DESAIN BASIS DAN ANALISIS STABILITAS PIPA GAS BAWAH LAUT

DESAIN BASIS DAN ANALISIS

STABILITAS PIPA GAS BAWAH LAUT

SIDANG HASIL P3

LABORATORIUM KEANDALAN DAN KESELAMATAN JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN

FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

HIMAWAN KHALID PRABOWO

4210 100 079

Latar Belakang

2

Memaksimalkan jalur distribusi dengan Pipeline

Panjang pipa : 72.5 km

Latar Belakang

3

Agar tidak terjadi kegagalan pada pipa, pecah

akibat tekanan dan operasi

Mencegah kebocoran pipa, pencemaran lingkungan, pembengkakan biaya

4

Latar Belakang

Perumusan Masalah

5

1. Bagaimana desain basis pipa gas bawah laut yang sesuai ?

2. Bagaimana perhitungan stabilitas pipa bawah laut berdasarkan pada analisis kestabilan pipa bawah laut (On bottom stability analysis) ?

4. Bagaimana allowable free span pipa bawah laut berdasarkan analisis free span ?

5. Bagaimana analisis pipa yang terjadi menggunakan pemodelan statis dan dinamis ?

Tujuan Skripsi

1. Menganalisis penentuan dan pemilihan spesifikasi pipa bawah laut yang sesuai

2. Menganalisis stabilitas pipa bawah laut secara vertikal maupun horizontal

3. Menganalisis allowable free span pipa bawah laut berdasarkan analisis free span secara statis dan dinamis

4. Menganalisis dengan simulasi software Autodesk Inventor dan Ansys

13.0

7

Batasan Masalah

1. Objek Penelitian adalah jalur gas pipeline dari FPU sampai ke landfall SAPI sepanjang 72.5 km

2. Standar yang digunakan adalah American Protelium Institute (API) 2004, ASME B31.8-2003 “ Gas Transmission and distribution piping system (DNV) RP-E305 “On-Bottom stability Design of Submarine Pipelines, (DNV) RP-F105 “ Free Spanning pipelines“

3. Kondisi pipa yang dihitung adalah instalasi,operasi

Manfaat Skripsi

Dapat menghindari bahaya yang terjadi akibat dari rusaknya pipa gas offshore diantaranya distribusi gas tidak akan terganggu, pencemaran lingkungan dan pembengkakak biaya dalam pemasangan pipa

Penilaian stabilitas yang didapat bisa digunakan sebagai pertimbangan

oleh Kontraktor Kontrak Kerja Sama (KKKS) untuk mengambil

keputusan pemasangan pipa yang lebih efektif dan efisien dalam

operasi produksi dan eksplorasi minyak dan gas di Indonesia.

Metodologi

9

Studi Literatur Identifikasi dan

Perumusan Masalah

Mulai

- Standar Perhitungan - Jurnal

- Paper - Tugas Akhir - Internet

Pengumpulan data

- Data Lingkungan - Jalur pipa - Profil tanah

- Temperatur dan tekanan - Seabed profil

- Kapasitas produksi

Perancangan pipa dan pemilihan

material

Perhitungan stabilitas pipa ( On-bottom Stability Analysis)

Vertical Stability Lateral stability

Kriteria material memenuhi

Pemilihan ulang material pipa

Berat pipa

Penambahan lapisan beton

YES

NO NO

YES

A

A. Material Grade :

harga, kekuatan material, keteserdiaan barang B. Wall thickness Harga, kemampuan pengelasan, mobilitas

Metodologi

10

Perhitungan Panjang Allowable Free Span

Selesai

Simulasi dengan software Ansys 12.0

A

Dinamic Analysis Static

Analysis

Kesimpulan dan Rekomendasi Simulasi dengan

Autodesk Inventor

Data Inputan

11

Description Unit Value Unit Value Unit Value

Gas velocity m/s 7 f/s 23.3

Gas max flowarate Mmcfd 440

Gas min flowrate Mmcfd 55.6

Delivery pressure gas Barg 71 psi 1029.5 Pa 7100000

Design pressure pipe Bara 128 psi 1856 Pa

Hydrotest preesure pipe Bara 160 psi 2320 Pa 16000000

Design temperature C 60

Operating temperature C 44.9

Operating pressure Bara 94.8 psi 1374.6 Pa 9480000

MAOP Bara 128 psi 1856 Pa 12800000

Fluid Density kg/m3 75

Modulus of Elacticity MPa 207000 psi 3001500 psi

Corrosion Allowance (mm) 3 in 43.5 in

Desain Basis Pipeline

12

𝑣 _𝑔 = ^{60 𝑍 𝑄}

^𝑔

^𝑇

𝑑𝑖

²

𝑃 𝑑

_𝑖

=

^{60 𝑍 𝑄𝑔𝑇}

𝑉𝑔𝑃

API RP−14E Formula aliran gas

Diperoleh diameter minimal pipa yang dipakai 22.2 inch / 544mm Dimana,

Vg = gas velocity , feet/s

Di = pipe inside diameter, inch Qg = gas flow rate, mmcfd

T = operating temperature, R

P = operating pressure, psia

Z = compresibility faktor

Allowable Check

13

1. Hoop stress 𝑆

_𝐻

≤ 𝐹

₁

𝑆𝑇

𝑆

_𝐻

= 𝑃

_𝐼

− 𝑃

_𝑒

𝐷 2𝑡

selisih tegangan yang dialami atau diterima oleh pipa karena tekanan internal dan eksternal pipa. Dimana material pipa yang dipilih nilai Hoop stress nya tidak boleh kurang dari nilai persamaan yang

disyaratkan

2. Tegangan efektif akibat Longitudinal Load 𝑇

_𝑒𝑓𝑓

≤ 0.60𝑇

_𝑦

tegangan efektif yang diakibatkan oleh beban longitudinal tidak boleh melebihi

14

3. Internal Pressure (Burst) 𝑃

_𝑡

≤ 𝑓

_𝑑

𝑓

_𝑒

𝑓

_𝑡

𝑃

_𝑏

besarnya tekanan hydrostatis tidak boleh melebihi tekanan maksimal pecah

4. Propagating Buckles 𝑃

_𝑜

− 𝑃

_𝑖

≥ 𝑓

_𝑝

𝑃

_𝑝

Besarnya tekanan akibat propagating buckle tidak boleh melebihi selisih tekanan eksternal dan internal

15

Output Data Unit Material Grade Material Grade

X60 X65

Outer

Diameter inch 24 24 24 24 24 24

Required Inner Diameter

inch 22.2 22.2 22.2 22.2 22.2 22.2

Inner

Diameter inch 23.1 23.0 23.0 23.1 23.0 23.0

Minimum wall

thickness inch 0.46 0.46 0.46 0.42 0.42 0.42

Selected wall

thickness inch 0.438 0.469 0.5 0.438 0.47 0.5

SMYS 60000 65000

Design

Pressure Psi

1856 1856

Content

Density kg/m3

95 95

Density Sea

Water kg/m3

1025 1025

Design factor 0.8 0.8

Joint factor 1 1

Temperature

factor

1 1

Collapse factor

0.8 0.8

Trench depth inch 0 0

Gas velocity m/s 7 7

Check

Allowable

Hoop stress NO NO OK NO OK OK

Longitudinal

load OK OK OK OK OK OK

Internal

pressure OK OK OK OK OK OK

Propagating

Buckles OK OK OK OK OK OK

Seleksi dengan AHP

16

GOAL PIPA B GRADE

API 5L X65

KEKUATAN MATERIAL

KETERSEDIAAN

BARANG HARGA / BIAYA MOBILITAS KEMAMPUAN

PENGELASAN HARGA / BIAYA MATERIAL

GARDE

WALL THICKNESS

PIPA A X60 t= 0.5

PIPA B X65 t=0.469

PIPA C X65 t=0.5

Seleksi dengan expert choise

17

Stabilitas pipa kondisi instalasi

18

Secara Vertikal

𝐹

_𝐿

≤ 𝑊

_𝑠

𝑆𝐹

_𝑣

=

^{𝑊𝑠+𝑊𝑏𝑢𝑜𝑦}

𝑊_{𝑏𝑢𝑜𝑦}

≥ 1.1

Kondisi Instalasi : berat fluida pipa 0, belum terisi, data lingkungan 1 tahun

Kondisi operasi : berat fluida gas, data lingkungan 100 tahun

𝐹

_𝐷

≤ 𝜇 . 𝑊

_𝑠

𝑆𝐹

_𝐿

=

^{𝑊𝑠−𝐹𝐿 .𝜇}

𝐹_𝐷+𝐹_𝐼

≥ 1.1

Secara Lateral

Stabilitas pipa kondisi instalasi

19

kondisi Instalasi Pipa no Concrete

coating(In)

Vertical Stability

lateral stability

1 2 1.77 0.7

2 4 2.05 1.21

3 6 2.24 1.6

4 8 2.38 1.9

5 10 2.48 2.19 ⁰

0.5 1 1.5 2 2.5

0 2 4 6 8 10 12

Nilai stabilitas

Tebal concrete coating (in) Stabilitas kondisi Instalasi

Vertical Stability

lateral stability

sudut fase FL (N/m) FD (N/m) FI (N/m) Ws (N/m)

50 180.11 102.839 155.800 697.389

Stabilitas pipa kondisi operasi

20

sudut fase FL (N/m) FD (N/m) FI (N/m) Ws (N/m)

25 485.26 334.541 92.546 1339.430

kondisi Operasi Pipa no Concrete

coating(In)

Vertical Stability

lateral stability

1 2 2.41 0.48

2 4 2.54 0.71

3 6 2.63 0.9

4 8 2.69 1.08

5 10 2.74 1.25

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 2 4 6

Nilai stabilitas

Tebal concrete coating (in)

Stabilitas kondisi Operasi

lateral stability Vertical Stability

1. Perhitungan panjang free span statis

a. Akibat adanya maximum bending moment 𝐿

_{𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐}

= 12𝑀

𝑊

_𝑠

b. Akibat adanya penurunan permukaan dasar laut (Low Depression)

𝐿

𝐿

_𝑐𝛽

= 0.112 + 10.98 𝜎

_𝑚

𝜎

_𝑐

− 16.71 𝜎

_𝑚

𝜎

_𝑐

2

+ 10.11 𝜎

_𝑚

𝜎

_𝑐

3

𝜎_𝑚

𝜎_𝑐

= dimentional bending stress

c. Akibat adanya bagian pipa yang terangkat (elevated obstruction)

21

Free span analisys

22

Free span analisys

23

2. Perhitungan panjang free span dinamis

Besarnya frekuensi VIV tidak boleh melebihi dari besarnya frekuensi natural (fn)

Fs = 𝑆

_𝑡 ^𝑈

𝐷

< 𝑓

_𝑛

=

^𝑎

2𝜋𝐿²

𝐸𝐼 𝑚𝑒 St= strouhal number 0.2

a. Akibat kondisi Cross flow

𝐿𝑐 = 𝑎𝑈𝑟𝐷𝑡𝑜𝑡 2𝜋𝑈𝑟

𝐸𝐼 𝑚𝑒 b. Akibat kondisi in line

𝐿𝑐 = 𝑎

𝑓𝑛𝑥2𝜋

𝐸𝐼

𝑚𝑒

Mitigasi dengan grout bag

24

𝐹 = Tekanan karena arus laut 𝐹 = 𝑃 𝑥 𝐴

𝐹 =

¹₂

𝜌𝑉

²

. 𝐴𝑟𝑒𝑎

𝐹 =

¹₂

𝜌𝑉

²

.

^𝐻₂

(𝐴 2 + 𝐵√2)

Gaya gesek dari groutbag dihitung menggunakan rumus :

𝑅 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 . 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 . µ . 9,807

Mitigasi dengan grout bag

25

1. Syarat pertama adalah besarnya R > F

𝐹 =

¹₂

𝜌𝑉

²

. 𝐴𝑟𝑒𝑎 > 𝑅 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 . 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 . µ . 9,807

2. Syarat yang kedua adalah besarnya kecepatan arus yang diperboleh dari hasil hitungan harus lebih besar daripada kecepatran arus dari data lingkungan Vr > Vl

𝑉𝑟 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒. 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦. µ . 9,807 12 𝜌𝑉² .𝐻

2 (𝐴 2 + 𝐵√2)

Vr > Vl

Simulasi statis Inventor

26

Von Mises Stress

𝜎𝑉 = 𝜎ℎ² + 𝜎𝐿² − 𝜎ℎ. . 𝜎𝐿

𝜎𝑉 = 310.84² +240.4²-310.84 x 240.4 = 282.29 Mpa

𝜎𝑉< SMYS

282.9 < 448 Mpa

Displacement Pipa 53.47 mm

Simulasi dimanis

27

Simulasi dinamis

28

Permukaan pipa yang langsung terkena arus mempunyai tekanan maksimal 263.2 Pa.

Kesimpulan

29

1. Berdasarkan pada (API) RP 1111 2003 dan ASME B.318 pemilihan seleksi menngunakan metode Analytical Hierarchy Process (AHP) diperoleh pipa dengan spesifikasi pipa 24 in Grade X65 wall thickness 0.469 in.

2. Pada kondisi instalasi dan operasi pipa akan memenuhi kestabilan secara Vertical dan Horizontal dengan concrete coating 10 in, dimana nilai kestabilan diatas safety faktor 1.1

3. Diantara banyaknya free span yang terjadi di dalam jalur pipa, terdapat

beberapa free span yang mengalami kegagalan secara static dan secara dinamis.

Dimana panjang free span terpanjang adalah terdapat pada KP 7-8 dengan panjang free span 35 meter dan kedalaman 3 meter. Free span tersebut

mempunyai tingkat keamanan yang rendah, sehingga harus dilakukan mitigasi yaitu dengan pemasangan support Grout Bag untuk memperpendek bentang free span yang terjadi.

4. Setelah dilakukan simulasi dengan menggunakan software Autodesk Inventor maka diketahui besarnya Von Misses Stress sebesar 237.3 Mpa dengan

displacement sebesar 53.47 mm. dan hasil tersebut masih dalam kondisi aman karena tidak melebihi nilai Yield Strength pipa grade X65 sebesar 448 Mpa.

30