Optimasi Konfigurasi Sudut Stinger dan Jarak Antara Lay Barge dan Exit Point pada Instalasi Horizontal Directional Drilling
Triestya Febri Andini1, Daniel M. Rosyid2, Joswan J. Soedjono2 1) Mahasiswa Jurusan Teknik Kelautan, FTK – ITS Surabaya 2) Staf Pengajar Jurusan Teknik Kelautan, FTK – ITS Surabaya
Abstrak Instalasi pipeline di l epas p antai m emiliki p eranan penting d alam p erkembangan i ndustri m inyak d an g as b umi s aat i ni, s ebab s ebelum beroperasi d i l epas pantai, s etiap pipeline yang akan d ipakai h arus melalui t ahap i nstalasi. Selama tahap t ersebut pipa akan m engalami tegangan yang p erlu d ianalisis, s ehingga t egangan yang t erjadi tidak m engganggu k eamanan s aat proses i nstalasi dan transmisi nantinya. Pada tugas akhir ini dilakukan analisa tegangan von misses, bending moment, dan pulling force pada instalasi pipa horizontal directional drilling. Untuk analisa von misses dan pulling force dilakukan variasi jarak antara lay barge dan exit point, sedangkan untuk analisa bending moment dilakukan variasi sudut s tinger. Perangkat lunak Offpipe digunakan untuk perhitungan dan simulasi dari proses instalasi dengan metode S-lay dan besar bending moment yang dihasilkan tersebut akan dievaluasi Proses berdasarkan kriteria yang terdapat pada DNV OS F101 dan petunjuk praktis API RP 1111. Sedangkan software Orcaflex digunakan untuk menganalisa von misses dan pulling force. Hasil analisis yang dilakukan menunujukkan bahwa jarak optimum dan sudut optimum terdapat pada jarak 140 meter dan sudut 10 derajat. Kata kunci : instalasi; S-lay; tegangan; horizontal directional drilling; optimasi
Horizontal directional drilling (HDD) m uncul sebagai p ilihan metode crossing terhadap banyaknya kondisi pa da s aat penginstallan oil and gas pipeline maupun te rhadap b eberapa u tilities lainnya. Bergantung p ada metode i nstalasinya, p ipa bawah l aut menerima b eban-beban yang b erbeda dari lay vessel selama p roses i nstalasi. B ebanbeban t ersebut b erupa t ekanan hi drostatik, gaya aksial dan momen bending. Analisis instalasi p ipa dilakukan unt uk m emperkirakan tegangan maksimum yang t erjadi s elama p roses p eletakan (laying process). Dari hasil a nalisis te rsebut d apat dipastikan ba hwa pipeline tidak a kan mengalami kegagalan b ila tegangan yang terjadi masih b erada dalam batas kekuatan desain.
1. Pendahuluan Ketergantungan manusia t erhadap p rodukproduk m igas ya ng t idak dapat dihentikan menyebabkan semakin intensifnya usaha pencarian dan ek splorasi d i daerah lepas p antai dan l aut dalam. U ntuk mengakomodasi pe nyaluran minyak dan g as bum i da ri s umur-sumur minyak di l epas pantai d an la ut d alam d alam d ibutuhkan j aringan pipa b awah l aut s ebagai al ternatif yang p aling mudah, a man, d an e fisien. Seiring d engan p eranan tersebut pembangunan pipeline di lepas pantai dari waktu ke waktu s emakin m eningkat. S udah menjadi h al yang bi asa bahwa bi aya yang dikeluarkan un tuk pe mbangunan pi pa l ebih be sar dibandingkan biaya produksi. Ada beberapa m etode y ang di gunakan dalam melakukan i ntalasi p ipa b awah l aut ( marine pipeline installation). Beberapa metode instalasi yang sering d ipakai ad alah metode S-lay dan J-lay dapat dilihat pada Gambar 1.1
2. Dasar Teori 2.1 Beban – Beban pada Sistem Perpipaan Dalam p engoperasisan si stem Pipeline terdapat beban-beban y ang diterima, b eban-beban t ersebut sangat banyak d an memerlukan a nalisa komplek. Beban-beban p ada pipeline dapat d ibedakakan sebagai berikut : a. Beban Sustain (Sustain Load) Beban sustain merupakan b eban y ang dialami oleh pipeline secara terusmenerus. B eban i ni merupakan ko mbinasi beban yang di akibatkan o leh t ekanan internal dan beban berat. Beban berat yang
Gambar 1. Metode instalasi pipa
1
dialami o leh sistem p erpipaan d apat digolongkan menjadi dua jenis: Live load : meliputi be ban f luida yang m engalir m elalui pipeline atau fluida l ain yang d igunakan unt uk pengujian pipeline tersebut. Dead load : meliputi b erat komponen-komponen pipeline, b erat isolator, da n be ban pe rmanen yang bekerja pada pipeline tersebut. b. Beban occasional (Occasional Load) Beban occasional adalah b eban d inamik pada s istem p erpipaan yang d apat disebabkan oleh beberapa hal yaitu : Beban g elombang : B eban yang ditimbulkan ol eh g elombang yang mengenai pipa. Beban gempa : B eban ak ibat gempa bum i yang t erjadi di t empa pemasangan sistem perpipaan. c. Beban ekspansi termal (Expansion Load) Beban t ermal ad alah b eban yang timbul akibat e kspansi t ermal yang terjadi p ada sistem p erpipaan. B eban t ermal i ni d apat dibagi menjadi: Beban t ermal a kibat p embatasan gerak o leh t umpuan s aat p ipa mengalami ekspansi. Beban t ermal a kibat p erbedaan temperatur yang b esar d an s angat cepat d alam di nding pi pa sehingga menimbulkan tegangan. Beban ak ibat p erbedaan koefisien ekspansi pi pa yang di buat da ri du a logam yang berbeda
2.4 Percent Yield Yaitu perbandingan antara total stress dengan allowable y ield s tress. Dimana allowable y ield stress adalah 450 Mpa. 2.5 Teori Optimasi Optimasi a dalah sesuatu yang di lakukan un tuk mendapatkan hasil yang terbaik untuk kondisi yang tersedia d alam d esain, konstruksi (pemeliharaan untuk semua engineering). A da b eberapa tahap yang h arus dilakukan s ebelum m engambil keputusan. T ujuan d ari o ptimasi a dalah u ntuk memperoleh hasil yang maksimal ataupun minimal dimana h al t ersebut da pat di katakan opt imum (RAO, 1984). Metode opt imasi yang di pakai tergantung p ada tipe p ermasalahan. D alam p enelitian i ni metode optimasi y ang s esuai adalah m etode optimasi dengan kendala. M etode o ptimasi d engan kendala memiliki t eknik p enyelesaian yang b ermacammacam, t etapi s ecara u mum dapat d ibagi m enjadi dua, metode langsung dan metode tak langsung.
3 Metodologi Pengerjaan t ugas a khir i ni d imulai d engan proses pengumpulan data pipa, data barge, dan data lingkungan. Kemudian dilakukan pemodelan barge dengan menggunakan s oftware M OSES yang menghasilkan R AO m otion da n w ave d rift force struktur. Selanjutnya d ilakukan p emodelan dengan menggunakan sofware Orcaflex untuk mencari von misses d an t ension. K emudian d ilakukan permodelan dengan menggunakan software Offpipe untuk mencari bending moment.
2.2 Tegangan Von Misses Tegangan von misses yaitu t egangan gabungan a ntara hoop stress, longitudinal stress, dan axial stress.
Dimana,
3.2 Data data yg digunakan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
(1)
Tabel 1 Data Pipa (2);
dan
(3);
(4) 2.3 Analisa pulling Force Analisa yang dilakukan u ntuk mengetahui besarnya pulling force, dimana pulling force adalah gaya yang d ibutuhkan o leh winch u ntuk menarik pipa.
2
4.3 Analisa Orcaflex
Tabel 2 Data Barge
Struktur
dengan
Software
Pemodelan i ni d ilakukan d engan menggunakan software ORCAFLEX dengan simulasi selama 100 detik. Pemodelan d ilakukan d engan memasukkan nilai RAO, di mensi barge, properties pipa, da n data lingkungan. Skenario permodelan dilakukan masing-masing pada 5 variasi jarak yaitu 80 meter, 100 meter, 120 meter, 140 m eter, da n 160 m eter. H asil d ari running ORCAFLEX adalah unt uk m engetahui besar maximum von misses, b esar tension yang terjadi, d an b esar n ilai pulling force yg d iperoleh akibat adanya variasi jarak.
Tabel 3 Data Lingkungan
Tabel 4 Tension, von misses, dan pulling force dengan variasi jarak antara laybarge dan exit point 4 Analisa dan Pembahasan 4.2 Analisa Struktur Laybarge dengan Moses Pada pemodelan pertama dengan MOSES akan dihasilkan R AO motion dan wave drift dari laybarge tanpa m oring untuk a rah 0 °, 4 5°, 9 0°, 135° dan 18 0° dalam g erak surge, heave, sway, roll, pitch, dan yaw. Hasil ini a kan d iinputkan ke software ORCAFLEX untuk mendapatkan r espon dari laybarge. Dari analisa g rafik R AO diketahui ba hwa secara umum karakteristik gerakannya tidak terlalu berbeda. D engan k arakteristik gerakan p ada masing-masing a rah p embebanan (heading) dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Following seas (μ= 0°) dan head seas (μ=180°) Pada ar ah g elombang 0 ° d an 1 80° g erakan barge yang mengalami p erubahan p aling signifikan adalah surge, heave, dan pitch. Gerakan sway, roll, dan yaw hampir tid ak mengalami perubahan.
Jarak antara Laybarge dan Exit Point (meter)
Tension
Von Misses
(kN)
(kN/m2)
100
2585.61
441062.63
619.35
120
2870.76
278726.95
743.22
140
4059.24
242002.61
867.09
160
4921.01
251834.85
990.96
Pulling Force (kN)
Dari h asil a nalisa d iatas d iketahui b ahwa tension dan von misses terbesar t erjadi p ada j arak 100 meter. Hal ini dapat diartikan bahwa pada instalasi yang dilakukan pada j arak 100 meter, pipa mengalami overstress sehingga da pat di katakan gagal.
2. Beam seas (μ= 90° )
4.4 Analisa Proses Instalasi dengan Bantuan Software Offpipe
Pada ar ah g elombang 9 0° ge rakan barge yang mengalami perubahan p aling signifikan adalah sway, heave dan roll. G erakan yang lain hanya sedikit mengalami perubahan.
4.4.1 Analisa Statis Sistem Selama Proses Instalasi
3. Quartering seas (μ= 45° dan 135° ) Pada quartering seas hampir s emua gerakan terjadi, b aik gerak r otasi maupun t ranslasi. Respons pa ling be sar terjadi p ada g erak heave dan roll.
3
Yang dimaksud dengan analisa statis sistem yaitu melakukan p ermodelan d i d alam software OFFPIPE tanpa memodelkan pergerakan daripada laybarge dengan p engertian l ain laybarge diasumsikan diam (statis). Dalam analisa statis juga perlu d iperhatikan b esar t egangan yang t erjadi selama proses instalasi. Tegangan pipa yang terjadi di mulai pada daerah overbend dan sagbend.
Dalam pe rmodelan menggunakan s oftware offpipe ini, skenario permodelan dilakukan masing – masing p ada 4 v ariasi s udut yaitu 4 d erajat, 6 derajat, 8 derajat dan 10 derajat.
Pada kurva diatas terdapat constrain yaitu von misses dan tension dimana didapatkan titik optimumnya pada jarak 140 meter dan sudut 8,1 derajat. Dimana persamaan von misses adalah g1 (x) = 0,001X22 - 0,375X1 + 23 ≤ 432 Mpa. Dan persamaan tension adalah g1 (x) = 0,001X22 0,375X1 + 36 ≤ 2041 Ton.
Tabel 5 Bending Moment dan Percent Yield dengan Variasi Sudut Stinger Sudut Stinger
Bending moment
Percent yield
(derajat)
(kN-m)
(percent)
4
-1112.731
82.75
6
-1122.33
83.48
8
-1100.505
81.9
10
-1587.151
116.72
5 Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari tugas akhir ini, antara lain : 1. Untuk variasi j arak a ntara l aybarge d an e xit point didapatkan hasil bahwa pada jarak 100 meter von misses 441062. 63, di mana a llowable von misses a dalah 432000k N/m2. S ehingga da pat diambil kesimpulan bahwa instalasi tidak dapat dilakukan pada jarak 100 meter.
Dari h asil a nalisa d iatas d iketahui b ahwa bending moment yg t erjadi pada v ariasi s udut stinger melebihi dari 1000 kN-m, namun nilai percent yield pada s udut 4 d erajat h ingga sudut 8 d erajat masih d alam b atas a man. Tetapi pa da s udut 10 derajat percent yield melabihi batas. H al ini d apat diartikan bahwa pada instalasi yang dilakukan pada sudut 10 derajat, pipa akan mengalami buckling.
2. Untuk variasi sudut stinger didapatkan hasil bending moment t erbesar pa da s udut 10 de rajat. Hal ini dapat diartikan bahwa instalasi akan gagal apabila menggunakan sudut stinger 10 derajat. 3. Pulling f orce y g dibutuhkan sistem un tuk menarik pipa adalah:
4.5 Optimasi Design Proses o ptimasi d ilakukan s etelah d idapatkan desain instalasi. O ptimasi d iawali d engan menentukan variabel desain awal yaitu jarak antara laybarge da n e xit poi nt, da n s udut stinger di ubah dan d ivariasikan. V ariasi d ilakukan d engan j arak sejauh 100 m eter, 120 m eter, 140 m eter, da n 160 meter, da n v ariasi s udut s tinger s ebanyak 4 sudut yaitu 4 derajat, 6 derajat, 8 derajat, dan 10 derajat. Berikut i ni ad alah o ptimasi yang di lakukan terhadap jarak dan sudut stinger :
Jarak antara Laybarge dan Exit Point (meter)
Pulling Force
100
619.35
120
743.22
140
867.09
160
990.96
(kN)
6. Daftar Pustaka Bai, Y . 2 001, Pipeline an d R iser, E lsevier O cean Engineering Book Series, Volume 3. DNV OS -F101 Submarine Pipeline S ystem, 2007. Det Norske Veritas, Norway Gambar 2. Grafik optimasi
Indiyono, P. 2004. Hidrodinamika Bangunan Lepas Pantai. Surabaya : Penerbit SIC.
4
Mouselli, A.H. 1981. O ffshore P ipeline D esign, Analysis, and Methods. Pennwell Books, Oklahoma. Rao,
S.S,1985, Optimization Theory and Applications. W iley E astern Limited, N ew Delhi.
Rosyid, D.M, 2009, Optimasi: Teknik Pengambilan Keputusan S ecara K uantitatif. ITS Press, Surabaya. Semedi, D .W, 200 5, O ptimasi P ipa B awah L aut Pada Lapangan Produksi G as T unu Kalimantan T imur, T ugas A khir J urusan teknik Kelautan, Surabaya. Soegiono. 2007. Pipa Laut. Surabaya : Airlangga University Press. Syarifudin, I , ( 2007), “ Analisa T egangan P ipa Bawah Laut Akibat Gerakan L ay-Barge Berdasarkan Time Domain Saat Laying”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan.
5
