Analisis Fatigue Life pada Struktur Boom Pedestal Crane Field Malacca untuk Perpanjangan Masa Operasi

Analisis Fatigue Life pada Struktur Boom Pedestal

Crane Field Malacca untuk Perpanjangan Masa Operasi

Farii Fahmiuddin Fikri

Dosen pembimbing :

Mengenai Fatigue

▫ Besar tegangan yang bekerja ▫ Jumlah siklus yang terjadi

▫ Kondisi lingkungan (angin, seismik, glasial) ▫ Geometri komponen

Outline

•

Overview

•

Methodology

•

Analisis Material

•

Analisis Beban

- operasional

- angin

•

Permodelan dan Simulasi

•

Kalkulasi Tegangan

•

Analisis Kerusakan Kumulatif

•

Analisis Fatigue life

1

LATAR BELAKANG

Indonesia; ± 449 anjungan lepas pantai

(platform offshore) yang tersebar diseluruh daerah.

38% umur pakai telah melebihi desain awal (20-25 tahun) (Indiyono, paulus,2006) PT. Kondur Petroleum SA.

berkeinginan untuk

memperbaiki struktur maupun komponen

sesuai permintaan

Overview

Rumusan Masalah

1. Berapakah remaining fatigue life pada pedetal

crane berdasarkan tinjauan beban oparasional maupun

lingkungan?

2. Seberapa besar persentase pengaruh pembebanan operasi dan lingkungan terhadap fatigue life dari

pedestal crane ?

3. Berapa Safety factor dan SWL yang

direkomendasikan untuk perpanjangan operasi pedestal crane 20 tahun mendatang ?

•

Tujuan :

•

1.

Memperkirakan fati

gue life

pada Pedestal

crane berdasarkan tinjauan beban statis dan

dinamis.

•

2.

Mengetahui besar persentase pengaruh

pembebanan operasi dan lingkungan terhadap

fatigue life dari pedestal crane.

•

3.

Memperkirakan besar Safety factor dan SWL

yang direkomendasikan untuk perpanjangan

operasi pedestal crane 20 tahun mendatang.

• Batasan masalah

• 1. Pedestal crane yang digunakan sebagai objek pada penelitian tugas akhir ini adalah pedestal crane pada

EMP Malacca Strait S.A. Lalang Well-Head Alpha (LWA) platform field Lalang strait, malaka dengan tipe Crane

AK-701 model Seaking 1000 (SK 1000) no seri 1919.

• 2. Beban beban yang ditinjau adalah beban lingkungan

berupa angin dan beban operasi crane baik statis

maupun dinamis

• 3. Data operasional crane, rekap kejadian angin dan data inspeksi yang digunakan adalah kurun waktu 10 tahun terakhir

Methodology

Diagram alir

Objek Penelitian

Analisis Material

Spesifikasi Material - Sifat mekanik

- Komposisi Bahan Fatigue Ratio

Spesifikasi material

• Diketahui base material dari Pedestal crane adalah Baja Struktur ASTM A 36 dengan spesifikasi :

• Ultimate tensile strength, UTS = 413 MPa • Tensile Yield Strength, TYS = 224 MPa

• Fracture stress, σ_F = 779 Mpa

• Fatigue Strength Coeff, σ`_F = 780 MPa

• Tensile Strain, ε_T = 1.19

• Fatigue ductility, ε`_F = 0.28

• RA % = 69%

• Modulus Elastisity, E = 189 GPa

• Shear Modulus = 79,3 GPa

Cont’d

• Yield stress in shear, K = 1075 MPa

• Fatigue strenght exponent, B = -0.11

• Fatigue ductility exponenent,C = -0.45

• Poisson’s Ratio = 0,260

• Coeff of Thermal expansion = 12x10-6

Komposisi Bahan

•

Carbon, C

0.260 %

•

Copper, Cu

0.20 %

•

Iron, Fe

99.0 %

•

Manganese, Mn

0.75 %

•

Phosphorous, P

<0.040 %

•

Sulfur, S

<0.050 %

Fatigue Ratio

•

Adalah perbandingan nilai endurance limit (Se)

dengan ultimate strength (Su). Untuk baja biasa

dinyatakan dengan nilai 0.5 sehingga didapatkan

•

Se’

Steel = 0.5 (Su)

= 0.5 (435 MPa)

= 217.5 MPa

Sedangkan untuk stress pada siklus 1000 kali

diperoleh dengan

S

1000, steel = 0.9 (Su)

= 0.9 (435 MPa)

217.5 MPa 391.5 MPa

Daerah Infinite life Kurva S-N ASTM A36

Fatigue limit (endurance)

Fatigue limit

2 N

_f

= ε`

F

. E

1/b-c

σ`

_F

= 0.28 x 189,000

1/(-0.11)+ (0.45)

780

= 243625.675

N

_{f =}

1.22 x 10

5

_cycle

Sehingga fatigue limit (endurance limit ) adalah

1.22 x 10

5

_cycle

_{dengan σ}

endurance limit

= 217.5

• Secar garis besar, Material ASTM A36 layak dipergunakan karena

• - memiliki poisson ratio yang kecil (0.26) sehingga kekakuan tinggi

(range 0,25-0,3)

• - merupakan baja struktur dengan kadar karbon yang sesuai (low carbon steel) sebesar C = 0,26 %

• -memiliki struktur mikro berupa Ferrite-pearlite

klik Mikrostruktur

Con’t

•

Akan tetapi tidak bisa secara digeneralisir

base material dari setiap komponen sama,

terlebih untuk bagian

bagian

yang

mengalami

konsentrasi tegangan

•

Ex : Tumpuan boom feet pin, Gantry Pin

klik Boom Feet Pin

Analisis Beban

Beban Operasional (service load) 1. Jenis beban

- Statis (Dead Load) - Dinamis (Live Load) 2. Kondisi

- Kondisi Normal - Kondisi Workover Beban Lingkungan (out of Service load)

Jenis Pembebanan

• Statis = Adalah beban tetap, baik besarnya

(intensitasnya), titik bekerjanya dan arah garis kerjanya.

▫ Ex beban berat

• Dinamis = besarnya ( intensitasnya ) berubah-ubah menurut waktu/ kondisi tertentu saja, Memunculkan momen inersia

Beban Operasional (kondisi normal)

• Dalam satu bulan, crane beroperasi selama 10 jam lebih akan tetapi tidak lebih dari 50 jam (API,1999). Dalam satu kali

operasi, diperkirakan crane bekerja selama 10 menit. Sehingga apabila diasumsikan dalam satu bulan crane

beroperasi selama 50 jam, maka intesitas penggunaan crane selama satu bulan dihitung sebagai berikut :

50 hours = 50 x 60 min = 3000 min

3000 min / 10 min = 300 kali

Sehingga dalam satu bulan, crane beroperasi sebanyak 300 kali.

• Service life dari Pedestal crane LWA adalah 20 tahun, maka

total penggunaan crane selama operasi adalah :

20 tahun x 12 bulan x 300 kali = 72.000 kali operasi ≈

Pompa, Drum, Parts Pipe, Heavy equipment

Beban Operasional (kondisi workover)

• Dalam satu kali work over, pedestal crane dapat

digunakan selama 24 jam. Akan tetapi workover tidak selalu dilakukan dalam satu tahun

sehingga

• Asumsi yang digunakan adalah kondisi terburuk dimana crane pedestal

-Beban yang sering digunakan sebesar SWL nya (14.4 ton)

-Rasio penggunaan berkebalikan dengan kondisi normal

Analisis Beban

Perhitungan gaya berat dan gaya momen

Dengan persamaan momen lentur (bending momen)

Diketahui

Panjang boom feet = 55 in (1,4 m)

Diameter boom feet = 6 in (0, 1524 m) jarak boom feet ke ujung bearing = 2 ¾ in (0,070 m)

Beban Lingkungan (Gaya Angin)

Spesifikasi

Massa jenis udara (ρ) = 1,2754 kg/m3

Nilai C_s untuk bentuk silinder = 0.5 (ABS MODU, 2001)

Nilai wind pressure height = 1.1 Coefficient (C_h ) untuk

ketinggian 15,3m-30,5m (ABS MODU, 2001)

Arah Angin dan kecepatan rata-rata

*sumber BMKG stasiun Medan dan Kep.Riau

Intensitas kejadian angin berbagai arah mata angin

*sumber BMKG stasiun Medan dan Kep.Riau

Kalkulasi Gaya angin

diketahui kecepatan angin pada elevasi y diatas 30 ft (9,144 m) yakni :

Sedangkan perhitungan gaya angin diketahui dengan persamaan

V (17,5 m) = 12.86 ( 17,5 / 9,144) 1/7 = 12.86 ( 1,91382)1/7 = 12.86 (1,0971640) = 14.11 m/s * ABS MODU 2001 *

F (l= 24.38 m)

= ½ (1,2754)(0,5)(1,1)(24,38)(14,11)2

= ½ (17.10) (14,11)2

Permodelan

dan Simulasi

Permodelan

• Digunakan untuk simulasi gaya yang bekerja sehingga

diketahui daerah yang mengalami konsentrasi tegangan

• Permodelan struktur boom crane menggunakan software

AUTOCAD 2010 untuk drawing 3D.

• Data gambar struktur yang digunakan untuk permodelan

mengacu kepada technical drawing Pedestal Crane dan pengukuran dengan alat bantu ukur .

Kemudian dilakukan simulasi pembebanan dengan

menggunakan sofware FEMAP v10.3.0 NASTRAN SIEMENS untuk analisis tegangan yang bekerja.

Gambar struktur boom crane dengan AUTOCAD 2010

• Input properties benda kerja berdasarkan data Material Database

Sheet (MDS) sedangkan input besar tegangan berdasarkan contoh

pembebanan dengan mengacu pada Manual Operation Procedure. Modulus elastisitas : 189E+09

Modulus geser : 80E+03

Poisson’s Ratio : 0.26

Property type : Solid volume element

• Kemudian dilakukan meshing control dengan dimensi : tetra meshing (Tet Mesh)

ukuran : 3 unit mesh

jumlah node : 77898 node

jumlah element : 48684 element.

Input constraint : tipe “Pinned-no translation”. sampel beban statis : 14400 N (sumbu z )

Konsentrasi tegangan

Terlihat adanya konsentrasi tegangan antara boom feet pin dengan boom section bagian bawah

distribusi tegangan ditunjukan oleh warna Merah = konsentrasi tegangan terbesar

Analisis Tegangan

Tegangan Lentur (bending) Tegangan Geser (puntir)

Fluktuasi tegangan yang terjadi

•

Pembebanan

yang terjadi

“angkat-lepas”

-ST R ESS + ALTERNATING LOAD TIME STRESS RANGE MEAN STRESS -ST R ESS +

PULSATED OR REPEATED LOAD TIME MEAN STRESS STRESS RANGE -ST R ESS + FLUCTUATING LOAD TIME MEAN STRESS STRESS RANGE 50

Analisis Tegangan

Karena bagian tumpuan (Boom feet Pin) adalah bagian yang mendapat tegangan terkonsentrasi paling besar sehingga dapat diketahui tegangan untuk masing masing beban

Dimensi: Diameter : 5 in (0,127 m) Length : 55 in (1,4 m) A = length x width = 0,127 x 1,4 = 0,1778 m2 = 177800 mm2

Tegangan lentur (bending)

σ = F + M. c

A I

Dimana

• M = momen bending

• c = jari jari boom pin

= ½ x 5 in = 2,5 in (0,0635 m or 63,5 mm )

• I = moment inertia of the section = π (152,4 mm)4

• 64

Tegangan oleh Gaya Angin

Load projected area (API RP 2C,2004)

= (1.33 x SWL/200)2/3 = (1.33 x 31746.56575 lb / 200) = (1.33 x 158.732825) 2/3 = (44569.39851) 1/3 = 35.455 ft2 _{= 3.29388 m}2 σ angin = F/ A _boom = 1702.42 N / 3.29388 = 516.843 N/ m2 = 516.843 Pa = 5.16843 x 10-4 _MPa

Analisis Kerusakan Kumulatif

Kalkulasi jumlah siklus

Analisis Kerusakan Kumulatif

• Perkiraan umur kelelahan didapatkan pada beban fluktuasi yang akan diterima struktur selama masa operasi. Sehingga untuk

mengetahui sisa umur kelelahan struktur dapat dilakukan setelah memperoleh informasi kondisi beban yang diterima struktur selama operasi. Sisa umur kelelahan struktur dapat ditentukan dengan

menggunakan persamaan Palmgren Miner

ni = Jumlah cycle kolom interval rentang tegangan i dengan harga Si yang

sebenarnya terjadi, dari rentang distribusi tegangan jangka panjang akibat beban eksternal.

Ni = Jumlah cycle rentang tegangan dengan harga Si yang menyebabkan

kegagalan. Harga besaran ini dapat diperoleh dari kurva S-N.

m = Total (Σ) dari interval-interval rentang tegangan. D = Rasio kerusakan kumulatif.

Perhitungan siklus kegagalan (Ni)

• Setelah diketahui tegangan masing masing pembebanan, maka dapat diketahui harga fatigue cylce (siklus

kegagalan) dengan persamaan

Dimana untuk logam paduan, Harga log a = 17,446

M = 4,7

Perhitungan siklus untuk operasi normal (statis)

Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban statis kondisi normal sebesar 0,4227

Perhitungan siklus untuk operasi workover (statis)

Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban statis kondisi workover sebesar 0,242

Perhitungan siklus untuk berbagai arah mata angin

Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban akibat gaya angin sebesar 3,94E-18

Dengan menggunakan hukum Palmgren-Miner, maka ketiga rasio kerusakan kumulatif yaitu beban operasi crane statis, beban operasi crane dinamis dan beban angin dijumlahkan untuk mendapatkan nilai rasio kerusakan kumulatif total (D_total)

Kondisi Normal

• D _crane = D _{operasi statis s} + D _angin

• = (0,423)+ (3,94x10-18₎

• = 0,423

Kondisi Workover

• D _crane = D _{operasi statis s} + D _angin

• = (0,243 )+ (3,94 x 10-18₎

Analisis Fatigue Life

Fatigue Life sesungguhnya Safety Factor sesungguhnya Persentase pengaruh beban

Analisis Fatigue Life

Formulasi umur kelelahan dari suatu struktur dapat dihitung melalui persamaan

Kondisi Normal

• formulasi umur kelelahan suatu material dapat dihitung dengan membagi lama operasi data beban yang diterima pedestal crane, yakni selama 20 tahun.

• Pada kondisi normal, fatigue life sesungguhnya dari boom pin pedestal crane adalah 47,28 tahun. Dengan mengetahui umur kelelahan sesungguhnya maka dapat diketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar :

•

• 47,28 tahun / 20 tahun = 2,36

•

• Jadi, Safety factor (SF) kondisi normal dari boom pin pedestal crane sebesar 2,36

• formulasi umur kelelahan suatu material dapat dihitung dengan membagi lama operasi data beban yang diterima pedestal crane, yakni selama 20 tahun.

• Pada kondisi Workover, fatigue life sesungguhnya dari boom pin pedestal crane adalah 82 tahun. Dengan

mengetahui umur kelelahan sesungguhnya maka dapat diketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar :

•

• 82 tahun / 20 tahun = 4,1

•

• Jadi, Safety factor (SF) kondisi workover dari boom pin pedestal crane sebesar 4

•

Safety factor Pedestal crane senilai 2 dengan

SWL maksimum sebesar 14,4 ton. Maka

diketahui beban maksimum sesungguhnya

•

•

Dengan mengambil umur yang relatif paling

singkat/kecil yakni kondisi normal, maka nilai

safety factornya dapat digunakan sehingga nilai

safety factor sebelumnya sebesar 2 menjadi naik

sebesar 2,36. Dan SWL maksimum yang

direkomendasikan untuk 20 mendatang adalah

•

•

Sehingga untuk penentuan safety factor, diambil

kemungkinan kondisi terburuk yakni workover.

Untuk masa operasi selanjutnya diketahui safety

factor yang digunakan sebesar :

•

66 tahun – 20 tahun = 46 tahun

•

46 th/20 th = 2,3

harga safety factor minimum untuk operasi

selanjutnya (20 tahun mendatang) yakni >2,3

Persentase

•

Kondisi normal

•

D

_{operasi statis}

99,999 %

•

D

_angin

2,02x10

-8

_%

•

Kondisi Workover

•

D

_{operasi statis}

99,998%

•

D

_angin

1,93x10

-9

_%.

Kesimpulan

1. Fatigue life dari struktur pedestal crane LWA platform akibat pembebanan oleh operasi dan lingkungan adalah 47 tahun Dengan demikian pedestal crane masih dapat dioperasikan untuk 20

tahun mendatang dengan SWL yang ditentukan.

2. Besar persentase pengaruh pembebanan operasi statis untuk kondisi

normal 99,999 % dan workover 99,998 %, Serta pembebanan

lingkungan oleh angin untuk kondisi normal 2,02x10-8 _{% dan workover}

1,93x10-9 _%.

3. Safety Factor yang disarankan untuk 20 tahun mendatang adalah 2,3 atau lebih, sedangkan beban angkat maksimum (SWL) adalah sebesar

Saran

1. Diperlukan material yang tepat untuk bagian boom feet pin dengan kualifikasi :

-Kekuatan yang tinggi -Machinability yang baik

-Factor sensitivitas takik yang rendah -Sifat perlakuan panas yang baik

-Sifat tahan aus yang tinggi

Sehingga direkomendasikan untuk menggunakan material baja grade paduan tinggi dengan nilai Endurance limit stress diatas 450-500

MPa dan UTS seharga 2x lipat dari endurance limit supaya menghasilkan infinite life fatigue design

•

2. Mempertahankan maintenance dan

mengkalkulasi SWL kembali melihat masa pakai

dan beban yangdioperasikan

3. Sedikit mungkin meminimalisir cacat, korosi

dan kekasaran permukaan

4. Analisis kekuatan sambungan struktur,

karena fokus penelitian hanya pada tumpuan

yang terkonsentrasi oleh tegangan