4 METODE DAN 4.1 Umum Setelah proses desain selesai, maka tahap selanjutnya dari proyek struktur pipa bawah laut adalah tahap instalasi pipa. Berbagai metode instalasi struktur pipa bawah laut telah dikembangkan sesuai dengan kemajuan teknologi yang ada. Kemajuan teknologi memungkinkan untuk disesuaikannya metode pemasangan dengan keadaan lingkungan dari lokasi pemasangan pipa, ketersediaan biaya, peralatan instalasi, serta bentuk dan karakteristik struktur pipa. Setiap metode instalasi memiliki karakteristik dan kesesuai yang berbeda untuk setiap kondisi tertentu. Metode yang umum digunakan untuk instalasi struktur pipa bawah laut adalah metode S Lay, metode J Lay, metode reel dan metode bottompull. 4.2 Metode Instalasi Metode instalasi umumnya dibedakan berdasarkan kedalaman air laut di lokasi pemasangan struktur pipa bawah laut. Adapun laut dapat dibagi menjadi tiga jenis berdasarkan kedalaman perairannya, diantaranya adalah perairan dangkal dengan kedalaman 0 hingga 500 ft. Perairan sedang diasumsikan memiliki kedalaman 500 ft hingga 1000 ft. Sedangkan perairan dalam diasumsikan memiliki kedalaman lebih dari 1000 ft. Pada sub bab berikut ini akan dibahas mengenai masing masing metode instalasi. 4 1
4.2.1 Metode S-Lay Metode pemasangan pipa yang paling umumm digunakan pada perairan dangkal adalah metode S Lay. Adapun konfigurasi khas dari metode S Lay dapat dilihat pada Gambar 4.1 berikut ini. Gambar 4.1 Konfigurasi S Lay Pada metode S Lay, untaian pipa yang telah disambung atau dilas, ditopang oleh roller dan stinger yang terdapat pada pipelay barge yang kemudian akan membentuk kurva over bend. Kemudian untaian pipa tersebut tergantung di dalam air hingga menyentuh dasar laut dan membentuk sag bend. Kurva over bend dan sag bend kemudian membentuk huruf S yang khas. Pada metode S Lay, tensioner pada pipelay barge akan menarik untaian pipa dan menahannya. Reaksi dari tarikan tersebut, kemudian ditahan oleh beberapa jangkar yang dipasang disekitar pipelay barge (lihat Gambar 4.2), dalam beberapaa kasus digunakan thruster pada vessel yang memiliki sistem Dynamicallyy Positioned (DP). Pipelay barge diperlengkapi dengan beberapa tension machines, abandonment and recovery (A&R) winches, serta pipe handling cranes. 4 2
Adapun jalur penyambungan dan pemasangann pipa (firing line) umumnya terletak pada bagian tengah atau salah satu sisi dari pipelay barge. Pada jalur tersebut umumnya dilengkapi dengan beberapa stasiun pengelasan, stasiun pengecekan infra merah, serta stasiun pelapisan sambungan pipa (perhatikan Gambar 4.3). Gambar 4.2 Konfigurasi jangkar pada pipelay barge Gambar 4.3 Firing line 4 3
4.2.2 Metode J-Lay Untuk memfasilitasi penemuan minyak bumi di ladang ladang minyak yang terletak di perairan dalam, maka ditemukanlah metodee J Lay. Pada metodee ini, untaian pipa disambung dengan cara dilas dalam posisi hampir vertikal atau posisi vertikal dengan bantuan J Lay tower yang kemudian diturunkan ke dasar laut. Adapun konfigurasi metode J Lay dapat dilihat dalam Gambar 4.4 berikut ini. Gambar 4.4 Konfigurasi J Lay Pada konfigurasi ini, untaian pipa yang telah disambung diturunkann dari permukaan air ke dasar laut dalam sebuah radius kurva tegangan yang lebih besar, sehingga menghasilkan tegangan yang lebih kecil apabilaa dibandingkan dengan metode S Lay pada perairan dengan kedalaman yang sama. Hal ini disebabkan karena ketiadaan over bend stresss pada konfigurasi J Lay. Pada konfigurasi J Lay ini juga tidak diperlukan stinger yang besar untuk menopang pipa seperti pada konfigurasi S Lay, besar gaya horizontal yang diperlukan untuk memperta hankan konfigurasi ini juga jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan konfigurasi S Lay. 4 4
Gambar 4.5 Saipem 70000 yang dilengkapi dengan J Lay tower Pada umumnya pemasangan strukturr pipa bawah laut dengan menggunakan metode J Lay akan memakan waktu yang lebih lama bila dibandingkan dengan metodee S Lay. Tetapi seiring ditemukannya J Lay tower yang lebih besar dan mampu menopang untaiann pipa yang telah disambung hingga mencapai panjang 160 ft, makaa waktu yang diperlukan dalam proses pemasangan dapat dipangkas secara signifikan. Umumnya juga metode J Lay ini digunakan pada perairan dengan kedalaman lebih dalam dari 500 ft. Kedalaman air tersebut sudah tidak memungkinkan untuk beroperasinya moored lay vessel yang umum digunakan pada metode S Lay, hal ini disebabkan karena tegangan yang diperlukan dan yang terjadi pada pipa sudah terlalu besar untuk dapat ditoleransi. 4.2.3 Metode Reel Lay Metode Reel Lay adalah salah satu metode pemasangan struktur pipa bawah laut dengann menggunakan penggulung raksasa yang terpasang pada offshore vessel. Pipa pipa disambung menjadi suatu untaian di sebuah spool base facility yang kemudian 4 5
untaiann tersebutt digulungkan pada penggulung yang terpasang pada dek di atas pipelay barge. Pipa yang akan dipasang harus dapat stabil dengann beratnya sendiri karena tidak boleh memiliki tambahan lapisan beton pemberat. Teknologi reel juga menyebabkan lingkungan kerja yang lebih stabil dan aman akibat cepatnya pemasangan pipa. Waktu yang diperlukan dalam pemasangan pipa dengan menggunakan metode reel lay dapat mencapai 10 kali lebih cepat dari waktu yang diperlukan bila dibandingkan dengann metode konvension nal. Kecepatan pemasangan yang lebih besar menyebabkan pemasangan pipa dapat dilakukan dalam suatu periodee waktu dimana kondisi cuaca sangat kondusif. Metode reel lay ini dapat mengakomodasi pipa hingga diameter 18 inchi. Dengann sebagian besar pekerjaan seperti pengelasan, pengecekan dan pengetesan, serta pelapisan dilakukan di darat, maka metode ini dapat memangkas biaya yang diperlukan untuk tenagaa kerja, dimanaa biaya tenaga kerja di darat secara mum lebih rendah bila dibandingkan dengann biaya tenaga kerja di offshore. Gambar 4.6 Reel vessel 4 6
Setelah untaian pipa digulungkan pada penggulung, maka pipelay barge kemudian dimobilisasi ke lokasi instalasi. Pipa yang telah tergulung dapat dipasang dengan konfigurasi S Lay maupun J Lay tergantung pada jenis pipelay barge dan kedalaman air di lokasi. Reel vessel dapat memiliki reel yang vertikal reel maupun horizontal reel. Horizontal reel vessel didesain untuk memasang pipa di perairan dangkal hingga perairan sedang dengan menggunakan stinger dan konfigurasi S Lay. Untuk menjaga posisi vessel agar tetap berada di posisi yang diinginkan, dapat menggunakan jangkar maupun Dynamically Positioned (DP). Sedangkan vertical reel vessel mumnya digunakan untuk pemasangan pipa di perairan sedang hingga ke perairan dalam, dengann selalu menggunakan Dynamically Positioned ( DP) untuk menjagaa posisi vessel. Untuk pemasangan pipa di perairan dalam, umumnya digunakan konfigurasi J Lay serta tidak memerlukan bantuann stinger. Gambar 4.7 DP Global s Vessel Hercules with horizontal reel (S Lay) 4 7
Gambar 4.8 Technip s DP vertical reel vessel Deep Blue (J Lay) Untaian pipa dibuka dari gulungan, di luruskan kembali, dan di hubungkan dengan kabel baja dengan bantuan pullhead dari pre installed hold back anchor di dasar laut. Tegangan tegangan sagbend yang terjadi dikontrol dengan tensioning system pada pipelay barge. Kemudian pipelay barge digerakkan maju sehingga secara perlahan untaiann pipa tertarik dan terbuka dari penggulungnya. Setelah gulungan pipa habis, ujung dari untaian pipa diturunkan ke dasar laut dengan menggunakan abandonment and recovery (A&R) wire rope dari reel vessel secara perlahan dengann selalu mengontrol tegangan yang terjadi pada untaian pipa. Kemudian sebuah buoy dipasangkan pada ujung kabel A&R dan reel vessel kembali ke spool base untuk memuat gulungan pipa yang baru lagi dan kembali ke lokasi pemasangan. Ujung pipa terdahulu yang telah diturunkan kemudian diangkat kembali dengan bantuan kabel A&R, setelah pullhead pada ujung pipa dilepas, kemudian ujung pipa tersebut disambungkan dengan ujung pipa dari gulungann pipa yang baru dan memulai kembali proses pembukaan gulungan pipa yang baru. 4 8
4.2.4 Metode Tow Pada metode tow, untaiann pipa mumnya disambung terlebih dahulu di daratan yang memiliki akses langsung ke laut. Metode inii dapat digunakan untuk pemasangan pipa baik menyebrangi danau, sungai besar, maupun di lepas pantai. Pada kasus pemasangan pipa di lepas pantai, setelah untaian pipa selesai disambung dan diuji, untaian pipa dimobilisasi ke ke dalam air yang kemudian disambungkan dengann sebuah tow vessel untuk ditarik ke lokasi yang diinginkan. Adapun metode tow ini dapat dibagi menjadi beberapa jenis lagi berdasarkan posisi penarikannya, diantaranya adalah: Bottom Tow Seperti namanya, untaian pipa ditarik pada permukaan dasar laut hingga mencapai lokasi yang diinginkan. Panjang untaian pipa yang dapat ditarik terbatas pada ketersediaan dan kemampuan bollard pull pada kapal penarik. Kemampuan bollard pull harus lebih besar dari total berat terendam dari untaian pipa ditambah dengan gesekan pipa dengan dasar laut. Agar diperoleh kemampuan tarik yang maksimal, maka dalam proses penarikan untaian pipa dapat digunakan dua atau tiga kapal penarik sekaliguss dalam konfigurasi paralel. Gambar 4.9 Bottom tow 4 9
Off Bottom Tow Pada metode off bottom posisi untaian pipa sehingga selalu melayang di atas permukaan dasar laut. tow, untaiann pipa dipasangi pelampung dan pemberat yang menjaga Dengann demikian, ada beberapa keuntungan yang bisa diperoleh yaitu dapat melewati hambatan hambatan yang berada di dasar laut seperti jalur pipa lain yang telah ada, karang, dan sebagainya. Selain dari pada itu, tidak adanya gesekan antara untaiann pipa dengan dasar laut sehingga gaya yang diperlukan untuk menarik untaian pipa menjadi jauh lebih kecil. Untaian pipa yang ditarik tidak perlu diberi pelindung tambahan untuk menahan gesekan antara pipa dengan dasar laut. Gambar 4.10 Off bottom tow Mid Depth Tow Pada metode mid depth tow, keseluruhan untaian pipa yang ditarik dijaga posisinya agar selalu melayang di tengah tengah kedalaman air selama proses penarikan. Untuk mencapainya, makaa diperlukan pelampung, pemberat, dan tegangan yang besar. Tegangann yang diperlukan diperoleh dari dua buah kapal penarik yang menarik dengan arah yang berlawanan pada kedua ujung untaiann pipa. Pada saat untaiann pipa telah mencapai posisi yang diinginkan, kapal penarik yang berada di ujung depan menambah tenaga tarikannya dan sebaliknyaa kapal penarik yang berada di ujung belakang mengurangi tenaga tarikannya sehingga kedua kapal dan untaian 4 10
pipa di antaranyaa bergerak maju. Dengan bantuan kapal ketiga, maka posisi untaian pipa dimonitor dan dijaga setiap saat agar tetap beradaa di range pergerakan yang diinginkan. Metode ini tidak cocok untuk menarik untaian pipa yang panjangnya lebih dari 3 mil laut. Gambar 4.11 Mid depth tow Surface Tow Metode surface tow padaa dasarnya mirip dengan metode mid depth tow kecuali bahwa untaian pipa tidak memerlukan pemberat untuk menenggelamkannya. Hanya diperlukan pelampung untuk menjaga untaian pipa agar selalu berada di permukaan air laut. Dua buah kapal penarik digunakan pada masing masing ujung untaian pipa untuk menjaga tegangan ketika proses penarikan dilakukan. Metode ini jarang digunakan. Gambar 4.12 Surface tow 4 11
4.3 Analisis Instalasi Analisiss instalasi yang akan dibahas dan digunakan dalam laporan Tugas Akhir ini adalah instalasi dengan menggunakan metode S Lay. Pemilihan metode jenis ini didasarkan pada kondisi perairan pada studi kasus yang ditinjau berupa perairan dengann kedalaman air dangkal hingga sedang sehingga metodee S Lay dianggap sebagai metode instalasi yang paling tepat. Pada instalasi pipa dengan menggunakan metode S Lay, analisis yang harus dilakukan adalah analisis mengenai bending yang terjadi pada pipa. Bending ini terjadi akibat pengaruh dari gaya gaya aksial yang bekerja pada pipa pada saat pipa tersebut diluncurkan ke laut. Pada metode S Lay ini, terdapat dua buah bending yang terjadi, yaitu bending yang terjadi di daerah lift off point akibat penggunaan stinger dan bending yang terjadi di daerah touchdown point yaitu titik pertemuan antara pipa dengann dasar laut. Gambar 4.13 Bending pada metode instalasi S Lay Pada umumnya, pipa diinstal dalam keadaan kosong sehingga pipa tersebut harus mampu menahan gaya hidrostatik dan terhindar dari bending yang melebihi ketentuan dan spesifikasi dari pipa tersebut. 4 12
Gambar 4.14 Gaya gaya yang terjadi pada pipa pada saat instalasi Gaya gaya yang terjadi pada pipa pada saat instalasi dapat dilihat pada Gambar 4.14 di atas. Analisis yang dapat digunakan dalam perhitunga n radius kurvatur minimum pada daerah sagbend dan pada daerah overbend adalah deformasi segmen balok. Perhatikan segmen balok yang mengalami deformasi padaa Gambar 4.15 berikut ini. Gambar 4.15 Deformasi pada segmen balok 4 13
Titik O adalah titik berat dari kelengkungan dan ρ adalah jari jari kelengkungan. Dari gambar di atas, dapat diturunkan persamaan persamaan berikut ini. Pers. 4 1 Pers. 4 2 Pers. 4 3 Pers. 4 4 Menurut hukum Hooke, pada suatu batang lurus yang dibebani gaya normal sentris P dengan luas penampang A, perubahan panjang ΔL yang tergantung pada sifat kenyal material atau modulus elastisitas E dapat dinyatakan sebagai berikut... Pers. 4 5 Pers. 4 6 Pers. 4 7 Pers. 4 8 Substitusi Pers. 4 4 ke dalam Pers. 4 8 akan dihasilkan:. Pers. 4 9 Pada pipa yang berbentuk silinder, maka nilai y sama dengan jari jari pipa r, sehingga Pers. 4 9 dapat dituliskan sebagai berikut.. Pers. 4 10 atau. Pers. 4 11 Substitusi Pers. 4 8 ke dalam Pers. 4 11 akan diperoleh. Pers. 4 12 4 14
dimana: E = Modulus elastisitas bahan D = Diameter luar pipa σ0 = SMYS Df = Faktor desain Pada daerah sagbend, analisis tegangan dilakukan untuk menentukan tegangan (tension) dan panjang stinger yang dibutuhkan untuk menginstal pipa dengan aman. Pada umumnya, semakin besar tegangan yang dibutuhkan maka semakin pendek stinger yang digunakan. Terdapat beberapa metode yang dapat digunakan dalam melakukan analisis tegangan pada daerah sagbend yaitu metode linier beam, metode catenary, metode stiffened catenary, metode non linear beam, dan metode finite element. Setiap metode dapat memberikan hasil perhitungan yang akurat pada kondisi kondisi tertentu. Tabel 4.1 Perbandingan Metode Analisis Instalasi Pipa Metode Aplikasi Syarat Batas Validitas Linear Beam Perairan Dangkal Mencukupi Defleksi Kecil Non linear Beam Semua Perairan Mencukupi Umum Catenary Perairan Dalam Tidak Mencukupi Jauh Dari Ujung, Kekakuan Kecil Stiffened Catenary Perairan Dalam Mencukupi Kekakuan Kecil Finite Element Semua Perairan Mencukupi Umum Dalam laporan Tugas Akhir ini, digunakan analisis dengan menggunakan metode finite element karena perangkat lunak bantu yang digunakan dalam laporan Tugas Akhir ini dibuat berdasarkan pada metode finite element. 4.3.1 Metodologi Analisis Analisis yang dilakukan merupakan analisis statis dua dimensi dan dihitung dengan menggunakan bantuan perangkat lunak OFFPIPE. Dalam perhitungan, analisis dinamis diabaikan. 4 15
Perhitungan dilakukan dengan tinggi gelombang signifikan sebesar 1,58 m dan periode puncak 5,24 detik. Adapun prosedur pemodelan yang dilakukan adalah sebagai berikut: Barge dimodelkan sebagai susunan roller dari stasiun pertama hingga roller terakhir pada barge, kemudian berlanjut hingga roller terakhir pada stinger. Barge dimodelkan sebagai suatu ramp datar dengan kemiringan 0.5 derajat, lalu dilanjutkan dengan suatu kurva yang bermula dari tangent point. Semua roller dimodelkan sebagai penyangga sederhana yang menahan pergeseran untaian pipa dan kabel ke arah bawah saja. Untaian pipa dan kabel dapat diangkat dari penyangga jika dibutuhkan. Efek dari tahanan geser antara roller dengan pipa diabaikan. Untaian pipa dibagi menjadi segmen segmen dengan ukuran tertentu. Dasar laut dimodelkan sebagai landasan yang elastis. Gaya geser tanah terhadap pipa dalam arah longitudinal diabaikan. Metode instalasi pipa yang digunakan dalam analisis instalasi ini adalah metode S Lay. Komponen utama dari metode S Lay ini adalah daerah overbend dan daerah sagbend pada untaian pipa. Pada daerah overbend, untaian pipa harus didukung dengan penyangga yang memadai sampai titik lift off. Radius lengkungan ditentukan secara hati hati sehingga tegangan yang terjadi pada daerah tersebut tidak melebihi batas tegangan maksimum yang diperbolehkan. Sedangkan pada daerah sagbend, tegangan yang terjadi dicek untuk menentukan tegangan yang dibutuhkan pada suatu konfigurasi barge agar memenuhi kriteria tegangan. Prosedur umum dalam menentukan tegangan nominal untuk peletakan pipa yang digunakan dalam perhitungan analisis serta penentuan profil dan tegangan pipa adalah sebagai berikut: Profil barge rollers dan stinger rollers untuk pipa di daerah overbend ditetapkan berdasarkan properti pipa dan kedalaman air. 4 16
Tegangan pada barge dalam model analisis divariasikan hingga didapat profil instalasi yang diinginkan serta tegangan yang terjadi pada pipa dalam kondisi statis memenuhi kriteria untuk semua lokasi. Stinger dimodelkan sebagai stinger dengan geometri tetap (fixed geometry stinger) yang dihubungkan dengan barge pada bagian hitch. Ketinggian stinger roller diukur relatif terhadap elevasi hitch dengan memvariasikan perputaran stinger di dekat hitch pin. Profil barge rollers dan stinger rollers diperiksa untuk keperluan kontak roller dengan pipa yang akan diinstal. 4.3.2 Parameter Barge Lay barge yang digunakan untuk menginstal untaian pipa adalah diasumsikan memiliki parameter parameter sebagai berikut: Panjang keseluruhan : 60 meter Lebar : 11 meter Kedalaman : 3.0 meter Draft : 1.9 meter Freeboard : 1.1 meter Tipe Stinger : Truss stinger Jumlah Barge Rollers : 8 unit Jumlah Weld Stations : 2 unit Jumlah Pipe Tensioners : 1 unit Jumlah Stinger Rollers : 5 unit Adapun pada akhirnya, asumsi parameter di atas dapat dijadikan acuan dalam pemilihan lay barge pada saat pemasangan pipa sehingga asumsi parameterparameter di atas tidak bersifat mengikat atau dapat diubah ubah sesuai dengan keperluan. 4 17
4.3.3 Data Pemodelan Analisis peletakan pipa statis dilakukan untuk menentukan range tegangan pada barge yang berhubungan dengan alat pendukung pipa yang dipasang pada barge dan stinger sehingga dapat meminimalisasi perubahan yang mungkin terjadi selama pelaksanaan pekerjaan peletakan pipa bawah laut. Analisis peletakan pipa sebelumnya dilaksanakan untuk menetapkan kemungkinan pelaksanaan peletakan pipa dengan diameter luar 16 inchi pada kedalaman laut yang bervariasi tanpa mengalami kelebihan tegangan (overstressing). Analisis ini dilakukan untuk menentukan range tegangan pada barge yang berhubungan dengan alat pendukung pipa pada lay barge dan stinger untuk peletakan pipa berdiameter luar 16 inchi pada area pemasangan pipa dengan kedalaman laut yang bervariasi. Parameter spesifik barge dan stinger ditentukan agar tegangan maksimum yang terjadi pada pipa masih memenuhi kriteria yang telah ditetapkan. Tabel tabel berikut ini menunjukkan parameter spesifik barge dan stinger yang digunakan. Tabel 4.2 Profil Barge Rollers Keterangan R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Jarak dari stern (m) 38.4 32.5 26.5 23 16.5 12 5.5 0 Ketinggian ke dek (m) 1.786 1.759 1.6 1.566 1.412 1.312 1.216 0.017 Tabel 4.3 Profil Stinger Rollers Keterangan S1 S2 S3 S4 S5 Jarak dari hitch (m) 6.95 14.15 20.2 24.95 30 Ketinggian relatif terhadap hitch (m) 0.18 0.412 0.198 1.383 1.732 Tabel 4.4 Parameter Barge No. Deskripsi Parameter 1 Radius Barge Roller 320 m 2 Sudut Ramp 10 deg 3 Jumlah Barge Roller 8 4 Jumlah Tensioner 1 5 Radius Stinger 320 m 6 Jumlah Stinger Support 5 7 Tegangan Pada Barge (Base Case) Bervariasi 4 18
Sementara itu, hasil perhitungan properti pipa yang digunakan sebagai masukan data pada analisis instalasi ditampilkan dalam Tabel 4.5 berikut ini. Tabel 4.5 Parameter Instalasi No. Data Nilai 1 Pipe Properties Outside Diameter 40.64 cm Wall Thickness 1.59 cm Yield Stress 358.53 Mpa Average Joint Length 12 m Steel Weight Density 78507 N/m^3 Poisson's Ratio 0.3 Coeff. Of Thermal Expansion 1.17E 05 1/Deg C 2 Pipe Coating Properties Corrosion Coating Thickness 0.075 cm Corrosion Coating Density 14000 N/m^3 Concrete Coating Thickness 2.54 cm Concrete Coating Density 30403 N/m^3 3 Field Joint Properties Corrosion Coating Cutback 12.7 cm Concrete Coating Cutback 30.5 cm Field Joint Filler Density 18853 N/m^3 4.3.4 Hasil Analisis Hasil pemodelan instalasi pipa dengan diameter 16 inci pada kedalaman 56.4 m, 85.3 m, dan 103 m dapat dilihat pada Tabel 4.6 berikut ini. Tabel 4.6 Hasil Pemodelan No. Kedalaman (m) Tensioner (KN) Touch Down/X-Coordinate (m) Max. Yield Stress (%) 1 56.40 340.00 187.06 70.39 2 85.34 600.00 307.02 70.76 3 103.00 765.00 381.54 70.45 Dari Tabel 4.6 di atas, dapat dilihat bahwa semua tegangan yang terjadi dari hasil pemodelan instalasi masih berada di bawah batas tegangan maksimum yaitu sebesar 72% SMYS. Hasil ini menunjukkan bahwa asumsi konfigurasi barge yang telah ditentukan sebelumnya dapat digunakan untuk instalasi pipa dengan spesifikasi tersebut. 4 19