PENDEKATAN NUMERIK KAJIAN RESIKO KEGAGALAN STRUKTUR SUBSEA PIPELINES PADA DAERAH FREE-SPAN Ahmad Syafiul Mujahid 1), Ketut Buda Artana 2, dan Kriyo Sambodo 2) 1) Jurusan Teknik Sistem dan Pengendalian Kelautan, Program Pascasarjana FTK Institut Teknologi Sepuluh Nopember Sukolilo, Surabaya, 60111, Indonesia e-mail: aaf2k7li@yahoo.co.id 2) Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK Pipa merupakan alat transportasi fluida. Pipa penyalur minyak dan gas yang dipasang di dasar laut memiliki masalah yang kompleks, banyak faktor yang mempengaruhi keamanan jalur pipa tersebut. Salah satunya adalah bila terbentuk gerusan ( scouring) dengan bentang yang panjang di dasar laut, sehingga dapat menyebabkan terjadinya free-span yang berdampak pada keamanan pipa. Langkah pertama adalah dengan mengklasifikasikan risiko segmen pipa dari data real dengan menggunakan standar DNV RP-F105 pada bagian freespan response behavior, kemudian dilanjutkan dengan analisa kondisi statis dan kondisi dinamis segmen pipa yang mengalami free-span dengan standar DNV RP-F105. Kemudian dilanjutkan dengan perhitungan statis dan dinamis panjang free-span kritis sesuai standar DNV RP-F105, DNV OS-F101 dan DNV RP-D101. Maka segmen pada tiap jalur pipa dapat dikelompokkan berdasarkan tingkat keamanannya, yakni: aman, resiko kecil, resiko sedang, dan resiko tinggi. Diperoleh bahwa jalur pipa 2 perlu mendapat perhatian karena rasio jumlah segmen yang berisiko terhadap jumlah segmen aman jauh lebih besar dibandingkan dengan jalur pipa lainnya, yakni sebesar 1.1875. Dari pendekatan numerik terhadap segmen pipa yang mengalami free-span pada kondisi high risk dengan rasio L/D tertinggi, diperoleh bahwa segmen high risk yang mengalami free span pada jalur pipa 3 memiliki kondisi yang lebih berbahaya, karena nilai actual vortex shedding frequency nya sangat dekat dengan frequency natural yakni 0.57 dari nilai frequency natural, yang memiliki kecenderungan lebih mudah berosilasi / beresonansi. Kata kunci: Kajian Resiko, Free-span, Pipa Bawah Laut. PENDAHULUAN Pipa merupakan alat transportasi barang, paling umum adalah gas atau minyak. Manfaat pipa adalah mudah dioperasikan, aman dan ekonomis bila dibandingkan dengan mode transportasi yang lain. Pipa penyalur minyak dan gas yang dipasang di dasar laut memiliki masalah yang kompleks, karena banyak faktor yang mempengaruhi keamanan jalur pipa tersebut. Kondisi dan pengaruh lingkungan di dasar laut yang dinamis dann tidak mudah dipantau. Dalam penelitian ini akan dikaji resiko kegagalan struktur terhadap 4 jalur pipa (subsea pipelines) milik PHE-WMO yang sedang beroperasi yakni: Subsea Gas Pipeline Diameter 14 12 km from AW to CPP, Subsea Export Gas Pipeline Diameter 14 65 km from CPP to ORF, Subsea Export Gas Pipeline Diameter 16 70 km from PPP to ORF, dan Subsea 3-Phase Pipeline Diameter 12 24.5 km from KE30 to PPP. Data menunjukkan terdapat daerah free-span di dasar laut pada jalur-jalur pipa tersebut, sehingga perlu dilakukan kajian risiko terhadap segmen pipa. Dengan mengklasifikasikan risiko yang terjadi pada segmen tiap D-9-1
jalur pipa, akan didapatkan 4 buah klasifikasi yakni: safe, low risk, medium risk, dan high risk. Dari 4 klasifikasi tersebut dapat diperoleh segmen-segmen pipa yang menngalami high risk yang perlu dilakukan perbaikan serta mitigasi. Tujuan dilakukannya penelitian ini untuk mengetahui dan memprediksi kegagalan struktur pipa yang terjadi pada kasus Subsea Pipelines pada Free-Span, dan memberikan solusi yang mudah dan efisien untuk menangani kasus tersebut. Manfaat dilakukannya penelitian ini sebagai alat bantu untuk memantau subsea pipelines integrity (agar sistem dapat berjalan dengan baik). METODE Langkah-langkah penelitian adalah sebagai berikut: 1. Mengumpulkan data awal berupa data pipa seperti dimensi, material properties, standar pipa, fluida, selimut pipa, tekanan internal dan data lingkungan seperti data arus, gelombang, tekanan hidrodinamik, dan lain lain. 2. Pengklasifikasian free span yang akan dianalisa. Dari data-data real inspeksi di lapangan terhadap segmen-segmen pada 4 jalur pipa, dilakukan pengklasifikasian tiap segmen pipa apakah free-span melebihi batas yang diijinkan? jika tidak, maka pipa dalam kategori aman, jika melebihi batas maka dilanjutkan dengan analisa statis. Untuk pengkalsifikasian menggunakan standar DNV RP-F105 pada Tabel 1 bagian free-span response behavior, segmen pipa yang memiliki nilai L/D > 30 dikatagorikan melebihi batas aman dan perlu dilanjutan dengan analisa kondisi statik ataupun dinamik untuk mengetahui jenis risikonya. 3. Analisa Kondisi Statis Free-span. dilakukan analisa kondisi statis free-span dengan pengklasifikasian menggunakan standar DNV RP-F105 pada Tabel 1 bagian free-span response behavior, segmen-segmen pipa yang memiliki nilai 30 < L/D < 100 dapat masuk dalam katagori kondisi statis. Bila nilai masih berada dalam persyaratan kondisi statis yang diijinkan maka pipa masuk kategori low risk (resiko rendah), namun jika melebihi batas maka dilakukan analisa kondisi dinamis. Terdapat pengecualian apabila nilai panjang freespain segmen pipa yang berada pada persyaratan kondisi statis tapi melebihi panjang free span yang diijinkan, maka segmen pipa langsung dikatagorikan ke dalam kondisi high risk (risiko tinggi). 4. Analisa Kondisi Dinamis Free-span. Melakukan analisa kondisi dinamis free-span pada pipa dengan menggunakan perhitungan sesuai standar DNV RP-F105, DNV OS-F101 dan DNV RP-D101. Jika panjang segmen pipa free-span berada pada batas persyaratan kondisi dinamis maka pipa masuk dalam kategori medium risk (resiko sedang), namun jika melebihi batas maka pipa masuk dalam katagori high risk (resiko tinggi) dan perlu dilanjutkan ke tahap pendekatan numerik dan mitigasi. Kondisi batas ini adalah nilai panjang free span yang diijinkan dan nilainya diperoleh dari perhitungan dengan menggunakan acuan standar yang telah disebutkan di atas. 5. FEM dan Simulasi Numerik. Melakukan simulasi numerik pada segmen dari tiap-tiap jalur pipa yang mengalami panjang free-span maksimum sebagai pendekatan untuk melihat efek dinamik dari free-span yang terjadi pada segmen pipa. Pemodelan yang dilakukan terdiri dari: pemodelan CFD untuk mengetahui respon yang diterima oleh segmen pipa yang mengalami free-span, dan pemodelan Mekanik atau Multiphysic untuk mengetahui respon stuktur pada segmen pipa. 6. Mitigasi. Dari hasil keseluruhan perhitungan ini bisa digunakan untuk keperluan mitigasi, guna mengantisipasi terjadinya subsea pipelines dalam komdisi resiko tinggi (high risk). D-9-2
7. Kesimpulan dan saran. Dari keseluruhan hasil penelitian yang telah dilakukan, maka dibuat kesimpulan dan saran untuk keperluan riset berikutnya. HASIL DAN PEMBAHASAN Kondisi Free Span pada subsea pipeline disebabkan oleh kondisi Statis dan Dinamis. Untuk Kondisi Statis, dipengaruhi oleh salah satu dari 3 hal yaitu: Maximum Bending Moment, Low Depression, Elevated Obstruction. Untuk Kondisi dinamis, dipengaruhi oleh salah satu dari 2 hal yaitu: In-line flow Motion, dan Cross flow Motion. Pengkatagorian kondisi free span terdapat pada standar DNV RP F-105 tentang Free Spanning Pipelines, di Tabel 1 pada bagian free-span response behavior, menyebutkan kriteria dan kejadian dari perbandingan antara panjang bentang bebas (L) dengan diameter pada pipa (D) pada tabel berikut ini: Tabel 1. Hubungan antara L/D dengan kondisi pipa Penentuan kriteria kondisi high risk adalah sebagai berikut: 1. Subsea Gas Pipeline Diameter 14 12 km from AW to CPP Dari perhitungan panjang span maksimum statis dan dinamis, dibuat parameter non dimesional berupa perbandingan panjang kritis free span terhadap diameter pipa (L/D) untuk dibuat klasifikasi resiko berdasarkan parameter (L/D) dengan melibatkan batas panjang kritis free span. Kemudian dari 5 jenis panjang kritis free-span yang telah dihitung, diambil nilai panjang kritis free-span terkecil sebagai nilai batas yang menyatakan kondisi segmen pipa masuk dalam katagori high risk atau tidak. Pada Tabel 2 diperoleh Kriteria Kondisi High Risk terjadi apabila L / D > 105.0277047. Tabel 2. Parameter L/D GAS PIPELINE 14" 12 km AW-CPP 2. Subsea Export Gas Pipeline Diameter 14 65 km from CPP to ORF: Penentuan ktiteria kondisi high risk: Pada Tabel 3 diperoleh Kriteria Kondisi High Risk terjadi apabila L / D > 76.35055022. Tabel 3. Parameter L/D GAS PIPELINE 14" 65 km CPP-ORF D-9-3
3. Subsea Export Gas Pipeline Diameter 16 70 km from PPP to ORF: Penentuan ktiteria kondisi high risk: Pada Tabel 4 diperoleh Kriteria Kondisi High Risk terjadi apabila L / D > 72.16054101. Tabel 4. Parameter L/D GAS PIPELINE 16" 70 km PPP-ORF 4. Subsea 3-Phase Pipeline Diameter 12 24.5 km from KE30 to PPP: Penentuan ktiteria kondisi high risk: Pada Tabel 5 diperoleh Kriteria Kondisi High Risk terjadi apabila L / D > 78.652565. Tabel 5. Parameter L/D 3-PHASE PIPELINE 12" 24.5 km KE30-PPP Penentuan kriteria kondisi medium risk adalah sebagai berikut: Pada Tabel 1 disebutkan bahwa untuk segmen pipa yang mengalami panjang bentang per diameter (L/D) berkisar pada nilai 100 < L/D < 200 memiliki respon Response dominated by combined beam and cable behavior sehingga kondisi pipa tersebut mengalami transisi dari kondisi statis menuju ke dalam kondisi dinamis. Apabila segmen pipa masih masuk dalam rentang nilai ini dan nilainya masih berada di bawah nilai panjang kritis yang telah dihitung di atas, maka dapat dikatagorikan ke dalam Medium Risk. Penentuan kriteria kondisi low risk adalah sebagai berikut: Pada Tabel 1 disebutkan bahwa untuk segmen pipa yang mengalami panjang bentang per diameter (L/D) berkisar pada nilai 30 < L/D < 100 memiliki Respon Response Dominated by Beam Behavior sehingga pipa tersebut masuk dalam katagori kondisi statis. Apabila segmen pipa masih masuk dalam rentang nilai ini dan nilainya masih berada di bawah nilai panjang kritis yang telah dihitung di atas, maka dapat dikatagorikan ke dalam Low Risk. Penentuan kriteria kondisi safe adalah sebagai berikut: Pada Tabel 1 disebutkan bahwa untuk segmen pipa yang mengalami panjang bentang per diameter kurang dari 30 (L/D < 30) dapat dikatakan pipa tersebut aman ( safe), karena memiliki respon Very Little Dynamic Amplification sehingga pipa tersebut masih masuk dalam katagori kondisi statis. Dari pengelompokan risiko di atas, maka diperoleh tabel risiko dari tiap segmen pipa: D-9-4
Tabel 6. Kesimpulan Katagori Risiko pada Segmen Pipa Dan seterusnya. Tabel 7. Kesimpulan Katagori Risiko pada Segmen Pipa Dan seterusnya. Tabel 8. Kesimpulan Katagori Risiko pada Segmen Pipa Dan seterusnya. Tabel 9. Kesimpulan Katagori Risiko pada Segmen Pipa Dan seterusnya. Maka diperoleh jumlah risiko segmen pada tiap-tiap jalur pipa sebagai berikut: D-9-5
PENDEKATAN NUMERIK Dari 4 jalur pipa tersebut, diambil masing masing 1 segmen yang masuk dalam katagori high risk dengan nilai L/D terbesar. Tabel 10. Segmen Tiap Jalur Pipa yang akan Dianalisa dengan Pendekatan Numerik Pendekatan numerik menggunakan analisa CFD untuk melihat kontur aliran arus yang mengenai pipa dan memperoleh distribusi tekanan pada pipa akibat arus. Analisa mode shape untuk mendapatkan frekuensi natural pada pipa. Pada analisa CFD diperoleh: Tabel 11. Nilai Tekanan Maksimum pada Pipa Akibat Arus Gambar 1. Hasil Analisa CFD Berupa Aliran Kecepatan Arus dan Persebaran Tekanan Kemudian, digunakan analisa mode shape untuk memperoleh nilai frekuensi natural pada segmen pipa dari tiap jalur pipa tersebut: U fs S D c tot Gambar 2. Grafik Strouhal Number Serta Contoh Bentuk Mode Shape Ppipa pada Saat Pipa Berada pada Kondisi Frekuensi Natural D-9-6
Dengan nilai Stouhal Number (S) untuk pipa adalah 0.2, dan nilai fs adalah ni lai frekuensi natural pipa yang diperoleh dari hasil analisa mekanik dengan bantuan software numerik, dari 5 mode shape dengan 5 buah frekuensi natural pipa maka diambil frekuensi natural pipa yang mendekati frekuensi vortex shedding, sehingga didapatkan pada nilai kecepatan arus berapa pipa tersebut mengalami osilasi. Dengan tabel di bawah ini dapat disimpulakn kondisi dinamis pada segmen pipa. Tabel 12. Tabel perbandingan nilai aktual dan hasil pendekatan numerik KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Dari seluruh jalur pipa, hanya jalur pipa 2 yang memiliki rasio segmen beresiko terhadap segmen aman dengan nilai di atas 1, yakni 1.1875. Artinya, jumlah segmen yang mengalami risiko jauh lebih banyak dibandingkan dengan segmen yang aman. Pada jalur pipa 2, jumlah segmen pipa: 560. jumlah segmen pipa \berrisiko tinggi: 8, risiko sedang: 0, risiko rendah: 296, dan jumlah segmen aman: 256. Oleh karena itu, jalur pipa 2 perlu mendapat perhatian yang lebih terhadap potensi banyaknya kerusakan segmen dibandingkan dengan jalur pipa yang lain. 2. Pada keseluruhan jalur pipa, segmen pipa yang memiliki bentang maksimum tidak mengalami self exitasion / berresonansi, sehingga bahaya tidak begitu besar. Osilasi yang terjadi hanya disebabkan oleh adanya vortex yang terbentuk dib elakang pipa karena arus. Hal ini didasari nilai actual vortex shedding frequency < Frequency Natural pada pipa. Namun yang perlu diwaspadai pada segmen di jalur pipa 3, karena nilai actual vortex shedding frequency nya sangat dekat dengan frequency natural yakni 0.57 dari nilai frequency natural, yang memiliki kecenderungan lebih mudah mengalami kejadian berosilasi / beresonansi Saran Untuk mitigasi terhadap kondisi segmen pipa yang mengalami free-span dalam katagori high risk dan medium risk, maka disarankan untuk dilakukan perbaikan dan penggantian segmen pipa tersebut, kemudian memberikan penyangga tambahan disekitar free span pada segmen tersebut, sebagai langkah span retification. D-9-7
DAFTAR PUSTAKA DNV RP F-105 Free-Span Analysis. DNV OS F-101 Submarine Pipelines System. Elsayed T, M. Fahmy, and R. Samir. (2012). A Finite Element Model fot Subsea Pipeline stability and Free Span Screening. Canadian Journal on Mechanical Sciences and Engineering Vol. 3 No. 1. Horowitz Bernardo, Simone P. de Sa Barreto. Nonlinear Analysis of a Prestressed Steel Pipeline Crossing. Engineering Structures 28 (2006) 390 398. Elsevier; 2006. Steven A. Hughes. (2011). Scour and Scour Protection. Soegiono. (2007). Pipa Laut, Airlangga University Press. Trifonov Oleg V, Vladimir P. Cherniy. A Semi-Analytical Approach to a Nonlinear Stress Strain Analysis of Buried Steel Pipelines Crossing Active Faults. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 30 (2010) 1298 1308. Elsevier; 2010. Vedeld Knut, Håvar Sollund, Jostein Hellesland. Free Vibrations of Free Spanning Offshore Pipelines. Engineering Structures 56 (2013) 68 82. Elsevier; 2013. D-9-8