Risk Based Inspection pada Struktur Anjungan Lepas Pantai Herwinda Handayani Program Studi Teknik Sipil β Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No. 10 Bandung 40132, email:
[email protected] ABSTRAK: Risk Based Inspection merupakan metode penentuan interval inspeksi berdasarkan tingkat risiko. RBI merupakan fungsi dari konsekuensi dan probabilitas kegagalan. Analisis fatigue digunakan untuk menentukan sambungan kritis, yaitu sambungan dengan umur fatigue di bawah umur rencana. Berdasarkan analisis fatigue, ditentukan tingkat probabilitas kegagalan menggunakan simulasi Monte Carlo. Tingkat konsekuensi kegagalan ditentukan berdasarkan Norsok Standard Z008. Tingkat risiko ditentukan berdasarkan perkalian antara tingkat probabilitas kegagalan dan tingkat konsekuensi kegagalan. Tingkat risiko yang dihasilkan adalah tingkat risiko untuk masing-masing sambungan kritis. PENDAHULUAN Suatu struktur anjungan lepas pantai didesain dengan umur operasi tertentu. Untuk dapat memperpanjang umur operasinya, harus dilakukan penilaian ulang terhadap struktur anjungan lepas pantai. Hal ini bertujuan untuk mengidentifikasi kemungkinan kerusakan yang mungkin terjadi pada struktur. Studi penilaian ulang akan menjadi dasar dalam perencanaan inspeksi. Inspeksi perlu dilakukan untuk mengembalikan performa struktur yang berkurang akibat beban yang bekerja pada struktur. Studi penilaian ulang menggunakan metode Risk Based Inspection dengan pendekatan analisis fatigue. Fatigue merupakan moda kegagalan yang umum terjadi pada struktur anjungan lepas pantai karena dalam operasinya struktur ini mendapatkan beban-beban dinamis yang bekerja secara periodik berupa beban gelombang. Tujuan analisis fatigue adalah untuk mengidentifikasi sambungan kritis, yaitu sambungan Β
dengan umur fatigue di bawah umur rencana, sedangkan tujuan Risk Based Inspection pada sambungan kritis adalah untuk menentukan interval inspeksi yang rasional. TINJAUAN PUSTAKA Pada awalnya program inspeksi dibuat untuk mengetahui dan mengevaluasi penurunan mutu yang diakibatkan oleh proses deteriorasi. Tujuan awal inspeksi adalah mengevaluasi performa struktur, oleh karena itu interval inspeksi dibuat berdasarkan waktu (Time Based Inspection). Penerapan metode inspeksi di Indonesia mengikuti peraturan pemerintah yaitu selama jangka waktu tiga tahun. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan, metode inspeksi dibuat berdasarkan risiko untuk mengoptimalkan pemeriksaan, yaitu Risk Based Inspection (RBI). RBI dapat diformulasikan sebagai berikut: Risiko = PoF x CoF
1 Β
dimana PoF = Level Probability of Failure CoF = Level Consequence of Failure
Besar rentang tegangan hotspot di lokasi sambungan ditentukan berdasarkan rentang tegangan nominal dikalikan dengan SCF. Perhitungan SCF menggunakan persamaan Efthymiou berikut:
Matriks risiko yang digunakan adalah sebagai berikut: Kategori Frekuensi F4 F3 F2 F1
Frekuensi per Tahun >1 0.3-1 0.1-0.3 <0.1
Risiko M H H M M H L M H L L M
β’
ππΆπΉ Β πΆβπππ = 1.45π½! !.!" πΎ (!!!.!"!) (sin π)!.! ππΆπΉ Β π΅ππππ = 1 + 0.65π½! !.! πΎ (!.!""!!.!!!) (sin π)(!.!"!!!.!") Β
β’
Gambar 1. Matriks Risiko (Norsok Standard Z-008, 2011)
ππΆπΉ Β π΅ππππ = π
β’
πΎ
!!.!"
0.99 β 0.47π½
SCF akibat momen out-plane ππΆπΉ Β πΆβπππ = πΎ !.! π 2.65 + 5(π½ β 0.65)! + ππ½ 0.5πΆπΌ β 3 Β π ππ Β π Β Β ππΆπΉ Β π΅ππππ = 3 + πΎ !.! Β 0.12 Β ππ₯π Β β4π½ + 0.011π½ ! β 0.045 + ππ½ 0.2πΆπΌ β 1.2
Rentang Interval Inspeksi 3 tahun β 5 tahun 6 tahun β 10 tahun 11 tahun atau lebih
Gambar 2. Sambungan Tubular
Pada analisis fatigue, hubungan antara rentang tegangan dengan tinggi gelombang dinyatakan oleh suatu fungsi transfer. Fungsi transfer atau Hot Spot Stress (HSS) transfer function dihitung pada delapan arah pembebanan. Fungsi transfer merupakan alat yang digunakan untuk mentransfer gaya gelombang menjadi respon gerakan dinamis struktur. HSS dihitung dengan persamaan berikut:
Parameter-parameter pada sambungan: πΌ = 2πΏ/π· π = π‘/π π½ = π/π· π = π/π· πΎ = π·/2π π = sudut Β antara Β brace Β dan Β chord dimana : L = panjang chord D = diameter terluar chord d = diameter terluar brace T = tebal chord t = tebal brace g = jarak ujung antara brace terluar dari joint K-T
π! (π) π Β (π)
dimana π! (π) = rentang tegangan hot spot π Β (π) = amplitudo gelombang Β
!!.!"
+ 0.08π½ ! ππΆπΉ!!!"# Β
Tabel 1. Interval Inspeksi (Draft API RP2SIM)
π»ππ Β π =
SCF akibat momen in-plane ππΆπΉ Β πΆβπππ = πΎππ½(1.7 β 1.05π½ ! )(sin π)!.!
Berdasarkan matriks risiko, dapat ditentukan tingkat risiko kegagalan sehingga dapat ditentukan jadwal inspeksi sebagai berikut:
Kategori Risiko High Medium Low
SCF akibat beban aksial
2 Β
Spektrum gelombang yang digunakan adalah spektrum Pierson-Moskowitz yang dihitung dengan persamaan berikut: !
π!" πΉ β =
5β! π! 1 16 πΉ β
!
ππ₯π β
5 β πΉ 4
!
D
= akumulasi kerusakan pada sambungan.
fatigue
Kurva S-N yang digunakan dalam penentuan umur fatigue adalah kurva SN API Xβ.
Β
dimana β! = tinggi gelombang signifikan, yaitu rata-rata β
gelombang tertinggi π! = periode gelombang dominan, yaitu periode dimana S(f) maksimum !
πΉ β = frekuensi tidak berdimensi, ! , !
dimana π! adalah frekuensi yang berhubungan dengan besaran π! Spektrum tegangan yang terjadi dapat dihitung dengan persamaaan berikut:
Gambar 3. Kurva S-N (API RP 2A, 2000)
π! π = π»ππ(π) ! Β π(π) Β
Umur fatigue ditetntukan persamaan berikut:
dimana π! π = Respon spektrum π(π) = Spektrum gelombang HSS = Hot Spot Stress transfer function π = Frekuensi gelombang
Umur fatigue = 1/D Β Selanjutnya dihitung probabilitas kegagalan pada sambungan kritis ditentukan berdasarkan fungsi performansi berikut:
Hipotesis kumulatif kerusakan PalmgrenMiner, dinyatakan dengan persamaan berikut:
π! Β g Β x = β β π΄
π·=
ln π!
! !
Ξ 1+
π π
dimana: β = Kapasitas π! = Total siklus tegangan A = Parameter kurva S-N π! = Maksumum rentang tegangan dari total siklus tegangan m = Kemiringan kurva S-N π = Parameter bentuk Weibull
π(!) Β Β Β π(!)
dimana Β Β π(!) = jumlah siklus pada tegangan π(!) yang dikenakan pada sambungan π(!) = jumlah siklus yang menyebabkan kegagalan pada sambungan di bawah pembebanan amplitudo konstan pada tegangan yang sama. Β
ππ !
dengan
Β 3 Β
STUDI KASUS DAN PEMODELAN Struktur yang ditinjau adalah struktur anjungan lepas pantai tipe fixed delapan kaki yang terletak pada kedalaman 246.98 ft. Anjungan lepas pantai ini telah beroperasi selama 20 tahun dan akan dilakukan penilaian ulang untuk memperpanjang umur operasinya hingga 20 tahun ke depan.
Gambar 4 Arah Pembebanan Gelombang
Struktur anjungan terdiri dari jacket, pile, dan deck.
Β ANALISIS Analisis fatigue menggunakan prosedur analissi fatigue spektral dengan bantuan software SACS versi 5.2. Pada analisis fatigue yang menjadi tinjauan utama adalah struktur yang mengalami beban siklis. Bagian struktur yang ditinjau adalah sambungan. Hasil analisis fatigue ditekankan pada damage dan fatigue life yang merupakan parameter yang dipengaruhi oleh jumlah siklus beban yang terjadi dan jumlah siklus beban yang menyebabkan kegagalan.
Struktur Jacket Struktur jacket terdiri dari delapan kaki dan piles. Ukuran kaki adalah 63 inch OD dan ukuran piles adalah 48 inch OD yang dimasukkan melalui jacket dan dipancang ke dalam dasar laut hingga mencapai kedalaman penetrasi yang diinginkan. Struktur jacket ini memiliki lima frame jacket horizontal pada El. (+) 19β-0ΒΌβ, El. (-) 40β-11ΒΎβ, El. (-) 100β-11ΒΎβ, El. (-) 164β-11ΒΎβ, dan El. () 246β-11ΒΎβ. Struktur Deck Struktur deck terdiri dari tiga tingkat yaitu cellar deck pada El. (+) 39β-4ΒΌβ, main deck pada El. (+) 69β-4ΒΌβ, dan cooler deck pada El. (+) 99β-5β. Ukuran struktur deck adalah 50 ft (barat ke timur) dan 150 ft (utara ke selatan).
Tabel 2. Sambungan Kritis Joint
Fatigue Results Damage
102 138L
162V
Beban lingkungan yang diperhitungkan dalam analisis fatigue hanya akibat beban gelombang. Orientasi datanya gelombang didefinisikan sebagai berikut:
Β
Member
207L
149-102
1.4628
Service Life 13.6723
162V-138L
0.7288
27.4412
128L-138L
2.5065
7.9793
128L-162V
1.2165
16.4403
162V-138L
2.1631
9.2459
166V-207L
0.9166
21.8189
217L-207L
1.9085
10.4793
Ringkasan hasil berupa umur fatigue, tegangan maksimum (Se) dan siklus yang terjadi pada sambungan kritis ditunjukkan pada tabel berikut:
4 Β
Tabel 3. Umur Fatigue, Nilai Se, dan NL pada Sambungan Kritis
ditinjau dianggap gagal, sedangkan jika g(x) > 0 maka sistem/komponen yang ditinjau dianggap berhasil. Hasil probabilitas kegagalan ditunjukkan pada tabel berikut:
Joint
Member
Umur
Se (MPa)
NL
102
149-102
12.52
214.80
11,268,903
162V-138L
27.44
98.86
31,283,641
128L-138L
7.98
133.47
62,526,783
128-162V
16.44
111.62
42,572,380
162V-138L
9.25
128.65
58,310,304
Joint
Member
PoF
Umur
Annual PoF
166V-207L
21.82
96.44
34,387,715
102
149-102
0.9408
12.5232
7.51.E-02
217L-207L
10.48
115.22
52,862,630
162V-138L
0.4258
27.4412
1.55.E-02
128L-138L
0.9785
7.9793
1.23.E-01
128-162V
0.6577
16.4403
4.00.E-02
162V-138L
0.9477
9.246
1.02.E-01
166V-207L
0.4284
21.8189
1.96.E-02
217L-207L
0.7974
10.4793
7.61.E-02
138L 162 V 207L
Tabel 4. Probabilitas Kegagalan
138L
162V
Lokasi sambungan kritis adalah sebagai berikut:
207L
Konsekuensi kegagalan dibagi menjadi lima kategori, keamanan, kontaminasi, lingkungan, produksi, dan biaya. Dari semua kategori secara umum tingkat konsekuensi berada pada tingkat tinggi. Oleh karena itu, matriks risiko dari sambungan kritis adalah sebagai berikut:
Joint Β 207L Β
Joint Β 162V Β Joint Β 138L Β
Joint Β 102 Β
Risiko
Frekuensi F4
M
H
H
F3
L
M
F2
L
M
F1
L
L
H 138L(128L-138L) 162V (162V-138L) 102 138L(162V-138L) 162V(162V-207L) 207L
C1
C2
C3
Rendah
Sedang
Tinggi
Konsekuensi
Gambar 5. Lokasi Sambungan Kritis
Gambar 6. Tingkat Risiko pada Sambungan Kritis
Β Probabilitas kegagalan dihitung dengan simulasi Monte Carlo. Probabilitas kegagalan dihitung dengan menghitung rasio antara jumlah kejadian gagal dengan jumlah sampel. Dari hasil perhitungan fungsi performansi, jika g(x) < 0 maka sistem/komponen yang Β
Kategori
Berdasarkan tingkat risikonya, maka interval inspeksi dapat ditentukan sebagai berikut:
5 Β
Tabel 5. Interval Inspeksi
[3] API RP 2A. βRecommended Practice for Planning, Designing, and Construction Fixed Offshore Platforms-Working Stress Designβ, 21st Edition, American Petroleum Institute. [4] Chakrabarti et.al. 2005. An Overview of The Reassessment Studies of Fixes Offshore Platform in The Bay of Campeche, Mexico. Proceedings of OMAE 2005. 24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE 2005). Halkidiki, Greece. Juni 12-16. [5] Norsok Standard Z-008, 2011, βRisk Based Maintenance and Consequence Classificationβ, Norway. [6] Straub, Daniel. Generic Approaches to Risk Based Inspection Planning for Steel Structure. 2004. ETH Zurich. Institute of Structural Engineering, Swiss Federal Institiute of Technology. βThesisβ
Interval
Joint
Member
102
149-102
6 tahun
162V-138L
6 tahun
128L-138L
5 tahun
128-162V
6 tahun
162V-138L
5 tahun
166V-207L
6 tahun
217L-207L
6 tahun
Inspeksi
138L
162V
207L
PENUTUP Dari hasil pemodelan, studi kasus, dan analisis, dapat disimpulkan beberapa poin berikut ini: β’ Probabilitas kegagalan sangat menentukan besarnya tingkat risiko pada sambungan kritis. β’ Terdapat beberapa sambungan yang memiliki umur fatigue di bawah umur rencana sehingga harus dilakukan pengecekan kemungkinan adanya retak. Jika terdapat retak pada sambungan maka perlu dilakukan usaha perkuatan. Jika tidak ditemukan retak pada sambungan, maka hanya perlu diinsepksi sesuai jadwal inspeksi berdasarkan metode RBI. β’ Tingkat risiko pada sambungan kiritis berada pada tingkat sedang dan tinggi sehingga inspeksi dapat dilakukan pada interval 5-6 tahun. DAFTAR PUSTAKA [1] ABS, 2003, βFatigue Assessment of Offshore Structuresβ, American Bureau of Shipping. [2] ABS, 2003, βGuide for Surveys Using Risk-Based Inspection for The Offshore Industryβ, American Bureau of Shipping.
Β
6 Β
