ANALISIS PERBANDINGAN TEGANGAN PADA ONSHORE PIPELINE
MENGGUNAKAN MATERIAL GLASS-REINFORCED POLYMER (GRP) DAN CARBON STEEL BERBASIS TEKNO EKONOMIK
Naja Himawan(1), Imam Rochani(2), Hasan Ikhwani(3) 1
Mahasiswa Jurusan Teknik Kelautan, 2,3Dosen Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, ITS-Surabaya
E-mail : naza_milanisti@yahoo.co.id
ABSTRAK
Penggunaan pipa Carbon Steel pada industri migas menghadapi masalah pada rendahnya ketahanan terhadap korosi. Salah satu alternatif mengatasi masalah korosi adalah mengganti pipa Carbon Steel dengan pipa Glass Reinforced Polymer. Pada penelitian ini dilakukan perbandingan penggunaan kedua jenis material pipa berbasis tekno ekonomi dengan variasi tegangan, keuntungan dan kerugian penggunaan pipa, serta penggunaan metode instalasi yang tepat dengan menggunakan network planning. Penelitian ini dilakukan pada pipa dengan diameter 8 inch yang mentransmisikan crude oil. Dengan menggunakan software Caesar 5.1 dihasilkan nilai tegangan pada pipa GRP sebesar 5.435x107 Pa dengan tegangan ijin sebesar 6.635x107 Pa dan pada pipa Carbon Steel sebesar 5.684x107 Pa dengan tegangan ijin sebesar 2.172x108 Pa. Pada perbandingan pressure loss diperoleh nilai sebesar 24,97 psi pada pipa GRP dan 37,73 psi pada pipa Carbon Steel, selisih biaya maintenance sebesar 3781,4 US$ per tahun, dan selisih biaya instalasi sebesar 9.91% dan waktu instalasi sebesar 11.36% dibandingkan dengan pipa Carbon Steel. Sedangkan berdasar penggunaan network planning diperoleh efisiensi waktu sebesar 37.77% pada instalasi pipa GRP dan 42,42% pada instalasi pipa Carbon Steel. Berdasarkan hasil penelitian ini disimpulkan bahwa penggunaan material GRP masih memenuhi tegangan ijin yang disyaratkan code ISO 14692. Penggunaan pipa GRP juga memiliki keuntungan dalam mengurangi biaya instalasi, biaya maintenance, serta memiliki nilai pressure loss yang lebih rendah. Serta penggunaan network planning dapat meningkatkan efisiensi waktu pekerjaan.
Naja Himawan(1), Imam Rochani (2), Hasan Ikhwani(3)
Departement of Ocean Engineering, Faculty of Ocean Engineering, Institute Technologi of Sepuluh Nopember Surabaya
Email : naza_milanisti@yahoo.co.id
ABSTRACT
The use of carbon steel pipes in oil and gas industry faces the problem of low resistance to corrosion. One alternative to overcome the corrosion problem is to replace the carbon steel pipe with pipe Glass Reinforced Polymer. In this research, comparing the use of both types of pipe material based on techno economy with stress variations, advantages and disadvantages of the use of pipes, and use proper methods of installation using a network planning. Research was conducted on 8-inch diameter pipe that transmits the crude oil. By using Caesar 5.1 software generated stress value of 5.435x107 Pa GRP pipe with permission stress of 6.635x107 Paand on carbon steel pipe amounted to 5.684x107 Pa with a stress a permit for 2.172x108 Pa. In comparison the pressure loss is obtained at a value of 24.97 psi and 37.73 psi GRP pipes in carbon steel pipe, the difference in maintenance costs amounting to U.S. $ 3781.4 per year, and the installation cost difference of 9.91% and time difference of 11.36%. While the use of network planning based on time efficiency of 37.77% in the GRP pipe installation and 42.42% in the carbon steel pipe installation. Based on the results of this study concluded that the use of GRP materials still meet the required voltage license code ISO 14692. The use of GRP pipe also has the advantage of reducing installation costs, maintenance costs, and has a value of pressure loss is lower. And the use of network planning can improve the efficiency job in terms of time.
Key words: stress, GRP, techno economics, network planning.
1. PENDAHULUAN
Pipeline Engineering atau teknik transmisi pipa merupakan suatu rekayasa teknik tentang sebuah struktur pipa yang sering digunakan sebagai sistem pendistribusian minyak dan gas bumi. Pada industri migas, pipa logam merupakan jenis pipa yang paling banyak digunakan, terutama pipa yang terbuat dari carbon steel. Hal ini disebabkan karena pipa carbon steel sudah tersedia data-data yang lengkap tentang keandalannya dan aturan perancangan berupa code dan standard. Namun begitu masalah utama yang sering dihadapi pada penggunaan pipa carbon steel adalah masalah rendahnya ketahanan pipa carbon steel terhadap korosi, baik internal maupun eksternal korosi. Salah satu alternatif untuk mengatasi permasalahan korosi pada pipa carbon steel adalah dengan mengganti penggunaan pipa carbon steel dengan pipa yang terbuat dari material lain yang kuat namun tahan terhadap korosi. Schmit (1998) menyatakan salah satu jenis pipa yang sesuai dengan kriteria tersebut adalah pipa yang terbuat dari material komposit. Jenis material komposit pada saat ini yang paling banyak digunakan dalam sistem perpipaan adalah Glass Reinforcement Polymer (GRP).
Pada tugas akhir ini akan dikaji mengenai perbandingan analisis tegangan pada onshore pipeline yang mentransmisikan fluida berupa crude oil menggunakan pipa carbon steel dan pipa komposit glass-reinforced polymer berbasis tekno ekonomik. Data yang digunakan yaitu pada lapangan migas Pondok Tengah, Bekasi dari blok stasiun selatan (BSS) ke blok stasiun utara (BSU) seperti pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1 Lokasi Instalasi Pipa (Hutagaol: 2008)
Data yang digunakan pada tugas sarjana ini adalah sistem perpipaan dengan menggunakan material pipa GRP. Material properties pipa GRP seperti pada Tabel 1 berikut.
Tabel 1 Material Properties Pipa GRP
Series Star FRP Series 500 API 15
HR ACT
OD 8.10 inch
Specific Gravity 1.99 SG
Density 120.5 lb/ft3
Modulus Elastisitas Hoop 3.306 x 106 psi Modulus Elastisitas Aksial 2 x 106 psi
Poisson Ratio 0.39
Sumber : API 15HR
Sedangkan untuk analisis pembandingannya menggunakan sistem perpipaan dengan jenis material pipa carbon steel seperti pada Tabel 2 berikut.
Tabel 2 Material Properties Pipa Carbon steel
Series Seamless API 5L Grade B
SCH 40
OD 8.625 inch
Specific Gravity 7.8 SG
Density 490 lb/ft3
Modulus Young (E) 30.0 x 106 psi
Specified Minimum Yield Strength (SMYS) 35.000 psi
Poisson Ratio 0.30
Sumber : API 15 L
Analisis tegangan pipa berbasis tekno ekonomik digunakan untuk menentukan tegangan secara aktual pada sistem perpipaan terhadap pengaruh beban (sustained, occasional, operational, dan ekspansi thermal), kemudian dibandingkan dengan batasan-batasan minimum yang sudah ditetapkan dalam code dan standard internasional, apabila tegangan yang terjadi melebihi batasan minimumnya maka sistem perpipaan dinyatakan bermasalah. Oleh karena itu harus dilakukan analisis yang tepat agar sistem perpipaan menjadi aman, sedangkan untuk analisis ekonominya akan dianalisis berdasarkan analisis pressure loss dan network planning pada instalasi pipa. Analisis dilakukan dengan menggunakan code ASME B.31.8, standard API 5L untuk pipa carbon steel dan ISO 14692, standard API 15 HR untuk pipa GRP.
2. REVIEW TEORI
GRP merupakan material komposit tipe berserat yang dibentuk dari resin polymer sebagai matriksnya dan serat kaca (fiberglass) sebagai bahan penguat (reinforcement). Resin yang biasa digunakan adalah resin epoxy, hal ini dikarenakan epoxy memiliki ketahanan kimia yang paling baik dibandingkan tipe resin yang lain (isophtalic polyester, vinyl ester dan phenolics). Oleh karena hal tersebut, GRP sering disebut sebagai glass reinforced epoxy (GRE). Penggunaan pipa komposit merupakan salah satu solusi untuk mengatasi permasalahan korosi yang dihadapi dalam pipa logam, terutama penggunaan pipa pada lingkungan yang agresif.
Pada umumnya material dasar memiliki sifat isotropik, yang artinya kekuatan ke semua arah cenderung sama. Sedangkan komposit memiliki sifat inhomogeneous. Inhomogeneous artinya material yang sifatnya tidak seragam dan merupakan fungsi dari tubuh material tersebut. Pada kasus khusus, yaitu pada lamina komposit yang arah seratnya menuju ke satu arah (unidirectional), memiliki sifat orthotropik. Orthotropik adalah anisotropik khusus, dimana dalam beberapa arah memiliki kekuatan yang sama.
Berbeda dengan material carbon steel pada umumnya yang memiliki sifat isotropic, material komposit memiliki sifat orthotropic, yang artinya kekuatan ke satu arah belum tentu sama dengan kekuatan ke arah yang lain. Proses manufaktur pipa komposit juga sangat berbeda dengan pipa logam, terutama pipa carbon steel. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan sifat material sehingga proses penyambungan pipa komposit tidak dapat dilakukan metode pengelasan sebagaimana yang dilakukan pada proses manufaktur pipa carbon steel
2.1 Analisis Burial
Analisis Pipa pada terkubur dilakukan untuk mengetahui apakah dengan kedalaman yang telah ditentukan, tegangan-tegangan yang terjadi tidak melebihi tegangan yang diizinkan sesuai standar code yang digunakan.
Dead Load
(1) Lateral Soil Spring
(2) Vertical Uplift Soil Spring
(3) Vertical Bearing Soil Spring
(4)
2.2 Analisis Tegangan
Analisis tegangan pada pipeline harus dilakukan dengan mengacu pada standard untuk pipeline seperti ASME B31.8, DNV, ABS. Analisa statik pada pipeline dilakukan dengan mengevaluasi/ menghitung pada kondisi hidrotest (testing condition), instalasi, operasional, dan occasional loadcases yang berhubungan dengan kesesuaian fungsi dan beban lingkungan. Pada tugas akhir ini akan dilakukan analisis berdasarkan hoop stress, longitudinal stress, dan combined stress. Kriteria penerimaan stress didasarkan pada allowable stress yang telah ditentukan oleh standard/ class atau owner.
• Analisis Tegangan Pipa Carbon Steel Tegangan Hoop t h
Pd
2
0=
σ
(5) Tegangan Longitudinal)
(
4
2 0t
pD
L=
σ
(6) Tegangan TorsionalZ
M
t t2
=
σ
(7) Tegangan Combined 2 2 23
.
σ
τ
σ
σ
σ
σ
e=
h+
L−
h L+
(8)
• Analisis Tegangan Pipa GRP Tegangan Hoop r h
t
pD
2
=
σ
(9) Tegangan Longitudinal ap at a
σ
σ
σ
=
+
(10) Tegangan Torsional tσ
= T i b b ( 2 ) 1,5 4 M D t l + × (11) Tegangan Combinedσ
e=
σ
h2+
σ
L2−
σ
h.
σ
L+
3
τ
2 (12) Analisis Tegangan Maksimum Pipa Carbon SteelSMYS
hη
.
σ
≤
(13)SMYS
Lη
.
σ
≤
(14)SMYS
eη
.
σ
≤
(15)Analisis Tegangan Maksimum Pipa GRP
σ
hsum
≤
f
2A
1A
2A
3σ
.
qs
(16)( )
h,sum qs a,sum 2 1 2 31
2
2
r
f
A A
A
r
σ
σ
σ
⋅ ⋅
⋅
⎛
⎜
⎜
−
+
⋅
⎞
⎟
⎟
⎝
⎠
u
(17)2.3 Analisis Pressure Loss
Analisis pressure loss digunakan untuk menghitung kehilangan tekanan (pressure loss) pada pipa sehingga berpengaruh terhadap aliran fluida. Dengan menggunakan persamaan Hazen-Williams berikut dapat dihitung nilai pressure loss pada masing-masing jenis material pipa.
85 , 1 87 , 4
53
,
4
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
Δ
C
Q
d
xL
P
(18) 2.4 Network PlanningNetwork planning adalah suatu perencanaan, penjadwalan, dan pengendalian proyek yang menggambarkan hubungan ketergantungan antara tiap pekerjaan yang divisualisasikan dalam diagram network
Penggunaan network planning mempunyai beberapa manfaat antara lain: 1. Perencanaan suatu proyek yang kompleks
2. Penjadwalan pekerjaan-pekerjaan sedemikian rupa dalam urutan-urutan yang praktis dan efisien
3. Mengadakan pembagian kerja dari tenaga kerja dan dana yang tersedia
4. Penjadwalan ulang untuk mengatasi hambatan-hambatan dengan keterlambatan-keterlambatan
5. Menentukan trade off (kemungkinan pertukaran) antar waktu dan biaya 6. Menentukan probabilitas penyelesaian suatu proyek
Langkah-langkah dalam menyususn network planning 1. Menginventarisasi kegiatan-kegiatan
2. Menyususun hubungan antar kerja 3. Menyusun network diagram
4. Menentukan waktu untuk setiap kegiatan
5. Mengidentifikasi jalur kritis (critical path) pada network diagram 6. Melakukan analisis waktu, biaya, dan sumber daya
3. METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir
Gambar 2 Diagram Alir
Secara umum langkah kerja pada penelitian ini terdri dari beberapa langkah pengerjaan. Langkah awal yaitu studi literature dan pengumpulan data kemudian dilakukan analisis tegangan pada pipa carbon steel dan GRP dengan bantuan software Caesar 5.1 kemudian dibandingkan dengan tegangan ijin sesuai code masing-masing. Kemudian kita lakukan analisis-analisis yang mendukung terhadap penggunaan material baru ini seperti analisis pressure loss, biaya maintenance, dan biaya instalasi. Kemudian kita analisis metode perencanaan kerja yang tepat sehingga diperoleh rencana kerja yang tepat.
3.2 Pengelompokan data Data-data yang digunakan meliputi. Tabel 3 Data Operasi
Jenis fluida crude oil
Density 856.2 kg/m3
Laju aliran 18092 BOPD
Design pressure 4.14 MPa
Operating temperature 70 0F
Max allowable operating pressure 1.79 MPa Max allowable operating temperature 140 0F
Length 4.1 km
Average burial 1.3 m
Tabel 4 Data Tanah
Soil Description Sand
Density of soil(asumsi rata-rata) 1500 Kg/m3 Friction coefficient of soil ( µ ) 0,4 Koefisien kohesif pasir 191 kPa Sudut gesekan dalam 37 0
