BAB 4 METODE DAN ANALISIS INSTALASI PIPA BAWAH LAUT 4.1 Pendahuluan Semenjak ditemukanya ladang minyak di perairan dangkal di daerah Teluk Meksiko sekitar tahun 1940-an, maka berkembang teknologi instalasi pipa di bawah laut. Sekarang, dengan ditemukanya banyak ladang minyak dan gas diperairan dalam membuat metode instalasi pipa bawah laut semakin maju dan berkembang, ada beberapa metode yang biasa digunakan yaitu: Metode S-lay. Digunakan untuk instalasi didaerah perairan dangkal/shallow water dengan kedalaman sampai dengan 500 ft. Metode J-lay. Digunakan untuk instalasi didaerah perairan intermediate dengan kedalaman 500 ft sampai dengan 1000 ft. Metode Reel lay (kedalam 1000 ft keatas). Digunakan untuk instalasi didaerah perairan dalam dengan kedalaman lebih dari 1000 feet. Metode lain yang digunakan untuk instalsi pipa adalah shore pull methode dan tow method yang bisa dibagi menjadi beberapa jenis yaitu, bottom tow, off-bottom tow, mid depth tow, dan surface tow. Metode ini dapat digunakan untuk instalasi pipa pada daerah laut dangkal ke laut dalam bergantung pada kebutuhan disain. Laporan Tugas Akhir IV- 1
4.2 Metode Pemasangan Pipa (Lay Method) 4.2.1 Metode S-Lay Metode yang paling sering digunakan dalam proses instalasi pipa untuk daerah perairan dangkal adalah metode S-lay. Dalam metode S-lay, yang sketsa gambarnya dapat dilihat pada Gambar 4.1, proses pengelasan pipa dilakukan bagian roller pada barge, sedangkan keberadaan stinger digunakan untuk membentuk overbend dan ketika pipa telah menyentuh dasar perairan maka akan membentuk sagbend. Overbend dan sagbend pada proses ini akan membentuk seperti huruf S sehingga disebut metode S-lay. Welding, coating stasion Gambar 4. 1 Sketsa metode instalasi S-lay. Dalam metode S-lay tensioner yang berada pada barge akan menarik pipa yang akan dipasang ke arah dalam dan memastikan bahwa tegangan dari semua pipa tidak melebihi tegangan izin. Dalam barge dilengkapi dengan alat pengatur tegangan pipa (tension machines), abandobmet and recovery winch, dan crane untuk mengangkat pipa. Dalam proses instalasi setelah pipa ditempatkan pada roller yang kemudian akan disambungkan dengan pipa melalaui proses las dalam sebuah tempat (welding stasion), dalam welding station pipa akan mengalami pengelasan, kemudian dilakukan proses Laporan Tugas Akhir IV- 2
pengecekan kekuatan las dengan non distucted test (NDT), setelah pipa lolos NDT maka kemudian akan dilakukan pelapisan pada sambungan / field joint coating. Gambar 4. 2 Contoh barge S-lay (Lorelay Barge (LB) 200). 4.2.2 Metode J-Lay Untuk melakukan proses instalasi pipa bawah laut untuk perairan dalam digunakan methode J-lay. Seperti yang terlihat pada sketsa proses J-lay pada Gambar 4.3, pada metode J-lay ini tidak terjadi overbend seperti yang terjadi pada metode S-lay, tidak ada stinger untuk menempatkan pipa dan pipa yang akan dilas dalam posisi mendekati vertikal yang kemudian akan diturunkan ke laut. Pada barge J-lay dilengkapi dengan tower yang digunakan untuk memposisikan pipa dan tempat penyambungan pipa. Laporan Tugas Akhir IV- 3
Wlding, coating stasion Gambar 4. 3 Sketsa metode instalasi J-lay. Gambar 4. 4 Contoh J-lay barge (Heerema s Balder). Laporan Tugas Akhir IV- 4
4.2.3 Metode Reel Lay Metode reel lay merupakan metode instalasi pipa dengan cara menggulung pipa panjang pada sebuah gulungan berukuran raksasa yang kemudian pipa tersebut akan dipasang di dasar laut seperti pada pemasangan kabel bawah laut. Barge yang digunakan untuk menginstalasi pipa dilengkapi dengan gulungan (reel) raksasa yang terdapat dibagian tengah barge, dilengkapi pula dengan adanya chute yang berfungsi sebagai landasan sebelum pipa diturunkan agar pipa tidak tertekuk pada saat instalasi. Pipa yang dipakai untuk metode ini tidak diselimuti dengan beton akan tetapi pipa harus tetap didisain supaya stabil setelah proses instalasi, hal ini dimaksudkan agar pipa dapat digulung dalam reel. Adapun selimut yang digunakan untuk melindungi pipa adalah digunakan bahan yang dapat digulung tanpa mengalami kerusakan seperti seperti jenis bahan epoxy. Pada proses instalasi dengan metode ini pipa yang akan dipasang dibuat terlebih dahulu didarat kemudian akan ditarik dan digulung di reel raksasa dalam barge. Pada saat penggulungan kurfatur pipa harus didisain agar tidak mengalami buckling dan ovalisasi yang signifikan, selain itu tekukan pipa yang terjadi harus lebih kecil dari nilai leleh pipa yang digunakan. Setelah proses penggulungan kemudian kapal/barge akan bergerak menuju tempat pemasangan pipa, pada lokasi ini pipa akan ditarik menuju chute yang kemudian di turunkan. Barge kemudian bergerak menyusuri rute pipa yang telah direncanakan. Setelah semua pipa terpasang kemudian ujung pipa diberi pelampung untuk disambungkan dengan reel barge berikutnya. Akan tetapi biasanya satu reel barge mempunyai kapasitas untuk menginstal seluruh pipa pada satu kali penggulungan. Pada Gambar 4.5 dan Gambar 4.6 adalah contoh reel barge. Laporan Tugas Akhir IV- 5
Reel Chute Barge Sagbend Sea Bottom Gambar 4. 5 Sketsa metode instalasi Reel lay. Gambar 4. 6 Technip s DP vertical reel vessel Deep Blue (J-lay). 4.2.4 Tow Methods Secara umum dapat digambarkan bahwa dalam tow method ini pipa akan dirakit di darat dengan masing-masing segmen antara 200-300 meter yang kemudian akan diberi akses menuju perairan melalui launching ramp atau roller yang dibangun sepanjang pantai menuju surf zone. Setelah itu segmen pipa yang telah siap (telah melewati test) ditarik ke Laporan Tugas Akhir IV- 6
laut dengan menggunakan barge/tow vessel yang berada 1000 meter atau lebih dari pantai. Setelah segmen pipa pertama ditarik kemudian ujung segmen yang berada di darat akan dilas dengan segmen berikutnya, sementara barge berpindah maju untuk bersiap menarik kembali. Hal ini akan dilakukan sampai panjang pipa yang direncanakan. a) Bottom Tow Seperti namanya, pada metode ini pipa yang telah dirakit didarat akan di tarik ke laut sampai dengan lokasi yang ditentukan tanpa menggunakan pelampung. Panjang pipa pada setiap segmen ditentukan sesuai dengan kapasitas dari barge penarik yang digunakan. Kapasitas barge penarik harus lebih besar dengan berat pipa di air (Ws) ditambah dengan gesekan yang dialami pipa dengan tanah. Oleh karena itu besarnya koefisien gesek tanah sepanjang jalur pipa harus diketahui. Dalam perencanaanya, survey rute pernarikan pipa menjadi hal yang sangat mendasar untuk dilakukan. Rute yang ditentukan sangat berpengaruh terhadap disain selimut pipa (coating) untuk perhitungan kriteria abrasi, stabilitas selama penarikan (towing), ukuran kapal penarik dan panjang optimum segmen pipa. Survey rute dan survey tempat instalasi menyakut detail insvestigasi terhadap kondisi tanah, arus dasar perairan, kontur dasar perairan, dan indentifikasi terhadap halangan sepanjang jalur penarikan. Untuk pipa yang di bangun di daerah perairan dangkal maka pembuatan parit/trench perlu dilakukan sesuai dengan peraturan yang berlaku dan untuk kepentingan stabilitas pipa itu sendiri. Sketsa dari metode ini dapat dilihat pada Gambar 2.7. Tow vassel Tow cable Pipe Sea bed Gambar 4. 7 Sketsa metode bottom tow. Laporan Tugas Akhir IV- 7
b) Surface tow dan Mid-depth tow Surface tow, seperti yang digambarkan pada Gambar 2.8, menggunakan ponton untuk menopang pipa agar berada di permukaan atau dekat permukaan air. Sedangkan mid depth tow, seperti yang di gambarkan pada Gambar 2.9, menggunakan peralatan untuk mengapungkan pipa di bawah permukaan air untuk menghindari dari beban gaya gelombang yang besar selama proses penarikan. Tow va ss el Bouy Hold-back vassel Pipe Sea bed Gambar 4. 8 Sketsa metode surface tow. Tow va ss el Spar Bouy Hold-back vassel Pipe Bouy Sea bed Gambar 4. 9 Sketsa metode mid-dept tow. Laporan Tugas Akhir IV- 8
Pada pelaksanaan kedua metode ini diperlukan dua buah barge/kapal untuk mengontrol pengapungan rangkaian pipa, dua kapal tersebut terdiri dari kapal penarik (tow vessel) dan kapal penahan (hold-back vessel). Pelampung pada rangkaian pipa ini dipasang ketika pipa masih di darat, dan ketika sudah berada pada tempat pipa tersebut digelar/diinstal menggunakan lay-barge yang dilengkapi dengan stinger seperti pada Gambar 2.10 berikut. Joining Barge Spar Bouy Hold back vassel Stinger Pipe Bouy Pipe Sea bed Gambar 4. 10 Sketsa instalasi pipa. c) Off-Bottom Tow Off bottom tow adalah metode instalasi yang diadaptasi dari metode mid-depth tow. Dalam pelaksanaanya metode ini juga mengunakan dua buah kapal sama seperti pada metode mid-depth tow. Yang membedakan dari metode ini adalah digunakanya rantai yang menggantung pada setiap pelampung, rantai ini berfungsi sebagai penyeimbang agar rangakaian pipa berada pada kedalaman yang telah ditentukan dan dapat menahan pipa tetap stabil ketika ada arus lateral selama proses penarikan. Ilustrasi metode ini dapat dilihat pada Gambar 2.10. Laporan Tugas Akhir IV- 9
Tow va ss el Hold-back vassel Tow cable Pipe Bouy Tow cable Chain Sea bed Gambar 4. 11 Sketsa metode off-bottom tow. 4.2.5 Metode Shore Pull Biasanya, untuk instalasi pipa dekat dengan pantai dan arahnya tegak lurus pantai digunakan teknik dengan menarik pipa dari pantai. Pipa dilas disebuah lay barge dimana pada ujung pipa pertama yang menuju darat dipasangi pull head, sebuah struktur tambahan pada pipa dengan bentuk seperti pad-eye besar yang digunakan untuk mengaitkan tali penarik dari darat. Satu atau beberapa kabel penarik dipasangkan pada pull head dan disambungkan ke winch yang berada di darat. Pipa yang ditarik kemudian diluncurkan ke air melalui jalur pipa yang telah ditetukan. Selama proses penarikan, hal yang penting untuk diperhatikan adalah gesekan antara pipa dan dengan tanah yang menentukan penentuan kapasitas dari winch yang akan digunakan. Akan tetapi, untuk mengatasi adanya gesekan tesebut dapat digunakan pelampung yang diikatkan pada pipa, fungsi dari pelampung ini adalah untuk mengapungkan pipa aga tidak bergesekan dengan tanah sehingga dapat titarik dengan winch dengan kapasitas yang lebih kecil. Pelampung ini diikatkan kesetiap segmen pipa dengan jumlah tertentu sesuai disain yang direncanakan, pelampungpelampung ini akan dilepas ketika pipa sudah semua terpasang sehingga pipa tenggelam kedalam air sesuai jalur pipa yang ditentukan. Dalam pelaksanaannya pipa disambungkan di barge yang kemudian setelah diberi pelampung kemudian diturunkan, sementara winch menarik pipa dari darat. Hal ini Laporan Tugas Akhir IV- 10
dilakukan sampai pipa terpasang semua, biasanya sampai dengan pipa sampai ke darat atau ujung trench yang dibuat masuk kearah darat. Berdasarkan kapasitas dari winch penarik yang digunakan, ada dua variasi dari metode shore pull, yaitu: a. Winch yang diletakan pada lay barge Jika total berat di air pipa yang dianalisis masih pada kapasitas dari kapasitas winch yang terdapat pada lay barge maka tidak diperlukan winch dengan kapasitas yang lebih besar di darat. Penarikan pipa dilakukan dengan winch yang ada pada lay barge, seperti yang telihat pada Gambar 4.12. Gambar 4. 12 Metode shore pull dengan winch di lay barge. b. Winch yang diletakan didarat Pada keadaan dimana kapasitas winch yang dimiliki oleh lay barge tidak memenuhi kapasitas yang dibutuhkan untuk menarik pipa walupun sudah ditambahkan alat pelampung pada pipa maka digunakan winch yang diletakan didarat dengan kapasitas yang lebih besar dan memenuhi kapasitas yang dibutuhkan, seperti yang terlihat pada Gambar 4.13. Laporan Tugas Akhir IV- 11
Gambar 4. 13 Metode shore pull dengan winch di darat. 4.3 Analisis Instalasi Pipa Selama instalasi pipa, bending stress yang terjadi pada pipa harus dicek mengikuti spesifikasi code yang dipakai. Seperti ditunjukan pada Gambar 14.14 untuk metode S- lay, terdapat dua daerah dari pipeline yaitu daerah overbend dan sagbend. Daerah overbend memanjang dari tensioner di barge deck, melewati barge ramp, dan turun ke stinger sampai dengan titik lift-off dimana pipa tidak lagi ditumpu pada stinger. Sedangkan daerah sagbend memanjang dari titik perubahan (inflection point) sampai dengan thouch down point. Pada metode S-lay bending stress pada kedua daerah tersebut adalah yang menjadi konsentrasi utama selama proses instalasi pipa, sedangkan pada J-lay hanya sagbend yang menjadi perhatian. Sedangkan untuk reel lay bergantung pada jenis instalasi yang dipakai antara S-lay atau J-lay. Gambar 4. 14 Daerah overbend dan sagbend pada S-lay barge. Laporan Tugas Akhir IV- 12
4.3.1 Overbend Pipe curvature, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4.15, pada daerah overbend selalu dikontrol posisi yang tepat untuk tahanan ramp, dan posisi dari stringer. Pada umumya, radius kurfatur dari overbend ditentukan agar maksimum bending stress pipa tidak lebih dari 85% SMYS. Persamaan regangan tekuk (bending strain) pipa adalah: D ε = 2R Dimana : D R = diameter luar pipa = jari-jari kurvatur dari onverbend Sedangkan persamaan untuk tegangan aksial tekuk (axial bending stress) adalah: ED σ = 2R Dimana : E = Modulus elastisitas (3x10 6 psi) Oleh karena itu, nilai minimum dari jari-jari overbend adalah: R = ED σ D. F 2 0 Dimana : F = factor disain (0.85) σ 0 = specified minimum yield stress (SMYS) Analisis diatas mengasumsikan bahwa pipa mengalami tekuk yang seragam/sama di atas barge dan stinger. Pada kenyataanya, tekuk pipa dan tegangan pada overbend lebih dari itu, oleh karena itu digunakan program komputer untuk menghitung secara akurat tegangan pada analisis overbend. Laporan Tugas Akhir IV- 13
Gambar 4. 15 Distribusi momen pada stinger. 4.3.2 Sagbend Untuk dapat mengerti mengenai bending stress terutama untuk daerah sagbend, ada beberapa metode untuk menganalisis stress di sagbend yaitu, metode linear beam, nonlinear beam, natural catenary, stiffed catenary dan finite element. Setiap metode memiliki persyaratan sesuai dengan kondisi instalasi pipa. perbandingan dari ketiga metode analisa stress tersebut disajikan dalam Tabel 4.1. Table 4.1 perbandingan metode analisis pipa Metode Instalasi Aplikasi Kondisi batas Validitas Linear beam Perairan dangkal Terpenuhi Defleksi kecil Nonlinear beam Semua perairan Terpenuhi Defleksi besar dan kecil Natual catenary Perairan dalam Tidak terpenuhi Kekakuan kecil Sitiffed catenary Periran dalam Terpenuhi Kekakuan kecil Finite element Semua kedalaman Terpenuhi Defleksi besar dan kecil Metode finite element (FE), linear dan nonlinear adalah yang umum digunakan untuk analisis pemasangan pipa. Beberapa program nonlinear finite element umum digunakan untuk menganalisa pipeline selama instalasi. Berikut adalah persamaan nonlinear bending stress : Laporan Tugas Akhir IV- 14
θ Gambar 4. 16 Sktesa bending pada pipa. 2 d d θ dθ q = EI Secθ T0Sec2θ 2 ds ds (4. 1) ds Dimana: q EI T 0 s θ = berat satuan dalam pipa = kekakuan tekuk pipa = tegangan efektif pipa bagian bawah = jarak panjang bentang pipa = sudut pada jarak s Beberapa program komputer yang dibuat berdasarkan metode analisa diatas dapat digunakan untuk menganalisa instalasi pipa, beberapa program yang dapat digunakan untuk menganalisa instalasi pipa diantaranya adalah OFFPIPE, ANSYS, FLEXCOM 3D, dan ORCAFLEX. Pada Tugas Akhir ini digunakan program OFFPIPE yang memang kusus digunakan untuk menganalisa pada saat disain instalasi pipa. Laporan Tugas Akhir IV- 15