PERKIRAAN UMUR KONSTRUKSI FPSO KONVERSI DARI TANKER DENGAN ANALISIS FATIGUE 1
Pradetya Kurnianto1, Soeweify2 Mahasiswa Jurusan Teknik Perkapalan, 2Staf Pengajar Jurusan Teknik Perkapalan Jurusan Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya ABSTRAK
Semakin meningkatnya kebutuhan dunia akan minyak dan terus berkurangnya sumber minyak yang berada di perairan laut dangkal, berdampak pada semakin pesatnya pencarian sumber minyak di laut dalam, sehingga dibutuhkan bangunan lepas pantai seperti FPSO yang dapat menjangkau perairan laut dalam. Dari tahun 1999 hingga tahun 2009 jumlah FPSO terus meningkat dengan mayoritas FPSO adalah hasil konversi dari tanker. Salah satu kriteria perancangan konversi struktur tanker menjadi FPSO adalah kekuatan terhadap beban kelelahan. Penaksiran umur kelelahan dalam tugas akhir ini menggunakan metode deterministik dengan pembebanan gelombang setempat sebagai parameter utama. Dengan memvariasikan kondisi muatan, arah serta tinggi gelombang akan didapat 168 variasi kondisi pembebanan yang dibagi lagi dalam dua tipe gelombang sagging dan hogging. Pembebanan gelombang disimulasikan dengan bantuan software Poseidon versi 11 yang manghasilkan output berupa tegangan nominal yang digunakan sebagai inputan untuk menghitung cumulative fatigue damage. Cumulative fatigue damage yang didapat digunakan untuk menghitung umur kelelahan (fatigue life) dari 11 lokasi detil struktur yang dianggap kritis. Analisis umur kelelahan dilakukan dengan menggunakan pendekatan deterministik dan Simplified (sederhana). Hasilnya menunjukkan bahwa sambungan struktur yang paling kritis adalah sambungan antara pembujur sisi dengan penegar sekat melintang, yaitu 27,46 tahun untuk metode simplified, dan 20,297 tahun untuk metode deterministik. Karena umur yang didapat dengan perhitungan simplified melebihi kriteria design life yang disyaratkan yakni 25 tahun, maka struktur tanker tersebut masih laik untuk dilakukan proses konversi menjadi FPSO, namun harus dilakukan penguatan struktur di lokasi-lokasi tertentu yang dianggap kritis dan rawan terjadi kegagalan agar umur dari struktur tersebut dapat bertambah sehingga mampu menjalankan tugas operasinya hingga waktu yang ditentukan. Kata kunci: tanker, konversi, FPSO, pembebanan gelombang deterministik, umur kelelahan, simplified fatigue assessment.
1. PENDAHULUAN harga minyak dunia Melonjaknya berdampak pada semakin pesatnya pencarian sumber minyak di laut dalam sehingga dibutuhkan bangunan lepas pantai yang dapat menjangkau perairan laut dalam. Kecenderungan penggunaan FPSO telah tumbuh dengan pesat semenjak awal tahun 1990an. Menurut ODS-Petrodata, hanya ada 10 FPSO yang beroperasi pada tahun 1990. Dari tahun 1999 hingga tahun 2009 saja peningkatan jumlah FPSO sebesar 117% dan jumlah tersebut diperkirakan meningkat mencapai 200 pada tahun 2012. Hal ini menandakan bahwa kebutuhan terhadap FPSO semakin meningkat. 70 % dari 70 lebih FPSO yang beroperasi diseluruh dunia adalah hasil konversi dari oil tanker yang dirancang dan dibangun berdasarkan peraturan untuk kapal. Keuntungan dari merancang struktur lambung FPSO dengan teknologi oil tanker diantaranya
adalah kemampuan untuk mengonversi kapal oil tanker yang berhubungan dengan keuntungan dari segi waktu dan biaya, serta faktor produksi yang cepat dan ekonomis dari sudut pandang galangan kapal dengan fasilitas yang telah banyak berkembang. Tujuan dari Tugas Akhir ini adalah untuk Mengetahui bagaimanakah penerapan metode pembebanan gelombang setempat (deterministic) dalam menghitung umur kelelahan (fatigue life) dari tanker sebelum dikonversi menjadi FPSO dan mengetahui nilai umur kelelahannya. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian FPSO FPSO (Floating Production Storage and Offloading) adalah sebuah bangunan apung yang digunakan oleh industri lepas pantai untuk memproses hidrokarbon dan sebagai tempat penyimpanan minyak. 1
2.2.
Kondisi lingkungan
Kerusakan kelelahan suatu struktur disebabkan oleh kondisi lingkungan. Kondisi lingkungan yang dimaksud adalah fluktuasi beban yang terjadi selama struktur tersebut beroperasi. Untuk struktur lepas pantai, sumber beban yang paling dominan adalah gelombang. Hampir semua Rules Class di seluruh dunia menggunakan data gelombang North Atlantic. Dan lingkungan North Atlantic ini dijadikan sebagai dasar untuk semua jenis kapal tanker yang mengangkut barang dan beroperasi di berbagai tempat (ocean-going). Namun untuk struktur desain FPSO dan FSO kurang tepat jika menggunakan data lingkungan North Atlantic ini karena FPSO dan FSO tidak berlayar namun hanya diam di suatu perairan sebagai daerah operasinya. Oleh karena itu, data kondisi lingkungan yang digunakan juga harus data kondisi lingkungan setempat. Data kondisi lingkungan yang digunakan dalam perencanaan FPSO atau FSO minimal prediksi lingkungan 25 tahunan. 2.2.1. Beban Widodo (2010), dalam penelitiannya menyebutkan bahwa beban yang dapat menyebabkan terjadinya kelelahan pada struktur adalah beban yang bersifat siklik. Dalam tugas akhir ini akan divariasikan berbagai kondisi pembebanan gelombang dan juga akan dibahas lebih mendalam tentang beban siklis frekuensi rendah (quasi-statis) yang ditimbulkan oleh gelombang dengan mengacu pada data kondisi lingkungan tempat FPSO beroperasi. 2.2.2. Gelombang Gelombang yang digerakkan oleh angin adalah komponen utama dari beban lingkungan yang mempengaruhi struktur bangunan apung lepas pantai. Gelombanggelombang tersebut bersifat random, bervariasi berdasarkan tinggi dan panjang, dan untuk aplikasi pada bangunan apung lepas pantai perlu dilakukan pendekatan dengan memvariasikan gelombang lebih dari satu arah secara serempak. Karena kondisi gelombang yang acak, sea-state biasanya dijabarkan dalam bentuk statistik parameter gelombang seperti tinggi gelombang, periode
puncak spektral, bentuk spektral, dan arah gelombang. Namun karena tugas akhir ini menggunakan metode deterministik, maka yang menjadi inputan utama dalam penentuan parameter beban gelombang adalah panjang, tinggi, periode serta arah gelombang. Menurut Triatmodjo (1999), panjang gelombang sebagai fungsi dari kedalaman untuk teori gelombang Stokes Orde 2 diperoleh dari iterasi persamaan (2.2) berikut :
=
tan ℎ
(2.2)
dengan : H = Tinggi gelombang [m] T = Periode gelombang [detik] d = Kedalaman perairan [m] 2.2.3. Kekuatan
kelelahan
(Fatigue
Strength) 2.2.3.1 Definisi Kelelahan (fatigue) adalah akumulasi kerusakan material yang disebabkan oleh beban siklik. Banyak bagian dari struktur yang harus bertahan dari tegangan yang menimpanya selama masa operasinya. Contoh dari beban jenis ini pada marine structure adalah tegangan yang berhubungan dengan beban akibat gelombang. 2.2.3.2 Prosedur perhitungan kelelahan Secara umum, ada dua metode yang dapat digunakan untuk analisis kelelahan, yaitu pendekatan kurva S-N (S-N curve approach) yang dibuat berdasarkan tes kelelahan, dan pendekatan mekanika kepecahan (fracture mechanics approach). Untuk tujuan desain kelelahan, pendekatan kurva S-N lebih banyak digunakan dan dianggap sebagai metode yang paling cocok. Sedangkan metode mekanika kepecahan digunakan untuk menentukan ukuran cacat yang dapat diterima, menaksir perambatan retak kelelahan, merencanakan inspeksi dan strategi untuk memperbaikinya, dan lain-lain Perhitungan kelelahan harus dilakukan pada setiap lokasi yang berpotensi terjadi keretakan. Menurut Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker (2010), lokasi yang harus ditinjau untuk dilakukan analisis 2
kelelahan dapat dikelompokkan menjadi dua bagian : •
Longitudinal structure
Penaksiran kekuatan kelelahan harus dilakukan pada akhir sambungan antara penegar memanjang / pembujur (longitudinal stiffeners) dengan sekat melintang, termasuk wash bulkhead dan gading besar pada daerah ruang muat, yang terletak pada alas, inner bottom, sisi, sekat memanjang dan geladak kekuatan. •
Transverse structure
Penaksiran kekuatan kelelahan juga harus dilakukan pada akhir sambungan antara inner bottom plate dengan hopper plate paling tidak pada satu gading di daerah midship. Total rentang tegangan untuk fatigue assessment ditentukan dari analisis fine mesh finite element. 2.2.3.3 Beban dan tegangan kelelahan Beban kelelahan adalah salah satu parameter kunci dalam analisis fatigue. Hal yang dimaksud adalah beban jangka panjang selama proses kerusakan akibat kelelahan terjadi. Beragam studi telah dilakukan untuk meneliti beban kelelahan pada marine structure, untuk melihat karakteristik lingkungan laut, respon struktural, dan deskripsi secara statistik. Respon struktur ini ditentukan menggunakan teori hidrodinamika dan analisis elemen hingga. Untuk FPSO, loading condition yang digunakan tidak cukup hanya dengan kondisi muatan penuh dan ballast saja. Bamford (2007) menyebutkan bahwa loading condition pada analisis truktur FPSO harus ditambahkan minimal satu loading condition di antara kondisi muatan penuh dan ballast. Oleh karena itu, dalam tugas akhir ini ditambahkan satu loading condition lagi yaitu kondisi setengah muatan (50% load). Tabel Error! No text of specified style in document..1 Presentase Fatigue Loading Condition FPSO (Oh, 2003)
atau ballast. Rentang tegangan (stress range) untuk kondisi muatan penuh dapat diestimasi sebagai berikut : = −
(2.10)
Rentang tegangan untuk kondisi ballast dan setengah muatan, pada prinsipnya sama dengan kondisi muatan penuh : = − (2.11) Menurut Paik dan Thayamballi (2007), dalam penaksiran fatigue damage suatu sambungan las struktur, poin utama yang perlu diperhatikan adalah rentang siklus tegangan maksimum dan minimum dengan tegangan rata-rata, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Ketika tegangan maksimum dan minimum dinyatakan dalam σmax dan σmin, tegangan rata-rata (mean stress) dinyatakan sebagai berikut :
=
!" #
(2.14)
Dan rasio tegangan (loading) dinyatakan dalam :
$ = !"
(2.15)
Dan rentang tegangan (stress range) dinyatakan sebagai berikut : ∆ = − = 2 (2.16) Dimana amplitude”
disebut
dengan
“stress
Gambar 2.1 Rentang siklus tegangan lawan waktu 2.2.3.4 Desain kurva S-N
Menurut Bai (2003), beban lokal meliputi tekanan laut statis dan beban muatan internal
Hubungan antara rentang tegangan dan jumlah kejadian (cycle) untuk mengalami kegagalan struktur adalah fungsi dari tipe sambungan, lingkungan dan ketebalan pelat. 3
Untuk analisis kelelahan berdasarkan pendekatan tegangan nominal (nominal stress approach), sambungan lasan dibagi menjadi beberapa klas. Tiap klas memiliki desain kurva S-N masing-masing. Klasifikasi kurva S-N bergantung pada geometri detil sambungan las, arah dari fluktuasi tegangan yang bersifat relative bergantung pada detil, dan metode fabrikasi dan inspeksi dari detil sambungan tersebut. Tipe sambungan termasuk pelat dengan pelat, pipa dengan pelat, dan sambungan pipa dengan pipa memiliki klasifikasi tipe alphabet, dimana tiap tipe berhubungan dengan kurva S-N yang dibuat berdasarkan uji coba kelelahan. Kurva S-N didesain berdasar pada kurva rataanminus-dua-standart-deviasi untuk data uji coba yang relevan. Basic design dari kurva S-N dinyatakan sebagai berikut : Log N = log K – m log S
(2.27)
dimana : S = Rentang tegangan N = Nilai prediksi dari cycles untuk gagal pada rentang tegangan S m = Slope inverse negative dari kurva SN log K = intersep dari log N-axis pada kurva S-N = log a – 2std a dan std adalah konstan berhubungan dengan rataan kurva S-N dan standart deviasi dari log N. Menurut Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker (2010), kekuatan sambungan baja lasan sehubungan dengan kekuatan kelelahan dicirikan dengan kurva SN, yang memberikan hubungan antara rentang tegangan yang terjadi pada suatu detil struktur dan jumlah siklus beban amplitudo konstan untuk kegagalan. Untuk detil struktur kapal, kurva S-N digambarkan dengan : S m . N = K2
(2.28)
dimana : S = Rentang tegangan, [N/mm2] N = Perkiraan jumlah siklus untuk kegagalan dibawah rentang tegangan S m = Konstanta yg bergantung pada jenis material dan las-lasan, jenis pembebanan, konfigurasi geometris
K2
dan kondisi lingkungan (udara atau air laut) = Konstanta yg bergantung pada jenis material dan las-lasan, jenis pembebanan, konfigurasi geometris dan kondisi lingkungan (udara atau air laut)
2.2.3.5 Pendekatan
tegangan
nominal
(Nominal stress approach) Dalam tugas akhir ini tegangan didapat dengan menggunakan pendekatan tegangan nominal. Tegangan nominal adalah tegangan yang terjadi pada struktur akibat beban gelombang. Pencarian beban nominal lebih sering menggunakan bantuan perangkat lunak seperti NASTRAN, SAP dan lain-lain. Tegangan nominal juga dapat dilakukan secara manual dengan menggunakan perhitungan beam theory untuk mengasumsikan struktur kapal.
Gambar 2.2 Jenis tegangan 2.2.3.5.1. Pendekatan menggunakan analisis elemen hingga Global FEA dilakukan dengan meshing yang sedikit kasar, dengan tujuan utama untuk mendapatkan gambaran yang baik dari keseluruhan penguat membran panel di arah memanjang dan melintang serta untuk gaya geser, cukup dengan menentukan tegangan nominalnya. 2.2.3.6 Penaksiran kelelahan (fatigue assessment) Penaksiran kelelahan suatu sambungan struktur adalah salah satu permasalahan dalam desain marine structures seperti kapal, fixed platform, floating structures, pipelines, risers dan mooring lines. 2.2.3.6.1 Analisis
kelelahan
deterministik
(Deterministic fatigue analysis)
4
Dalam analisis kelelahan deterministik untuk suatu marine structure, digunakan sekumpulan periodik gelombang tunggal dengan tinggi Hi dan periode Ti gelombang tertentu, dimana i = 1,2,3,…,i. Karena fatigue damage mengacu pada waktu/periode TR, maka prosedur analisis diilustrasikan sebagai berikut : •
Menghitung jumlah kejadian untuk tiap iterasi i dari kumpulan data gelombang ' = () . + /(
(2.33)
dimana Pi adalah probabilitas (frekuensi relatif) dari tinggi gelombang Hi. •
Menghitung rentang tegangan Si (Hi) berdasarkan analisis statis dari respon struktur terhadap tinggi Hi dan periode gelombang Ti. Faktor konsetrasi tegangan (yang dinyatakan dalam K) diperoleh dengan menggunakan persamaan parametrik atau analisis numerik atau dengan uji coba. Faktor amplifikasi dinamis (D) merupakan rasio perbandingan dari rentang tegangan dinamis dengan rentang tegangan kuasistatis.
•
Menghitung jumlah siklus kegagalan Ni untuk rentang tegangan D . SCF . Si (Hi) berdasarkan desain kurva S-N.
•
Menghitung fatigue damage untuk setiap kondisi variasi gelombang ' (2.34) .
•
Menghitung cumulative fatigue damage berdasarkan hukum Miner /01 = ∑454
! 3!
S0
= Rentang tegangan maksimum, dalam setiap N0 cycles
P(S>S0) =
4
36
(rentang tegangan kelelahan S
melebihi S0 sekali dalam N0 cycles) ξ
= Parameter bentuk dari distribusi Weibull untuk siklus tegangan
K, m
= Parameter material dari kurva S-N Selanjutnya, rasio cumulative fatigue damage (DM) dapat diubah ke dalam perhitungan umur kelelahan menggunakan persamaan di bawah ini (Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker, 2010). Dalam pola ini, umur kelelahan yang didapat harus mendekati atau lebih besar dari design life kapal. JK ;0 MHCNO (2.39) BCDEFGH IEBH = JL
3. Metodologi Penelitian
(2.35)
2.2.3.6.2 Penaksiran kelelahan sederhana (Simplified fatigue assessment) Penaksiran ini menggunakan hukum Palmgren-Miner, yang dinyatakan sebagai berikut :
/01 =
36 7
96 ξ
8;3 < 6
. ξ
= >1 + ξ A (2.38)
dimana : No
= Total jumlah siklus dalam periode jangka panjang selama masa hidup
Gambar 3.3 Diagram alir pengerjaan tugas akhir
Dari diagram alir di atas langkah-langkah metodologi untuk pengerjaan tugas akhir dapat dirinci sebagai berikut : 3.1. Studi literatur 5
Studi literatur ini bertujuan untuk mendapatkan acuan dari pengalaman yang sudah dikerjakan oleh peneliti sebelumnya. Selain itu, studi literatur ini bertujuan untuk mendapatkan informasi atau data yang berlaku serta variable maupun konstanta yang diperlukan. 3.2. Pengumpulan data Data yang diperlukan untuk analisis ini merupakan data FPSO 127.575 DWT yang didapat dari PT Biro Klasifikasi Indonesia. Data tersebut antara lain : a. Data tanker :
Dalam penelitian ini dibutuhkan data utama tanker dan data gambar yang diperoleh dan digunakan untuk pemodelan, antara lain: 1. Midship Section 2. Construction Profile 3. General Arrangement b. Data lingkungan dimana struktur tersebut beroperasi Data lingkungan yang digunakan untuk menentukan pembebanan gelombang adalah data perairan widuri. Perairan widuri berada di bagian tenggara dari pulau Sumatera.
3.3. Pemodelan struktur dengan menggunakan software Poseidon Software yang digunakan untuk memodelkan struktur lambung kapal adalah software Poseidon versi 11. Hasil dari pemodelan dengan software Poseidon 11 tampak seperti berikut :
3.4. Design Criteria / Loads (Compartment & Wave Loads) Pada tahapan ini dilakukan pembebanan pada struktur, yakni compartments dan wave loads. Untuk pembebanan gelombang, dilakukan dengan memvariasikan kondisi pembebanan menurut tinggi, arah gelombang perairan setempat, serta kondisi muatan, sehingga total terdapat 168 variasi kondisi pembebanan yang akan menghasilkan tegangan nominal yang juga beragam. Seperti yang telah dijelaskan dalam bagian dasar teori, tegangan nominal dihasilkan dari selisih antara dua kondisi pembebanan gelombang yang mengenai kapal, yaitu hogging (satu puncak gelombang pada midship), dan sagging ( dua puncak gelombang pada ujung kapal). Jadi variasi kondisi pembebanan dalam analisis ini juga dibuat berdasarkan dua jenis pembebanan gelombang tersebut, maka kondisi pembebanan yang dimasukkan sebagai inputan dalam software Poseidon adalah sejumlah 336 variasi
3.5. Perhitungan tegangan nominal Perhitungan tegangan nominal dilakukan secara global dengan metode pembebanan deterministik. Beban yang paling berperan pada struktur FPSO adalah beban yang disebabkan oleh gelombang. Oleh karena itu dalam perhitungan tegangan nominal dengan pendekatan finite element analysis, kondisi pembebanan divariasikan berdasarkan arah dan tinggi gelombang, serta kondisi muatan yang dibagi menjadi tiga loading pattern, yaitu kondisi muatan penuh, 50% penuh dan kondisi ballast. •
Loading pattern Loading pattern yang digunakan berdasar pada tingkat probabilitas muatan dari kapal tersebut selama masa hidupnya, seperti terlihat pada tabel di bawah ini : Tabel 3.2 Loading patterns
Gambar 3.1 Isometric view dari struktur
•
Gelombang
Variasi dari pembebanan gelombang dibagi berdasarkan arah datangnya gelombang 6
serta tinggi gelombang. Untuk arah gelombang divariasikan menjadi delapan arah gelombang seperti terlihat pada tabel di bawah ini : Tabel 3.3 Loading pattern berdasarkan arah gelombang
4. Analisis dan Pembahasan 4.1. Data Struktur Adapun data struktur tanker adalah seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah :
4.2. Data lingkungan Sedangkan untuk tinggi gelombang divariasikan menjadi tujuh macam tinggi gelombang seperti terlihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 3.4 Variasi tinggi gelombang
Data lingkungan yang digunakan adalah data kondisi lingkungan setempat. Dalam tugas akhir ini digunakan data lingkungan 25 tahunan perairan Widuri, lokasi dimana struktur tersebut beroperasi. Dalam data lingkungan tersebut digunakan delapan arah gelombang yang dibagi berdasarkan arah mata angin.
3.6. Perhitungan umur kelelahan Perhitungan umur kelelahan dilakukan dengan metode simplified. Metode ini menggunakan persamaan (2.38) akumulasi kerusakan jangka panjang adalah sebagai berikut (Almar-Naess, 1985) : /01 =
. ξ 36 96 ξ = >1 @ ξ A 8 < 7 ;36
(3.1)
Dihitung D tiap loading condition baik dalam kondisi hogging maupun sagging, setelah itu dijumlah keseluruhan fatigue damage yang timbul (cumulative fatigue damage). Kemudian umur kelelahan dari suatu sambungan struktur didapat dari persamaan di bawah ini (Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers, 2010): /HOEF' IEBH BCDEFGH IEBH /P
MHCNO
Gambar 4.1 Arah gelombang pada Perairan Widuri
Dalam penaksiran umur kelelahan dengan metode deterministik yang menggunakan beban gelombang sebagai parameter utama, maka probabilitas dari terjadinya gelombang tersebut juga patut diperhitungkan. Probabilitas tersebut dihitung berdasarkan kejadian gelombang di tiap arah yang telah ditentukan dibandingkan dengan terjadinya gelombang secara keseluruhan yang menimpa badan kapal selama 25 tahun.
4.3. Pembebanan gelombang Metode pembebanan yang digunakan adalah metode deterministik, sehingga gelombang digunakan sebagai parameter yang utama. Dalam metode ini digunakan tiga
7
macam loading patterns yaitu kondisi muatan penuh, ballast dan intermediate (pertengahan) antara muatan penuh dan ballast, maka diambil kondisi muatan 50%. Dari tiga loading patterns tersebut dibagi lagi menjadi delapan arah gelombang sesuai dengan tabel 16. Karena tiap arah gelombang memiliki tujuh variasi tinggi gelombang, maka total kondisi pembebanan yang dihasilkan adalah sejumlah 168 variasi. Dengan bantuan software Poseidon dapat disimulasikan secara langsung tiap variasi gelombang yang mengenai struktur kapal. Dengan pemodelan dari beban gelombang tersebut dapat dihitung tengangan yang terjadi pada struktur dengan pendekatan analisis elemen hingga (finite element analysis). Pemodelan beban gelombang tersebut tampak seperti pada gambar 24 di bawah ini.
Hasil dari pemodelan finite element dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Kompartemen 2 Kompartemen 3 Kompartemen 4 Gambar 4.3 Gambar potongan memanjang dari model struktur
4.5. Analisis umur kelelahan Perhitungan umur kelelahan dalam tugas akhir ini menggunakan metode deterministik dengan variasi beban gelombang sebagai parameter utama. Akumulasi kerusakan akibat beban kelelahan didapat dengan memperhitungkan semua rentang tegangan yang terjadi di tiap loading condition yang bervariasi berdasarkan loading patterns (kondisi muatan), arah gelombang, serta tinggi gelombang.
Gambar 4.2 Pembebanan gelombang dengan software Poseidon
Gambar di atas menunjukkan simulasi pembebanan salah satu gelombang yang terjadi pada struktur FPSO berdasarkan variasi loading conditions yang telah ditentukan. 4.4. Pemodelan finite element Struktur yang dimodelkan adalah sepanjang tiga ruang muat di bagian midship, seperti yang dinyatakan dalam Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers. Pemodelan finite element dari struktur lambung kapal dilakukan dengan bantuan software Poseidon. Metode pemodelan elemen hingga yang digunakan adalah Global finite element analysis. Struktur yang dimodelkan mulai dari frame 100 hingga frame 220, yang merupakan batas dari tiga ruang muat di daerah midship.
4.5.1.
Perhitungan tegangan pada hot spot area Rentang tegangan dicari dengan menggunakan metode pendekatan finite element analysis, dengan bantuan software Poseidon untuk memodelkan struktur tiga ruang muatnya. Setelah dilakukan running program di tiap kondisi pembebanan dan kondisi dua jenis gelombang sagging dan hogging, akan didapat output berupa tegangan nominal pada tiap kondisi pembebanan. Berdasarkan CSR for Double Hull Oil Tanker, perhitungan kelelahan harus dilakukan pada setiap lokasi yang berpotensi terjadi keretakan (Hot spot area). Lokasi – lokasi tersebut antara lain : 1. Sambungan antara pembujur sisi & sekat melintang antara 0.3 - 1.1 max draft 2. Sambungan antara pembujur sisi & web transverse antara 0.3 - 1.1 max draft 3. Sambungan antara pembujur alas & Sekat melintang
8
4. Sambungan antara pembujur alas & web transverse 5. Sambungan antara pembujur geladak & web transverse 6. Sambungan antara pembujur geladak & sekat melintang 7. Sambungan antara pembujur sekat memanjang & Sekat melintang 8. Sambungan antara pembujur sekat memanjang & web transverse 9. Sambungan antara pembujur Inner Bottom & Sekat melintang 10. Sambungan antara pembujur Inner Bottom & web transverse 11. End connection pada web transverse 4.5.2. Faktor konsentrasi tegangan Berdasarkan Common Structural Rules for Bulk Carriers (2006), faktor-faktor konsentrasi tegangan seperti Kgl, Kgh, Kdf serta KdA harus diperhitungkan untuk menghitung faktor konsentrasi tegangan total K. 4.5.3. Akumulasi kerusakan akibat kelelahan (Cumulative fatigue damage) Dalam tugas akhir ini dibandingkan hasil perhitungan cumulative fatigue damage antara metode deterministik dengan metode rumus pendekatan sederhana (simplified). 4.5.3.1. Metode Deterministik Dalam metode deterministik ini digunakan hukum kegagalan kumulatif Palmgren-Miner, yang dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut : m
D=∑ i =1
ni n1 n2 n3 n = + + + ......... m Ni N1 N2 N3 Nm (4.1)
dimana : ni
= Jumlah siklus rentang tegangan dengan harga Si yang sebenarnya terjadi pada sambungan akibat beban eksternal (gelombang)
Ni
= Jumlah siklus rentang tegangan dengan harga Si yang menyebabkan kegagalan sambungan yang ditinjau. Harga besaran ini dapat diperoleh dari kurva S-N untuk jenis sambungan yang sesuai
Si
= Rentang tegangan; 2 (dua) kali amplitudo tegangan yang terjadi pada sambungan Sesuai dengan hukum Palmgren-Miner, kegagalan sambungan akan terjadi jika indeks kerusakan D mencapai harga 1.0. Nilai Si yang digunakan dalam perhitungan adalah tegangan maksimum di posisi tertentu pada sambungan (hot spot stress) yang diperoleh dari magnifikasi tegangan nominal, Si(nom), dengan faktor konsentrasi memperhitungkan tegangan, SCF (stress concentration factor). Sehingga tegangan maksimum dihitung dari persamaan berikut: (Q) R ST
(4.2)
Besarnya jumlah siklus tegangan ni untuk tiap-tiap tegangan Si yang ditimbulkan oleh beban dari gelombang dengan karakteristik tinggi Hi (m) dan periode Ti (detik) dapat dihitung dari persamaan : ' =
U! !
(4.3)
dimana : Pi
= Frekuensi relatif kejadian tiap-tiap gelombang, dengan karakteristik tinggi Hi (m) dan periode Ti (detik) yang menyebabkan timbulnya tegangan Si .
T
= Umur kelelahan struktur setelah memperhitungkan siklus seluruh tegangan.
Melalui substitusi pers (4.3) ke pers (4.1), diperoleh persamaan kegagalan struktur akibat kelelahan: (4.4) Tabel 4.1 Perhitungan fatigue damage dengan metode Deterministik
Tabel di atas menjelaskan perhitungan fatigue damage
tentang dengan 9
menggunakan metode deterministik pada sambungan 1 antara pembujur sisi dengan sekat melintang. Dari seluruh hasil D tiap loading condition, kemudian dijumlahkan sehingga akan didapatkan cumulative fatigue damage (DM) dari setiap sambungan seperti terlihat pada tabel di bawah ini. Tabel 4.2 Hasil Cumulative fatigue damage dengan metode deterministik di setiap sambungan struktur
4.5.4. Umur kelelahan struktur Menurut Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers (2010), rasio cumulative fatigue damage DM, dapat dikonversi menjadi perhitungan umur kelelahan (fatigue life) menggunakan persamaan 2.39. Dalam pola ini, umur kelelahan yang didapat harus mendekati atau lebih besar dari design life kapal. JK ;0
BCDEFGH IEBH = MHCNO (4.5) JL Dengan menggunakan persamaan di atas, maka akan didapat umur kelelahan dari setiap sambungan struktur seperti tampak dalam tabel di bawah ini : Tabel 4.4 Umur kelelahan dari setiap sambungan
4.5.3.2. Metode Simplified Perhitungan cumulative fatigue damage menggunakan metode simplified, dengan persamaan sebagai berikut :
/01
36 7
96 ξ
8;3 < 6
. ξ
= >1 + ξ A
(4.5)
Hasil dari perhitungan cumulative fatigue damage di tiap sambungan dijelaskan dalam tabel di bawah ini : Tabel 4.3 Hasil Cumulative fatigue damage dengan metode simplified di setiap sambungan struktur
hasil antara metode Perbedaan deterministik dan simplified fatigue assessment disebabkan karena adanya faktor parameter bentuk (ξ) dari distribusi Weibull dalam Simplified fatigue assessment. Sedangkan metode deterministik hanya menggunakan simulasi pembebanan gelombang aktual yang mengenai badan kapal tanpa dianalisis lebih lanjut mengenai probabilitas dari distribusi tegangan yang dihasilkan dari running beban gelombang. Blagojevic (2010) menyebutkan bahwa untuk menghitung umur kelelahan dari struktur kapal, dibutuhkan long-term stress distribution dari struktur. Penelitian tentang beban gelombang yang mengenai badan kapal menunjukkan bahwa long-term distribution of stress range dapat direpresentasikan dengan parameter distribusi Weibull seperti yang dijelaskan dalam Bab 2, dan disebutkan bahwa pengaruh dari parameter bentuk 10
Weibull (ξ) ini sangat signifikan. Hasil dari penelitian tersebut menyebutkan bahwa dengan perubahan kecil dari parameter bentuk Weibull tersebut berpengaruh besar terhadap nilai fatigue damage yang dihasilkan. Dari data dan pernyataan yang telah disebutkan di atas dapat disimpulkan bahwa untuk analisis kelelahan dengan menggunakan metode simplified fatigue assessment akan didapatkan hasil yang lebih akurat, oleh karena itu hasil perhitungan yang digunakan adalah data perhitungan dengan menggunakan metode simplified. Dari tabel 4.16 dapat dilihat bahwa perkiraan umur paling rendah adalah 27.46 tahun untuk sambungan antara pembujur sisi dengan sekat melintang (sambungan 1). Berdasarkan hasil perhitungan di atas maka umur kelelahan struktur tanker melebihi umur design life yang diharapkan yaitu 25 tahun, sehingga struktur tersebut laik untuk dikonversi menjadi FPSO, namun tentu harus dilakukan penguatan-penguatan pada pekerjaan konversinya sehingga umurnya bisa bertambah sesuai dengan umur yang diharapkan untuk masa operasi FPSO di daerah perairan setempat. 5. KESIMPULAN 5.1. Kesimpulan 1. Penaksiran umur kelelahan dari suatu floating storage seperti FPSO dirasa kurang tepat jika menggunakan pembebanan yang sesuai dengan aturan rules suatu Class tertentu seperti CSR, DNV, ABS dan lain sebagainya karena kondisi gelombang yang tidak sesuai dengan daerah operasi dari struktur tersebut. Hampir semua aturan Class menggunakan kondisi gelombang daerah North Atlantic yang digunakan untuk kapal-kapal ocean-going, sedangkan FPSO tidak berlayar dan hanya berdiam di lokasi operasinya selama hidupnya, dengan jangka waktu repair dan maintenance yang cukup lama hingga 25 tahunan. Oleh karena itu untuk analisis kelelahan struktur tersebut dapat menggunakan analisis pembebanan gelombang setempat yang disebut dengan metode deterministik. Tahapan – tahapan dalam dalam metode deterministik adalah :
-
-
-
Divariasikan kondisi pembebanan gelombang berdasarkan loading patterns, arah gelombang serta tinggi gelombang aktual yang terjadi di daerah perairan setempat selama 25 tahunan Dari keseluruhan variasi kondisi pembebanan tersebut akan didapatkan output berupa tegangan nominal yang digunakan untuk menghitung cumulative fatigue damage Cumulative fatigue damage digunakan untuk mendapatkan umur kelelahan (fatigue life)dari struktur tersebut.
2. Perhitungan cumulative fatigue damage dilakukan dengan membandingkan antara metode pendekatan sederhana (Simplified fatigue assessment) dan metode deterministik pada setiap kondisi pembebanan, yang dilakukan untuk setiap lokasi sambungan kritis berdasar pada Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker (2010). Dari perhitungan tersebut didapatkan umur kelelahan terendah berada pada sambungan antara pembujur sisi dengan sekat melintang di daerah antara 0.3-1.1 kali tinggi sarat. Dengan simplified approach, didapatkan umur sambungan tersebut adalah 27,46 tahun, sedangkan dengan metode deterministik umur sambungan tersebut adalah 20.297 tahun. Hasil perhitungan dengan metode simplified dijadikan sebagai acuan karena dianggap lebih valid dengan mempertimbangkan probabilitas dari kejadian gelombang yang terdistribusi secara acak, dengan adanya faktor Weibull Shape Parameter. Karena umur yang didapat dengan metode simplified melebihi kriteria design life yang disyaratkan yakni 25 tahun, maka struktur tanker tersebut masih laik untuk dilakukan proses konversi menjadi FPSO, namun harus dilakukan penguatan struktur di lokasi-lokasi tertentu yang dianggap kritis dan rawan terjadi kegagalan, agar umur dari struktur tersebut dapat bertambah sehingga mampu menjalankan tugas operasinya hingga waktu yang ditentukan. 11
5.2. Saran 1. Diperlukan penelitian perhitungan umur kelelahan tanker dengan memperhitungkan semua penyebab terjadinya tegangan termasuk data operasi tanker sebelum dikonversi. 2. Diperlukan data-data yang lengkap termasuk data topside module untuk mendapatkan hasil umur kelelahan yang lebih akurat. 3. Selain perhitungan umur kelelahan secara global, juga diperlukan analisis lokal dengan metode elemen hingga untuk mendapatkan umur kelelahan struktur secara menyeluruh dan lebih akurat. 4. Analisis umur kelelahan lebih disarankan menggunakan metode full-spectral-based analysis dengan menghitung respon dari gelombang yang mengenai struktur lambung kapal untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat. DAFTAR PUSTAKA International Association of Classification Societies. 2010. Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker. London : IACS Council. International Association of Classification Societies. 2006. Common Structural Rules for Bulk Carriers. London : IACS Council. Bai, Yong. 2003. Marine Structural Design. Oxford : Elsevier Science Ltd. Abdi, Khusnul. 2010. Analisa Umur Kelelahan Pada Bottom Plate FPSO Dengan Metode Elastic Plastic Fracture Mechanics Berbasis Keandalan. Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Wicaksono, A.K. 2010. Analisis Keandalan Scantling Support Structure System Gas Processing Module FPSO Belanak Terhadap Beban Kelelahan. Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Widodo, M.T. 2010. Kendalan Scantling Struktur Geladak Dan Dasar Pada Konversi Tanker Menjadi FPSO Terhadap Beban Kelelahan. Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Ship Structure Committee. 1999. SSC-405 Fatigue Resistant Detail Design Guide For Ship Structures. Washington : Ship Structure Committee. American Bureau of Shipping. 2004. Guidance Notes on - Safehull Finite Element Analysis Of Hull Structures. Houston : American Bureau of Shipping. Bonniol, V., Bureau Veritas. 2009. “Spectral Fatigue for FPSO Conversion”, New Orleans : Bureau Veritas. Bamford, R,J., Stewart, G., Lloyd’s Register EMEA., May 2007. “Application of the IACS Common Structural Rules for Oil Tankers to FPSOs”. Offshore Technology Conference, OTC 18964.
Oh, M.H., Sim, W.S., and Shin, H.S., Hyundai Heavy Industries, Co., Ltd., May 2003. “Fatigue Analysis of Kizomba 'A' FPSO using Direct Calculation based on FMS”. Offshore Technology Conference, OTC 15066. Choung, J. and Yoon, K.Y., Offshore Basic Design & Engineering Department, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd., June 2008. " Fully Stochastic Fatigue Analysis for FPSO Based on Shipyard Practices". International Journal of Offshore and Polar Engineering (ISSN 1053-5381) Vol. 18, No. 2, pp. 142–148. Fitriawan, B., Jatmiko, E.B., dan Handayanu., 2010. “Keandalan Scantling Struktur Geladak dan Dasar Pada Konversi Tanker Menjadi FPSO Terhadap Beban Ekstrem”. Jurnal Tugas Akhir : Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Blagojevic, B., and Domazet, Z., 2010. “Simplified Procedures for Fatigue Assessement of Ship Structures”. Department of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Faculty of Electrical Engineering, Mechanical Engineering and Naval Architecture, University of Split. Ayyub, B.M., Assakaf, I.A., Kihl, D.P., and Sieve, M.W., 2010. “Reliability-Based Design Guidelines for Fatigue of Ship Structures”. Center for Technology & Systems Management, Department of Civil & Environmental Engineering, University of Maryland, College Park.
12
