ANALISA FREESPAN AKIBAT SCOURING PIPA BAWAH LAUT

Transkripsi

1 ANALISA FREESPAN AKIBAT SCOURING PIPA BAWAH LAUT Studi Kasus ry Gas Pipeline dari HESS (Indinesia-Pangkah) Ltd yang menghubungkan WellHead Platform-A di perairan Madura menuju Gresik Onshore Processing Facility (OPF) (Umar Arif ), Hasan I ), Imam R 3) ) Jurusan Teknik Kelautan Fakultas Teknologi Kelautan Institute Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya umar_arie@yahoo.com Abstrak Jalur pipa bawah laut merupakan salah satu infrastruktur transportasi jarak jauh untuk minyak dan gas yang paling efisien untuk pemindahan produksi minyak dan gas baik yang berasal dari eksplorasi di darat, daerah dekat pantai maupun dari laut dalam dengan metode yang efektif dan efisien. Freespan harus mendapat perhatian khusus dalam proses desain pipa bawah laut karena kondisi ini dapat menyebabkan vibrasi atau biasa dikenal sebagai fenomena Vortex Induce Vibration (VIV). Tugas akhir ini adalah melakukan analisa pengaruh VIV pada freespan pipa bawah laut, ata yang digunakan merupakan data pipa Hess (Indonesia- Pangkah) Limited di perairan Ujung Pangkah, berdasarkan code yang mengacu pada ASME B31.8 untuk analisa statis dan nv RP F105 untuk analisa dinamis. ari hasil analisa, maka diperoleh kedalaman scouring pada pipa bawah laut adalah: m, 0.011m, 0.01 m, m,0.049 muntuk tiap KP dengan panjang span yang diijinkan adalah panjang span yang terpendek dari perhitungan, yaitu 1.8 m,.41 m,.34 m, m, m, m, 0.17 untuk KP yang sama. Sedangkan ari hasil analisa VIV diketahui bahwa frekuensi natural span pada pipa lebih besar dari frekuensi vortex. Aliran vortex yang terjadi pada disekitar pipa kurang teratur karena harga Reynold number antara ~ Hasil ini menunjukkan bahwa pipa akan aman dioperasikan dari osilasi akibat vortex. Kata kunci : freespan, vortex induced vibration, scouring, pipa bawah laut 1. PENAHULUAN 1.1. Latar Belakang Energi telah dijadikan bagian mendasar pada kebutuhan hidup manusia. iantara banyak sumber energi yang ada di alam ini, minyak dan gas merupakan sumber energi paling banyak digunakan manusia. Ketergantungan manusia terhadap produkproduk migas yang tidak dapat dihentikan, menyebabkan semakin intensifnya usaha pencarian dan eksplorasi migas di daerah lepas pantai dan laut dalam. Untuk mengakomodasi penyaluran minyak dan gas bumi dari sumur-sumur minyak di Lepas pantai dan di laut dalam maka digunakan jaringan pipa bawah laut sebagai alternatif yang paling mudah, aman, dan efisien. Jalur pipa bawah laut merupakan salah satu infrastruktur transportasi jarak jauh untuk minyak dan gas yang paling efisien untuk pemindahan produksi minyak dan gas baik yang berasal dari eksplorasi di darat, daerah dekat pantai maupun dari laut dalam dengan metode yang efektif dan efisien. Mahalnya konstruksi pipa bawah laut menjadi hal yang diperhitungkan. Oleh karena itu, konstruksi pipa bawah laut harus didesain dan dianalisis dengan baik agar konstruksi tersebut dapat diinstal dan beroperasi dengan baik sesuai dengan tujuannya. Tugas akhir ini akan menganalisa freespan pipa bawah laut. Analisa freespan dilakukan setelah proses inspeksi pasca instalasi. Freespan pipa bawah laut adalah suatu keadaan dimana terbentuk bentangan pipa dengan panjang tertentu memiliki jarak (gap) terhadap seabed. Bentangan bebas pada pipa ini sangat berbahaya terhadap konstruksi pipa

2 itu sendiri, yang nantinya mengakibatkan kerusakan. Bending diakibatkan beban statis yang timbul pada pipa. Sementara itu beban siklis berakibat pipa terkena beban dinamis. Fenomena vortex shedding ditimbulkan akibat beban dinamis, dimana disebabkan getaran/osilasi pada pipa. Oleh karena itu perlu dilakukan suatu evaluasi atau analisa terhadap freespan yang terjadi. Analisis freespan dilakukan dalam tiga kondisi yaitu, kondisi instalasi, kondisi hidrotes, dan kondisi operasi. Perbedaan untuk masing-masing kondisi ini terdapat pada jenis pengisi pipa, kondisi korosi pada pipa, dan gaya lingkungan yang terjadi. Pada kondisi instalasi, bagian dalam pipa masih berisi udara dengan densitas sama dengan nol, pipa belum dipengaruhi oleh korosi, dan gaya lingkungan yang digunakan adalah gaya lingkungan dengan periode ulang satu tahun. Pada kondisi hidrotes, bagian dalam pipa terisi dengan air sehingga berat jenis pengisi pipa adalah berat jenis air laut. Tebal pipa belum berkurang karena belum terkena korosi. Gaya lingkungan yang digunakan adalah gaya lingkungan dengan periode ulang satu tahun. Pada kondisi operasi, bagian dalam pipa sudah terisi gas sehingga berat jenis pengisi pipa adalah berat jenis gas pengisi pipa. Tebal pipa masih belum berkurang karena belum terkena korosi dan gaya lingkungan yang digunakan adalah gaya lingkungan dengan periode ulang seratus tahun. Pada setiap kondisi akan dianalisa freespan pada pipa akibat beban statis, sehingga dapat ditentukan panjang span yang diijinkan agar tegangan yang terjadi tidak lebih dari tegangan yang diijinkan. Selain beban statis juga dianalisa freespan akibat beban dinamis sehingga dapat ditentukan panjang span yang diijinkan agar frekuensi natural pipa tidak sama dengan frekuensi beban yang mengenai freespan. 1.. Permasalahan Permasalahan yang diangkat dalam Tugas Akhir ini adalah 1. Berapa kedalaman scouring pada pipa bawah laut?. Berapa besar vortex yang terjadi? 3. Berapa panjang span maksimum yang diijinkan? 1.3. Tujuan Adapun tujuan yang ingin dicapai dari tugas akhir ini adalah 1. Mengetahui kedalaman scuring untuk menentukan bentangan bebas.. Mengetahui besar vortex yang terjadi. 3. Mengetahui panjang bentagan bebas yang diijinkan agar tidak terjadi osilasi Manfaat Manfaat yang akan diperoleh dari tugas akhir ini, yaitu: 1. apat digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam perancangan instalasi pipa bawah laut.. apat mengantisipasi atau menghindari terjadinya kegagalan pada pipa bawah laut akibat gerakan osilasi pada pipa. ASAR TEORI.1. Metode Risk Based freespan pada pipa bawah laut dapat terjadi ketika kontak antara pipa dan seabed hilang dan memiliki jarak pada permukaan seabed (Boyun Guo, 005). Freespan pada pipa dapat terjadi karena (nv, 00) : Permukaan seabed yang tidak merata. Perubahan kontur dasar laut ( akibat scouring, sand waves ) Support buatan. Adanya freespan pipa ini membutuhkan sebuah analisa. Hal ini karena pada freespan pipa bekerja gaya-gaya. Pada freespan pipa harus cukup kuat melawan (Mikael et al, 005) : excessive yielding fatigue buckling ovalisasi

3 Metode analisa span dibagi dua bagian, dan masing-masing memiliki tahapan, dan terdiri dari analisa tegangan awal dan cek frekuensi getaran, kemudian diikuti oleh analisa regangan serta analisa kelelahan apabila diperlukan ( Kaye et al, 1994). alam jurnal yang sama, Kaye et al (1994), mengatakan bahwa resiko kerusakan pada freespan pipa dapat terjadi dalam dua mekanisme yang terpisah, yang pertama adalah akibat bending yang berlebih karena beban hidrodinamis dan berat pipa itu sendiri, atau kerusakan akibat fatigue dalam kurun waktu panjang. Analisa freespan akan menghasilkan berapa panjang freespan yang diijinkan agar tegangan yang terjadi pada freespan tidak melebihi tegangan yield material pipa. Aliran dari gelombang dan arus yang timbul di sekitar pipa, timbul pusaran yang menghasilkan distribusi tekanan. Pusaran ini menghasilkan osilasi/getaran pada pipa. Jika frekuensi dari pusaran ini mendekati frekuensi natural pipa, maka terjadi resonansi, dan inilah yang menyebabkan kelelahan pada pipa (Yong Bai, 1981) imana : = iameter nominal pipa i = iameter internal pipa o = iameter external pipa e = iameter pipa ditambah lapisan anti korosi ρs = massa jenis pipa ρe = massa jenis lapisan anti korosi ρc = massa jenis selubung beton ρl = massa jenis kandungan pipa ρw = massa jenis fluida g = gravitasi bumi Berat pipa terendam terdistribusi secara merata sepanjang pipa, khususnya untuk pipa berat, akan sangat berpengaruh dalam penentuan on bottom stability dan perilakunya terhadap span. Gambar.1. Freespan pada Pipa Bawah Laut (Bai, 1981)..3 Beban Gelombang Mengacu pada subbab diatas, beban hidordinamis yang terjadi pada pipa adalah beban gelombang dan arus. - Penentuan Teori Gelombang Teori gelombang yang akan digunakan dalam perancangan dapat ditentukan dengan menggunakan formulasi matematika dari teori gelombang linier sebagai berikut : Gambar.. Macam-macam Kondisi Freespan ( Kenny, 1993). Berat Pipa Terendam Berat pipa terendam dapat dihitung berdasarkan material pipa yang diketahui. Persamaan untuk mendapatkan berat pipa terendam adalah : H gt (.) dan d gt setelah mendapatkan harga dari kedua formulasi tersebut, kemudian disesuaikan dengan grafik Region of Validity, seperti terlihat pada gambar.1, sehingga diperoleh teori gelombang yang dipakai.

4 Berat pipa terendam terdistribusi secara merata sepanjang pipa, khususnya untuk pipa berat, akan sangat berpengaruh dalam penentuan on bottom stability dan perilakunya terhadap span..3. Beban Gelombang Mengacu pada subab diatas, beban hidordinamis yang terjadi pada pipa adalah beban gelombang dan arus. Gambar.3 Grafik Region of Validity of Wave Theories (Mousselli, 1981).3 Jenis-jenis Pembebanan Menurut Kenny (1993), beban yang bekerja pada pipa dibagi menjadi kategori, antara lain : a. Functional Load Beban fungsional in merupakan beban yang bekerja pada pipa sebgai kaibat dari keberadaan pipa itu sendiri tanpa dipengaruhi oleh beban lingkungan. Beban fungsional antara lain adalah beban dari berat pipa itu sendiri, termasuk berat struktur baja pipa, berat lapisan anti korosi, lapisan selubung beton, beban akibat tekanan dalam yang diberikan pada pipa, beban akibat suhu yang cukup tinggi di dalam pipa, serta beban akibat sisa instalasi. b. Environmental Load Beban ini bekerja pada pipa akibat adanya kondisi lingkungan yang terjadi. Untuk beban pada pipa bawah laut, tentunya yang mempengaruhi adalah beban gelombang dan arus. Untuk mendapatkan data beban lingkungan yang tentunya bersifat acak, maka data yang digunakan untuk analisa adalah data dengan periode ulang (return period). Periode ulang merupakan data rata-rata beban yang terjadi..3.1 Berat Pipa Terendam (Submerged Weight) Berat pipa terendam dapat dihitung berdasarkan material pipa yang diketahui. Persamaan untuk mendapatkan berat pipa terendam adalah : (.1) imana : = iameter nominal pipa i = iameter internal pipa o = iameter external pipa e = iameter pipa ditambah lapisan anti korosi s = massa jenis pipa e = massa jenis lapisan anti korosi c = massa jenis selubung beton l = massa jenis kandungan pipa w = massa jenis fluida g = gravitasi bumi - Penentuan Teori Gelombang Teori gelombang yang akan digunakan dalam perancangan dapat ditentukan dengan menggunakan formulasi matematika dari teori gelombang linier sebagai berikut : H gt dan d (.) gt engan mengetahui panjang gelombang pada perairan dalam, maka dapat dihitung panjang gelombang untuk perairan dengan kedalaman yang lain. Hasil dari formulasi matematika tersebut kemudian disesuaikan dengan grafik aerah Aplikasi Teori Gelombang Regions of Validity of Wave Theories, seperti terlihat pada gambar.3. sehingga dapat diketahui teori gelombang yang akan digunakan. - Komponen Gelombang Menurut Triatmodjo (1999), panjang gelombang sebagai fungsi dari kedalaman untuk teori gelombang Stokes orde diperoleh dari iterasi persamaan berikut: L = gt πd tanh π L (.3 ) Panjang gelombang dan tinggi gelombang mula-mula diperoleh dari persamaan (Triatmodjo, 1999): L o = 1,56. T H = K. H s o Keterangan : (.4 ) (.5 ) berikut

5 L = panjang gelombang pada kedalaman tertentu (m) Lo = panjang gelombang awal (m) g = percepatan gravitasi (m/dt ) T = periode gelombang (dt) d = kedalaman perairan (m) H = tinggi gelombang pada kedalaman tertentu (m) Ho = tinggi gelombang awal (m) Ks = koefisien shoaling / pendangkalan - Teori Gelombang Pada umumnya bentuk gelombang di alam adalah sangat komplek dan sulit digambarkan secara matematis karena ketidak linieran, tiga dimensi, dan mempunyai bentuk random (Triatmodjo, 1999). Untuk meggambarkan gelombang tersebut, maka muncullah beberapa teori gelombang dengan berbagai pendekatan. Penentuan teori gelombang yang berlaku didasarkan pada parameter-parameter berupa tinggi gelombang, periodenya serta kedalaman laut yang diamati. Semua parameter tersebut menjadi acuan untuk penentuan teori gelombang yang dapat dilihat pada grafik Region Validity. Beberapa teori gelombang tesebut antara lain: Teori Gelombang Airy Teori Gelombang Stokes Teori Gelombang Knoidal Teori Gelombang Tunggal - Kecepatan Arus Efektif Yang Bekerja Pada Pipa Kecepatan efektif yang bekerja pada pipa merupakan kombinasi dari kecepatan arus dan kecepatan gelombang. Hal ini karena scouring disebabkan oleh arus dan gelombang, maka kecepatan partikel air efektif yang bekerja pada pipa dapat diformulasikan: V e = V w + V c imana: V w = Kecepatan arus akibat gelombang normal terhadap pipa (m/s) V c = Kecepatan arus steady normal terhadap pipa (m/s) - Kecepatan Arus Steady Kecepatan arus yang bekerja dihitung pada 1 m di atas dasar laut berdasarkan standar teori gelombang. Hokum pangkat 1/7 biasanya digunakan untuk memperkirakan kecepatan horizontal partikel air, seperti dinyatakan pada Mouselli (1981): dimana: (.6) v = kecepatan horizontal partikel ketinggian y dari dasar laut (m/s) v 0 = pengukuran kecepatan horizontal pada tinggi y 0 dari dasar laut Pada persamaan di atas V 0 biasanya dihitung pada ketinggian sekitar 1 m di atas dasar laut. Pada kenyataanya tergantung dari kekasaran dasar laut dan Reynolds Number. Sehingga kecepatan efektif (V e ) seperti pada Mouselli (1981), adalah: 1 e = 0 V U U 0 Y = Y 0 V 1/ 7 ( y)dy (.7) Setelah mensubtitusi persamaan. ke dalam.3, maka diperoleh kecepatan arus efektif (Mouselli, (1981): ew V = x V w x ( / y) c.86

6 imana V c dan y 0 diperoleh dari data, dengan harga yang ditentukan maka harga V e dapat dicari. Arah arus yang digunakan normal terhadap pipa. Apabila dalam data arah arus menunjukkan arah tertentu maka sudut datangnya perlu diketahui dengan garis normal pipa. Jadi semua arah diproyeksikan terlebih dahulu terhadap garis normal pipa, sehingga di dapat (Soegiono, 1998): Vn = Vew cos θ (.9) - Kecepatan Arus Akibat Pengaruh Gelombang Perhitungan kecepatan arus akibat pengaruh gelombang dilakukan dengan menggunakan teori gelombang yang berlaku. Pemilihan teori gelombang dilakukan menurut diagram validitas teori gelombang (Region of Validity) Menurut Kinsman (1965), kecepatan arus akibat pengaruh gelombang berdasarkan kedalaman tertentu dapat dihitung dengan menggunakan rumus: U * = k L c = T π k = L imana: gelombang aδ. c. e U* = Kecepatan arus akibat c k L d T a H kd = Celerity gelombang = Angka gelombang = Panjang gelombang = Kedalaman perairan = Periode = Amplitudo gelombang = Tinggi gelombang engan melakukan subtitusi persamaan.11 dan.1 ke dalam persamaan (.10) maka diperoleh persamaan kecepatan arus akibat pengaruh gelombang berdasarkan kedalaman adalah: U * (.13) dimana: δ = wave steepness (.14) δ = L H - Kecepatan Partikel Efektif dari Patikel Air alam Mouselli (1981), penentuan kecepatan horizontal partikel air pada kedalaman tertentu serta persamaan kecepatan efektif adalah sebagai berikut: = π.δ. c. e = 0.778U 0 kd y U e (.15 ) keterangan : U e = Kecepatan efektif partikel air pada ketinggian y 0 (m/s) U 0 = Kecepatan horizontal partikel air yang diketahui pada y 0 (m/s) = iameter luar pipa (m) Y = Kedalaman Laut y 0 = Ketinggian orbit partikel dari seabed (m) Arah kecepatan partikel air yang digunakan adalah normal terhadap pipa. Sehingga jika kecepatan partikel air datang pada arah tertentu, maka perlu untuk mengetahui sudut datang tersebut terhadap arah normal pipa. engan demikian kecepatan normal pipa

7 dapat dinyatakan dalam rumusan sebagai berikut: koefisien hidrodinamis yang dirumuskan oleh Mouselli (1981) untuk desain pipa. V N = V abs.cosθ (.16 ) Keterangan : V N V abs - Reynold Number Bilangan Reynold = kecepatan normal (m/dt) = kecepatan absolut (m/dt) mengindikasikan bentuk aliran yang terbentuk dan berhubungan dengan tahanan suatu benda. Bilangan Reynold itu sendiri dirumuskan sebagai berikut: R U e v e = (.17 ) keterangan: υ = viskositas kinematis fluida untuk air laut berkisar 1, x 10-6 m /s = diameter luar pipa (m) Ue = kecepatan efektif partikel (m/dt) Gambar.4 Kecepatan Efektif pada Pipa (Mikael, 005)..4 Analisa Freespan inamis Pipa bawah laut yang terkena beban hidrodinamis suatu ketika akan mengalami`kelelahan, karena akibatkan beban tersebut yang bersifat siklis. Kelelahan pada struktur akan memicu terjadinya kegagalan. Tujuan dari analisa freespan dinamis adalah untuk menentukan panjang span maksimum yang diijinkan agar pipa terhindar dari responrespon alami yang bisa menyebabkan kelelahan...5 Massa Efektif Pipa alam Yong Bai (1981), persamaan massa efektif pipa adalah: M e = M str + M c + M a (.18) Keterangan: M str = Massa stuktur pipa (termasuk lapisan), kg/m M c M a = Massa kandungan pipa, kg/m = Massa tambah dimana C a = Koefisien massa tambah esainer harus dapat menerapkan nilai koefisien hidrodinamis sesuai dengan keadaan sebenarnya di lapangan. Beberapa pihak mempunyai cara tersendiri dalam menentukan koefisien hidrodinamis. Salah satunya adalah..6 Stability Parameter alam Boyun Guo (005), salah satu bagian penting dalam menganalisa gerak akibat vortex adalah parameter kestabilan. Parameter ini digunakan untuk menentukan respon maksimal akibat beban hidrodinamis (Kaye, et al). Persamaannya adalah sebagai berikut: K s M δ = (.19) e s ρ keterangan: K s = Parameter kestabilan Me = Massa efektif pipa, kg/m

8 δ s = Logaritmic decrement ( 0,15 ) ρ = density air laut, kg/m 3 = diameter luar pipa, m..7 Pipeline Natural Frequency alam Boyun Guo (005), frekuensi natural pipa tergantung pada kekakuan pipa, kondisi ujung span pipa, panjang span, serta massa efektif dari pipa tersebut. Persamaan ferkuensi natural pipa adalah sebagai berikut : f n C EI = (.0) e 4 π M e Ls keterangan: fn = frekuensi natural pipa, Hz Ls = Panjang Span, m Me = Massa efektif pipa, kg/m Ce = Konstanta ujung span dimana C e = 9.87 ( pin-pin) C e = 15.5 (jepit-pin) C e =. (jepit-jepit)..8 Panjang Span kritis Sedangkan dalam Boyun Guo (005), panjang span kritis atau panjang pipa tanpa support dimana terjadi osilasi akibat arus adalah merupakan hubungan antara frekuensi natural span pipa dan reduced velocity. Panjang span kritis untuk gerak cross flow adalah: L C U EI e r s = (.1) π M e Panjang span kritis untuk gerak in-flow adalah: L C f EI e n s = (.) π M e keterangan : Ls = panjang span kritis, m Ce = Konstanta ujung span U r Me = Reduced Velocity, m/s = diameter luar pipa, m = Massa efektif pipa, kg/m..9 Gerusan (Scouring) Scouring akan menyebabkan penurunan kapasitas tahanan pondasi yaitu tahanan pasif tanah terhadap gaya lateral dan momen. Scouring adalah fenomena alam yang disebabkan oleh aliran air laut. Peristiwa ini banyak terjadi pada material tanah lumpur/endapan, tetapi juga dapat terjadi juga terjadi pada keadaaan berbatu/berkaranng dengan kondisi tertentu. Sehingga dapat disimpulkan pengertian dari scouring adalah pergerakan dari tanah dasar laut yang disebabkan arus dan gelombang yang mana prosesnya sama seperti erosi dapat juga terjadi secara proses alami dapat juga disebabkan elemen struktur yang dekat dengan dasar laut. Pergerakan tekanan dasar laut dan kecepatan dapat menggerus sedimen dari bawah pipa. Sedikit demi sedikit sedimen bergerak dari bawah pipa, pola pergerakan pun berubah, menghasilkan vortices shed dari setiap sisi pipa. Vortices dapat menyebabkan osilasi vertikal dan horisontal pada pipa (Halliwell, 1986) Estimasi Kedalaman Scouring Sangat penting mempertimbangkan keakuratan dalam menghitung kedalaman maksimum dari scouring untuk pertimbangan dalam mendesain suatu struktur. Zaman

9 sekarang sudah banyak formulasi yang dibuat dengan tujuan menghitung kedalaman scouring pada tiang jembatan tetapi hanya sedikit formulasi yang ditemukan untuk menghitung kedalaman scouring bawah laut. Penalitian-penelitian untuk memprediksi kedalaman scouring telah banyak dilakukan pada pipa bawah laut yang terletak pada dasar laut. Pada Chiew (1997) terdapat beberapa penelitian untuk memprediksi kedalaman scouring menghasilkan formulasi: 1. Technical University of Norway. elf University of Technology 3. Nanyang Technology University 1. Technical University of Norway Kjeldsen et. al. (1973) dalam Chiew (1997) melakukan percobaan flume di laboraturium untuk meneliti local scour di sekitar pipa bawah laut pada kondisi undirictional current (arus dalam segala arah) dengan live-bed condition atau dimana lingkungan terjadi transportasi sedimen. Menurut percobaan kondisi ini sedimen selalu bertambah ke lubang scouring dari bagian upstream karena terjadinya sedimen transpor pada dasar laut. Chiew dan Melville (1987) dalam Chiew (1997) menunjukkan bahwa kesetimbangan kedalaman scour pada live-bed condition akan lebih kecil daripada clearwater condition. Percobaan ini menghasilkan formulasi untuk menghitung scouring: dimana: d s kedalaman (.3) : Kedalaman scouring (m) V et : Kecepatan arus efektif pada pipa (m/s) g : iameter pipa (m) : Percepatan gravitasi (m/s ) Persamaan di atas hanya tergantung dengan kecepatan aliran dan diameter pipa, tetapi tidak memperhitungkan kedalaman dan grain size.. elf University of Technology Perhitungan kedalaman scouring selain formulasi dari Norway elf University juga mempelajari makanisme dari kecepatan aliran di sekitar pipa bawah laut. elf University mempelajari perubahan dari pola aliran di sekitar pipa dan respon dari sedimen. Bijker dan Leuwestien (1984) dalam Chiew (1997) mengatakan bahwa kedalaman scour tergantung pada kecepatan undisturbed flow, diameter pipa, kedalaman, tinggi pipa dari tingkat dasar laut dan grain size. 0. Vet d s 0.97 g = 0.8

10 d engan masih berdasarkan pada formulasi dari Kjelsen et. al (1973) dalam Chiew (1997) yang telah dijelaskan di atas maka tim ilmuwan Belanda menemukan formula yaitu: 0.6 V et s =.. d50 dimana: g d s : Kedalaman scouring (m) : iameter pipa (m) V et : (.4) Kecepatan arus efektif pada pipa (m/s) d 50 : Ukuran butiran tanah (m) g : Percepatan gravitasi (m/s ) Ukuran partikel tanah yang digunakan yaitu d 50 yaitu ukuran diameter butiran partikel tanah atau diameter yang bersesuaian dengan 50% dari berat total yang lolos dari ayakan yang ditentukan dari kurva distribusi ukuran butiran, d 50 sering digunakan untuk menghitung daya dukung dan stabilitas sedimen, karena d 50 adalah nilai tengah dari seluruh ukuran butiran tanah, sehingga dianggap lebih mendekati dengan karakteristik tanah sebenarnya. Kesimpulan utama dari penelitian ini bahwa kedalaman scour pada unidirectional current selalu lebih besar daripada yang di bawah pengaruh gelombang murni atau efek kombinasi dari gelombang dan arus pada tegangan geser dasar laut yang sama. 3. Nanyang Technological University Salah satu dari formulasi untuk menghitung kedalaman scouring untuk pipa bawah laut adalah formulasi Nanyang Technological University yang akan digunakan dalam tugas akhir ini yang ada dalam Chiew (1991). Formulasi ini didasarkan pada kondisi : 1. Clear-water condition, yaitu kondisi dimana tidak terdapat tranportasi sedimen upstream lokasi terbentuknya scouring. Undistrubed shear stress pada dasar laut dengan critical shear stress untuk entrainment sediment.. Scouring terjadi dalam kondisi unidirectional current akan memberikan shear stress. Ketika lubang scouring ada antara pipa dan dasar laut, aliran yang datang terpisah menjadi dua bagian. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Chiew (1991) untuk aliran di gap pada aliran shallow open chennel, menemukan bahwa jumlah aliran di gap tergantung pada kedalaman undisturbed flow (Yo), diameter pipa () dan kedalaman scouring (d s ). Metode ini dalam perhitungan untuk memprediksi kedalaman scouring dengan terlebih dahulu membandingkan harga Yo/ yang digunakan mencari untuk

11 harga kecepatan total aliran di gap (q ) dengan menggunakan grafik, seperti pada gambar di bawah ini. Selanjutnya harga kecepatan rata-rata aliran di bawah pipa dapat ditentukan dengan mengasumsikan lebih dulu harga kedalaman scouring, sehingga kecepatan rata-rata di bawah pipa dan harga bed shear stress di lubang scouring juga dapat dihitung, seperti dinyatakan dalam persamaan di bawah ini: Kecepatan rata-rata di bawah pipa: Gambar.6 Grafik q terhadap Y o / (Chiew, 1997) V = bot q bot ( d s ) est (.6) imana q merupakan rasio antara q bot dan q o, sedang nilai q o dapat dihitung dengan rumus: dimana : SW L q = Yo x q o V et Y O o V et q o (.5) : ebit aliran sepanjang Yo persatuan panjang ke arah panjang pipa (m /det) : Kecepatan arus efektif yang bekerja pada pipa (m/det) L (p d dimana: q bot : ebit aliran yang melewati gap persatuan panjang ke arah panjang pipa (m /det) (d s ) est: Asumsi kedalaman maksimal dari scouring (m) Bed shear stress pada lubang scouring: τ = bot dimana: τ bot f ρ fρ V 8 bot : Tegangan geser pada lubang scouring (Pa) : Faktor gesekan dari diagram Moody : massa jenis fluida (Kg/m 3 ) Faktor gesekan yang diambil dari diagram Moody (Gambar.8) berdasarkan harga kekasaran relative dibandingkan dengan Reynold Number dengan persamaan:

12 e d50 (.8) Kekasaranrelative= = d V s (.9) Re = bot d s υ imana, υ : viskositas kinematis (m /s) Gambar.8 iagram Moudy (augherty R.L, 1985) Terakhir bed shear stress yang telah dihitung dibandingkan dengan critical shear stress (τ c ) yang diambil dari diagram Shield, dilanjutkan dengan iterasi sampai nilai τ bot = τ c...10 Free Span Akibat Scouring Span pada pipa dapat muncul karena lokal scour dari sedimen dasar laut atau dimana rute pipa melalui dasar laut yang tidak teratur. Ketika arus bawah melewati pipa, secara terpisah vortices terbentuk dari bagian atas dan bawah pipa. Hal ini menimbulkan fluktuasi gaya hidrodinamik dimana dapat menghasilkan osilasi yang besar atau span pada arah aliran silang apabila frekuensi vortex shedding mendekati span natural vibration. Kegagalan pipa dimana dapat disebabkan pergerakan vortex dapat dicegah apabila frekuensi vortex shedding adalah cukup jauh dari frekuensi natural dari bentangan pipa sehingga osilasi dinamik pipa dapat diminimalkan. Frekuensi vortex shedding dapat dituliskan: f s = S V eff (.30) dimana : f s : frekuensi vortex shedding S : strouhal number V eff : kecepatan arus efektif pada pipa (m/s) : diameter pipa (m) Gambar.9 Critical Shear Stress d 50 (Chiew,1997). Strouhal number adalah fungsi dari Reynolds number dari aliran arus. Koefisien drag juga fungsi dari Reynolds number. Hubungan antara koefisien drag dengan Strouhal number adalah: S = 0.1 / (C d ) 0.75 (.31)

13 Untuk masalah praktis pipa biasanya Strouhal number diambil harga 0,. M c = ρ c. 0,5. π. ( ( o +. t ac +. t c ) - ( o -. t ac ) ) M f = ρ f. 0,5. π. o M a = M p + M c + M ac + M f Sehingga kombinasi massa pipa menjadi: M = M a + M tambah (.38) M tambah = ρ sw. 0,5. π. ( T ). L (.39) Gambar.10 Ilustrasi dari freespan (Mousselli, 1981) Frekuensi natural dari bentangan pipa tergantung dari kekakuan pipa, panjang bentangan pipa dan kombinasi massa dari pipa, termasuk muatannya dan massa tambah sekitar pipa. Frekuensi natural untuk getaran bentangan pipa diberikan oleh Mousselli (1981) sebagai berikut: C L f n E I M = (.3) dimana : EI : Kekakuan pipa L : Panjang bentangan (m) M : Kombinasi massa pipa (kg/m) C : Konstanta (tergantung kondisi akhir pipa) Sebagai contoh, jika kedua ujung bentangan bebas pipa diasumsikan berbentuk tumpuan sederhana maka C adalah π/. Jika kedua ujung pipa diasumsikan diklem, C adalah 3.5. Kombinasi massa pipa merupakan gabungan massa pipa di udara dan massa tambah pipa, dimana massa pipa di udara adalah total dari massa properties dari pipa seperti yang dirumuskan dalam Mousselli (1981): M p = ρ p. 0,5. π. ( o ( o t p ) ) M ac = ρ ac. 0,5. π. ( ( o +. t ac ) - o ) imana: Mp : Mass pipa (kg/m) M ac : Masssa anti corrosion (kg/m) M c : Massa concrete coating (kg/m) M f : Massa fluida dalam pipa (kg/m) M a : Massa pipa diudara (kg/m) Mousselli (1981) menyatakan bahwa telah diteliti bentangan pipa mulai berosilasi ketika frekuensi shedding 1/3 dari frekuensi natural dari vibrasi bentangan pipa. Untuk tujuan mendesain pipa perbandingan frekuensi vortex shedding lebih kecil 0,7 kali frekuensi natural dari bentangan pipa agar tidak terjadi osilasi. Jadi dapat dituliskan osilasi tidak muncul apabila: f 0. 7 f. 3. Metodologi 3.1 Umum s n Untuk mencapai penyelesaian masalah dan mendapatkan hasil yang baik maka dalam penelitian Tugas Akhir ini digunakan metodologi sebagai berikut : Pengumpulan ata (ata yang diperoleh dari Kerja Praktek) Pengolahan ata (Perhitungan data) Analisa dan Pembahasan (Pengkajian hasil pengolahan data) Menarik kesimpulan dari hasil analisa dan pembahasan Gambar 3.1. iagram Metodologi Penulisan Tugas Akhir

14 Pengumpulan ata ata-data yang digunakan diperoleh dari kegiatan Kerja Praktek. Komponenkomponen data yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. ata perairan yang meliputi: Kecepatan arus murni atau undisturbed current velocity yang terjadi pada lokasi dan juga kedalaman dari perairan tersebut. Tinggi dan periode gelombang yang terjadi pada lokasi.. ata tanah dasar laut (seabed) yang meliputi: iameter butiran partikel tanah yang bersesuaian dengan 50% lolos pada ayakan yang ditentukan. Bathymetri (kontur dasar laut) sepanjang pipa bawah laut yang akan ditinjau. 3. ata pipa bawah laut meliputi: iameter pipa, jenis material pipa dan panjang pipa. Pengolahan ata Berdasarkan data-data tersbut dilakukan perhitungan-perhitungan yang meliputi: 1. Perhitungan kecepatan arus Kecepatan arus yang digunakan adalah kecepatan arus yang didapat dari data lingkungan, dimana kecepatan arus akibat angin yang diukur 1m di atas seabed. Kemudian dilakukan perhitungan kecepatan arus efektif. Langkah-langkah perhitungan kecepatan arus steady dan kecepatan efektif arus V ea steady dapat dilihat pada gambar 3.. Mulai Kecepatan arus di lokasi V n = V 0 cos α V min, V mean dan V = 0,778 x v STOP Gambar 3.. iagram perhitungan kecepatan efektif arus steady. Perhitungan kecepatan arus akibat pengaruh gelombang (min/ mean / max) Perhitungan ini dimaksudkan untuk mengetahui besar kecepatan arus yang dipengaruhi oleh gelombang (H), periode gelombang (T) dan kedalaman (d). Variabel-variabel tersebut digunakan pada region of validity dimana untuk menentukan teori gelombang yang sesuai dengan kondisi perairan di lokasi. Setelah diperoleh teori gelombang kemudian dilakukan perhitungan untuk menentukan panjang

15 gelombang dan cepat rambat gelombang. iagram langkahlangkah perhitungan panjang gelombang (L) dan cepat rambat (c) gelombang seperti pada gambar 3.3, sesuai dengan besar panjang gelombang dan cepat rambat gelombang, maka dilakukan perhitungan kecepatan arus akibat pengaruh gelombang. 3. Perhitungan kedalaman maksimal scouring Perhitungan ini dilakukan dengan membagi panjang pipa menjadi 6 Kilometer Poin (KP). Kedalaman scouring untuk setiap KP dihitung dengan menggunakan tiga formulasi; Technical University of Norway, elf University of Technology dan Nanyang Technological University. Untuk formulasi pertama digunakan data kecepatan arus dan kecepatan arus akibat gelombang, diameter pipa dan data bathymetri. Langkah-langkah yang dilakukan dapat dilihat pada gambar 3.4. V Mulai V ea dan d s = 0,97 et g 0 STOP Gambar 3.4. iagram perhitungan kedalaman scouring dengan menggunakan formulasi pertama, 0, 8 Formulasi kedua juga menggunakan data-data yang sama dengan data-data pada metode pertama, tetapi ditambah dengan data diameter butiran partikel seabed (d 50 ). Langkahlangkah yang dilakukan dapat dilihat pada gambar 3.5. V et g Gambar 3.5. iagram perhitungan kedalaman scouring dengan menggunakan formulasi kedua Mulai V ea, dan d 50 d s = 0,99 0, 6 Formulasi ketiga dilakukan dengan menggunakan metode yang bersifat iterasi menggunakan data-data yang sama pada formulasi kedua. Selain itu pada formulasi ketiga ditentukan besarnya kedalaman arus (flow depth) berdasarkan asumsi dan juga estimasi kedalaman maksimal scouring. Langkah-langkah yang dilakukan dalam perhitungan dapat dilihat pada gambar , 78 STOP. d 0, 4 50

16 Mulai V ea,, d 50, Y 0 q 0 = Y 1 x V ea q bot = q x q 0 (q dari diagram Y 0 /) ds est Menghitung kecepatan arus di lubang scouring qbot V bot = d ( s ) est f dari diagram Moudy τ c dari diagram Shield efektif yang bekerja pada pipa di lokasi terjadinya scouring digunakan untuk menghitung frekuensi vortex shedding. Kemudian dilakukan penghitungan panjang bentangan bebas dan frekuensi natural pipa dengan cara iterais dimana terdapat syarat f s 0.7 f n. Nilai koefisien tumpuan dari bentangan sebesar 1,57 karena bentangan pipa diasumsikan ditumpu dengan tumpuan sederhana. Langkah-langkah yang dilakukan dapat dilihat pada gambar 3.7. IV. Analisa dan Pembahasan 4.1 ata-data ata yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah data pipa bawah laut milik Hess (Pangkah- Indonesia), digunakan untuk distribusi gas dari Wellhead Platform A di perairan Ujung Pangkah menuju Gresik Onshore Processing facility (OPF) seperti pada gambar 4.1 τ = bot fρ V 8 bot τ bot = τ c STOP Tidak Gambar 3.6. iagram perhitungan kedalaman scouring dengan menggunakan formulasi ketiga 4. Perhitungan panjang freespan (bentangan bebas) Perhitungan panjang bentangan bebas dimulai dengan perhitungan kecepatan arus Perhitungan kecepatan arus efektif pada pipa Kecepatan efektif arus karena gelombang dirumuskan sebagai berikut: ew V = x V w x ( / y) c.86 Arus efektif total merupakan hasil penjumlahan dari arus efektif yang dihasilkan gelombang dengan

17 arus efektif yang dihasilkan oleh arus steady. engan V w merupakan kecepatan arus yang bekerja pada kedalaman y 0 yang besarnya 1, m dan merupakan diameter pipa. Maka Perhitungan kecepatan efektif arus steady pada pipa dilakukan dengan menggunakan data 1 tahunan dan 100 tahunan seperti pada table di bawah ini: Tabel 4.8 Kecepatan Arus Steady (1 y) (m) d c H/L Vew PERHITUNGAN SCOURING TECHNICAL UNIVERSITY OF NORWAY Kjeldsen et. al. (1973) dalam Chiew (1997) melakukan percobaan flume di laboraturium untuk meneliti local scour di sekitar pipa bawah laut pada kondisi undirictional current (arus dalam segala arah) dengan live-bed condition atau dimana lingkungan terjadi transportasi sedimen. Menurut percobaan, kondisi ini selalu menghasilkan penambahan sedimen ke lubang scouring dari bagian upstream karena terjadinya sedimen transpor pada dasar laut. Chiew dan Melville (1987) dalam Chiew (1997) menunjukkan bahwa kesetimbangan kedalaman scour pada live-bed condition lebih kecil daripada clear-water condition. Percobaan ini menghasilkan formulasi untuk menghitung kedalaman scouring: d s kd e U * 0. Vet 0.97 g = Tabel 4.9 Perhitungan Scouring Technical University of Norway (100 y) (inch) (m) 0.8 Vet (m/s) ds KP elft University of Technology Bijker dan Leuwestien (1984) dalam Chiew (1997) mengatakan bahwa kedalaman scour tergantung pada kecepatan undisturbed flow, diameter pipa, kedalaman, tinggi pipa dari tingkat dasar laut dan grain size. engan masih mengacu pada formulasi sebelumnya tetapi dalam formulasi sekarang ditambahkan variabel diameter butiran tanah yaitu d 50 sebagai faktor yang juga berpengaruh pada perhitungan kedalaman scouring yang nilainya Hasil dari perhitungan scouring dengan data 1 tahunan dan 100 tahunan dapat dilihat pada tabel di bawah ini: Tabel 4.10 Perhitungan Scouring elft University of Technology (1 y) (inch) (m) 0.78 Vet (m/s) d 50 ds KP KP (m) Vet (m/s) Nanyang Technologycal University (1 y) alam perhitungan ini digunakan undisturbed flow depth, variasi y 0 = 1,06-1, yang diambil berdasar acuan dari Mouselli (1981). Hasil perhitungannya dengan menggunakan data 1 tahunan dan 100 tahunan dapat dilihat pada table di bawah ini: Tabel 4.11 Perhitungan Scouring Nanyang Technologycal University (1 y) d est d 50 f (m) (m) Hasil dari perhitungan scouring dengan menggunakan data 1 tahunan dan 100 tahunan untuk Technical University of Norway dapat dilihat pada table di bawah: PANJANG BENTANGAN BEBAS Perhitungan Vortex Sheding (1 y) Menghitung Vortex Shedding (1 y) fs = S. Ueff / Cd = / Cd imana S: = S = τ c τ bot

18 Tabel 4.1 Perhitungan Vortex Shedding (1 y) KP (m) Vet (m/s) fs PERHITUNGAN VORTEX SHEING (100 Y) Menghitung Vortex Shedding (100 y) fs = S. Ueff / Cd = S = 0.1/ Cd imana S: = PERHITUNGAN MASSA PIPA alam analisa frekuensi natural pada pipa terdapat factor massa total dari pipa tersebut, maka massa total pipa dihitung terlebih dahulu. M p = ρ p. 0,5. π. ( 0 ( 0 t p ) ) M ac = ρ ac. 0,5. π. ( 0 +. t ac ) M c = ρ c. 0,5. π ( ( 0 +. t ac +. t c ) ( 0. t ac ) ) M f = ρ f. 0,5. π. 0 M a = M p + M c + M ac + M f C f n = L EI M imana pada perhitungan konstantan natural pipa yang diambil, karena kondisi ujung bentangan pipa adalah jepit jepit. Berikut panjang bentangan bebas dapat dilihat pada table m Tabel 4.14 Perhitungan Panjang Bentangan Bebas (1 y) 4 fn (1 L E, I (1 y) ML y) 0,7 fn (1 y) E E E E E Pembahasan Berdasarkan hasil perhitungan dan setelah dianalisa berdasarkan kecepatan arus akibat pengaruh gelombang dan arus steady, maka diperoleh: Grafik 4.5a Grafik Kedalaman Scouring Tanpa Variasi Kedalaman Scouring 0,1 0,08 0,06 0,04 0,0 f 0. 7 s f n Grafik Kedalaman Scouring Tanpa Variasi 0 0,0469 0, , , , Kecepatan Arus Norway elft Nanyang Tabel 4.13 Massa Pipa Mp Mac Mc Mf Mad M kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m Grafik kg/m Kedalaman Scouring Tanpa Variasi Grafik Kedalaman Scouring engan Variasi Perhitungan Frekuensi Natural Pipa Panjang bentangan bebas yang terjadi dihitung dengan cara iteratif melalui perhitungan frekuensi natural pipa dengan melihat syarat osilasi yang terjadi pada bentangan bebas dengan syarat. Sedang frekuensi naturalnya adalah: Kedalaman Scouring 0,5 0, 0,15 0,1 0,05 Grafik 4.5b 0 0,0469 0, , , , Kecepatan Arus Norway Gambar 4.5a memperlihatkan bahwa untuk tiap zona dimana dengan diameter dan hanya pengaruh dari kecepatan arus efektif dan pada grafik 4.5b memperlihatkan selain pengaruh elft Nanyang

19 keepatan arus juga dipengaruhi oleh variasi diameter. Kedalaman scouring maksimal yang dihasilkan oleh formulai nanyang pada kedua analisa diatas mempunyai pertimbangan pengaruh kecepatan efektif yang bekerja pada pipa. Hal ini dikarenakan kecepatan efektif pada pipa berpengaruh pada kecepatan penggerusan sehingga akan mencapai kedalaman yang maksimal. engan nilai penggerusan maksimal maka akan menghasilkan panjang bentangan bebas maksimal pula dan dapat pula menyebabkan pipa mengalami osilasi sehingga akhirnya patah. scouring agar tidak terjadi osilasi dengan pipa berdiameter mm adalah: 1.8 m,.41 m,.34 m, m, m, m, Panjang span yang diijinkan adalah panjang span yang terpendek dari perhitungan untuk diterapkan di lapangan. V Kesimpulan dan Saran 5.1. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diproleh dari penelitian dan analisis pada tugas akhir ini adalah: 1. Formulasi yang sesuai untuk perhitungan kedalaman scouring adalah formulasi Nanyang dikarenakan parameternya telah menggunakan diameter butiran tanah. engan formulasi tersebut diperoleh kedalamn scouring untuk pipa dengan diameter mm adalah: Zona I : m Zona II : m Zona III : 0.01 m Zona IV : m Zona V : m. Hasil analisa VIV diketahui bahwa frekuensi natural span pada pipa lebih besar dari frekuensi vortex. Aliran vortex yang terjadi pada disekitar pipa kurang teratur karena harga Reynold number antara ~ Hasil ini menunjukkan bahwa pipa akan aman dioperasikan dari osilasi akibat vortex. 3. Panjang bentangan bebas (freespan) maksimum yang diijinkan akibat dari

20 IV. AFTAR PUSTAKA Andersen et al. (005). esign and Installation of Marine Pipelines. Blackwell Science Limited, Oxford, UK. American Society Of Mechanical Engineers (003). ASME B31.8: Gas Transmission and istribution Piping Systems. The American Society of Mechanical Engineers, USA. Bai, Y. (001). Pipeline and Riser. Elsevier Science Ltd, Oxford. UK. EP Gen. (1997). Analysis of Spans for Submerged Pipelines. Shell. Netherland NV RP F105. (00). Recommended Practices for Freespanning Pipelines. et Norske Veritas, Norway. Mouselli, A. H. (1981). Offshore Pipeline esign, Analysis and Methods. PennWell Books. Oklahoma. Naess, A. Almar. (1985). Fatigue Hanbook Offshore Steel Structure. Trondheim. Palmer, A.C., 1981, Movements Of Submarine Pipelines close To Platforms. Offshore Technology Conference. Houston Soegiono, (006), Pipa Laut, Airlangga University Press, Surabaya. Triatmodjo, B.(1999). Teknik Pantai. Beta Offset. Yogyakarta Hertia, Arisanti. (003), Studi Estimasi Scouring dan Freespans Pada Pipa Bawah Laut PT. Exxonmobil di Perairan Tuban,Jawa Timur. Surabaya Guo, Boyun. et al (005). Offshore Pipelines. Gulf Profesional Publishing, Burlington. USA. J.P. Kenny & Partner Ltd, 1993, Structural Analysis of Pipeline Spans. HSE Books. USA Kaye, avid et al.(1994). Freespan Analysis, correction method saves time on North Sea project. Oil and Gas Journal. Tulsa. <URL: Wiyono, Agung (006). Perbandingan Beberapa Formula Gerusan di Sekitar Pilar. <URL: