Evaluasi Aspek Greenwater pada Perancangan Drillship Displasemen Ton

Transkripsi

1 1 Evaluasi Aspek Greenwater pada Perancangan Drillship Displasemen Ton I.D.G. Ngurah Krishna Iswara, Eko Budi Djatmiko dan Handayanu Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Sebuah drillship berukuran panjang 156 m dan berdisplasemen ton telah dirancang untuk dioperasikan pada perairan global tak terbatas. Terhadap rancangan tersebut telah dilakukan evaluasi kinerja hidrodinamisnya, dengan salah hal utama adalah aspek greenwater. Evaluasi greenwater diawali dengan analisis gerakan, pada khususnya meninjau intensitas gerakan kopel heave dan pitch di gelombang haluan. Hasil komputasi erakan kemudian digunakan untuk menurunkan gerak relatif vertikal pada posisi geladak haluan tertentu melalui kombinasi gerakan kopel tersebut dengan elevasi gelombang dan dikorelasikan terhadap sudut fase yang sesuai. RAO gerak relatif vertikal haluan di gelombang regular sebagai data dasar kemudian ditransformasikan menjadi karakteristik di gelombang acak melalui analisis spektra. Dengan menerapkan teori stokastik selanjutnya akan dapat diprediksi tiga macam informasi, yaitu peluang terjadinya greenwater, intensitas kejadian greenwater, serta besarnya tekanan greenwater di atas geladak haluan. Secara keseluruhan komputasi telah dilakukan pada sejumlah kecepatan drillship, mulai Vs 7,0 knot sampai dengan 14,0 knot, pada tinggi gelombang signifikan terbesar perairan tak terbatas Hs 18,0 m. Greenwater ternyata meningkat bersamaan dengan kenaikan kecepatan laju, dan maksimum pada 14,0 knot. Peluang terjadinya greenwater mencapai 0,653, dengan intensitas sebanyak 0,20 per detik atau 147,7 kali per jam, dan tekanan 89,7 kpa. Kata Kunci greenwater, drillship, RAO gerak relatif vertikal haluan, peluang, intensitas kejadian, tekanan, tegangan struktur geladak. I. PENDAHULUAN emampuan struktur apung khususnya kapal saat ini menjadi salah satu kebutuhan wajib aktivitas di perairan Kseluruh dunia. Tidak terkecuali drillship, dimana untuk eksplorasi pengeborannya dapat dilakukan secara berpindah pindah dengan menggerakan strukturnya sendiri tanpa bantuan kapal luar. Ketika kapal berlayar di laut, gerakangerakan kapal (rolling, pitching, heaving) dan lain-lainnya akan timbul karena adanya gelombang yang akan menimbulkan tahanan maupun gaya-gaya yang bekerja pada kapal [1] Greenwater pada kapal disebabkan terutama karena gerak relatif haluan pada permukaan gelombang, tetapi juga tergantung pada ketinggian freeboard. Gerak relatif haluan adalah regular didalam gelombang yang meningkat teratur dan acak didalam sebuah jalur laut acak. Jika kapan saja gerak relatif haluan menjadi negatif, ketika gerakan haluan buritan deck dan gerakan gelombang diukur dari SWL (Still Water Level), air laut masuk ke dalam deck. Peristiwa ini dapat diprediksi jika swell-up dari gelombang baik statik dan dinamik dapat dipertanggungjawabkan sejak modifikasi fenomena aktual freeboard dari kapal. Peluang gerak relatif haluan dapat dipertimbangkan berbeda untuk aktual dan efektif freeboard, khususnya pada kecepatan tinggi. Dalam hal ini, semakin besar freeboard yang sebenarnya, semakin kering kapal tersebut [2]. 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 sebagai berikut : Tabel 1. Principal dimension of drillship [3] Name ORIBIS-ONE Type Drillship Length (m) 156 Breadth (m) 29.9 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) 28.8 Thruster power (MW) 24 Transit speed (Kn) Fuel (m 3 ) 3300 B. Pemodelan drillship Pertama adalah perancangan badan drillship menggunakan perangkat lunak dengan mengacu pada data utama kapal

2 2 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 1. Pemodelan drillship tampak isometrik 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 sebagai berikut: 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 2. Calculate hydrostatics keluaran perangkat lunak Dapat dilihat pada gambar di atas, displasemen keluaran perangkat lunak adalah sebesar ,289 ton. Selisih nilai displasemen keluaran perangkat lunak dengan principal dimension adalah: Displasemen keluaran model Displasemen data x 100 % Displasemen Data , ton x 100 % 0,123 % ton Dari hasil perhitungan sederhana di atas, selisih nilai displasemen dari model yang dibuat dengan displasemen principal dimension yang sudah ada menunjukan nilai error kurang dari 5 % sehingga model kapal yang telah dibuat valid dan dapat digunakan pada tahap selanjutnya. Gambar 4. Model numeris tampak isometrik F. Analisa Gerakan Dengan menggunakan bentuk model geometri di bawah permukaan air, distribusi tekanan potensial pada setiap panel diberkan dengan linearisasi persamaan Bernoulli [4] ρ -ρ (gz + δϕ ) (1) δt dengan, ρ massa jenis fluida g percepatan gravitasi z kedalaman ϕ kecepatan potensial Dengan mengintegrasikan tekanan pada seluruh badan kapal, akan didapatkan gaya hidrodinamisnya. Pada tahap ini dihitung matriks dari added mass damping yang akan melengkapi properti hidrodinamis. Properti hidrodinamis dihitung dengan menggunakan teori difraksi tiga dimensi [5]. Berdasarkan gaya hidrodinamis, gerakan linear pada enam derajat kebebasan diperkirakan dalam bentuk Response Amplitude Operator (RAO). Hal ini dilakukan dengan menggunakan persamaan gerak (2).

3 3 6 iwt [ ( M jk + A jk ) ξ k + B jkξ k + C jkξ k ] F je, j 1 n 1 (2) Dimana, M jk komponen matriks massa kapal. A jk, B jk matriks koefisien massa tambah dan redaman. C jk koefisien-koefisien gaya hidrostatik pengembali. F j amplitudo gaya eksitasi dalam besaran kompleks. 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 (3) RAO(ω) X p (ω) (3) 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) xxxxss2 ππ 4 ee ππ ωω 5 ωω 4 (4) ϖ 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 (5) [5]: S r (ω) [RAO(ω)] 2 S(ω) (5) S r (ω) spektrum respon. 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 (6) dan (7) di bawah ini: Z Z a cos (ω e t + e z ) (6) θ θ a cos (ω e t + ε θ ) (7) 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 ) (8) ( Zb) a Za 2 + ( ξθa) 2 + 2Zaξθa cos( εz εθ ) (9) Za sin εz + ξθa sin εθ tan εb (10) 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 Haluan Vertikal 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) 2( Zb) aξθa cos( keξ εb) (11) 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 Greenwater Probabilitas greenwater dihitung dengan menggunakan persamaan seperti pada persamaan (12) [2]: [ f '( l ) m0 R P{ s f ( l) } e 2 / 2 ' (12) Persamaan (12) dapat diinterpretasikan sebagai berapa kali kapal mengalami greenwater pada saat melaju di atas N siklus gelombang acak yang terjadi dalam operasi selama T jam. Untuk menghitung intensitas greenwater per jam dapat menggunakan persamaan : N Peluang Periode Greenwater PT x3600 x3600 rata rata T (13) N T jumlah kejadian greenwater dalam 1 jam. P F peluang kejadian greenwater. T periode gelombang ( dapat diasumsikan sebagai T 0 ). Dan untuk menghitung intensitas greenwater setiap detik dapat menggunakan persamaan : N T 1 2π 2m 2m 0R x peluang kejadian greenwater W 2R (14) Tekanan yang terjadi akibat adanya gelombang greenwater Tg yang besar dapat juga diperhitungkan, untuk menghitung besar tekanan dari greenwater yang terjadi dapat menggunakan persamaan [7]: Fwet Pwet (15) Lwet * Bb F A * B *1.025* a (16) wet wet b dengan, P wet tekanan deck (kn/m 2 ). F wet gaya greenwater di atas deck (kn). L wet panjang area deck wetness. Bb lebar area deck wetness. A wet luas air yang masuk ke deck. a r percepatan vertikal relatif. r

4 4 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 120, 135, 165, dan 180. Selain itu dipakai variasi kecepatan, yaitu 7 dan 14 knot. Hasil analisa RAO untuk gerakan heave dan pitch saat kondisi penuh dengan variasi kecepatan tersebut ditunjukan pada Gambar 5 sampai dengan Gambar 8. Gambar 7. Grafik RAO gerakan heave pada kecepatan 14 knot Gambar 5. Grafik RAO gerakan heave pada kecepatan 7 knot Gambar 8. 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 knot dan arah datang gelombang 120, yaitu sebesar 1,148 m/m pada ωe 0,4488 rad/s. Sedangkan pada kondisi yang sama, gerakan pitch terbesar terjadi pada saat kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180 adalah sebesar 2,492 deg/m pada ωe 0,6614 rad/s. Gambar 6. Grafik RAO gerakan pitch pada kecepatan 7 knot 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 10 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 greenwater dapat diprediksi. Gambar 11 adalah grafik elevasi yang dapat dipakai sebagai prediksi terjadinya greenwater

5 5 pada kapal. Dimana kapal pada kondisi penuh dengan kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180. 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 12 merupakan grafik respon spektra dengan variasi kecepatan pada arah datang gelombang 180 dan Hs 18 meter, dimana nilai respon spektra terbesar adalah kecepatan 14 knot sebesar 142,59 m 2 /(rad/s) pada frekuensi 0,299 rad/sec. Gambar 9. Grafik RAO sudut phase pada kecepatan 14 knot Gambar 12. Grafik respon spektra pada arah datang gelombang 180 o dan Hs 18 m Gambar 10. Grafik RAO gerak relatif haluan vertikal pada kecepatan 14 knot D. Perhitungan Greenwater Dengan menggunakan persamaan (12) sampai dengan persamaan (16), maka didapatkan hasil analisa greenwater. Hasil perhitungan ditunjukan pada Gambar 13 sampai 16, dimana grafik tersebut menunjukan hasil peluang kejadian, intensitas, dan tekanan akibat greenwater. Gambar 11. Grafik elevasi relatif haluan vertikal pada kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180 Gambar 13. Grafik peluang kejadian greenwater pada arah gelombang 180 Berdasarkan perhitungan elevasi di atas pada saat ωe 0,986 rad/s, greenwater terjadi pada 3,50 4,77 detik dan 9,55 11,46 detik ketika gerak Zb -12,25 m.

6 6 Gambar 14. Grafik intensitas terjadinya greenwater dalam 1 jam pada arah gelombang 180 IV. KESIMPULAN/RINGKASAN RAO gerakan heave terbesar terjadi pada kecepatan 14 knot arah datang 120 o sebesar 1,148 m/m pada ωe 0,4488 rad/s dan gerakan pitch terbesar terjadi pada kecepatan 14 knot arah datang 180 o sebesar 2,492 deg/m pada ωe 0,6614 rad/s. Elevasi RAO relative motion pada kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180 o didapatkan terjadinya greenwater pada nilai -12,25 meter saat periode 3,50-4,77 detik dan 9,55 11,46 detik. Respon spektra terbesar terjadi pada kecepatan 14 knot dan arah datang gelombang 180 o adalah sebesar 142,59 m 2 /(rad/s) pada frekuensi 0,299 rad/sec dan tinggi gelombang signifikan 18 meter. Tekanan greenwater terbesar terjadi pada kecepatan 14 knot, tinggi gelombang signifikan 18 m dan sudut datang gelombang 180 o sebesar 89,652 kpa dengan peluang 65% dan intensitas 147,73 per jam dan 0,20 per detik. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis 1 mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada Tuhan Yang Maha Esa dan orang tua dalam memberikan dukungan untuk menyelesaikan penelitian ini, kepada dosen-dosen pembimbing yang dengan sabar membimbing penulis 1, dan juga kepada teman-teman angkatan 2009 Jurusan Teknik Kelautan FTK-ITS atas semangatnya. Gambar 15. Grafik intensitas terjadinya greenwater dalam 1 detik pada arah gelombang 180 DAFTAR PUSTAKA [1] Murtedjo, M Teori Gerak. Penerbit Fakultas Teknologi Kelautan ITS, Surabaya. [2] Bhattacharyya, R Dynamics of Marine Vehicles. John Wileys & Sons, New York. [3] IADC/SPE, Increasing Efficiency in Deep Water Operations. IADC/SPE Drilling Conference, Orlando, USA. [4] Larsen, Truls Jarand Modelling of Wave Induced Motion of a SPAR Bouy in MOSES. Project Thesis, Trondheim: Departemen of Marine Hydrodinamic NTNU. [5] Chakrabarti, S.K Hydrodynamics of Offshore Structures, Computational Mechanics Publications Southampton. Boston, USA. [6] Djatmiko, E.B Perilaku dan Operabilitas Bangunan Laut di Atas Gelombang Acak. Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya. [7] Djatmiko., Murdjito., Prasetyawan. Operability Analysis of an FPSO on the basis of its slamming and green water performances. Department of Ocean Engineering ITS, Surabaya. Gambar 16. Grafik tekanan akibat greenwater pada arah gelombang 180 Grafik di atas menunjukan bahwa nilai-nilai terbesar untuk analisa greenwater terjadi pada kecepatan 14 knot dan tinggi gelombang signifikan 18 meter. Dimana peluang terjadinya greenwater adalah sebesar 0,65 atau 65%, intensitas kejadian adalah sebanyak 147,73 per jam dan 0,20 per detik, dengan besar tekanan 89,652 kpa.