Pipeline - Institut Teknologi Bandung
advertisement
ANALISIS FREE SPAN UNTUK PIPELINE DI BAWAH LAUT STUDI KASUS: PIPELINE DI AREA HANG TUAH TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh Ahmad Arif 13104042 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008 Lembar Pengesahan Tugas Sarjana Analisis Free Span Untuk Pipeline di Bawah Laut Studi Kasus: Pipeline di Area Hang Tuah Oleh Ahmad Arif 13104042 Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Disetujui pada Tanggal: 24 September 2008 Pembimbing Dr. Ir. IGN Wiratmaja Puja NIP 131 835 240 Tugas Sarjana Judul Program Studi Analisis Freespanning Untuk Pipeline di Bawah Laut Teknik Mesin Ahmad Arif 13104042 Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung ABSTRAK Subsea Pipeline merupakan alat transportasi yang biasa digunakan untuk menyalurkan fluida dari suatu anjungan tengah laut ke darat atau ke anjungan lain. Salah satu aspek penting dalam perancangan offshore pipeline adalah analisis span. Span adalah bagian pipa yang tidak tertumpu. Freespan yang terjadi pada offshore pipeline harus dijaga dalam batas yang diijinkan agar pipeline tidak mengalami kegagalan seperti retak, patah, dan bocor. Tujuan tugas akhir ini adalah untuk mendapatkan panjang span dinamik berdasarkan DNV RP F105 dan Offshore Pipelines (Buyon Guo), span statik (ASME B31.8), dan span non-linier menggunakan pemodelan elemen hingga untuk pipeline 14-inchi dari Hang Tuah ke MK1. Dari analisis didapatkan panjang span antara lain: 19 m (span in-line kriteria DNV), 24,4 m (span cross-flow kriteria DNV), 37,8 m (span in-line kriteria Guo), 66,1 m (span cross-flow kriteria Guo), 59 m (span non-linier kriteria yield point), 69 m (span non-linier kriteria regangan 2%), dan 75 m (span non-linier kriteria regangan 5%). Ada 17 freespan yang melebihi batas kritis span in-line kriteria DNV, 8 freespan yang melebihi batas kritis span cross-flow kriteria DNV, dan 1 freespan yang melebihi batas kritis span in-line kriteria Guo. Tidak ada freespan yang melebihi batas kritis span cross-flow kriteria Guo, dan span non-linier. Bachelor Thesis Title Freespanning Analysis for Subsea Pipeline Ahmad Arif Major Mechanical Engineering 13104042 Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung ABSTRACT Subsea Pipeline is a transportation unit that is used to transmit fluid from a platform to land or the other platform. One of main aspects in offshore pipe design is span analysis. Span is unsupported section of pipe. Freespan must be kept in allowable limit in order to prevent failures such as crack, fracture, and concrete lost. The purpose of this final project is to determine dynamic span length based on DNV RP F105 and Offshore Pipelines (Buyon Guo), static span length (ASME B31.8), and nonlinear span length using finite element modeling for 14-inch pipeline from Hang Tuah to MK1. The results from analysis are 19 m (in-line span for DNV criteria), 24,4 m (cross-flow span for DNV criteria), 37,8 m (in-line span for Guo criteria), 66,1 m (cross-flow span for Guo criteria), 59 m (nonlinear span for yield point criteria), 69 m (nonlinear span for 2% strain criteria), and 75 m (nonlinear span for 5% strain criteria). There are 17 freespans exceed critical limit of in-line span for DNV criteria, 8 freespans exceed critical limit of cross-flow span for DNV criteria, and 1 freespan exceed critical limit of in-line span for Guo criteria. There is no freespan exceed critical limit of cross-flow span for Guo and nonlinear span. KATA PENGANTAR Puji syukur ke hadirat Allah SWT, karena hanya dengan ridho, rahmat, petunjuk, dan kekuatan yang diberikan oleh-Nya tugas Akhir ini dapat diselesaikan. Tugas sarjana ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di program studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung. Judul dari tugas sarjana ini adalah Analisis Free Span Untuk Pipeline di Bawah Laut. Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini baik secara langsung maupun tidak langsung, yaitu : 1. Orang Tua yang telah memberikan semangat, dukungan, dan doa demi kelancaran pengerjaan tugas akhir ini. 2. Dr. Ir. IGN Wiratmaja Puja sebagai dosen pembimbing dan dosen wali, atas bimbingan, saran, motivasi, fasilitas, dan nasehat yang bermanfaat bagi penulis selama pengerjaan tugas akhir ini. 3. Ir. Chakimoelmal Jasjkur, M.Sc sebagai dosen wali, atas bimbingan dan bantuannya selama ini. 4. Ikatan Alumni ITB (IA-ITB) 70, Pertamina, dan Pemerintah Kabupaten Cirebon atas bantuan finansialnya selama penulis mengenyam pendidikan di ITB. 5. Ang Ji, Ang Ai, Muhyi, Kiki, Ang Fa, dan keluargaku yang telah memberikan semangat, dukungan dan doa demi kelancaran pengerjaan tugas akhir ini. 6. Yulia dan keluarga yang telah memberikan semangat, dukungan, dan doa demi kelancaran pengerjaan tugas akhir ini. 7. Mas Dodi, Mas Hadi, dan Mas Rayner atas bantuan, masukkan dan saran dalam pengerjaan tugas sarjana ini. i 8. Baskoro, Riper, Bani, Alfi, Cicel, Yodi, Harsa, Ingot, Bowo, Hariman, dan Tito sebagai rekan seperjuangan atas dukungan, bantuan dan kerjasamanya dalam pengerjaan tugas akhir ini. 9. Seluruh staf Lab. Perancangan, Mas Jajang, Mas Iin, Mbak Rini dan Mas Dadang serta seluruh Staf Dago Engineering atas bantuan yang telah diberikan kepada penulis. 10. Teman-teman Lab. Perancangan dan M’04 yang tidak dapat disebutkan namanya satu per satu atas kebersamaannya selama penulis menjalani studi di ITB. 11. Dan seluruh pihak lain yang tidak dapat disebutkan namanya satu per satu, yang telah membantu penyelesaian tugas sarjana ini. Penulis menyadari bahwa dalam penerjaan tugas sarjana ini masih banyak terdapat kekurangan, untuk itu penulis dengan besar hati akan menerima segala kritik maupun saran yang membangun. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi diri penulis sendiri dan bagi para pembaca sekalian. Bandung, September 2008 Penulis ii DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN .......................................................................................... ii ABSTRAK ................................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................................. iv KATA PENGANTAR ................................................................................................... i DAFTAR ISI ................................................................................................................ iii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... ix DAFTAR TABEL ........................................................................................................ xi BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................. 1 1.1. Latar Belakang..................................................................................... 1 1.2. Tujuan .................................................................................................. 2 1.3. Ruang Lingkup Permasalahan ............................................................. 3 1.4. Metodologi Penulisan .......................................................................... 3 1.5. Sistematika Pembahasan ..................................................................... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA................................................................................... 6 2.1. Offshore Pipeline[2].............................................................................. 6 2.1.1. Pengertian...................................................................................... 6 2.1.2. Aspek Penting Perancangan Pipeline............................................ 6 2.2. Span ..................................................................................................... 7 2.2.1. Pengertian [3].................................................................................. 7 2.2.2. Sebab dan Akibat [3] ...................................................................... 8 2.2.3. Jenis-Jenis Span [5] ........................................................................ 9 2.3. Vortex Induced Vibration (VIV)[7] .................................................... 11 2.3.1. Pengertian.................................................................................... 11 2.3.2. Obyek yang Terpengaruh Oleh VIV[11]....................................... 12 2.3.3. Parameter VIV[5] ......................................................................... 12 2.3.4. Jenis-Jenis VIV[5] ........................................................................ 15 2.3.5. Fenomena Lock-In[13] .................................................................. 16 iii 2.4. Non-Linier ......................................................................................... 17 2.3.1. Material Non-Linier .................................................................... 17 2.3.2. Analisis Non-Linier [14] ............................................................... 20 BAB III METODOLOGI FREESPANNING .............................................................. 21 3.1. Metodologi Freespanning Dinamik Berdasarkan Guo ..................... 21 3.1.1. Kondisi Batas .............................................................................. 22 3.1.2. Massa Efektif Pipeline ................................................................ 22 3.1.3. Stability Parameter ..................................................................... 23 3.1.4. Reynolds Number ........................................................................ 24 3.1.5. Reduced Velocity ......................................................................... 24 3.1.6. Panjang Span ............................................................................... 25 3.2. Metodologi Freespanning Dinamik Berdasarkan DNV RP F105 .... 28 3.2.1. Safety Factor ............................................................................... 29 3.2.2. Reduced Velocity ........................................................................ 30 3.2.3. Rasio Kecepatan Aliran Arus ...................................................... 30 3.2.4. Stability Parameter ...................................................................... 30 3.2.5. Massa Efektif .............................................................................. 31 3.2.6. Rasio Peredaman Total ............................................................... 33 3.2.7. Natural Frequency ....................................................................... 34 3.2.8. Fundamental Natural Frequency ................................................. 37 3.2.9. Kondisi Batas .............................................................................. 37 3.2.10. Concrete Stiffness Enhancement Factor (CSF) ........................ 38 3.2.11. Gaya Aksial Efektif ................................................................... 38 3.2.12. Beban Tekuk Kritis ................................................................... 39 3.2.13. Defleksi Statik ........................................................................... 40 3.2.14. Kekakuan Tanah Relevan ......................................................... 40 3.2.15. Panjang Span Efektif ................................................................. 41 3.3. Metodologi Freespanning Statik ....................................................... 46 iv 3.3.1. Momen Lentur............................................................................. 47 3.3.2. Beban Terdistribusi Merata ......................................................... 48 3.3.3. Tegangan Longitudinal Akibat Momen Lentur .......................... 48 3.3.4. Tegangan Longitudinal Akibat Beda Tekanan ........................... 48 3.3.5. Panjang Span ............................................................................... 49 3.4. Metodologi Perhitungan Umur Lelah Berdasarkan Guo ................... 50 3.4.1. Rasio Frekuensi ........................................................................... 50 3.4.2. Rasio Amplitudo ......................................................................... 52 3.4.3. Umur Lelah ................................................................................. 52 3.5. Metodologi Perhitungan Umur Lelah Berdasarkan DNV RP F105 .. 53 3.5.1. Stress Range ................................................................................ 54 3.5.2. Kurva S-N ................................................................................... 57 3.5.3. Umur Lelah ................................................................................. 58 3.6. Pemodelan Span Secara Non-Linier.................................................. 59 3.6.1. Data Perancangan ........................................................................ 60 3.6.2. Material ....................................................................................... 60 3.6.3. Geometry ..................................................................................... 60 3.6.4. Properties .................................................................................... 61 3.6.5. Element ....................................................................................... 61 3.6.6. Load Cases .................................................................................. 61 3.6.7. Analysis ....................................................................................... 61 3.6.8. Result .......................................................................................... 61 BAB IV DATA SISTEM PERPIPAAN HANG TUAH ............................................ 62 4.1. Sistem Perpipaan ............................................................................... 62 4.1.1. Lokasi Sistem Perpipaan ............................................................. 62 4.1.2. Jalur Pipeline............................................................................... 63 4.2. Data Operasi ...................................................................................... 63 4.2.1. Parameter Operasi [22].................................................................. 63 v 4.2.2. Residual Lay Tension[21].............................................................. 64 4.3. Data Pipa dan Coating ....................................................................... 65 4.3.1. Data Pipa [22]................................................................................ 65 4.3.2. Data Coating[21] ........................................................................... 65 4.4. Data Lingkungan ............................................................................... 66 4.4.1. Data Air Laut[21] .......................................................................... 66 4.4.2. Data Arus dan Gelombang Laut[21] ............................................. 67 4.5. Distribusi Freespan ........................................................................... 68 BAB V PEMODELAN DAN ANALISIS SPAN ....................................................... 72 5.1. Span dinamik berdasarkan Guo ......................................................... 72 5.1.1. Data Input .................................................................................... 72 5.1.2. Perhitungan Massa Efektif Pipeline ............................................ 73 5.1.3. Stability Parameter ...................................................................... 74 5.1.4. Reynolds Number ....................................................................... 74 5.1.5. Reduced Velocity ........................................................................ 74 5.1.6. Frekuensi Alami .......................................................................... 74 5.1.7. Panjang Span ............................................................................... 75 5.2. Span dinamik berdasarkan DNV RP F105........................................ 77 5.2.1. Data input dan asumsi ................................................................. 77 5.2.2. Perhitungan Umum ..................................................................... 79 5.2.3. Rasio Kecepatan Aliran Arus ...................................................... 80 5.2.4. Massa Efektif .............................................................................. 80 5.2.5. Rasio Peredaman Total ............................................................... 81 5.2.6. Stability Parameter ...................................................................... 82 5.2.7. Reduced Velocity ........................................................................ 82 5.2.8. Concrete Stiffness Enhancement Factor (CSF)........................... 83 5.2.9. Gaya Aksial Efektif ..................................................................... 83 5.2.10. Beban Tekuk Kritis ................................................................... 83 vi 5.2.11. Defleksi Statik ........................................................................... 84 5.2.12. Panjang Span Efektif ................................................................. 84 5.2.13. Natural Frequency ..................................................................... 90 5.3. Span Statik ......................................................................................... 91 5.3.1. Data Input .................................................................................... 91 5.3.2. Beban Hidrodinamik ................................................................... 92 5.3.3. Beban Terdistribusi Merata ......................................................... 92 5.3.4. Tegangan Longitudinal Akibat Beda Tekanan ........................... 93 5.3.5. Batas Tegangan ........................................................................... 93 5.3.6. Panjang Span Statik .................................................................... 93 5.4. Umur Lelah Berdasarkan Guo ........................................................... 94 5.4.1. Data Input dan Asumsi ................................................................ 94 5.4.2. Frekuensi Alami Pipa .................................................................. 94 5.4.3. Rasio Frekuensi ........................................................................... 95 5.4.4. Rasio Amplitudo ......................................................................... 95 5.4.5. Umur Lelah ................................................................................. 95 5.5. Umur Lelah Berdasarkan DNV RP F105 .......................................... 97 5.5.1. Data Input dan Asumsi ................................................................ 97 5.5.2. Unit Stress Amplitude.................................................................. 98 5.5.3. Faktor Koreksi Untuk Current Flow Ratio ................................. 98 5.5.4. Amplitudo Maksimum Dari Respon VIV ................................... 98 5.5.5. Umur Lelah ................................................................................. 98 5.6. Pemodelan Span Non-Linier ........................................................... 100 5.6.1. Material ..................................................................................... 100 5.6.2. Geometry ................................................................................... 102 5.6.3. Element...................................................................................... 102 5.6.4. Properties .................................................................................. 102 5.6.5. Load Cases ................................................................................ 102 vii 5.6.6. Results ....................................................................................... 106 5.7. Screening Span ................................................................................ 111 5.7.1. Span VIV in-line berdasarkan DNV .......................................... 112 5.7.2. Span VIV cross-flow berdasarkan DNV ................................... 113 5.7.3. Span VIV in-line berdasarkan Guo ............................................ 113 5.7.4. Span VIV cross-flow berdasarkan Guo...................................... 114 5.7.5. Span Statik ................................................................................ 114 5.7.6. Span Secara Non-Linier ............................................................ 114 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................. 115 6.1. Kesimpulan ...................................................................................... 115 6.2. Saran ................................................................................................ 115 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ xiii LAMPIRAN ................................................................................................................ xv viii DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Ilustrasi freespan………………………………..……..…………………1 Gambar 2.1 Ilustrasi offshore pipeline ………………………………………………..6 Gambar 2.2 Pipeline span …………………………………….………………………7 Gambar 2.3 Profil ketidakrataan dasar laut…………………….……………………..8 Gambar 2.4 Erosi pada permukaan dasar laut …………………………………...…..9 Gambar 2.5 Getaran arah cross-flow dan in-line dari sebuah pipeline dalam suatu aliran fluida ……………………………………………………………………10 Gambar 2.6 Fenomena VIV pada sebuah pipa ……..……...………………………..11 Gambar 2.7 Karakteristik aliran berdasarkan bilangan Reynolds………..………….13 Gambar 2.8 Frekuensi respon sebagai fungsi dari parameter Vr ………….…….….16 Gambar 2.9 Material dengan sifat nonlinear elastic ………………………....….…17 Gambar 2.10 Material dengan sifat elasto-plastic …………………………………..18 Gambar 2.11 Daerah plastic pada material baja …………………………….…………..18 Gambar 2.12 Fenomena creep……………………………………………………….20 Gambar 3.1 Diagram alir perhitungan span berdasarkan Guo………….…………..21 Gambar 3.2 Grafik Hubungan antara stability parameter dan reduced velocity…….22 Gambar 3.3 Hubungan antara Reynolds Number dan reduced velocity……........…..25 Gambar 3.4 Diagram alir perhitungan span berdasarkan DNV RP F105……….….28 Gambar 3.5 Posisi pipa dengan suatu gap………………………………………..…32 Gambar 3.6 Diagram alir perhitungan span statik………………………………….46 Gambar 3.7 Span Statik…………………………………………………………..…47 Gambar 3.8 Diagram alir perhitungan umur lelah menurut Guo……………………50 Gambar 3.9 Grafik Uc/fnD terhadap rasio frekuensi (f/fn)…….…………..…...……51 Gambar 3.10 Grafik stability parameter (Ks) terhadap rasio amplitude (A/D)…..…52 ix Gambar 3.11 Diagram alir perhitungan fatigue life berdasarkan DNV RP F105…..54 Gambar 3.12 Prinsip dasar amplitudo VIV in-line…………………………………..….55 Gambar 3.13 Prinsip dasar amplitudo VIV cross-flow………………………...………..56 Gambar 3.14 Kurva S-N untuk baja…………………….…………………………..57 Gambar 3.15 Diagram alir untuk pemodelan span non-linier……………………….61 Gambar 4.1 Sistem Perpipaan Conoco Phillips di laut Natuna blok B……….……..62 Gambar 4.2 Skema jalur pipeline di area Hang Tuah………………………………..63 Gambar 5.1 Grafik antara kecepatan arus terhadap panjang span……………..………89 Gambar 5.2 Grafik arah aliran terhadap panjang span…………………………...….90 Gambar 5.3 Grafik umur lelah terhadap current duration untuk span 37.8 m………98 Gambar 5. 4 Grafik kemungkinan terjadinya stress cycle terhadap umur lelah pada panjang span 19 meter……………………………………..……….…………...…..99 Gambar 5.5 Kurva stress-strain untuk material DNV OS F101 “U”……………….101 Gambar 5.6 Sifat-sifat material…………………………………………..…………101 Gambar 5.7 Kondisi fixed pada arah X-Y……………………………..……..…….103 Gambar 5.8 Kondisi fixed pada pandangan isometri………………………....…….103 Gambar 5.9 Tekanan luar dan dalam pipa ……………………………….…..…….104 Gambar 5.10 gaya hidrodinamik pada pandangan X-Y……………………………104 Gambar 5.11 gaya hidrodinamik pada pandangan isometri……………..…………107 Gambar 5.12 Panjang span 59 meter……………………………………………….109 Gambar 5.13 Regangan maksimum untuk panjang span 59 meter………….……..109 Gambar 5.14 Tegangan maksimum untuk panjang span 59 meter…………………110 Gambar 5.15 Panjang span 69 meter…………………………………………….…110 Gambar 5.16 Regangan maksimum untuk panjang span 69 meter………………...111 Gambar 5.17 Tegangan maksimum untuk panjang span 69 meter…………………111 Gambar 5.18 Panjang span 75 meter……………………………………………….112 Gambar 5.19 Regangan maksimum untuk panjang span 75 meter………….……..112 Gambar 5.20 Tegangan maksimum untuk panjang span 75 meter……………..…..113 x DAFTAR TABEL Table 3.1 Calculation Sheet untuk perhitungan span berdasarkan Guo………….….26 Tabel 3.2 Safety factor untuk kriteria screening………………………………….….29 Tabel 3.3 Safety factor untuk fatigue…………………………………………………...29 Tabel 3.4 Safety factor untuk frekuensi alami…………………………………...…..30 Tabel 3.5 Nilai peredaman tanah untuk jenis pasir (dalam %)………………………33 Tabel 3.6 Nilai peredaman tanah untuk jenis lumpur (dalam %)……………………34 Tabel 3.7 Koefisien kondisi batas……………………………………………………38 Tabel 3.8 Faktor kekakuan dinamik untuk interaksi pipa-tanah dalam pasir…..……41 Tabel 3.9 Faktor kekakuan dinamik untuk interaksi pipa-tanah dalam lumpur……..41 Tabel 3.10 Calculation Sheet untuk perhitungan span berdasarkan DNV RP F105..43 Tabel 3.11 Tegangan yang diijinkan pada Pipelines...................................................47 Tabel 4.1 Data dimensi dan material pipa…………………………………...………65 Tabel 4.2 Data anti-corrosion coating dan concrete coating………………………...66 Tabel 4.3 Temperatur air laut………………………………………………………..66 Tabel 4.4 Sifat-sifat air laut………………………………………………………….66 Tabel 4.5 Kedalaman air laut………………………………………………………..67 Tabel 4.6 Data arus dan gelombang laut untuk periode 100 tahun…………………67 Tabel 4.7 Data arus dan gelombang laut untuk periode 1 tahun……………………68 Tabel 4.8 Freespan pada 14” Infield Pipeline dari HangTuah ke MK1……………68 Table 5.1 Hasil perhitungan panjang span berdasarkan Guo untuk pipa 14 inchi Hang Tuah-MK1……………………………………………………………...76 Table 5.2 hasil perhitungan panjang span berdasarkan DNV RP F105 untuk pipa 14 inchi Hang Tuah-MK1……………………………………………………..85 Tabel 5.3 Hubungan kecepatan arus terhadap panjang span…………………….….88 Tabel 5.4 Hubungan arah aliran terhadap panjang span…………………………….89 Tabel 5.5 Hubungan current duration dan umur lelah pada panjang span 37,8 m….96 Tabel 5.6 Hubungan kemungkinan terjadinya stress cycle dengan umur lelah…….99 xi Tabel 5.7 Tabel stress-strain berdasarkan Ramberg-Osgood……………………...100 Tabel 5.8 Hasil pemodelan span……………………………….……………….…..106 Tabel 5.9 Panjang span kritis pada berbagai kriteria…………………………….…111 Tabel 5.10 Span VIV in-line berdasarkan DNV……………….………………….. 112 Tabel 5.11 Span VIV cross-flow berdasarkan DNV………….…..……………...…113 Tabel 5.12 Span VIV in-line berdasarkan Guo……………………………………..114 xii
