ANALISA KEANDALAN DENTED PIPE DI SISI NUBI FIELD TOTAL E&P INDONESIE. Abstrak

Transkripsi

1 ANALISA KEANDALAN DENTED PIPE DI SISI NUBI FIELD TOTAL E&P INDONESIE Dedie Arianto 1, Handayanu 2, D.M. Rosyid, 2 1 Mahasiswa Teknik Kelautan, 2 Staf Pengajar Teknik Kelautan Abstrak Subsea pipeline merupakan salah satu sarana transportasi fluida yang paling sering digunakan karena lebih ekonomis dan efisien dibandingkan sarana transportasi fluida lainnya. Tugas akhir ini membahas pengaruh perubahan bentuk pipa yang berupa cacat (dent). Tentunya perubahan bentuk plastis pada suatu struktur akan mempengaruhi keandalan struktur tersebut, namun dalam Tugas Akhir ini akan dibahas kedalaman dent yang paling berpengaruh terhadap keandalan pipa. Analisa dalam pemodelan Tugas Akhir ini akan dibantu dengan perangkat lunak ANSYS 11 yang berbasis metode elemen hingga. Tahapan awal yang dilakukan adalah memodelkan struktur pipa yang mengalami dent, kemudian membagi struktur tersebut ke dalam elemen-elemen (diskritisasi). Tahapan yang dilakukan selanjutnya adalah menetapkan batasanbatasan dalam pemodelan dan memberikan beban pada struktur pipa. Beban yang diberikan pada pipa merupakan beban tekanan external pressure yang berupa hydrostatic pressure dan internal pressure sebagai akibat aliran fluida, tekanan ini divariasikan untuk mendaptkan keandalan pipa tersebut. Dari hasil permodelan menunjukkan tegangan Von Mises yang paling besar dialami oleh dent dengan kedalaman 12.5%, yaitu sebesar Psi. Tegangan tersebut berada sedikit di bawah SMYS material pipa tersebut, yaitu Psi. Tegangan Von Mises pada kedalaman dent 13% sudah melebihi SMYS material tersebut, yaitu Psi. Hal ini menunjukkan kedalaman dent 12.5% merupakan kedalaman dent maksimum untuk pipa tersebut. Kata kunci : pipeline, dent, internal pressure, external pressure, von mises stress 1. PENDAHULUAN Dogleg adalah jenis pipa yang menghubungkan riser dengan pipeline yang ditanam di seabed. Dog Leg tidak dilapisi dengan concrete coating, hal ini disebabkan pipa pada water depth lebih dari 14 m tidak perlu dilapisi dengan concrete coating. Apabila ada benda jatuh mengenai dogleg, maka dogleg akan mudah mengalami dent dan yang lebih ekstrim pipa tersebut akan putus. Peluang kemungkinan dogleg mengalami beban tumbukan akibat benda jatuh lebih besar jika dibandingkan dengan pipeline yang ada di tengah laut. Hal ini disebabkan kegiatan bongkar muat dari kapal cargo untuk memenuhi kebutuhan pekerja dan penggantian spare part yang ada pada platform tersebut. Berikut ini data bongkar muat yang terjadi di WPN2 milik TOTAL E&P Indonesie. 2. PENGERTIAN DENT Berdasarkan Det Norske Veritas (DnV-OS-F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEM), dent didefinisikan sebagai suatu depression gross disturbance pada kelengkungan dari pipa atau tubular member dan yang mana menghasilkan suatu perubahan diameter yang bervariasi lebih dari 2% nominal diameter. Mineral Management Service (MMS, 2000) mendefinisikan dent sebagai perubahan bentuk atau lekukan pada bagian struktur yang disebabkan oleh suatu kejadian (aksi) sehingga menimbulkan kerusakan visual pada area kelengkungan pipa atau komponen tanpa mengurangi ketebalan dindingnya. 3. PERHITUNGAN TEGANGAN PIPA Tekanan internal pada pipa juga mempengaruhi kedalaman dent pada pipa. Pengurangan kedalaman dent akibat adanya tekan internal dapat diabaikan apabila pipa yang mengalami dent tidak terdapat cacat/retak akibat dent tersebut. Ketebalan dinding pipa mempengaruhi ketahanan terhadap tekanan eksternal dan 1

2 internal. Ketebalan minimal dinding pipa agar tahan terhadap tekanan internal dapat menggunakan rumus sebagai berikut (Raswari, 1986) : p OD t (1) 2 S E p y dimana : t = tebal dinding pipa. P = design internal pressure. OD = diameter rata-rata pipa. S = tegangan pada temperatur desain. E = faktor efisiensi sambungan. y = faktor bahan. Untuk menghitng Massa tambah pipa dapat menggunakan persamaan : 2 OD M a C m w (2) 4 dimana : C m = 2.29 (koefisien massa tambah). M a = massa tambah. OD = diameter luar pipa. w = densitas air. Momen bending dan stress pada pipa yang terkena dent dapat dihitung dengan menggunakan rumus (Shannon dalam Bai, 1973) : D d H D (3) M 0.85 H t D d (4) dimana : σ H = tegangan hoop nominal. D d = kedalaman dent. T = ketebalan dinding pipa. D = diameter luar pipa. Kemungkinan kegagalan struktur pipa meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman dent (Bai, 2001). Pengaruh kedalaman dent terhadap indeks keandalan dan kemungkinan kegagalan dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 1 Pengaruh kedalaman dent (D d ) pada pipa (Bai, 2001) 3.1. Hoop Stress Pertimbangan utama dalam pemilihan tebal dinding pipa untuk menahan perbedaan tekanan dalam dan luar adalah perhitungan hoops stress. Maximum tangential (hoop) stress akibat internal pressure tidak boleh melebihi allowable stress. Gambar 2 Hoop stress pada dinding pipa (Bai, 2001) dengan, σ h = hoop stress akibat internal pressure, psi P i = internal pressure pipa, psi P o = external pressure pipa, psi t = pipe wall thickness, in (5) 3.2. Equivalent Stress Tegangan-tegangan yang bekerja pada arah yang berbeda-beda pada pipa dapat dipandang secara menyeluruh dengan menggunakan hubungan 2

3 Von Mises sehingga diperoleh equivalent stress sebagai berikut: (5) dimana, σ e = equivalent stress, psi σ l = tegangan longitudinal (longitudinal stresss), psi σ h = hoop stress, psi τ lh = tangential shear stress, psi Equivalent stress pada saat pipa beroperasi harus memenuhi criteria equivalent stress yang diijinkan. Equivalent stress yang diijinkan berdasarkan DNV OS F Submarine Pipeline System yang digunakan sebagai berikut: (6) 3.3. Penyerapan Energi pada ed Pipe Ketahanan pipa terhadap tumbukan dipengaruhi oleh baja pada pipa tersebut, dan penyerapan energi yang berasal dari tumbukan tersebut menyebabkan pipa mengalami dent (Wierzbicki and Suh, 1988). Untuk menhitung penyerapan energi dapat digunakan persamaan sebagai berikut (DNV F-107, 2001) : dimana: E = absorbed energy of steel pipeline, J. m p = Plastic moment capacity of wall. = (N). σ y = Yield strength, Pa. δ = pipe deformation/dent depth, m. t = Wall thickness, m. D = outer diameter, m. (7) 4. METODOLOGI PENELITIAN Analisa keandalan digunakan untuk mendapatkan nilai keandalan pada masingmasing ukuran dent yang terdapat pada pipa. Agar dapat mengetahui waktu untuk melakukan perawatan pada pipa tersebut. Permodelan dented pipe yang terkena arus dimodelkan dengan software ANSYS 11 untuk mendapatkan tegangan pada dented pipe tersebut.pada level Gambar 3 Diagram Alir Analisa Keandalan Pada ed Pipe. Keterangan mengenai diagram alir tersebut dapat dilihat pada penjelasan berikut ini: 1. Tahap pertama pengerjaan dimulai dengan pegumpulan data yang meliputi data dimensi utama pipa yaitu: tebal dinding pipa, diameter pipa serta grade material pipa. Data ukuran dent dan kecepatan arus disekitar dented pipe. Bersamaan dengan itu juga dilakukan studi literatur yang berasal dari Tugas Akhir yang sebelumnya, penelitian-penelitian lain yang berasal dari berbagai jurnal serta studi literatur dari berbagai buku yang berkaitan dengan keandalan, dented pipe dan berbagai codes yang mendukungnya. 2. Tahap selanjutnya penentuan variasi ukuran dent dan internal pressure yang akan dipakai dalam permodelan. Data ukuran dent diambil dari penelitian sebelumnya. Penentuan variasi ukuran dent dan internal pressure bertujuan untuk perbandingan keandalan masing-masing ukuran dent. 3

4 3. Melakukan permodelan dengan variasi kedalaman dent dan internal pressure. 4. Setelah model dent pipe selesai, selanjutnya melakukan meshing pada model tersebut. 5. Setelah model selesai di meshing, memasukkan beban-beban eksternal dan internal yang terjadi pada pipa tersebut. 6. Melakukan running dan out put dari ANSYS digunakan untuk menghitung keandalan. 7. Perhitungan keandalan menggunakan simulasi Monte Carlo. 4. ANALISA DAN PEMBAHASAN Bentuk ukuran dent yang dimodelkan pada Tugas Akhir ini ada 5 kedalaman dent yang berbeda, dimana variasi ukuran dent dan pressure internal disesuaikan dengan yang tertera pada tahapan metodologi. Kelima bentuk dent ini kemudian akan dibandingkan tegangannya untuk mengetahui bentuk dan geometri dent yang paling berbahaya pada struktur pipa. Tabel 1 Data dog leg (TOTAL E&P Indonesie, 2006). Poison Ratio 0.3 Water Depth (m) 63 Tide HAT (m) 2.6 Tabel 2 Data pressure pada dog leg Max (barg) 110 Rata-rata (barg) 105 Minimal (barg) Perhitungan External Pressure Semua pipa dibawah air selalu mengalami hydrostatic pressure. Semakin dalam perairan maka pipa tersebut akan mengalami hydrostatic pressure yang lebih besar. Outer er (mm) Wall Thickness (mm) 24.4 Line Pipe Material API 5L X65 seamless SMYS (Mpa) 448 External Corrosion Coating Thickness (mm) 60 Design pressure (barg) 120 Average operating temperature ( 0 C) 80 Gambar 3 Hydrostatic pressure pada pipa dasar laut. Design factor (F) 0.5 Young Modulus (MPa) Untuk mencari external pressure dapat menggunakan persamaan sebagai berikut: (8) Dengan: ρ = Massa jenis air laut (1025 kg/m 3 ). 4

5 g = Gaya gravitasi (9.81 m/s 2 ). Htotal = Kedalaman pipa dari permukaan air, m. Htotal = h + H + D. Dari persamaan 8 diatas, maka dapat dihitung hydrostatic pressure, yaitu sebesar 5.2 Perhitungan Energi yang Terserap pada ed Pipe Dari persamaan 7 dapat dihitung energi yang terserap pada masing-masing kedalaman dent. Hasil perhitungan sebagai berikut: 4% = Joule = N.m 8% = Joule = N.m 12% = Joule = N.m 12.5 % = Joule = N.m 5.3 Tegangan Von Mises pada Masing-masing Setelah model geometry dent pipe selesai dibuat dan input pembebanan sudah seluruhnya dimasukkan, maka model tersebut di running. Hasil dari running tersebut berupa tegangan Von Mises dan dapat dilihat pada tabel dibawah ini. Gambar 4 Pengaruh Kedalaman terhadap Tegangan Von Mises. Dari grafik diatas dapat disimpulkan bahwa semakin besar kedalaman dent, maka tegangan Von Mises yang terjadi juga akan semakin besar dan yang lebih ekstrim struktur pipa akan pecah. Kedalaman dent juga mempengaruhi energi yang terserap akibat tumbukan. Untuk menghitung energi yang terserap akibat tumbukan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang ada di code DNV F-107(Assesment Pipeline of Protection, 2001). Tabel 1 Hasil Equivalent Stress pada Pipe Intern Equivalent Stress (psi) al Pressu re (psi) er 4% er 8% er 12% er 12.5% Pengaruh Kedalaman dengan Tegangan Von Mises dan Energi Tumbukan Kedalaman dent sangat mempengaruhi tegangan Von Mises. Hal tersebut dibuktikan oleh hasil pada permodelan diatas dengan menggunakan software ANSYS 11. Hasil dari tegangan Von Mises yang terjadi pada setiap dent dapat digambarkan dengan grafik sebagai berikut: Gambar 5 Pengaruh Kedalaman terhadap Energi Tumbukan. Jadi dapat disimpulkan bahwa kedalaman dent mempengaruhi tegangan Von Mises dan energi yang diserap akibat tumbukan. Sehingga semakin besar kedalaman dent maka tegangan Von Mises dan energi yang diserap juga semakin besar, hal itu dibuktikan dari grafik-grafik diatas. 5

6 5.5 Perhitungan Keandalan Pipe Keandalan pada dent pipe dihitung untuk masing-masing kedalaman dent dengan variasi internal pressure. Moda kegagalan yang digunakan berdasarkan DNV OS F101 Submarine Pipeline System adalah sebagai berikut: Dengan, g (X) = fungsi limit σ ys = yield strength (psi) = 0.9 SMYS σ e = equivalent stress (psi) Variabel acak yang digunakan dalam simulasi Montecarlo dari moda kegagalan diatas adalah kedalaman dent dan internal pressure Simulasi Monte Carlo yang dilakukan untuk moda kegagalan terhadap hoop stress, yaitu dengan men-generate masing-masing variabel acak menjadi Random Number Generator (RNG) yang berbeda satu sama lain. Kemudian hasilnya dimasukkan pada persamaan moda kegagalan untuk disimulasikan. Dari hasil simulasi tersebut, kemudian dihitung jumlah gagalnya dari simulasi sejumlah data untuk memperoleh peluang gagalnya. Untuk lebih memudahkan dalam melihat kestabilan simulasi dan pembacaannya, maka pencatatan peluang gagal dilakukan untuk setiap 2000 simulasi. Hasil simulasi untuk masing-masing kedalaman dent ditampilkan dalam bentuk grafik, sebagai berikut : Dari simulasi Monte Carlo untuk masing masing kedalaman dent diatas, dapat disimpulkan bahwa pada kedalaman dent 4% dan 8% keandalan terhadap tegangan Von Mises (Equivalent Stress) adalah 1, dan peluang kegagalan terhadap tegangan Von Mises adalah 0. Untuk kedalaman dent 12% keandalannya adalah 0.99, sehinnga peluang kegagalannya adalah Selanjutnya dent dengan kedalaman 12.5 % keandalan terhadap Equivalent Stress adalah 0.87, sehingga peluang kegagalan dent tersebut adalah Untuk tegangan pada pipa dent dengan kedalaman 13% sudah melebihi yield strength dari bahan pipa tersebut, sehingga pipa tersebut akan pecah dan tidak perlu lagi menghitung keandalan pipa tersebut. Jadi untuk dent dengan kedalaman 14%, 16% dan 21% tidak perlu dianalisa lagi.. 6. KESIMPULAN Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari proses analisa yang telah dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Tegangan yang terjadi pada masingmasing kedalaman dent berbeda. Semakin dalam kedalaman dent, maka akan semakin besar tegangan yang terjadi pada dent pipe tersebut. Pada kedalaman dent tertentu dapat mengakibatkan pipa pecah, hal ini disebabkan tegangan yang terjadi melebihi SMYS material yang dipakai. 2. Kedalaman dent pipe juga mempengaruhi keandalan pipa tersebut. Dengan semakin dalam kedalaman dent pipe maka keandalan pipa tersebut akan berkurang Gambar 6 Grafik Keandalan ed Pipe Terhadap Equivalent Stress. 7. DAFTAR PUSTAKA American Petroleum Institute API RP 111: Design, Construction, Operation and Maintenance of Offshore Hydrocarbon Pipelines. American Society of Mechanical Engineers ASME B31.4: Pipeline Transportation System for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids. 6

7 American Society of Mechanical Engineers ASME B31-8: Gas Transmission and Distribution Piping System. Bai. Y., Pipelines and Risers, Elsevier Ocean Engineering Book Series Vol. 3. (2001). Berkelder, A. G. J. An Engineering Approach to ed Members Concept, to be published. Chamelia, Dirta M Analisa Vibrasi Subsea Pipeline Akibat Aliran Eksternal dan Eksternal di Sisi Nubi Field Total E&p Indonesie. Tugas Akhir. Surabaya: Jurusan Teknik Kelautan ITS. Det Norske Veritas Dnv-os-F101: Submarine Pipeline System. Doretha Analisa Pengaruh pada Struktur Pipa Bawah Laut Terhadap Integritas Pipa. Tugas Akhir. Surabaya: Jurusan Teknik Kelautan ITS. Durkin, S., An Analytical Method for Predicting the Ultimate Capacity of ed Tubular Member, Intern. Journal of Mech. Sciences, Vol. 29, no 7, 1987, pp Germanischer LIyod Rules for Clasiification and Construction. Part4- Subsea Pipelines and Riser. Hamburg: Germanischer LIyod. Guo, B. dan J. Chacko Offshore Pipelines. Elsevier Ocean engineering Book Series, USA. I.W. Puja*, Ayende**, F. Andriksyah Near Platform Pipeline Risk Assessment Due to Accidental Impact Load. Prosiding International Conference on Risk Technology and Managemet. ITB. Bandung. Ikhwani, H Buku Ajar Perancangan Pipa Bawah Laut. Surabaya: Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, ITS. MMS, Pipeline Defect Assessment Final Report phase I & II, MSL Engineering, Washington, D.C. (June 2000). Mouselli, A.H Offshore Pipelines Design Analysis and Methods. Oklahoma: PenWell Books. No. Doc. SN G, Pipeline and Riser Design Basis, Total E&P Indonesie Sisi Nubi Field Development Project Phase I, No. Doc. SN G, Dropped Object Design Report, Total E&P Indonesie Sisi Nubi Field Development Project Phase I, Purwanti, Lilis Analisa Vortex Induced Vibration Pada Riser Tension Leg Platform. Tugas Akhir. Surabaya : Jurusan Teknik Kelautan ITS. Raswari, Teknologi dan Perencanaan Sistem Perpipaan, Universitas Indonesia Press, Jakarta. (1986). Rosyid, D.M Pengantar Rekayasa Keandalan. Airlangga University Press. Surabaya. Rothfarb, B. Frank, H. Rosenbaum, D.M. Steiglitz, K. Kleitman, D.J "Optimal Design of Offshore Natural- Gas Pipeline Systems". Journal of Operations Research. Vol. 18, No. 6 : pp Smith, Pul R Piping and Pipe Support System. New York: McGraw Hill Book Company. Stansby, P.K., and Slaouti, A On Non linear Wave Interaction With Cylindrical Bodies: a vortex Sheet Approach. Applied Ocean Research. Vol 2 : 2. 7