaman 1000 mete bedasakan ktea yang tedapat pada petunjuk pakts API RP 1111 sedangkan bedasakan ktea yang tedapat pada DNV OS F101 kedalaman poses nstalas yang mash djnkan adalah sampa 700 mete. Kata kunc: nstalas, offppe, S-lay, tegangan, egangan 1. Pahuluan Ketegantungan manusa tehadap poduk-poduk mgas yang tdak dapat dhentkan menyebabkan semakn ntensfnya usaha pencaan dan eksploas d daeah lepas panta dan laut dalam. Untuk mengakomodas penyaluan mnyak dan gas bum da sumusumu mnyak d lepas panta dan laut dalam dalam dbutuhkan jangan ppa bawah laut sebaga altenatf yang palng mudah, aman, dan efsen. Seng dengan peanan tesebut pembangunan ppelne d lepas panta da waktu ke waktu semakn menngkat. Sudah menjad hal yang basa bahwa baya yang dkeluakan untuk pembangunan ppa lebh besa dbandngkan baya poduks. Oleh kaena tu pemlhan poses nstalas ppa bawah laut sangat menentukan besa baya yang dpelukan. Ada bebeapa metode yang dgunakan dalam melakukan ntalas ppa bawah laut (mane ppelne nstallaton). Bebeapa metode nstalas yang seng dpaka adalah metode S-lay dan J-lay dapat dlhat pada Gamba 1.1 Gamba 1.1. Metode nstalas ppa [1] Begantung pada metode nstalasnya, ppa bawah laut menema beban-beban yang bebeda da lay vessel selama poses nstalas. Beban-beban tesebut beupa tekanan hdostatk, gaya aksal dan momen bng. Analss nstalas ppa dlakukan untuk 1

2 mempekakan tegangan maksmum yang tejad selama poses peletakan (layng pocess) untuk besa kuva adus tetentu. Da hasl analss tesebut dapat dpastkan bahwa ppelne tdak akan mengalam kegagalan bla tegangan yang tejad mash beada dalam batas kekuatan desan. Batas kekuatan desan tesebut datu dalam code dan standad yang belaku. Dalam code dan standad dtetapkan pesyaatanpesyaatan yang danggap pelu aga selama poses nstalas ppelne tdak akan mengalam bebaga modus kegagalan. Sehngga setap tahap nstalas, msalnya pemlhan metode nstalas, penentuan dmens dan koodnat acuan, pehtungan beban dan tegangan yang dznkan, dan lan-lan haus selalu mengacu pada atuan-atuan yang dtetapkan oleh code dan standad tesebut. Code yang basa dgunakan dalam analss nstalas ppa adalah API RP 1111 dan DNV OS F101. Metode elemen hngga juga dlakukan untuk membantu analss nstalas ppa. Pogam elemen hngga yang dapat dgunakan dalam melakukan analss nstalas ppa adalah Offppe. Namun pogam elemen hngga n hanya dapat membekan hasl analss tegangan secaa global. Untuk mengetahu hasl yang lebh detl dapat dlakukan dengan menggunakan pogam FEM yang lan sepet ANSYS dan Nastan.. Tegangan Ppa Saat Instalas Pengetahuan tentang sfat mekank mateal adalah pentng untuk menganalss sebuah sstem peppaan. Melalu pengetahuan n dapat dpekakan tegangan yang tejad pada sstem peppaan. Kode-kode membekan batasan pembebanan aga ppa tdak mengalam tegangan yang belebh sehngga tehda da kegagalan dalam opeasnya..1 Tegangan Tensone Tensone meupakan mesn penak, yang menak ppa menuju stnge. Selan tu, tensone befungs untuk pengontol besa kuva yang tebentuk d sagb dan mengatu besa momen pada stnge. Dengan mengatu beban-beban tesebut maka bentuk-bentuk kegagalan sepet defomas plasts, bucklng dan collapse dapat dhnda. Tensone basanya ted da tack atas dan tack bawah yang tehubung secaa loop. Saat poses nstalas, ppa yang sudah tesambung akan melewat tensone, dan setelah tu tensone akan moong ppelne tesebut menuju ke aah stnge yang nantnya menuju ke laut sampa dasa da laut. Tegangan yang dbekan datu sedemkan sehngga tegangan yang tejad pada tap bagan ppa menjad semnmal mungkn.. Tegangan Hoop dan Radal Ketka beada ddalam a ppa mengalam/mapat tekanan hdostatk da a. Tekanan n akan semakn besa dengan semakn besanya kedalaman a. p o ρgh (1) Tdak ada tekanan ntenal pada saat ppa dnstalas, sebab tdak ada fluda keja yang mengal dalam ppa. Tegangan yang tejad akbat tekanan ekstenal hdostatk adalah tegangan hoop dan tegangan adal. σ σ h ( p p ) o t ( p p ) o ( ) o o () (3).3 Tegangan Pada Oveb [] Oveb tejad teutama pada stnge dan pada sebagan laybage. Tata letak penumpu olle ddesan sehngga membentuk adus kuva tetentu, dan datu, aga dapat mengontol besa tegangan oveb. Besa momen yang tejad dsepanjang stnge tedstbus sepet pada Gamba.1 Besa tegangan momen lentu yang tejad d stnge dapat dhtung dengan pesamaan bekut : ED σ a Rcv (4) Gamba.1. Dstbus Momen Lentu Pada Stnge [] Radus kuva mínmum pada stnge dtentukan dengan pesamaan :

3 R cv ED σ f y D (5).4 Tegangan Pada Sagb [] Ketka ppelne mencapa dasa laut pada saat nstalas, maka ppelne akan membentuk kuva tetentu secaa alam akbat tejadnya defleks yang besa. Bentuk kuva tesebut dsebut dengan sagb. Kuva sagb sangat dpengauh oleh besa gaya aksal yang dbekan oleh tensone. Model catenay meupakan model yang dapat dgunakan dalam pehtungan hubungan antaa gaya tak tensone dan bentuk kuva. Bentuk model catenay dapat dlhat pada Gamba.. Komponen hozontal da gaya tak nlanya konstan da ttk sentuh/jatuh d dasa laut hngga ke ujung stnge. Sementaa tu, komponen vetkal da gaya tak nlanya semakn besa da ttk sentuh/jatuh d dasa laut hngga ke ujung stnge, kaena jumlah beat ppa yang team a semakn banyak. Gamba.. Model Catenay [] Da Gamba. ddapat hubungan sebaga bekut : xws z cosh 1 ws (6) Betuk kuva dapat dnyatakan dengan : dθ d z ws xws cosθ cosh cosθ ds dx (7) Pada ttk sentuh/jatuh (touchdown pont) d dasa laut, adus kuva meupakan yang tebesa dan nlanya dapat dhtung bedasakan pesamaan datas dengan konds batas (x 0; θ 0) 1 ws R (8) Hubungan antaa bentuk kuva sagb dan egangan pada ppa adalah : ε R (9) Komponen vetkal gaya tak adalah sama dengan beat total da ppa yang team ddalam a dan dapat dnyatakan dengan : T v wss (10) Dmana s adalah panjang busu kuva sagb dan nlanya : s z 1+ zws (11) Sudut θ dtentukan dengan : Tv tanθ (1) 3. Pemodelan dan Pemasukan Data Metode yang dgunakan pada poses smulas n adalah metode nstalas dengan S- lay, selan tu poses nstalas dlakukan dengan model dmens dan analss yang dlakukan hanya analss statk sehngga paamete yang behubungan dengan analss dnamk tdak dbahas. 3.1 Pemasukan Data Ppa [11] Data ppa yang dmasukkan ke dalam pogam Offppe mengacu pada data yang ada pada Tabel 3.1 yang melput data ukuan dan mateal seta ketebalan coatng yang dgunakan. Tabel 3.1 Popet ppa dan coatng [11] Popet Satuan Nla Ppe Jont Length (m) 1. Outsde Damete (mm) 33.9 Wall thckness (mm) 1.7 Steel Gade API-5L X-5 SMYS (MPa) 359 Cooson Coatng (mm) 0.4 thckness Cooson Coatng Densty (kg/m 3 ) 1400 Concete Coatng (mm) 0 ckness Concete Coatng Densty (kg/m 3 ) N/A Feld Jont Cutback (mm) 300 Feld Jont Densty (kg/m 3 ) 1400 Weght n A Sngle Ppe (N/m) 96 Submeged Weght (N/m) 19 Sngle Ppe Weght n A Dual Lne (N/m) 194 Submeged Weght Dual Lne (N/m) 58 3

4 3. Pemasukan Data Laybage Ppa dtumpu pada laybage oleh 5 tumpuan konvensonal dan 3 buah tensone. Penumpu yang dgunakan meupakan yang umum dpaka pada pogam Offppe. Kodnat da tumpuan dan tensone yang dgunakan secaa eksplst dmasukan ke dalam nput Offppe oleh pengguna dmana jaak antaa masng-masng tumpuan dan tensone bejaak konstan sebesa 40 kak. Jaak vetkal da tumpuan teakh pada kapal dhtung da adus kelengkungan yang konstan. Besa adus kelengkungan da ppelne adalah 70 kak dan sudut kemngan da laybage sebesa 0.6 deajat seta poss da geladak kapal (pemukaan palng atas) bejaak 16 kak da pemukaan a laut. 3.3 Pemasukan Data Stnge Pada stud kasus n, stnge yang dgunakan adalah model fxed geomety stnge, dmana poss dan bentuk stnge dtentukan da tangent pont dan adus kelengkungan ppa yang tejad. Poss da tumpuan yang ada pada stnge dtentukan dengan jaak da masng-masng tumpuan. Tumpuan petama bejaak 15 kak da stnge htch, tumpuan selanjutnya bejaak masng-masng 30 kak satu sama lan dan ujung da stnge bejaak 15 kak da tumpuan teakh. Jumlah tumpuan yang dgunakan sebanyak 8 buah dan tdak ada tumpuan pada bagan da ujung stnge. Panjang total da stnge tesebut adalah 40 kak yang meupakan penjumlahan da masng-masng jaak anta elemen yang telah djelaskan sebelumnya. Poss da stnge htch beada pada 15 kak da butan kapal (sten) dan 0 kak d bawah dek kapal. 3.4 Pemasukan Data Dasa Laut Data dasa laut yang dbutuhkan Offppe untuk analss nstalas ppa bawah laut dengan menggunakan metode S-lay hanya kedalaman laut. Dalam stud kasus n besa kedalaman yang dmasukan bevaas mula da kedalaman 100 kak sampa dengan kedalaman 300 kak dengan nteval sebesa 100 kak. 4. Hasl Analss Analss dlakukan pada expot ppelne yang akan dpasang da TLP-A yang beada d tengah laut dengan kedalaman 300 kak menuju Santan Temnal yang beada d daat. Skema da poss ppelne dapat dlhat pada Eo! Refeence souce not found. Gamba 4.1 Skema da West Seno Feld [10] Hasl analss nstalas dlakukan mula pada kedalaman 100 kak sampa dengan 300 kak dengan nteval 100 kak. Dalam Offppe, ppa akan danalss pada tap node dmana node adalah ttk da model elemen hngga yang dmana meupakan ttk tempat tejadnya peubahan bak tu beupa pepndahan poss (dsplacement), gaya-gaya yang bekeja, dan tegangan ataupun egangan yang tejad pada ppa. Bedasakan hasl analss maka pofl da ppa saat nstalas dengan menggunakan metode S-lay beseta tegangan total yang tejad dapat dlhat pada Gamba 4. dan Gamba 4.3. Gamba 4. Pofl Layng nstalas S-Lay Pada gafk tegangan total telhat bahwa poss tensone beada pada node 3, 5, dan 7 dan tegangan tebesa teletak pada node 9 4

5 yang meupakan daeah oveb dengan nla tegangan % da kekuatan luluh mateal (SMYS mateal adalah 5000 ks). mempelhatkan data da besa tegangan yang tejad pada ttk tesebut untuk tap kedalaman. Kolom yang dbe wana meah jambu meupakan besa tegangan pada ttk kts d oveb dan untuk yang kolom bewana hjau meupakan besa tegangan pada ttk kts d daeah sagb. Tabel 4.1 Tegangan total pada ttk kts Gamba 4.3 Tegangan total yang tejad saat nstalas Peubahan tegangan yang nak mula da node 5 hngga 9, dsebabkan kaena tejad kenakan momen bng akbat eaks d tumpuan, dmana setelah tensone ppa dtumpu pada penumpu datas laybage. Penuunan tegangan yang tejad da node 4 hngga 3 dsebabkan oleh hal yang sama yatu tejadnya penuunan momen bng akbat geomet stnge yang sedemkan upa. Untuk node selanjutnya (node 35 hngga 53) pofl tegangan yang tejad ceung untuk mengkut pofl tegangan yang tejad pada sagb. In membekan petanda bahwa ppa sudah tak tetumpu pada penumpu stnge. Daeah oveb adalah bagan ppa mula da atas laybage sampa dengan stnge (kecual tumpuan teakh pada stnge) yang dalam tabel dpelhatkan mula da node 1 sampa dengan node 30, sedangkan daeah sagb meupakan bagan ppa mula da tumpuan teakh pada stnge sampa dengan ttk jatuh d daeah seabed yang dpelhatkan mula da node 3 sampa dengan node Pengauh Kedalaman Tehadap Dstbus Tegangan Total Pada Ppa Besa da tegangan total yang tejad pada ppa saat nstalas dpengauh oleh kedalaman laut tempat ppa dnstalas, oleh kaena tu akan dlakukan analss da hasl smulas yang dlakukan Offppe pada setap kedalaman. Petama akan dplh ttk kts yang tedapat masng-masng 1 ttk pada daeah oveb dmana ttk tesebut beada pada node 9 jka melhat Tabel 4.1 dan 1 ttk pada daeah sagb yang beada pada tumpuan teakh pada stnge (node 3) lalu setelah tu dambl data tegangan total untuk masngmasng ttk tesebut pada tap kedalaman da hasl smulas menggunakan Offppe. Tabel 4.1 Kedala man (kak) Tenso ne (kps) Total Stess (ks) Oveb Sagb Kedala man (kak) Tenso ne (kps) Total Stess (ks) Oveb Sagb Bedasakan pada Tabel 4.1 dapat dlhat bahwa semakn besa kedalaman peaan tegangan yang dbekan tensone juga semakn besa, hal n dkaenakan aga ppa tdak mengalam ovestess pada salah satu tumpuan sehngga tegangan tensone datu dsesuakan dengan kedalaman. Hubungan antaa besa tegangan tensone tehadap kedalaman laut dapat dlhat pada Gamba 4.4 Gafk hubungan tegangan tensone tehadap kedalaman. Gamba 4.4 Gafk hubungan tegangan tensone tehadap kedalaman Bedasakan data yang ddapat da Tabel 4.1 dapat dlhat pengauh da kedalaman tehadap besa tegangan total yang tejad pada masng-masng ttk kts pada Gamba

6 Gamba 4.5 Kuva besa tegangan pada ttk kts tehadap kedalaman laut Penngkatan besa da tegangan total tejad pada masng-masng ttk kts untuk daeah oveb dan daeah sagb, hal n menandakan bahwa semakn dalam kedalaman nstalas yang dlakukan akan menngkatkan besa tegangan total da masng-masng ttk kts pada kedua daeah tesebut. Penngkatan besa tegangan total juga dpengauh oleh penngkatan besa tegangan yang dbekan oleh tensone, hal tesebut dapat dlhat da bentuk kuva yang dbentuk oleh ttk kts pada daeah oveb dbandngkan dengan kuva pada Gamba 4.4 memlk bentuk yang hamp sama. Untuk ttk kts pada daeah sagb yang meupakan tumpuan teakh pada stnge telhat mengalam lonjakan yang cukup sgnfkan pada kedalaman 1000 kak, hal n dakbatkan kaena peubahan besa gaya bng akbat eaks yang tejad pada tumpuan yang dakbatkan geomet da stnge yang sedemkan upa. Selan tu pada kedalaman da 100 kak hngga 700 kak ppa belum besentuhan dengan tumpuan pada ttk kts tesebut sehngga besa tegangan total mash elatf kecl. Hal n dapat dlhat pada Gamba 4.6 dmana tejad penngkatan eaks tumpuan yang sgnfkan pada kedalaman 1000 kak. Penngkatan da eaks tumpuan yang tejad akan menyebabkan penngkatan secaa sgnfkan da tegangan total yang tejad pada ttk kts tesebut. Oleh kaena tu pelu adanya pehatan lebh tehadap ttk kts tesebut kaena untuk stud kasus yang dbahas poses nstalas pada kedalaman 100 kak sampa 700 kak, ttk tesebut seolaholah tdak telhat sepet ttk yang kts dan telhat menjad sebuah ttk kts ketka poses nstalas dlakukan mula da kedalaman 1000 kak. Gamba 4.6 Kuva eaks tumpuan pada ttk kts d sagb tehadap kedalaman laut 4. Pengauh Kedalaman Tehadap Dstbus Regangan Total Pada Ppa Besa egangan yang tejad pada ppa saat nstalas bebandng luus tehadap besa peubahan tegangan total yang tejad pada ppa tesebut, hal n dapat dlhat da bentuk kuva yang tejad pada kedalaman vs egangan total yang dentk dengan gafk pada kedalaman vs tegangan total yang telah dpelhatkan sebelumnya. Tabel 4. Regangan total pada ttk kts Kedal Tens Total stan Kedala Tens Total stan aman one man one Oveb Sagb (kak) (kps) (kak) (kps) Oveb Sagb Bedasakan data yang ddapat da Tabel 4. dapat dlhat pengauh da kedalaman tehadap besa Gamba 4.7 egangan total yang tejad pada masng-masng ttk kts pada. Gamba 4.7 Kuva besa eegangan pada ttk kts tehadap kedalaman laut 6

7 4.3 Analss Pebandngan Ktea [7,8] pada Code yang Dgunakan Poses analss dlakukan dengan pengecekan dstbus tegangan pada ppa untuk tap node (seks) mula pada kedalaman 100 kak sampa dengan 300 kak dengan nteval 100 kak. Poses pengecekan dlakukan sampa konds poses nstalas mengalam kegagalan bedasakan ktea yang telah djelaskan pada masng-masng code dan standad yang dgunakan dalam poses analss. Bedasakan analss kasus menggunakan API RP 1111, metode nstalas yang dgunakan pada poses smulas dapat dlakukan sampa kedalaman maksmum da stud kasus yang dbahas, yatu sampa dengan kedalaman 300 kak. Sedangkan untuk analss kasus menggunakan DNV OS F101, poses nstalas mula mengalam kegagalan pada kedalaman 400 kak. Dalam tabel 4.16 dpelhatkan bagan da ppa yang mengalama kegagalan akbat ketdaksesuaan tehadap ktea yang dbekan saat ppa dnstalas pada kedalaman 400 kak, kegagalan tejad kaena egangan yang tejad pada ppa melebh da batas ktea yang telah dbekan oleh DNV OS F Kesmpulan Kesmpulan yang dapat dambl da Analss Pengauh Kedalaman Laut Tehadap Dstbus Tegangan Ppa Saat Instalas Menggunakan Metode S-lay dengan stud kasus: Expot Ppelne west seno n adalah sebaga bekut : 1. Untuk daeah oveb, tegangan total pada ttk kts mengalam penngkatan konstan sekta 3.5% SMYS (Specfed Mnmum Yeld Stength) untuk setap kenakan kedalaman 100 kak dengan penngkatan tegangan tensone sebesa 10 kps dan tegangan total tetngg tejad pada kedalaman 300 kak sebesa ks (107.1% SMYS).. Untuk daeah sagb, tegangan total pada ttk kts mengalam penngkatan konstan sekta 3% SMYS untuk setap kenakan kedalaman 100 kak dengan penngkatan tegangan tensone sebesa 10 kps dan tegangan total tetngg tejad pada kedalaman 300 kak sebesa 5.53 ks (100.43% SMYS). 3. Bedasakan ktea yang ada pada API RP 1111, dstbus tegangan yang tejad pada setap bagan (node) ppa saat poses nstalas mash masuk dalam ktea sampa kedalaman maksmum da stud kasus yang dbahas, yatu sampa kedalaman 300 kak. Penggunaan buckle aesto dlakukan pada ppa mula pada kedalaman. 4. Bedasakan ktea yang ada pada DNV OS F101, dstbus tegangan yang tejad pada setap bagan (node) ppa saat poses nstalas mash masuk dalam ktea yang djnkan sampa kedalaman 300 kak. Pada kedalaman 400 kak,egangan yang tejad node 9 (pada bagan laybage) melebh batas da ktea yang djnkan. Penggunaan buckle aesto dlakukan pada ppa mula kedalaman 1400 kak. 5. Da hasl kedua analss bedasakan code dan standad tesebut, poses nstalas Expot Ppelne lebh bak untuk dlakukan sampa kedalaman 300 kak. Dafta Pustaka [1]. Offshoe Couse. Sapem. Bandung : Teknk Mesn-ITB, 006. []. Ba, Yong and Ba, Qang. Subsea Ppelne And Rse. s.l. : Elseve Lmted, 005. [3]. Baestup, Mkael W., et al. Desgn and Installaton of Mane Ppelnes. Oxfod : Blackwell Scence Lmted, 005. [4]. Gewck J., Ben C. Constucton Of Mane And Offshoe Stuctue. Bekeley : CRC Pess, 000. [5]. Guo, Boyun, et al. Offshoe Ppelnes. Lousana : Elseve Lmted, 004. [6]. Lee, Jaeyoung. Desgn and Installaton of Deepwate Petoleum Ppelnes. Offshoe Magazne. [7]. API RP Desgn, Constucton, Opeaton, and Mantenance of Offshoe Hydocabon Ppelnes. Washngton DC : Amecan Petoleum Insttute, [8]. DNV OS F101. Submane Ppelne Systems. Høvk : Det Noske Vetas, 000. [9]. west_seno3.html 7