JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 1

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 1 Analisis Operabilitas Crane Vessel saat Lowering Riser Support Structure Arch di Splash Zone Berbasis Time Domain Arifta Yahya, Eko Budi Djatmiko, dan Murdjito Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia ebdjatmiko@oe.its.ac.id Abstrak Makalah ini menyampaikan kajian kemampuan operasi (operabilitas) Crane Vessel dalam operasi menurunkan struktur bawah laut saat melewati muka air yang bergelombang (splash zone). Simulasi numerik dilakukan untuk merefleksikan perilaku dinamis kapal dan obyek. Obyek yang diangkat dan diturunkan melewati muka air adalah Riser Support Structure (RSS) yang memiliki dimensi 127.3x20x11 m dan berat 1604 ton. Berdasarkan berat beban yang melebihi 1-2% displasemen kapal (displasemen kapal=78489 ton), operasi tersebut tergolong dalam heavy lift operation. Crane Vessel disebut mampu beroperasi jika tidak melanggar kriteria operasi. Hasil respon yang dievaluasi meliputi gerakan kapal, gerakan obyek dan tension sling. Didapatkan gerakan siknifikan kapal terbesar untuk gerakan heave 1.0m, roll=2.2 o, dan pitch 0.82 o yang diakibatkan gelombang acak Hs=3.75m dan untuk gerakan siknifikan vertical obyek tidak memenuhi kriteria yaitu 1.2m akibat gelombang acak Hs=2.75m. Untuk tension siknifikan akibat Hs=3.75 terjadi kegagalan pada sling CS1 karena memiliki Safety Factor = 3.91 (SF<4) saat posisi beban di muka air. Pada saat beban tercelup air, sling A1 mengalami kekenduran akibat adanya buoyancy obyek dimana harga minimum siknifikan tension=492kn tidak memenuhi kriteria DNV (minimum>10% berat tercelup atau min>610.3kn). Selanjutnya untuk harga operabilitas crane vessel adalah 80.3%. Kata Kunci operabilitas, crane vessel, heavy lift, splash zone C I. PENDAHULUAN RANE Vessel merupakan struktur terapang lepas pantai berbentuk kapal yang dilengkapi dengan crane untuk mengangkat dan memindahkan beban yang sangat berat. Kemampuan floating crane yang mampu mengangkat beban yang sangat berat menjadikan penggunaannya di lepas pantai meningkat pada dewasa ini (Cha, et al 2010). Dengan kemampuan mengangkat beban mencapai 3000 ton untuk beroperasi di laut dalam, Kapal AEGIR miliki Heerema ini memiliki ukuran utama x46.2x16.1 meter dengan displasemen ton pada sarat operasi 10.5 m. Crane Vessel AEGIR ini digunakan untuk instalasi struktur bawah laut yang sangat berat, sehingga keberadaan struktur yang berat ini mempengaruhi gerakan kapal (Nielsen, 2007). Jika berat benda yang diangkat lebih dari 1-2% dari displasemen kapal (beban>1000ton) maka tergolong dalam heavy lift operation, dan jika sebaliknya tergolong dalam light lift operation (Nielsen, 2007). Seperti tersebut diatas, struktur bawah laut yang dikaji adalah Riser Support Structure (selanjutnya disebut RSS) yang memiliki dimensi 127.3x20x11 m dan berat 1604 ton. Instalasi struktur di bawah air umumnya dilakukan dengan metode lifting yang dalam kenyataanya benda akan melewati muka air yang bergelombang (splash zone). Hal ini mengakibatkan respon gerakan kedua benda saling mempengaruhi, baik itu kapal dan beban yang diangkat. Begitu juga untuk tension yang terjadi pada sling besarnya akan di pengaruhi oleh beban gelombang. Evaluasi lifting hanya diberikan saat posisi obyek di splash zone, yang kemudian dibagi menjadi dua kondisi. Kondisi #1 saat obyek berada di muka air dan kondisi #2 saat obyek tercelup air. Dengan demikian dapat diidentifikasi perbedaan hasil respon sebagai pengaruh perbedaan posisi tersebut. Beban yang diperhitungkan adalah beban gelombang acak, dengan variasi tinggi gelombang siknifikan Hs=0.75m Hs=1.75m, Hs=2.75m dan Hs=3.75m. Untuk pembangkitan gelombang dalam simulasi time domain menggunakan formulasi Spektra Jonswap dengan harga parameter puncak 2.5 (g=2.5) sesuai kondisi perairan di Laut Natuna. II. URAIAN PENELITIAN Tahapan awal dalam penelitian yang dilakukan adalah merumuskanan masalah kemudian dilakukan studi literatur dan pengumpulan data. Data ukuran utama dari Kapal AEGIR diberikan pada Tabel 1 di bawah ini. Tabel 1.Ukuran Utama Kapal AEGIR Dimensi Satuan Nilai Length overall (LOA) m Breadth (moulded) m 46.2 Depth m 16.1 Operating Draught m 10.5 Operating Displacement Ton ========COG Position with Crane Up========== LCG (from stern) m 97.1 VCG (from keel) m 13.4 TCG (center to portside) m -0.2 ===========Metacentric Height============= GM T m 9.6 GM L m Setelah data-data yang diperlukan didapatkan, kemudian dilakukan pemodelan lambung kapal AEGIR yang dilengkapi dengan Crane. Pemodelan numerik lambung dilakukan dengan memasukkan data offset koordinat pada tiap-tiap section, kemudian menghubungkan titik-titik koordinat tersebut

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 2 menjadi panel-panel hidrodinamika. Hasilnya seperti ditunjukkan pada gambar 1. Setelah model struktur selesai dimodelkan, dilakukan pemodelan Kapal AEGIR yang dilengkapi dengan Crane. Input properti pada model kapal meliputi koordinat/drawing, ukuran kapal, sarat air, massa kapal, dan harga Response Amplitude Operator hasil luaran dari analisis difraksi dari model numerik. Hasil pemodelan Kapal saat mengangkat beban ditunjukkan pada gambar 3 dan 4. Gambar 1. Model Kapal dengan Crane tampak isometri Cek hidrostatis dari model yang telah dibuat kemudian dibandingkan dengan data yang diperoleh. Hasil luaran besaran hidrostatis diberikan pada Tabel 2. Gambar 3. Model Crane Vessel dengan RSS di muka air (#kondisi 1) Tabel 2.Validasi Model Dimensi Model Data Koreksi (%) Sarat Operasi (m) Displasemen (ton) % WPA % Analisis gerakan dilakukan untuk mendapatkan karakteristik gerakan kapal pada kondisi terapung bebas. Persamaan untuk menghitung RAO menurut Chakrabarty (1987) yaitu: Xp( ) RAO( ) (1) ( ) dengan: Xp( ) = amplitudo struktur = amplitudo gelombang ( ) Untuk melakukan simulasi time domain dari studi kasus ini dibantu menggunakan perangkat lunak yang dapat melakukan simulasi dinamis pada sistem yang saling berinteraksi (couple). Pemodelan RSS dilakukan dengan memasukkan property obyek, meliputi dimensi/ukuran, massa, momen inersia massa, koefisien drag dan koefisien massa tambah. Hasil pemodelan Riser Support Structure ditunjukkan pada gambar 2. Gambar 4. Model Crane Vessel dengan RSS tercelup air (#kondisi 2) Simulasi dinamis time domain dilakukan untuk mendapatkan harga respon gerakan moda vertikal dari kapal (heave, roll, pitch) dan gerakan translasi struktur (gerakan translasi terhadap sumbu-x, sumbu-y dan sumbu-z). Persamaan gerak sistem couple kapal dan beban dapat dijelaskan dari penurunan pada gambar 3 di bawah ini. Gambar 5. Moda Gerak Crane Vessel dan Obyek yang diangkat (DNV RP H103, 2011) Gambar 2. Model Riser Support Structure (RSS) Moda gerak diatas disimbolkan sebagai h i, i = 1,2,3...9 dimana i = 1,2,3...6 adalah moda gerak crane vessel dengan 3 gerakan translasi dan 3 gerakan rotasi secara berturut-turut

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 3 adalah surge, sway, heave dan roll, pitch, yaw. Kemudian h 7 adalah gerakan translasi obyek terhadap sumb-x, h 8 adalah gerakan translasi obyek terhadap sumbu-y, h 9 adalah gerakan translasi obyek terhadap sumbu-z. Persamaan gerak dari sistem diatas di formulasikan sebagai berikut: Persamaan gerak dari sistem diatas di formulasikan sebagai berikut: e (2) M = Matriks massa dan inertia; B = Matriks redaman linier; C = Matriks kekakuan; Fe = Gaya eksitasi harmonik akibat gelombang. M merupakan matriks 9 x 9 dari massa dan inersia tanpa efek couple antara vessel dan obyek: Selain respon gerakan, besaran yang juga dievaluasi adalah tension (gaya tarik) yang dialami sling dan hoisting wire. hasil dan diskusi A. Analisis Gerakan Karakteristik gerakan kapal saat terapung bebas didapatkan dari analisis difraksi menggunakan metode panel pada model numerik. RAO gerakan moda gerakan vertikal kapal (heave, roll, pitch) ditampilkan dalam gambar 6 s/d 8 di bawah ini. Mv = 6 6 matriks massa dari vessel [kg] A = 6 6 matriks massa tambah dari vessel [kg] m o = 3 3 matriks massa dari obyek [kg] a = 3 3 matriks massa tambah dari obyek [kg] C = matriks 9 x 9 kekakuan yang dikontribusi dari 3 komponen yaitu matriks kekakuan hdrostatis, matriks kekakuan mooring, dan matriks couple antara vessel dan obyek. (3) Gambar 6. RAO Heave Kapal saat terapung bebas dengan: k s = w/ls [N/m] ke = AE/Le [N/m] Ls = panjang hoisting wire dari ujung crane ke pusat benda yang diangkat [m] Le = panjang efektif hoisting wire [m] AE = kekakuan dari wire [N/m] w = berat benda tercelup [N] xt = posisi ujung crane searah sumbu-x [m] yt = posisi ujung crane searah sumbu-y [m] zt = posisi ujung crane searah sumbu-z [m] Fe = beban harmonis akibat eksitasi gelombang, Fe dapat diformulasikan dalam bentuk komplex sebagai berikut: (4) (5) Fa = amplitudo eksitasi beban; ω adalah frekuensi angular gelombang dan Re menunjukkan ekspresi bagian Real dari bentuk kompleks. Kemudian respons gerakan dari sistem kopel vessel dan obyek didapatkan dari: (6) dengan : =, i = 1,2, 3,...9 Gambar 7. RAO Roll Kapal saat terapung bebas Gambar 8. RAO Pitch Kapal saat terapung bebas Seperti yang ditunjukkan pada gambar 7, 8 dan 9 untuk harga RAO Heave dan Roll tertinggi akibat heading 90 o berturut-turut sebesar 1.243m/m dan 4.059deg/m. Untuk gerakan pitch tertinggi akibat heading 180 o sebesar 0.935deg/m. Selanjutnya untuk harga RAO tertinggi pada 6 gerakan kapal dan frekuensi alami gerakan heave roll dan pitch ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3. Harga RAO maksimum saat terapung bebas

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 4 Frekuensi Moda satuan RAO Maksimum kedua kondisi. Momen inersia roll dipengaruhi oleh Alami Gerakan displasemen dan vcg, dengan kapal displasemen yang besar, 0 deg 45 deg 90 deg 180 deg (rad/s) sedikit pergeseran letak vcg akan mengakibatkan momen Heave m/m inersia roll yang sangat besar. Roll deg/m Pitch deg/m B. Hasil Respon Gerakan dalam Time History Akibat adanya beban, maka titik berat kapal akan mengalami perubahan seperti pada tabel 4. Tabel 3. Posisi titik berat Kapal kondisi #1 dan kondisi #2 Besaran Kondisi 1 Kondisi 2 Displasemen Kapal (ton) X (m) dari stern Y (m) dari tengah, positif portiside Z (m) dari lunas Hasil respon heave, roll, pitch kapal dan gerakan obyek dalam moda translasi sebagai fungsi waktu selama 180 detik ditunjukkan pada gambar 10 s/d gambar 15. Perbandingan gerakan sebagai variasi posisi obyek yaitu: kondisi #1 obyek di muka air, dan kondisi #2 obyek tercelup air yang dapat dilihat pada gambar 3 dan 4. Gambar 11. Gerakan Pitch Kapal kondisi #1 dan kondisi #2 akibat Gerakan pitch kapal kondisi #1 memiliki osilasi sama dibanding kondisi #2, namun gerakan pitch kondisi #1 sedikit lebih tinggi akibat perbedan posisi titik berat vertikal (vcg) hal ini karena posisi titik berat memanjang (lcg) kedua kondisi adalah sama sehingga perbedaan momen inersia gerakan pitch sangat kecil. Gambar 9. Gerakan Heave Kapal kondisi #1 dan kondisi #2 akibat Gerakan heave kapal seperti pada gambar 1 di atas, untuk kondisi #1 memiliki osilasi yang sama dengan kondisi #2, namun gerakan heave kondisi #2 sedikit lebih tinggi karena perbedaan posisi titik berat vertikal (vcg) yang kecil. Gambar 12. Gerakan Pitch Kapal kondisi #1 dan kondisi #2 akibat Gerakan translasi obyek terhadap sumbu-z pada kondisi #1 lebih tinggi dibanding kondisi #2 akibat pengaruh redaman benda kondisi #1 lebih kecil dibanding kondisi #2. Besarnya redaman dipengaruhi oleh massa dan kekakuan, karena obyek yang tercelup memiliki massa tambah yang lebih besar maka redaman pada benda menjadi kecil. Sehingga gerakan benda kondisi #1 lebih besar karena redaman kecil. C. Kenaikan Gerakan sebagai fungsi tinggi gelombang Kenaikan gerakan siknifikan kapal dan obyek sebagai fungsi tinggi gelombang siknifikan untuk kondisi paling ekstrim seperti ditunjukkan pada gambar 10 s/d 13, yaitu saat obyek di muka air (kondisi #1). Hasilnya kemudian dikorelasikan dengan kiteria batas operasi crane vessel yang diambil dari Clauss dan Riekert (1990). Gambar 10. Gerakan Roll Kapal kondisi #1 dan kondisi #2 akibat Gerakan roll kapal kondisi #1 memiliki osilasi yang jauh berbeda dan jauh lebih besar dibanding kondisi #2. Hal ini diakibatkan perbedaan momen inersia roll yang besar dari

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 5 Gambar 13. Kenaikan gerakan heave kapal (kondisi 1) Gambar 14. Kenaikan gerakan roll kapal (kondisi #1) Gambar 15. Kenaikan gerakan roll kapal (kondisi #1) Kriteria untuk gerakan kapal moda heave, roll, pitch dari gambar 13, 14, 15 diatas semuanya memenuhi kriteria. Gambar 16. Kenaikan gerakan translasi obyek terhadap sumbu-z Harga kenaikan gerakan kapal untuk moda gerakan heave kapal untuk amplitudo siknifikan heave terbesar adalah 1.01 m batasan operasinya masih di bawah harga 1.275m sehingga memenuhi kriteria operasi (operable). Selanjutnya gerakan roll siknifikan harga terbesar amplitudo siknifikan roll 2.2 o diakibatkan oleh gelombang acak Hs=3.75 m yang berpropagasi dari arah 90 o. Batas operasi amplitudo sikifikan roll 3 o masih memenuhi operasi. Batasan operasi amplitudo siknifikan pitch yang diperbolehkan sebesar 1 o tidak dilampaui. harga amplitudo siknifikan pitch yang terbesar adalah 0.82 o Selain batasan operasi pada gerakan kapal, gerakan obyek juga terdapat batasan operasi. Clauss dan Riekert (1992) dari hasil pengalaman praktis memberikan ketentuan terhadap batasan yang diperbolehkan untuk gerakan vertikal siknifikan dari beban/obyek tidak diperbolehkan melampaui harga 1.11m. Gerakan translasi obyek akibat gelombang acak dengan Hs=2.0m kriteria operasi tidak dipenuhi, sehingga operasi tidak boleh dilakukan atau mengalami downtime.ddiketahuai bahwa downtime terjadi pada Hs=2.0m. D. Tension Sling Dua hal yang penting untuk dijadikan pegangan yaitu harga safety factor (SF) sling harus memenuhi kriteria yaitu SF>4 dan harga minimal tension tidak diperbolehkan kurang dari 10% dari berat tercelup benda yang diangkat (DNV, 2011). Dimana berat tercelup didapatkan sebesar ton, sehingga minimum tension = ton = kn. Harga minimum tension dikorelasikan dengan kriteria slack yang disyaratkan yaitu tidak boleh kurang dari 10% dari berat tercelup Tabel 4 di bawah ini memberikan harga siknifikan tension (maksimum dan minimum) dari sling yang mengalami kegagalan Tabel 4. Harga Siknifikan Tension Sling dan Safety Factor sebagai fungsi tinggi gelombang siknifikan (Kondisi #1) KONDISI #1 Sling Hs (m) Siknifikan Tension (kn) SF =(MBL/ P s min Ps max Ps max ) CS * *sling mengalami tension berlebihan (gagal), SF<4 Kriteria Safety Factor minimal yang disyaratkan SF>4, tidak dipenuhi pada Sling CS1 yaitu saat tinggi gelombang siknifikan Hs=3.75m. Tabel 5. Harga Siknifikan Tension Sling dan Safety Factor sebagai fungsi tinggi gelombang siknifikan (Kondisi #2) KONDISI #2 Sling Hs (m) Siknifikan Tension, Ps (kn) SF = (MBL/ P s min P s min Ps max) A * *sling mengalami kekenduran (slack) Harga siknifikan tension minimum yang ditunjukkan pada Tabel 5, diketahui bahwa pada kondisi #2 terjadi kekenduran sling A1 yaitu (Ps)min=455kN. Hal ini dapat dipahami bahwa saat obyek tercelup air, terdapat gaya apung (buoyancy) yang membuat berat benda berkurang, akibatnya tension yang dialami sling juga akan berkurang.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 6 Memperhatikan harga tension dan safety factor pada kondisi #2 dapat disimpulkan bahwa downtime terjadi akibat Hs=3.75m. E. Perhitungan Operabilitas Perhitungan operabilitas mengacu pada batas gelombang yang menyebabkan operasi mengalami downtime, kemudian dikorelasikan dengan data sebaran gelombang. Operabilitas dapat dihitung menggunakan persamaan 12 atau 13 (Djatmiko, 2012). TOH WOW Operabilitas = X100% TOH (12) Operabilitas = 100 % WOW (13) Dari pembahasan yang diulas pada bab sebelumnya, dirangkum harga tinggi gelombang siknifikan yang dapat menyebabkan operasi dikatakan downtime dengan meninjau pada semua aspek/kriteria operasi yang disyaratkan. Hasil rangkuman ditunjukkan pada Tabel 6. Tabel 6. Tinggi gelombang siknifikan yang menyebabkan downtime Subjek Kriteria Operable Downtime terjadi pada Hs: Siknifikan Heave <1.275 m - Kapal Siknifikan Roll < 3 o - Siknifikan Pitch < 1 o - Obyek Gerakan vertikal siknifikan <1.11m 2.00 m Safety Factor Sling > m Sling Kriteria Slack min sikn. tension>610.4 kn 3.75 m Berdasarkan Tabel 6, tinggi gelombang siknifikan Hs=2.00m dapat menyebabkan operasi mengalami downtime, sehingga untuk tinggi gelombang yang lebih besar dari 2.00m juga pasti mengakibatkan kegagalan operasi. Selanjutnya mengorelasikan harga tinggi gelombang siknifikan Hs=2.00m dengan data sebaran gelombang di Laut Natuna. Maka dapat dihitung harga operabilitas crane vessel saat operasi lowering di splash zone pada Tabel 7. Sehinga didapatkan harga operabilitas crane vessel saat lowering di splash zone sebesar 80,34% dan peluang terjadinya downtime sebesar 19.66%. Tabel 7. Perhitungan Operabilitas Hs (m) Total Operabilitas (%) Downtime (%) Clauss, G. F and Vannahme, M An Experimental study of the nonlinear dynamic of floating crane. Int Proc of 9 th International Offshore III. KESIMPULAN/RINGKASAN Polar Engineering Conference Paper, JSC -343 vol. III Pages Berlin, Germany Hasil respon gerakan kapal dipengaruhi oleh beban yang diangkat karena terjadi efek couple antara keduanya, khususnya pada moda gerak roll. Perbandingan posisi obyek yang diturunkan saat di muka air memberikan respon gerakan yang lebih tinggi dibanding obyek telah tercelup air. Gerakan vertikal obyek sebesar 1.2 m melebihi batas operasi, yaitu akibat Hs=2.00m. Saat posisi obyek di muka air harga safety factor dari tension sling CS1 sebesar 3.91 tidak memenuhi kriteria (SF<4) yaitu akibat Hs=3.75, sedangankan saat obyek telah tercelup air terjadi kekenduran sling A1 dengan minimum siknifikan tension =455kN. Hasil perhitungan didapatkan bahwa teradi downtime akibat Hs=2.75m dan operabilitas Crane Vessel saat operasi lifting struktur bawah air di Laut Natuna adalah 80.34%. Djatmiko, E.B Perilaku dan Operabilitas Bangunan Laut di atas Gelombang Acak. ITS Press. Surabaya DNV-RP-H Modelling and Analysis of Marine Operations. Recommended Practice. Norway Nielsen, F.G Lecture Notes in Marine Operations. Department of Marine Hydrodynamics, Faculty of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim/Bergen January UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada PT. ZEE Indonesia yang telah mendukung data teknis serta kepada semua pihak yang telah mendukung penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Cha, et al Dynamic response simulation of a heavy cargo suspended by a floating crane based on multibody system dynamics. Ocean Engineering Journal 37 (2010) Seoul, Korea Chakrabarti, S. K., Hydrodinamics of Offshore Structures. Boston : Computational Mechanics Publications Southampton. Clauss, G. F and Riekert, T Operational Limitation of Offshore Crane Vessel. Offshore Technology Conference. Berlin, Germany