PERHITUNGAN UMUR LELAH FREESPAN MENGGUNAKAN DNV RP F-105 TENTANG FREESPANNING PIPELINES TAHUN 2002

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2. No. 1. (2013) 1-7

PERHITUNGAN UMUR LELAH FREESPAN MENGGUNAKAN DNV RP F-105 TENTANG “FREESPANNING PIPELINES” TAHUN 2002 Dian Febrian, Hasan Ikhwani, Yoyok Setyo Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

1. PENDAHULUAN Dewasa ini system perpipaan bawah laut sangat berperan penting dalam industry oil and gas. Pipa bawah laut dianggap alat yang efektif dan efisien bila digunakan untuk mendistribusikan gas dari sumur menuju station atau konsumen. Tetapi pipa bawah laut juga memerlukan pengawasan dan perawatan yang ekstra ketat agar tidak terjadi kegagalan. Seperti diketahui perawatan pipa bawah laut sangatlah tidak mudah seperti pipa darat. Memeliharaan serta survey akan keadaan pipa tidak bisa setiapsaat dilakukan. Perlu adanya biaya dan waktu khusus untuk melakukan survey. Dari hasil survey dapat diketahui apakah terjadi freespan atau tidak. Hal tersebut sangat penting karena terjadinya kegagalan pipa bawah laut paling besar disebabkan oleh freespan.

ABSTRAK Dalam masalah perpipaan bawah laut, freespan merupakan masalah yang sangat penting. Adanya freespan dapat menimbulkan gaya-gaya yang menyebabkan kegagalan struktur. Kegagalan struktur tersebut sangat dipengaruhi oleh umur kelelahan suatu struktur. Umur kelelahan adalah umur yang dapat dilalui struktur hingga struktur tersebut mengalami kegagalan. Untuk itu diperlukan perhitungan umur lelah hingga dapat memprediksi kapan suatu jalur perpipaan bawah laut harus dilakukan retifiksi sehingga kegagalan struktur dapat dihindari. Perhitungan umur leleh diawali oleh perhitungan panjang efektif span yang telah dihitung. Setelah diketahui panjang efektif, maka dilakukan perhitungan umur lelah. Umur leleh sangat dipengaruhi oleh besarnya nilai stress range. Pada penelitian ini terdapat 40 variasi span dari panajng span 2 m hingga 60 m yang diteliti dan dihitung. Dari hasil perhitungan didapatkan hasil bahwa umur terlama adalah sebesar 43 tahun untuk gerakan in-line pada panjang actual span 7 m dan 385 tahun untuk gerakan cross-flow pada panjang span 2 m. Sedangkan umur tercepat adalah 0.5 tahun untuk in-line dan 16 tahun untuk cross-flow keduanya sama-sama pada panjang aktual 60 m. Perhitungan umur lelah juga menghasilkan hasil screening kegagalan. Pipa dikatakan gagal apabila umur lelah lebih kecil dari sisa umur desain.

Menurut Arif (2011) terjadinya freespan adalah parameter utama dari perhitungan kelelahan.Salah satu manfaat dari melakukan survey adalah untuk melakukan analisa fatigue atau umur kelelahan struktur. Umur kelelahan sendisi sangat dipengaruhi oleh keadaan freespan, panjang span, serta keadaan lingkungan yang dapat menimbulkan bebanbeban hidrodinamis.Menurut Ramadhan (2008), freespan, pipa harus kuat untuk melawan excessive yielding, fatigue, buckling dan ovalisasi.

Kata Kunci : Free span, umur lelah, in-line, Crossflow

Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data pipa bawah laut pada jalur Selat Sunda yang mendistribusikan gas dari Pulau Sumatera menuju Pulau Jawa. Data freespan dihasilkan

1

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2. No. 1. (2013) 1-7 dari survey dan didapat 40 titik freespan dengan panjang, gab, serta lokasi yang berbeda.

2.2Vortex induced Vibration VIV merupakan getaran yang diakibatkan oleh fenomena sekunder dari interaksi antara fluida dan struktur pipa.Fenomena sekunder ini dinamakan fenomena pelepasan vortex.VIV pada struktur pipa bawah laut merupakan faktor penting yang mempengaruhi semua tahapan pengembangan struktur bawah laut.

2. DASAR TEORI Suatu analisa dinamis dilakukanuntuk menghitung respon-respon dinamis dari kecepatan arus, kecepatan gelombang serta kekuatan daya dukung tanah terhadap freespan.

Aliran dari gelombang dan arus yang timbul di sekitar pipa akan menimbulkan pusaran yang menghasilkan distribusi tekanan. Pusaran ini menghasilkan osilasi atau getaran pada pipa.Jika frekuensi dari pusaran ini mendekati frekuensi natural pipa, maka terjadi resonansi, dan inilah yang menyebabkan kelelahan pada pipa (Bai, 2001).

Metode analisa span dibagi dua bagian, dan masing-masing memiliki 2 t ahapan, dan terdiri dari analisa tegangan awal dan cek frekuensi getaran, kemudian diikuti oleh analisa regangan serta analisa kelelahan apabila diperlukan. Dalam buku offshore pipeline, Guo et.al, 2005 mengatakan bahwa resiko kerusakan pada freespan pipa dapat terjadi dalam dua mekanisme yang terpisah, yang pertama adalah akibat bending yang berlebih karena beban hidrodinamis dan berat pipa itu sendiri, atau kerusakan akibat fatigue dalam kurun waktu panjang.

2.3 Perhitungan Umur Lelah Perhitungan umur lelah pada penelitian ini menggunakan code DNV RP F-105 tentang “Freespanning Pipleines”. Tahapan perhitungan umur lelah diantaranya: 1. Menghitung reduction function dengan persamaan:

2.1 Freespan Freespan adalah kondisi yang terjadi pada sistem perpipaan bawah laut, dimana pipa tidak bertumpu sempurna pada seabed atau support.Freespan yang terjadi memiliki batas maksimum agar tidak menyebabkan kerusakan pada pipa.Freespan dapat terjadi karena beberapa faktor misalnya erosi, atau pergerakan seabed. Faktor penyebab freespan tersebut tidak bisa dikendalikan secara mutlak karena merupakan faktor alam yang terjadi di laut.

0.0 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝜓𝜓𝜓𝜓𝜓𝜓𝜓𝜓 = �(𝛼𝛼 − 0.5)/0.3 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 1.0 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢

𝛼𝛼 < 0.5 0.5 < 𝛼𝛼 < 0.8……1 𝛼𝛼 > 0.8

2. Menghitung nilai reduce menggunakan persamaan: 𝑉𝑉𝑅𝑅 =

velocity

𝑈𝑈𝑐𝑐 +𝑈𝑈𝑤𝑤 ………………………………2 𝑓𝑓0 𝑥𝑥𝑥𝑥

3. Menghitung factor reduce velocity menggunakan persamaan: 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑉𝑉𝑅𝑅 𝑥𝑥𝛾𝛾𝑓𝑓 ……………………………..3

Untuk mengatasi terjadinya freespan, maka perlu dilakukan perhitungan untuk menentukan batas maksimum freespan yang diijinkan.Perhitungan batas maksimum.

4. Mencari nilai normalized VIV amplitude. Untuk mencari nilai ini diperlukan grafik nilai Ay/D yang tersedian pada DNV RP F105. 5. Menghitung unit stress amplitude yaitu menggunakan rumus:

Gambar 1. Macam-macam kondisi freespan (Bai, 2001)

2

𝐴𝐴𝐼𝐼𝐼𝐼/𝐶𝐶𝐶𝐶 = (1 + 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶)

𝐷𝐷(𝐷𝐷𝑠𝑠 −𝑡𝑡)𝐸𝐸 ……………4 𝐿𝐿2𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒

6. Menghitungan stress range:

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2. No. 1. (2013) 1-7 untuk perbandingan dari hasil ketiga metode tersebut. 5. Penarikan kesimpulan.

𝐴𝐴 𝐷𝐷

𝑆𝑆𝐼𝐼𝐼𝐼 = 2𝐴𝐴𝐼𝐼𝐼𝐼 � 𝑌𝑌 � 𝜓𝜓𝛼𝛼,𝐼𝐼𝐼𝐼 𝛾𝛾𝑠𝑠 …………………5

𝑆𝑆𝐶𝐶𝐶𝐶 =

𝐴𝐴 𝐷𝐷

2𝐴𝐴𝐶𝐶𝐶𝐶 � 𝑍𝑍 � 𝑅𝑅𝑘𝑘 𝛾𝛾𝑠𝑠 ……………………..…..6

4. ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Utama Data pipa - Length of pipe = 160 Km - OD = 0.8128 m - t pipa = 0.015875 m = 7850 Kg/m3 - ρ pipa = 2.07 x 1011 N/m2 - E pipa = 1.5 x 10-3 m - T corrotion - Material Spec = SAWL 450 II-F-D = SAWL 485 II FUD - SMYS = 450 MPa - SMTS = 535 MPa - Poisson’s Ratio = 0.3 Data Coating - t coat = 0.0025 m = 1280 Kg/m3 - ρ coat

7. Menghitung banyaknya siklus (n) yang terjadi akibat stress range dengan persamaan: 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 − 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = � 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 − 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 − 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 …..7 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 − 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

8. Menghitung nilai siklus kegagalan (N) menggunakan grafik S-N yang ada di DNV RP F-105. 9. Menghitung kerusakan kelelahan deterministic dengan persamaan: 𝑛𝑛 𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 = ………………………………...8 𝑁𝑁

10. Menghitung umur lelah 𝑇𝑇𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 =

𝑇𝑇𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

𝑥𝑥ɳ……………………...9

3. METODOLOGI Tahapan-tahapan dalam penyelesaian tugas akhir ini adalah sebagi berikut: 1. Melakukan perumusan masalah, dengan cara diskusi bersama dosen pembimbing. 2. Melakukan studi literatur. Studi literatur ini dilakukan dengan mencari, mempelajari, serta memahami jurnal dan buku-buku yang berkaitan dengan tema tugas akhir ini. 3. Pengumpulan data yang diperlukan yaitu data pipa, data freespan, data tanah, data arus, dan data gelombang. Pengumpulan data ini dilakukan dengan cara meminta data dari pihak Perusahaan Gas Negara yang merupakan tempat kerja praktik penulis. Data-data yang diperoleh, untuk data gelombang, arus, tanah, dan pipa merupakan data dari desain awal yang dilakukan PT PGN. Sedang untuk data aktual bentangan diperoleh dari data survey. 4. Melakukan perhitungan umur kelelahan berdasarkan kedua metode tersebut. Dari hasil perhitungan nantinya juga diambil

Data Concrete - t concrete - ρ concrete - E concrete

= 0.06 m = 3043 Kg/m3 = 4.1 x 1010 N/m2

Data Operasi - DP - ρ fluida - P - e - S eff - Max Deg Temp - Min Deg Temp - Max Op Temp - Flow Rate

=7.93 MPa/ 1150 Psi = 77.86 Kg/m3 = 5730000 N/m2 = 0.3 m = -2127952 N = 65.2oC = 5oC = 35oC = 400 – 440 MMSCFD

Data Lingkungan - ρ sea water = 1025 Kg/m3 4.2 Penentuan Kondisi Batas Kondisi ujung pipa diasumikan adalah pinedpined sehingga pada perhitungan DNV RP F105 menggunakan:

3

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2. No. 1. (2013) 1-7 umur lelahnya semakin besar.Sedangkan untuk nilai umur lelah secara cross-flow dipengaruhi oleh nilai parameter kestabilan (ksd).Nilai Ksd ini digunakan untuk mencari nilai Reduction Factor Damping (Rk) yang juga mempengarugi nilai dari umur lelah.Semakin besar nilai Ksd, maka nilai Rk semakin kecil dan umur kelelahannya juga semakin kecil. Untuk mengetahui umur lelah masing-masing span masih tergolong aman atau tidak perlu diadakannya screening umur kelelahan.Screening ini untuk mengetahui apakan umur lelah yang telah dihitung masih tergolong baik atau tidak jika dibandingkan dengan umur desain awal serta safety factor pemakaian (ɳ).Screening fatigue dikatakan aman jika nilai perkalian antara safety factor pemakaian dengan umur kelelahan lebih besar dari sisa waktu desain (T exposure ).

C1 = 1.57 C2 = 1 C3 = 0.8 C4 = 4.39 C5 = 1/8 C6 = 5/384 Kondisi tanah yang digunakan adalah jenis loose sand sehingga untuk dynamic stiffness factornya menggunakan: Cv = 16000 kN/m5/2 C L = 12000 kN/m5/2

Umur Lelah (year)

4.3 Hasil Perhitungan 4.3.1 Hasil Perhitungan Umur Lelah Hasil perhitunganumur lelah dapat dilihat pada grafik di bawah ini:

80 70 60 50 40 30 20 10 0

umur lelah inline

4.3.4 Daerah Rawan Kegagalan Pada perhitungan panjang efektif span dan perhitungan umur lelah, dilakukan juga screening terhadap keamanan pipa..pipa dinyatakan gagal jika umur kelelahannya lebih kecil dari umur sisa desainnya. Dari hasil kedua screening tersebut terdapat 7 titik freespan yang rawan terjadi kegagalan. Ketujuh titik tersebut adalah: Tabel 1. Daerah Rawan Kegagalan Panjang Gab Zona 39 0.3 4 47 0.2 9 53 0.4 4 53 0.8 17 54 0.3 4 54 0.3 17 60 0.5 17

umur lelah cross-flow

7 11 14 19 21 23 24 28 28 29 33 47 54 Panjang Aktual Span (m)

Gambar 2. Grafik hasil perhitungan umur lelah Dari grafik dapat dilihat kecenderungan nilai umur lelah dari perhitungan DNV RP F-105 adalah semakin panjang aktual spannya, maka umur kelelahannya semakin pendek. Kecenderungan ini berlaku untuk umur kelelahan secara in-line dan cross-flow.Untuk umur lelah secara in-line, juga dipengaruhi oleh nilai reduction function ψαIL.Nilai ini sangat dipengaruhi oleh nilai perbandingan antara kecepatan arus dengan penjumlahan kecepatan arus dan gelombang.Sehingga semakin besar perbandingan kecepatan, maka

4

5. KESIMPULAN 1. Terdapat 7 bentangan span yang dinyatakan tidak aman menurut perhitungan DNV RP F105. 2. Perhitungan umur kelelahan pipa berdasarkan DNV RP F-105 mempunyai kisaran umur untuk gerakan in-line antara 43,94 tahun –

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2. No. 1. (2013) 1-7 5,16 tahun, sedang untuk arah cross-flow memiliki kisaran umur 385,22 tahun – 16,21 tahun. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada kedua orang tua yang telah memberikan dukungan untuk penyelesaikan penelitian ini, Bapak Hasan Ikhwani dan Bapak Yoyok Setyo selaku dosen pembimbing dalam penelitian ini, serta PT. PGN Tbk (Persero) dan segenap karyawan Kantor OP 3, P GN yang telah berkenan memberikan data-data yang dibutuhkan untuk penyelesaikan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Arif, U. 2011. Analisa Freespan Akibat Scouring Pipa bawah Laut. Ocean engineering ITS; Surabaya Bai, Yong, 2001, Pipeline and Riser, Elsevier Ocean Enggineering Book Series, E lsevier, United State of America. Djadmiko,

E.B.

2003.Analisa

keandalan

dan

Kelelahan Offshore Structure Design and Modeling. Ocean Engineering Training Center jurusan Teknik Kelautan ITS: Surabaya DNV RP F-105.2002.Freespanning Pipelines.Det Norske Veritas: Norway. DNV.RP C-203. 2005. Fatigue design of Offshore Stell Struktures. Det Norske Veritas: Norway. DNV PR E-305. 1998. On Bottom Stability Design of Submarine Pipelines.Det Norske Veritas: Norway Guo, Boyun., Shanhong, Song. 2005. Offshore Pipeline. Elsevier: United State of America. PGN. 2012. LPR-70-L-CA-A4-1. PGN:Jakarta. Ramadhan, A.T. 2008.Analisa Fatigue Pada Freespan Akibat Beben VIV. Ocean Engineering ITB: Bandung.

5