Evaluasi Aspek Slamming pada Perancangan Drillship Displasemen Ton

Transkripsi

1 1 Evaluasi Aspek Slamming pada Perancangan Drillship Displasemen Ton Fardiansyah Cahya Pratama Putra, Eko B. Djatmiko, dan Mas Murtedjo JurusanTeknikKelautan, FakultasTeknologiKelautan, InstitutTeknologiSepuluhNopember (ITS) Gedung WA, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya Abstrak Dalam tugas akhir ini telah dilakukan perancangan sebuah drillship berukuran panjang 156 m dan berdisplasemen ton. Terhadap rancangan tersebut kemudian dilakukan studi untuk mengkaji sejumlah kinerja hidrodinamisnya. Salah satu aspek utama yang dikaji adalah karakteristik slamming atau hempasan gelombang di dasar haluan pada saat dioperasikan pada perairan tidak terbatas, dengan tinggi gelombang signifikan mencapai Hs = 18.0 m. Pengkajian slamming diawali dengan analisis gerakan, yang secara khusus meninjau intensitas gerakan kopel heave dan pitch di gelombang haluan. Kombinasi gerakan kopel ini dengan elevasi gelombang, dan selanjutnya dikorelasikan sesuai sudut fase yang sesuai, akan menghasilkan gerak relatif vertikal pada posisi dasar haluan tertentu. Dengan memakai RAO gerak relatif vertikal haluan sebagai data d asar dan selanjutnya memakai analisis spektra gelombang akan dapat diperoleh tiga informasi, yaitu peluang terjadinya slamming, intensitas kejadian slamming, serta besarnya tekanan slamming. Analisis telah dilakukan pada sejumlah kecepatan laju drillship, dengan harga terbesar Vs = 14.0 knot. Pada kecepatan ini, di atas gelombang ekstrem perairan tak terbatas diprediksi peluang terjadinya slamming P r = 0.651, intensitas kejadian slamming 0.054/det atau 193/jam, dan tekanan slamming 41.6 kpa. Mengacu pada besarnya tekanan ini maka pada panel struktur dasar haluan drillship di perkirakan akan terjadi tegangan akibat hempasan sebesar N/mm. Kata Kunci slamming, drillship, RAO gerak relative vertical haluan, peluang, intensitas kejadian, tekanan, tegangan struktur I. PENDAHULUAN Berkembangnya teknologi eksploitasi dan eksplorasi minyak dan gas bumi ke laut dalam membutuhkan berbagai teknologi pendukung, modal yang besar dan sumber daya manusia yang profesional. Salah satu teknologi pendukungnya antara lain drillship. Drillship adalah kapal laut yang telah dilengkapi dengan peralatan pengeboran. Hal ini paling sering digunakan untuk eksplorasi pengeboran lepas pantai minyak baru atau sumur gas di perairan dalam atau untuk pengeboran ilmiah. Keuntungan terbesar drillships modern ini adalah kemampuan mereka untuk mengebor di kedalaman air lebih dari 500 meter di seluruh dunia. Drillships benar-benar independen, berbeda dengan semi-submersible dan tongkang jackup. Untuk pengeboran, sebuah riser laut diturunkan dari drillship ke dasar laut dengan pencegah ledakan (BOP) di bagian bawah yang menghubungkan ke kepala sumur. Keunggulan drillship sebagai sarana penunjang industri minyak dan gas di lepas pantai terletak pada ketersediaan ruang muat yang cukup besar di atas geladak dan mempunyai kemampuan untuk bermanouver tinggi. Namun karena faktor lingkungan ketepatan waktu operasi terkadang tidak terlaksana. Hambatan yang dialami adalah gerakan relatif haluan yang berlebihan sehingga mengakibatkan terjadinya slamming dan green water [1]. Slamming adalah fenomena yang terjadi apabila dasar haluan naik melewati permukaan gelombang dan kemudian masuk kembali ke dalam air dengan kecepatan relatif vertikal haluan mempunyai harga yang melewati harga tertentu dan timbul hempasan (Djatmiko, 005). Kondisi tersebut berpengaruh pada keselamatan operasi dan kekuatan struktur Offshore Supply Vessel. Ge Wang (00) slamming juga mungkin dapat mengakibatkan takikan pada plat bagian haluan, buckling dan deformasi pada member pendukung struktur haluan. Slamming pada drillship banyak terjadi di daerah operasi yang kondisi lingkungannya mempunyai gelombang yang besar, seperti di North Sea dan Gulf of Mexico. Di daerah lain meskipun rata-rata kondisi lingkungannya tidak ganas namun slamming mungkin terjadi pada musim-musim tertentu dimana gelombang cukup besar. II. URAIAN PENELITIAN Metode yang dipakai dalam analisa greenwater pada penelitian ini adalah dengan menggunakan metode numeris yang dilakukan untuk analisa gerak kapal. Adapun langkahlangkah yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dijelaskan sebagai berikut : A. Mengumpulkan data teknis Penelitian dilakukan dengan mengumpulkan data teknis dan studi literatur. Pada tugas akhir ini badan kapal mengacu pada Drilliship ORIBIS-ONE, dengan dimensi dapat dilihat pada tabel 1.

2 Tabel 1. Principal dimension of drillship [] Name ORIBIS-ONE Type Drillship Length (m) 156 Breadth (m) 9.9 Height (m) 15.6 T Operational (m) 9 Displacement operational (t) Moonpool length (m) 16.9 Moonpool width (m) 10.4 Accomodation (POB) 136 Power Installed (MW) 8.8 Thruster power (MW) 4 Transit speed (Kn) 1-14 Fuel (m 3 ) 3300 B. Pemodelan drillship Pertama adalah perancangan badan drillship menggunakan perangkat lunak dengan mengacu pada data utama kapal seperti pada Tabel. 1 di atas. Hasil pemodelan ditunjukan pada Gambar. 1 yang merupakan hasil keluaran perangkat lunak. D. Lines Plan Setelah itu dilakukan perancangan rencana garis atau lines plan. Rencana garis ini diperoleh dari data offset model yang sudah valid seperti yang ditunjukan Gambar. 4. Gambar 3. Lines plan drillship E. Pemodelan numeris untuk analisa gerakan Berdasarkan koordinat lines plan selanjutnya digunakan sebagai input data ke dalam pemodelan numeris. Sehingga didapatkan hasil pemodelan kapal seperti Gambar 5. Gambar 4. Model numeris tampak isometrik Gambar 1. Pemodelan drillship C. Validasi model drillship Untuk mendapatkan hasil model kapal yang akurat dengan keadaan sebenarnya, maka hasil rancangan pemodelan harus divalidasi. Validasi untuk pemodelan ini dilakukan dengan membandingkan nilai displasemen keluaran perangkat lunak dengan data displasemen yang sudah ada pada principal dimesion dapat dilihat pada gambar. Gambar. Calculate hydrostatics hasil perangkat lunak F. Analisa Gerakan couple heave dan pitch Persamaan dasar I untuk gerakan heaving pada kopel heaving dan pitching yaitu : (1) dengan: m = dξ a z = dξ b = dξ Selama diasumsikan maka : c = dξ () Yang dapat dinyatakan juga sebagai ρg B dξ n, dimana Bn lebar masing-masing seksi. Exciting force (f) yang timbul sebagai akibat gerakan heaving merupakan kurva sinusoidal dan secara umum dinyatakan sebagai berikut : Fo = F1cosωet + Fsinωet = F0cos (ωet +σ ) (3) dimana Fo merupakan amplitudo dan exciting force yang dinyatakan sebagai berikut ini : Fo = F1 + F Sedangkan σ merupakan sudut fase antara gaya eksitasi dengan gerakan gelombang yang dinyatakan sebagai berikut :

3 3 Fo dan σ diperoleh dari penyelesaian Forcing Force, F1 dan F dapat diperoleh melalui persamaan : F1 = Dengan: Persamaan dasar II merupakan persamaan yang menggambarkan perilaku gerakan pitching akibat gerakan kopel heaving dan pitching, yaitu : (5) dengan : Ayy = massa tambah moment inersia B = moment perendam selama C = moment pengembali Sedangkan D, E, dan H merupakan bentuk kopel yang dinyatakan sebagai berikut : D d E H M = moment eksitasi Semua variabel pada persamaan-persamaan diatas dari az sampai h dan dari Ayy sampai H tergantung pada bentuk hull kapal, kecepatan, dan frekuensi. Pengembangan persamaanpersamaan diatas digunakan untuk menyelesaikan masalah strip teori [4]. RAO disajikan dalam bentuk diagram transfer fungsi dengan menyelesaikan terlebih dahulu persamaan gerak di atas pada setiap frekuensi. Bentuk umum dari persamaan RAO dalam fungsi frekuensi dapat dituliskan dalam persamaan (6) RAO(ω) = X p (ω) (6) η(ω) Dimana, X p (ω) = amplitudo struktur. η(ω) = amplitudo gelombang. Respon yang didapatkan dalam bentuk RAO merupakan repson linear, selanjutnya RAO yang telah diperoleh dapat dikalikan dengan spektrum gelombang sehingga akan didapatkan spektrum respon. Spektrum gelombang yang digunakan adalah ISSC. Spektrum gelombang tersebut dapat diformulasikan sebagai berikut [6]: SS(ωω) = xxxxss ππ 4 ee ππ ωω 5 ωω 4 (7) ϖ = 1.96 ω 0 dengan ω = frekuensi gelombang (rad/sec), dan Hs= tinggi gelombang signifikan. Spektrum respon didefinisikan sebagai respons kerapatan energi pada struktur akibat gelombang. Spektrum respons merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat, secara matematis dalam persamaan (8) [5]: S r (ω) = [RAO(ω)] S(ω) (8) S r (ω) = spektrum respon. (4) S(ω) = spektrum gelombang. G. Analisa Gerakan Vertikal Haluan Gerakan vertikal merupakan gerakan di setiap titik sepanjang bangunan apung di atas gelombang reguler. Dalam geombang regular persamaan gerak heaving dan pitching dinyatakan dalam bentuk seperti pada persamaan (9) dan (10) di bawah ini: Z = Z a cos (ω e t + e z ) (9) θ = θ a cos (ω e t + ε θ ) (10) ε z = sudut fase gerakan heaving terhadap gelombang. ε θ = sudut fase gerakan pitching terhadap gelombang. Sehingga gerakan haluan (Z b ) dapat dituliskan menjadi: Z b = (Z b ) a cos (ω e t + ε b ) (11) ( Zb) a = Za + ( ξθa) + Zaξθa cos( εz εθ ) (1) Za sin εz + ξθa sin εθ tan εb = (13) Za cosεz + ξθa cosεθ Z b = gerakan relatif gabungan (m). (Z b ) a = amplitudo gerak titik b (m). ε b = sudut fase terkait (rad). H. Analisa Gerakan Relatif Vertikal Haluan Penelitian tentang gerak relatif haluan adalah salah satu hal yang menarik dalam seakeeping pada kapal dikarenakan dapat diprediksi terjadinya greenwater on deck. Gerakan ini ditentukan dari jarak vertikal antara permukaan gelombang pada satu titik baik pada buritan maupun pada haluan dengan garis air pada area yang sama. Ketika amplitudo dan sudut fase dari gerakan heaving dan pitching diketahui hubungannya dengan permukaan gelombang maka gerak relatif haluan vertikal dapat dinyatakan sebagai berikut : ( Zbr) a = ( Zb) a + ( ζa) ( Zb) aξθa cos( keξ εb) (14) dengan, + (Zbr)a = amplitudo Gerak haluan relatif. (Z b ) a = amplitudo gerak titik b. ζa = amplitudo gelombang. ke = angka gelombang efektif. εb = sudut fase gerakan haluan vertikal. I. Perhitungan Slamming pertama harus memperhitungkan peluang gerakan vertikal haluan relative lebih besar dari sarat air bagian haluan, atau secara matematis dituliskan [5]: Pr = Pr (Z br > T b ) = eks (15) kedua, peluang kecepatan relatif vertikal haluan lebih besar dari kecepatan ambang batas slamming : Pr = Pr (V br > V th ) = eks (16) Dengan demikian peluang peluang terjadinya slamming adalah kombinasi pers.(16) dan (17), yang dituliskan :

4 4 Pr(haluan terangkat) = Pr (Z br >T b dan V br > V th ) = eks (17) Persamaan (17) dapat diinterpretasikan sebagai berapa kali kapal mengalami slamming pada saat melaju di atas N siklus gelombang acak yang terjadi dalam operasi selama T jam. Untuk menghitung intensitas slamming per jam dapat menggunakan persamaan : 3600xT N = mzbr x exp mozbr 1/ det T b V th π m (18) 0zbr mzbr N T = jumlah kejadian slamming dalam 1 jam. T = periode gelombang ( dapat diasumsikan sebagai T 0 ). Dan untuk menghitung intensitas slamming setiap detik dapat menggunakan persamaan : N = 1 π m m 0R x Pr Slam min g W R (19) Tekanan yang terjadi akibat adanya gelombang slamming Tg yang besar dapat juga diperhitungkan, untuk menghitung besar tekanan dari slamming yang terjadi dapat menggunakan persamaan [7]: 1 Ps = ρ (0) kv br III. HASIL DAN DISKUSI A. Analisa Respon Gerak di Gelombang Reguler Analisa respon gerakan drillship dilakukan pada dua jenis gerakan yaitu heave dan pitch dengan sudut arah datang gelombang 10, 135, 165, dan 180. Dengan kecepatan 14 knot. Hasil analisa RAO untuk gerakan heave dan pitch saat kondisi penuh dengan variasi kecepatan tersebut ditunjukan pada Gambar 5 dan 6. Gambar 6. Grafik RAO gerakan pitch pada kecepatan 14 knot Karakteristik gerak drillship pada gelombang regular dipengaruhi oleh kecepatan, kondisi muatan, dan arah gelombang. Hasil analisa pada RAO di atas dapat ditentukan bahwa pada kondisi penuh gerakan heave terbesar terjadi pada kecepatan 14 kn ot dan arah datang gelombang 180, yaitu sebesar 4.66 m/m pada ωe rad/s. Sedangkan pada kondisi yang sama, gerakan pitch terbesar terjadi pada saat kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180 adalah sebesar deg/m pada ωe 0,739 rad/s. B. Analisa Gerakan Relatif Haluan Vertikal Gerakan relatif haluan vertikal terhadap gelombang disimbolkan dengan (Zbr) dan (Zbr)a sebagai amplitude gerakan relatif haluan vertikal. Gambar 8 menunjukkan hasil analisa gerak relatif haluan terhadap frekuensi pada kecepatan maksimum (14 knot) dan variasi arah datang gelombang. Dengan mengambil titik dari gerakan heaving dan pitching sepanjang bangunan apung diatas gelombang reguler, maka slamming dapat diprediksi. Gambar 9 adalah grafik elevasi yang dapat dipakai sebagai prediksi terjadinya greenwater pada kapal. Dimana kapal pada kondisi penuh dengan kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180. Gambar 5. Grafik RAO gerakan heave pada kecepatan 14 knot Gambar 7. Grafik RAO sudut phase pada kecepatan 14 knot

5 5 Gambar 8. Grafik RAO gerak relatif vertikal haluan pada kecepatan 14 knot Gambar 10. Grafik respon spektra pada arah datang gelombang 180 o dan Hs 18 m D. Perhitungan Slamming Dengan menggunakan persamaan (15) s ampai dengan persamaan (0), maka didapatkan hasil analisa slamming. Hasil perhitungan ditunjukan pada Gambar 11 sampai 14, dimana grafik tersebut menunjukan hasil peluang kejadian, intensitas, dan tekanan akibat slamming Gambar 9. Grafik elevasi relatif vertikal haluan pada kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180 probability (%) knot 13 knot 1 knot 7 knot C. Analisa Respon Gerakan pada Gelombang Acak Respon gerak drillship di atas gelombang acak dilakukan dengan menstransformasikan spektrum gelombang menjadi spektrum respon gerakan. Pada penelitian ini spektrum gelombang yang digunakan adalah spektrum gelombang ISSC dengan variasi tinggi gelombang signifikan (Hs). Gambar 1 merupakan grafik respon spektra dengan variasi kecepatan pada arah datang gelombang 180 dan Hs 18 meter Hs (m) Gambar 11. Grafik peluang kejadian slamming pada arah gelombang 180 N knot knot knot 7 knot Hs (m) Gambar 1. Grafik intensitas terjadinya slamming dalam 1 detik pada arah gelombang 180

6 6 Ps (kpa) knot 13 knot knot 7 knot Hs (m) Gambar 13. Grafik tekanan akibat slamming pada arah gelombang 180 Grafik di atas menunjukan bahwa nilai-nilai terbesar untuk analisa slamming terjadi pada kecepatan 14 knot dan tinggi gelombang signifikan 18 meter. Dimana peluang terjadinya slamming adalah sebesar 0,651 atau 65.1%, intensitas kejadian adalah sebanyak per jam dan per detik, dengan besar tekanan 61.4 kpa. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN RAO gerakan heave terbesar terjadi pada kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180, yaitu sebesar 4.66 m/m pada ωe rad/s. Sedangkan pada kondisi yang sama, gerakan pitch terbesar terjadi pada saat kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180 adalah sebesar deg/m pada ωe 0,739 rad/s dan peluang terjadinya slamming adalah sebesar 0,651 atau 65.1%, intensitas kejadian adalah sebanyak per jam dan per detik, dengan besar tekanan 61.4 kpa. DAFTAR PUSTAKA [1] Murtedjo, M Teori Gerak. Penerbit Fakultas Teknologi Kelautan ITS, Surabaya. [] IADC/SPE, 008. Increasing Efficiency in Deep Water Operations. IADC/SPE Drilling Conference, Orlando, USA. [3] Chakrabarti, S.K Hydrodynamics of Offshore Structures, Computational Mechanics Publications Southampton. Boston, USA. [4] Djatmiko, E.B. 01. Perilaku dan Operabilitas Bangunan Laut di Atas Gelombang Acak. Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya. [5] Djatmiko., Murdjito., Prasetyawan. Operability Analysis of an FPSO on the basis of its slamming and green water performances. Department of Ocean Engineering ITS, Surabaya.