Optimasi Konfigurasi Sudut Stinger dan Jarak Antara Lay Barge dan Exit Point pada Instalasi Horizontal Directional Drilling

1

Optimasi Konfigurasi Sudut Stinger dan Jarak Antara Lay Barge dan Exit Point pada

Instalasi Horizontal Directional Drilling

Triestya Febri Andini

1

_{, Daniel M. Rosyid}

2

_{, Joswan J. Soedjono}

2

1) Mahasiswa Jurusan Teknik Kelautan, FTK – ITS Surabaya

2) Staf Pengajar Jurusan Teknik Kelautan, FTK – ITS Surabaya

Abstrak

Instalasi pipeline di lepas pantai memiliki p eranan penting dalam p erkembangan i ndustri minyak dan gas bumi saat ini, sebab sebelum beroperasi d i l epas pantai, s etiap pipeline yang akan d ipakai h arus melalui t ahap i nstalasi. Selama tahap t ersebut pipa akan m engalami tegangan yang perlu dianalisis, sehingga tegangan yang terjadi tidak mengganggu keamanan saat proses instalasi dan transmisi nantinya. Pada tugas akhir ini dilakukan analisa tegangan von misses, bending moment, dan pulling force pada instalasi pipa horizontal directional

drilling. Untuk analisa von misses dan pulling force dilakukan variasi jarak antara lay barge dan exit point, sedangkan untuk analisa bending

moment dilakukan variasi sudut stinger. Perangkat lunak Offpipe digunakan untuk perhitungan dan simulasi dari proses instalasi dengan metode S-lay dan besar bending moment yang dihasilkan tersebut akan dievaluasi Proses berdasarkan kriteria yang terdapat pada DNV OS F101 dan petunjuk praktis API RP 1111. Sedangkan software Orcaflex digunakan untuk menganalisa von misses dan pulling force. Hasil analisis yang dilakukan menunujukkan bahwa jarak optimum dan sudut optimum terdapat pada jarak 140 meter dan sudut 10 derajat. Kata kunci : instalasi; S-lay; tegangan; horizontal directional drilling; optimasi

1. Pendahuluan

Ketergantungan manusia t erhadap p roduk-produk m igas ya ng t idak dapat dihentikan menyebabkan semakin intensifnya usaha pencarian dan ek splorasi d i daerah lepas p antai dan l aut dalam. U ntuk mengakomodasi pe nyaluran minyak dan g as bum i da ri s umur-sumur minyak di l epas pantai d an la ut d alam d alam d ibutuhkan j aringan pipa b awah l aut s ebagai al ternatif yang p aling mudah, aman, dan efisien. Seiring dengan peranan tersebut pembangunan pipeline di lepas pantai dari waktu ke waktu s emakin m eningkat. S udah menjadi h al yang bi asa bahwa bi aya yang dikeluarkan un tuk pe mbangunan pi pa l ebih be sar dibandingkan biaya produksi.

Ada beberapa m etode y ang di gunakan dalam melakukan i ntalasi p ipa b awah l aut ( marine

pipeline installation). Beberapa metode instalasi

yang sering dipakai adalah metode S-lay dan J-lay dapat dilihat pada Gambar 1.1

Gambar 1. Metode instalasi pipa

Horizontal directional drilling (HDD) m uncul

sebagai p ilihan metode crossing terhadap banyaknya kondisi pada saat penginstallan oil and

gas pipeline maupun te rhadap b eberapa u tilities

lainnya.

Bergantung p ada metode i nstalasinya, p ipa bawah l aut menerima b eban-beban yang b erbeda dari lay vessel selama p roses i nstalasi. B eban-beban t ersebut b erupa t ekanan hi drostatik, gaya aksial dan momen bending. Analisis instalasi p ipa dilakukan unt uk m emperkirakan tegangan maksimum yang t erjadi s elama p roses p eletakan (laying process). Dari hasil a nalisis te rsebut d apat dipastikan ba hwa pipeline tidak a kan mengalami kegagalan bila tegangan yang terjadi masih berada dalam batas kekuatan desain.

2. Dasar Teori

2.1 Beban – Beban pada Sistem Perpipaan

Dalam pengoperasisan sistem Pipeline terdapat beban-beban y ang diterima, b eban-beban t ersebut sangat banyak d an memerlukan a nalisa komplek. Beban-beban p ada pipeline dapat d ibedakakan sebagai berikut :

a. Beban Sustain (Sustain Load)

Beban sustain merupakan b eban y ang dialami oleh pipeline secara terus-menerus. Beban ini merupakan kombinasi beban yang di akibatkan o leh t ekanan internal dan beban berat. Beban berat yang

2

dialami o leh sistem p erpipaan d apat digolongkan menjadi dua jenis:

- Live load : meliputi be ban f luida

yang m engalir m elalui pipeline atau fluida l ain yang d igunakan unt uk pengujian pipeline tersebut.

- Dead load : meliputi b erat

komponen-komponen pipeline, b erat isolator, da n be ban pe rmanen yang bekerja pada pipeline tersebut. b. Beban occasional (Occasional Load)

Beban occasional adalah b eban d inamik pada s istem p erpipaan yang d apat disebabkan oleh beberapa hal yaitu : - Beban g elombang : B eban yang

ditimbulkan ol eh g elombang yang mengenai pipa.

- Beban gempa : B eban ak ibat gempa bum i yang t erjadi di t empa pemasangan sistem perpipaan. c. Beban ekspansi termal (Expansion Load)

Beban t ermal ad alah b eban yang timbul akibat e kspansi t ermal yang terjadi p ada sistem p erpipaan. B eban t ermal i ni d apat dibagi menjadi:

- Beban t ermal a kibat p embatasan gerak o leh t umpuan s aat p ipa mengalami ekspansi.

- Beban t ermal a kibat p erbedaan temperatur yang b esar d an s angat cepat d alam di nding pi pa sehingga menimbulkan tegangan.

- Beban ak ibat p erbedaan koefisien ekspansi pi pa yang di buat da ri du a logam yang berbeda

2.2 Tegangan Von Misses

Tegangan von misses yaitu t egangan gabungan a ntara hoop stress, longitudinal stress, dan axial stress.

(1) Dimana, (2); (3); dan (4)

2.3 Analisa pulling Force

Analisa yang dilakukan u ntuk mengetahui besarnya pulling force, dimana pulling force adalah gaya yang d ibutuhkan o leh winch u ntuk menarik pipa.

2.4 Percent Yield

Yaitu perbandingan antara total stress dengan allowable y ield s tress. Dimana allowable y ield stress adalah 450 Mpa.

2.5 Teori Optimasi

Optimasi a dalah sesuatu yang di lakukan un tuk mendapatkan hasil yang terbaik untuk kondisi yang tersedia d alam d esain, konstruksi (pemeliharaan untuk semua engineering). A da b eberapa tahap yang h arus dilakukan s ebelum m engambil keputusan. T ujuan d ari o ptimasi a dalah u ntuk memperoleh hasil yang maksimal ataupun minimal dimana h al t ersebut da pat di katakan opt imum (RAO, 1984).

Metode optimasi yang dipakai tergantung pada tipe p ermasalahan. D alam p enelitian i ni metode optimasi y ang s esuai adalah m etode optimasi dengan kendala. M etode o ptimasi d engan kendala memiliki t eknik p enyelesaian yang b ermacam-macam, t etapi s ecara u mum dapat d ibagi m enjadi dua, metode langsung dan metode tak langsung.

3 Metodologi

Pengerjaan t ugas a khir i ni d imulai d engan proses pengumpulan data pipa, data barge, dan data lingkungan. Kemudian dilakukan pemodelan barge dengan menggunakan s oftware M OSES yang menghasilkan R AO m otion da n w ave d rift force struktur.

Selanjutnya d ilakukan p emodelan dengan menggunakan sofware Orcaflex untuk mencari von misses d an t ension. K emudian d ilakukan permodelan dengan menggunakan software Offpipe untuk mencari bending moment.

3.2 Data

data yg digunakan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

3

Tabel 2 Data Barge

Tabel 3 Data Lingkungan

4 Analisa dan Pembahasan

4.2 Analisa Struktur Laybarge dengan Moses

Pada pemodelan pertama dengan MOSES akan dihasilkan R AO motion dan wave drift dari

laybarge tanpa m oring untuk a rah 0 °, 4 5°, 9 0°,

135° dan 18 0° dalam g erak surge, heave, sway,

roll, pitch, dan yaw. Hasil ini a kan d iinputkan ke

software ORCAFLEX untuk mendapatkan r espon dari laybarge.

Dari analisa g rafik R AO diketahui ba hwa secara umum karakteristik gerakannya tidak terlalu berbeda. D engan k arakteristik gerakan p ada masing-masing a rah p embebanan (heading) dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Following seas (μ= 0°) dan head seas (μ=180°)

Pada ar ah g elombang 0 ° d an 1 80° g erakan barge yang mengalami p erubahan p aling signifikan adalah surge, heave, dan pitch. Gerakan sway, roll, dan yaw hampir tid ak mengalami perubahan.

2. Beam seas (μ= 90° )

Pada ar ah g elombang 9 0° ge rakan barge yang mengalami perubahan paling signifikan adalah sway, heave dan roll. G erakan yang lain hanya sedikit mengalami perubahan. 3. Quartering seas (μ= 45° dan 135° )

Pada quartering seas hampir s emua gerakan terjadi, b aik gerak r otasi maupun t ranslasi. Respons pa ling be sar terjadi p ada g erak

heave dan roll.

4.3 Analisa Struktur dengan Software Orcaflex

Pemodelan ini dilakukan dengan menggunakan

software ORCAFLEX dengan simulasi selama 100

detik. Pemodelan d ilakukan d engan memasukkan nilai RAO, di mensi barge, properties pipa, da n data lingkungan.

Skenario permodelan dilakukan masing-masing pada 5 variasi jarak yaitu 80 meter, 100 meter, 120 meter, 140 m eter, da n 160 m eter. H asil d ari

running ORCAFLEX adalah unt uk m engetahui

besar maximum von misses, b esar tension yang terjadi, d an b esar n ilai pulling force yg d iperoleh akibat adanya variasi jarak.

Tabel 4 Tension, von misses, dan pulling force dengan variasi jarak antara laybarge dan

exit point Jarak antara Laybarge dan Exit Point (meter) Tension (kN) Von Misses (kN/m2₎ Pulling Force (kN) 100

2585.61

441062.63

619.35

120

2870.76

278726.95

_743.22

140

4059.24

242002.61 867.09

160

_4921.01

251834.85

990.96

Dari h asil a nalisa d iatas d iketahui b ahwa tension dan von misses terbesar t erjadi p ada j arak 100 meter. Hal ini dapat diartikan bahwa pada instalasi yang dilakukan pada j arak 100 meter, pipa mengalami overstress sehingga da pat di katakan gagal.

4.4 Analisa Proses Instalasi dengan Bantuan Software Offpipe

4.4.1 Analisa Statis Sistem Selama Proses Instalasi

Yang dimaksud dengan analisa statis sistem yaitu melakukan p ermodelan d i d alam software

OFFPIPE tanpa memodelkan pergerakan daripada laybarge dengan p engertian l ain laybarge

diasumsikan diam (statis). Dalam analisa statis juga perlu d iperhatikan b esar t egangan yang t erjadi selama proses instalasi. Tegangan pipa yang terjadi di mulai pada daerah overbend dan sagbend.

4

Dalam pe rmodelan menggunakan s oftware offpipe ini, skenario permodelan dilakukan masing – masing p ada 4 v ariasi s udut yaitu 4 d erajat, 6 derajat, 8 derajat dan 10 derajat.

Tabel 5 Bending Moment dan Percent Yield dengan Variasi Sudut Stinger

Sudut Stinger (derajat) Bending moment (kN-m) Percent yield (percent) 4

-1112.731

82.75

6

-1122.33

83.48

8

-1100.505

81.9

10

-1587.151

116.72

Dari h asil a nalisa d iatas d iketahui b ahwa bending

moment yg t erjadi pada v ariasi s udut stinger

melebihi dari 1000 kN-m, namun nilai percent

yield pada s udut 4 d erajat h ingga sudut 8 d erajat

masih d alam b atas a man. Tetapi pa da s udut 10 derajat percent yield melabihi batas. H al ini d apat diartikan bahwa pada instalasi yang dilakukan pada sudut 10 derajat, pipa akan mengalami buckling.

4.5 Optimasi Design

Proses o ptimasi d ilakukan s etelah d idapatkan desain instalasi. O ptimasi d iawali d engan menentukan variabel desain awal yaitu jarak antara laybarge da n e xit poi nt, da n s udut stinger di ubah dan d ivariasikan. V ariasi d ilakukan d engan j arak sejauh 100 m eter, 120 m eter, 140 m eter, da n 160 meter, da n v ariasi s udut s tinger s ebanyak 4 sudut yaitu 4 derajat, 6 derajat, 8 derajat, dan 10 derajat.

Berikut i ni ad alah o ptimasi yang di lakukan terhadap jarak dan sudut stinger :

Gambar 2. Grafik optimasi

Pada kurva diatas terdapat constrain yaitu

von misses dan tension dimana didapatkan titik

optimumnya pada jarak 140 meter dan sudut 8,1 derajat. Dimana persamaan von misses adalah g1 (x) = 0,001X22 _{- 0,375X1 + 23 ≤ 432 Mpa. Dan} persamaan tension adalah g1 (x) = 0,001X22 _- 0,375X1 + 36 ≤ 2041 Ton.

5 Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diambil dari tugas akhir ini, antara lain :

1. Untuk variasi j arak a ntara l aybarge d an e xit point didapatkan hasil bahwa pada jarak 100 meter von misses 441062. 63, di mana a llowable von misses a dalah 432000k N/m2_{. S ehingga da pat} diambil kesimpulan bahwa instalasi tidak dapat dilakukan pada jarak 100 meter.

2. Untuk variasi sudut stinger didapatkan hasil bending moment t erbesar pa da s udut 10 de rajat. Hal ini dapat diartikan bahwa instalasi akan gagal apabila menggunakan sudut stinger 10 derajat. 3. Pulling f orce y g dibutuhkan sistem un tuk menarik pipa adalah:

Jarak antara Laybarge dan Exit Point (meter) Pulling Force (kN) 100

619.35

120

_743.22

140

867.09

160

990.96

6. Daftar Pustaka

Bai, Y . 2 001, Pipeline an d R iser, E lsevier O cean Engineering Book Series, Volume 3. DNV OS -F101 Submarine Pipeline S ystem, 2007.

Det Norske Veritas, Norway

Indiyono, P. 2004. Hidrodinamika Bangunan Lepas Pantai. Surabaya : Penerbit SIC.

5

Mouselli, A.H. 1981. O ffshore P ipeline D esign, Analysis, and Methods. Pennwell Books, Oklahoma.

Rao, S.S,1985, Optimization Theory and Applications. W iley E astern Limited, N ew Delhi.

Rosyid, D.M, 2009, Optimasi: Teknik Pengambilan Keputusan S ecara K uantitatif. ITS Press, Surabaya.

Semedi, D .W, 200 5, O ptimasi P ipa B awah L aut Pada Lapangan Produksi G as T unu Kalimantan T imur, T ugas A khir J urusan teknik Kelautan, Surabaya.

Soegiono. 2007. Pipa Laut. Surabaya : Airlangga University Press.

Syarifudin, I , ( 2007), “ Analisa T egangan P ipa Bawah Laut Akibat Gerakan L ay-Barge Berdasarkan Time Domain Saat Laying”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan.