Dosen Pembimbing: 1. Ir. Imam Rochani, M.Sc. 2. Ir. Handayanu, M.Sc., Ph.D.

(1)

1. Ir. Imam Rochani, M.Sc.

Sidang Tugas Akhir (P3)

Surabaya, 7 Agustus 2014

PERANCANGAN RISER DAN

EXPANSION SPOOL

PIPA BAWAH LAUT: STUDI KASUS KILO FIELD PT.

PERTAMINA HULU ENERGI

OFFSHORE NORTHWEST

JAVA

Oleh:

Hidayat Wusta Lesmana (4310100028)

2. Ir. Handayanu, M.Sc., Ph.D.

Dosen Pembimbing:

JURUSAN TEKNIK KELAUTAN

FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

2014

(2)

• _Pendahuluan

• _{Metodologi Penelitian}

• _{Analisis & Pembahasan}

• _{Kesimpulan & Saran}

(3)

PENDAHULUAN

LATAR BELAKANG

RUMUSAN MASALAH

TUJUAN

MANFAAT

BATASAN MASALAH

(4)

Oil & gas

need

LATAR BELAKANG

Pipeline

leakage

Redesign

(5)

(6)

Berapa

schedule

yang sesuai dengan hasil perhitungan

tebal

pipa, riser

,

dan

expansion spool

?

Berapa panjang

spool

yang dibutuhkan untuk mengakomodasi

ekspansi

yang terjadi?

Apakah hasil

pemodelan

riser

dan

pipeline

expansion spool

dengan perangkat lunak

autopipe

sudah

memenuhi batas keamanan berdasarkan

tegangan

(7)

Mengetahui

schedule

yang sesuai dengan hasil perhitungan

tebal pipa, riser

,

dan

expansion spool

Mengetahui panjang

spool

yang dibutuhkan untuk

mengakomodasi

ekspansi

yang terjadi

Mengetahui Apakah hasil

pemodelan

riser

dan

pipeline

expansion spool

dengan perangkat lunak

autopipe

sudah

memenuhi batas keamanan berdasarkan

tegangan

(8)

MANFAAT



Dapat diketahui bagaimana pemodelan

riser

dan

pipeline spool expansion

yang aman dengan

mengetahui besar kombinasi tegangan dan

regangan yang bekerja, serta mengetahui

perhitungan property yang dibutuhkan untuk tahap

desain seperti tebal yang dipilih berdasarkan hasil

perhitungan dan

schedule

, tebal lapisan beton untuk

menjaga stabilitas di dasar laut, panjang bentangan

bebas, dan panjang ekspansi termal yang terjadi

(9)

•

1. Studi kasus yang dipakai adalah proyek milik Pertamina Hulu Energi

Offshore North West Java, KILO field, pipeline dan riser dari platform KC-KA

•

2. Perhitungan yang dilakukan dalam perancangan adalah perhitungan tebal pipa,

ekspansi termal, stabilitas pipa di bawah laut, dan panjang bentang bebas pipa.

•

3. Perhitungan panjang bentang bebas pipa hanya pada sampai tahap screening

fatigue criteria.

•

4. Perhitungan cathodic protection dan pipeline crossing diabaikan.

•

5. Kode yang dipakai untuk perhitungan tebal pipa dan riser adalah ASME B

31.8 dan API RP 1111.

(10)

•6.Kode yang dipakai untuk perhitungan stabilitas pipa di bawah air

adalah DNV RP F-109.

•7.Kode yang dipakai untuk perhitungan bentangan bebas pada pipa

dan riser adalah DNV RP F-105.

•8.Kondisi yang dipakai adalah kondisi operasi.

•9.Perangkat lunak yang digunakan untuk desain riser dan pipeline

spool expansion adalah autopipe.

•10.Kondisi tanah pada pemodelan diasumsikan rata dan datar.

•11.Keamanan dan kegagalan model ditinjau berdasarkan tegangan

ekuivalen.

(11)

(12)

Diagram Alir Penelitian (Umum)

Mulai

Studi Literatur

Pengumpulan data pipeline,

data lingkungan, dan data

operasi

Perhitungan

wall thickness

pipeline dan riser

Perhitungan

expansion

thermal

Perhitungan

Free span

pipeline & riser

Perhitungan

on bottom

stability

(13)

Diagram Alir Penelitian (Umum)

lanjutan

Check Tegangan Ekuivalen (Memenuhi kriteria)

A

Pemodelan pipeline, expansion

spool, dan riser dengan autopipe

Selesai

Tidak

ya

Input properties pipa

yang telah dihitung

(wall thickness dan thermal expansion ) ke

dalam autopipe

Mengganti wall thickness

(14)

Mulai

Selesai

Memilih tebal pipa pada

schedule

berdasarkan diameter luar

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalan akibat

pressure containment

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalan akibat tekanan eksternal

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalan akibat

propagation buckling

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalan akibat kombinasi

bending

dan tekanan eksternal

Menghitung tebal pipa nominal dan mencocokkan dengan tebal pipa yang telah dipilih sebelumnya

Diagram Alir Perhitungan

(15)

Diagram Alir Perhitungan

thermal expansion

Mulai

Pengumpulan data pipeline, data lingkungan, dan data

operasi

Perhitungan

axial force

(berbasis regangan)

Perhitungan

frictional strain

Perhitungan

pipeline expansion thermal

dan

anchor length

(16)

Diagram Alir Perhitungan

on bottom stability

Mulai

Selesai

Input data pipa dan lingkungan Penentuan Teori Gelombang

Perhitungan Kecepatan Arus Perhitungan Koefisiensi

Hidrodinamika

Perhitungan Koefisiensi Gesek

Tanah

Perhitungan berat terendam pipa dan berat minimal terendam pipa

Analisis Stabilitas Vertikal dan

Lateral

(17)

Diagram Alir Perhitungan

free span pipeline & riser

Mulai

Penentuan Teori

Gelombang

Perhitungan

Soil Stiffness

Perhitungan

Length Effective

Selesai

(18)

(19)

Parameters

Units

8” KC-KA 3 Phase

_Pipeline

Design Pressure Psig 950 (6.2 MPa)

Max. Operating Pressure Psig 164 (1.13 MPa)

Hydrotest Pressure Psig 1330 (9.2 MPa)

Mechanical Design

Temperatur (Metal)(1) 0F 200 (93.3 0C)

Operating Temperature 0_F _{109 (42.78}0_C)

Density of Content kg/m3 _37.32

Parameters

Units

8” KC-KA 3 Phase Pipeline

Outer Diameter mm 219

Material - API 5L Grade X52MO or X52QO PSL2 _CS Seam Type - SMLS, SAWL or HFW

SMYS MPa 360.0 (52.20 ksi) SMTS MPa 460.0 (66.70 ksi) Young Modulus MPa 2.07 x 105_{(30022.9 ksi)}

Poison Ratio - 0.3 Density kg/m3 ₇₈₅₀ Coefficient of Thermal Expansion /oC 1.1 x 10-5 Services - 3-Phase

Pipeline Data

(20)

Environmental Data

Item Unit Value

Minimum Water Depth m 28.96 Maximum Water Depth m 29.87

Item Units _1-YearReturn Period_100-Year Storm Tide (Surge) m 0.152 0.244 Highest Astronomical Tide

(HAT) m 1.158

Return Period Maximum Wave Height Significant Wave Height1) Height (m) Period (sec) Height (m) Period (sec) 1-year 5.09 7.10 2.74 5.42 100-years 8.63 9.40 4.64 7.18

Parameter Units Value Soil Type1) _- _{Very Soft Clay}

Undrained Shear Strength1) _kPa _{2.0 – 5.0}

Angle Friction 1) _Deg _0.0

(21)

Percent of Depth (%)

Current Speed (

m

/

sec

)

1-year

100-years

0 _0.914

_1.219

10 _0.853

_1.128

20 _0.792

_1.036

30 _0.732

_0.975

40 _0.671

_0.884

50 _0.610

_0.792

60 _0.549

_0.732

70 _0.488

_0.671

80 _0.427

_0.610

90 _0.366

_0.518

100 _0.244

_0.305

Environmental Data

(22)

Environmental Data

No Temperature Length Remark

o_C _M 1 42.66 0 At Launcher_Point 2 42.51 0 3 42.49 5 4 42.47 9 5 39.65 24 6 37.34 38 Pipeline Start 7 29.32 138 8 27.30 238 9 26.80 338 10 26.69 438 11 26.67 538 12 26.66 638 13 26.66 738 14 26.66 838 Pipeline End 15 26.66 878 16 26.53 893 17 26.42 908 18 26.39 913 19 26.37 917 At Receiver Point

(23)

Wall Thickness

PIPELINE

(ZONE 1)

(mm)

RISER & SPOOL

(ZONE 2)

(mm)

Hydrotest Operating Hydrotest Operating

Required Thickness:

- Internal Pressure Containment

_3.13

_2.67

_3.13

_3.84

- Hydrostatic Collapse

_2.30

- Buckling Propagation

_3.62

- Buckling akibat kombinasi

bending and tekanan eksternal

3.23

Allowance:

- Corrosion Allowance

_0.0

_3.0

_0.0

_3.0

- Mill Tolerance

_1.23

_1.42

- Construction Allowance

_0.80

Minimum Required Wall Thickness

6.21

7.70

6.21

9.06 Location/Section

Required Wall

Thickness

(mm)

Selected API 5L

(mm) (in.)

Subsea Pipeline _7.70 _{8.2 mm (0.322”)} Vertical Riser & Expansion

Spool 9.06 9.5 mm (0.375”)

Hasil Perhitungan

Wall Thickness

Based on API RP 1111

Based on schedule API 5 L

(24)

Hasil Perhitungan

Expansion Thermal

Kondisi

OD

(mm)

WT

(mm)

Temperature

(

o

_C)

Expansion

(mm)

Anchor Length

(m)

Inlet Outlet

Ambient At KC (Hot

_End)

At KA (Cold

_End)

At KC (Hot

_End)

At KA (Cold

_End)

Operasi

219

8.2

37.34

26.67

15.00

77

67

401

(25)

Nomograf untuk

menentukan panjang spool

OD

Expansion

H

8” 77mm (3.03”) 33 ft (10.05 m)

Untuk menyesuaikan dengan

panjang pipa di pasaran, maka

dipilih panjang bending spool

= 12 m

(26)

Hasil Perhitungan

On Bottom Stability

Tebal concrete coating

FD (N/m)

FL (N/m) FI (N/m)

SFV

SFL

(27)

Hasil Perhitungan

Free Span

L (m)

L

_eff

(m)

Fundamental Natural

Frequency (Hz)

Screening Fatigue

Criteria

In-Line

Cross-Flow

In-Line

Cross-Flow

In-Line

Cross-Flow

10.67

15.910

15.324 1.87E+00

1.97E+00

lolos

8.38

13.642

13.047 2.32E+00

2.47E+00

lolos

14.48

19.704

19.116 1.41E+00

1.47E+00

lolos

9.59

14.837

14.249 2.06E+00

2.18E+00

lolos

13.41

18.639

18.052 1.52E+00

1.58E+00

lolos

10.72

15.960

15.374 1.86E+00

1.96E+00

lolos

Riser Span

KC

KA

(28)

Hasil Perhitungan

Free Span

L (m)

L

_eff

(m)

Fundamental Natural

Frequency (Hz)

Screening Fatigue Criteria

In-Line

Cross-Flow

In-Line

Cross-Flow

In-Line

Cross-Flow

8

13.287

12.671 2.41E+00

2.58E+00

lolos

7

12.426

11.717 2.65E+00

2.90E+00

lolos

12

17.234

16.649 1.68E+00

1.76E+00

lolos

13

18.231

17.645 1.56E+00

1.63E+00

lolos

6

11.547

10.853 2.96E+00

3.26E+00

lolos

13

18.231

17.645 1.56E+00

1.63E+00

lolos

11

16.239

15.653 1.82E+00

1.91E+00

lolos

5

10.655

9.969 3.35E+00

3.72E+00

lolos

7

12.426

11.717 2.65E+00

2.90E+00

lolos

8

13.287

12.671 2.41E+00

2.58E+00

lolos

6

11.547

10.853 2.96E+00

3.26E+00

lolos

8

13.287

12.671 2.41E+00

2.58E+00

lolos

(29)

9

14.253

13.662 2.18E+00

2.31E+00

lolos

5

10.655

9.969 3.35E+00

3.72E+00

lolos

12

17.234

16.649 1.68E+00

1.76E+00

lolos

7

12.426

11.717 2.65E+00

2.90E+00

lolos

5

10.655

9.969 3.35E+00

3.72E+00

lolos

13

18.231

17.645 1.56E+00

1.63E+00

lolos

6

11.547

10.853 2.96E+00

3.26E+00

lolos

11

16.239

15.653 1.82E+00

1.91E+00

lolos

8

13.287

12.671 2.41E+00

2.58E+00

lolos

9

14.253

13.662 2.18E+00

2.31E+00

lolos

12

17.234

16.649 1.68E+00

1.76E+00

lolos

6

11.547

10.853 2.96E+00

3.26E+00

lolos

8

13.287

12.671 2.41E+00

2.58E+00

lolos

13

18.231

17.645 1.56E+00

1.63E+00

lolos

8

13.287

12.671 2.41E+00

2.58E+00

lolos

L

(m)

L

_eff

(m)

Fundamental Natural

Frequency (Hz)

Screening Fatigue

Criteria

In-Line

Cross-Flow

In-Line

Cross-Flow

In-Line

Cross-Flow

Hasil Perhitungan

Free Span

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

Hasil Pemodelan

Joint Name

Displacement (mm)

dx

dy

dz

BND3 -252.27 -0.27 -151.23 PS4 -147.94 0.00 -91.04 PS3 -70.61 0.00 -46.27 PS2 -24.55 0.00 -17.54 PS1 -0.02 0.00 0.15 BND2 10.89 -3.59 8.74 BND1 7.30 -21.82 22.66 RCL2 -0.88 -17.42 4.48 RCL1 1.72 -7.19 -0.65 HCGL 0.00 0.00 0.00

(36)

Joint name Stress (N/mm2) Allowable stress (N/mm2) Ratio BND3 148.65 322.67 0.46 PS4 85.05 322.67 0.26 PS3 116.64 322.67 0.36 PS2 98.58 322.67 0.31 PS1 130.78 322.67 0.41 BND2 84.80 322.67 0.26 BND1 90.18 322.67 0.28 RCL2 84.01 322.67 0.26 RCL1 67.14 322.67 0.21 HCGL 71.71 322.67 0.22

Hasil Pemodelan

(37)

Joint Name

Displacement (mm)

dx

dy

dz

BND4 285.21 -13.94 91.22 A82 239.48 -11.16 62.12 A84 29.02 -4.86 -73.64 BND6 21.09 -3.06 -79.61 A85 1.98 -34.44 2.94 BND7 8.43 -115.25 6.41 RCL3 2.00 -109.85 2.00 RCL4 -2.00 -102.54 -2.00 RCL5 1.58 -95.18 -1.96 RCL6 2.00 -85.53 -1.90

Hasil Pemodelan

(38)

Joint name Stress (N/mm2) Allowable stress (N/mm2) Ratio BND4 543.47 322.67 1.69 A82 224.65 322.67 0.70 A84 194.81 322.67 0.60 BND6 330.49 322.67 1.02 A85 172.73 322.67 0.54 BND7 381.94 322.67 1.18 RCL3 109.13 322.67 0.34 RCL4 75.52 322.67 0.23 RCL5 73.13 322.67 0.23 RCL6 69.62 322.67 0.22

Hasil Pemodelan

(39)

Wall thickness sebelum

redesign (mm)

Wall thickness setelah

redesign (mm)

riser spool Pipeline riser spool Pipeline

9.4 9.4 8.2 12.7 14.3 12.7

Joint Name Displacement (mm)

dx dy dz BND4 283.45 -17.03 86.81 A82 244.92 -14.49 62.07 A84 32.47 -6.33 -74.62 BND6 20.19 -3.46 -83.96 A85 0.82 -49.42 -1.40 BND7 4.99 -131.45 9.25 RCL3 2.00 -126.16 2.00 RCL4 -2.00 -119.01 -1.90 RCL5 2.00 -111.83 -0.12 RCL6 2.00 -102.19 2.00

(40)

Hasil Pemodelan (redesign)

Joint name Stress (N/mm2) Allowable stress (N/mm2) Ratio BND4 281.25 322.67 0.87 A82 154.24 322.67 0.48 A84 164.68 322.67 0.51 BND6 196.78 322.67 0.61 A85 118.05 322.67 0.37 BND7 217.86 322.67 0.68 RCL3 85.81 322.67 0.27 RCL4 51.83 322.67 0.16 RCL5 49.38 322.67 0.15 RCL6 46.17 322.67 0.14

(41)

1.Melalui perhitungan manual didapat tebal pipa minimal yang diperlukan sebesar 7.70 mm untuk pipeline dan 9.04 untuk spool dan

riser. Tetapi, setelah dicocokkan pada schedule yang dipakai yaitu API 5L tidak terdapat tebal pipa yang sesuai dengan perhitungan

manual. Oleh karena itu, dipilih tebal pipa berdasarkan schedule yang juga memenuhi kualifikasi dari perhitungan manual.

Sehingga, dipilih tebal nominal pipa berdasarkan schedule sebesar 8.20 mm untuk pipeline dan 9.40 mm untuk riser dan spool.

2.Panjang spool minimal yang dibutuhkan untuk mengakomodasi ekspansi yang terjadi adalah 10.05 m. Panjang ini didapat dengan

mencocokkan ekspansi yang terjadi dengan outer diameter pada nomograf. Karena panjang yang didapat kurang dari 12 m, maka

dipilih panjang spool 12 m. Hal ini dilakukan untuk mempermudah dalam pelaksanaan di lapangan, karena panjang selonjor pipa

yang terdapat di lapangan adalah 6 m dan 12 m.

3.Pemodelan riser, spool, dan pipeline pada autopipe dengan input wall thickness dan expansion thermal berdasarkan hasil

perhitungan manual mengalami kegagalan karena terdapat beberapa member pada riser dan spool yang overstress. Setelah

dilakukan redesign dengan mengganti tebal riser, spool, dan pipeline sesuai schedule yang lebih tebal, maka tidak didapatkan

kegagalan pada model.

(42)



1. Perhitungan

cathodic protection

perlu dilakukan, karena merupakan salah satu

tahap yang harus dilakukan dalam desain

riser, spool,

dan

pipeline

.



2. Perlu dilakukan analisis lebih lanjut dengan memperhitungkan

pipeline crossing

yang terjadi pada

pipeline

KA.



3. Perlu dilakukan perhitungan pada

pipeline support

untuk pipa yang mengalami

crossing

pada

pipeline

KA

.



4. Selain perhitungan untuk kondisi operasi perlu dilakukan perhitungan lebih lanjut