ANALISIS KELELAHAN AKIBAT ALIRAN INTERNAL DAN BEBAN EKSTERNAL PADA PIPA BAWAH LAUT YANG MENGALAMI FREESPAN

1

ANALISIS KELELAHAN AKIBAT ALIRAN INTERNAL DAN BEBAN EKSTERNAL PADA PIPA BAWAH LAUT YANG MENGALAMI FREESPAN Hilman Syarif , Yoyok Setyo H. , J.J. Soedjono Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected]

Abstrak— Aliran eksternal dan internal fluida dalam pipa yang dapat menyebabkan vibrasi sehingga berakibat pada kelelahan pada pipa bawah laut telah selesai dianalisis. Analisis dilakukan dengan mempertimbangkan variasi flowrates aliran internal fluida serta panjang freespan. Freespan pipa bawah laut yang digunakan dalam analisis ini adalah yang tidak memenuhi kriteria screening kelelahan menurut DNV RP F-105. Berdasarkan hasil screening, panjang freespan yang harus dilakukan analisis kelelahan lebih lanjut adalah freespan dengan panjang 13 meter atau lebih. Kemudian dipilih tiga freespan yang tidak memenuhi kriteria screening kelelahan, yaitu freespan dengan panjang 23 meter, 30 meter, dan 36 meter. Selanjutnya menghitung tegangan pada freespan akibat variasi beban pressure akibat fluida yang mengalir di dalam pipa dan arus yang mengenai pipa. Pressure tersebut didapat dari output software CFD. Pada hasil analisis ini didapatkan bahwa peningkatan flowrates pada inlet berbanding lurus dengan pressure yang dihasilkan oleh fluida sehingga tegangan yang dihasilkan juga bertambah besar. Semakin besar tegangan yang dialami freespan, umur kelelahannya akan semakin kecil. Sehingga bisa disimpulkan semakin besar flowrates semakin kecil umur kelelahan freespan pipa bawah laut.. Kata Kunci—Freespan, aliran internal, aliran eksternal, flowrates, umur kelelahan.

I. PENDAHULUAN Kegagalan pada pipa bawah laut dapat berdampak besar bagi lingkungan maupun perusahaan sebagai pemilik pipa bawah laut tersebut. Bagi lingkungan, dapat menyebabkan pencemaran, sedangkan bagi perusahaan sendiri akan mengakibatkan kerugian yang cukup besar karena hidrokarbon yang ditransportasikan mengalami kebocoran. Salah satu penyebab kegagalan adalah karena vibrasi atau getaran yang dapat menyebabkan kelelahan. Getaran pada pipa bawah laut merupakan hal yang pasti terjadi. Tetapi yang perlu diperhatikan adalah apakah getaran tersebut bisa menyebabkan umur kelelahan pipa bawah laut semakin pendek sehingga menyebabkan pipa bawah laut bisa mengalami kegagalan dalam waktu yang relatif singkat. Getaran pada pipa bawah laut sendiri bisa diakibatkan oleh aliran internal dan eksternal fluida pada pipa. [1] mengatakan bahwa kenaikan jumlah flowrates fluida

yang mengalir dalam pipa berbanding lurus dengan tekanan yang ditimbulkan oleh fluida. Sehingga semakin besar tekanan fluida yang bekerja pada pipa, maka getaran yang dialami pipa juga semakin besar. Kemudian untuk aliran eksternal pipa yang disebabkan oleh arus laut, VIV merupakan penyebab utama terjadinya getaran. VIV memberikan dampak yang cukup besar dan dapat menyebabkan kekuatan struktur menjadi lemah secara signifikan dalam waktu yang relatif singkat [2]. Sehingga, dalam analisis ini akan ditinjau pengaruh flowrates dan panjang freespan terhadap umur kelelahan freespan pipa bawah laut. II. URAIAN PENELITIAN A. Pengumpulan Data Tahap awal dalam pengerjaan yang dilakukan untuk menyelesaikan penelitian ini adalah melakukan pengumpulan data. Data yang digunakan pada tugas akhir ini merupakan data pipa milik SANTOS yang berada di Maleo Field. Berikut ini merupakan data pipa da data lingkungan yang digunakan dalam analisis ini. Parameter Diameter Luar Tebal Pipa

Tabel 1. Data pipa. Unit mm mm

Material

-

SMYS SMTS Young Modulus Poison Ratio Steel Density Content density Content Spesific Gravity Coefficient of Thermal Expansion Pipeline Service Design Pressure Hydrotest Pressure (1.25 x Design Pressure) Maximum Inlet Temperature

Mpa Mpa Mpa kg/m3 kg/m3

Deskripsi 355.6 (14 inch) 14.3 API 5L Grade X65 PSL 2 CS 448 531 2.07 x 105 0.3 7850 85 1.021

/ oC

1.17 x 10-5

psig

Gas 2000 (2014.7 psi)

psig

2500

o

C

49

2 velocity. Tabel 2. Data corrosion coating Data

Unit

Bahan

-

Tebal Corrosion Coating

mm

Apabila salah satu kriteria di atas tidak terpenuhi, maka harus dilakukan analisis kelelahan lebih lanjut.

Deskripsi Asphalt Enamel 4.5

Corrosion Coating Density

kg/m³

1300

Corrosion Coating Cutback

mm

150

Tabel 3. Data corrosion coating Data

Unit

Deskripsi

Tebal Concrete Coating

mm

30

Concrete Coating Density

kg/m³

2800

Corrosion Coating Cutback

mm

225

Parameter Height, Hmax Period, Tmax Height, Hs Period, Ts at 90% Water depth at 100% Water depth

Tabel 4. Data arus dan gelombang Return Period (Tahun) Unit 1 20 100 Max. Individual Wave m 5.83 8.55 9.34 sec 11.71 14.25 14.90 Significant Wave m 3.24 4.75 5.19 sec. 9.01 10.96 11.46 Current Speed m/s 0.52 0.55 0.62 m/s 0.49 0.49 0.49

C. Analisis Aliran Fluida di Dalam Pipa Analisis fluida di dalam pipa ini digunakan untuk menentukan besar tekanan yang ditimbulkan oleh fluida terhadap dinding pipa. Analisis ini menggunakan bantuan software CFD untuk memodelkan aliran. Dalam pemodelan ini boundary condition yang digunakan adalah inlet, outlet, dan wall. Inlet digunakan sebagai arah masuknya fluida. Outlet digunakan sebagai arah keluarnya fluida. Dan wall digunakan sebagi dinding dari pipa. Setelah pemodelan selesai dilakukan, langkah selanjutnya adalah validasi pemodelan dengan menggunakan output hasil pemodelan yang berupa tekanan dibandingkan dengan hasil perhitungan LOF (Likelihood of Failure). Pemodelan dikatakan berhasil jika selisih tekanan fluida hasil pemodelan dengan LOF kurang dari 5%. D. Analisis Aliran Fluida di Luar Pipa Analisis aliran fluida di luar piapa ini digunakan untuk mengetahui tekanan fluida yang di akibatkan oleh arus yang mngenai pipa. Analisis ini dilakukan dengan menggunakan bantuan software CFD. Pemodelan dilakukan dengan emnggunakan boundary condition yang berupa inlet, outlet, serta wall. Berikut ini adalah tampilan pemodelan menggunakan software CFD.

B. Perhitungan Screening Kriteria Kelelahan Perhitungan screening kriteria kelelahan di sini digunakan untuk menentukan panjang span yang harus dilakukan analisis lebih lanjut umur kelelahannya. Perhitungan screening kriteria kelelahan ini berdasarkan arah gerakan in-line dan cross-flow. Berikut adalah persamaan yang digunakan untuk melakukan screening kriteria kelelahan berdasarkan [3].  Untuk kondisi in-line ,

,

.

,

/

1

(1)

dengan , merupakan frekuensi natural kondisi in-line, merupakan kriteria screening kondisi in-line, , merupakan kecepatan arus dengan periode ulang 100 tahun, nilai in-line onset untuk reduced velocity, , merupakan diameter luar pipa, merupakan panjang span, merupakan rasio aliran arus.  Untuk kondisi cross-flow ,

,

, ,

dengan flow, , ,

.

(2)

merupakan frekuensi natural kondisi crossmerupakan kriteria screening kondisi cross-flow, nilai cross-flow onset untuk reduced velocity, nilai kala ulang 1 tahun untuk wave induced ,

Gambar. 1. Pemodelan aliran fluida di luar pipa menggunakan software CFD.

E. Analisis Tegangan Pipa Setelah didapatkan tekanan akibat aliran fluida di dalam dan di luar pipa, selanjutnya mencari tegangan yang diakibatkan oleh fluida tersebut. Analisis ini dilakukan dengan menggunakan bantuan software finite element. Pada pemodelan ini pipa dimodelkan dengan tumpuan pin-roll. Berikut adalah tampilan pemodelan pipa mengunakan software finite element.

Panjang Span Efektif (m)

3

4.50E+01 4.00E+01 3.50E+01 3.00E+01 2.50E+01 2.00E+01 1.50E+01 1.00E+01 5.00E+00 0.00E+00 0

10

20

30

Panjang Span Aktual (m)

Gambar. 2. Pemodelan pipa menggunakan software finite element.

40 In Line Cross Flow

∑

(3)

Gambar. 3. Grafik hasil perhitungan panjang span efektif.

Natural Frequency (Hz)

F. Analisis Umur Kelelahan Langkah terakhir dalam penelitian ini adalah melakukan analisis kelelahan akibat aliran fluida di dalam dan di luar pipa. Kelelahan sendiri adalah perubahan struktural permanen yang lokal dan progresif yang terjadi pada material yang dikenai tegangan fluktuatif di beberapa titik atau banyak titik dan kemungkinan berujung pada retak atau patah setelah mengalami beberapa fluktuasi tegangan [4]. Perhitungan umur kelelahan biasanya di dasarkan pada hukum Palmgren-Miner. Berikut adalah persamaan dari hukum Palmgren-Miner.

9.00E+00 8.00E+00 7.00E+00 6.00E+00 5.00E+00 4.00E+00 3.00E+00 2.00E+00 1.00E+00 0.00E+00 0

dengan merupakan banyaknya siklus tegangan, merupakan banyaknya siklus yang dibutuhkan untuk terjadi kegagalan. Nilai dari diperoleh dari kurva S-N. Kurva S-N merupakan garis rata-rata sebaran data yang diturunkan dengan pendekatan regresi. Persamaan dari kurva S-N adalah sebagai berikut [5]. log

(4)

dengan A merupakan konstanta yang di dapatkan dari [5], S merupakan rentang tegangan. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah melalui tahap pengolahan data, maka akan diperoleh hasil serta pembahasannya. A. Analisis Freespan Setelah dilakukan perhitungan terhadap freespan berdasarakan [3] dapat diketahui jika semakin panjang span aktual, panjang span efektif juga semakin besar. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 3. Selain mempengaruhi panjang span efektif, panjang span aktual juga mempengaruhi hasil dari frekuensi natural yang didapatkan. Semakin panjang span aktual, frekuensi natural baik untuk kondisi in-line maupun cross-flow semakin kecil, ini dapat dilihat pada Gambar 4. Semakin kecil frekuensi natural pipa, maka pipa tersebut lebih mudah mengalami resonansi, akibatnya pipa lebih mudah mengalami kelelehan. Berdasarkan perhitungan, panjang span yang tidak memenuhi kriteria screening kelelahan adalah span dengan panjang 13 meter hingga span dengan panjang 36 meter.

10

20

30

Panjang Span Aktual (m)

40 In Line Cross flow

Gambar. 4. Grafik hasil perhitungan frekuensi natual pipa.

Setelah diketahui panjang span yang tidak memenuhi kriteria screening kelelahan, kemudian dipilih 3 span yang tidak memenuhi kriteria tersebut untuk dianalisis lebih lanjut. Panjang span yang dipilih adalah 23 meter, 30 meter, dan 36 meter. B. Analisis Fluida di Dalam Pipa Analisis fluida di dalam pipa dilakukan dengan menggunakan bantuan software CFD. Berikut ini adalah hasil pemodelan fluida di dalam pipa.

Gambar. 5. Hasil pemodelan fluida di dalam pipa.

4 pemodelan, tekanan yang ditimbulkan adalah 31.0143 Pa. Flowrates (MMscfd) 75 85 95 105 120

Tabel 5. Tekanan fluida di dalam pipa Tekanan Fluida v2 (Pa) (Pa) 526.7807 519.5091 676.6875 667.2806 844.5118 833.5236 1031.355 1018.238 1345.006 1329.943

% Selisih 1.3804 1.3464 1.3011 1.2718 1.1199

D. Analisis Tegangan pada Pipa Analisis teganganpada pipa dilakukan dengan menggunakan bantuan dari software finite element. Berikut ini adalah hasil dari pemodelan pembebanan pada pipa dengan menggunakan softare finite element.

Dari tabel di atas terlihat tekanan fluida yang terjadi pada pipa akan naik seiring dengan kenaikan flowrates pada inlet. Selain itu hasil dari pemodelan dengan software CFD tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan manual dengan menggunakan metode LOF, yaitu mempunyai selisih kurang dari 2%.

Fluid Pressure [Pa]

Fluid Pressure vs Flowrates 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500

Gambar. 8. Hasil analisis tegangan pada pipa.

Dari Gambar 8 diketahui jika tegangan yang terbesar terjadi pada bagian ujung pipa yang memiliki tumpuan berupa pin. Untuk tegangan yang terjadi akibat adanya pembebanan dapat dilihat pada Tabel 6.

60

80

100

120

140

Panjang Span (m)

Flowrates [MMscfd] 23 Gambar. 6. Grafik hubungan tekanan fluida dengan flowrates.

C. Analisis Fluida di Luar Pipa Setelah dilakukan pemodelan dengan software CFD, berikut ini adalah hasil dari pemodelannya.

30

36

Tabel 6. Tekanan fluida di dalam pipa Kecepatan Arus Flowrates (m/s) (MMscfd) 75 85 0.7488 95 105 120 75 85 0.7488 95 105 120 75 85 0.7488 95 105 120

Tegangan (Pa) 1585800 1586200 1586500 1586900 1587600 2681200 2681500 2681900 2682300 2683000 3844600 3844900 3845300 3845700 3846400

Dari hasil pemodelan di atas, dapat diketahui, jika semakin besar flowrates, tegangan yang dialami pipa juga akan semakin besar. Kemudian dari hasi tersebut juga dapat diketahui bahwa semakin panjang span, tegangan pipa juga semakin besar. Untuk mempermudah memahami hasil pemodelan tersebut dapat dilihat pada grafik di bawah ini.

Gambar. 7. Hasil analisis fluida di luar pipa.

Dari Gambar 7 di atas dapat di lihat, jika di daerah beakang pipa mulai terjadi pelepasan vortex atau yang biasa disebut vortex shedding. Vortex sendiri merupakan penyebab utama terjadinya kelelahan pada pipa. Fenomena vortex tersebut dapat menimbulkan gaya tersendiri pada pipa. Gaya yang diakibatkan oleh vortex tersebut menimbulkan tekanan. Berdasarkan hasil

5

Panjang Span 23 Meter Panjang Span (m)

Tegngan Ekivalen (Pa)

1588000 1587500

23

1587000 1586500 1586000

30

1585500 60

70

80

90

100

110

120

130

Flowrates (MMscfd) 36

Gambar. 9. Grafik hubungan antara tegangan dan flowrates pada span 23 meter dan arus 0.7488 m/s.

Tlife (tahun) 1609.800383 1609.799693 1609.798407 1609.796045 1609.789707 332.845386 332.845357 332.845302 332.845201 332.844930 112.853475 112.853469 112.853459 112.853445 112.853414

Berdasarkan hasil terlihat jika umur kelelahan freespan mengalami penrunan sering dengan meningkatnya flowrates aliran internal fluida dalam pipa. Tetapi penurunan umur kelelahan yang diakibatkan oleh adanya variasi flowrates aliran internal fluida di dalam pipa tidak signifikan. Sehingga pengaruh akibat aliran internal fluida di dalam pipa dapat diabaikan. Sedangkan dengan variasi panjang span, penurunan umur kelelahan yang terjadi cukup besar. Semakin panjang freespan yang terjadi, umur kelelahan pipa semakin kecil.

Hubungan Tegangan dengan Panjang Span Tegangan Ekivalen (Pa)

Tabel 7. Hasil perhitungan umur kelelahan Flowrates Tegangan (MMscfd) (Mpa) 75 1.5858 85 1.5862 95 1.5865 105 1.5869 120 1.5876 75 2.6812 85 2.6815 95 2.6819 105 2.6823 120 2.683 75 3.8446 85 3.8449 95 3.8453 105 3.8457 120 3.8464

5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 0 20

25

30

35

40

IV. KESIMPULAN

Panjang Span (m) Gambar. 10. Grafik Hubungan Antara Tegangan dan Panjang Span pada 75 MMscfd dan Arus 0.7488 m/s.

E. Analisis Umur Kelelahan Pipa Pada freesan pipa bawah laut, penyebab utama kelelahan diakibatkan oleh adanya vortex induced vibration. Untuk menghitung umur kelelahan pada freespan pipa bawah laut digunakan hokum Palmgreen-Miner dan kurva S-N. Asumsi yang dipakai dalam analisis kelelahan ini adalah span telah terjadi selama 20 tahun serta pipa dilas berbentuk simetris dengan pengelasan root kuva F1. Pemilihan kurva F1 ini dikarenakan dalam [DNV RP C-203] klasifikasi pengelasan yang sering digunakan dalam pipeline dan risers adalah tipe F1. Langkah pengerjaan umur kelelahan untuk pipa bawah laut karena beban akibat flowrates fluida dalam pipa dan beban eksternal akibat arus adalah dengan mengkombinasikan kerusakan akibat kedua aliran tersebut. Berikut ini adalah hasil perhitungan umur kelelahannya

Setelah melakukan analisis data dan pembahasan, maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut. 1. Perhitungan kriteria screening kelelahan menggunakan DNV RP F-105 dan menghasilkan panjang span dengan panjang mulai 13 meter tidak memenuhi kriteria screening kelelahan sehingga harus dilakukan analisis kelelahan lebih lanjut. 2. Pengaruh peningkatan flowrates terhadap tegangan yang dialami oleh pipa yaitu semakin besar flowrates fluida yang mengalir di dalam pipa, tegangan yang dialami pipa juga semakin besar. 3. Semakin besar peningkatan flowrates umur kelelahan pipa semakin kecil. Pengaruh flowrates fluida dalam pipa pada umur kelelahan pipa sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. Sedangakan pengaruh panjang freespan pada penurunan umur kelelahan pada pipa cukup besar. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada semua pihak yang telah membantu, memberikan motivasi, dan semangat, khususnya kepada pihak Zee Engineering yang telah mendukung dalam hal pengumpulan data sehingga studi ini dapat terselesaikan dengan baik. DAFTAR PUSTAKA [1]

Sentosa, V. M. 2009. “Analisa Vibrasi Sistem Pipa Penyalur Gas-Liquid (Multiphase) Untuk Meningkatkan Produktivitas Gas Total E&P

6

[2]

[3] [4] [5] [6]

[7] [8]

[9] [10]

[11]

[12] [13]

[14] [15] [16]

Indonesie”. Tugas Akhir Teknik Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Mathelin, L., Langre, E. 2005. Vortex-Induced Vibration and Waves under Shear Flow with a Wake Oscilatior Model. European Journal of Mechanics B/Fluids 24,478-490. DNV RP F-105. 2006. Free Spanning Pipelines. Norwegia. ASM International. 2005. Mechanics and Mechanisms of Fracture: An Introduction. Amerika Serikat. DNV RP C-203. 2011. Fatigue Design of Offshore Steel Structure. Norwegia. J. Wang, “Fundamentals of erbium-doped fiber amplifiers arrays (Periodical style—Submitted for publication),” IEEE J. Quantum Electron., didaftarkan untuk dipublikasikan. C. J. Kaufman, Rocky Mountain Research Lab., Boulder, CO, komunikasi pribadi, (1995, May). Y. Yorozu, M. Hirano, K. Oka, and Y. Tagawa, “Studi elektron spektroskopi pada media optik-pembesar dan antarmuka substrat plastik (gaya jurnal terjemahan),” IEEE Transl. J. Magn.Jpn., Vol. 2 (1987) 740–741 [Dig. 9th Annu. Conf. Magnetics Japan (1982) 301]. M. Young, The Techincal Writers Handbook. Mill Valley, CA: University Science (1989). J. U. Duncombe, “Infrared navigation—Part I: An assessment of feasibility (Periodical style),” IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-11 (1959, Jan.) 34–39. S. Chen, B. Mulgrew, and P. M. Grant, “A clustering technique for digital communications channel equalization using radial basis function networks,” IEEE Trans. Neural Networks, Vol. 4 (1993, Jul.) 570–578. R. W. Lucky, “Automatic equalization for digital communication,” Bell Syst. Tech. J., Vol. 44, No. 4 (1965, Apr.) 547–588. S. P. Bingulac, “On the compatibility of adaptive controllers (Published Conference Proceedings style),” in Proc. 4th Annu. Allerton Conf. Circuits and Systems Theory, New York (1994) 8–16. G. R. Faulhaber, “Design of service systems with priority reservation,” in Conf. Rec. 1995 IEEE Int. Conf. Communications, 3–8. W. D. Doyle, “Magnetization reversal in films with biaxial anisotropy,” in 1987 Proc. INTERMAG Conf., 2.2-1–2.2-6. G. W. Juette and L. E. Zeffanella, “Radio noise currents n short sections on bundle conductors (Presented Conference Paper style),” presented at

[17]

[18] [19]

[20] [21] [22] [23]

[24]

[25] [26] [27]

[28] [29]

[30]

the IEEE Summer power Meeting, Dallas, TX, Jun. 22–27 (1990) Paper 90 SM 690-0 PWRS. J. G. Kreifeldt, “An analysis of surface-detected EMG as an amplitudemodulated noise,” presented at the 1989 Int. Conf. Medicine and Biological Engineering, Chicago, IL. J. Williams, “Narrow-band analyzer (Thesis or Dissertation style),” Ph.D. dissertation, Dept. Elect. Eng., Harvard Univ., Cambridge, MA (1993). N. Kawasaki, “Parametric study of thermal and chemical nonequilibrium nozzle flow,” M.S. thesis, Dept. Electron. Eng., Osaka Univ., Osaka, Japan (1993). J. P. Wilkinson, “Nonlinear resonant circuit devices (Patent style),” U.S. Patent 3 624 12, July 16, (1990). IEEE Criteria for Class IE Electric Systems (Standards style), IEEE Standard 308 (1969). Letter Symbols for Quantities, ANSI Standard Y10.5 (1968). R. E. Haskell and C. T. Case, “Transient signal propagation in lossless isotropic plasmas (Report style),” USAF Cambridge Res. Lab., Cambridge, MA Rep. ARCRL-66-234 (II) (1994), Vol. 2. E. E. Reber, R. L. Michell, and C. J. Carter, “Oxygen absorption in the Earth’s atmosphere,” Aerospace Corp., Los Angeles, CA, Tech. Rep. TR0200 (420-46)-3 (Nov. 1988). (Handbook style) Transmission Systems for Communications, 3rd ed., Western Electric Co., Winston-Salem, NC (1985) 44–60. Motorola Semiconductor Data Manual, Motorola Semiconductor Products Inc., Phoenix, AZ (1989). (Basic Book/Monograph Online Sources) J. K. Author. (year, month, day). Title (edition) [Type of medium]. Volume (issue). Available: http://www.(URL) J. Jones. (1991, May 10). Networks (2nd ed.) [Online]. Available: http://www.atm.com (Journal Online Sources style) K. Author. (year, month). Title. Journal [Type of medium]. Volume(issue), paging if given. Available: http://www.(URL) R. J. Vidmar. (1992, August). On the use of atmospheric plasmas as electromagnetic reflectors. IEEE Trans. Plasma Sci. [Online]. 21(3). pp. 876–880. Available: http://www.halcyon.com/pub/journals/21ps03vidmar