1 Optimasi Konfigurasi Sudut Stinger dan Kedalaman Laut dengan Local Buckling Check Desak Made Ayu, Daniel M. Rosyid, dan Hasan Ikhwani Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: dmrosyid@oe.its.ac.id Abstrak Semakin meningkatnya eksplorasi minyak dan gas maka akan semakin dibutuhkannya mode transportasi pengangkut minyak dan gas. Sistem perpipaan merupakan salah satu mode transportasi minyak dan gas yang banyak digunakan dikarenakan lebih efisien dan lebih efektif. Pada saat proses instalasi ada 2 kategori yang harus dianalisa yaitu overbend dan sagbend. Analisa dilakukan dengan bantuan OFFPIPE untuk menghitung besarnya tegangan Von Mises yang bekerja pada saat proses laying dengan variasi kedalaman dan sudut stinger. Setelah didapatkan tegangannya, maka akan dihitung local buckling yang terjadi pada daerah sagbend dan overbend pada saat proses laying. Studi kasus yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah proyek saluran pipa baru EPCI for MRA-MMJ dari PT. PHE ONWJ. Variasi sudut stinger yang digunakan adalah 6.66, 8.88, 11.1, 13.32, 15.54 derajat dan masing-masing case memiliki perbedaan pada kedalaman laut mulai case 1 hingga 9 yaitu 14.935, 15.979, 17.023, 18.067, 19.11, 20.155, 21.199, 22.243 dan 23.287 meter. Dari hasil penelitian ini didapatkan hasil bahwa sudut optimal adalah sudut 11.1 derajat. Selain itu dapat dikatakan bahwa pipeline tidak mengalami local buckling karena memenuhi premissible combination dari code DNV 1981. Kata Kunci Laying,, Stinger, Overbend,, dan Local Buckling. S I. PENDAHULUAN ISTEM perpipaan merupakan salah satu mode transportasi minyak dan gas yang banyak digunakan dikarenakan lebih efisien dan lebih efektif. Proses instalasi pipa terlebih dahulu harus dilakukan agar dapat mendistribusikan minyak dan gas yang terlebih dahulu telah ditambang. Instalasi pipa bawah laut umumnya menggunakan metode S-Lay, J-Lay, Reeling dan Towing Method. Selama proses instalasi pipa mengalamu pembebanan yang berbeda-beda meliputi pembebanan akibat tekanan hidrodinamis, pembebanan akibat tension dan bending yang dialami pipa [1]. Dengan adanya berbagai faktor hidrodinamis tersebut, menyebabkan terjadinya tegangan pada pipa dan tegangan utama terjadi pada daerah sagbend dan overbend [2]. Sebagai bagian dari proyek PRP 2013-2014, PT. PHE ONWJ bermaksud untuk menginstal pipa baru dalam rangka melakukan antisipasi peningkatan produksi di masa depan. 3 fase pipa yang telah ada akan digunakan sebagai pipa gas dan pipa baru akan di gunakan untuk mentransfer minyak mentah. Pada tugas akhir ini akan dilakukan analisa tegangan yang terjadi pada pipeline milik PT.PHE ONWJ saat proses laying dengan medode S-Lay dan tegangan yang dialami pipa akibat penggaruh perubahan kedalam dan sudut stinger. Analisa pada Tugas Akhir ini dilakukan pada saat proses instalasi bertujuan untuk mengestimasikan minimum bending stress yang terjadi pada daerah kritis agar sesuai dengan kriteria desain. Analisa dilakukan dengan menggunakan OFFPIPE untuk menghitung besarnya tegangan yang bekerja pada saat proses laying dengan variasi kedalaman dan variasi sudut stinger. Setelah mendapatkan besarnya tegangan, maka dapat menghitung local buckling yang terjadi pada daerah sagbend dan overbend pada saat proses laying. A B Gambar 1. Sudut stinger (PT. Pertamina PHE ONWJ, 2013) II. METODOLOGI Agar memudahkan penyusunan tugas akhir secara urut dan sistematis proses pengerjaan dapat dilihat pada diagram di bawah ini:
2 A. Optimasi Sudut Stinger Optimasi adalah sesuatu yang dilakukan untuk mendapatkan hasil yang terbaik untuk kondisi yang tersedia dalam desain konstruksi (pemeliharaan untuk semua engineering). Tujuan dari optimasi adalah untuk memperoleh hasil yang maksimal ataupun minimal dimana hal tersebut dapat dikatakan optimum [3]. Metode optimasi digunakan karena dalam pengambilan keputusan digunakan pendekatan yang terencana yaitu dengan pendekatan saintifik [4]. Optimasi pada sudut stinger yang dimaksud adalah mencari nilai optimum dari sudut stinger sehingga tegangan yang didapatkan kecil dan meminimumkan local buckling. B. Analisa Buckling DNV 81 Pada saat proses instalasi pipa bawah laut ada kemungkinan terjadinya kegagalan pada pipa seperti terjadi buckling. Buckling merupakan keadaan dimana pipa sudah tidak bundar atau mengalami perubahan bentuk akibat tekanan hidrostatis yang besar pada kedalaman tertentu. Kombinasi dari tegangan kemudian akan dibandingkan dengan kombinasi kritis yang ada. Local Buckling adalah kombinasi kritis tegangan longitudinal dan hoop yang kemudian dicari permissible check [5]. Perhitungan untuk Local Buckling Check berkesuaian dengan Appendix B dari DNV-1981: ( σ α x α ) + y 1 (1) ᶯ xp σ xcr ᶯ yp σ ycr Dengan: σx = axis stress (Pa) σxcr = Critical Longitudinal (Pa) ηxp = Permessible buckling usage factor (0.86) σy = Hoop (Pa) σycr = Critical Hoop (Pa) III. ANALISA DAN PEMBAHASAN Analisa yang akan dilakukan pada tugas akhir ini menggunakan analisa statis. Pemodelan proses instalasi akan menggunakan bantuan software OFFPIPE dimana laybarge akan diasumsikan diam (statis). Tegangan yang akan dianalisa adalah pada saat proses instalasi dimulai dari daerah overbend dan sagbend. Daerah overbend saat pipa masih berada di atas laybarge sampai stinger (kecuali titik roller terakhir pada stinger), sedangkan daerah overbend mulai titik roller terakhir pada stinger hingga pipa menyentuh titik touchdown pada seabed. Untuk memulai permodelan instalasi dengan menggunakan bantuan software OFFPIPE yang akan dilakukan adalah memodelkan laybarge, stinger,dan memasukan data properties pipa serta memasukkan data lingkungan seperti kedalaman laut. Data-data yang digunakan adalah data-data yang didapatkan dari laporan PT. Pertamina PHE ONWJ. Data-data tersebut diantaranya adalah: Tabel 1. Stinger parameter Description Barge Parameter No.of Rollers on Stinger 3 Stinger Length 20.55 (1 section) Stinger Roller Bed Length 2.586 m Increment Rotation Angle (from 2.22 deg horizontal) Tabel 2. coating parameter Decription External Coating Concrete Thickness Anti-Corrosion Coating Type AE Thickness,mm 4 Density,lb/ft3 79.97 Cutback,mm 150 +/- 10mm Thickness,mm 30 Density,lb/ft3 190 Cutback,mm 300 +/- 25mm Tabel 3. Data desain pipa Material Units 6 Steel Outer Diameter inch 6.625 Material Specifiation - Carbon Steel API-5L- X52 PSL 2 Offshore Wall Thickness in 0.432 Corrosion Allowance mm 2.54 Steel Density pcf 490 (7850 kg/m 3 ) SMYS psi 52000 @ 70 F SMTS psi 66000 @ 70 F Young s Modulus, E psig 3.002 x 10 7 Poisson s Ratio - 0.3 Coefficient of Thermal k-1 11.7 x 10-6 Expansion Thermal Conductivity W/mK 45 Tabel 4. Data lay barge Description Barge Parameter Maximum Pipe Tension Available 60 MT No. Of Tensioners Available on the 2 nos Barge No. Of Rollers on the Barge 7 nos Length of Tensioner 6.5 m Hitch X-Location (w.r.t stern) 0.497 m Hitch Y-Location (w.r.t main deck) -1.80 m Length = 85 m Barge Moulded Dimensions Breadth = 25 m Depth = 5.5 m Untuk analisa kali ini akan digunakan 9 case seperti pada tabel dibawah yang dimana pada setiap case akan divariasikan sudut stingernya. Sudut stinger pada setiap case yaitu: 6.66, 8.88, 11.1, 13.32 dan 15.54 derajat Tabel 5. Loadcase dengan variasi kedalaman Static Case Water Depth (m) Case 1 14.93 Case 2 15.97 Case 3 17.02 Case 4 18.06 Case 5 19.11 Case 6 20.15 Case 7 21.19 Case 8 22.24 Case 9 23.28 Tabel 6. Maximum stress on overbend and sagbend dengan variasi water depth dan stinger angle
3 STATC CASE Water Depth (m) CASE 1 14.935 CASE 2 15.979 CASE 3 17.023 CASE 4 18.067 CASE 5 19.11 CASE 6 20.155 Maximum On Overbend SYMS % Maximum On Pipeli ne SYM S % 253.9 71 168 47 257.1 71 100.6 28 237.4 66 100.6 28 320.5 89 100.6 28 446 124 100.6 28 284.6 79 189.3 53 257.2 71 100.6 28 237.3 66 100.6 28 321.6 89 100.6 28 441.1 123 100.6 28 314.2 87 209.8 58 257.2 71 121.4 34 237.3 66 100.7 28 322.7 90 100.7 28 436.4 121 100.7 28 342.8 95 229.7 64 257.2 71 142 39 237.3 66 100.8 28 323.7 90 100.8 28 436.4 121 100.8 28 370.4 103 248.8 69 257.3 71 161.9 45 237.4 66 100.8 28 324.7 90 100.8 28 437.4 121 100.8 28 397.3 110 267.5 74 272.4 76 181.1 50 237.4 66 100.9 28 325.6 90 100.9 28 438.4 122 100.9 28 (m) CASE 7 21.199 CASE 8 22.243 CASE 9 23.287 SYMS % SYMS % 423.4 118 285.6 79 299.3 83 199.8 56 237.5 66 112.6 31 325.6 90 101 28 439.3 122 101 28 448.8 125 303.3 84 325.5 90 218 61 237.5 66 131.3 36 325.3 90 101.1 28 440.2 122 101.1 28 473.6 132 320.5 89 350.9 97 235.6 65 237.5 66 149.5 42 325.1 90 101.1 28 441.1 123 101.1 28 Dari tabel di atas dapat disimpulkan bahwa pipa mengalami overstress pada daerah overbend pada static case case 1, case 2 dan case 3 ketika sudut stinger 13.32 dan 15.54 degree dengan precentage yield sebesar 89% SMYS dan 124% SMYS untuk case 1, untuk case 2 yaitu 89% SMYS dan 123% SMYS dan untuk case 3 yaitu 90% SMYS dan 121% SMYS. Untuk static case case 4, case 5, case 6 dan case 7 terjadi overstress ketika sudut stinger 6.66, 13.32 dan 15.54 degree dengan precentage yield masing-masing sebesar 95% SMYS, 90% SMYS dan 121% SMYS untuk case 4, sedangkan case 5 precentage yield masing-masing sebesar 103% SMYS, 90% SMYS, dan 121% SMYS. Case 6 precentage yield masing-masing sebesar 110% SMYS, 90% SMYS dan 122% SMYS, sedangkan case 7 precentage yield masing-masing sebesar 118% SMYS, 90% SMYS dan 122% SMYS. Pada case 8 & 9 overstress terjadi ketika sudut stinger 6.66, 8.88, 13.32 dan 15.54 degree dengan precentage yield sebesar 125% SMYS, 90% SMYS, 90% SMYS dan 122% SMYS untuk case 8 dan case 9 sebesar 132% SMYS, 97% SMYS, 90% SMYS dan 123% SMYS untuk precentage yield. Standart code yang digunakan adalah DNV 1981 dengan allowable stress sebesar 85%. Untuk daerah sagbend tidak mengalami overstress karenan tegangan yang terjadi masih dibawah allowable stress. STATIC CASE Water Depth Maximum On Overbend Maximum On
4 Maximum Gambar 2. Grafik maximum stress on overbend dengan variasi water depth dan stinger angle Pada Gambar 2 dapat terlihat bahwa optimasi terjadi pada stinger angle 11.1 degree, hal ini dikarenakan pada angle 11.1 memiliki nilai stressnya yang paling rendah diantara angle yang lainnya. Pada case 1 stress pada stinger angle 11.1 degree 253.9 Mpa, case 2 stress pada stinger angle 11.1 degree 253.9 Mpa, case 3 stress pada stinger angle 11.1 degree 237.3 Mpa, case 4 stress pada stinger angle 11.1 degree 237.3 Mpa, case 5 stress pada stinger angle 11.1 degree 237.4 Mpa, case 6 stress pada stinger angle 11.1 degree 237.4 Mpa, case 7 stress pada stinger angle 11.1 degree 237.5 Mpa, case 8 stress pada stinger angle 11.1 degree 237.5 Mpa dan case 9 stress pada stinger angle 11.1 degree 237.5 Mpa. Maximum 500 450 400 350 300 250 200 380 330 280 230 180 130 80 Maximum On Overbend 5 10 15 20 Stinger Angle (deg) Maximum On 5 10 15 20 Stinger Angle (deg) CASE 1 CASE 2 CASE 3 CASE 4 Case 5 CASE 6 CASE 7 CASE 8 CASE 9 CASE 1 CASE 2 CASE 3 CASE 4 CASE 5 CASE 6 CASE 7 CASE 8 CASE 9 Gambar 3. Grafik maximum stress on sagbend dengan variasi water depth dan stinger angle Untuk semakin besar sudut stinger maka akan semakin kecil stress yang terjadi, dapat kita lihat pada case 1,2,3,4,5,6,7,8 dan 9 akan tetapi pada overbend akan sangat besar. Pada case 9 dapat kita lihat pada angle 6.66 stress yang terjadi sebesar 320.5 Pa yang pada akhirnya menurun hingga pada angle 15.54 stress yang terjadi adalah sebesar 101.1 Pa dan pada case 1 dapat kita lihat pada saat angle Maka dari itu penentu optimasi dari sudut stinger adalah stress yang terjadi pada overbend. Setelah mendapatkan hasil dari pemodelan instalasi pipa dengan menggunakan software OFFPIPE maka didaptkan nilai maximum bending moment dan maximum axial force yang kemudian akan menjadi input untuk melakukan analisa buckling. Tabel 7. Hasil cek local buckling dengan menggunakan DNV 1981 Static Case Permissible Combination Overbend Case 1 0.59997 Case 2 0.59722 Case 3 0.59732 Case 4 0.59742 Case 5 0.59751 Case 6 0.59760 Case 7 0.59769 Case 8 0.59778 Case 9 0.59785 Tabel 8. Hasil cek local buckling dengan menggunakan DNV 1981 Static Case Permissible Combination Case 1 0.27980817 Case 2 0.279990438 Case 3 0.281284249 Case 4 0.281390378 Case 5 0.281572187 Case 6 0.282849407 Case 7 0.312520555 Case 8 0.357913451 Case 9 0.40103426 Dari hasil di atas dapat kita katakan bahwa pipa aman dari adanya local buckling karena permissible combination dari seluruh static case tidak lebih besar dari 1. Maka dapat dikatakan baik sagbend atau pun overbend semua memenuhi dan dapat dikatakan aman. IV. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil penelitian tugas akhir ini antara lain: Sudut optimal saat variasi sudut stinger dan kedalaman laut adalah sudut 11.1 derajat. Pada variasi sudut stinger dengan kedalaman laut kita dapat melihat bahwa semakin besar sudut (13.32 dan 15.54 derajat) maka akan semakin besar pula tegangan Von Mises yang didapatkan (dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3) tetapi hal ini terjadi setelah sudut stinger bernilai 11.1 derajat. Jika sudut terlalu besar (13.32 dan 15.54 derajat) dan kedalaman laut tidak terlalu dalam (14.935 m, 17.023 m dan 18.067 m), hal ini menyebabkan tegangan akan semakin besar. Tidak terjadi local buckling pada daerah sagbend dan overbend karena nilai permissible combination yang didapatkan 1 dengan menggunakan standart code DNV 1981.
5 DAFTAR PUSTAKA [1] Y. Bay, and Riser. Oxford, UK: Elsevier Ocean Enginerring Book Series, Volume 3 (2001). [2] Soegiono, Pipa Laut. Surabaya; Airlangga University Press (2007). [3] Rao, Optimization Theory and Applications. New Delhi: Wiley Eastern Limited (1985). [4] D. M. Rosyid, Optimasi Teknik Pengambilan Keputusan Secara Kuantitatif. Surabaya: ITS Press (2009). [5] Det Norske Versitas, DNV 1981: Rules For Submarine System. Norway: Det Norske Versitas (1981).