DESAIN DAN ANALISA STRUKTUR YOKE MOORING TOWER UNTUK FLOATING STORAGE OFFLOADING (FSO)

Transkripsi

1 DESAIN DAN ANALISA STRUKTUR YOKE MOORING TOWER UNTUK FLOATING STORAGE OFFLOADING (FSO) Amalia Adhani, Iwan R. Soedigdo Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia ABSTRAK Floating Storage Offloading (FSO) adalah salah satu tipe anjungan terapung yang berfungsi sebagai fasilitas penyimpanan sementara produksi minyak atau gas alam. FSO ditambat pada mooring tower untuk menjaga FSO agar stabil dan relatif tetap pada posisinya sehingga aspek operasional FSO tetap dapat berjalan lancar. Mooring tower dipilih sesuai dengan keadaan lingkungan Laut Jawa yang tergolong dangkal. Dalam jurnal ini dibandingkan 3 tipe struktur jacket mooring tower dengan perbedaan geometri perangkaan diagonal untuk dipilih sebagai struktur mooring tower terbaik yang mampu menahan beban struktural, beban lingkungan serta beban akibat FSO. Berdasarkan hasil analisa dipilih tipe struktur dengan berat paling ringan yang memenuhi kriteria. Kata Kunci: FSO, anjungan struktur tambat, struktur lepas pantai, inplace analysis ABSTRACT Floating Storage Offloading (FSO) is a floating structure that serves as a temporary storage facility for oil or gas production. FSO is moored to a mooring tower to stabilize its position in order to maintain the operational aspect of FSO. Mooring tower is selected in accordance with the state of Java Sea which is relatively shallow. The objective of this journal is to select the best out of three compared type of structures with diagonal bracings difference as a yoke mooring tower structure that able to resist its structural and environmental loadings and FSO tension. Analysis resulted in choosing the lightest structure for mooring tower that also able to meet all requirements. Key words: FSO, yoke mooring tower, offshore structure, inplace analysis PENDAHULUAN Pada daerah perairan dengan kedalaman laut dangkal, mooring tower merupakan sistem tambat anjungan terapung seperti FSO (Floating Storage Offloading). Sistem tambat yang baik diperlukan untuk menjaga kestabilan posisi kapal FSO agar tetap relatif pada tempatnya sehingga aspek operasionalnya sebagai sebuah storage vessel atau kapal tampung minyak sementara dapat tetap berjalan lancar. Yoke mooring tower merupakan anjungan menara tambat berupa fixed steel jacket-template structure, dengan sebuah yoke sebagai struktur penghubung anjungan menara tambat dengan FSO. Sebagai konektor, yoke menyalurkan gaya-gaya yang diterima FSO ke menara tambatnya. Pada laut dengan kedalaman seperti Laut Jawa yang tergolong dangkal, struktur mooring tower tepat untuk diaplikasikan. Mooring tower juga berfungsi sebagai struktur 1

2 penunjang alur distribusi minyak dan gas dari darat untuk ditampung sementara di FSO sebelum dimuat ke dalam shuttle tanker untuk dibawa menuju oil refinery (kilang minyak) domestik. Jurnal ini membahas perancangan mooring tower yang dapat menahan beban struktural dan lingkungan serta beban FSO. Pada jurnal ini dianalisa 3 tipe struktur dengan perbedaan perangkaan diagonal untuk dipilih sebagai struktur yoke mooring tower terbaik yang dapat menahan pembebanan akibat lingkungan dan FSO dalam batasan hanya analisa statis (inplace) yang dilakukan. YOKE MOORING TOWER Anjungan menara tambat (mooring tower) adalah struktur tipe jacket yang terpancang ke dasar laut yang berfungsi menambat anjungan terapung. Konektor yoke menyambungkan menara dengan FSO, menstabilkannya dengan menyalurkan gaya-gaya yang diterima FSO ke menara tambat. Yoke mooring tower dibagi menjadi 3 komponen struktur yaitu anjungan menara (crane, dek putar, swivel), sistem transfer produk (jumper hose, riser), dan komponen sistem tambat (yoke, mooring structure interface) yang diilustrasikan sebagai berikut: Gambar 1. Komponen yoke mooring tower Sumber: bluewater-offshore.com Dengan terpasangnya komponen yoke pada level dek putar, FSO dapat berputar bebas 36 sekitar mooring tower sebagai respon terhadap gelombang, arus dan angin. Konfigurasi pergerakan yoke pada level dek putar digambarkan pada ilustrasi di bawah ini: Gambar 2. Pergerakan komponen yoke Sumber: Penulis, Referensi: Bluewater s Lukoil SYMS Yuri Korchagin field 2

3 FLOATING STORAGE OFFLOADING (FSO) FSO adalah struktur terapung (floating structure) yang tidak terbatasi lautan dalam. FSO didefinisikan sebagai fasilitas terapung berbentuk kapal dengan fungsi storage (penyimpanan) dengan sistem offloading, tanpa peralatan produksi. Struktur ini meyimpanan minyak mentah dan gas alam sementara sembari menunggu kedatangan tanker untuk pemuatan ekspor. KONSEP PEMBEBANAN -beban yang dipertimbangkan dalam perancangan struktur lepas pantai yaitu: a. lingkungan (environmental loads): gelombang (wave load) pada struktur bangunan lepas pantai dihitung dengan: persamaan Morison, teori Froude-Krylov dan teori difraksi. Persamaan Morrison digunakan bila struktur berukuran kecil dibanding panjang gelombang yang terjadi. Struktur besar mempergunakan teori difraksi karena gelombang mengalami penyebaran ketika menghantam struktur besar dan struktur dengan ukuran antara keduanya menggunakan teori Froude- Krylov. arus (current load) akibat pasang surut memiliki kecepatan makin kecil seiring bertambahnya kedalaman sesuai fungsi nonlinier, sedangkan arus akibat angin memiliki karakter sama namun dalam fungsi linier. angin (wind load) direspon sebagai beban statis paling mendekati. Gaya di permukaan datar diasumsikan gaya normal dan gaya pada tanki silinder vertikal, pipa, dan silinder lain diasumsikan searah dengan arah angin. b. gravitasi (gravity loads): mati (dead loads) merupakan beban komponen kering, peralatan, perlengkapan dan permesinan pada struktur. hidup (live loads) yaitu beban struktur selama dipakai dan berubah dari mode operasi satu ke mode lain. c. lainnya (transportasi, seismik, kecelakaan, panas, dan sebagainya) PERANCANGAN STRUKTUR Struktur mooring tower adalah jenis struktur terpancang tipe jacket, yaitu struktur dengan rangka baja yang terdiri dari kaki struktur dan rangka penunjang (brace) yang dikonfigurasi dalam perangkaan tertentu. Struktur jacket dibedakan menjadi 3 (tiga) komponen utama, yaitu dek, pondasi, dan jacket. Kemiringan kaki jacket atau disebut batter menahan momen guling yang timbul. Tiang pancang (pile) sebagai pondasi terletak di dalam jacket leg berfungsi meneruskan seluruh gaya luar yang bekerja pada anjungan ke tanah. Ukuran awal tiang pancang ditentukan mempertimbangkan beban aksial dan lateral maksimum serta karakteristik tanah. Ketebalan kaki jacket di desain untuk menahan gaya aksial, bending dan deformasi. 3

4 Kombinasi bentuk vertikal horizontal, dan diagonal dengan kaki jacket membentuk perangkaan dengan sistem kekakuan tersendiri. Pola-pola perangkaan jacket diantaranya pola K, T, N, X, Y, dan kombinasi. Sudut elemen maksimal 3 agar mempermudah fabrikasi. ANALISA STATIS (IN-PLACE) Analisa statis adalah analisa dimana gaya-gaya akibat beban dinamis diabaikan. Evaluasi saat in-place dilihat dari unity check (UC) atau perbandingan tegangan aktual dan tegangan izin pada member, tiang pancang, dan sambungan, serta nilai safety factor (SF) atau angka keamanan. Menurut API 2A-WSD, UC kondisi operasional dan ekstrim masing-masing 1, dan 1,33. Untuk SF kondisi operasional dan esktrim masing-masing adalah minimum sebesar 2, dan 1,5. Analisa dilakukan pada 2 mode yaitu operasional dan badai. METODOLOGI PENELITIAN Gambar 3. Metodologi Penelitian 4

5 PENGUMPULAN DATA a. Data metocean b. Data FSO c. Data tanah Parameter Sector Sector Sector Sector Direction Direction Direction Direction 9 & & & 315 & 45 Return Period Return Period Return Period Return Period Wind 3-sec wind 1 m (m/s) 22,1 31,7 11, ,9 25,6 14,1 24,3 Wave Significant wave height, Hs (m) 3,2 5,4 1,1 2,1 2,7 4,3 1,2 2 Maximum wave height, Hmax (m) 6,2 1,2 2,2 4,1 5,3 8,3 2,2 3,8 Spectral peak wave period, Tp (s) 8,3 1,6 5,3 6,8 7,8 9,3 5,1 6,7 Current Sea surface current velocity, ṽ (m/s) 1,24 1,44,32,42 1,6 1,18,36,53 Seabed current velocity, ṽ (m/s),79,92,2,27,67,75,23,34 Gambar 4. Data lingkungan Sumber : PT. Rekayasa Industri Tabel 1. Data FSO Parameter Keterangan Kapasitas FSO 2, MBOE Length Between Perpendiculars 317 m Breadth 58 m Depth 34 m Sumber : PT. Rekayasa Industri Interaksi struktur dengan tanah mempergunakan data tanah yang diolah sebagai berikut: Pile Axial Capacities - Kips Pile Penetration - Ft Gambar 5. Plot kapasitas tiang pancang struktur yoke mooring tower Sumber : PT. Rekayasa Industri Compression Tension 5

6 PEMODELAN STRUKTUR Sebagai analisa diambil 3 tipe struktur dengan perbedaan geometri perangkaan diagonal untuk membandingkan tipe perangkaan yang paling baik diaplikasikan sebagai yoke mooring tower. Ketiga tipe ini meliputi struktur perangkaan diagonal tunggal (tipe struktur I), struktur perangkaan diagonal X (tipe struktur II), dan struktur perangkaan diagonal V (tipe struktur III), yang digambarkan seperti dibawah ini: PG3 PG6 PG3 PG6 PG3 PG6 + 21,75 m LG8 LG8 LG8 PG2 PG1 BL LG4 HB4 DB4 HB3 LG4 LG7 LG6 LG5 PG2 PG1 BL LG4 HB4 DB4 HB3 LG4 LG7 LG6 LG5 PG2 PG1 BL LG4 HB4 DB4 HB3 LG4 LG7 LG6 LG5 + 11,75 m + 8,75 m + 5 m - 5 m LG3 DB3 HB2 LG3 LG3 DB3 HB2 LG3 LG3 DB3 HB2 LG3-18 m LG2 PL DB2 LG2 HB1 PL LG2 PL DB2 LG2 HB1 PL LG2 DB2 LG2 PL HB1 PL Tipe Struktur I Tipe Struktur II Tipe Struktur III Gambar 6. Tipe-tipe struktur yang dianalisa untuk diaplikasikan sebagai yoke mooring tower - 33 m Dengan masing-masing grup memiliki dimensi seperti ditabelkan berikut ini: Member Diameter Tebal Fy Diameter Tebal Fy Member (cm) (cm) (kg/cm2) (cm) (cm) (kg/cm2) PL1, PL2, PL3, PL4, PL PG1 W27X LG PG2 W21X LG2, LG3, LG PG3 W21X LG PG4 W3X LG6, LG7, LG PG5 W3X HB PG6 W36X HBB PGC W24X HB1, HB2, HB3, HB BL DB WB DB3, DB SV Gambar 7. Dimensi grup Dek putar turut menjadi analisa pemilihan tipe struktur, dimana pada penelitian ini dianalisa dek posisi dan 9 sesuai gambar ilustrasi halaman dibalik ini: 6

7 DEK PUTAR DEK PUTAR (1) (2) Gambar 8. Posisi dek putar (1) dan (2) 45 PEMODELAN PEMBEBANAN Pembebanan pada struktur terdiri dari 17 beban dasar yang dikombinasikan sesuai tabel berikut ini: LCOMB 11 LCOMB 12 LCOMB 13 LC 1 LC 2 LC 3 LC 4 LC 5 LC 6 LC 7 LC 8 LC 9 LC 1 LC 11 LC 14 LC 17 Mati LC 1 LC 2 LC 3 LC 4 LC 5 LC 6 LC 7 LC 8 LC 9 LC 1 LC 12 LC 15 LC 17 Mati LC 1 LC 2 LC 3 LC 4 LC 5 LC 6 LC 7 LC 8 LC 9 LC 1 LC 13 LC 16 LC 17 Mati Hidup Dek Hidup Dek Hidup Dek Pelat Pelat Pelat Handrails Handrails Handrails Crane Crane Crane Swivel Swivel Swivel Jumper Hose Jumper Hose Jumper Hose Jumper Hose Gutter Jumper Hose Gutter Jumper Hose Gutter Yoke Arm Yoke Arm Yoke Arm Boat Landing Impact Boat Landing Impact Boat Landing Impact Gelombang (Wave) & Arus (Current) Arah Gelombang (Wave) & Arus (Current) Arah 45 Gelombang (Wave) & Arus (Current) Arah 9 Angin Arah Angin Arah 45 Angin Arah 9 FSO FSO FSO Gambar 9. Kombinasi pembebanan (LCOMB) kondisi ekstrim ANALISA Berdasarkan hasil program SACS untuk analisa statis (in-place), tiap tipe struktur telah berhasil memenuhi kriteria namun akan dianalisa lebih lanjut mana yang lebih tepat dipilih sebagai struktur yoke mooring tower. Analisa UC Member dan Tiang Pancang Analisa perbandingan UC yang dialami masing-masing tipe struktur akibat perbedaan geometri perangkaan diagonal, diambil beberapa member yang sama pada ketiga tipe struktur yaitu member dalam grup LG dan HB dengan total 4 member seperti digambarkan pada halaman dibalik ini: 7

8 + 21,75 m + 11,75 m + 8,75 m + 5 m - 5m - 18 m - 33 m DEK DEK 45 Gambar 1. 4 member yang menjadi bahan analisa perbandingan UC Hasil plot UC member kondisi ekstrim pada 4 member yang dianalisa sesuai grafik berikut: Perbandingan Unity Check Member Masing-Masing Tipe Struktur (Dek Posisi Kondisi Ekstrim) Tipe Struktur I (SACS) Tipe Struktur I (Analitis) Tipe Struktur II (SACS) Tipe Struktur II (Analitis) Tipe Struktur III (SACS) Tipe Struktur III (Analitis).7.6 UC Member Gambar 11. UC member masing-masing tipe struktur (dek kondisi ekstrim) Perbandingan Unity Check Member Masing-Masing Tipe Struktur (Dek Posisi 45 Kondisi Ekstrim) Tipe Struktur I (SACS) Tipe Struktur I (Analitis) Tipe Struktur II (SACS) Tipe Struktur II (Analitis) Tipe Struktur III (SACS) Tipe Struktur III (Analitis).7.6 UC Member Gambar 12. UC member masing-masing tipe struktur (dek 45 kondisi ekstrim) 8

9 Mengamati hasil plot diatas, yaitu nilai UC member baik hasil keluaran SACS maupun hasil perhitungan analitis terlihat bahwa tipe struktur II (warna ungu) secara konsisten memiliki nilai UC relatif paling kecil diantara ketiga tipe struktur. Untuk UC pada tiang pancang (pile) dalam kondisi ekstrim diplot sesuai kedalaman tiang pancang sesuai grafik dibawah ini: Perbandingan UC Vs. Pile DepthMasing-Masing Tipe Struktur (Dek Kondisi Ekstrim) Perbandingan UC Vs. Pile Depth Masing-Masing Tipe Struktur (Dek 45 Kondisi Ekstrim) Pile UC Pile UC Pile Depth (Ft) Pile Depth (Ft) Tipe Struktur I Tipe Struktur II -25 Tipe Struktur I Tipe Struktur II -3 Tipe Struktur III -3 Tipe Struktur III Gambar 13. Grafik pile UC per kedalaman (dek dan 45 kondisi ekstrim) Analisa UC Joint Hasil analisa joint membandingkan UC 12 joint tertentu di plot dalam grafik berikut: UC Perbandingan UC Joint Masing-Masing Tipe Struktur (Dek Kondisi Ekstrim) Tipe Struktur I (SACS) Tipe Struktur I (Analitis) Tipe Struktur II (SACS) Tipe Struktur II (Analistis) Tipe Struktur III (SACS) Tipe Struktur III (Analitis) Joint Gambar 14. Perbandingan UC joint masing-masing tipe struktur (dek kondisi ekstrim) UC Perbandingan UC Joint Masing-Masing Tipe Struktur (Dek 45 Kondisi Ekstrim) Tipe Struktur I (SACS) Tipe Struktur I (Analitis) Tipe Struktur II (SACS) Tipe Struktur II (Analistis) Tipe Struktur III (SACS) Tipe Struktur III (Analitis) Joint Gambar 15. Perbandingan UC joint masing-masing tipe struktur (dek 45 kondisi ekstrim) 9

10 Selain UC, dilakukan juga analisa distribusi tegangan pada joint 13, 23, dan 43 pada ketiga tipe struktur. Hasil distribusi tegangan digambarkan dalam kontur warna berikut: Joint 13 Joint 23 Joint 43 Elevasi +5 m Elevasi -18 m Elevasi 33 m 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% Gambar 16. Distribusi tegangan pada joint 12, 23 dan 43 tipe struktur I (dek kondisi ekstrim) Joint 13 Joint 23 Joint 43 Elevasi +5 m Elevasi 18 m Elevasi 33 m 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% Gambar 17. Distribusi tegangan pada joint 12, 23 dan 43 tipe struktur II (dek kondisi ekstrim) Joint 13 Joint 23 Joint 43 Elevasi +5 m Elevasi 18 m Elevasi 33 m 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% Gambar 18. Distribusi tegangan pada joint 12, 23 dan 43 tipe struktur III (dek kondisi ekstrim) Dalam kontur diatas nilai 2% mewakili tegangan aktual kg/mm 2, dan 9% mewakili tegangan aktual kg/mm 2. Berdasarkan analisa joint baik nilai UC maupun distribusi tegangan, tipe struktur II dapat dianggap sebagai tipe struktur paling baik diantara tipe-tipe lainnya. Analisa Safety Factor (SF) Untuk hasil plot SF pada kondisi operasional disajikan dalam grafik halaman dibalik ini: 1

11 Perbandingan Safety Faactor Masing-Masing Perangkaan (Dek Operasional) Perbandingan Safety Factor Masing-Masing Perangkaan (Dek 45 Operasional) Tipe Struktur I Tipe Struktur II Tipe Struktur III Tipe Struktur I Tipe Struktur II Tipe Struktur III SF 12 1 SF PILE JOINT 2 PILE JOINT 4 PILE JOINT 8 PILE JOINT 1 PILE JOINT 2 PILE JOINT 4 PILE JOINT 8 PILE JOINT 1 Pile ID Pile ID Gambar 19. Plot safety factor masing-masing tipe struktur (dek dan 45 kondisi operasional) Hasil plot SF pada kondisi ekstrim disajikan dalam grafik dibawah ini: Perbandingan Safety Factor Masing-Masing Perangkaan (Dek Kondisi Ekstrim) Perbandingan Safety Factor Masing-Masing Perangkaan (Dek 45 Kondisi Ekstrim) SF Tipe Struktur I Tipe Struktur II Tipe Struktur III SF Tipe Struktur I Tipe Struktur II Tipe Struktur III PILE JOINT 2 PILE JOINT 4 PILE JOINT 8 PILE JOINT 1 PILE JOINT 2 PILE JOINT 4 PILE JOINT 8 PILE JOINT 1 Pile ID Pile ID Gambar 2. Plot safety factor masing-masing tipe struktur (dek dan 45 kondisi ekstrim) Pada hasil plot, baik kondisi operasional maupun ekstrim, pile joint 4 dan 1 pada masingmasing tipe struktur memiliki nilai SF paling kecil. Pada kasus struktur yoke mooring tower ini, kemungkinan yang terjadi ialah pile joint 4 dan 1 paling berperan dalam menahan bebanbeban yang terjadi pada struktur. KESIMPULAN 1. Nilai UC member paling besar adalah pada struktur I saat posisi dek sebesar,412 pada kondisi operasional dan sebesar,742 pada kondisi ekstrim. Nilai UC tiang pancang paling besar adalah pada struktur III saat posisi dek sebesar,49 pada jarak 25,7 m dari mudline pada kondisi operasional dan sebesar,869 pada jarak 34,2 m dari mudline pada kondisi ekstrim. Nilai UC joint paling besar adalah pada tipe struktur III sebesar,489 ketika dek posisi kondisi operasional dan sebesar,919 ketika dek pada posisi 45 pada kondisi ekstrim. Nilai SF paling rendah adalah pada struktur II kondisi dek 45 sebesar 4,49 pada kondisi operasional dan sebesar 2,1 pada kondisi badai. 11

12 2. Nilai UC dan SF seluruh tipe struktur telah sesuai kriteria API RP 2A WSD, yaitu UC<1 pada kondisi operasional dan UC<1,33 pada kondisi ekstrim dan SF >2 pada kondisi operasional dan SF >1,5 pada kondisi ekstrim. 3. Dari ketiga struktur, yang paling sedikit memiliki member kritikal (UC>,5) adalah tipe struktur II, dan yang terbanyak adalah tipe struktur III. Berdasarkan nilai UC, struktur yang sebaiknya digunakan sebagai yoke mooring tower ialah struktur II dengan perangkaan diagonal X. 4. Meninjau faktor berat sendiri, struktur paling ringan ke paling berat adalah berturut turut struktur I seberat 755,42 ton, struktur III seberat 793,27 ton, dan struktur II seberat 838,46 ton. Berdasarkan faktor ini, struktur paling paling ideal adalah struktur I. 5. Mempertimbangkan 2 faktor yaitu UC dan berat struktur, tipe struktur yang tepat dipilih sebagai yoke mooring tower adalah tipe struktur I, yaitu struktur paling ringan namun tetap memenuhi kriteria evaluasi. REFERENSI AISC Specification for the Design, Fabrication, Erection of Structural Steel for Buildings. API RP 2A Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms. American Petroleum Institute, Washington D. C. Chakrabarti, S. K Hidrodynamics of Offshore Structures. CBI Industries, Inc. Plainfield, Illinois. Graff, W. J Introduction to Offshore Structures. Gulf Publishing Co. Hsu, H. T Applied Offshore Structural Engineering. Gulf Publishing Co. Indiyono, P. 21. Hidrodinamika Dasar Bangunan Laut. ITS Press. Surabaya. McLelland, Bramlette Planning and Design of Fixed Offshore Platform. TERA, Inc., Houston, Texas. 12