Jurnal Tugas Akhir. Analisis Operabilitas Instalasi Pipa dengan Metode S-Lay pada Variasi Kedalaman Laut

Transkripsi

1 Analisis Operabilitas Instalasi Pipa dengan Metode S-Lay pada Variasi Kedalaman Laut Bondan Lukman Halimi (1), Wisnu Wardhana (2), Imam Rochani (3) 1 Mahasiswa Teknik Kelautan, 2,3 Staf Pengajar Teknik Kelautan Abstrak Pada tugas akhir ini dilakukan analisis operasi instalasi pipa dengan metode S-Lay. Penelitian yang dikaji meliputi analisa operabilitas barge, RAO barge,dan tegangan pipa yang diinstalasi. Tujuan dari analisa operabilitas adalah untuk mengetahui operasi dari barge yang digunakan untuk instalasi. Pemodelan struktur dilakukan dengan software Maxsurf. Simulasi pembebanan dilakukan dengan software MOSES. RAO barge free floating pada barge diperoleh dengan mentransformasi gaya yang bekerja pada barge akibat eksitasi beban gelombang yang ditinjau dari sudut 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, dan 315. Hasil RAO ini nantinya akan diinputkan pada software Orcaflex untuk analisa gerakan dinamis barge yang sangat berpengaruh pada pipa. Output dari Orcaflex nantinya akan didapat nilai bending stress yang terjadi pada pipa. Simulasi ini nantinya divariasikan terhadap kedalaman laut dan dimensi pipa, didapatkan hasil bahwa untuk perairan Natuna, maksimum diameter pipa yang diijinkan adalah 20 inch sesuai dengan nilai SMYS (Specified Minimum Yield Strength) pipa tersebut Hasil selengkapnya dibuat dalam bentuk table dan grafik. Untuk nilai operabilitas dari barge didapatkan nilai hingga %. Sehingga barge dapat dikatakan layak untuk melakukan operasi. Kata-kata kunci : Operabilitas, barge, instalasi pipa, Maxsurf, Moses, Orcaflex 1. PENDAHULUAN Pada akhir tahun 1940 telah ditemukan lapangan minyak pada shallow water di Teluk Meksiko.Dengan memperhitungkan keuntungan yang diperoleh sangat besar dibandingkan dengan biaya produksinya, mengingat kebutuhan energi masyarakat saat itu sangat besar, maka teknologi yang berkaitan dengan penambangan minyak lepas pantai terus dikembangkan. Ditambah lagi dengan telah banyak ditemukannya lapangan minyak lepas pantai pada kedalaman feet tahun 1954 maka teknologi ini semakin lama semakin berkembang dari waktu ke waktu. Metode paling umum untuk instalasi pipeline adalah laying method yang terdiri dari S-Lay dan J-Lay. Code yang paling sering digunakan untuk melakukan instalasi pada offshore pipeline adalah API RP 1111 DnV OS F101 Analisa yang dilakukan pada saat proses instalasi ditujukan untuk mengestimasikan minimum bending stress yang terjadi pada daerah kritis agar sesuai dengan kriteria desain. Menurut Stewart dan Frazer (1966), dalam proses instalasi pipa atau pipelaying, pipeline mendapat beban hidrodinamis secara langsung mengenai pipa, yaitu berupa gaya drag dan internal force ataupun secara tidak langsung, yaitu melalui gelombang atau arus yang menyebabkan gerakan pada barge. Gambar 1.1 Instalasi pipa dengan metode S-Lay Tugas akhir ini akan menganalisis tegangan yang terjadi pada pipeline saat proses instalasi. Tegangan yang dialami pipa pada saat proses laying down dan tegangan yang dialami pipa akibat pengaruh perubahan kedalaman air laut selama proses laying (S-lay Methode). Pada daerah sagbend, gerakan surge dan heave mempunyai 1

2 pengaruh yang signifikan terhadap tegangan pada pipeline sedangkan gerakan pitch tidak signifikan pengaruhnya terhadap tegangan bending pada pipeline (Brewer dan Dixon, 1969). Dalam melakukan analisa tegangan pipa tersebut dilakukan dengan bantuan beberapa software. Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah Maxsurf Pro.9 yaitu untuk geometri dari barge. Kemudian dengan menggunakan titik tersebut pada MOSES ver6.0 akan didapatkan Response Amplitude Operators (RAO) dari gerakan barge. Setelah itu RAO gerakan barge akan digunakan sebagai input ke dalam OrcaFlex untuk mencari tegangan pada pipeline selama proses instalasi. 2. DASAR TEORI 2.1. Vortex Induced Vibration Analisis dinamika struktur pada hakekatnya adalah analisa mengenai gerakan atau getaran struktur akibat pembebanan dinamis. Sesuai maknanya, beban dinamis adalah beban yang selalu mengalami perubahan besaran, arah, dan atau titik tangkapnya. Dalam konteks kajian Tugas Akhir ini, seperti yang telah disinggung di depan (Bab I), struktur yang menjadi obyek kajian adalah pipa dengan dimensi tertentu yang dibawa oleh barge dengan metode S-Lay. Beban dinamis yang diperhitungkan adalah gerakan dari barge yang membawa pipa tersebut. Analisa dinamis struktur pada umumnya ditujukan untuk mendapatkan data mengenai respons yang timbul yaitu tegangan. Dalam konteks tugas akhir ini, respons yang dikaji adalah tegangan yang timbul akibat beban arus dan beban gelombang pada pipa akibat dari gerakan barge yang membawa pipa tersebut. Respon suatu struktur terhadap beban dinamis yang bekerja pada struktur tersebut berupa defleksi dan tegangan yang bervariasi pula terhadap waktu (respons dinamis). Respons suatu struktur terhadap beban statis berupa defleksi dan tegangan yang tetap (respons statis). Respons statis maupun dinamis sangat dipengaruhi oleh kekakuan (stiffness). Selain kekakuan struktur, respon dinamis juga dipengaruhi oleh massa dan redaman struktur. Inilah yang membedakan antara analisa dinamis dan statis selain sifat pembebanan yang berbeda. Beban dinamis juga dapat menghasilkan percepatan yang digunakan dalam analisa dinamis Beban Gelombang Menurut Indiyono (2003) beban gelombang merupakan beban terbesar yang ditimbulkan oleh beban lingkungan pada bangunan lepas pantai (offshore structure). Perhitungan beban gelombang dapat direpresentasikan dengan perhitungan gaya gelombang. Teori perhitungan gaya gelombang yang digunakan salah satunya adalah teori difraksi. Dalam teori ini keberadaan struktur ini akan mempengaruhi timbulnya perubahan arah pada medan gelombang disekitarnya. Dalam hal ini difraksi gelombang dari permukaan struktur harus diperhitungkan dalam evaluasi gaya gelombang. Untuk gaya gelombang time series dapat dibangkitkan dari spektrum gelombang. Gaya gelombang first order : Fwv¹(t)=...(1) dimana : F wv¹ (t) = gaya gelombang first order F wv¹ (w) = gaya exciting gelombang first order per unit amplitudo gelombang tergantung waktu = sudut fase first order = amplitudo first order S(w) = fungsi spektra gelombang Sedangkan gaya gelombang second order dapat dinyatakan sebagai berikut : Dimana : = Drift force per unit amplitudo gelombang Gambar 2.2. sudut Structure,1987) mooring (Hydrodynamics of Offshore Persamaannya diekspresikan sebagai berikut : Z = [ cosh - 1 ] dengan : x = jarak horizontal dari touch down point z = kedalaman = gaya horisontal pada dasar laut = berat pipa tercelup per.unit 2

3 Kemudian : = cos x = cosh cos x dengan : x = sudut terhadap x-aksis s = panjang bentang pipa a : Axial stress (psi) A : Cross section area (m¹) : Luas penampang pipa (m¹) P : (psi) Curvature terbesar saat touch down point : Hoop Stress Pertimbangan utama dalam pemilihan tebal dinding untuk menahan perbedaan tekanan dalam dan luar adalah perhitungan hoop stress. DNV (2000) memberikan persamaan sebagai berikut : h p i pe D t1 2t1 SMYS f y, temp (39) dimana: P e =. g h 2. U = 3. m tabel DNV. (42) sc inc atau dari Keterangan: P i = Tekanan internal, Bar g. Pe = Tekanan eksternal, Bar g. D = Diameter luar pipa, mm. t 1 = Tebal minimum dinding pipa, mm. SMYS = Specified Minimum Yield Stress, Mpa. f y,temp = Nilai derating yang berkaitan dengan temperatur yield stress. = Faktor tekanan. U = Faktor kekuatan material m = Faktor tahanan material sc = Faktor keamanan = Rasio insidental untuk tekanan desain inc Longitudinal Stress Longitudinal stress dapat dihitung dengan : l Dengan : a PA A o P i Perhitungan longitudinal stress dikatakan tidak mengalami overstress apabila memenuhi cek terhadap tegangan yang diijinkan yakni : l 0.85 SMYS 3. METODOLOGI Untuk menyelesaikan permasalahan dalam penelitian ini diperlukan tahap-tahap yang berurutan berdasarkan urutan kerja sehingga tujuan yang diharapkan dapat tercapai dengan baik. Tahapantahapan tersebut adalah: 1. Pelaksanaan studi jurnal, report, buku dan airlaut. referensi lain yang berkaitan, sebagai bahan (40) penunjang tinjauan pustaka, dasar teori dan keterkaitan metodologi yang akan dipergunakan. t 1 = t nominal t fab t corr Fokus utama yang akan (41) dijadikan referensi adalah jurnal yang dipublikasikan ditingkat internasional maupun nasional. Tingkat di bawah junal adalah report ilmiah yang tidak dipublikasikan sebagai penguat referensi sementara referensi yang diperoleh dari buku hanya digunakan sebagai pendukung saja. 2. Setelah studi referensi dilakukan, dilanjutkan dengan pemilihan dan pengumpulan data lingkungan, barge, dan pipa bawah laut yang sesuai dengan batasan masalah (memenuhi criteria yang akan dimodelkan). 3. Pengolahan data dari Lay Barge yang dimodelkan disesuaikan dengan tinjauan pusataka dan dasar teori yang telah dikumpulkan sebelumya. Untuk data lingkungan dan lay barge sebagai data input pada pemodelan menggunakan software MAXSURF disesuaikan dengan parameter dari software tersebut. 4. Output yang didapat dari MAXSURF dimasukkan sebagai input permodelan di software MOSES untuk menentukan RAO dari dimensi barge itu sendiri 5. Hasil yang diperoleh dari running pemodelan Lay Barge dengan software MOSES adalah RAO (Response Amplitude Operation) dengan pemodelan dengan kedalaman yang sama untuk kedua metode. 6. Hasil pemodelan dari respon Lay Barge yang tergambar sebagai RAO perlu dilakukan review ulang untuk menilai bahwa hasil pemodelan tersebut 3

4 sesuai dengan format RAO pada code dan regulasi. Jika hasil pemodelan layak sesuai untuk dimasukkan sebagai data untuk menghitung pembebanan pipa. Jika hasil pemodelan, RAO, dianggap tak memenuhi, perlu dilakukan perhitungan ulang pada pengolahan data awal Lay Barge dan Lingkungan yang dijadikan data input pada pemodelan dengan software MOSES. 7. Jika hasil pemodelan telah memenuhi maka dikonversi sebagai data pendukung untuk pemodelan pembebanan pada pipa. Data pipa yang sudah dimodelkan dari pengolahan awal telah disesuaikan dengan software MOSES dengan parameter yang sesuai dengan code dan regulasi. Jika telah data telah diiputkan baik data RAO maupun data pipa maka pemodelan dengan software ORCAFLEX bisa dilaksanakan. Pemodelan dilakukan berdasarkan inputan RAO. 8. Hasil running pemodelan menggunakan software ORCAFLEX adalah nilai besar tegangan pada pipa sesuai dengan data kombinasi RAO yang diperoleh dari pemodelan MOSES. 9. Perlu dilakukan evaluasi dan review dari data pemodelan tegangan pipa dari software ORCAFLEX untuk mempermudah saat pembahasan dan penarikan kesimpulan, jika diperlukan dan hasil yang diperoleh tidak memenuhi maka dapat dilakukan perhitungan dari data awal sesuai dengan tipe pipa yang digunakan untuk selanjunya dilakukan pemodelan pada software ORCAFLEX, sementara untuk data RAO adalah menggunakan data pemodelan dari MOSES sebelumnya. 10. Lakukan tahap-tahap yang sama dengan variasi kedalaman yang berbeda. Kemudian dari masingmasing kesimpulan kita dapat membandingkan nilainilai tegangan dari kedua variasi saat instalasi tersebut. 11. Dari hasil pemodelan dan keluaran output, dilakukan pembahasan untuk menentukan hubungan respon dari Lay Barge saat mengalami pembebanan lingkungan (gelombang dan arus) divariasikan terhadap pengaruh kedalaman laut. Hasil-hasil yang diambil berdasakan pembahasan dan analisa datadata pemodelan tersebut nantinya akan dikombinasikan dalam bentuk tabel. Kesimpulan yang diambil nantinya dapat dilihat pada nilai-nilai yang tertera pada table-tabel tersebut. 4. ANALISA HASIL 4.1 Permodelan Maxsurf Dalam pengerjaan software ini sebenarnya dapat dilakukan dengan banyak cara sesuai dengan kenyamanan pendesain. Penulis dalam hal ini sekaligus pendesain moncoba memodelkan Derrick Barge setinggi sarat air (sesuai batasan masalah). Penulis memodelkan barge ini dengan menggunakan 4 surface. Gambar 4.9 total derrick barge + grid pada Maxsurf Setelah permodelan barge selesai jangan lupa untuk untuk mengatur data-data pada perintah frame of refference, zero point, dan parametric transformation. Data-data tersebut setelah diatur dapat dilihat hasilnya pada perintah calculate hydrostatic dan calculate area. 4.2 Permodelan Moses 4.21 Permodelan Setelah permodelan dari Maxsurf 9.6 selesai, ordinat-ordinat dari tiap control pointnya ( length, offset, height ) dicatat dan dimodelkan di software MOSES 6.0 dengan cara permodelan yang sesuai petunjuk A4 pada ultras di petunjuk penggunaannya. Gambar 4.10 permodelan barge MOSES 4.22 RAO Pada pengerjaan untuk didapatkan grafik RAO pada file GDV, penulis sengaja membedakan folder untuk pengerjaan RAO dan pengerjaan untuk permodelan. Hasil RAO berupa grafik dapat dilihat dengan membuka file GDV tersebut. Grafik yang dihasilkan adalah seperti grafik pada gambar dibawah ini : 4

5 Grafik 4.11 RAO Heading Permodelan Orcaflex Permodelan Permodelan yang dibuat pada software orcaflex pada dasarnya hampir sama dengan cara yang dibuat pada maxsurf dengan cara manual. Permodelan di Orcaflex dibuat dengan menentukan koordinat-koordinat control point berdasarkan sumbu x,y,dan z. Hanya yang membedakan adalah tidak ada kesimetrisan seperti yang bisa dijumpai pada maxsurf. Gambar 4.20 model instalasi pipa dengan s-lay menggunakan orcaflex Tabel 5.7 Hasil stress pada overbend pipa 14 Grafik 5.1 Variasi dimensi pipa dan kedalaman laut berdasarkan SMYS 4.4 Nilai Operabilitas Tabel 4.4 down time selama 1 tahun operasi Pada table di atas terlihat bahwa persentasi terendah down time adalah pada bulan Juni yaitu hany 6.78 %. Sehingga juga bisa dikatakan operabilitas tertinggi barge adalah saat bulan Juni yang mencapai %. Sementara persentasi tertinggi down time adalah pada bulan Desember yaitu mencapai 9.35 %. Sehingga juga bisa dikatakan operabilitas terendah barge adalah saat bulan Desember yang hanya mencapai %. Jadi nilai operabilitas barge selama 1 tahun operasi setelah dihitung dengan rumus perhitungan operabilitas dengan nilai tinggi gelombang signifikan sebagai batasannya adalah % 5. KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan Analisa operabilitas instalasi pipa dengan metode S-lay telah selesai dilakukan dengan divariasikan kedalaman laut dan dimensi pipa. Sesuai dengan rumusan masalah, tujuan penelitian yang ingin dicapai sudah sesuai seperti yang penulis harapkan sejak awal. Adapun kesimpulan yang bisa diambil dari pengerjaan tugas akhir ini adalah : 1.Pipa 14 inch pada Laut Natuna (120 m) aman untuk di lakukan instalasi. Pada tabel hasil stress untuk diameter pipa 14 inch dapat dilihat nilai-nilai stress maksimal yang terjadi pada pipa dengan berdasarkan tingkat kedalaman 5

6 laut. Pada tabel tersebut dapat dilihat bahwa nilai stress yang terjadi pada pipa aman untuk dilakukan instalasi karena tidak melebihi nilai SMYS nya hingga kedalaman 150 m. Ini menunjukkan dimensi pipa tersebut aman untuk dilakukan instalasi pada kedalaman 120 m. 2. Dimensi pipa yang layak untuk instalasi di laut Natuna adalah pipa 8-20 inch Dari beberapa variasi dimensi pipa yang penulis variasikan di penelitian antara lain : pipa 8 inch, pipa 14 inch, pipa 20 inch, pipa 26 inch, dan pipa 32 inch. Pipa yang aman untuk dilakukan instalasi di laut Natuna dengan kedalaman laut 120 m adalah pipa 8 inch,pipa 14 inch, dan pipa 20 inch. 3. Operabilitas Barge adalah % Nilai operabilitas barge yang digunakan dengan mempertimbangkan tinggi gelombang signifikan pada daerah tersebut adalah % 5.2 Saran untuk penelitian selanjutnya : 1. Memasukkan kinerja kapal kepil dalam operabilitasnya 2. Memasukkan nilai operabilitas dengan sistem automatik dalam operasi. 3. Membandingkan dengan code lain dalam proses pengerjaannya 4. Memasukkan beban dinamis lain selain barge yang mempengaruhi pipa 5. Menghitung nilai keandalan pipa pada tiap kedalamannya DAFTAR PUSTAKA Wells, Tumbridge dan Kent Offshore Pipeline Construction Volume I Conceptual Design and Hydromechanics. Trevor Jee Associates. England. Braskoro, S From Shallow to Deep Implications for Offshore PipelineDesign. Journal of the Indonesian Oil and Gas Community. Komunitas Migas Indonesia. Offshore Standard DNV-OS-F Submarine Pipeline Systems. Det Norske Veritas. Popov, E.P. Mekanika Teknik. Penerbit Erlangga. Jakarta American Petroleum Institute.API Spec 5L: Specification For Line Pipe 42 nd Edition ASME B31.8. Gas Transmission and Distribution Piping Systems. The American Society of Mechanical Engineers.2003 Bai, Y Pipeline and Riser Volume 3. Elsevier Science, ltd. UK Chakrabarti, S.K Hydrodynamics of Offshore Structure. Computational Mechanics Publication. London. Bhattacharyya, R Dynamics of Marine Vehicles. Naval Academy. U.S Sutomo, J Hand Out Hidrodinamika II. Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS. Surabaya. Soegiono Teknologi Produksi dan Perawatan Bangunan Laut. Airlangga University Press. Surabaya. Syarifudin, I Analisa Tegangan Pipa Bawah Laut Karena Gerakan Barge Berdasarkan Time Domain Saat Laying. Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS. Surabaya. Panambang, A Analisa Tegangan Pipa Bawah Laut Akibat Gerakan Lay-barge Dengan Berdasar Frequensi Domain.Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS. Surabaya. Purnama. A Analisa Tegangan Pipa Bawah Laut Pada Proses Instalasi Akibat Gerakan Lay-barge Menggunakan Metode S-lay. Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS. Surabaya. Ibrando.S Analisis of a New Instalation of Submarine Oil Pipeline Owned by PT.Pertamina Semarang. Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS. Surabaya. Wahyu, D Optimasi Pipa Bawah Laut pada Lapangan Produksi Gas Tunu Kalimantan Timur. Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS. Surabaya. Afifah,N Analisa Resiko Penggelaran Pipa Penyalur Bawah Laut Φ6 Inch. Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS. Surabaya. Gazali Pengaruh Kedalaman Laut dan Dimensi Pipa Terhadap Instalasi Pipa dengan J-Lay. Jurusan Teknik Kelautan FTK-ITS.Surabaya. Soegiono. Pipa Laut. Surabaya: Airlangga University Press