Analisis Fatigue Life pada Struktur Boom Pedestal Crane Field Malacca untuk Perpanjangan Masa Operasi Farii Fahmiuddin Fikri Dosen pembimbing : Ir. Rochman Rochiem M.Sc
Mengenai Fatigue Besar tegangan yang bekerja Jumlah siklus yang terjadi Kondisi lingkungan (angin, seismik, glasial) Geometri komponen Cacat,korosi dan retak dalam/luar material
Outline Overview Methodology Analisis Material Analisis Beban - operasional - angin Permodelan dan Simulasi Kalkulasi Tegangan Analisis Kerusakan Kumulatif Analisis Fatigue life Kesimpulan
LATAR BELAKANG Indonesia; ± 449 anjungan lepas pantai (platform offshore) yang tersebar diseluruh daerah. 38% umur pakai telah melebihi desain awal (20-25 tahun) (Indiyono, paulus,2006) PT. Kondur Petroleum SA. berkeinginan untuk memperbaiki struktur maupun komponen sesuai permintaan eksplorasi dan eksploitasi 1
Overview Rumusan Masalah 1. Berapakah remaining fatigue life pada pedetal crane berdasarkan tinjauan beban oparasional maupun lingkungan? 2. Seberapa besar persentase pengaruh pembebanan operasi dan lingkungan terhadap fatigue life dari pedestal crane? 3. Berapa Safety factor dan SWL yang direkomendasikan untuk perpanjangan operasi pedestal crane 20 tahun mendatang?
Tujuan : 1. Memperkirakan fatigue life pada Pedestal crane berdasarkan tinjauan beban statis dan dinamis. 2. Mengetahui besar persentase pengaruh pembebanan operasi dan lingkungan terhadap fatigue life dari pedestal crane. 3. Memperkirakan besar Safety factor dan SWL yang direkomendasikan untuk perpanjangan operasi pedestal crane 20 tahun mendatang.
Batasan masalah 1. Pedestal crane yang digunakan sebagai objek pada penelitian tugas akhir ini adalah pedestal crane pada EMP Malacca Strait S.A. Lalang Well-Head Alpha (LWA) platform field Lalang strait, malaka dengan tipe Crane AK-701 model Seaking 1000 (SK 1000) no seri 1919. 2. Beban beban yang ditinjau adalah beban lingkungan berupa angin dan beban operasi crane baik statis maupun dinamis 3. Data operasional crane, rekap kejadian angin dan data inspeksi yang digunakan adalah kurun waktu 10 tahun terakhir
Methodology Diagram alir Objek Penelitian Peralatan yang digunakan
Objek penelitian
Peralatan yang digunakan
Analisis Material Spesifikasi Material - Sifat mekanik - Komposisi Bahan Fatigue Ratio Fatigue limit (endurance)
Spesifikasi material Diketahui base material dari Pedestal crane adalah Baja Struktur ASTM A 36 dengan spesifikasi : Ultimate tensile strength, UTS = 413 MPa Tensile Yield Strength, TYS = 224 MPa Fracture stress, σ F = 779 Mpa Fatigue Strength Coeff, σ`f = 780 MPa Tensile Strain, ε T = 1.19 Fatigue ductility, ε`f = 0.28 RA % = 69% Modulus Elastisity, E = 189 GPa Shear Modulus = 79,3 GPa *sumber ASM Metal Handbook vol 19
Cont d Yield stress in shear, K = 1075 MPa Fatigue strenght exponent, B = -0.11 Fatigue ductility exponenent,c = -0.45 Poisson s Ratio = 0,260 Coeff of Thermal expansion = 12x10-6 *sumber ASM Metal Handbook vol 19
Komposisi Bahan Carbon, C 0.260 % Copper, Cu 0.20 % Iron, Fe 99.0 % Manganese, Mn 0.75 % Phosphorous, P <0.040 % Sulfur, S <0.050 %
Fatigue Ratio Adalah perbandingan nilai endurance limit (Se) dengan ultimate strength (Su). Untuk baja biasa dinyatakan dengan nilai 0.5 sehingga didapatkan Se Steel = 0.5 (Su) = 0.5 (435 MPa) = 217.5 MPa Sedangkan untuk stress pada siklus 1000 kali diperoleh dengan S1000, steel = 0.9 (Su) = 0.9 (435 MPa) = 391.5 MPa
Kurva S-N ASTM A36 391.5 MPa 217.5 MPa Fatigue limit (endurance) Daerah Infinite life
Fatigue limit 2 N f = ε`f. E 1/b-c N f σ`f = 0.28 x 189,000 780 = 243625.675 = 1.22 x 10 5 cycle 1/(-0.11)+ (0.45) Sehingga fatigue limit (endurance limit ) adalah 1.22 x 10 5 cycle dengan σ endurance limit = 217.5 MPa
Secar garis besar, Material ASTM A36 layak dipergunakan karena - memiliki poisson ratio yang kecil (0.26) sehingga kekakuan tinggi (range 0,25-0,3) - merupakan baja struktur dengan kadar karbon yang sesuai (low carbon steel) sebesar C = 0,26 % -memiliki struktur mikro berupa Ferrite-pearlite klik Mikrostruktur
Con t Akan tetapi tidak bisa secara digeneralisir base material dari setiap komponen sama, terlebih untuk bagian bagian yang mengalami konsentrasi tegangan Ex : Tumpuan boom feet pin, Gantry Pin klik Boom Feet Pin
Analisis Beban Beban Operasional (service load) 1. Jenis beban - Statis (Dead Load) - Dinamis (Live Load) 2. Kondisi - Kondisi Normal - Kondisi Workover Beban Lingkungan (out of Service load) - Gaya Angin
Jenis Pembebanan Statis = Adalah beban tetap, baik besarnya (intensitasnya), titik bekerjanya dan arah garis kerjanya. Ex beban berat Dinamis = besarnya ( intensitasnya ) berubah-ubah menurut waktu/ kondisi tertentu saja, Memunculkan momen inersia Ex vibrasi, Gelombang, Putaran, Angin
Kondisi Operasional
Beban Operasional (kondisi normal) Dalam satu bulan, crane beroperasi selama 10 jam lebih akan tetapi tidak lebih dari 50 jam (API,1999). Dalam satu kali operasi, diperkirakan crane bekerja selama 10 menit. Sehingga apabila diasumsikan dalam satu bulan crane beroperasi selama 50 jam, maka intesitas penggunaan crane selama satu bulan dihitung sebagai berikut : 50 hours = 50 x 60 min = 3000 min 3000 min / 10 min = 300 kali Sehingga dalam satu bulan, crane beroperasi sebanyak 300 kali. Service life dari Pedestal crane LWA adalah 20 tahun, maka total penggunaan crane selama operasi adalah : 20 tahun x 12 bulan x 300 kali = 72.000 kali operasi 7,2 x 10 4 cycles
Pipe, Heavy equipment Pompa, Drum, Parts
Beban Operasional (kondisi workover) Dalam satu kali work over, pedestal crane dapat digunakan selama 24 jam. Akan tetapi workover tidak selalu dilakukan dalam satu tahun sehingga Asumsi yang digunakan adalah kondisi terburuk dimana crane pedestal -Beban yang sering digunakan sebesar SWL nya (14.4 ton) -Rasio penggunaan berkebalikan dengan kondisi normal
Analisis Beban Berdasarkan data Load Chart
Perhitungan gaya berat dan gaya momen *dengan mekanika teknik
Contoh perhitungan
Dengan persamaan momen lentur (bending momen) Diketahui Panjang boom feet = 55 in (1,4 m) Diameter boom feet = 6 in (0, 1524 m) jarak boom feet ke ujung bearing = 2 ¾ in (0,070 m)
Hasil kalkulasi gaya berat dan momen bending
Hasil kalkulasi gaya berat dan momen bending
Beban Lingkungan (Gaya Angin) Spesifikasi Massa jenis udara (ρ) = 1,2754 kg/m 3 Nilai C s untuk bentuk silinder = 0.5 (ABS MODU, 2001) Nilai wind pressure height = 1.1 Coefficient (C h ) untuk ketinggian 15,3m-30,5m (ABS MODU, 2001)
Arah Angin dan kecepatan rata-rata *sumber BMKG stasiun Medan dan Kep.Riau
Intensitas kejadian angin berbagai arah mata angin *sumber BMKG stasiun Medan dan Kep.Riau
Kalkulasi Gaya angin diketahui kecepatan angin pada elevasi y diatas 30 ft (9,144 m) yakni : * Sedangkan perhitungan gaya angin diketahui dengan persamaan V (17,5 m) = 12.86 ( 17,5 / 9,144) 1/7 = 12.86 ( 1,91382) 1/7 = 12.86 (1,0971640) = 14.11 m/s * ABS MODU 2001
F (l= 24.38 m) = ½ (1,2754)(0,5)(1,1)(24,38)(14,11) 2 = ½ (17.10) (14,11) 2 = 1702.42 N or 1,70242 kn
Permodelan dan Simulasi
Permodelan Digunakan untuk simulasi gaya yang bekerja sehingga diketahui daerah yang mengalami konsentrasi tegangan Permodelan struktur boom crane menggunakan software AUTOCAD 2010 untuk drawing 3D. Data gambar struktur yang digunakan untuk permodelan mengacu kepada technical drawing Pedestal Crane dan pengukuran dengan alat bantu ukur. Kemudian dilakukan simulasi pembebanan dengan menggunakan sofware FEMAP v10.3.0 NASTRAN SIEMENS untuk analisis tegangan yang bekerja.
Gambar struktur boom crane dengan AUTOCAD 2010
Input properties benda kerja berdasarkan data Material Database Sheet (MDS) sedangkan input besar tegangan berdasarkan contoh pembebanan dengan mengacu pada Manual Operation Procedure. Modulus elastisitas : 189E+09 Modulus geser : 80E+03 Poisson s Ratio : 0.26 Property type : Solid volume element Kemudian dilakukan meshing control dengan dimensi : tetra meshing (Tet Mesh) ukuran : 3 unit mesh jumlah node : 77898 node jumlah element : 48684 element. Input constraint : tipe Pinned-no translation. sampel beban statis : 14400 N (sumbu z )
Konsentrasi tegangan
Terlihat adanya konsentrasi tegangan antara boom feet pin dengan boom section bagian bawah distribusi tegangan ditunjukan oleh warna Merah = konsentrasi tegangan terbesar Ungu = konsentrasi tegangan terkecil
Analisis Tegangan Tegangan Lentur (bending) Tegangan Geser (puntir) Tegangan oleh angin (stress-load projected )
Fluktuasi tegangan yang terjadi STRESS RANGE - STRESS + MEAN STRESS TIME PULSATED OR REPEATED LOAD - STRESS + STRESS RANGE FLUCTUATING LOAD TIME MEAN STRESS Pembebanan yang terjadi angkat-lepas - STRESS + TIME MEAN STRESS ALTERNATING LOAD STRESS RANGE 50
Analisis Tegangan Karena bagian tumpuan (Boom feet Pin) adalah bagian yang mendapat tegangan terkonsentrasi paling besar sehingga dapat diketahui tegangan untuk masing masing beban Dimensi: Diameter : 5 in (0,127 m) Length : 55 in (1,4 m) A = length x width = 0,127 x 1,4 = 0,1778 m 2 = 177800 mm 2
Tegangan lentur (bending) σ = F + M. c A I
Dimana M c I = momen bending = jari jari boom pin = ½ x 5 in = 2,5 in (0,0635 m or 63,5 mm ) = moment inertia of the section = π (152,4 mm) 4 64 = 26,466 x 10 6
Hasil kalkulasi tegangan bending (normal)
Hasil kalkulasi tegangan bending (workover)
Tegangan oleh Gaya Angin Load projected area (API RP 2C,2004) = (1.33 x SWL/200) 2/3 = (1.33 x 31746.56575 lb / 200) = (1.33 x 158.732825) 2/3 = (44569.39851) 1/3 = 35.455 ft 2 = 3.29388 m 2 σ angin = F/ A boom = 1702.42 N / 3.29388 = 516.843 N/ m 2 = 516.843 Pa = 5.16843 x 10-4 MPa
Perhitungan siklus untuk berbagai arah mata angin
Analisis Kerusakan Kumulatif Kalkulasi jumlah siklus Penentuan nilai kerusakan kumulatif
Analisis Kerusakan Kumulatif Perkiraan umur kelelahan didapatkan pada beban fluktuasi yang akan diterima struktur selama masa operasi. Sehingga untuk mengetahui sisa umur kelelahan struktur dapat dilakukan setelah memperoleh informasi kondisi beban yang diterima struktur selama operasi. Sisa umur kelelahan struktur dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Palmgren Miner ni = Jumlah cycle kolom interval rentang tegangan i dengan harga Si yang sebenarnya terjadi, dari rentang distribusi tegangan jangka panjang akibat beban eksternal. Ni = Jumlah cycle rentang tegangan dengan harga Si yang menyebabkan kegagalan. Harga besaran ini dapat diperoleh dari kurva S-N. m = Total (Σ) dari interval-interval rentang tegangan. D = Rasio kerusakan kumulatif.
Perhitungan siklus kegagalan (Ni) Setelah diketahui tegangan masing masing pembebanan, maka dapat diketahui harga fatigue cylce (siklus kegagalan) dengan persamaan Dimana untuk logam paduan, Harga log a = 17,446 M = 4,7 *Sumber DNV,2011
Perhitungan siklus untuk operasi normal (statis) Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban statis kondisi normal sebesar 0,4227
Perhitungan siklus untuk operasi workover (statis) Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban statis kondisi workover sebesar 0,242
Perhitungan siklus untuk berbagai arah mata angin Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban akibat gaya angin sebesar 3,94E-18
Dengan menggunakan hukum Palmgren-Miner, maka ketiga rasio kerusakan kumulatif yaitu beban operasi crane statis, beban operasi crane dinamis dan beban angin dijumlahkan untuk mendapatkan nilai rasio kerusakan kumulatif total (D total ) Kondisi Normal D crane = D operasi statis s + D angin = (0,423)+ (3,94x10-18 ) = 0,423 Kondisi Workover D crane = D operasi statis s + D angin = (0,243 )+ (3,94 x 10-18 ) = 0,243
Analisis Fatigue Life Fatigue Life sesungguhnya Safety Factor sesungguhnya Persentase pengaruh beban
Analisis Fatigue Life Formulasi umur kelelahan dari suatu struktur dapat dihitung melalui persamaan fatigue life = 1/D
Kondisi Normal formulasi umur kelelahan suatu material dapat dihitung dengan membagi lama operasi data beban yang diterima pedestal crane, yakni selama 20 tahun. Pada kondisi normal, fatigue life sesungguhnya dari boom pin pedestal crane adalah 47,28 tahun. Dengan mengetahui umur kelelahan sesungguhnya maka dapat diketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar : 47,28 tahun / 20 tahun = 2,36 Jadi, Safety factor (SF) kondisi normal dari boom pin pedestal crane sebesar 2,36
formulasi umur kelelahan suatu material dapat dihitung dengan membagi lama operasi data beban yang diterima pedestal crane, yakni selama 20 tahun. Pada kondisi Workover, fatigue life sesungguhnya dari boom pin pedestal crane adalah 82 tahun. Dengan mengetahui umur kelelahan sesungguhnya maka dapat diketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar : 82 tahun / 20 tahun = 4,1 Jadi, Safety factor (SF) kondisi workover dari boom pin pedestal crane sebesar 4
Safety factor Pedestal crane senilai 2 dengan SWL maksimum sebesar 14,4 ton. Maka diketahui beban maksimum sesungguhnya 14,4 x 2 = 28,8 ton
Dengan mengambil umur yang relatif paling singkat/kecil yakni kondisi normal, maka nilai safety factornya dapat digunakan sehingga nilai safety factor sebelumnya sebesar 2 menjadi naik sebesar 2,36. Dan SWL maksimum yang direkomendasikan untuk 20 mendatang adalah 28,8 ton / 2,36 = 12,6 ton
Sehingga untuk penentuan safety factor, diambil kemungkinan kondisi terburuk yakni workover. Untuk masa operasi selanjutnya diketahui safety factor yang digunakan sebesar : 66 tahun 20 tahun = 46 tahun 46 th/20 th = 2,3 harga safety factor minimum untuk operasi selanjutnya (20 tahun mendatang) yakni >2,3
Persentase Kondisi normal D operasi statis 99,999 % D angin 2,02x10-8 % Kondisi Workover D operasi statis 99,998% D angin 1,93x10-9 %.
Kesimpulan dan Saran
Kesimpulan 1. Fatigue life dari struktur pedestal crane LWA platform akibat pembebanan oleh operasi dan lingkungan adalah 47 tahun Dengan demikian pedestal crane masih dapat dioperasikan untuk 20 tahun mendatang dengan SWL yang ditentukan. 2. Besar persentase pengaruh pembebanan operasi statis untuk kondisi normal 99,999 % dan workover 99,998 %, Serta pembebanan lingkungan oleh angin untuk kondisi normal 2,02x10-8 % dan workover 1,93x10-9 %. 3. Safety Factor yang disarankan untuk 20 tahun mendatang adalah 2,3 atau lebih, sedangkan beban angkat maksimum (SWL) adalah sebesar 12,6 ton atau kurang.
Saran 1. Diperlukan material yang tepat untuk bagian boom feet pin dengan kualifikasi : -Kekuatan yang tinggi -Machinability yang baik -Factor sensitivitas takik yang rendah -Sifat perlakuan panas yang baik -Sifat tahan aus yang tinggi Sehingga direkomendasikan untuk menggunakan material baja grade paduan tinggi dengan nilai Endurance limit stress diatas 450-500 MPa dan UTS seharga 2x lipat dari endurance limit supaya menghasilkan infinite life fatigue design
2. Mempertahankan maintenance dan mengkalkulasi SWL kembali melihat masa pakai dan beban yangdioperasikan 3. Sedikit mungkin meminimalisir cacat, korosi dan kekasaran permukaan 4. Analisis kekuatan sambungan struktur, karena fokus penelitian hanya pada tumpuan yang terkonsentrasi oleh tegangan
Terima Kasih Banyak