SIDANG HASIL P3
DESAIN BASIS DAN ANALISIS STABILITAS PIPA GAS BAWAH LAUT HIMAWAN KHALID PRABOWO 4210 100 079
LABORATORIUM KEANDALAN DAN KESELAMATAN JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Latar Belakang
Memaksimalkan jalur distribusi dengan Pipeline Panjang pipa : 72.5 km 2
Latar Belakang
Agar tidak terjadi kegagalan pada pipa, pecah akibat tekanan dan operasi
3
Latar Belakang
Mencegah kebocoran pipa, pencemaran lingkungan, pembengkakan biaya 4
Perumusan Masalah 1. Bagaimana desain basis pipa gas bawah laut yang sesuai ? 2. Bagaimana perhitungan stabilitas pipa bawah laut berdasarkan pada analisis kestabilan pipa bawah laut (On bottom stability analysis) ? 4. Bagaimana allowable free span pipa bawah laut berdasarkan analisis free span ? 5. Bagaimana analisis pipa yang terjadi menggunakan pemodelan statis dan dinamis ?
5
Tujuan Skripsi 1. Menganalisis penentuan dan pemilihan spesifikasi pipa bawah laut yang sesuai 2. Menganalisis stabilitas pipa bawah laut secara vertikal maupun horizontal 3. Menganalisis allowable free span pipa bawah laut berdasarkan analisis free span secara statis dan dinamis 4. Menganalisis dengan simulasi software Autodesk Inventor dan Ansys 13.0
Batasan Masalah 1. Objek Penelitian adalah jalur gas pipeline dari FPU sampai ke landfall SAPI sepanjang 72.5 km
2. Standar yang digunakan adalah American Protelium Institute (API) 2004, ASME B31.8-2003 “ Gas Transmission and distribution piping system (DNV) RP-E305 “On-Bottom stability Design of Submarine Pipelines, (DNV) RP-F105 “ Free Spanning pipelines“ 3. Kondisi pipa yang dihitung adalah instalasi,operasi
7
Manfaat Skripsi Dapat menghindari bahaya yang terjadi akibat dari rusaknya pipa gas offshore diantaranya distribusi gas tidak akan terganggu, pencemaran lingkungan dan pembengkakak biaya dalam pemasangan pipa Penilaian stabilitas yang didapat bisa digunakan sebagai pertimbangan oleh Kontraktor Kontrak Kerja Sama (KKKS) untuk mengambil keputusan pemasangan pipa yang lebih efektif dan efisien dalam operasi produksi dan eksplorasi minyak dan gas di Indonesia.
Metodologi Mulai
Identifikasi dan Perumusan Masalah
Studi Literatur
-
Data Lingkungan Jalur pipa Profil tanah Temperatur dan tekanan Seabed profil Kapasitas produksi
Pengumpulan data
-
Standar Perhitungan Jurnal Paper Tugas Akhir Internet
Perancangan pipa dan pemilihan material A. Material Grade : harga, kekuatan material, keteserdiaan barang B. Wall thickness Harga, kemampuan pengelasan, mobilitas
Pemilihan ulang material pipa NO Kriteria material memenuhi YES Perhitungan stabilitas pipa ( On-bottom Stability Analysis) Vertical Stability Lateral stability Penambahan lapisan beton NO
Berat pipa YES
9 A
Metodologi A
Perhitungan Panjang Allowable Free Span
Dinamic Analysis
Static Analysis
Simulasi dengan Autodesk Inventor Simulasi dengan software Ansys 12.0
Kesimpulan dan Rekomendasi
Selesai
10
Data Inputan Description Gas velocity Gas max flowarate Gas min flowrate
Unit m/s Mmcfd Mmcfd
Value 7 440 55.6
Unit f/s
Value 23.3
Unit
Value
Delivery pressure gas
Barg
71
psi
1029.5
Pa
7100000
Design pressure pipe
Bara
128
psi
1856
Pa
Hydrotest preesure pipe
Bara
160
psi
2320
Pa
16000000
Design temperature
C
60
Operating temperature
C
44.9
Operating pressure MAOP
Bara Bara
94.8 128
psi psi
1374.6 1856
Pa Pa
9480000 12800000
Fluid Density
kg/m3
75
Modulus of Elacticity
MPa
207000
psi
3001500
psi
Corrosion Allowance
(mm)
3
in
43.5
in
11
Desain Basis Pipeline API RP−14E Formula aliran gas
60 𝑍 𝑄𝑔 𝑇
𝑣𝑔 =
𝑑𝑖 2
𝑃
Dimana, Vg = gas velocity , feet/s Di = pipe inside diameter, inch Qg = gas flow rate, mmcfd T = operating temperature, R P = operating pressure, psia Z = compresibility faktor
𝑑𝑖 =
60 𝑍 𝑄𝑔 𝑇 𝑉𝑔𝑃
Diperoleh diameter minimal pipa yang dipakai 22.2 inch / 544mm
12
Allowable Check 1. Hoop stress 𝑆𝐻 ≤ 𝐹1 𝑆𝑇
𝐷 𝑆𝐻 = 𝑃𝐼 − 𝑃𝑒 2𝑡
selisih tegangan yang dialami atau diterima oleh pipa karena tekanan internal dan eksternal pipa. Dimana material pipa yang dipilih nilai Hoop stress nya tidak boleh kurang dari nilai persamaan yang disyaratkan
2. Tegangan efektif akibat Longitudinal Load 𝑇𝑒𝑓𝑓 ≤ 0.60𝑇𝑦 tegangan efektif yang diakibatkan oleh beban longitudinal tidak boleh melebihi
13
3. Internal Pressure (Burst) 𝑃𝑡 ≤ 𝑓𝑑 𝑓𝑒 𝑓𝑡 𝑃𝑏 besarnya tekanan hydrostatis tidak boleh melebihi tekanan maksimal pecah
4. Propagating Buckles 𝑃𝑜 − 𝑃𝑖 ≥ 𝑓𝑝 𝑃𝑝 Besarnya tekanan akibat propagating buckle tidak boleh melebihi selisih tekanan eksternal dan internal
14
Output Data Outer Diameter Required Inner Diameter Inner Diameter Minimum wall thickness Selected wall thickness SMYS Design Pressure Content Density Density Sea Water Design factor Joint factor Temperature factor Collapse factor Trench depth Gas velocity Check Allowable Hoop stress Longitudinal load Internal
Material Grade X60
Unit
Material Grade X65
inch
24
24
24
24
24
24
inch
22.2
22.2
22.2
22.2
22.2
22.2
inch
23.1
23.0
23.0
23.1
23.0
23.0
inch
0.46
0.46
0.46
0.42
0.42
0.42
inch
0.438
0.469
0.5
0.438
0.47
0.5
Psi kg/m3 kg/m3
inch m/s
60000
65000
1856
1856
95
95
1025 0.8 1
1025 0.8 1
1
1
0.8 0 7
0.8 0 7
NO
NO
OK
NO
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK 15
Seleksi dengan AHP GOAL PIPA B GRADE API 5L X65
MATERIAL GARDE
KEKUATAN MATERIAL
KETERSEDIAAN BARANG
HARGA / BIAYA
PIPA A X60 t= 0.5
WALL THICKNESS
MOBILITAS
PIPA B X65 t=0.469
KEMAMPUAN PENGELASAN
HARGA / BIAYA
PIPA C X65 t=0.5
16
Seleksi dengan expert choise
17
Stabilitas pipa kondisi instalasi Secara Vertikal 𝐹𝐿 ≤ 𝑊𝑠
𝑆𝐹𝑣 =
𝑊𝑠 +𝑊𝑏𝑢𝑜𝑦 𝑊𝑏𝑢𝑜𝑦
≥ 1.1
Secara Lateral 𝐹𝐷 ≤ 𝜇 . 𝑊𝑠
𝑆𝐹𝐿 =
𝑊𝑠 −𝐹𝐿 .𝜇 𝐹𝐷 +𝐹𝐼
≥ 1.1
Kondisi Instalasi : berat fluida pipa 0, belum terisi, data lingkungan 1 tahun Kondisi operasi : berat fluida gas, data lingkungan 100 tahun 18
Stabilitas pipa kondisi instalasi sudut fase
FL (N/m)
FD (N/m)
FI (N/m)
Ws (N/m)
50
180.11
102.839
155.800
697.389
Stabilitas kondisi Instalasi
kondisi Instalasi Pipa Vertical Stability
lateral stability
1
2
1.77
0.7
2
4
2.05
1.21
3
6
2.24
1.6
4
8
2.38
1.9
5
10
2.48
2.19
no
2.5
2 Nilai stabilitas
Concrete coating(In)
1.5
Vertical Stability
1 lateral stability
0.5 0 0
2
4 6 8 10 Tebal concrete coating (in)
12
19
Stabilitas pipa kondisi operasi sudut fase
FL (N/m)
FD (N/m)
FI (N/m)
Ws (N/m)
25
485.26
334.541
92.546
1339.430
Stabilitas kondisi Operasi
kondisi Operasi Pipa Vertical Stability
lateral stability
1
2
2.41
0.48
2
4
2.54
0.71
3
6
2.63
0.9
4
8
2.69
1.08
5
10
2.74
1.25
3 2.5 Nilai stabilitas
no
Concrete coating(In)
2
lateral stability
1.5 1
Vertical Stability
0.5 0 0
2 4 Tebal concrete coating (in)
6
20
Free span analisys 1. Perhitungan panjang free span statis a. Akibat adanya maximum bending moment 𝐿𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 =
12𝑀 𝑊𝑠
b. Akibat adanya penurunan permukaan dasar laut (Low Depression) 2 3 𝐿 𝜎𝑚 𝜎𝑚 𝜎𝑚 = 0.112 + 10.98 − 16.71 + 10.11 𝐿𝑐 𝛽 𝜎𝑐 𝜎𝑐 𝜎𝑐 𝜎𝑚 = 𝜎𝑐
dimentional bending stress
c. Akibat adanya bagian pipa yang terangkat (elevated obstruction)
21
22
Free span analisys 2. Perhitungan panjang free span dinamis Besarnya frekuensi VIV tidak boleh melebihi dari besarnya frekuensi natural (fn) Fs = 𝑆𝑡
𝑈 𝐷
< 𝑓𝑛 =
𝑎 2𝜋𝐿2
𝐸𝐼 𝑚𝑒
St= strouhal number 0.2
a. Akibat kondisi Cross flow
𝐿𝑐 =
𝑎𝑈𝑟𝐷𝑡𝑜𝑡 𝐸𝐼 2𝜋𝑈𝑟 𝑚𝑒
b. Akibat kondisi in line 𝐿𝑐 =
𝑎 𝐸𝐼 𝑓𝑛𝑥2𝜋 𝑚𝑒 23
Mitigasi dengan grout bag 𝐹 = Tekanan karena arus laut 𝐹=𝑃𝑥𝐴 1 𝐹 = 𝜌𝑉 2 . 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝐹=
2 1 𝜌𝑉 2 2
𝐻 2
. (𝐴 2 + 𝐵√2)
Gaya gesek dari groutbag dihitung menggunakan rumus : 𝑅 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 . 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 . µ . 9,807
24
Mitigasi dengan grout bag 1. Syarat pertama adalah besarnya R > F 𝐹=
1 𝜌𝑉 2 2
. 𝐴𝑟𝑒𝑎 > 𝑅 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 . 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 . µ . 9,807
2. Syarat yang kedua adalah besarnya kecepatan arus yang diperboleh dari hasil hitungan harus lebih besar daripada kecepatran arus dari data lingkungan Vr > Vl 𝑉𝑟 =
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒. 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦. µ . 9,807 1 2 𝐻 2 𝜌𝑉 . 2 (𝐴 2 + 𝐵√2)
Vr > Vl 25
Simulasi statis Inventor Von Mises Stress 𝜎𝑉 = 𝜎ℎ2 + 𝜎𝐿2 − 𝜎ℎ. . 𝜎𝐿 𝜎𝑉 = 310.842 +240.42-310.84 x 240.4 = 282.29 Mpa 𝜎𝑉< SMYS 282.9 < 448 Mpa
Displacement Pipa 53.47 mm
26
Simulasi dimanis
27
Simulasi dinamis
Permukaan pipa yang langsung terkena arus mempunyai tekanan maksimal 263.2 Pa.
28
Kesimpulan 1. Berdasarkan pada (API) RP 1111 2003 dan ASME B.318 pemilihan seleksi menngunakan metode Analytical Hierarchy Process (AHP) diperoleh pipa dengan spesifikasi pipa 24 in Grade X65 wall thickness 0.469 in. 2. Pada kondisi instalasi dan operasi pipa akan memenuhi kestabilan secara Vertical dan Horizontal dengan concrete coating 10 in, dimana nilai kestabilan diatas safety faktor 1.1 3. Diantara banyaknya free span yang terjadi di dalam jalur pipa, terdapat beberapa free span yang mengalami kegagalan secara static dan secara dinamis. Dimana panjang free span terpanjang adalah terdapat pada KP 7-8 dengan panjang free span 35 meter dan kedalaman 3 meter. Free span tersebut mempunyai tingkat keamanan yang rendah, sehingga harus dilakukan mitigasi yaitu dengan pemasangan support Grout Bag untuk memperpendek bentang free span yang terjadi. 4. Setelah dilakukan simulasi dengan menggunakan software Autodesk Inventor maka diketahui besarnya Von Misses Stress sebesar 237.3 Mpa dengan displacement sebesar 53.47 mm. dan hasil tersebut masih dalam kondisi aman karena tidak melebihi nilai Yield Strength pipa grade X65 sebesar 448 Mpa.
29
30
