Studi Optimasi Offshore Pipeline Replacement di Area Bekapai TOTAL E&P Indonesie, Balikpapan (Ema Sapitri, Hasan Ikhwani, Daniel M. Rosyid) Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya ABSTRACT This study discusses about optimization of offshore pipeline replacement at Bekapai field TOTAL E&P Indonesie, Balikpapan. This optimization is studied because the design life of pipeline finished and the production flowrate of well in this area declined. The variable in this study is outside pipe diameter and pipe wall thickness, while the constraint which is considerated is hoop stress, system collapse, and propagation buckling. Design parameter which is calculated is stress analysis (hoop stress, longitudinal stress, bending stress, and combined stress), buckling analysis (local buckling, global buckling, propagation buckling and system collapse check), pipeline stability (on bottom stability : vertical and lateral stability check), free span calculation of pipeline (free span analysis), and laying analysis with OFFPIPE software to check the percentage of maximum allowable yield stress at overbend and sag bend area each material grade. The variation of material grade is grade B, X42, X46, X52, and X56 based on API 5L 2000. This result study find that the minimum pipe inside diameter is Ø 2.525 in. With this minimum diameter, its outside diameter just reach 2.375 in (API 5L 2000). This diameter too small, so it is determined the dimension of diameter which is common in market and can to be installed, these is Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in. Pipe wall thickness for Ø 4.5 in that comply the percentage of maximum yield stress in OFFPPE modelling each material grade to be continued is 6.020 mm (0.237 in), 7.140 mm (0.281 in), 5.563 mm (0.219 in), 4.775 mm (0.188 in), and 4.775 mm (0.188 in), while pipe wall thickness for Ø 6.625 in is 7.112 mm (0.28 in), 9.530 mm (0.375 in), 6.35 mm (0.25 in), 5.563 mm (0.219 in), and 5.563 mm (0.219 in). Optimization graphic in this study shows that optimum point of outside diameter and pipe wall thickness is (7.2 , 0.1132) and it occurs at material grade X52. It is meaning that at material grade X52, optimum outside diameter is 7.2 in and optimum pipe wall thickness is 0.1132 in. With the weight of pipe = 36.029 lb/in. Because of this outside diameter and pipe wall thickness is no ready in pipe schedule (API 5L 2000), so it is selected that limit to this outside diameter and pipe wall thickness, it is outside diameter 8.625 in and pipe wall thickness 0.125 in. So optimum outside diameter and optimum pipe wall thickness that can be installed and operable in BK-BP1 platform Bekapai field to be continued is outside diameter 8.625 in and pipe wall thickness 0.125 in.
1
Key words : optimazation, offshore pipeline replacement, constraint, material grade, line sizing ABSTRAK Studi ini membahas mengenai optimasi offshore pipeline replacemenet di area Bekapai TOTAL E&P Indonesie, Balikpapan. Optimasi dilakukan karena design life pipa sudah habis dan produksi flowrate pada sumur di area ini menurun. Variabel dalam studi ini adalah diameter luar pipa dan tebal pipa, sementara batasan-batasan (constraint) yang dipertimbangkan adalah hoop stress, system collapse, dan propagation buckling. Parameter desain yang diperhitungkan meliputi stress analysis (hoop stress, longitudinal stress, bending stres, dan combined stress), buckling analysis (local buckling, global buckling, propagation buckling dan system collapse check), stabilitas pipa (on bottom stability : vertical and lateral stability check), perhitungan panjang bentangan pipa (free span analysis), dan laying analysis dengan bantuan software OFFPIPE untuk pengecekan persentase yield stress maksimum yang diijinkan pada daerah overbend dan sag bend tiap material grade. Variasi material grade yang dipilih antara lain grade B, X42, X46, X52, dan X56 berdasarkan API 5L 2000. Hasil studi ini menemukan bahwa diameter dalam minimal sesuai line sizing calculation adalah Ø 2.525 in. Dengan diameter dalam minimal ini, diameter luarnya hanya mencapai 2.375 in (API 5L 2000). Karena diameter ini terlalu kecil, sehingga langsung ditentukan ukuran diameter yang lebih common di pasaran dan dapat diinstall yaitu Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in. Tebal pipa untuk Ø 4.5 in yang memenuhi persentase maximum yield stress pada pemodelan OFFPIPE untuk masing-masing material grade berturut-turut adalah 6.020 mm (0.237 in), 7.140 mm (0.281 in), 5.563 mm (0.219 in), 4.775 mm (0.188 in), dan 4.775 mm (0.188 in), sementara tebal pipa untuk Ø 6.625 in adalah 7.112 mm (0.28 in), 9.530 mm (0.375 in), 6.35 mm (0.25 in), 5.563 mm (0.219 in), dan 5.563 mm (0.219 in). Grafik optimasi dalam studi ini menunjukkan bahwa titik optimum diameter luar dan tebal pipa adalah (7.2 , 0.1132) dan terjadi pada material grade X52. Hal ini berarti pada material grade X52 diameter luar pipa yang optimum adalah 7.2 in dan tebal pipa yang optimum adalah 0.1132 in. Dengan berat pipa = 36.029 lb/in. Karena diameter luar dan tebal pipa ini tidak disediakan dalam schedule pipa (API 5L 2000), maka dipilih yang mendekati diameter luar dan tebal pipa tersebut, yaitu diameter pipa 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in. Sehingga diameter luar dan tebal pipa optimum yang dapat diinstall dan dioperasikan di BK-BP 1 platform area Bekapai berturut-turut adalah 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in. Kata kunci : optimasi, offshore pipeline replacement, constraint, material grade, line sizing
2
Korespondensi (Correspondence) : Ema Sapitri, Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Kampus ITS Keputih – Sukolilo – Surabaya 6011. E-mail :
[email protected], Contact Number : 081216506197 PENDAHULUAN Offshore pipeline replacement merupakan aktivitas yang dilakukan secara rutin/ periodik pada perusahaan migas, termasuk TOTAL E&P Indonesie, Balikpapan. Selama ini metode yang digunakan untuk offshore pipeline replacement di area Bekapai ini menggunakan studi komparasi yaitu dengan mencari perbandingan yang sesuai dari parameter-parameter yang ada. Misalnya mencari perbandingan yang sesuai antara pipa berdiameter 6” (enam inchi), 8” (delapan inchi), 10” (sepuluh inchi), 12” (dua belas inchi) dan seterusnya. Metode dengan studi komparasi tersebut telah lama diterapkan, namun belum ditemukan metode yang cukup efektif dan efisien untuk melakukan instalasi/konstruksi offshore pipeline di area Bekapai ini. Sehingga dalam studi/penelitian ini akan dilakukan Studi Optimasi untuk mencari diameter luar dan tebal pipa (pipe wall thickness) yang optimum. Offshore pipeline replacement di area BekapaiBalikpapan-Kalimanatan Timur ini dilakukan karena produksi (flowrate) yang dihasilkan sudah tidak sebesar saat pipa ini dibuat dan design life dari offshore pipeline ini adalah 25 tahun, dimana date commissioned pada tahun 1985. Studi ini akan berusaha menjawab permasalahan-permasalahan, diantaranya sebagai berikut : 1. Bagaimana meminimalkan berat pipa untuk mendapatkan diamater luar pipa (Do) dan tebal pipa (t) yang optimum dengan mempertimbangkan constraint (kendala) berikut : a. Stress Analysis, yang menjadi constraint adalah hoop stress. b. Buckling Analysis, yang meliputi : system collapse check dan propagation buckling. 2. Bagaimana stabilitas pipa di dasar laut (on bottom stability : vertical stability dan lateral stability) ? 3. Berapa panjang bentangan pipa yang diijinkan dan panjang bentangan kritis pipa (free span analysis) ? 4. Bagimana laying analysis dan persentase yield stress yang dihasilkan dari pemodelan OFFPIPE ? 5. Berapa dimensi diameter luar pipa (Do) dan tebal pipa (t) yang optimum untuk dapat dioperasikan di BK-BP 1 platform area Bekapai tersebut ? Lapangan atau area di daerah Bekapai sendiri memiliki kedalaman perairan (water depth) kurang lebih 35 meter, 10 buah platform, dan sebuah living quarter dengan ukuran diemeter pipa yang berbeda-beda pada masing-masing pipa yang menghubungkan satu platform ke platform lainnya. Sementara offshore pipeline replacement dilakukan di daerah yang menghubungkan antara 3
platform BK ke BP-1 seperti scope warna merah yang ditunjukkan pada gambar 1 berikut :
Gambar 1. Lokasi Offshore Pipeline Replacement di Bekapai Ø 8” (Sumber : Intranet TOTAL E&P Indonesie)
Optimasi Optimasi adalah proses memaksimasi atau meminisasi suatu fungsi tujuan dengan tetap memperhatikan pembatas yang ada. Optimasi memegang peranan penting dalam proses mendesain suatu sistem. Dengan optimasi desain suatu sistem bisa menghasilkan ongkos yang lebih murah atau profit yang lebih tinggi, menurunkan waktu proses dan sebagainya. Masalah optimasi bisa dikategorikan ke dalam dua kelas besar : optimasi tanpa pembatas (unconstrained optimization) dan optimasi dengan pembatas (constrained optimization). (Santosa, 2008). Dikenal pula metode optimasi multi-dimensi tanpa kendala dan dengan kendala. Untuk kedua kategori metode optimasi tersebut, prosedur optimasi dapat menggunakan metode orde-nol ataupun metode orde-nol ataupun metode berbasis gradient. Sedangkan metode optimasi multi-dimensi dengan kendala terdapat dua pendekatan yang digunakan yaitu : mengembangkan prosedur pelacakan yang memperhatikan adanya kendala ini secara langsung dan mentransformasikan persoalan berkendala menjadi serangkaian persoalan tanpa kendala sehingga teknik-teknik optimasi tanpa kendala dapat dipakai secara bertahap. Metode optimasi muti-dimensi dengan kendala dapat didekati dengan Sequential Linier Programming dan Feasible Direction (Metode Arah Laik). (Rosyid, 2009). 4
Sizing Criteria for Gas/Liquid Lines (API RP-14E 1991) a. Erosional Velocity Kecepatan erosi fluida mengenai dinding pipa persamaan empiris berikut : 𝑐 𝑉𝑒 =
dapat dihitung dengan
�𝜌𝑚
(1)
Dengan : Ve c ρm
= = =
kecapatan aliran tererosi, feet/second konstanta empiris mixture density dari gas/liquid pada tekanan dan suhu terhenti, lbs/ft3
b. Penurunan Tekanan (Pressure Drop) Penurunan tekanan pada sistem pipa dapat dihitung dengan formula berikut :
𝛥𝑃 =
5 𝑥 10−6 𝑊 2
Dengan : 𝛥𝑃
di 𝜌𝑚 W
𝑑𝑖5 𝜌𝑚
(2)
=
Penurunan tekanan, psi/100 feet
= = =
Diameter dalam pipa, inchi Density gas/cairan pada aliran tekanan dan suhu tertentu, lbs/ft3 Jumlah cairan dan laju aliran uap air lbs/hr
Stabilitas Pipa Bawah Laut (DNV RP-F109 2010) Stabilitas Vertikal di dalam Air Stabilitas pipa secara vertikal harus memenuhi kriteria desain berikut : 𝑏
𝛾𝑤 𝑤 +𝑏 = 𝑠
Dengan : 𝛾𝑤 b ws sg
𝛾𝑤 𝑠𝑔
= = = =
≤ 1,00
(3)
Safety factor Gaya apung pipa tiap satuan panjang, N/m Berat pipa yang terpendam tiap satuan panjang, N/m Pipe spesific density
Analisis Tegangan (Stress Analysis) (ASME B31.4-2009) a. Hoop Stress Pada sistem pipa lepas pantai, tensile hoop stress terjadi karena perbedaan tekanan dalam dan luar pipa tidak boleh melebihi nilai yang diberikan pada persamaan berikut : 𝑆ℎ ≤ 𝐹1 �𝑆𝑦 �
(4) 5
Di mana : 𝐷 𝑆ℎ = (𝑃𝑖 − 𝑃𝑒 ) 2𝑡
(5)
Dengan : D F1 Pe Sh Sy T
= = = = = =
Diamater luar pipa, in (mm) Faktor desain hoop stress Tekanan eksternal pipa, psi Hoop stress, psi Specified Minimum Yield Strength, psi Tebal pipa nominal, in (mm)
b. Longitudinal Stress Longitudinal stress pada sistem pipa lepas pantai, tidak melebihi persamaan berikut : |𝑆𝐿 | = 𝐹2 �𝑆𝑦 �
𝑆𝐿 = 𝑆𝑎 + 𝑆𝑏 𝑆𝑎 =
𝐹𝑎 𝐴
𝑆𝑏 = �(𝑖𝑖 𝑀𝑖 )2 + (𝑖𝑜 𝑀𝑜 )2 /𝑍
(6) (7) (8) (9)
Di mana : Fa F2 ii io Mi Mo Sa Sb Sl Z
= = = = = = = = = =
Gaya aksial, lb (N) Faktor desain longitudinal stress In plane stress intensification factor Out of plane stress intensification factor In plane bending moment, in.lb (N.m) Out of plane bending moment, in.lb (N.m) Axial stress (F a /A), pis (Mpa) Maximum resultan bending stress, psi (Mpa) Maximum longitudinal stress (S a +S b ), psi (MPa) Section modulus pipa, in3 (cm3)
c. Combined Stress Combined stress yang disyaratkan dalam ASME B31.4-2009 tidak boleh melebihi nilai yang diberikan oleh persamaan Maximum Shear Stress berikut : 𝑆𝐿 −𝑆ℎ 2
2 ���
2
Dengan : F3
� + 𝑆𝑡2 � ≤ 𝐹3 �𝑆𝑦 �
(10)
= Faktor desain combined stress (Tabel Koefisien Beban Hidrodinamis secara Vertikal DNV RP-F109-2010) 6
S t = Torsional stress, psi (MPa) Analisis Buckling / Buckling Analysis (DNV-OS-F101 2010) a. Local Buckling (System Collapse) Kriteria yang harus dipenuhi untuk local buckling sesuai DNV OS-F101-2010 adalah sebagai berikut : System collapse (hanya pada pada tekanan eksternal) Propagation Buckling Combined Loading Criteria, contoh interaksi antara tekanan eksternal dan internal, gaya aksial, dan moment bending. Karakteristik kekuatan tekanan eksternal (collapse) berdasarkan DNV OSF101-2010 dapat dihitung dengan persamaan berikut : [𝑝𝑐 (𝑡) − 𝑝𝑒𝑙 (𝑡)]�𝑝𝑐 (𝑡)2 − 𝑝𝑝 (𝑡)2 � = 𝑝𝑐 (𝑡) 𝑝𝑒𝑙 (𝑡) 𝑝𝑝 (𝑡) 𝑓0 Dengan : Pc P el Pp fo D t
= = = = = =
𝐷
(11)
𝑡
Tekanan collapse, psi Tekanan collapse elastic, psi Tekanan collapse plastis, psi Ovality Diameter luar, in Tebal dinding pipa, in
System collapse check harus memenuhi kriteria berikut : 𝑝 (𝑡)
𝑝𝑒 − 𝑝𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝛾 𝑐𝛾 Dengan : pe p min 𝛾𝑚 𝛾𝑆𝐶
= = = =
(12)
𝑚 𝑆𝐶
Tekanan eksternal, psi Tekanan internal minimum, psi Material resitance factor, (Tabel 2.14) Safety class rresistance factor
b. Propagation Buckling Kondisi terjadinya propagation buckling jika: P pr < P in < P e
(13)
Dengan : P pr P in Pe
: Tekanan propagasi, psi : Tekanan inisiasi, psi : Tekanan eksternal, psi 7
Tebal minimum pipa akibat tekanan eksternal harus memenuhi kriteria yang disyaratkan DNV yaitu : Ppr Pe ≤ (14) γ mγ sc Untuk menghitung propagation buckling digunakan persamaan : 𝑡
2,5
𝑝𝑝𝑟 = 35𝑓𝑦 𝛼𝑓𝑎𝑏 � 𝐷2 �
Dengan : Pe P pr fy D t2 α fab γm γ sc
= = = = = = = =
𝐷⁄𝑡2 ≤ 45
;
(15)
Tekanan eksternal, psi Tekanan perambatan buckling, psi Tegangan yield, psi Diameter luar pipa, in Tebal minimum dinding pipa, in Faktor fabrikasi Faktor tahanan material Faktor keamanan (safety factor)
Free Span Analysis (DNV RP-F105-2006) Persamaan analisis free span menurut DNV RP-F105-2006 adalah : a. In-Line Natural Frequency 𝑓𝑛,𝐼𝐿 𝛾𝐼𝐿
=
𝑈𝑐,100 𝑦𝑒𝑎𝑟 𝐼𝐿 𝑉𝑅,𝑜𝑛𝑠𝑒𝑡
�1 −
𝐿 ⁄𝐷𝑐 250
�
1
𝛼𝑐𝑤
(16)
b. Cross-Flow Natural Frequency 𝑓𝑛,𝐶𝐹 𝛾𝐶𝐹
=
𝑈𝑐,100 𝑦𝑒𝑎𝑟 + 𝑈𝑤,1 𝑦𝑒𝑎𝑟 𝐶𝐹 𝑉𝑅,𝑜𝑛𝑠𝑒𝑡 𝐷𝑐
𝑈𝑐,100 𝑦𝑒𝑎𝑟
𝛼𝑐𝑤 =
𝑈𝑤,1 𝑦𝑒𝑎𝑟 + 𝑈𝑐,100 𝑦𝑒𝑎𝑟
𝛾𝐼𝐿 𝛼𝑐𝑤 D L U w,1year
= = = = =
(17)
(18)
Dengan :
𝐼𝐿 𝑉𝑅,𝑜𝑛𝑠𝑒𝑡 = 𝛾𝐶𝐹 =
Screening Factor for in-line Rasio aliran arus Diamater luar pipa termasuk coating, m Panjang free span Nilai return period signifikan 1 tahun untuk gelombang yang terinduksi aliran kecepatan pada level pipa yang dikorespondensikan dengan tinggi gelombang signifikan 1 tahun H s,1year Nilai in-line onset untuk kecepatan alir tereduksi Screening factor untuk cross-flow 8
METODOLOGI PENELITIAN Garis besar metode yang digunakan dalam studi ini adalah : 1. Melakukan kalkulasi line sizing, pipe wall thicknes, dan kalkulasi secara mechanical design. 2. Melakukan pemodelan pada software OFFPIPE untuk pengecekan maximum allowable yield stress. 3. Membuat pemodelan optimasi untuk menentukan diameter luar dan tebal pipa yang optimum. Kalkulasi terhadap line sizing berfungsi untuk menentukan diameter dalam pipa minimal dan mengetahui penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi pada diameter minimal tersebut. Setelah diameter dalam pipa minimal ditemukan, langkah berikutnya adalah menentukan diameter luar pipa yang tersedia dalam schedule pipa kemudian melakukan perhitungan dengan mempertimbangkan aspek mechanical design, yang meliputi stabilitas pipa (on bottom stability), stress analysis (analisis tegangan), buckling analysis (analisis buckling), dan analisis terhadap panjang bentangan pipa (free span analysis). Langkah berikutnya adalah melakukan pemodelan pada software OFFPIPE untuk pengecekan maximum allowable yield stress. Variasi tension yang diambil pada pipa adalah 80 – 100 kN dengan variasi radius pada stinger dan radius pada lay barge 80 – 130 m. Sedangkan variasi material grade yang diambil untuk diameter luar dan tebal pipa adalah grade B, X42, X46, X52, dan X56 (API 5L 2000). ANALISIS DAN PEMBAHASAN Kalkulasi Dimensi Awal Pipa Dari erosional velocity criteria dihasilkan minimum pipe inside diameter sebesar 2.525 in dan penurunan tekanan (pressure drop) sebesar 1.18 psi/100 ft (API RP-14E-1991). Dengan diameter dalam minimal ini, diameter luarnya hanya mencapai 2.375 in (sesuai API 5L 2000). Karena diameter ini terlalu kecil, sehingga langsung ditentukan ukuran diameter yang lebih common di pasaran dan dapat diinstall yaitu Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in, karena diameter original sendiri adalah 8 in. Di sisi lain, pada bulan Juli hingga Agustus 2010 telah dilakukan studi mengenai dimensi pipa di area Bekapai BK-BP1 paltform ini oleh mahasiswa ITB, dan dihasilkan diameter 4 dan 6 in. Studi sebelumnya ini lebih merekomendasikan diameter 6 in untuk diinstall. Kalkulasi terhadap Tebal Pipa (Pipe Wall Thickness) Kalkulasi terhadap tebal pipa dilakukan dengan mengacu pada ASME B31.4 2009. Berikut tabel output untuk masing-masing material grade (API 2L 2000) : 9
Tabel 1. Tebal Pipa Material Grade B, X42, X46, X52, dan X56 Grade B X42 X46 X52 X56
Do
t
min
(mm)
t
req
(mm)
t
selected
(mm)
4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
2.516 3.704 2.096 3.086
5.516 6.074 5.096 6.086
6.02 7.112 7.14 9.53
4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm
1.914 2.818 1.693 4.693 1.572
4.914 5.818 4.693 5.493 4.572
5.563 6.35 4.775 5.563 4.775
6.625" = 168.275 mm
2.315
5.315
5.563
Analisis Tegangan (Stress Analysis) Kalkulasi analisis tegangan pipa yang meliputi hoop stress, longitudinal stress, dan combined stress dilakukan dengan mengacu pada ASME B31.4 2009. Berikut tabel output untuk masing-masing material grade (API 2L 2000) : Tabel 2. Hoop Stress Material Grade B, X42, X46, X52, dan X56 Grade B X42 X46 X52 X56
Outside Diameter (Do) 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
Check S h Allowable Presentase Check (psi) S h (psi) Sh 10530.616 25200 0.420 OK 13122.962 25200 0.520 OK 10530.616 30240 0.350 OK 13122.962 30240 0.430 OK 11395.705 33120 0.344 OK 14697.718 33120 0.444 OK 13276.295 37440 0.355 OK 16777.011 37440 0.448 OK 13276.29505 40320 0.329 OK 16777.01066 40320 0.416 OK
Tabel 3. Combined Stress pada Material Grade B, X42, X46, X52, dan X56 Combined Allawable Grade Outside Diameter (Do) Check Stress (psi) Stress (psi) 4.5'' = 114.3 mm 13968 OK B ≤ 31500 6.625" = 168.275 mm 15959 OK 4.5'' = 114.3 mm 13968 OK X42 ≤ 37800 6.625" = 168.275 mm 15959 OK 10
Grade X46 X52 X56
Outside Diameter (Do) 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
Combined Stress (psi) 13722 15392 15568 17239 15568 17239
Allawable Stress (psi) ≤ 41400 ≤ 46800 ≤ 50400
Check OK OK OK OK OK OK
Combined stress ini masih memenuhi combined stress yang diijinkan (allowable combined stress), sehingga tidak terjadi stress berlebih. Buckling Analysis Buckling analysis meliputi pengecekan terhadap local buckling, global buckling, pengecekan system collapse, dan propagation buckling. Berikut tabel hasil perhitungannya : Tabel 4. System Collapse Check pada Material Grade B, X42, X46, X52, dan X56
Grade
B X42 X46 X52 X56
Ouside Diameter (Do) 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
Caracteristic Collapse Pressure (P c ), psi 14883.07 8442.583 15665.777 8959.642 13636.79 7343.278 10636.163 6042.704 10950.234 6253.288
Check Collapse (psi) 2695.345 1806.31 2837.094 1916.936 2282.162 1402.778 1527.86 1011.267 1572.976 1046.509
Syarat (Check P e P min < 1109.260 psi) OK OK OK OK OK NOT OK
Tabel 5. Propagation Buckling pada Material Grade B, X42, X46, X52, dan X56 Check Check Ppropagation Outside Diameter Propagation (Syarat > Pe Grade Presssure (Do) Pressure (1109.260 (psi) (psi) psi)) 4.5'' = 114.3 mm 169.097 129.21 B OK 6.625" = 168.275 mm 130.902 100.024 4.5'' = 114.3 mm 160.69 121.58 X42 OK 6.625" = 168.275 mm 115.46 92.34 4.5'' = 114.3 mm 153,473 117.272 X46 OK 6.625" = 168.275 mm 107.097 81.835 11
Grade
X52 X56
Outside Diameter (Do)
Ppropagation Presssure (psi)
4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
77.584 65.97 83.552 71.044
Check Propagation Pressure (psi) 59.283 50.409 63.843 54.286
Check (Syarat > Pe (1109.260 psi)) OK OK
On Bottom Stability Dalam perhitungan On Bottom Stability dilakukan terhadap stablitas vertikal dan stabilitas lateral. Perhitungan on bottom stability ini didesain untuk kondisi instalasi dan operasi. Referensi yang digunakan adalah code DNV RP-F1092010 dan DNV RP-E-305 1988 untuk asumsi konservatif jika diperlukan. Output kalkulasi on bottom stability secara vertikal dan lateral dalam kondisi instalasi dan operasi selengkapnya dapat dijelaskan pada tabel berikut : Tabel 6. Tabel Hasil Kalkulasi Stabilitas Vertikal dalam Kondisi Instalasi dan Operasi
Grade
B
X42
X46
X52
X56
Outside diameter (Do) 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
Installation Condition Operation Condition Syarat Syarat Ratio Check Ratio Check DNV DNV 0.414
≤ 1.0
0.346 OK
0.436 0.401
≤ 1.0
0.337 OK
≤ 1.0
0.350 OK
0.457
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
0.360 ≤ 1.0
0.357 OK
0.457 0.430
≤ 1.0
0.335
0.446 0.430
OK
0.353
0.408 0.420
≤ 1.0
0.367 ≤ 1.0
0.357 OK 0.367
12
Tabel 7. Tabel Hasil Kalkulasi Stabilitas Lateral dalam Kondisi Instalasi
Grade
B
X42
X-46
X52
X56
Outside Diameter (Do) 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
Ration DC Design Syarat dg Passive Criterion Check DNV Soil (DC) Resistance 0.447 0.070 ≤ 1.0 OK 0.573 0.351 0.430 0.529 0.455 0.589 0.469 0.606 0.469 0.606
0.068
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
0.323 0.072 0.361 0.074
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
0.371 0.074 0.371
Syarat DNV
Check
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
Tabel 8. Tabel Hasil Kalkulasi Stabilitas Lateral dalam Kondisi Operasi
Grade
B
X42
X46
X52
X56
Outside Diameter (Do) 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
Ration DC Design Syarat dg Passive Criterion Check DNV Soil (DC) Resistance 0.700 0.112 ≤ 1.0 OK 0.860 0.465 0.700 0.860 0.712 0.884 0.773 0.911 0.773 0.911
0.112
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
0.465 0.113 0.478 0.117 0.493 0.117 0.493
Syarat DNV
Check
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
≤ 1.0
OK
13
Dari hasil kalkulasi, pipa dengan diameter Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in adalah stabil dalam kondisi instalasi maupun operasi, dengan nilai rasio dan spesific gravity yang kurang dari 1.0 dan kriteria desain maupun ratio antara kriteria desain dengan passive soil resistance yang kurang dari 1.0. Free Span Analysis Panjang free span pada Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in untuk masing-masing material grade dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel 9. Tabel Hasil Kalkulasi Free Span Analysis pada Material Grade B, X42, X46, X52, dan X56
Grade
B
X42
X46
X52
X56
Outside Diameter (Do)
4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
8,819
The Critical Span Lenght for In-Line Motion, L C-IL (m) 12,617
12,430
14,000
27,832
8,775
12.554
17.800
12,305
13,859
27,552
8,692
12,436
17,632
11,855
13,703
27,241
8,443
12,080
17,128
11,855
13,352
26,544
8,443
12,080
17,128
11,855
13,352
26,544
Span Lenght, L s (m)
The Critical Span Lenght for Cross Flow Motion 1, L C-CF (m)
Check L s < L CIL & LC-CF
17,889 OK
OK
OK
OK
OK
Panjang bentangan pipa yang tidak tertumpu pada sea bed (span length) baik pada Ø 4.5 in maupun Ø 6.625 in untuk masing-masing material grade masih kurang dari panjang bentangan kritis pipa baik secara in line maupun cross flow motion. Sehingga masih memenuhi (aman). Laying Analysis Analisis laying pipa pada saat instalasi dilakukan dengan bantuan software OFFPIPE untuk pengecekan terhadap besarnya yield stress maksimum yang terjadi baik pada daerah over bend maupun sag bend dengan menggunakan data-data lay barge DMB (Dwi Satu Mustika Bumi) 88 sebagai input pemodelan. Laying analysis yang dihasilkan dari pemodelan OFFPIPE 14
menunjukkan bahwa pada material grade B pada Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in persen yield stress-nya melebihi Maximum Allowable Bending Stress, sementara pada material grade pada X42, X46, X52, dan X56 untuk Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in masih memenuhi. Berikut tabel persentase yield stress sebagai output dari (hasil pemodelan) software OFFPIPE : Tabel 10. Persentase Yield Stress sebagai Output dari Pemodelan software OFFPIPE
Grade
B
X42
X46
X52
X56
Do (Ouside Diameter)
Percent Yield Stress (Overbend)
4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm 4.5'' = 114.3 mm 6.625" = 168.275 mm
103.08%
Max. Allowable Yield Stress (Overben d)
Check
≤ 85%
NOT OK
311.01%
81.64%
≤ 85%
49.28%
44.88 %
Check
OK
≤ 70%
NOT OK
≤ 70%
OK
≤ 70%
OK
≤ 70%
OK
≤ 70%
OK
65.54% ≤ 85%
40.97% OK
78.64%
65.11%
66.04%
36.24%
≤ 85%
OK
67.82%
59.77%
72.60%
33.34%
66.75%
Max. Allawable Yield Stress (Sagbend)
70.06%
OK
82.10% 74.66%
Percent Yield Stress (Sagbend)
≤ 85%
OK 49.41%
Pemodelan Optimasi Pemodelan optimasi dilakukan dengan bantuan Microsoft Excel untuk membuat grafik pada material grade X42, X46, dan X52. Tidak dilakukan pemodelan optimasi pada material grade B karena secara mechanical design dalam laying analysis tebal maksimum pipa (yang ada dalam schedule pipa API 5L 2000) dengan material grade B yield stress-nya melebihi yield stress yield stress yang diijinkan, sehingga tidak dapat diinstall. Sedangkan material grade X56 tidak dilakukan pemodelan optimasi, karena material grade terlalu tinggi. Hal ini mengacu pada desain awal pipa (diameter original) 8 in menggunakan material grade X42. Dengan menggunakan persamaan hoop stress, sysstem collapse, dan propagation buckling serta berat pipa, maka dapat ditentukan diameter dan tebal pipa optimum. Berikut tabel output tiap material grade : 15
Material Grade X42 Tabel 11. Diameter Luar dan Tebal Pipa Material Grade X42 System Collapse (Psi) D (in) t (in) 4,5 0,1 6,625 0,162 8 0,133
Hoop Stress (Psi) D (in) 4,5 6,625 8
t (in) 0,0751 0,111 0,134
Propagation Buckling (Psi) D (in) t (in) 4,5 0,19 6,625 0,225 8 0,243
Kemudian akan diplot dalam grafik untuk mencari titik optimumnya.
Grafik Optimasi tiap Constraint (Psi) 0,3
0,25
y = -0,001x2 + 0,0272x + 0,0871
Tebal Pipa (n)
0,2
Hoop Stress X-42
y=
-0,0144x2
+ 0,189x - 0,4595
System Collapse X-46
0,15
Propagation Buckling X-52
0,1
Poly. (Hoop Stress X-42)
y = -5E-05x2 + 0,0174x - 0,0023
0,05
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Diameter Luar Pipa (in)
Gambar 2. Grafik Optimasi tiap Constraint pada Material Grade X42 Sehingga titik optimumnya adalah : (7.9 , 0.1132). Hal ini berarti pada material grade X42 diameter luar pipa yang optimum adalah 7.9 in dan tebal pipanya optimum adalah 0.1132 in. Dengan berat pipa = 39.588 lb/in. Karena diameter luar ini tidak disediakan dalam schedule pipa (API 5L 2000), maka dipilih yang mendekati diameter luar dan tebal pipa, yaitu diameter pipa 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in.
16
Material Grade X46 Tabel 12. Diameter Luar dan Tebal Pipa Material Grade X46 Hoop Stress (Psi) D (in) 4,5 6,625 8
System Collapse (Psi)
t (in) 0,0754 0,111 0,134
D (in) 4,5 6,625 8
t (in) 0,107 0,2 0,13
Propagation Buckling (Psi) D (in) t (in) 4,5 0,187 6,625 0,22 8 0,243
Kemudian akan diplot dalam grafik untuk mencari titik optimumnya.
Grafik Optimasi tiap Constraint (Psi) 0,3
0,25
y = 0,0003x2 + 0,0117x + 0,1273 Hoop Stress X-46
Tebal Pipa (in)
0,2 System Collapse X-46
y = -0,027x2 + 0,3447x - 0,8964 0,15
Propagation Buckling X-46 Poly. (Hoop Stress X-46)
0,1
Poly. (System Collapse X-46)
y = -7E-06x2 + 0,0168x - 0,0002 0,05
Poly. (Propagation Buckling X46)
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Diameter Luar Pipa (in)
Gambar 3. Grafik Optimasi tiap Constraint pada Material Grade X46 Sehingga titik optimumnya adalah : (7.8 , 0.1133). Hal ini berarti pada material grade X46 diameter luar pipa yang optimum adalah 7.8 in dan tebal pipanya optimum adalah 0.1133 in. Dengan berat pipa = 39.114 lb/in. Karena diameter luar dan tebal pipa ini tidak disediakan dalam schedule pipa (API 5L 2000), maka dipilih yang mendekati diameter luar dan tebal pipa, yaitu diameter pipa 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in. 17
Material Grade X52 Tabel 13. Diameter Luar dan Tebal Pipa Material Grade X52 System Collapse Propagation Buckling Hoop Stress (Psi) (Psi) (Psi) D (in) t (in) D (in) t (in) D (in) t (in) 4,5 0,0755 4,5 0,139 4,5 0,183 6,625 0,11 6,625 0,25 6,625 0,22 8 0,133 8 0,125 8 0,243 Kemudian akan diplot dalam grafik untuk mencari titik optimumnya.
Grafik Optimasi tiap Constraint (Psi) 0,3 y = -0,0002x2 + 0,0196x + 0,0988 0,25 y=
Hoop Stress X-52
-0,0409x2
+ 0,5072x - 1,3153 System Collapse X-52
Tebal Pipa (in)
0,2
Propagation Buckling X-52
0,15 Poly. (Hoop Stress X-52)
0,1
Poly. (System Collapse X-52)
y = 0,0001x2 + 0,0147x + 0,0066
0,05
Poly. (System Collapse X-52) Poly. (Propagation Buckling X-52)
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Diameter Luar Pipa (in)
Gambar 4. Grafik Optimasi tiap Constraint pada Material Grade X52 Berbeda dengan grafik optimasi pada 2 material grade sebelumnya (B dan X42) dimana constraint hanya berpotongan pada Hoop Stress dan System Collapse, sehingga dapat langsung ditentukan titik optimumnya pada 2 perpotongan constraint tersebut. Namun pada grafik optimasi material grade X52, 3 constraint saling berpotongan semua. Karena lingkup studi ini adalah optimasi, akan mencari diameter luar dan tebal pipa yang paling minimum, maka pada material grade X52 ini titik optimum diambil dari perpotongan constraint Hoop Stress dan Propagation Buckling. Sehingga titik optimumnya adalah : (7.2 , 0.1132). Hal ini berarti pada material grade X52 diameter luar pipa yang 18
optimum adalah 7.2 in dan tebal pipa yang optimum adalah 0.1132 in. Dengan berat pipa = 36.029 lb/in. Karena diameter luar dan tebal pipa ini tidak disediakan dalam schedule pipa (API 5L 2000), maka dipilih yang mendekati diameter luar dan tebal pipa, yaitu diameter pipa 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in. Dari tiga material grade di atas dapat diketahui berat pipa minimal yaitu 36.029 lb/in yang terjadi pada material grade X52 dengan diameter luar pipa 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in. Sehingga diameter luar dan tebal pipa optimum yang dapat diinstall dan dioperasikan di BK-BP 1 platform area Bekapai berturut-turut adalah 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in. Perbandingan Hasil Studi Sebelumnya Studi yang dilakukan sebelumnya yang merekomendasikan diameter 6 untuk diinstall tersebut, namun hanya mempertimbangkan kriteria pressure drop. Sementara dari segi mechanical design (stabilitas pipa, analisis tegangan, analisis terjadinya buckling, free span analysis, dan laying analysis) tidak diperhitungkan dan belum mendapatkan dimensi optimum. Sehingga penelitian ini mencoba menyempurnakan studi sebelumnya dengan memperhatikan aspek mechanical design dan dihasilkan diameter luar dan tebal yang optimum yaitu 7.2 in dan tebal pipanya optimum adalah 0.1132 in. Karena dimensi optimum ini tidak disediakan dalam schedule pipa, maka diambil dimensi yang disediakan dalam schedule yaitu diameter luar pipa 8.625 in dan tebal pipa 0.125 in dengan berat minimal pipa 36.029 lb/in dan material grade X52. KESIMPULAN Kesimpulan dari studi ini adalah sebagai berikut : 1. Meminimalkan berat pipa dilakukan dengan bantuan Microsoft Excel dengan membuat persamaan objektif tiap constraint dengan memplotkan 2 variabel diameter luar dan tebal pipa pada grafik. 2. Pipa dengan Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in pada masing-masing material grade (B, X42, X46, X52, dan X56 mengacu pada material grade API 5L 2000) baik pada kondisi instalasi maupun operasi masih stabil, yaitu nilai stabilitasnya (kriteria desainnya ≤ 1.0 sesuai syarat DNV RP-F109, 2010). 3. Panjang bentangan pipa pada Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in pada material grade B, X42, X46, X52, dan X56 masih kurang dari panjang bentangan kritisnya. Sehingga masih memenuhi. 4. Laying analysis yang dihasilkan dari pemodelan OFFPIPE menunjukkan bahwa pada material grade B pada Ø 4.5 in dan Ø 6.625 in persen yield stress-nya melebihi Maximum Allowable Bending Stress, sementara pada material grade pada X42, X46, X52, dan X56 untuk Ø 4,5 in dan Ø 6.625 in masih memenuhi. 5. Dari kesimpulan point 1 dan 4, maka diameter luar pipa (Do) dan tebal pipa (t) yang optimum untuk dapat dioperasikan di BK-BP 1 platform area Bekapai adalah diameter 8.625 in, dan tebal 0.125 in dengan berat minimal pipa 36.029 lb/in dan material grade X52. 19
DAFTAR PUSTAKA API RP-14E. 1991. Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping System. Northwest Washington, DC. American. API Spec-5L. 2000. Spesification for Line Pipe. American Petroleum Institute, American. ASME B31-4. 2009. Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids. The American Society of Mechanical Engineers, American. Bai,Y. 2001. Pipeline and Risers. Oxford. Elsevier Science Ltd. DNV OS-F101. 2010. Submarine Pipeline Systems. Det Norske Veritas, American. DNV RP-F109. 2010. On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines. Det Norske Veritas, American. DNV RP-F110. 2007. Global Buckling of Submarine Pipelines Structural Design Due to High Temperature/High Pressure. Det Norske Veritas, American DNV RP-F105. 2006. Free Spanning Pipelines. Det Norske Veritas, American DNV RP-E305. 1988. On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines Det Norske Veritas, American. GS EP COR 220. 2011. Corrosion, Three Layer Polyethylene External Coating for Pipelines. TOTAL E&P Indonesie. Guo, B., Song, S., Chacko, J., dan Ghalambor, A. 2005. Offshore Pipeline. Elsiver, United State. Halliwell, R. (1986). An Introduction to Offshore Pipeline. University College, Cork. Intranet TOTAL E&P Indonesie. Mouselli, A. 1981. Offshore Pipeline Design, Analysis and Methods. PenWell Books, Oklahoma. Rosyid, D.M. 2009. Optimasi, Teknik Pengambilan Keputusan secara Kuantitatif. ITS Press, Surabaya. Tahrizi, A. 2010. Report of On the Job Training Bekapai Pipeline Analysis BKPSNP 12” Pipeline Depressurisation Study and BK-BP1 New Pipeline Design, Balikpapan. Santosa, B. 2008. MATLAB untuk Statistika dan Teknik Optimasi. Graha Ilmu, Yogyakarta.
20
