KAJIAN NUMERIK RESPON GERAKAN KAPAL FPSO/FSO DAN TEGANGAN MOORING HAWSER SAAT DITAMBAT Sahlan, Arifin, Wibowo,H.N. Tim Kegiatan PKPP 18 KRT 2012 UPT Balai Pengkajian Dan Penelitian Hidrodinamika – BPPT Email :
[email protected],
[email protected]
ABSTRAK Struktur terapung jenis Floating Production Storage and Offloading(FPSO) dan Floating Storage and Offloading (FSO) dioperasikan sebagai sarana produksi dan atau penyimpanan minyak mentah sebagai hasil kegiatan penambangan migas. Dalam perencanaan FSO yang akan digunakan perlu dikaji perilaku FSO saat ditambat menggunakan mooring hawser untuk menentukan kinerja kapal dan operatornya serta kekuatan sistem tambat yang akan diaplikasikan. Suatu metode pendekatan numerik digunakan untuk memprediksi besarnya respon gerakan dan percepatan gerakan saat ditambat menggunakan mooring hawser pada kondisi gelombang dengan Hs=4.42 m dan Tp=10 detik. Beberapa tahapan penting perlu dilakukan untuk mendapatkan besaran-besaran respon gerakan. Keluaran program numerik menunjukkan bahwa respon gerakan significant dan percepatan significant mode gerakan surge, heave, roll dan pitch dalam beberapa sudut heading kapal, tidaklah terlalu besar. Demikian halnya dengan tegangan maksimum hawser yang terjadi pada gelombang yang berasal dari haluan kapal dan masih berada dalam batas aman tegangan putus tali tambat (mooring hawser) yang digunakan. Kata kunci: Floating Production Storage and Offloading (FPSO), Floating Storage and Offloading(FSO), mooring hawser, pendekatan numerik, respon gerakan, percepatan gerakan
1. PENDAHULUAN Salah satu sumber energi yang cukup besar pemanfaatannya hingga saat ini adalah bahan bakar fosil yang berasal dari perut bumi yang terletak di dasar lautan. Kegiatan eksplorasi dilakukan dengan jalan memompa bahan bakar tersebut dari dasar laut menuju kapal yang berfungsi sebagai sarana produksi dan penyimpanan migas (FPSO) ataupun sarana penyimpanan yang bersifat sementara saja (FSO). Selanjutnya minyak mentah tersebut dipisah-pisahkan menjadi minyak, gas, air dan pasir, dimana material yang dianggap tidak diperlukan akan dikembalikan ke laut. Gas yang diperoleh dapat dimanfaatkan sebagai sumber energy di kapal/platform, sedangan air dapat dinjeksikan ke reservoir untuk meningkatkan produksi minyak mentah. Pada akhirnya, minyak mentah dapat dialirkan menuju tangki-tangki penyimpanan yang nantinya akan dikirim ke darat menggunakan shuttle tanker. Dalam tahap pengoperasiannya, FPSO/FSO akan mendapatkan pembebanan dari kondisi lingkungannya yang berupa beban gelombang, arus dan angin. Bebanbeban tersebut terkadang dalam kondisi yang cukup ekstrim akan mengakibatkan 1
gerakan kapal yang berlebihan maupun tegangan-tegangan pada sIstem tambat yang agak berlebihan. Hal ini sudah barang tentu akan berakibat menurunnya aktivitas produksi maupun bongkar muat migas pada kapal FSO, atau bahkan dapat membahayakan ABK yang bekerja di atas kapal tersebut serta menyebabkan terjadinya kegagalan pada sistem tambat kapal maupun buoy tambat. Kapal FPSO/FSO yang berukuran besar dapat menghasilkan beban dinamis yang tinggi pada tali tambat, diiringi beban siklis dari tarik selama gerakan kapal tersebut membuat tali tambat dapat lelah dalam waktu yang pendek. Penyebab dari gerakan yang berlebihan tidak hanya berasal dari besarnya gaya yang bekerja pada kapal tetapi juga karena komponen siklis dari gaya - gaya tersebut. Untuk mengurangi resiko putusnya tali tambat karena gerakan dari kapal yang berlebih tersebut sangat diperlukan respon cepat dari alat yang ada pada kapal FPSO/FSO untuk melepas tali tambat yang menghubungkan ke Export Tanker yang sedang ditambat untuk proses bongkar muat minyak atau gas. Kondisi saat ini di lapangan menunjukkan bahwa saat tali tambat (mooring hawser) menerima beban maksimun sensor monitoring yang ada akan mengirim respon ke sistem kontrol elektronik yang ada di ruang kontrol dan pada beban tertentu alarm akan berbunyi hal ini menandakan mooring hawser menerima beban yang tidak diijinkan sehingga crew yang bersiaga pada kapal FPSO/FSO akan segera menekan tombol pada alat pelepas mooring hawser (Quick Releace Hook) sehingga Eksport Tanker yang sedang tambat pada kapal FPSO/FSO akan terlepas dan di bawa ke zona yang aman. Dengan kondisi ini tentunya bisa terhindar dari kemungkinan putusnya tali tambat. Permasalahan yang ada saat ini adalah begitu kapal menerima beban dari gelombang dan angin yang sangat ekstrin dan responnya ke tali tambat sangat cepat sekali bahkan hanya ukuran beberapa menit saja tentunya harus diimbangi respon cepat juga dari alat pelepas tali tambat sehingga tentunya dapat terhindar dari kemungkinan putusnya tali tambat. Pemecahan masalah yang ada adalah merubah kinerja dari sistem pelepas tali tambat semi otomatis ke sistem otomatis di mana apabila tali tambat menerima beban lebih sensor stress monitoring akan mengirim respon ke sistem kontrol elektronik kemudian dari sistem kontrol elektronik akan mengirim respon ke motor penggerak sistem mekanis untuk melepas tali tambat yang tertambat pada kapal FPSO/FSO. Solusi dari hal di atas tentunya adalah memperbaiki kinerja dari sistem tambat yang ada sekarang menjadi sistem tambat otomatis Kegagalan pada sistem tambat kapal (mooring hawser) terjadi bilamana tegangan maksimum yang terjadi pada sistem tambat kapal melebihi ambang batas atas dari kekuatan tali tambat yang digunakan. Oleh karenanya, diperlukan adanya inovasi suatu sistem tambat otomatis yang dapat merespon beban tali tambat ke sistem mekanis pelepas tali tambat (Quick Releace Hook) dengan cepat dan aman, sehingga tegangan tali tambat (mooring hawser) yang berlebihan tidak terjadi. Salah satu langkah desain agar sistem mekanis pelepas tambat otomatis kapal FPSO/FSO bisa bekerja secara effektif maka diperlukan kajian numerik awal untuk memprediksi besarnya Respon gerakan kapal (RAO) dan tegangan tali tambat kapal (mooring hawser), tegangan hoses maupun tegangan tali tambat (mooring lines). Simulasi numerik ini dilakukan secara bertahap dengan memanfaatkan beberapa program aplikasi seperti SHIPMO, MOSES, ORCAFLEX dll. 2
Program tersebut di atas membutuhkan masukan table offset badan kapal, koefisien-koefisien hidrodinamika, data system tambat, data lingkungan yang dapat digambarkan secara skematis(1) sebagaimana Gambar 1 di bawah ini.
Gambar 1. Skema input data
Berdasarkan keluaran program di atas sehingga dapat ditentukan besarnya kapasitas sistem otomatis “Quick Release Hook” yang akan diaplikasikan pada kapal FPSO/FSO yang melakukan aktifitas bongkar muat dalam kondisi operasionalnya tanpa mengalami kegagalan sistem tambat karena tegangan yang berlebihan saat terjadi zona gelombang tidak aman . 2. PERMASALAHAN Tujuan utama dari penelitian ini adalah mengembangkan suatu sistem tambat untuk memperbaiki kinerja yang dilengkapi dengan sistem kontrol otomatis untuk keselamatan operasional bongkar muat minyak atau gas dan dapat dipakai pada kapal FPSO/FSO saat melakukan bongkar muat minyak atau gas di dermaga atau platform terapung dengan cara melepas tali tambat secara otomatis untuk menghindari gerakan yang berlebih dari kapal atau putusnya tali tambat. 3. METODOLOGI PENELITIAN Dalam penelitian ini pemodelan numerik dilakukan berdasarkan persamaan gerakan kapal. Adapun metodologi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu dengan menyelesaikan persamaan gerakan kapal saat ditambat melalui metoda numerik. Dengan berkembangnya metode komputasi dan murahnya peralatan komputer maka dalam beberapa tahun belakangan ini, metode numerik menjadi pilihan yang handal untuk memprediksi kinerja kapal yang ditambat. Prediksi kinerja 3
dan beban sistem tambat dengan menggunakan model matematika biasanya didasarkan atas beberapa asumsi untuk memudahkan tahapan perhitungan. Gaya-gaya hidrodinamika orde pertama pada kapal yang ditambat pada gelombang regular dapat dihitung dengan metode singularitas berdasarkan aliran potensial 3 dimensi. Gelombang datang diasumsikan mengalami difraksi di kapal, mengarah pada potensial gelombang difraksi yang terbentuk atas potensial gelombang dan gelombang radiasi yang disebabkan oleh gerakan kapal. Gayagaya hidrodinamika diperoleh dengan menjumlahkan seluruh gaya yang diakibatkan oleh potensial gelombang datang, radiasi dan difraksi. Perhitungan yang dilakukan dengan menggunakan bagian-bagian amplitude gelombang pada frekuensi gelombang yang berbeda akan menghasilkan transfer function. Gayagaya drift akibat gelombang nilainya cukup kecil sebanding terhadap kuadrat tinggi gelombang. Secara umum, ada 2 metode pendekatan untuk menentukan gayagaya drift pada gelombang regular yaitu metode pendekatan far field dan near field. Metode far field mendapatkan gaya drift melalui hukum kekekalan energi atau momentum fluida. Adapun metode near field menghitung gaya drift melalui penjumlahan secara langsung terhadap tekanan fluida pada permukaan basah kapal. Dalam kaitannya dengan penentuan tegangan maksimum yang terjadi pada sistem tambat, maka perlu diketahui perilaku gerakan surge kapal secara menyeluruh. Diasumsikan bahwa karakteristik gaya kekakuan kapal secara keseluruhan untuk mode gerakan surge adalah linear. Dengan mengasumasikan respon gerakan surge pada frekuensi rendah dapat dipisahkan dari moda gerakan lainnya, persamaan gerakan surge dapat dituliskan dalam bentuk linear dengan koefisien-koefisien konstan. Dengan demikian maka dimungkinkan untuk dilakukan analisa dalam domain frekuensi dengan menggunakan spectral gaya-gaya drift. Secara umum, persamaan gerakan kapal untuk permasalahan ini dapat dituliskan sebagai berikut : (1)
Dimana : m : massa kapal FPSO/FSO a : massa tambah hidrodinamis b : koefisien damping C : konstanta gaya kekakuan f : gaya drift yang bekerja pada FPSO/FSO Massa tambah hidrodinamis dapat diasumsikan sebesar 15% massa kapal, sedangkan koefisien damping bisa diasumsikan 1.2% critical damping. Critical damping, bc merupakan fungsi koefisien gaya kekakuan yang dapat diperoleh dari persamaan berikut. (2)
4
4. PEMODELAN NUMERIK SISTEM TAMBAT Dalam pemodelan numerik sistem tambat dengan program Orcaflex, perlu dilakukan beberapa tahapan pemodelan sebagai berikut: -
Pemodelan vertices badan kapal FPSO/FSO Input data RAO, added mass, damping, QTF Pemodelan mooring hawser, mooring hoses Pemodelan vertices SBM Pemodelan environment operasional kapal
Sebagai studi kasus maka dilakukan pemodelan numerik terhadap kapal FSO sebagaimana terlihat pada Gambar 2 berikut. Kapal ini mempunyai ukuran utama dengan panjang (L) 180m, lebar (B) 46m, tinggi (H) 27m, serta diameter single buoy mooring (SBM) 5 m dan tinggi 2.6 m.
Gambar 2. Pemodelan Numerik Sistem Tambat
5
5. ANALISA RESPONSE GERAKAN DAN TEGANGAN TALI TAMBAT Berdasarkan hasil keluaran program yang digunakan untuk perhitungan numerik model sistem tambat kapal Floating Storage & Offloading (FSO) dengan Single Buoy Mooring (SBM) diperoleh data Response Amplitude Operator (RAO) dalam berbagai sudut heading, sebagai fungsi frekuensi sebagaimana ditunjukkan dalam gambar berikut. FLOATING STORAGE OIL MOORED AT SBM RAO SURGE
FLOATING STORAGE OIL MOORED AT SBM RAO HEAVE 2
Ψ=135 ο Ψ=180 ο
Response Amplitude Operator, RAO (m/m)
Response Amplitude Operator, RAO (m/m)
2
1.5
1
0.5
0
0.4
0.8
1.2
1.6
Ψ=90 ο Ψ=135 Ψ=180 ο
1.5
1
0.5
0
0.4
FLOATING STORAGE OIL MOORED AT SBM RAO ROLL 2 Ψ=90 ο Ψ=135
Response Amplitude Operator, RAO (deg/m)
Response Amplitude Operator, RAO (deg/m)
1.2
ο
12
8
4
0.4
0.8 Frequency (rad/s)
1.6
FLOATING STORAGE OIL MOORED AT SBM RAO PITCH
16
0
0.8 Frequency (rad/s)
Frequency (rad/s)
1.2
1.6
Ψ=135 ο Ψ=180 ο
1.5
1
0.5
0
0.4
0.8
1.2
1.6
Frequency (rad/s)
Gambar 3. Perbandingan Response Gerakan FSO pada Beberapa Sudut Heading
Salah satu parameter yang dapat digunakan untuk menilai kinerja FSO adalah besaran gerakan significant dan percepatan significant yang terjadi akibat beban gelombang, arus dan angin yang bekerja pada FSO, sebagaimana ditampilkan pada table 1 dan 2 sebagai berikut. 6
Tabel 1.
Gerakan Significant FSO
Sudut Heading
Surge (m)
Heave (m)
Roll (deg)
Pitch (deg)
90
0.001
2.816
8.861
-
135
0.312
0.876
2.417
1.586
180
0.298
0.934
-
0.989
Tabel 2.
Percepatan Significant FSO
Sudut Heading
Surge (m/s2)
Heave (m/s2)
Roll (deg/s2)
Pitch (deg/s2)
90
0.094
0.972
2.593
-
135
0.267
0.295
0.673
0.489
180
0.189
0.351
-
0.297
Dari table diatas terlihat bahwa gerakan heave FSO terbesar yang terjadi akibat gelombang dengan tinggi gelombang significant, Hs=4.42m dan Tp=10 detik adalah 2.816m pada sudut heading 90 derajat, roll terbesar 8.861 derajat pada sudut heading 90 derajat dan gerakan pitch terbesar 1.586m pada sudut heading 135 derajat. Adapun percepatan gerakan terbesar terjadi untuk gerakan rolling pada sudut heading 90 derajat yaitu 2.593 deg/s2. Besaran-besaran tersebut perlu mendapat perhatian yang cukup serius dalam perencanaan sistem tambat FSO. Berdasarkan hasil simulasi numerik yang dilakukan pada beberapa sudut heading kapal, diperoleh data tegangan mooring hawser sebagaimana ditunjukkan pada tabel berikut. Tabel 3. Tegangan Mooring Hawser Sudut Heading
Tension (kN)
90
70.8
135
72
180
141
7
Dari tabel di atas diketahui bahwa tegangan maksimal tejadi pada gelombang yang berasal dari haluan kapal (180 deg)yang mengakibatkan kapal akan cenderung bergerak mundur. Dengan demikian mooring hawser akan mengalami tarikan yang lebih kuat. Adapun pada kondisi gelombang dari arah beam seas (90 deg) maupun quartering seas (135 deg), gaya gelombang akan mengakibatkan tension pada mooring hawser yang lebih kecil.
6. KESIMPULAN
Dalam kajian Floating Storage and Offloading (FSO) yang ditambat pada Single Buoy Mooring (SBM) perlu dilakukan prediksi numerik perilaku FSO dan tegangan hawser guna menilai kinerja FSO dan sistem tambat yang digunakan. Dari kajian numerik yang dilakukan diketahui bahwa besarnya respon gerakan yang terjadi cukup kecil. Hal tersebut terlihat dari besaran gerakan dan percepatan significant mode gerakan surge, heave, roll dan pitch dalam berbagai sudut heading yang kesemuanya menunjukkan besaran dalam batas aman untuk kenyamanan, kelayakan dan keselamatan operasionalnya. Demikian halnya dengan besarnya tegangan pada mooring hawser yang menghubungkan FSO dan Shuttle tanker, juga menunjukkan suatu kecenderungan terjadinya tegangan maksimum pada kondisi gelombang yang berasal dari haluan kapal. Tegangan maksimum yang terjadi masih lebih rendah dibandingkan breaking loads material mooring hawser. Dengan demikian pada kondisi operasionalnya, moooring hawser yang digunakan dalam sistem tambat FSO maupun shuttle tanker masih dinyatakan aman.
DAFTAR PUSTAKA
1. Alkyon (2003), “Ship Mooring Validation Documents”, Alkyon Document, Netherland. 2. Bhattacharya, R,” Dynamics of Marine Vehicles”, John Wiley & Sons Inc(1978) 3. Reddy D.V and Arockiasamy, M,” OFFSHORE STRUCTURE Vol I & II”, Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, 1991 4. Schellin and Ostergaard (1993), ”Mooring Problems”, Journal of Marine Structure 5. www.orcina.com , “OrcaFlex Manual , Version 9.5a “.
8
