SIDANG P3 TUGAS AKHIR
Selasa, 23 Juni 2013
ANALISA SISA UMUR KELELAHAN
BENTANGAN BEBAS (FREE SPAN) PADA SUBSEA PIPELINE : STUDI KASUS OIL
PIPELINE CHEVRON INDONESIA COMPANY KALIMANTAN OPERATIONS
Peneliti :
Nurman Firdaus 4309100014 Dosen Pembimbing :
Yoyok Setyo Hadiwidodo, S.T., M.T.
Ir. Hasan Ikhwani, M.Sc
Pendahuluan Metodologi
Penelitian Hasil Penelitian
Kesimpulan dan Saran Daftar
Pustaka
OUTLINE
(Kenny, 1993) PENDAHULUAN
Latar Belakang
• Chevron Indonesia Company merupakan
industri minyak dan gas yang
menggunakan subsea pipeline untuk
transportasi produknya.
Salah satu Subsea pipeline terjadi
bentangan bebas (free span) pada
segmen pipa di dasar laut.
Bentangan Pipa Bawah Laut
(Xu, 1999)
Permasalahan Bentangan
Bentangan Bebas
(Vedeld, 2013)
Beban-beban pada pipa bawah laut
(Ruby, 2008)
Kelelahan
(Bay, 1981)
Kegagalan Pada Bentangan Bebas
Lokasi Studi
LokasiBentanganBebasPipa
Utara
(Google Earth, 2013)
Lokasi Studi
(Google Earth, 2013)
A0aka Produc6on
Santan Field Jalur Pipeline
Utara
Gambar Jalur Pipeline
(Chevron Indonesia Company, 2013)
Berapa jumlah bentangan bebas pipa atau free span yang 6dak melebihi batas panjang
span maksimum ?
Berapa nilai stress pada bentangan bebas pipa yang 6dak melebihi batas panjang span
maksimum?
Berapa es6masi sisa waktu operasi (fa*gue life) pada bentangan bebas pipa yang 6dak melebihi
batas span yang diijinkan?
Rumusan Masalah
• Mengetahui jumlah bentangan bebas pipa yang tidak melebihi batas panjang span maksimum.
• Mengetahui nilai stress pada bentangan bebas yang tidak melebihi batas panjang span maksimum
• Mengetahui estimasi sisa waktu operasi (fatigue life) pada bentangan bebas pipa yang memiliki panjang tidak melebihi batas span maksimum
Tujuan Penelitian
• Mendapatkan pengetahuan
mengenai penerapan ilmu teknik kelautan pada dunia kerja
Bagi Penulis
• Dapat digunakan sebagai informasi awal dalam menganalisa bentangan bebas yang terjadi di lapangan
Bagi
Perusahaan
• Terjalinnya kerjasama yang baik antara Jurusan Teknik Kelautan ITS dengan Chevron Indonesia Company
Bagi Jurusan Teknik
Kelautan ITS
Manfaat Penelitian
• Data bentangan bebas dari inspeksi tahun 2007 yang terdapat pada Map of sheet
• Bentangan bebas yang dianalisa memiliki karakteristik (L/D>30) dan tidak melebihi panjang span maksimum
• Keadaan tanah, temperatur, dan marine growth diabaikan
• Residual stress dan tegangan torsi diabaikan
• Kedalaman laut konstan
• Tumpuan pada bentangan diasumsikan fixed-fixed
• Pemodelan tegangan hanya satu bentangan bebas pipa
Batasan
Batasan Masalah
Metodologi Penelitian
Bagan Metodologi Penelitian
Bagan Metodologi Penelitian
(lanjutan)
Hasil Penelitian
Analisa Data
Gambar Peta jaringan pipa bawah laut (Chevron Indonesia Company, 2013)
Analisa Data
Gambar Peta data survey free span (Chevron Indonesia Company, 2013) 12
4
1 1
1
1 1
5 2
Analisa Data
Tabel Data Material Pipa
Parameter Unit Value
Outside Diameter (OD) inchi 12,75
Wall Thickness (ts) inchi 0,5
Density Steel (ρs) pcf 490
Corrosion Allowance inchi 0,125
Anti-Corrosion Thickness (tcor) inchi 0,0276
Density of A-Corrosion (ρcor) pcf 90
Concreate Coating (tcc) inchi 1,57
Density of Concreate Coating (ρcc) pcf 190
SMSY psi 52000
SMTS psi 66000
Steel Specification - API 5L
Steel Grade - X-52
Schedule - 40
Modulus Young's (E) psi 3 x 107
Coefficient of Thermal Expansion (α) K-1 11,7 x 10-6
Poisson's Ratio (v) - 0,3
Thermal Conductivity W/Mk 45
Joint Length feet 40
Design Life tahun 25
Year Built - 1997
Service - Crude Oil/Multiphase
Design pressure psi 1350
Operating Pressure psi 450
Maximum Operating Pressure psi 1100
Content Density pcf 61,01
AnalisaData
Tabel data lingkungan
Parameter Unit Value
Maximum Wave Height 1-years feet 10.7
Maximum Wave Period 1-years s 7.6
Significant Wave Height 1-years feet 5.18 Significant Wave Period 1-years s 5.24 Maximum Wave Height 100-yeasr feet 16.3
Maximum Wave Period 100-years s 8.1
Significant Wave Height 100-years feet 7.93 Significant Wave Period 100-years s 6.23 Current Speed 90% depth 1-years fps 0,97 Current Speed 90% depth 100-years fps 1,27
Water Depth feet 130
Temperature OF 85
Seawater Density lb/ft3 64
Kinematic Viscosity ft2.sec-1 1.076 X 10-5
Logaritmic decrement ( δs) - 0,125
Pembahasan
Gambar Ilustrasi bentangan bebas di dasar laut
Validasi Teori Gelombang
Analisa data gelombang
Data gelombang menggunakan 100-tahunan dan 1-tahunan, 100-tahunan :H/gT2 = 0,00634 dan d/gT2 = 0,1039 1-tahunan : H/gT2 = 0,00586 dan d/gT2 = 0,14686
Maka teori gelombang yang sesuai adalah Teori gelombang Stokes orde 2
Kecepatan Arus dan Gelombang
Parameter Nilai
Satuan 1-tahunan 100-tahunan
Kecepatan partikel gelombang (Uo) 0.006 0.039 m/s Kecepatan gelombang efekif (Uw) 0.005 0.034 m/s
Kecepatan arus (Ud) 0.201 0.262 m/s
Kecepatan arus efektif (Uc) 0,177 0,231 m/s Tabel Kecepatan gelombang dan arus
Kecepatan gelombang dan arus dihitung setinggi diameter pipa.
Dari perhitungan kecepatan gelombang dan arus setinggi diameter pipa dicari kecepatan efektif yang mengenai pipa (Uc + Uw). Kecepatan efektif ini digunakan untuk analisa permasalahan selanjutnya.
Panjang Span Maksimum
Parameter Nilai Satuan
Panjang span maksimum kondisi inline 45.596 m Panjang span maksimum kondisi crossflow 68.412 m
Tabel Panjang span maksimum
Panjang span maksimum getaran inline lebih kecil getaran crossflow akibat perbedaan nilai reduced velocity (Re).
The reduced velocity is the velocity at which vortex shedding induced oscillations may occur. (Guo, 2005) Nilai Re getaran inline dipengaruhi oleh stability parameter, sedangkan getaran crossflow tergantung reynolds number.
Maka panjang span maksimum kondisi inline digunakan untuk batas span diijinkan dan membatasi panjang bentangan bebas yang terjadi di lapangan. Hal ini diambil untuk nilai panjang span maksimum terpendek.
Screening Pertama Panjang Span Aktual
Tabel screening panjang bentangan sesuai kriteria fatigue
Span Aktual (m) Gap (m) L/D L/D > 30 (Kriteria Fatigue)
47.85 1.31 118.160 Terjadi
94.08 3.07 232.320 Terjadi
23.6 0.98 58.278 Terjadi
34.69 1.24 85.663 Terjadi
41.92 3.53 103.517 Terjadi
74.43 1.96 183.797 Terjadi
45.43 1.19 112.184 Terjadi
40.16 1.32 99.171 Terjadi
38.21 1.35 94.355 Terjadi
32.69 1.42 80.724 Terjadi
35.38 0.6 87.367 Terjadi
42.83 0.92 105.764 Terjadi
49.73 1.35 122.803 Terjadi
Screening Pertama Panjang Span Aktual (lanjutan)
Tabel screening panjang bentangan sesuai kriteria fatigue
Span Aktual (m) Gap (m) L/D L/D > 30 (Kriteria Fatigue)
64.55 1.74 159.399 Terjadi
49.93 1.12 123.297 Terjadi
49.17 1.36 121.420 Terjadi
22.19 0.9 54.796 Terjadi
38.42 0.66 94.874 Terjadi
19.29 1.27 47.635 Terjadi
22.24 1.11 54.919 Terjadi
32.98 1.02 81.441 Terjadi
33.47 1.51 82.651 Terjadi
55.19 0.99 136.286 Terjadi
56.86 2.5 140.410 Terjadi
24.09 0.95 59.488 Terjadi
28.42 0.94 70.180 Terjadi
189.88 4.8 468.888 Terjadi
236.32 13.06 583.567 Terjadi
Screening Kedua Panjang Span Aktual
Tabel screening panjang bentangan dengan panjang span maksimum
Span Aktual (m) Gap (m) Span Maks (m) Keterangan
47.85 1.31 45.596 Tidak dianalisa
94.08 3.07 45.596 Tidakdianalisa
23.6 0.98 45.596 Dianalisalanjut
34.69 1.24 45.596 Dianalisa lanjut
41.92 3.53 45.596 Dianalisa lanjut
74.43 1.96 45.596 Tidak dianalisa
45.43 1.19 45.596 Dianalisalanjut
40.16 1.32 45.596 Dianalisalanjut
38.21 1.35 45.596 Dianalisalanjut
32.69 1.42 45.596 Dianalisalanjut
35.38 0.6 45.596 Dianalisalanjut
42.83 0.92 45.596 Dianalisalanjut
49.73 1.35 45.596 Tidakdianalisa
64.55 1.74 45.596 Tidakdianalisa
Screening Kedua Panjang Span Aktual (lanjutan)
Tabel screening panjang bentangan dengan panjang span maksimum
Span Aktual (m) Gap (m) Span Maks (m) Keterangan
49.93 1.12 45.596 Tidakdianalisa
49.17 1.36 45.596 Tidakdianalisa
22.19 0.9 45.596 Dianalisalanjut
38.42 0.66 45.596 Dianalisalanjut
19.29 1.27 45.596 Dianalisalanjut
22.24 1.11 45.596 Dianalisalanjut
32.98 1.02 45.596 Dianalisalanjut
33.47 1.51 45.596 Dianalisalanjut
55.19 0.99 45.596 Tidakdianalisa
56.86 2.5 45.596 Tidakdianalisa
24.09 0.95 45.596 Dianalisalanjut
28.42 0.94 45.596 Dianalisalanjut
189.88 4.8 45.596 Tidakdianalisa
236.32 13.06 45.596 Tidakdianalisa
Bentangan yang Dianalisa
Dari hasil screening panjang bentang bebas pipa dengan kriteria fatigue, semua bentangan di lapangan memungkinan terjadi fatigue karena semua nilai L/D lebih dari 30. Hal ini disesuaikan dengan code DNV RP F 105.
Kemudian untuk membatasi analisa bentangan bebas, maka
dicari panjang bentangan bebas yang tidak melebihi panjang
span maksimum. Dari tabel sebelumnya dapat diketahui
jumlah bentangan bebas yang belum melebihi panjang span
maksimum sebanyak 17 bentangan. Untuk panjang bentangan
bebas yang melebihi panjang span maksimum
direkomendasikan langsung untuk dimitigasi.
Panjang Span Efektif
Gambar skenario free span pada pipeline (Vedeld, 2013)
Effective span length is the length of an idealised fixed-fixed span having the same structural response in terms of natural frequencies as the real free span supported on soil. (DNV RP F105 2006)
Analisa Panjang Span Efektif
Gambar hubungan panjang bentangan dengan panjang span efektif
0 10 20 30 40 50 60
Panjang Span Efeektif (m)
Panjang Bentangan (m)
Hubungan Panjang Bentangan Bebas dengan Panjang Span Efektif
Leff,IL Leff,CF
Defleksi Bentangan
Gambar gerakan statis dan VIV pada bentangan bebas pipeline
Analisa Defleksi Pada Free Span
Gambar hubungan panjang bentangan dengan defleksi
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Defleksi (m)
Panjang Bentangan (m)
Hubungan Panjang Bentangan Bebas dengan Defleksi
d,IL d,CF
Analisa Frekuensi Natural Pada Bentangan
Gambar hubungan panjang bentangan dengan frekuensi natural
0.2 0 0.4 0.6 0.8 1.8 1.2 1.4 1.6 2 1
Frekuensi (Hz)
Panjang Bentangan (m)
Hubungan Panjang Bentangan Bebas dengan Frekuensi Natural
fn,IL fn,CF fs
Tegangan Pada Bentangan
Analisa tegangan statis pada bentangan bebas pipa ini mengacu pada code ASME B 31.4. Tegangan yang diperhitungkan yaitu hoop stress, longitudinal stress dan von mises stress.
Variasi tekanan yang digunakan dalam perhitungan tegangan yaitu Operating pressure (OP) = 3,168 Mpa, Maximum allowable operating pressure (MAOP) = 7.744 Mpadan Design pressure (DP) = 9.504 Mpa. Tegangan luluh atau SMYS (Specified minimum yield stress) = 358 Mpa.
Tekanan yang melalui semua bentangan bebas diasumsikan
mengalami harga tekanan yang sama.
Tegangan Hoop
0 50 100 150 200 250 300
Hoop Stress (Mpa)
Panjang Free Span (m)
Hubungan Panjang Free Span dengan Hoop Stress
H,OP H,MAOP H,DP Batas, H
Persamaan hoop stress
Jika tekanan yang diberikan pipa makin besar, maka tegangan hoop yang terjadi semakin besar.
Tegangan ijin hoop stress < 0.72 SMYS. Tegangan hoop yang terjadi pada bentangan masih jauh dibawah tegangan ijin.
Tegangan Longitudinal
0 50 100 150 200 250 300 350
Longitudinal Stress (Mpa)
Panjang Free Span (m)
Hubungan Panjang Free Span dengan Longitudinal Stress
L,OP
L,MAOP
L,DP
Batas, L
Gambar hubungan panjang free span dengan tegangan longitudinal
Tegangan Von Mises
Gambar hubungan panjang free span dengan tegangan von mises
0 50 100 150 200 250 300 350
Von Mises Stress (Mpa)
Panjang Free Span (m)
Hubungan Panjang Free Span dengan Von Mises Stress
V, OP V, MAOP V, DP Batas V
Pemodelan CFD
Gambar model domain arus dan pipa
Pemodelan CFD
Gambar hasil pressure pada pipa
Pemodelan Multiphysics
Gambar hasil meshing model pipa
Pemodelan Multiphysics
Gambar Luaran tegangan von mises
Validasi Tegangan
Tabel validasi perhitungan von mises manual dengan pemodelan
Panjang Span Aktual (m)
Von Mises Stress (Mpa)
Koreksi Perhitungan (%)
Manual Permodelan
45.43 244.854 253 3.22
Stress Range Pada Bentangan
Gambar hubungan panjang bentangan dengan stress range
0 50 100 150 200 250 300
Stress range (Mpa)
Panjang bentangan bebas (m)
Hubungan panjang bentangan bebas dengan stress range
SIL SCF
Stress range merupakan perbedaan daerah tegangan minimum dan maksimum dalam siklus tegangan. (DNV RP C203)
.
Fatigue Damage
Gambar hubungan panjang bentangan dengan fatigue damage
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
Fatigue damage
Panjang bentangan bebas (m)
Hubungan stress range dengan fatigue damage
Dfat,CF Dfat,IL
Fatigue Life
Tabel sisa umur kelelahan pada bentangan
Span Aktual (m) Dfat Fatigue Life (tahun)
19.29 0.090544 82.8326
22.19 0.092937 80.6996
22.24 0.093657 80.0796
23.6 0.098376 76.2381
24.09 0.099539 75.3472
28.42 0.108407 69.1835
32.69 0.11053 67.855
32.98 0.111276 67.3998
33.47 0.112539 66.6434
34.69 0.11381 65.8994
35.38 0.115258 65.0711
38.21 0.120413 62.2855
38.42 0.120922 62.0233
40.16 0.124432 60.2741
41.92 0.126475 59.3004
42.83 0.129716 57.8187
45.43 0.134398 55.8044
Kesimpulan
1. Jumlah bentangan bebas yang tidak melebihi panjang span maksimum sebanyak 17 bentangan. Panjang span maksimum sebagai batas panjang span diijinkan 45,85 m.
2. Tegangan yang terjadi pada panjang bentangan bebas yang tidak melebihi panjang span maksimum masih dibawah tegangan yang diijinkan.
3. Sisa umur kelelahan bentangan bebas pipa yang dianalisa Tugas Akhir masih lebih dari design life pipa yaitu 25 tahun.
Saran
• Analisa panjang bentangan bebas maksimum bisa menggunakan metode lain seperti Finite elemen.
• Analisa tegangan yang terjadi pada bentangan bebas dapat menggunkan code lain.
• Perhitungan sisa umur kelelahan dapat menggunakan kombinasi beban selain VIV amplitude stress yang terjadi di sekitar pipa.
Contoh Support Pada Bentangan
Gambar Vertikal support member pada bentangan
Daftar Pustaka
• American Society of Mechanical Engineers. 2002. ASME B31.4 : Pipeline Transportation System For Liquid Hydrocarbons And Other Liquids. The American Society of Mechanical Engineers, USA.
• Arif, U. 2011. Analisa Freespan Akibat Scouring Pipa Bawah Laut.Ocean Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya.
• Bai, Y. 2003. Pipelines And Risers. Elsevier. New York.
• Bhirawa, T. 2009. Analisa Fatigue Pada Free Span Pipa Bawah Laut di Laut Jawa. Ocean Engineering, Institut Teknologi Bandung. Bandung.
• Chakrabarti, S.K. 1987. Hydrodynamics of Offshore Structure. Computational Mechanics Publication. London
• Chevron Indoensia Company. 2013. Data Kerja Praktek. Kerja Praktek. Balikpapan
• Det Norske Veritas Offshore Standard F101. 2007. Recommended Practices for Submarine Pipelines System. Det Norske Veritas, Norway.
• Det Norske Veritas Recommended Practices C203. 2005. Recommended Practices for Fatigue Design of Offshore Stell Structure. Det Norske Veritas, Norway.
• Det Norske Veritas Recommended Practices F105. 2006. Recommended Practices for Free Spanning Pipelines. Det Norske Veritas, Norway.
• Det Norske Veritas Recommended Practices F109. 2010. Recommended Practices for On- Bottom Stability Design Of Submarine Pipelines. Det Norske Veritas, Norway.
• Det Norske Veritas Recommended Practices F204. 2005. Recommended Practices for Riser Fatigue. Det Norske Veritas, Norway.
Daftar Pustaka
• Djatmiko, E. B. 2003. Analisis Keandalan dan Kelelahan Offshore Structure Design and Modelling. Ocean Engineering Trainning Center, Jurusan Teknik Kelautan-ITS.
• Guo, B. 2005. Offshore Pipeline. Elsevier. New York.
• Hafid, M. 2009. Fatigue Analysis Due To Vortex Induced Vibration Effects On Pipeline ConfigurationWith Inclinate Angel Variation. Ocean Engineering, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya.
• Ikhwani, H. 2009. Diktat Kuliah Perancangan Pipa Bawah Laut (Edisi 1). Jurusan Teknik Kelautan. Surabaya.
• Le Mehaute, B. 1976. An Introduction to Hydrodynamics and Water Waves.
Springer-Verlag. New York.
• Mousselli, A. H. 1981. Offshore Pipeline Design, Analysis, and Methods. Penn Well Book. Oklahoma.
• Popov, E.P. 1996. Mekanika Teknik. Penerbit Erlangga . Jakarta
• Ramadhan, A. T. 2008. Analisa Fatigue Pada Free Span Akibat Beban VIV. Ocean Engineering, Institut Teknologi Bandung. Bandung
• Soegiono. 2007. Pipa Laut. Airlangga University Press. Surabaya.
• Techet, A.H. 2005. Vortex Induced Vibrations. http://www.glasssteelandstone.com accessed at July 15th 2013 10:00 a.m.
• Vedeld, K., Sollund, H., Hellesland, J. 2013. “ Free Vibrations of Free Spanning Offshore Pipelines”. Engineering Structures. Vol. 56, hal. 18-82
• Xu T., Bo L., Yong B. 1999. “Wave Induced Fatigue of Multi Span Pipelines”. Marine Structures. Vol. 12, hal. 84-10
