DESAIN DAN ANALISIS STRUKTUR PIPA BAWAH LAUT

(1)

STRUKTUR PIPA BAWAH LAUT

TUGAS AKHIR

Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana

Oleh Julius Heryanto

15503025

Program Studi Teknik Kelautan

Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2008

(2)

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya panjatkan kepada ISA ALMASIH SANG JURU SELAMAT yang telah menganugerahkan hikmat, akal budi, serta pengetahuan pada saya sehingga saya dapat menulis dan menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini yang merupakan salah satu syarat kelulusan tahap sarjana Strata Satu (S‐1) Program Studi Teknik Kelautan, Institut Teknologi Bandung.

Laporan Tugas Akhir yang berjudul DESAIN DAN ANALISIS STRUKTUR PIPA BAWAH

LAUT ini secara umum berisi perhitungan desain ketebalan pipa, perhitungan kestabilan

pipa, perhitungan bentang bebas pada pipa, serta analisis terhadap pipa pada saat proses instalasi.

Saya menyadari bahwa dalam penulisan laporan Tugas Akhir ini, saya memperoleh banyak saran, masukan, serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini, saya ingin mengucapkan terima kasih dengan tulus atas saran, masukan, dukungan, serta bimbingan kepada pihak‐pihak berikut ini.

• Mami dan Papi tercinta untuk doa, perjuangan, kasih sayang, perhatian, serta dukungannya. Kalianlah yang telah menjadi motivator utama dalam menumbuhkan semangat untuk belajar, cepat lulus, serta menjadi orang yang berguna.

• Bapak Andojo Wurjanto, Ph.D sebagai dosen pembimbing dan dosen Program Studi Teknik Kelautan ITB yang hebat, yang telah membuka wawasan saya dalam menghadapi kenyataan dunia. Terima kasih atas kesediaannya untuk membimbing, meluangkan waktu, dan diganggu waktu liburnya oleh saya.

• Bapak Harman Ajiwibowo, Ph.D dan Bapak Rildova, Ph.D sebagai dosen penguji dan dosen Program Studi Teknik Kelautan ITB. Terima kasih atas segala masukan dan

(3)

koreksi yang meningkatkan pengetahuan saya sebagai mahasiswa dan sebagai calon

engineer.

• Bapak Syarif Martakusumah (Sr. Coordinator EPT & Operation Support Chevron

Indonesia Company). Terima kasih untuk bantuan, waktu, serta kesediaan untuk

bertemu, membantu, dan direpotkan oleh saya dalam pengadaan data untuk laporan Tugas Akhir ini.

• Henny, S.Si. sebagai kakak yang selalu mendukung saya untuk cepat lulus, cepat cari kerja, dan cepat menjadi kaya. Terima kasih buat bantuan doa, semangat, finansial, dll. Satu lagi bantuan beliau yang diharapkan: Wisudaan bentar lagi nih, cariin

pasangannya dong!

• Untuk semua Om dan Tante saya yang selalu mendukung dalam doa yang tulus untuk keponakannya yang jarang berkunjung dan selalu sok sibuk di Bandung jika diminta berkunjung.

• Reza Muhammad Abizar. Sebagai temen se‐esema, temen KP bareng, temen diskusi mengenai macem‐macem, temen curhat, temen nongkrong, temen ber”Coklat‐

Stroberi”, temen ber‐roadtrip‐ria, temen apa lagi yah? (pusing saya, ja!). Terima

kasih buat support, waktu, dan bantuan‐bantuannya (bantuan pangan khususnya).

Woy!, cepetan lulus!, katanya mau bikin perusahaan bareng?

• Dimas Adi Pratama, S.T. dan Mendy Gergassy, S.T. sebagai duet standar kode dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini (lu bedua tau banyak banget sih soal

pipa? heran gua!). Terima kasih buat kesediaan lo bedua buat gua telpon ‘n ditanya‐ tanyain (sering banget kayanya). Ntar kapan‐kapan kita dorong‐dorong mobil Reja

lagi di tengah panasnya kota Jakarta, ok!

• Mas Karyo Pelor, S.T. Terima kasih untuk konsultasi dan masukan‐masukannya. • Teman‐teman KL’03. Untuk Amri “Suara Gede Badan Kecil”, Iwan, Andreas “Kadal

(4)

Ternate”, Reza “Stroberi”, Erik, Nana, Ica, Bang Fantri, Wen-wen “Cina”, Mamin “Korlas Banci”, Mendy “Kampret”, Wistie “Anelida”, Oki “Doyan Ica”, Rudi “Blast Net”, Anna “Gede”, Onal “Cilebong”, DAP “Vespa A’la MotoGP”, Andri, Mico “Pengen Dibilang Ganteng”, Bang Awan, Leo “Workaholic”, Yasser “Lulus Ekrek Lu Dulu, Ser!”, Priyo “Jawa Cabul”, Rido “Artis Metal”, Ganjar “Si Kucing Gagap”, Utek,

Rahma “Ga Mau Rugi ”, dan Anton “Anot”.

• Teman-teman KL semua angkatan yang tidak dapat disebutkan satu persatu, terima kasih untuk bantuan dan dukungannya.

• Seluruh staf dosen dan karyawan di Prodi Teknik Kelautan ITB. Terima kasih untuk bantuannya baik secara langsung maupun tidak langsung yang telah membatu saya selama menuntut ilmu di Teknik Kelautan ITB.

• I wanna say thank you very much to my brothers and my sisters in Cell Community (KS). Much hugs to Putri Pamela, Delita Florida, Chris Henry, and Leslie Nichols for your love, pray, support, understanding, and encouragement.

• Semua pihak yang terlewatkan dan tidak dapat disebutkan satu persatu. Terima kasih untuk bantuan serta dukungannya.

Saya menyadari bahwa saya hanya manusia biasa yang penuh dengan kekhilafan dan kealpaan. Saya mohon maaf apabila ada kata‐kata yang salah dalam laporan Tugas Akhir ini. Walaupun laporan Tugas Akhir ini jauh dari sempurna, saya berharap laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat positif bagi yang membacanya. Kritik dan saran yang membangun selalu saya harapkan. Bandung, Januari 2008 Penulis Julius Heryanto

(5)

ABSTRAK

Jalur pipa bawah laut merupakan salah satu infrastruktur transportasi jarak jauh untuk minyak dan gas yang paling efisien. Jalur pipa bawah laut memerlukan desain awal dan proses instalasi yang baik agar tidak terjadi kegagalan pada struktur yang dapat menyebabkan kerugian.

Laporan Tugas Akhir ini membahas tentang desain dan analisis instalasi struktur pipa bawah laut yang terdiri dari perhitungan ketebalan dinding pipa (wall thickness), analisis kestabilan pipa (on‐bottom stability analysis), analisis bentangan bebas untuk kondisi statik dan dinamik (static and dynamic free span analysis), serta uraian mengenai metode‐metode instalasi pipa bawah laut dan analisis instalasi.

Kata kunci: struktur pipa bawah laut, ketebalan dinding pipa, kestabilan pipa, bentang bebas, instalasi.

(6)

DAFTAR ISI

Kata Pengantar i Abstrak iv Daftar Isi v Daftar Gambar viii Daftar Tabel x Daftar Lampiran xii Bab 1 Pendahuluan 1.1 Umum 1‐1 1.2 Latar Belakang 1‐3 1.3 Tujuan 1‐4 1.4 Ruang Lingkup 1‐4 1.5 Sistematika Penulisan 1‐5

Bab 2 Dasar Teori Desain

2.1 Umum 2‐1 2.2 Keamanan Pipa 2‐4 2.2.1 Jenis‐jenis Fluida 2‐4 2.2.2 Lokasi Pipa 2‐4 2.3 Struktur Pipa 2‐5 2.3.1 Tekanan Internal 2‐5 2.3.2 Tekanan Eksternal 2‐8 2.3.3 Tekanan Longitudinal 2‐9 2.3.4 Tekanan Ekuivalen 2‐10 2.3.5 Analisis Desain Ketebalan Pipa 2‐11

(7)

2.3.6 Penekukan 2‐12 2.3.6.1 Local Buckling 2‐13 2.3.6.2 Propagation Buckling 2‐16 2.4 Stabilitas Pipa Di Dasar Laut 2‐17 2.4.1 Gaya Hidrodinamika 2‐18 2.4.1.1 Gaya Gelombang 2‐19 2.4.1.2 Gaya Angkat 2‐22 2.4.1.3 Gaya Gesek 2‐26 2.4.1.4 Gaya Apung 2‐28 2.4.2 Perhitungan Properti Pipa 2‐29 2.4.3 Parameter Kestabilan Pipa 2‐32 2.5 Bentang Bebas Pada Pipa 2‐34 2.5.1 Bentang Bebas Kondisi Dinamik 2‐35 2.5.2 Bentang Bebas Kondisi Statik 2‐42

Bab 3 Analisis Desain

3.1 Deskripsi Kasus 3‐1 3.2 Input Data 3‐2 3.2.1 Parameter Desain 3‐2 3.2.2 Data Lingkungan 3‐2 3.3 Analisis Desain Pipa 3‐5 3.3.1 Analisis Ketebalan Dinding Pipa 3‐6 3.3.2 Buckling And Collapse Pressure 3‐8 3.3.3 Analisis Stabilitas Pipa 3‐10 3.3.3.1 Analisis Kestabilan Pipa Kondisi Instalasi 3‐10 3.3.3.2 Analisis Kestabilan Pipa Kondisi Operasi 3‐13 3.3.3.3 Analisis Kestabilan Pipa Kondisi Operasi Terkorosi 3‐15 3.3.4 Analisis Bentang Bebas Pada Pipa 3‐19

(8)

Bab 4 Metode Dan Analisis Instalasi 4.1 Umum 4‐1 4.2 Metode Instalasi 4‐1 4.2.1 Metode S‐Lay 4‐2 4.2.2 Metode J‐Lay 4‐4 4.2.3 Metode Reel Lay 4‐5 4.2.4 Metode Tow 4‐9 4.3 Analisis Instalasi 4‐12 4.3.1 Metodologi Analisis 4‐15 4.3.2 Parameter Barge 4‐17 4.3.3 Data Pemodelan 4‐18 4.3.4 Hasil Analisis 4‐19 Bab 5 Penutup 5.1 Kesimpulan 5‐1 5.2 Saran 5‐2

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Summerland, California 1‐1 Gambar 1.2 Kegunaan pipa bawah laut 1‐3 Gambar 2.1 Diagram alir proses desain pipa bawah laut 2‐3 Gambar 2.2 Hoop stress 2‐6 Gambar 2.3 Beban tekanan pada silinder bebas 2‐7 Gambar 2.4 Cross section pipa dan longitudinal stress 2‐9 Gambar 2.5 Proses ovalisasi akibat local buckling 2‐12 Gambar 2.6 Jenis‐jenis umum propagation buckling 2‐16 Gambar 2.7 Gaya‐gaya yang bekerja pada pipa bawah laut 2‐18 Gambar 2.8 Klasifikasi perairan menurut panjang gelombang dan kedalaman 2‐20 Gambar 2.9 Vortex dan flow separation 2‐20 Gambar 2.10 Ilustrasi konsentrasi streamline yang melewati pipa 2‐23 Gambar 2.11 Drag coefficient vs Reynolds number 2‐24 Gambar 2.12 Drag coefficient untuk bilangan Keulegan‐Carpenter dan Reynolds 2‐25 Gambar 2.13 Lift coefficient vs Reynolds number 2‐25 Gambar 2.14 Gaya gesek yang terjadi pada pipa bawah laut 2‐27 Gambar 2.15 Gaya apung pada benda yang tercelup pada zat cair 2‐28 Gambar 2.16 Potongan melintang pipa bawah laut 2‐29 Gambar 2.17 Free span akibat dasar laut yang tidak rata 2‐34 Gambar 2.18 Fenomena terbentuknya vortex 2‐36 Gambar 2.19 Arah osilasi yang umum terjadi pada pipa 2‐37 Gambar 2.20 Bilangan Strouhal untuk silinder bundar 2‐38 Gambar 2.21 Reduced velocity for cross‐flow oscillations 2‐40 Gambar 2.22 Reduced velocity for in‐line oscillations 2‐40

(10)

Gambar 3.1 Lokasi Proyek 3‐1 Gambar 4.1 Konfigurasi S‐Lay 4‐2 Gambar 4.2 Konfigurasi jangkar pada pipelay barge 4‐3 Gambar 4.3 Firing line 4‐3 Gambar 4.4 Konfigurasi J‐Lay 4‐4 Gambar 4.5 Saipem 7000 yang dilengkapi dengan J‐Lay tower 4‐5 Gambar 4.6 Reel vessel 4‐6 Gambar 4.7 DP Global’s Vessel Hercules with horizontal reel (S‐Lay) 4‐7 Gambar 4.8 Technip’s DP vertical reel vessel Deep Blue (J‐Lay) 4‐8 Gambar 4.9 Bottom tow 4‐9 Gambar 4.10 Off‐bottom tow 4‐10 Gambar 4.11 Mid‐depth tow 4‐11 Gambar 4.12 Surface tow 4‐11 Gambar 4.13 Bending pada metode instalasi S‐Lay 4‐12 Gambar 4.14 Gaya‐gaya yang terjadi pada pipa pada saat instalasi 4‐13 Gambar 4.15 Deformasi pada segmen balok 4‐13 Gambar 4.16 Diagram tegangan total pada kedalaman perairan 56,4 m 4‐20 Gambar 4.17 Diagram reaksi vertikal pada kedalaman perairan 56,4 m 4‐20 Gambar 4.18 Diagram bending moment pada kedalaman perairan 56,4 m 4‐21 Gambar 4.19 Diagram persentase yield stress pada kedalaman perairan 56,4 m 4‐21 Gambar 4.20 Diagram tegangan total pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐22 Gambar 4.21 Diagram reaksi vertikal pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐22 Gambar 4.22 Diagram bending moment pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐23 Gambar 4.23 Diagram persentase yield stress pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐23 Gambar 4.24 Diagram tegangan total pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐24 Gambar 4.25 Diagram reaksi vertikal pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐24 Gambar 4.26 Diagram bending moment pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐25 Gambar 4.27 Diagram persentase yield stress pada kedalaman perairan 85,34 m 4‐25

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi Fluida 2‐4 Tabel 2.2 Klasifikasi Keamanan 2‐5 Tabel 2.3 Faktor Desain (general case) 2‐15 Tabel 2.4 Faktor Desain ( ஽_௧ tipikal) 2‐15 Tabel 2.5 Recommended Coefficients for Pipe Design 2‐26 Tabel 2.6 Konstanta Perletakan Ujung Bentang Bebas Pada Analisis Dinamik 2‐39 Tabel 2.7 Kriteria Jenis Osilasi 2‐41 Tabel 2.8 Konstanta Perletakan Ujung Bentang Bebas Pada Analisis Statik 2‐43 Tabel 3.1 Parameter Desain 3‐2 Tabel 3.2 Data Gelombang 3‐4 Tabel 3.3 Data Arus Untuk Perairan Dalam 3‐4 Tabel 3.4 Data Arus Untuk Perairan Sedang 3‐4 Tabel 3.5 Data Arus Untuk Perairan Dangkal 3‐5 Tabel 3.6 Koefisien Hidrodinamika 3‐5 Tabel 3.7 Perhitungan Wall Thickness Kondisi Instalasi 3‐6 Tabel 3.8 Perhitungan Wall Thickness Kondisi Hidrotes 3‐7 Tabel 3.9 Perhitungan Wall Thickness Kondisi Operasi 3‐7 Tabel 3.10 Ketebalan Pipa Minimum 3‐7 Tabel 3.11 Perhitungan Buckling And Collapse Pressure 3‐8 Tabel 3.12 Buckling And Collapse Pressure 3‐10 Tabel 3.13 Perhitungan Berat Tenggelam Pipa Pada Kondisi Instalasi 3‐10 Tabel 3.14 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Instalasi (56,4 m) 3‐11 Tabel 3.15 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Instalasi (85,34 m) 3‐11 Tabel 3.16 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Instalasi (103 m) 3‐12

(12)

Tabel 3.17 Perhitungan Berat Tenggelam Pipa Pada Kondisi Operasi 3‐13 Tabel 3.18 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Operasi (56,4 m) 3‐14 Tabel 3.19 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Operasi (85,34 m) 3‐15 Tabel 3.20 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Operasi (103 m) 3‐15 Tabel 3.21 Perhitungan Berat Tenggelam Pipa Pada Kondisi Operasi Terkorosi 3‐15 Tabel 3.22 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Operasi Terkorosi 3‐16 (56,4 m) Tabel 3.23 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Operasi Terkorosi 3‐17 (85,34 m) Tabel 3.24 Perhitungan Gaya‐gaya Hidrodinamika Kondisi Operasi Terkorosi 3‐17 (103 m) Tabel 3.25 On‐Bottom Stability 3‐18 Tabel 3.26 Bentang Bebas Kondisi Instalasi 3‐19 Tabel 3.27 Bentang Bebas Kondisi Hidrotes 3‐19 Tabel 3.28 Bentang Bebas Kondisi Operasi 3‐19 Tabel 4.1 Perbandingan Metode Analisis Instalasi Pipa 4‐15 Tabel 4.2 Profil Barge Rollers 4‐18 Tabel 4.3 Profil Stinger Rollers 4‐18 Tabel 4.4 Parameter Barge 4‐18 Tabel 4.5 Parameter Instalasi 4‐19 Tabel 4.6 Hasil Pemodelan 4‐19

(13)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A Perhitungan Wall Thickness Lampiran B Perhitungan Parameter Buckling And Collapse Lampiran C Perhitungan On Bottom Stability Kondisi Instalasi Lampiran D Perhitungan On Bottom Stability Kondisi Operasi Lampiran E Perhitungan On Bottom Stability Kondisi Operasi Terkorosi Lampiran F Perhitungan Free Span Kondisi Instalasi Lampiran G Perhitungan Free Span Kondisi Hidrotes Lampiran H Perhitungan Free Span Kondisi Operasi Lampiran I Analisis Instalasi Pada Perairan Dengan Kedalaman 56,4 m Lampiran J Analisis Instalasi Pada Perairan Dengan Kedalaman 85,34 m Lampiran K Analisis Instalasi Pada Perairan Dengan Kedalaman 103 m