ANALISIS TRANSPORTASI DAN INSTALASI RIGID RISER PADA SISTEM FREE STANDING HYBRID RISER Yonathan Mozes Mandagi1, Paramashanti2 1
Program Studi Teknik Kelautan, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganeca 10 Bandung e-mail:
[email protected] 2 Program Studi Teknik Kelautan, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganeca 10 Bandung e-mail:
[email protected] Kata kunci: transportasi, instalasi, tegangan von Mises, rigid riser, FSHR.
1.
PENDAHULUAN
Saat ini, sistem riser laut dalam yang banyak digunakan adalah sistem Steel Catenary Riser (SCR) yang merupakan salah satu contoh dari sistem flexible riser. Konstruksi sistem SCR merupakan sebuah konstruksi yang melewati tahap pengelasan di daratan karena pada umumnya sistem ini diadaptasi dari konsep produksi struktur untuk laut dangkal. Maka dari itu, kapal dengan spesifikasi yang tinggi dibutuhkan untuk menginstal sistem riser laut dalam ini, dimana kapal-kapal ini mempunyai harga sewa harian dan biaya mobilisasi yang tinggi. Selain itu, semakin dalam, maka desain riser untuk sistem ini akan semakin besar dan beratnya akan semakin bertambah dimana menimbulkan resiko kerusakan yang semakin besar. Untuk menanggulangi kekurangan pada sistem flexible riser, dikenalkan sistem baru yang bernama Free Standing Hybrid Riser (FSHR) seperti pada Gambar 1. FSHR merupakan gabungan dari flexible riser dan rigid riser. Desain FSHR harus memperhatikan proses transportasi dari lokasi fabrikasi ke lokasi pemasangan dan proses instalasi, khususnya bagian rigid riser yang mempunyai pengaruh yang besar selama keberlangsungan proses instalasi secara keseluruhan. Proses transportasi rigid riser dilakukan dengan metode towing, terdapat beberapa alternatif metode towing, yaitu surface tow, mid-depth tow, bottom tow, dan off-bottom tow yang masing-masing akan mempengaruhi besarnya gaya yang bekerja selama proses transportasi ini. Dengan demikian, diperlukan suatu analisis untuk mempertimbangkan metode towing yang dapat dilaksanakan secara efektif dan efisien. Selain proses transportasi, instalasi rigid riser juga mempunyai tantangan tersendiri dalam instalasi FSHR. Hasil desain rigid riser sangat berpengaruh pada proses instalasinya termasuk tebal dinding riser yang menentukan apakah riser tersebut akan berhasil untuk diinstal atau mengalami kegagalan, seperti kebocoran, tekuk, dan kegagalan lain yang mungkin terjadi selama proses instalasi, maka diperlukan penentuan nilai tebal riser yang optimum sesuai dengan pengecekan kriteria pada standar rekomendasi praktis yang telah ada. Proses instalasi rigid riser ini mempunyai tahapan-tahapan khusus yang harus dilaksanakan. Perlu dilakukan analisis untuk mengetahui kondisi-kondisi kritis saat instalasi dalam menentukan keberhasilan suatu rigid riser terpasang pada riser base, dimana akan terjadi kegagalan apabila riser dan beberapa fasilitas pendukung tidak kuat menahan gaya-gaya yang terjadi selama proses instalasi tersebut.
2.
Flexible Jumper Buoyancy Tank Rigid Riser
Seabed Foundation/ Connection System
Gambar 1. Sistem FSHR Sumber: Hatton & Lim, 1999.
METODOLOGI DAN TEORI DASAR
Untuk mendapatkan metode transportasi rigid riser yang paling tepat dilakukan studi literatur mengenai metodemetode towing alternatif untuk rigid riser, membandingkan kriteria-kriteria yang mempengaruhi transportasi dengan metode alternatif yang ditemukan, kemudian memberi penilaian dengan skala 1-5 dimana nilai 5 merupakan nilai yang paling direkomendasikan untuk metode transportasi. Metode dengan nilai terbanyak akan menjadi metode yang dipilih. Penentuan tebal dinding rigid riser ditentukan berdasarkan standar API RP 2RD, 1998, yang merekomendasikan 2 kriteria pengecekan, yaitu hydrostatic collapse check dan buckle propagation check. Tekanan hidrostatik cukup tinggi untuk aplikasi laut dalam. Tekanan eksternal yang berlebihan akan hydrostatic collapse. Sehingga, pipa riser harus mempunyai ketahanan collapse selama instalasi atau operasi, sehingga diperlukan pengecekan hydrostatic collapse sesuai dengan persamaan (1). Selain akibat tekanan hidrostatik, salah satu penyebab collapse pada pipa ada adanya lekuk yang berlebihan. Collapse dapat berpropagasi dan menjalar sepanjang pipa dan mengakibatkan
1
tekanan eksternal turun. Untuk mencegah propagasi yang berkepanjangan, maka dilakukan pengecekan buckle propagation dengan menggunakan persamaan (2).
P 0.67 D f Po
(1)
P 0.67 Dp Pp
(2)
Dengan P = Tekanan eksternal bersih, D dan D=p faktor desain, Po= kapasitas tekanan pipa, dan Pp= kapasitas tekanan f propagasi pipa. Hasil tebal minimum yang dilakukan dengan trial and error dari masing-masing pengecekan akan dibandingkan, kemudian dipilih salah satu nilai yang paling optimum sebagai tebal dinding riser yang akna digunakan dalam pemodelan. Pemodelan untuk analisis instalasi rigid riser menggunakan perangkat lunak OrcaFlex 8.2a yang dapat menyajikan simulasi dinamik dari model yang dibuat, dan memberikan keluaran yang dapat dianalisis berupa tegangan maksimum von Mises. Tegangan von Mises yang didapat ini kemudian akan dibandingkan dengan tegangan izin berdasarkan API RP 2RD, 1998, menggunakan persamaan (3).
p e
Cfa
(3)
Dengan p e = Tegangan von Mises, C f = faktor desain, dan a = tegangan izin ( x SMYS). 2 3
3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
a.
Pemilihan Metode Transportasi Rigid Riser
Pemilihan metode transportasi rigid riser dilakukan dengan studi literatur tentang alternatif metode towing yang terdiri dari surface tow, mid-depth tow, bottom tow, dan off-bottom tow pada Gambar 2 (Santika, 2011).
Surface Tow
Mid-depth Tow
Bottom Tow
Off-bottom Tow
Gambar 2. Alternatif metode towing Kriteria yang digunakan sebagai parameter pembanding adalah kondisi lingkungan seperti kedalaman, gelombang, arus, tekanan, temperatur, permukaan dasar laut, selain itu juga memperhatikan resiko wetpark dan biaya yang harus dikeluarkan. Penilaian dilakukan dengan pemberian nilai dari skala 1-5, untuk setiap indikator terhadap alternatif metode transportasi, dimana 1 menyatakan kecenderungan pelaksanaan transportasi akan menghasilkan kerugian yang sangat besar, sampai pada angka 5 yang menyatakan pelaksanaan transportasi akan berjalan dengan aman, efektif dan efisien. Tabulasi dari penilaian ini ditunjukkan di Tabel 1. Uraian singkat tentang pemberian nilai untuk setiap alternatif metode transportasi terhadap kriteria yang ditentukan adalah sebagai berikut.
Kedalaman Kedalaman pada lokasi riser yang akan dipasang adalah 254 m sesuai data yang diberikan dimana termasuk dalam perairan dalam. Semakin dalam suatu riser akan ditow, maka tingkat kesulitan dalam pemasangan dan kontrol akan semakin besar, ketebalan riser yang dibutuhkan akan semakin besar seiring dengan bertambahnya berat riser itu sendiri. Sehingg untuk parameter ini, metode surface tow diniliai mempunyai resiko yang paling kecil.
2
Gelombang Gelombang yang digunakan pada pemodelan diambil dari tinggi gelombang signifikan yang terbesar sebesar 7.4 m, akibat data angin yang ekstrim untuk wilayah Laut Utara. Tinggi gelombang ini termasuk tinggi gelombang yang cukup ekstrim sehingga membawa dampak negatif terhadap riser yang ditow semakin dekat dengan permukaan laut.
Arus Distribusi arus pada umumnya akan berbanding terbalik dengan kedalaman, dimana semakin dalam, nilai arus akan semakin kecil. Sehingga, semakin dalam suatu riser ditow, maka pengaruh pada proses towing akan semakin kecil.
Tekanan Pengaruh tekanan berdasarkan kedalaman berbanding terbalik dengan distribusi arus, dimana tekanan akan semakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman. Sehingga akan sangat menguntungkan untuk lokasi rigid riser yang ditow berada lebih dekat ke permukaan laut.
Temperatur Data temperatur dan data kedalaman berbanding terbalik, dimana semakin mendekati permukaan laut, temperatur akan semakin tinggi. Hal ini dapat menyebabkan turunnya kekuatan material riser, sehingga memerlukan properti riser yang lebih tebal. Pemilihan metode surface tow tidak disarankan.
Wetpark Wetpark merupakan proses penurunan rigid riser yang telah sampai pada lokasi pemasangan sampai di dekat dasar permukaan tanah. Semakin dekat dengan permukaan tanah, resiko rigid riser untuk terjadi kerusakan dalam tahap wetpark akan semakin kecil.
Permukaan Dasar Laut Kriteria ini paling mempengaruhi metode transportasi off-bottom tow, dimana riser yang ditow hanya membutuhkan satu buah kapal dengan koneksi ke rigid riser yang dibiarkan di atas permukaan tanah dan diseret sampai ke lokasi tujuan. Permukaan dasar laut yang kasar terlalu beresiko untuk melakukan offbottom tow.
Biaya Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, semakin dalam suatu riser ditow, maka desain tebal dinding riser yang dibutuhkan akan semakin besar. Selain itu pengaruh kondisi lingkungan yang ekstrim juga menuntut desain dinding riser yang lebih tebal. Tabel 1. Tabulasi parameter penentu dan alternatif metode transportasi rigid riser Parameter Kedalaman Gelombang Arus Tekanan Temperatur Wetpark Permukaan dasar laut Biaya Total
Surface Tow 4 2 2 4 3 2 4 3 23
Mid-depth Tow 3 3 3 3 3 3 4 4 25
Bottom Tow 2 4 4 2 2 4 3 2 22
Off-Bottom Tow 2 4 4 2 2 4 2 2 22
Setelah melakukan penilaian untuk setiap alternatif metode yang ada sesuai dengan indikator tersebut, didapatkan nilai untuk mid-depth tow yang paling besar sehingga dipilih sebagai metode transportasi yang paling tepat, yang paling efektif dan efisien.
3
b.
Perhitungan Tebal Dinding Riser Optimum
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, perhitungan tebal dinding riser optimum menggunakan standard API RP 2RD dengan pengecekan hydrostatic collapse dan buckle propagation. Nilai dari variabel-variabel yang akan dihitung dengan persamaan (1) dan (2) diberikan pada Tabel 2. Hasil dari pengecekan ini diberikan pada Tabel 3. Tabel 2. Hasil pengecekan tebal dinding rigid riser API RP 2RD Hydrostatic Collapse P Df Po
Buckle Propagation
2.533 0.75 2.661
2.533 0.72 2.675
P Dp Pp
Tabel 3. Hasil pengecekan tebal dinding rigid riser API RP 2RD Hydrostatic Collapse Buckle Propagation (mm) (mm) 13.45
25.55
Berdasarkan pengecekan tersebut, didapatkan tebal dinding optimum riser yang akan digunakan dalam tahap selanjutnya adalah nilai yang lebih besar yaitu sebesar 25.55 mm.
c.
Analisis Instalasi Rigid Riser
Setelah mendapatkan tebal dinding riser, selanjutnya adalah pemodelan dan analisis instalasi rigid riser yang dilakukan dengan menggunakan OrcaFlex 8.2a. Pemodelan dilakukan dalam tiga tahap, yaitu upending rigid riser, instalasi buoyancy tank ke rigid riser, dan instalasi rigid riser ke riser base seperti pada Gambar 4. Komponen utama yang dimodelkan dalam analisis ini adalah installation vessel dengan panjang kapal 142 m, rigid riser dengan properti baja API 5L X90 yang dimodelkan sebagai homogenous pipe dengan data tebal dinding yang telah dihitung sebelumnya, chain dengan grade R4 dimodelkan sebagai chain masing-masing 4 untuk setiap bagian, weight yang dimodelkan dengan 3D buoy dengan mengabaikannya dalam analisis statik, dan winch dengan model yang telah disediakan oleh program. Model yang telah dibuat kemudian dirun statik dan dinamik. Proses pemodelan dilakukan dengan metode trial and error dimana ketika model dalam suatu tahapan gagal atau tegangan yang dihasilkan melebihi tegangan izin, maka beberapa komponen seperti chain, posisi connector, konfigurasi winch, dan lainnya harus diubah dan kemudian dirun kembali. Posisi akhir dari tahapan pertama yang telah berhasil kemudian digunakan untuk pemodelan tahap kedua, dan posisi akhir tahapn kedua digunakan pada pemodelan tahap ketiga. 1
3
2
Gambar 4. Tahapan Instalasi Rigid Riser
4
Posisi akhir hasil pemodelan dengan OrcaFlex setelah dirun statik dan dinamiknya untuk masing-masing tahapan upending rigid riser, instalasi buoyancy tank ke rigid riser, dan instalasi rigid riser ke riser base, ditunjukkan pada Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7.
Gambar 5. Upending Rigid Riser
Gambar 6. Instalasi Buoyancy Tank ke Rigid Riser
Gambar 7. Instalasi Rigid Riser ke Riser Base Hasil yang diambil dari simulasi dinamik menggunakan OrcaFlex ini adalah tegangan maksimum von Mises di sepanjang rigid riser pada tiga tahapan tersebut. Rangkuman hasil nilai tegangan von Mises maksimum ditunjukkan pada Tabel 4. Tegangan yang dihasilkan akan dibandingkan dengan tegangan izin untuk material pipa baja tipe X90, yaitu 620.5 MPa. Tabel 4. Nilai tegangan von Mises Maksimum untuk setiap tahapan pada instalasi rigid riser Parameter
Nilai Tegangan von Mises Maksimum (kN/m2) Tahap 1 - Upending Riser
380.957,03 Rigid Riser 67.697,8 Chain1 170.308,09 Chain2 47.537,144 Chain3 195.109,836 Chain4 Tahap 2 - Instalasi Buoyancy Tank ke Rigid Riser 15.871,88 Rigid Riser Tahap 3 - Instalasi Rigid Riser ke Buoyancy Tank 78.563,22 Rigid Riser
Dengan membandingkan hasil pemodelan instalasi rigid riser dari ketiga tahapan di atas, tegangan yang paling kritis adalah tegangan yang terjadi pada tahap upending riser. Namun demikian dalam studi kasus ini, tegangan tersebut masih ada dalam kategori aman dari tegangan izin rigid riser dan chain berdasarkan perhitungan pada persamaan (3) dnegan hasil yang ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5. Instalasi Rigid Riser ke Riser Base Nilai Tegangan Izin (kN/m2) 413.670 386.670
Parameter Rigid Riser API 5L X90 Chain Material Grade R4
5
4.
KESIMPULAN
Berdasarkan analisis transportasi dan instalasi rigid riser pada sistem FSHR pada studi ini, dapat diambil kesimpulan: a.
Metode transportasi yang dinilai paling tepat adalah metode mid-depth tow.
b.
Tebal dinding riser optimum berdasarkan hasil pengecekan hydrostatic collapse dan buckle propagation collapse sesuai dengan API RP 2RD adalah sebesar 25.55 mm.
c.
Kondisi paling kritis pada proses instalasi rigid riser adalah pada saat upending riser, dimana tegangan yang dihasilkan pada rigid riser dan chain di tahap ini merupakan tegangan yang maksimum dibandingkan dengan tegangan yang dihasilkan pada tahapan yang lain. Namun demikian masih dinyatakan aman karena berada di bawah nilai tegangan izinnya masing-masing.
DAFTAR PUSTAKA API – “Recommended Practice for Design of Risers for Floating Production Systems and TLPs”. API-RP-2RD, 1st Edition, June 1998 Hatton, S.A., Lim, F., Dr. 1999. Third Generation Deepwater Risers. Makalah disampaikan pada World Wide Deepwater Technologies, IBC, London, Juni 1999. Santika, A.R. 2011. Desain dan Analisis Instalasi Pipa Bawah Laut Menggunakan DNV OS F101 2010 & DNV 1981. Tugas Akhir tidak Diterbitkan. Bandung. Program Sarjana Institut Teknologi Bandung.
6
