INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Transkripsi

1 PERANCANGAN ONSHORE PIPELINE MENGGUNAKAN PIPA BERBAHAN KOMPOSIT GRP TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung Oleh PARIS HUTAGAOL PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 Lembaran Pengesahan Tugas Sarjana Perancangan Onshore Pipeline Menggunakan Pipa Berbahan Komposit GRP Oleh PARIS HUTAGAOL Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Disetujui pada Tanggal : Februari 2008 Pembimbing Dr. Ir. IGN Wiratmaja Puja NIP :

3 Judul Perancangan Onshore Pipeline Menggunakan Pipa Berbahan Komposit Paris Hutagaol GRP Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung Abstrak Pada industri minyak dan gas, pipa baja merupakan jenis pipa yang paling banyak digunakan untuk pipeline. Namun begitu masalah utama yang sering dihadapi pada penggunaan pipa baja adalah rendahnya ketahanan pipa baja terhadap korosi, terutama pada pipeline yang mentransmisikan fluida yang bersifat korosif serta melewati lingkungan yang agresif. Untuk mengatasi permasalahan korosi tersebut salah satu alternatif yang muncul adalah dengan menggunakan pipa yang terbuat dari material lain yang kuat namun tahan terhadap korosi. Salah satu jenis pipa yang sesuai dengan kriteria tersebut adalah pipa komposit Glass Reinforced Plastics (GRP). Pada tugas sarjana ini dilakukan studi perancangan pipeline menggunakan pipa komposit GRP. Studi perancangan dalam tugas sarjana ini mencakup pemilihan tebal pipa, analisis statik span, analisis kedalaman penguburan, analisis tegangan, fleksibilitas dan global buckling serta analisis elektrostatik sistem perpipaan GRP yang dilakukan berdasarkan standard ISO 14692:2002. Studi kasus dilakukan terhadap pipeline yang berada di lapangan migas Pondok Tengah. Pipeline ini menghubungkan cluster-cluster dan unit pengolahan untuk penyaluran crude, well fluid dan gas. Dari hasil analisis terhadap semua aspek perancangan yang dilakukan diperoleh bahwa produk pipa yang dipilih yaitu Star FRP Series 1500-ACT (API 15HR Design) NPS 8, 6, 4 untuk transmisi well fluid dan gas serta Star FRP Series 800-ACT (API 15HR Design) NPS 8 untuk transmisi crude aman digunakan baik pada kondisi instalasi, operasi maupun kondisi hydrotest.

4 Title Onshore Pipeline Design Using GRP Pipe Material Paris Hutagaol Major Mechanical Engineering Faculty of Industrial Technology Institute of Technology Bandung Abstract In oil and gas industries, steel pipes are mostly applied for pipeline. However there is a fundamental problem at the usage of steel pipes which is low resistance of steel pipes to corrosion, especially at a pipeline in which the corrosive fluid is transmitted while it passes an aggressive area. To solve this problem, one of the alternatives is by using pipe made from corrosive resistant material, such as Glass Reinforced Plastics (GRP) composite pipe. This final project studied the pipeline design using GRP composite pipe. It includes selection of pipe wall thickness, static span analysis, burial analysis, stress analysis, flexibility analysis, global buckling analysis, and electrostatic analysis of GRP pipes system. All analysis based on Standard ISO 14692:2002. The case study is at the pipelines at Pondok Tengah oil and gas field. This pipelines connect all clusters and processing units for well fluid, gas and crude transmission. From the analysis result, considering all design aspect, it is obtained that the pipe product selected by Star FRP Series 1500-ACT (API 15HR Design) NPS 8", 6, 4 for well fluid and gas transmission and Star FRP Series 800-ACT ( API 15HR Design) NPS 8 for crude transmission is safe to be applied for the installation, operation and hydrotest condition.

5 KATA PENGANTAR Segala syukur dan hormat kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala berkat dan anugerah-nya, sehingga laporan tugas sarjana yang berjudul Perancangan Onshore Pipeline Menggunakan Pipa Berbahan Komposit GRP ini dapat diselesaikan. Tugas sarjana ini membahas aspek-aspek perancangan pipeline menggunakan pipa berbahan komposit GRP berdasarkan code dan standard yang berlaku. Dalam kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa hormat dan terima kasih terhadap orang-orang yang telah berperan dalam membantu penyelesaian tugas sarjana ini, yaitu kepada: 1. Dr. Ir. IGN Wiratmaja Puja selaku dosen pembimbing yang telah begitu banyak memberikan pengarahan, masukan, nasehat, dan berbagai nilainilai positif lain di luar akademis kepada penulis. Terima kasih Pak buat kesabarannya dalam membimbing. 2. Ir. Kemas Rifian, M.Sc. selaku dosen wali yang telah membimbing penulis sejak penulis memasuki ITB. 3. Bapa, Oma, Risma, Kery, Eko dan Togi tercinta untuk doa, kasih sayang, teguran, nasehat, dan dukungan selama ini. Penulis sangat bersyukur memiliki orang tua, kakak dan adik-adikku yang luar biasa. 4. Nancy Florence Batubara yang telah banyak memberikan kasih sayang, doa, kesetiaanya dalam memberikan semangat, dan membuat hari-hariku lebih ceria dalam mengerjakan tugas akhir ini. 5. Yusuf mesin 2000 yang telah banyak membantu penulis menyediakan data-data perancangan dan masukan-masukan lainya yang membantu penulis menyelesaikan tugas akhir ini. Makasih banyak mas! 6. Teman-teman dari Lab. EDC: Arnold, Hadi, Reza, Christian, Tomi, Anto, Dicky, Rio, Dipta, Azis, Hisar, Erick, Christian, Adicahyo, Idris, Harsa, Ingot, dan teman-teman lain yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Terima kasih buat kebersamaan dan pertolongannya selama ini. i

6 7. Staff Lab. EDC: Mas Jajang, Mas Dadang, Mas Iin, dan Teh Rini. Terima kasih untuk bantuannya. 8. Seluruh teman-teman M2003: Dony, Ferdinand, Franky, Tohom, Ismael dan teman-teman M2003 yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Terima kasih banyak fren. 9. Teman satu kosan: Lamhot, Marwan, Agus, Saqban, Mas Habib dan teman-teman yang sering datang ke kost Tording, Budiarto, Ediston teman SMAku. Terima kasih coi. 10. Keluarga besar dan kenalan keluarga penulis yang pernah menyemangati dan mendoakan penulis dalam penyelesaian tugas sarjana ini. Doa kalian telah dijawab. Terima kasih banyak. Laporan tugas sarjana ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu segala kekurangan yang ada mohon dimaafkan. Sebagai proses pendewasaan diri segala bentuk kritik dan saran akan diterima dengan baik. Besar harapan agar laporan tugas sarjana yang telah disusun ini dapat berguna dan bermanfaat bagi sumber pengetahuan serta bahan evaluasi untuk pelaksanaan tugas sarjana di masa mendatang. Bandung, Februari 2008 Penulis ii

7 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi Bab I Pendahuluan Latar Belakang Tujuan Studi Ruang Lingkup Pembahasan Metodologi Perancangan Sistematika Penulisan... 4 Bab II Tinjauan Pustaka Material Komposit [3] Klasifikasi Material Komposit [3] Bahan Komposit [5] Teori Kegagalan Material Komposit [6&7] Glass Reinforcement Plastics (GRP) [3&8] Sistem Perpipaan Pipa Komposit GRP [2] Proses Manufaktur Pipa Komposit GRP Proses Filament Winding [3&9] Proses Centrifugal Casting [9] Perbandingan Proses Manufaktur Pipa Komposit GRP Metode Penyambungan Pipa Komposit GRP [8] Code dan Standard Perancangan Pipa Komposit GRP Tipe Pembebanan [8] Kriteria Perancangan [8] Dasar Perancangan [8] Pemilihan Material Syarat Perancangan Berdasarkan ISO iii

8 2.5.1 Syarat Dimensi Syarat Material Verifikasi Tekanan Dalam (Internal Pressure) Qualified Pressure [8] Factored Qualified Pressure [8] Tekanan Perancangan Sistem [8] (System Design Pressure) Pemilihan Tebal Pipa Berdasarkan Rating Tekanan Statik [11] Analisis Span Statik [8] Berdasarkan Tegangan Aksial Maksimum [8] Berdasarkan Euler Buckling Analisis Burial Berdasarkan Tekanan Collapse Buckling Berdasarkan Tegangan Hoop Maksimum [8,10 & 18] Perancangan Crossing Crossing Jalan Raya [14] Crossing Sungai Analisis Tegangan, Fleksibilitas dan Buckling Batas Tegangan Maksimum Perancangan [8] Tegangan Akibat Tekanan Dalam [8] Tegangan Aksial Akibat Bending Pada Span Tegangan Akibat Ekspansi [8] Tegangan Bending Akibat Beban Luar Shell Buckling [8] Analisis Tegangan Menggunakan software CAESAR II v 4.5 [16] Hydrostatic Test [3] Analisis Elektrostatik [3] Bab III Data Perancangan GRP Pipeline Sistem Perpipaan Lokasi Perancangan Pipeline Data Operasi Umur Perancangan Data Fluida iv

9 3.3.3 Parameter Perancangan Corrosion Allowance Data Pipa Data Material Pipa Data Produk Pipa Data Material Casing Jenis Sambungan Pipa Data Lingkungan Data Atmosfir Data Kondisi Tanah Data Crossing Pipa Bab IV Analisis Perancangan Struktur GRP Pipeline Berdasarkan ISO Flowchart Perancangan GRP Pipeline Pemilihan Tebal Dinding Pipa Berdasarkan Rating Tekanan Statik Pengaruh Tekanan Dalam Terhadap Tebal Dinding Pipa Verifikasi Syarat Perancangan Berdasarkan ISO Verifikasi Syarat Dimensi Verifikasi Material Verifikasi Tekanan Dalam Perhitungan Qualified Pressure Perhitungan Factored Qualified Pressure Analisis Tekanan Perancangan Sistem Untuk Pipa dengan Beban Ekspansi Termal Untuk Pipa Tanpa Beban Ekspansi Termal Analisis Tekanan Hydrotest Sistem Analisis Span Statik Panjang Span Berdasarkan Tegangan Aksial Maksimum Panjang Span Berdasarkan Ketahanan Terhadap Euler Buckling Panjang Span Bagian Restraint Panjang Span Bagian Unrestraint Pengaruh Parameter terhadap Panjang Span Maksimum v

10 4.6 Analisis Burial Pembuatan Parit Analisis Kedalaman Penguburan Berdasarkan Tekanan Collapse Buckling Berdasarkan Tegangan Hoop Maksimum Kedalaman Kubur Pipa Bukan Crossing Penguburan Pada Daerah Crossing Pengaruh Parameter Terhadap Kedalaman Kubur Maksimum Perancangan Crossing Tipe Crossing Pemilihan Tebal Casing Crossing Jalan Raya Crossing Sungai Bab V Analisis Tegangan, Fleksibilitas, Global Buckling dan Elekstrostatik GRP Pipeline Analisis Tegangan dan Fleksibilitas Pemodelan Rute Pipeline Analisis pada Kondisi Operasi Analisis Tegangan Analisis Fleksibilitas Analisis pada Kondisi Sustained Analisis Tegangan Analisis Fleksibilitas Analisis pada Kondisi Ekspansi Analisis Tegangan Analisis Fleksibilitas Analisis Tegangan pada Crossing Sungai Pemodelan Crossing Sungai Hasil Analisis Tegangan Analisis Shell Buckling Pengaruh Parameter Perancangan Terhadap Shell Buckling Analisis Euler Buckling vi

11 5.4.1 Tegangan Tekan Aksial Maksimum Euler Buckling Analisis Elektrostatik Bab VI Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN-LAMPIRAN LAMPIRAN A. Contoh Perhitungan Analisis Statik Span Menggunakan MathCAD 2000 LAMPIRAN B. Contoh Perhitungan Kedalaman Kubur Maksimum Menggunakan MathCAD 2000 LAMPIRAN C. Contoh Perhitungan Tebal Minimum Casing Pada Road Crossing Menggunakan Microsoft Excel 2007 LAMPIRAN D. Contoh Perhitungan Analisis Shell Buckling Menggunakan MathCAD 2000 LAMPIRAN E. Typical Drawing Sistem Perpipaan LAMPIRAN F. Data Spesifikasi Produk Pipa Star Aliphatic Amine Line Pipe vii

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Pipa komposit GRP [2]... 2 Gambar 2.1 Tingkat kebutuhan material berdasarkan porsi waktu [4]... 6 Gambar 2.2 Klasifikasi material komposit berdasarkan jenis penguatan [3]... 8 Gambar 2.3 Proses filament winding [10] Gambar 2.4 Proses centrifugal casting [10] Gambar 2.5 Adhesive bonded joint [8] Gambar 2.6 Laminated joint [8] Gambar 2.7 Standard API joint [8] Gambar 2.8 Joining system [10] Gambar 2.9 Span pada pipa [12] Gambar 2.10 Euler buckling [13] Gambar 2.11 Casing pada crossing jalan raya [15] Gambar 2.12 Influence value I σ for conentrated or uniform surcharge of limited extent [10] Gambar 2.13 Kurva envelope ideal dan kurva envelope aktual [16] Gambar 2.14 Kurva envelope berdasarkan code UKOOA [16] Gambar 3.1 Pipeline keyplan lapangan migas Pondok Tengah [17] Gambar 3.2 Peta lokasi lapangan Pondok Tengah Gambar 3.3 Snapshot lokasi pembangunan lapangan migas Pondok Tengah Gambar 3.4 Peta lokasi crossing dari Cluster-N, PDT-B, & L ke BSU Gambar 3.5 Peta lokasi crossing dari Cluster-K dan I ke BSS Gambar 3.6 Peta lokasi crossing dari Cluster-E ke Junction Gambar 3.7 Peta lokasi crossing dari Cluster-J ke BSU Gambar 3.8 Peta lokasi Data crossing dari BSS ke PDT-A dan Tambun Gambar 4.1 Flowchart perancangan onshore pipeline menggunakan pipa komposit GRP Gambar 4.2 Pengaruh tekanan dalam terhadap tebal pipa minimum Gambar 4.3 Kurva bending stress dengan variasi diameter pipa viii

13 Gambar 4.4 Pengaruh tekanan dalam terhadap panjang span maksimum pipa GRP Gambar 4.5 Pengaruh temperatur operasi terhadap panjang span maksimum pipa GRP Gambar 4.6 Instalasi tipe parit (trench) [12] Gambar 4.7 Pengaruh tekanan dalam terhadap kedalaman kubur maksimum untuk pipa well fluid dan gas Gambar 4.8 Pengaruh tekanan dalam terhadap kedalaman kubur maksimum untuk pipa crude Gambar 4.9 Pengaruh temperatur operasi terhadap kedalaman kubur maksimum untuk pipa penyalur well fluid dan gas Gambar 4.10 Pengaruh temperatur operasi terhadap kedalaman kubur maksimum untuk pipa penyalur crude Gambar 4.11 Crossing jalan raya [17] Gambar 4.12 Crossing sungai [17] Gambar 5.1 Model tiga dimensi rute pipeline (Block Station Selatan to Tambun) Gambar 5.2 Penomoran nodal pada model pipeline (Block Station Selatan to Tambun) Gambar 5.3 Model pipa GRP terkubur (Cluster-K to Block Station Selatan) Gambar 5.4 Lokasi tegangan maksimum pada kondisi operasi (J5 to BSS) Gambar 5.5 Posisi displacement maksimum dalam arah x (Cluster-I to BSS) Gambar 5.6 Posisi displacement maksimum dalam arah y (BSS to Tambun) Gambar 5.7 Posisi displacement maksimum dalam arah z (Cluster-I to BSS) Gambar 5.8 Model crossing sungai pipa GRP Gambar 5.9 Pengaruh rasio t/d terhadap tegangan shell buckling pada pipa penyalur well fluid, crude dan gas Gambar 5.10 Pengaruh rasio t/d terhadap tegangan kompresi pada ix

14 Gambar 5.11 Gambar 5.12 Gambar 5.13 Gambar 5.13 Gambar 5.13 pipa penyalur well fluid dan gas Pengaruh rasio t/d terhadap tegangan kompresi pada pipa penyalur crude Pengaruh tekanan dalam terhadap safety factor shell buckling pada pipa penyalur well fluid dan gas Pengaruh tekanan dalam terhadap safety factor shell buckling pada pipa penyalur crude Pengaruh temperatur operasi terhadap safety factor shell buckling pada pipa penyalur well fluid dan gas Pengaruh temperatur operasi terhadap safety factor shell buckling pada pipa penyalur crude x

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat-sifat mekanik beberapa jenis bahan komposit [5]... 9 Tabel 2.2 Kelebihan dan kekurangan pipa komposit GRP Tabel 2.3 Perbandingan proses manufaktur pipa komposit Tabel 2.4 Jenis pembebanan pada pipa [8] Tabel 2.5 Ketahanan tipe resin terhadap temperatur [8] Tabel 2.6 Faktor pembebanan [3] Tabel 2.7 Safety factor [11] Tabel 2.8 Kedalaman crossing jalan raya [14] Tabel 3.1 Onshore pipeline Lapangan Migas Pondok Tengah Tabel 3.2 Data fluida Tabel 3.3 Data Komposisi Well Fluid Tabel 3.4 Data Komposisi Gas Tabel 3.5 Data Komposisi Crude Tabel 3.6 Parameter perancangan Tabel 3.7 Data material pipa Tabel 3.8 Data produk pipa Tabel 3.9 Data kekuatan pipa arah hoop terhadap temperatur Tabel 3.10 Data kekuatan pipa arah aksial Tabel 3.11 Data material casing Tabel 3.12 Data kondisi atmosfer Tabel 3.13 Data kondisi tanah Tabel 3.14 Data crossing dari Cluster-N, PDT-B, dan L ke BSU Tabel 3.15 Data crossing dari Cluster-K dan I ke BSS Tabel 3.16 Data crossing dari Cluster-E ke Junction Tabel 3.17 Data crossing dari Cluster-J ke BSU Tabel 3.18 Data crossing dari BSS ke PDT-A dan Tambun Tabel 4.1 Tebal pipa minimum yang dibutuhkan untuk berbagai jenis pipeline Tabel 4.2 Spesifikasi produk pipa yang dipilih xi

16 Tabel 4.3 Perbandingan t r /D untuk berbagai pipeline Tabel 4.4 Nilai qualified pressure untuk berbagai jenis pipeline Tabel 4.5 Nilai factored qualified pressure untuk berbagai jenis pipeline Tabel 4.6 Nilai safety factor untuk pipa dengan beban ekspansi termal Tabel 4.7 Nilai safety factor untuk pipa tanpa beban ekspansi termal Tabel 4.8 Nilai safety factor untuk pipa dengan beban hydrotest Tabel 4.9 Parameter operasi sistem perpipaan Tabel 4.10 Panjang span berdasarkan tegangan aksial maksimum Tabel 4.11 Panjang span maksimum berdasarkan euler buckling Tabel 4.12 Hasil perhitungan span pada bagian restraint Tabel 4.13 Hasil perhitungan span pada bagian unrestraint Tabel 4.14 Data perancangan kedalaman kubur pipa Tabel 4.15 Pemilihan lebar parit berdasarkan ukuran pipa Tabel 4.16 Hasil perhitungan kedalaman kubur berdasarkan tekanan collapse buckling Tabel 4.17 Hasil perhitungan kedalaman kubur pipa bukan crossing berdasarkan tegangan hoop maksimum Tabel 4.18 Hasil pemilihan casing untuk crossing jalan Tabel 5.1 Hasil analisis tegangan pipa pada kondisi beban operasi Tabel 5.2 Hasil analisis fleksibilitas pipa pada kondisi beban operasi Tabel 5.3 Hasil analisis tegangan untuk kondisi beban sustained Tabel 5.4 Hasil analisis fleksibilitas pipa pada kondisi beban sustained Tabel 5.5 Hasil analisis tegangan pada kondisi beban ekspansi Tabel 5.6 Hasil analisis fleksibilitas pipa pada kondisi beban ekspansi Tabel 5.7 Hasil analisis tegangan maksimum river crossing pada kondisi beban operasi Tabel 5.8 Hasil analisis tegangan river crossing pada kondisi beban sustained Tabel 5.9 Hasil analisis tegangan river crossing pada kondisi beban ekspansi Tabel 5.10 Hasil analisis tegangan shell buckling Tabel 5.11 Data panjang span maksimum pipa xii

17 Tabel 5.12 Hasil perhitungan tegangan euler buckling Tabel 5.13 Hasil pendekatan berdasarkan konsekuensi dari efek elektrostatik Tabel 5.14 Hasil pendekatan berdasarkan kemungkinan terjadinya efek elektrostatik xiii