ABSTRAK Pipa bawah laut merupakan sarana penting dalam mengalirkan minyak bumi atau gas dari anjungan lepas pantai menuju daratan. Dalam perencanaan jaringan pipa bawah laut terdapat analisis dasar yang perlu dilakukan yaitu analisis pemilihan rute pipa yang akan dilalui, analisis ketebalan dinding pipa (wall thickness), dan analisis stabilitas pipa (on bottom stability). Analisis ketebalan pipa dilakukan berdasarkan beban-beban yang terjadi pada saat instalasi maupun operasi. Pipa harus dapat menahan beban-beban yang terjadi baik dari dalam pipa (tekanan internal) maupun dari luar pipa (tekanan eksternal pipa, gaya hidrostatis, dan gaya akibat instalasi). Berdasarkan analisis ini akan didapatkan ketebalan minimum pipa yang dapat digunakan tanpa mengabaikan faktor keamanan dari pipa tersebut. Sedangkan pada analisis kestabilan pipa perhitungan yang dilakukan didasarkan kepada gaya-gaya lingkungan akibat arus, gelombang dan gaya apung yang terjadi pada pipa bawah laut. Analisis kestabilan pipa dilakukan untuk mendapatkan ketebalan selubung beton yang diperlukan pada pipa, beton disini berfungsi sebagai pemberat dalam menstabilkan pipa. Ketika pipa bawah laut telah berada di dasar laut, pipa akan mengalami fenomena free span hal ini dikarenakan kontur dasar laut yang tidak rata. Free span merupakan suatu area dimana jaringan pipa tidak terjadi kontak dengan dasar laut. Free span yang terjadi harus di analisis agar dapat diketahui apakah pipa masih aman atau tidak. Karena jika free span yang terjadi sangat panjang pipa dapat mengalami fatigue yang mengakibatkan kegagalan pada struktur.
Lembar Pengesahan Tugas Akhir Sarjana Analisis Free Span Pipa Bawah Laut Adalah benar dibuat oleh saya sendiri dan belum pernah dibuat dan diserahkan sebelumnya baik sebagian ataupun seluruhnya, baik oleh saya maupun orang lain, baik di ITB maupun institusi pendidikan lainnya. Bandung, Penulis Pasfoto 3x4 Ratna Puspitasari NIM 15504022 Bandung, Pembimbing Rildova, Ph.D NIP 132 163 493 Mengetahui: Program Studi Teknik Kelautan Ketua, Dr.Ir. Muslim Muin, MSOE NIP 131 570 005
PROGRAM STUDI TEKNIK KELAUTAN FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Diberikan kepada Nama : Ratna Puspitasari NIM : 15504022 TUGAS AKHIR Judul Tugas Akhir adalah Analisis Free Span Pipa Bawah Laut, dengan isi Tugas Akhir sebagai berikut : BAB I BAB II BAB III BAB IV BAB V PENDAHULUAN TEORI DASAR ANALISIS FREE SPAN STUDI KASUS PENUTUP Tugas Akhir ini dibuat rangkap 6 (enam) : 1. Untuk Mahasiswa ( 1 buah ) 2. Untuk Pembimbing ( 1 buah ) 3. Untuk Penguji Sidang Tugas Akhir ( 2 buah) 4. Untuk Tata Usaha Program Studi Teknik Kelautan ( 1 buah ) 5. Untuk Perpustakaan ( 1 buah ) Bandung, Juni 2008 Menyetujui Koodinator, Pembimbing Krisnaldi Idris, Ph.D NIP. 131 570 002 Rildova, Ph.D NIP.1321 634 93
PROGRAM STUDI TEKNIK KELAUTAN FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas rahmat dan hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul Analisis Free Span Pipa Bawah Laut. Laporan ini disusun untuk memenuhi syarat mendapatkan gelar sarjana Teknik dari Program Studi Teknik Kelautan. Laporan ini disusun berdasarkan data-data di lapangan yang didapatkan dari suatu proyek. Laporan ini diharapkan mampu memberikan gambaran secara umum mengenai fenomena free span yang terjadi pada jaringan pipa bawah laut. Ucapan terima kasih yang tulus penulis sampaikan kepada berbagai pihak yang telah banyak membantu selama ini, antara lain kepada: 1. Keluarga besar Yuliarso Suroyo, mama, papa, kak wid, kak dika, dan 2 bocah cilik, yang tanpa henti selalu memberikan semangat, dukungan serta doa demi kelancaran pelaksanaan tugas akhir ini. 2. Rildova, Ph.D selaku pembimbing tugas akhir yang telah sabar membimbing dan banyak memberikan masukan dalam menyelesaikan Tugas akhir. 3. Dr. Nita Yuanita, ST. MT dan Dr. Sri Murti, M. Sc sebagai dosen penguji atas segala masukan dan koreksi pada Tugas Akhir ini. 4. Mas Karyo yang super baik hati karena telah memberikan data, ilmu, masukan, nasehat dan mau diganggu pada saat sibuk kerja. Tanpa mas karyo tidak mungkin penulis lulus Juli. 5. Bu witri, Onal, Iyus, Fantri, Nanda, Rahma, Bang Jordan, Benfika, pokoknya semua yang ada di lantai 4 Labtek VI yang telah banyak memberikan bantuan dalam pelaksanaan tugas akhir ini. 6. Seluruh staf pengajar Program Studi Teknik Kelautan Institut Teknologi Bandung atas ilmu yang diberikan. i
7. Seluruh staf TU Program Studi Teknik Kelautan, Bu Nunung, Kang Isep, Pak Yatno, Pak Tumin dan Pak Aep yang selalu ramah pada penulis setiap saat. Maaf kalo penulis sering merepotkan kalian. 8. Lohdaya Perkasa untuk semua semangat, motivasi, doa, nasehat, bantuan dan hiburan yang diberikan selama mengerjakan tugas akhir ini. Terima kasih karena selalu ada untuk penulis. Ayo cepat lulus, cepat pergi ke luar negeri. 9. Nyonya fira, jeng sanchai, neng dini dan bu dina yang selalu memberikan perhatian penuh kepada penulis selama pelaksanaan tugas akhir. 10. Pepen partner dalam segala hal yang telah memberikan semangat dan dukungan. Penulis doakan Oktober ini dirimu menyusul. 11. Gals! (Tasia, Disti, Alin, Mela) yang selalu memberikan gosip-gosip hangat di KL. Terima kasih untuk semua kisah yang tak terlupakan. 12. Dewi-dewi atas kesediannya mengajari penulis sehingga penulis dapat lulus kompre dan akhirnya bisa seminar dan sidang. 13. KMKPTA dan kubu pahlawan yang telah memberikan nuansa menyenangkan di Kelautan. Berkat kalian penulis betah ada di kampus. 14. Rin, Herda, Leny, Lely, Vini atas dukungannya. Yang semangat y kuliahnya. 15. Rejos ganteng yang selalu mau menjelaskan apapun disaat penulis bertanya dan selalu mau mendengarkan keluhkesah penulis. 16. Rian si baik hati yang selalu memberikan perhatian, doa, dan semangat. Kamu pasti bisa Rian!. 17. Wargi LSS, khususnya kak Pria atas dorongan dan dukungannya. 18. Teman-teman KL 2002, 2003, 2005, 2006. 19. Pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan, semangat, serta doa kepada penulis sehingga mampu menyelesaikan tugas akhir ini. ii
Penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan dalam penulisan tugas akhir ini. Oleh karena itu bimbingan serta saran membangun dari berbagai pihak sangat diharapkan. Akhir kata, semoga banyak hikmah serta manfaat yang dapat diberikan atas penulisan laporan ini. Bandung, Juni 2008 Penulis iii
Daftar Isi Laporan Tugas Akhir Analisis Free Span Pipa Bawah Laut Kata Pengantar... i Daftar Isi... iv Daftar Gambar... vii Daftar Tabel... viii Bab 1 Pendahuluan 1.1 Umum... 1-1 1.2 Latar Balakang... 1-3 1.3 Maksud dan Tujuan... 1-4 1.4 Ruang Lingkup... 1-5 1.5 Sistematika Penulisan... 1-5 Bab 2 Desain Jaringan Pipa Bawah Laut 2.1 Umum... 2-1 2.1.1 Klasifikasi Sistem Pipa Berdasarkan Fluida yang Dialirkan... 2-2 2.1.2 Klasifikasi Sistem Pipa Berdasarkan Lokasi Pipa... 2-3 2.1.3 Klasifikasi Sistem Pipa Berdasarkan Tingkat Keamanan... 2-4 2.2 Pemilihan Rute Pipa... 2-5 2.3 Pembebanan pada Pipa... 2-7 2.4 Pemilihan Diameter dan Material Pipa... 2-9 2.5 Desain Tebal Dinding Pipa... 2-12 2.5.1 Karakteristik Wall Tickness... 2-12 2.5.2 Kriteria Pressure Containment... 2-13 2.5.3 Kriteria Buckling... 2-17 2.6 On-Bottom Stability... 2-21 2.6.1 Kondisi Lingkungan... 2-22 iv
2.6.2 Gaya-gaya yang Bekerja pada Analisis On-Bottom Stability... 2-24 2.6.3 Analisis Desain Stabilitas Pipa Bawah Laut... 2-34 Bab 3 Analisis Free Span 3.1 Free Span... 3-1 3.2 Data Lingkungan... 3-3 3.2.1 Data Geoteknik... 3-3 3.2.2 Data arus... 3-5 3.2.3 Data Gelombang... 3-6 3.3 Kriteria Screening Fatiguel... 3-8 3.3.1 Frekuensi Natural Pipa... 3-10 3.3.2 Concrete Stiffness Enhancement Factor (CSF)... 3-11 3.3.3 Gaya Aksial Efektif... 3-12 3.3.4 Defleksi Statik... 3-13 3.3.5 Static Bending Moment... 3-13 3.3.6 Effective span Length... 3-14 3.4 Response Model... 3-15 3.4.1 In-Line Response Model... 3-16 3.2.2 Cross Flow Response Model... 3-21 3.5 Kriteria Ultimate Limit Strength... 3-25 3.5.1 Pipe member Subjected to bending moment, effective axial force and external overpressure... 3-25 3.5.2 Pipe member Subjected to bending moment, effective axial force and internal overpressure... 3-27 3.6 Perhitungan Umur Fatigue... 3-28 Bab 4 Studi Kasus 4.1 Deskripsi Permasalahan... 4-1 4.2 Deskripsi Lokasi Pipa... 4-1 4.3 Data-data Pipa... 4-2 4.3.1 Data Pipa... 4-2 4.3.2 Data Desain dan Operasional... 4-4 4.3.3 Data Elevasi Pasang surut... 4-4 4.3.4 Data Kondisi Tanah... 4-5 4.3.5 Data Kedalaman Perairan... 4-6 4.3.6 Data Arus dan Gelombang... 4-7 4.3.7 Data Properti Air Laut... 4-8 4.4 Analisis Desain Pipa... 4-9 4.4.1 Analisis Ketebalan Pipa... 4-9 4.4.2 Analisis Stabilitas Pipa... 4-15 v
Bab 5 4.4.3 Analsisi Free Span... 4-16 4.4.4 Analisis Umur Fatigue... 4-24 Penutup 5.1 Kesimpulan... 5-1 5.1 Saran... 5-2 Daftar Pustaka Lampiran A Perhitungan ketebalan dinding pipa (wall thickness) Lampiran B Perhitungan stabilitas ketebalan pipa (On-bottom Stability) Lampiran C Perhitungan Screening Fatigue Limit State untuk maximum fdfdfffallowable span Lampiran D Perhitungan Screening Ultimate Limit State untuk maximum sfffffffallowable span Lampiran E Perhitungan Umur Fatigue (pada lokasi span pipa #874) vi
Daftar Gambar Laporan Tugas Akhir Analisis Free Span Pipa Bawah Laut Gambar 1.1 Jaringan pipa bawah laut... 1-2 Gambar 2.1 Flow chart langkah desain pipa bawah laut... 2-2 Gambar 2.2 Flow chart routing selection... 2-7 Gambar 2.3 Grafik temperatur Vs Stress derating... 2-11 Gambar 2.4 Sketsa orbit partikel gelombang... 2-23 Gambar 2.5 Gaya-gaya yang bekerja pada pipa bawah laut... 2-24 Gambar 2.6 Ilustrasi penampang pipa bawah laut... 2-24 Gambar 2.7 Ilustrasi pipa bawah laut dengan HDPE coating dan concrete coating... 2-25 Gambar 2.8 Grafik koefisien drag Vs Raynold number... 2-28 Gambar 2.9 Grafik koefisien lift Vs Raynold number... 2-29 Gambar 2.10 Sketsa terjadinya gaya gesek pada pipa... 2-29 Gambar 2.11 Ilustrasi konsentrasi streamline pada pipa... 2-31 Gambar 2.12 Grafik nilai koefisien gesek untuk jenis tanah clay... 2-33 Gambar 2.13 Grafik nilai faktor kalibrasi... 2-35 Gambar 3.1 Tipe umum free span pipa bawah laut... 3-1 Gambar 3.2 Flow chart analisis free span... 3-2 Gambar 3.3 Amplitudo kecepatan aliran signifikan pada elevasi pipa... 3-7 Gambar 3.4 Respon amplitudo in-line VIV vs V Rd dan K Sd... 3-17 Gambar 3.5 Ilustrasi pembentukan grafik response model in-line VIV... 3-19 Gambar 3.6 Respon amplitudo cross flow VIV vs V Rd dan K Sd... 3-21 Gambar 3.7 Definisi parameter penentuan faktor koreksi trench... 3-23 Gambar 3.8 Ilustrasi pembentukan grafik response model cross flow VIV... 3-24 Gambar 3.9 Flowchart tahapan analisis fatigue damage... 3-28 Gambar 3.10 Kurva S-N untuk struktur di laut dengan perlindungan katodik... 3-30 Gambar 3.11 Grafik hubungan bilangan Reynolds dan bilangan Strouhal... 3-31 Gambar 4.1 Peta lokasi pipeline... 4-1 vii
Daftar Tabel Laporan Tugas Akhir Analisis Free Span Pipa Bawah Laut Tabel 2.1 Klasifikasi Keamanan Sistem Pipa Bawah Laut Berdasarkan Fluida yang Dialirkan... 2-3 Tabel 2.2 Klasifikasi Keamanan Sistem Pipa Bawah Laut Berdasarkan Lokasi Pipa... 2-3 Tabel 2.3 Klasifikasi Keamanan Sistem Pipa Bawah Laut Berdasarkan Tingkat Keamanan... 2-4 Tabel 2.4 Klasifikasi Keamanan Sistem Pipa Bawah Laut... 2-4 Tabel 2.5 Nilai Safety Factor Sistem Pipa Bawah Laut untuk Perhitungan Pressure Containment. 2-5 Tabel 2.6 Nilai Safety Factor Sistem Pipa Bawah Laut untuk Perhitungan Buckling... 2-5 Tabel 2.7 Faktor Kekuatan Material... 2-9 Tabel 2.8 Faktor Daya Tahan Material... 2-9 Tabel 2.9 Faktor Maksimum Fabrikasi... 2-10 Tabel 2.10 Karakteristik Properti Material... 2-10 Tabel 2.11 Grade Material Berdasarkan Standar API... 2-12 Tabel 2.12 Incidental Ratio untuk Pressure Containmet... 2-14 Tabel 2.13 Nilai Koefisien Gesek Berdasarkan Jenis Tanah... 2-32 Tabel 4.1 Data Pipa... 4-2 Tabel 4.2 Data Concrete Coating Thickness... 4-4 Tabel 4.3 Data Desain dan Operasional Pipa... 4-4 Tabel 4.4 Data Elevasi Pasang Surut... 4-5 Tabel 4.5 Deskripsi Tanah... 4-5 Tabel 4.6 Data Kedalaman Perairan... 4-6 Tabel 4.7 Data Arus... 4-7 Tabel 4.8 Data Gelombang Signifikan... 4-8 Tabel 4.9 Data Properti Air Laut... 4-8 Tabel 4.10 Perhitungan Pressure Containment... 4-10 Tabel 4.11 Perhitungan System Collapse Criteria... 4-11 Tabel 4.12 Perhitungan Combined Loading-Load Controlled Condition... 4-12 Tabel 4.13 Perhitungan Propagation Buckling Check... 4-14 Tabel 4.14 Hasil Perhitungan On-bottom Stability... 4-15 Tabel 4.15 Perhitungan Free Span Berdasarkan Screening FLS... 4-15 Tabel 4.16 Perhitungan Free Span Berdasarkan Screening ULS pada Kondisi Instalasi... 4-16 viii
Tabel 4.17 Perhitungan Free Span Berdasarkan Screening ULS pada Kondisi Hydrotest... 4-18 Tabel 4.18 Perhitungan Free Span Berdasarkan Screening ULS pada Kondisi Operation... 4-20 Tabel 4.19 Data gelombang selama 100 tahun dengan perioda ulang 100 tahunan... 4-23 Tabel 4.20 Summary Perhitungan Fatigue... 4-24 ix