Analisis Fatigue Life Struktur Boom Pada Pedestal Crane Fixed Platform Offshore Daerah Selat Malaka untuk Perpanjangan Masa Operasi

Transkripsi

1 Analisis Fatigue Life Struktur Boom Pada Pedestal Crane Fixed Platform Offshore Daerah Selat Malaka untuk Perpanjangan Masa Operasi Farii Fahmiuddin Fikri 1, Rochman Rochiem 2 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI ITS 2 Dosen Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI ITS Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh pember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia sekjur.material@its.ac.id Abstrak Pedestal Crane yang beroperasi di anjungan lepas pantai berfungsi sebagai alat pemindah benda secara vertikal maupun horizontal dengan ketinggian tertentu dikenai berbagai jenis beban baik dari operasi maupun lingkungan akan diperpanjang masa operasinya untuk 20 tahun mendatang. Pada penelitian ini akan dilakukan analisis kelelahan operasi selama 20 tahun terakhir yang menghasilkan siklus kali. Kemudian dari technical drawing dibuat permodelan menggunakan AUTOCAD 2010 dan dilakukan simulasi dengan software FEMAP with NASTRAN SIEMENS. Dengan simulasi permodelan, diketahui distribusi konsentrasi tegangan terbesar terletak pada tumpuan boom feet pin Pengolahan data dengan mengacu ke standar API dan DNV menghasilkan pengaruh tegangan bending sebesar 99%, tegangan geser sebesar 0,1 %, dan beban akibat gaya angin. Perhitungan fatigue life menggunakan persamaan Palmgren-Miner didapatkan umur lelah mula sebesar 141 tahun untuk kondisi operasi normal dan 66 tahun untuk kondisi operasi workover. Sehingga Pedestal Crane masih layak untuk digunakan 20 tahun mendatang Kata Kunci Fatigue, Palmgren-Miner, Pedestal Crane O I. PENDAHULUAN il platform adalah bangunan struktur yang digunakan untuk tempat pijakan pekerja dan mengoperasikan peralatan mengebor dan mengambil minyak serta gas melalui sumur buatan ditengah lautan. Bangunan Platform sendiri terdiri dari beberapa bagian yakni bagian struktur atas (dek) dan struktur bawah (jacket dan pondasi). Salah satu anjungan lepas pantai yang memperpanjang umur operasinya yaitu Platform jenis fixed platform yang dioperasikan oleh PT. Kondur Petroleum S.A. yang merupakan anak perusahaan dari Energi Mega Persada yang beroperasi di perairan laut selat malaka. Platform ini didesain untuk umur operasi selama 20 tahun, akan tetapi untuk memenuhi permintaan eksplorasi dan eksploitasi, PT. Kondur Petroleum S.A.memperpanjang umur operasi platform (Service life extension) 20 tahun mendatang. Dalam rencana perpanjangan umur operasi dibutuhkan studi penilaian yang seksama dan teliti untuk memastikan keamanan dan keselamatan. Studi penilaian sebuah platform meliputi tiga hal, yaitu pushover analysis, fatigue analysis dan Risk-based Inspection Planning (RBI) (Chakrabarti,et al, 2005) Pedestal Crane merupakan salah satu struktur yang ada pada fixed platform yang paling banyak mengalami beban dinamik (siklik) secara kumulatif sehingga berpotensi mengalami kelelahan Salah satu permasalahan dari struktur bangunan tengah laut adalah gejala fenomena kelelahan (fatigue) struktur bangunan tersebut akibat adanya beban operasi yang bekerja. Terlebih kerusakan terbesar pada bangunan laut disebabkan oleh kelelahan pada struktur, baik pada komponen struktur utama maupun struktur sekundernya II. URAIAN PENELITIAN A. Observasi Lapangan dan Objek Melakukan observasi terhadap kondisi lingkungan dan mencari data primer terkait data inspeksi dan maintenance pedestal crane serta data beban operasi (statis) dan beban karena angin. B. Permodelan dan Simulasi Membuat model 3D dari Pedestal crane dengan AUTOCAD 2010 berdasarkan mechanical drawing maupun data pengukuran secara langsung. Selanjutnya model di generate ke dalam software SOLIDWORKS. Kemudian disimulasikan dengan menggunakan software FEMAP- NASTRAN SIEMENS untuk mengetahui titik kritis dari model yang berpotensi paling rawan terjadinya kerusakan. C. Analisis Tegangan Perhitungan gaya yang bekerja dengan menggunakan prinsip mekanika teknik dan konsep tegangan regangan serta prinsip kelelahan pada material baja dengan melihat S-N Diagram. Gaya gaya yang diperhitungkan adalah gaya dari operasi rutin pedestal crane, momen yang terjadi pada boom pin serta gaya yang diakibatkan oleh hembusan angin dari berbagai arah mata angin D. Perhitungan Umur Lelah Setelah memperoleh kelelahan, dengan merujuk prinsip siklus kelelahan material maka didapatkan jumlah siklus yang sebenarnya. Dengan menggunakan persamaan Palmgrem- Miner maka diketahui total kerusakan kumulatif (hargad total) sehingga umur kelelahan Pedestal Crane dapat diketahui.

2 B. Analisis Mekanika Teknik Gambar 1. Diagaram alir penelitian III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Observasi Lapangan dan Objek Penelitian Pada Inspeksi independen dan rekap data dari Biro Klasifikasi Indonesia (BKI) sejak tahun 2005 hingga 2011, tidak ditemukan adanya cacat. Fenomena korosi pada benda kerja pun tidak ditemukan terlalu banyak karena aspek perlindungan menggunakan Pengecatan dan pelumasan menggunakan oli pada bagian yang sering terjadi gesekan. Dengan kata lain, benda kerja masih dapat dianggap tidak mengalami kerusakan sehingga untuk inisiasi retakan akibat retakan diabaikan Gambar 3. Ilustrasi dua dimensi (2D) Pedestal Crane Berdasarkan standard operating procedure (SOP) dalam pengoperasian crane kondisi normal didapatkan data serta hasil kalkulasi untuk gaya berat, gaya momen serta rasio siklis operasi selama 20 tahun (7,2 x 10 4 kali) seperti yang tertera pada tabel berikut ini Tabel 1. Kapasitas berat angkat maksimum kondisi normal. Working Radius Boom angle SWL Force on Pivot Ratio Operation (meter) (Degree) (Ton) (kn) (kn.m) (%) (Cycle) 1 4,57 79,2 14,4 141,26 88, ,1 75,5 14,4 141,26 88, ,62 71,8 14,4 141,26 88, , ,1 118,7 74, ,67 64,1 10,3 101,04 63, ,2 60 8,9 87,3 54, ,72 55,77 7,8 76,52 48, ,24 51, ,87 43, ,77 46,56 6,2 60,822 37,93 7, ,29 41,42 5,7 55,92 35,22 8, ,82 35,65 5,1 50,03 31,52 9, , ,7 46,1 29,04 10, ,87 20,33 4,3 42,18 26,57 11, , ,24 24,72 12, Pada operasi workover, pedestal crane dapat digunakan selama 24 jam. Akan tetapi workover tidak selalu dilakukan dalam satu tahun sehingga asumsi yang digunakan adalah - Beban yang sering digunakan adalah sebesar SWL nya yakni 14,4 ton - Rasio penggunaan berkebalikan dengan kondisi normal Dengan kondisi tersebut maka didapatkan operasional seperti yang tertera pada tabel berikut ini Gambar 2. Pedestal crane pada platform offshore jenis fixed platform di field selat malaka

3 Tabel 2. Kapasitas berat angkat maksimum kondisi workover. Working Radius Boom angle SWL Force on Pivot Ratio Operation (meter) (Degree) (Ton) (kn) (kn.m) (%) (Cycle) 1 4,57 79,2 14,4 83,1 116,34 12, ,1 75,5 14,4 84,17 117,838 11, ,62 71,8 14,4 86,16 120,624 10, , ,1 74,48 104,272 9, ,67 64,1 10,3 65,68 91,952 8, ,2 60 8,9 60,53 84,742 7, ,72 55,77 7,8 54,89 76, ,24 51, ,76 73, ,77 46,56 6,2 51,01 71, ,29 41,42 5,7 52,59 71, ,82 35,65 5,1 58,075 81, , ,7 97,26 136, ,87 20,33 4,3 65,05 91, , , , Untuk perhitungan gaya yang disebabkan angin, diketahui data untuk wilayah field Lalang, Selat Malaka adalah sebagai berikut : 1. One hour operating wind (1 year) = 25 knots = 12,86 m/s 2. Wind speed tolerate = >50 knots (no structural damage occuring) 3. Massa jenis udara (ρ) = 1,2754 kg/m 3 4. Nilai C s untuk bentuk silinder = 0.5 (ABS MODU, 2001) 5. Nilai wind pressure height = 1.1 Coefficient (C h ) untuk ketinggian 15,3m-30,5m (ABS MODU, 2001) Adapun data lingkungan berupa kecepatan dan arah angin maksimum dan rata rata tahun 2012 wilayah pekanbaru, Riau terlampir sebagai berikut Tabel 3. Arah Angin Rata Rata Daerah pekanbaru dan sekitarnya pada tahun 2012 Tahun 2012 Jan Bulan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Ags Sep Okt v Des Kecepatan Maks Kecepatan Rata-rata 5,1 5,4 6,4 5,7 5,6 6,5 6,7 6,3 5,5 5,9 - - Arah Maks Arah rata-rata Catatan : Satuan arah angin = derajat ( o ) Satuan kecepatan angin = knot (kt) Tabel 4. Intensitas Kejadian Angin tahun 2006 dan 2007 wilayah Kepulauan Riau Kecepatan Angin Arah 1 m/s-3 m/s 4 m/s-6 m/s 7 m/s-9 m/s 10 m/s-12 m/s 13 m/s-15 m/s >16 m/s Jumlah N NW W SW S SE E NE C. Permodelan dan Simulasi Untuk mempermudah permodelan dan simulasi, terlebih dahulu menggambar pedestal crane dalam bentuk 3D dengan AUTOCAD 2011 Gambar 4. Struktur Boom Lattice Pedestal Crane Setelah itu, gambar disimulasikan kedalam FEMAP with NASTRAN SIEMENS dengan input gaya Gambar 5. Boom Feet Pin yang telah di input gaya Terlihat bahwa bagian tumpuan yakni Boom Pin mengalami tegangan paling besar dibandingkan sambungan las struktur Sedangkan untuk perubahan arah mata angin untuk 2 tahun terakhir dari tahun wilayah Kepulauan Riau, Stasiun Natuna terlampir sebagai berikut : Gambar 6. Distribusi tegangan pada boom feet pin dari perbedaan warna

4 D. Kalkulasi Kerusakan Kumulatif Pada kondisi operasi normal, dengan berdasarkan data beban angkat crane (recommended maximum lifting capacity in normal condition) dapat diketahui jumlah siklis dan besar tegangan yang terjadi sesuai dengan tabel berikut ini : Tabel 5. Perhitungan siklus untuk operasi normal Force Stress ni Ni ni/ni (kn) (kn.m) (N/mm2) (Cycle) (Cycle) ,1 116,34 335, ,94E+05 9,14E ,17 117, , ,70E+05 9,73E ,16 120, , ,32E+05 1,08E ,48 104, , ,58E+05 5,47E ,68 91, , ,18E+06 3,05E ,53 84, , ,75E+06 2,06E ,89 76, , ,76E+06 1,30E ,76 73, , ,30E+06 1,09E ,01 71, , ,90E+06 1,38E ,59 71, , ,38E+06 1,81E ,075 81, , ,12E+06 3,23E ,26 136, , ,88E+06 4,02E ,05 91,07 262, ,24E+06 6,68E , , , ,48E+04 3,63E , Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk kondisi normal sebesar 0,423 Sedankan untuk kondisi workover, diketahui jumlah siklis dan besar tegangan yang terjadi sesuai dengan tabel berikut ini : Tabel 6. Perhitungan siklus untuk operasi normal Force Stress ni Ni ni/ni (kn) (kn.m) (N/mm2) (Cycle) (Cycle) ,1 116,34 335, ,94E+05 2,28E ,17 117, , ,70E+05 2,24E ,16 120, , ,32E+05 2,28E ,48 104, , ,58E+05 1,04E ,68 91, , ,18E+06 5,19E ,53 84, , ,75E+06 3,09E ,89 76, , ,76E+06 1,30E ,76 73, , ,30E+06 1,09E ,01 71, , ,90E+06 9,23E ,59 71, , ,38E+06 1,07E ,075 81, , ,12E+06 1,70E ,26 136, , ,88E+06 1,91E ,05 91,07 262, ,24E+06 2,90E , , , ,48E+04 1,45E , Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban statis kondisi workover sebesar 0,243 Untuk gaya yang disebabkan oleh angin, dicari kecepatan angin pada ketinggian pedestal crane (17.5 m) V (17,5 m) = ( 17,5 / 9,144) 1/7 = ( 1,91382) 1/7 = (1, ) = m/s Diketahui nilai ρ, C s dan C h dari pedestal crane maka dapat dicari besarnya gaya oleh angin pada ketinggian tersebut F (l= m) = ½ (1,2754)(0,5)(1,1)( 24,38)(14,11) 2 = ½ (17.10) (14,11) 2 = N or 1,70242 kn σ angin = F/ A boom = N / = N/ m 2 = Pa Tabel 7. Perhitungan siklus untuk berbagai arah mata angin Arah Stress ni Ni ni/ni (N/mm2) cycle cycle - 1 N 5,17E ,98E+22 1,22E-18 2 NW 5,17E ,98E+22 8,51E-20 3 W 5,17E ,98E+22 3,40E-19 4 SW 5,17E ,98E+22 3,28E-19 5 SW 5,17E ,98E+22 6,81E-19 6 SE 5,17E ,98E+22 1,94E-19 7 E 5,17E ,98E+22 3,52E-19 8 NE 5,17E ,98E+22 7,41E-19 TOTAL ,58E+23 3,94E-18 Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban akibat gaya angin sebesar 3,94E-18 E. Penentuan Umur Lelah (Fatigue Life) Dari data perhitungan rasio kerusakan kumulatif dapat dijadikan landasan untuk menentukan fatigue life yang tersisa. Dengan menggunakan hukum Palmgren-Miner, D = m i= 1 ni / Ni (1) maka ketiga rasio kerusakan kumulatif yaitu beban operasi crane statis, dan beban angin dijumlahkan untuk mendapatkan nilai rasio kerusakan kumulatif total (D total ) setiap kondisi baik kondisi normal maupun kondisi workover. Pada kondisi normal, harga D diketahui D crane = D operasi statis s + D angin = (0,423)+ (3,94x10-18 ) = 0,423 Sedangkan formulasi umur lelah dari suatu struktur dapat dihitung melalui persamaan fatigue = 1/ D (2) formulasi umur lelah suatu material dapat dihitung dengan membagi lama operasi data beban yang diterima pedestal crane, yakni selama 20 tahun. Sehingga dengan nilai D = 0,423 maka umur kelalahan dari komponen tumpuan boom feet pin adalah

5 20/ 0,423 = 47,28 Tahun Pada kondisi workover, harga D diketahui D crane = D operasi statis s + D angin = (0,243 )+ (3,94 x ) = 0,243 Sehingga dengan nilai D = 0,243 maka umur kelalahan dari komponen tumpuan boom feet pin adalah 20/ 0,243 = 82 Tahun F. Analisis Safety Factor Pada kondisi normal, fatigue life sesungguhnya dari boom pin pedestal crane adalah 47,28 tahun. Dengan mengetahui umur lelah sesungguhnya maka dapat diketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar 47,28 tahun / 20 tahun = 2,36 Jadi, Safety factor (SF) kondisi normal dari boom pin pedestal crane sebesar 2,36 Pada kondisi Workover, fatigue life sesungguhnya dari boom pin pedestal crane adalah 82 tahun. Dengan mengetahui umur lelah sesungguhnya maka dapat diketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar 82 tahun / 20 tahun = 4,1 Jadi, Safety factor (SF) kondisi workover dari boom pin pedestal crane sebesar 4 Safety factor Pedestal crane senilai 2 dengan SWL maksimum sebesar 14,4 ton. Maka diketahui beban maksimum sesungguhnya 14,4 x 2 = 28,8 ton Dengan mengambil umur yang relatif paling singkat/kecil yakni kondisi normal, maka nilai safety factornya dapat digunakan sehingga nilai safety factor sebelumnya sebesar 2 menjadi naik sebesar 2,36. Dan SWL maksimum yang direkomendasikan untuk 20 mendatang adalah 28,8 ton / 2,36 = 12,6 ton G. Analisis Persentase Pengaruh Jenis Beban Dari jumlah total angka kerusakan kumulatif dapat dilihat besarnya pengaruh jenis beban terhadap fatigue life dari sebuah pedestal crane kondisi operasi normal pada tabel berikut: Tabel 8. Persentase pengaruh jenis beban kondisi normal Jenis Beban D Presentase Beban Statis 1,42E-01 1,00E+02 Beban Angin 3,94E-18 2,78E-15 1,42E-01 1,00E+02 Sedangkan untuk kondisi operasi workover ditunjukan pada tabel berikut Tabel 9. Persentase pengaruh jenis beban kondisi workover Jenis Beban D Presentase Beban Statis 3,02E-01 1,00E+02 Beban Angin 3,94E-18 1,30E-15 Sehingga didapatkan persentase pengaruh untuk beban mendekati 100% baik untuk operasi normal maupun workover. Sedangkan pengaruh beban angin terhitung kecil 2,78 x10-15 % (normal) dan 1,3 x10-15 (workover) namun tetap diperhitungkan dengan standar yang ada Karena yang paling berpengaruh adalah beban operasi, maka untuk memperpanjang umur pakai Pedestal crane maka dilakukan penurunan kapasistas maksimum berat angkat dengan cara memperbesar nilai safety factor (SF). Jadi, SWL maksimum yang dapat direkomendasikan untuk operasi pedestal crane 20 tahun mendatang adalah sekitar 12,6 ton dengan Safety factor >2,3 IV. KESIMPULAN 1. Fatigue life dari struktur pedestal crane LWA platform akibat pembebanan oleh operasi dan lingkungan adalah 47 tahun Dengan demikian pedestal crane masih dapat dioperasikan untuk 20 tahun mendatang dengan SWL yang ditentukan. 2. Besar persentase pengaruh pembebanan operasi statis untuk kondisi normal 99,999 % dan workover 99,998 %, Serta pembebanan lingkungan oleh angin untuk kondisi normal 2,02x10-8 % dan workover 1,93x10-9 %. 3. Safety Factor yang disarankan untuk 20 tahun mendatang adalah 2,3 atau lebih, sedangkan beban angkat maksimum (SWL) adalah sebesar 12,6 ton atau kurang

6 LAMPIRAN Tabel 10. Data Load Chart untuk Pedestal Crane LWA Working Radius Boom angle SWL Main Hoist (meter) (Degree) (Ton) 1 4,57 79,2 14,4 2 6,1 75,5 14,4 3 7,62 71,8 14,4 4 9, ,1 5 10,67 64,1 10,3 6 12,2 60 8,9 7 13,72 55,77 7,8 8 15,24 51, ,77 46,56 6, ,29 41,42 5, ,82 35,65 5, , , ,87 20,33 4, , Tabel 11. Intensitas Kejadian Angin tahun 2006 dan 2007 wilayah Kepulauan Riau Kecepatan Angin Arah 1 m/s-3 m/s 4 m/s-6 m/s 7 m/s-9 m/s 10 m/s-12 m/s 13 m/s-15 m/s >16 m/s Jumlah N NW W SW S SE E NE Tabel 12. Arah Angin Rata-rata Daerah Pekanbaru dan sekitarnya tahun 2012 Tahun Bulan 2012 Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Ags Sep Okt v Des Kecepatan Maks Kecepatan Rata-rata 5,1 5,4 6,4 5,7 5,6 6,5 6,7 6,3 5,5 5,9 - - Arah Maks Arah rata-rata DAFTAR PUSTAKA [1] ABS Rules For Building And Classing Mobile Offshore Drilling Units, Part 3 Hull Construction & Equipment, Houston (2001) [2] Aditya Rohmani,, Analisis Perilaku Perpecahan Crane Pedestal FPSO Belanak Jurusan Teknik Kelautan, ITS, Surabaya (2010) [3] API RP 2D, Recommended Practice for Operation and Maintenance of Offshore Cranes, USA (1999) [4] API Specification 2C 5th Edition, Specification for Offshore Cranes,USA. (1995) [5] DNV Recommended Practice C203, Fatigue Design of Offshore Steel Structure, rway (2008) [6] E. B Djatmiko,.,, Fatigue Analysis, Kursus Singkat Offshore Structure Design And Modelling, Surabaya (2003) [7] H. Boonstra,., Gelder, P., dan Shabahty, N., Reliability Analysis of Jack-Up Platforms Based On Fatigue Degradation, Proceedings of OMAE 02, rway. (2002) [8] Muammar Khadafi, Studi Kelelahan Crane Pedestal FPSO Belanak Akibat Interaksi Respon Dinamik Gerakan Beban Angkat Pada Crane Jurusan Teknik Kelautan, ITS, Surabaya (2009) [9] N. Barltrop, dan Okan, B., FPSO Bow Damage in steep waves, Rogue waves 2000 workshop, Brest (2000) [10] R. L Peurifoy, Construction Planning, Equipment, and Methods 5thEdition, The McGraw-Hill Companies, New York. (1996) [11] Thomas H. Dawson,, Offshore Structural Engineering, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey (1983) [12] S. K.Chakrabarti,,, Hydrodynamics of Offshore Structures, Computational Mechanics Publications Southampton, Boston, USA (1987) UCAPAN TERIMA KASIH Penghargaan dan ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah ikut berperan serta terhadap penulisan tugas akhir ini. Penulis turut mengucapkan terima kasih Ir. Kusnu Budi H selaku Manager sekaligus pembimbing di Energi Mega Persada yang memberikan kesempatan penelitian tugas akhir.