ANALISA KEANDALAN STRUKTUR TOPSIDE MODULE FPSO PADA SAAT OPERASI Ali Akbar Ahmad(1), Wisnu Wardhana(2), Joswan Jusuf Soedjono(3)
1Mahasiswa Teknik Kelautan, 2,3Staf Pengajar Teknik Kelautan ABSTRAK
FPSO (Floating Production Storage and Offloading) dalam operasinya mendapatkan pengaruh signifikan dari beban lingkungan dan operasionalnya. Hal demikian juga akan mempengaruhi komponen-komponen struktur yang ada di atasnya, termasuk struktur topside module yang berfungsi sebagai pemrosesan minyak dan gas. Konstruksi topside module FPSO haruslah kuat menahan beban-beban yang terjadi pada saat kondisi operasi. Dalam penelitian ini kekuatan struktur topside module telah dikaji dengan metode deterministik dan metode probabilistik atau keandalan Pada pengkajian dengan metode deterministik digunakan perangkat lunak SACS, sedangkan pengkajian keandalan menggunakan simulasi Monte Carlo.
Pemodelan beban dinamis FPSO akibat gelombang diselesaikan dengan perangkat lunak MOSES. Pemodelan FPSO dan struktur topside module dimodelkan dengan berbagai variasi draft atau sarat air. Untuk menentukan motion struktur, dilakukan analisis RAO motion struktur. Gerakan yang dominan terjadi pada arah 450 dan 1350. Sedangkan untuk kondisi maksimal pada tiap gerakan yaitu: RAO surge 0.957 m/m (heading 0), RAO sway 1.307 m/m (heading 90), RAO heave 0.953 m/m (heading 90), RAO roll 2.972 m/m (heading 90), RAO pitch 0.739 m/m (heading 135) dan RAO yaw 0.346 m/m (heading 45). Dari hasil analisa kekuatan struktur didapat unity chek (UC) maksimum pada berbagai variasi draft atau sarat air yaitu, pada sarat 18.0m kekuatan struktur topside module FPSO tersebut aman dengan (UC) maksimum sebesar 0.923. kemudian pada sarat 16.2m kekuatan struktur topside module FPSO tersebut tidak aman dengan (UC) maksimum sebesar 1.251, kemudian pada sarat 14.6m kekuatan struktur topside module FPSO tersebut tidak aman dengan (UC) maksimum sebesar 1.311, demikian pula sampai sarat terendah 13.9m kekuatan struktur topside module FPSO tersebut tidak aman dengan (UC) maksimum sebesar 1.348. Keandalan struktur topside module FPSO berdasarakan perhitungan menggunakan simulasi Monte Carlo didapatkan keandalan pada variasi sarat air seperti berikut, pada sarat 18.0m keandalannya adalah 0.903 , kemudian pada sarat 16.2m keandalannya turun menjadi 0.687, kemudian pada sarat 14.6m keandalannya turun menjadi 0.617 demikian pula sampai sarat terendah 13.9m keandalannya semakin menurun yaitu 0.560. Dari kekuatan struktur dan keandalan pada variasi sarat air tersebut memperlihatkan bahwa struktur topside module FPSO mempuanyai kekuatan yang aman dan keandalan yang tinggi pada sarat air 18.0m, sedangkan semakin kecil sarat air FPSO maka kekuatan struktur dan keandalan dari struktur topside module FPSO akan semakin menurun.
Kata kunci : keandalan, struktur topside module, FPSO, draft, RAO, kekuatan struktur.
1. PENDAHULUAN
Teknologi eksplorasi dan eksploitasi minyak dan gas semakin meningkat dengan seiring meningkatnya kebutuhan minyak dan gas. Sehingga teknologi pengeboran pada laut dangkal saat ini mulai bergeser pada pengeboran laut dalam, yakni dengan menggunakan bangunan terapung (floating). FPSO (Floating Production Storage and Offloading) pada dasarnya adalah sebuah fasilitas terapung yang dioperasikan disuatu ladang minyak dan gas bumi lepas pantai yang fungsinya untuk menerima, memproses, menyimpan dan selanjutnya menyalurkan minyak dan gas bumi ke pasaran. Banyak fasilitas produksi yang terdapat di atas geladak FPSO.
Fasilitas-fasilitas tersebut terdiri dari beberapa fasilitas pemrosesan dan pendukung yang disusun dalam beberapa topside module, di antaranya adalah gas processing module, utility module, compression module, living quarter module, dan power generator module.
Topside module merupakan salah satu struktur yang ada pada FPSO yang harus diperhitungkan keandalannya terhadap pengaruh beban. Beban yang mengenai topside module cukup signifikan, yang secara umum dapat diklarisifkasikan menjadi dua jenis, yaitu beban statis dan beban dinamis. Beban statis adalah berat dari struktur topside module itu sendiri, sedangkan beban dinamis yaitu beban operasional dan beban lingkungan.
Gambar 2 Struktur Topside Module (McDeermott, 2004)
Dalam tugas akhir ini, obyek yang digunakan adalah FPSO (Floating Production Storage and Offloading) yang dioperasikan di Blok Natuna. Displasemen maksimum dari FPSO tersebut yaitu 255.000 ton dengan panjang 285 m memiliki kapasitas
1 TUB 813 : Ø 81.3 x 25.4 thk.
2 TUB 610 : Ø 61.0 x 25.4 thk.
3 PG 1200 : 1200 X 400 X 25.4 X 38.1 4 PG 800 : 800 X 400 X 25.4 X 38.1 5 SH 200 : 200 x 125 x 9 x 6 6 SH 400 : 400 x 200 x 13 x 8 7 SH 450 : 450 x 200 x 14 x 9 8 Channel : 200 x 90 x 11 x 8
1 LOA 285m
2 Depth 26m
3 Beam 58m
4 Load Line Draft 18.0m 5 Vessel Draft Full 16.2m 6 Vessel Draft Medium 14.6m 7 Vessel Draft Light 13.9m
8 Displacement 255,00ton
9 Service Life 30years
penyimpanan minyak sebesar 1,0 juta barrel. Badan FPSO tersebut dibangun dengan bentuk double side, konfigurasi single bottom tanpa self propulsion.
FPSO tersebut didesain 30 tahun tanpa dry docking dan peralatan mekanik didesain berumur selama periode itu dengan hanya dilakukan perawatan rutin.
Berikut spesifikasi FPSO ditampilkan pada Tabel 1 di bawah ini :
Tabel 1 Data Spesifikasi FPSO (Conoco, 2002)
Sedangkan module yang akan dibahas adalah topside module yang memiliki berat 1781.8 Ton, berikut profil module tersebut :
Tabel 2 Profil topside modul
2. DASAR TEORI
FPSO (Floating Production Storage and Offloading) pada dasarnya adalah wahana apung lambung tunggal berbentuk kapal atau tongkang yang difungsikan sebagai fasilitas untuk mengakomodasi aktivitas produksi migas dan sekaligus menyimpannya di dalam tanki-tanki di lambungnya sebelum produk tersebut ditransfer ke kapal-kapal tanki pengangkut untuk didistribusikan ke pasaran. Konsep FPSO pada dasarnya diperkenalkan untuk menggantikan sistem kombinasi anjungan produksi dengan fasilitas penyimpanan terapung atau floating storage offloading (FSO). Jadi secara prinsip FPSO meng- gantikan fungsi kombinasi anjungan produksi dengan FSO, baik dalam kasus perairan dalam maupun perairan dangkal. Integrasi dua fungsi yang dapat diakomodasikan dalam satu wahana tentunya dari beberapa aspek akan memberikan efisiensi segi teknis dan ekonomisnya, baik pada tahap pembangunan maupun operasinya.
Fasilitas produksi biasanya terletak pada production deck dan pada umumnya diposisikan 2,5m di atas main deck (UKOOA, 2002). Hal ini bertujuan untuk meminimalisir efek dari green water dan untuk meminimalisir apabila terjadi ledakan atau api yang mengenai module agar tidak banyak memengaruhi
lambung. Topside Module merupakan struktur yang berada di atas FPSO
Terdapat beberapa module di atas deck FPSO, di antaranya adalah export compressors module, gas processing module, gas cooling module, utility module, oil separation module, dan lain-lain.
2.1 Pembebanan
Dalam proses perancangan struktur lepas pantai (offshore structure), penentuan kemampuan kerja struktur dipengaruhi oleh beban yang bekerja pada struktur tersebut. Perancang harus menentukan akurasi beban yang akan dipakai dalam perancangan offshore structure terlebih dahulu. Beban-beban yang harus dipertimbangkan oleh perancang dalam perancangan offshore structure adalah sebagai berikut:
a. Beban mati (dead load).
Beban mati adalah beban dari semua komponen kering serta peralatan, perlengkapan dan permesinan yang tidak berubah dari mode operasi pada suatu struktur, meliputi: berat struktur, berat peralatan dan berat permesinan yang digunakan dalam proses pengeboran ketika sedang tidak dioperasikan. Pada gas processing module ini yang termasuk beban mati adalah beban struktur module itu sendiri dan beban peralatan yang terdapat pada module tersebut.
b. Beban hidup (live load).
Beban hidup adalah beban yang terjadi pada struktur selama dipakai dan berubah dari mode operasi satu ke mode operasi yang lain. Contoh beban yang termasuk kedalam beban hidup ini adalah beban yang diakibatkan oleh pengoperasian mesin atau peralatan lainnya pada suatu struktur yang berhubungan dengan operasi struktur tersebut. Beban hidup pada gas processing module yaitu beban perpipaan yang berubah setiap mode operasi.
c. Beban akibat kecelakaan (accidental load).
Beban kecelakaan merupakan beban yang tidak dapat diduga sebelumnya yang terjadi pada struktur, misalnya tabrakan dengan kapal pemandu operasi, putusnya tali tambat (mooring) dan kebakaran. Pada gas processing module beban kecelakaan yang mungkin terjadi adalah akibat kebakaran pada module dan kecelakaan akibat tertimpa benda (misalnya crane atau struktur lain yang menimpa module). Akan tetapi pada tugas akhir, analisis akibat beban kecelakaan tidak diperhitungkan.
d. Beban lingkungan (environmental load).
Beban lingkungan adalah beban yang terjadi karena dipengaruhi oleh lingkungan dimana suatu struktur lepas pantai dioperasikan atau bekerja.
Beban lingkungan yang digunakan dalam
perancangan adalah beban angin, arus, dan gelombang.
Pada tugas akhir ini, pembebanan difokuskan pada beban yang mengenai module. Beban-beban yang mengenai module di antaranya adalah beban inersia yang disebabkan gelombang, beban angin dan beban operasional. Beban-beban itulah yang nantinya digunakan dalam tugas akhir ini.
2.2 Beban Lingkungan 2.2.1 Beban Gelombang
Gaya gelombang yang terjadi pada pada struktur bangunan lepas pantai dapat dihitung menggunakan tiga cara:
1. Persamaan Morison 2. Teori Froude-Krylov 3. Teori Difraksi
Persamaan Morison mengasumsikan bahwa gelombang terdiri dari dua komponen gaya, yaitu gaya inersia dan gaya drag, yang dijumlahkan secara linier. Perhitungan kedua gaya tersebut dilakukan dengan mempertimbangkan koefisien inersia dan juga koefisien dragnya. Persamaan ini lebih tepat digunakan untuk kasus dimana gaya drag merupakan gaya yang dominan terjadi, yang biasanya dijumpai pada struktur yang ukuran diameter (D) relatif kecil jika dibandingkan dengan panjang gelombangnya ( ) yaitu D 1/5 (Indiyono, 2004). Persamaan Morison digunakan pada struktur yang berukuran kecil jika dibandingkan dengan panjang gelombangnya, sedangkan untuk struktur yang lebih besar lebih tepat jika perhitungannya mengunakan teori difraksi. Tetapi untuk struktur yang ukurannya berada di antara keduanya bisa dihitung menggunakan Teori Froude-Krylov. Teori ini menyatakan bahwa gaya gelombang yang terjadi pada struktur dapat dihitung dengan metode tekanan akibat gelombang yang terjadi pada permukaan struktur. Teori difraksi digunakan pada struktur besar, karena pada kasus ini gelombang yang mengenai struktur akan mengalami penyebaran atau difraksi, atau dengan kata lain bahwa kinematik aliran yang tidak terganggu di daerah dekat struktur berubah karena adanya gelombang yang datang.
Perubahan kinematik aliran yang tidak terganggu ini memberikan gaya pada struktur, sehingga perlu diperhitungkan.
2.2.2 Beban Angin
Beban lingkungan lain yang bersifat dinamis adalah beban angin, tetapi beberapa struktur akan meresponnya pada model statis yang paling mendekati. Dalam perancangan sebuah offshore structure pada umumnya, perhitungan beban angin disyaratkan untuk didasarkan pada besarnya kecepatan ekstrim dengan waktu pengulangan 50 atau 100 tahun. Semakin lama waktu yang digunakan untuk pengulangan, maka resiko kegagalan semakin besar. Gaya pada permukaan
datar diasumsikan sebagai gaya normal pada permukaan dan gaya pada tanki silinder vertikal, pipa, dan silinder lain diasumsikan searah dengan arah angin, sedangkan yang tidak vertikal dapat dihitung menggunakan formula yang diambil dari perhitungan arah angin berhubungan dengan gerak objek. Hal tersebut berlaku untuk semua sudut dari pendekatan beban angin pada struktur.
2.2.3 Beban Arus
Tidak hanya gelombang, beban arus juga merupakan salah satu beban lingkungan yang memberikan gaya terhadap offshore structure. Arus akibat pasang surut memiliki kecepatan yang semakin berkurang seiring dengan bertambahnya kedalaman sesuai fungsi non- linier. Sedangkan arus yang disebabkan oleh angin memiliki karakter yang sama, tetapi dalam fungsi linier.
2.3 GERAKAN BANGUNAN APUNG
Setiap struktur terapung yang bergerak diatas permukaan laut selalu mengalami grakan osilasi.
Gerakan osilasi ini terdiri dari 6 macam gerakan , yaitu 3 macam gerakan translasi dan 3 macam gerakan rotasional dalam 3 arah sumbu gerakan (Battacharyya, 1978).Macam gerakan itu meliputi : surging, having, sway, yawing, pitching, dan rolling.
Berikut adalah keenam mode gerakan tersebut beserta ilustrasi enam mode gerakan bebas pada Gambar 3:
Gambar 3 Six Degrees of Freedom Pada FPSO (Wahyudi, 2009)
1. Mode gerak translasional
- Surge, gerakan transversal arah sumbu x.
- Sway, gerakan transversal arah sumbu y.
- Heave, gerakan transversal arah sumbu z.
2. Mode gerak rotasional.
- Roll, gerakan rotasional arah sumbu x.
- Pitch, gerakan rotasional arah sumbu y.
- Yaw, gerakan rotasional arah sumbu z.
2.4 SPEKTRA GELOMBANG 2.4.1 Spektrum Gelombang
Spektrum gelombang adalah karakteristik dari suatu gelombang pada perairan tertentu. Yaitu konstribusi intensitas gelombang-gelombang regular dalam membentuk gelombang acak. Analisis spektrum gelombang dapat menggunakan beberapa teori spektrum gelombang yang telah ada, antara lain model spektrum JONSWAP, model spektrum Pierson-Moskowitz, dan lain-lain. Penggunaan masing-masing teori spektrum gelombang tersebut
pertimbangan tersebut adalah lokasi spektrum gelombang yang akan dianalisis. Persamaan spektra JONSWAP dikemukakan oleh Hasselman, et al (1973) berdasarkan percobaan yang dilakukan di daerah North Sea. Persamaan spektrum JONSWAP mewakili angin dengan batasan fetch. Formula atau persamaan untuk spektrum JONSWAP dapat ditulis dengan modifikasi dari persamaan Pierson- Moskowitz (Chakrabarti, 1987) yaitu :
( )
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡− −
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝
− ⎛
=
−
−
2 22
2 exp 4 5
2 exp 1,25
) (
o o
g o S
ω τ
ω ω
ω γ ω ω
α
ω
dengan :
γ = parameter puncak τ = parameter bentuk
τa untuk ω ≤ ω0 = 0,07 dan τb untuk ω ≥ ω0 = 0,09 α = 0,0076 (X0)-0,22
2.5 RESPON STRUKTUR
Respon pada struktur offshore (baik struktur fixed maupun terapung) akibat gelombang reguler dalam tiap-tiap frekuensi, dapat diketahui dengan menggunakan metode spectra. Nilai amplitudo pada suatu response secara umum hampir sama dengan amplitudo gelombang. Bentuk normal suatu response dari sistem linier tidak berbeda dengan bentuk amplitudo gelombang dalam fungsi frekuensi.
2.5.1 Respon Aplitude Operator (RAO)
Metode spektra merupakan cara untuk mengetahui suatu respon struktur akibat beban gelombang reguler dalam tiap-tiap frekuensi. Response Amplitude Operator (RAO) atau sering disebut sebagai Transfer Function adalah fungsi respon yang terjadi akibat gelombang dalam rentang frekuensi yang mengenai struktur offshore. RAO dapat juga didefinisikan sebagai hubungan antara amplitudo respon terhadap amplitude gelombang. Dapat dinyatakan dengan bentuk matematis yaitu (ζrespon / ζgelombang). Amplitudo respon bisa berupa gerakan, tegangan, maupun getaran. RAO juga disebut sebagai Transfer Function karena RAO merupakan alat untuk mentransfer beban luar (gelombang) dalam bentuk respon pada suatu struktur (Chakrabarty, 1987). Bentuk umum dari persamaan RAO dalam fungsi frekuensi adalah sebagai berikut :
dengan:
η = amplitude gelombang (m) ω = frekuensi angular (rad/s) 2.5.2 Respon Spektrum
Respon spektrum didefinisikan sebagai response energy density pada struktur akibat gelombang, dalam hal ini berupa energy density spectrum. Pada sistem linier, fungsi dari RAO merupakan fungsi kuadrat. Respon spektrum merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat.
Persamaan dari respon spektrum adalah (Chakrabarti, 1987) sebagai berikut :
dengan :
SR = response spectrum (m2-sec) S(ω) = spectra gelombang (m2-sec) RAO = response amplitude operator ω = frekuensi angular (rad/sec)
Response spectra dapat digunakan untuk mengetahui besar respon maksimum yang mungkin terjadi dalam suatu rentang waktu tertentu. Respon extreme maksimum yang terjadi dengan tingkat probabilitas dari suatu kejadian sebesar 62,3% dapat dicari dengan persamaan (Chakrabarti, 1987) sebagai berikut :
Sedangkan respon extreme maksimum yang mungkin terjadi pada saat proses perancangan dapat dicari berdasarkan persamaan di atas dengan mempertimbangkan faktor peluang terlampauinya suatu kejadian α sebagai berikut :
dengan:
T = lama kejadian badai (sec)
α = kemungkinan kejadian tidak terjadi pada saat perancangan (1% - 5%)
m0 merupakan luasan di bawah kurva spektrum amplitudo kepadatan energi gelombang dimana luasannya sama dengan varian dari time history gelombang sedangkan m2 merupakan momen spektra kecepatan.
2.6 KONSEP TEGANGAN 2.6.1 Tegangan Normal
Gambar 4 merupakan gambar batang tubular yang mengalami pembebanan aksial sebesar Sx. Batang tersebut mempunyai luas penampang A. Maka tegangan yang terjadi pada pada batang tersebut sesuai dengan persamaan berikut ini:
F = A
Sx, Dengan A = luas penampang lintang
Gambar 4Pembebanan aksial pada batang tubular (Popov, 1993)
2.6.2 Tegangan Geser
Batang penampang bulat juga dapat mengalami tegangan geser walau besarnya tidak begitu berarti.
Penyebab paling besar terjadinya tegangan geser pada elemen penampang bulat seperti pada kaki struktur jacket adalah momen puntiran aksial. Pada Gambar 5 tampak batang mengalami pembebanan puntiran T pada kedua ujungnya.
Gambar 5 Gaya puntiran pada batang silinder (Popov, 1993)
Tegangan maksimum yang terjadi pada permukaan luar batang dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
J R
=T.
σ Dengan:
J = Momen inersia kutub T = Momen torsi terkonsentrasi R = Jari-jari penampang batang
Tegangan geser yang bekerja pada penampang melintang lingkaran selalu berarah tegak lurus jari-jari dan mempunyai arah yang sama dengan momen puntir.
2.6.3 Kriteria Tegangan Ijin 2.6.3.1 Tegangan Tarik Aksial
Tegangan tarik ijin Ft menurut API RP 2A (2002), untuk member silinder ditentukan dari:
Ft = 0.6Fy. ,
Dengan : Fy adalah kekuatan yield (Mpa) 2.6.3.2 Kombinasi Tekan Aksial dan Bending Member
Silinder
Pada API RP 2A WSD (2002) dapat dijelaskan bahwa member silinder ditujukan pada kombinasi antara kompresi dan regangan yang harus diproporsionalkan pada kedua persyaratan berikut :
0 . 1
1 '
2 2
≤
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ − + +
f Fb fa
f f Cm Fa
fa
e by bx
0 . 6 1
. 0
2 2
+ ≤ + Fb f f Fy
fa bx by
Dengan:
Fa = tegangan aksial yang diijinkan, N fa = tegangan aksial, N
Fb = tegangan bending yang diijinkan, N fb = Tegangan bending, N
Cm = Faktor reduksi 2.7 KEANDALAN
Pada analisis keandalan pada topside module, moda kegagalan pada kombinasi Tekan Aksial dan Bending Member yang direpresentasikan dalam unity check member (UC) yang berfungsi sebagai variabel acak dan angka 1 sebagai faktor kekuatan atau ketahanan, Jadi topside module dikatakan gagal apabila tegangan yang berlaku pada member melebihi kekuatan nominalnya. Persamaan umum dari moda kegagalan seperti di bawah ini:
M = R – L dengan :
R = faktor ketahanan L = faktor beban
Dari persamaan umum di atas, disesuaikan dengan permasalahan yang digunakan dalam moda kegagalan. Persamaan yang digunakan yaitu:
MK : UC-1 < 0 aman
UC-1 > 0 gagal , Dengan : MK = Moda kegagalan
Unsur pokok yang diperlukan dalam simulasi Monte Carlo adalah random number generator. Prinsip dasar metode ini adalah sampling numerik dengan bantuan random number generator (RNG), dimana simulasi dilakukan dengan mengambil beberapa sampel dari perubah acak berdasarkan distribusi peluang perubah acak tersebut. Sampel yang diambil tersebut dipakai sebagai input dalam persamaan fungsi kinerja FK(X), dan harga FK(X) kemudian dihitung. Jika nilai FK(X) < 0 dan jumlah sampel tersebut adalah N maka sistem yang ditinjau dianggap gagal sejumlah n kali. Sehingga peluang kegagalan sistem adalah rasio antara jumlah kejadian gagal dengan jumlah sampel,
Pf=n/N dengan:
n = jumlah kejadian yang gagal N = jumlah sampel
Pf = peluang kegagalan
Maka keandalan dapat dicari dengan cara sebagai berikut:
dengan:
K = keandalan 3. METODELOGI
Melakukan studi literature buku-buku dan jurnal- jurnal yang berkaitan dengan karakteristik gerakan bangunan apung dan analisa tegangan pada struktur topside module FPSO. Selain itu juga dilakukan pencarian mengenai data-data FPSO dan Topside Module sebagai obyek tugas akhir.
Pemodelan FPSO dengan AutoCAD berupa lines plan untuk mempermudah dalam penentuan koordinat dan pengukuran dimensi. Selain itu pemodelan dalam AutoCAD juga mempermudah dalam memahami bentuk dari struktur secara visual.
Mengkonversi pemodelan yang dilakukan di AutoCAD ke dalam Maxsurf secara lebih detail dan spesifik, karena dalam pemodelan Maxsurf bagian section, buttock, dan waterline juga dimodelkan.
Dimensi-dimensi utama yang didapat dari lines plan di-generate ke dalam Maxsurf. Koordinat-koordinat dari Maxsurf kemudian dikonversi ke dalam MOSES (Multi Operasional Structural Engineering Simulator). Untuk pemodelan dan perhitungan hidrostatis dilakukan dengan MOSES 7.0, sedangkan untuk perhitungan hidrodinamis menggunakan MOSES 6.0.
