KEANDALAN FLEXIBLE RISER PORCH TERHADAP
BEBAN EKSTREM
Ali Solihin Siregar(1), Handayanu(2), Rudy Walujo P(3) 1Mahasiswa Teknik Kelautan, 2,3Staf Pengajar Teknik Kelautan
Flexible riser merupakan salah satu komponen struktur bangunan lepas pantai berupa pipa
vertikal yang mempunyai sifat lentur dan berfungsi sebagai saluran yang menghubungkan
antara wellhead dengan struktur. Untuk bangunan berjenis floating struktur, flexible riser
didesain sedemikian rupa agar mampu menahan beban lingkungan yang mengenainya. Salah
satu beban lingkungan yang berpengaruh terhadap stabilitas dan kekuatan riser adalah adanya
eksitasi gelombang yang terjadi secara berulang (siklis), salah satunya adalah beban ekstrim
100 tahunan. Beban ini dapat menyebabkan terjadinya akumulasi tegangan yang sangat besar
pada daerah interface. Daerah interface riser ini berupa riser porch yang sangat kritis
mengalami kegagalan akibat akumulasi tegangan dari beban ekstrem
yang mengakibatkan
ketidakmampuan struktur dalam menerima beban dari kapasitas yang telah dizinkan.
Sehingga perlu dilakukan analisa Ultimate Strength dari struktur, yaitu tegangan maksimum
yang dapat diterima oleh material setelah mengalami deformasi plastis.
Hal ini juga terjadi
pada flexible riser FPSO Belanak yang beroperasi di laut Natuna. Analisa global dilakukan
untuk mendapatkan tension pada daerah interface, untuk tension maksimum pada semua
riser porch sebesar 260.63 kN terletak pada riser porch 5 (R#5). Beban ini digunakan untuk
analisa lokal pada riser porch menggunakan ANSYS 11 yang bekerja berdasarkan prinsip
Finite Element Method. Analisa dilakukan pada semua sumbu x,y,dan z untuk mendapatkan
hasil output analisa lokal berupa tegangan Von Mises akibat beban ekstrem. Dari analisa lokal
didapatkan von Mises stress pada riser porch 5 sebesar 5x10
8Pa. Dengan simulasi Monte
Carlo didapatkan keandalan riser porch 5 terhadap beban ekstrem 0.999 dengan indeks
keandalan 3.09, sedangkan keandalan riser porch 5 dengan penambahan beban pressure
100% adalah 0.9529 dengan indeks keandalan 1.67.
Kata-kata kunci : Flexible riser, riser porch, beban ekstrem, ultimate strength,monte carlo,
indeks keandalan
1. PENDAHULUAN
Kebutuhan sumber daya minyak dan gas semakin hari semakin meningkat, akan tetapi tidak diimbangi dengan jumlah cadangan minyak dan gas yang kita miliki Untuk itu dilakukan usaha untuk meningkatkan produksi migas, salah satu caranya adalah dengan mengalihkan daerah operasi dari perairan dangkal menuju perairan dalam (deepwater). Metode produksi menggunakan bangunan terpancang mulai digantikan dengan bangunan terapung (floating) yang ditambatkan pada seabed menggunakan vertical tether atau mooring. Hal ini dilakukan karena lebih efektif dan mengurangi biaya instalasi . Perkembangan metode produksi terapung ini memacu langsung
pengembangan desain atau perancangan pipa riser. Semakin dalam daerah operasi maka diperlukan desain riser yang cukup handal untuk menahan adanya beban lingkungan yang terjadi. Flexible riser menjadi salah satu solusi nyata untuk mengahadapi tantangan semakin dalamnya daerah operasi tersebut. Sejak pertama kali digunakan pada tahun 1972 hingga sekarang, setidaknya terdapat hampir 3000 macam jenis telah dipakai di ladang produksi minyak di seluruh dunia, melibatkan 300 dynamic riser yang dihubungkan dengan 30 FPSO yang berbeda (Soegiono,2007).
Sebagai salah satu komponen struktur bangunan lepas pantai, flexible riser ini dirancang dari pipa yang bersifat lentur dan berfungsi sebagai
saluran yang menghubungkan wellhead dengan struktur. Pada kondisi floating structure, flexible riser didesign dengan sedemikian rupa agar mampu bertahan pada kondisi beban lingkungan yang mengenainya, bahkan pada kondisi ekstrem sekalipun. Kondisi ekstrem ini sangat berpengaruh pada kekuatan dan stabilitas dari flexible riser , sebab pada kondisi ini beban yang diterima oleh struktur akan relatif lebih besar dari kondisi operasinya. Sehingga perlu dilakukan penelitian terhadap besarnya kekuatan flexible riser dalam menerima pembebanan lingkungan yang ekstrem tersebut. Dalam design struktur, material yang digunakan memiliki Yiel Strength yaitu tegangan maksimum yang diterima oleh struktur pada perilaku elastic material. Namun kondisi di lapangan selama umur operasi, peluang struktur untuk mengalami pembebanan ekstrem pasti ada, kondisi ekstrem yang terjadi akan mengakibatkan peluang struktur untuk mengalami kegagalan karena ketidakmampuan struktur dalam menerima beban ultimated dari kapasitas yang telah dizinkan.Sehingga perlu dilakukan analisa Ultimate Strength dari struktur, ultimate strength ini menghasilkan suatu informasi mengenai sisa kekuatan pada suatu struktur setelah mengalami kegagalan.Hasil analisis ultimate strength, dapat dijadikan suatu referensi dalam penentuan safety factor untuk menekan terjadinya kegagalan struktur. Daerah yang rentan mengalami kegagalan akibat beban ektrem ini berada pada daerah interface, yaitu daerah batas antara ujung-ujung riser, ujung atas yang berhubungan dengan struktur dan ujung bawah yang berhubungan dengan subsea wellhead. Area interface riser ini terdapat riser porch yang memiliki tingkat kegagalan yang kritis akibat pembebanan lingkungan ini.
Gambar 1 kurva tegangan regangan
Analisa terhadap beban ekstrem yang mengenai struktur, merupakan variable yang digunakan dalam memprediksikan keandalan dari struktur tersebut. Penyederhanaan dalam metode analisis ini dapat dilakukan dengan model peluang matematik dengan terlebih dahulu menentukan variabel acak yang berupa faktor tegangan dan faktor gaya. Hal ini dikarenakan tidak seorangpun yang dapat memprediksi ketentuan atau ketidaktentuan atas suatu kejadian yang dialami oleh struktur selama masa operasinya. Sehingga untuk lebih mempermudah dalam melakukan analisa diambil asumsi-asumsi untuk menyederhanakan ketidaktentuan itu. Keuntungan terbesar penerapan metode probabilistik atau yang dewasa ini biasa disebut sebagai analisa keandalan dan resiko (risk & reliabillity analysis) adalah perancang akan dapat menghasilkan suatu sistem rekayasa yang lebih efisien dan juga
memenuhi kualitas
standar yang diharapkan (Djatmiko, 2003).
2. DASAR TEORI
2.1. Flexible Riser
Flexible riser merupakan salah satu jenis riser yang mempunyai kekakuan rendah jika dibandingkan dengan tipe top tension. Jenis riser ini sangat cocok untuk bangunan terapung di perairan dalam dan cukup andal jika didesain dengan konfigurasi sistem catenary.
Gambar 2 Gambar3 Desain Top Tension Desain SCR
2.2. Konektor pada Riser
Bagian interface antara struktur terapung dengan ujung riser disebut dengan riser porch.Berikut ini adalah contoh desain riser porch pada TLP di GULF Teluk Meksiko milik Shell.
Gambar 4 Desain Riser Porch TLP Pada FPSO Belanak desain riser porch digambarkan sebagai berikut
Gambar 5. Desain Riser Porch FPSO Belanak
2.3 Analisa Dinamis Riser
Tujuan dari rangkaian analisa dinamis penelitian ini adalah untuk mendapatkan respon struktur berupa tegangan pada riser porch terhadap pembebanan dinamis yang dalam hal ini menggunakan beban gelombang, arus, dan angin. Pada dasarnya benda yang mengapung mempunyai 6 mode gerakan bebas yang terbagi menjadi dua kelompok, yaitu 3 mode gerakan translasional dan 3 mode gerakan rotasional. Berikut adalah keenam mode gerakan tersebut : 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 Definisi gerakan kapal dalam enam derajat kebebasan dapat dijelaskan dengan gambar 5. Dengan memakai konversi sumbu tangan kanan tiga gerakan translasi pada arah sumbu x,y dan z, adalah masing-masing surge (ζ1), sway (ζ2) dan heave (ζ3), sedangkan untuk gerakan rotasi terhadap ketiga sumbu adalah roll (ζ4), pitch (ζ5) dan yaw (ζ6).
Gambar 6. Tanda Untuk Displacement Gerakan Translasi dan Rotasi
Dengan asumsi bahwa gerakan-gerakan tersebut adalah linier dan harmonik, maka enam persamaan diferensial gerakan kopel dapat dituliskan sebagai berikut :
1 , 6 1 j e F C B A M iwt j n k jk k jk k jk jk (1) ...(2.7) dimana :
Mjk = komponen matriks massa kapal Ajk, Bjk = matriks koefisien massa tambah
dan redaman
Cjk = koefisien-koefisien gaya hidrostatik pengembali
Fj = amplitudo gaya eksitasi dalam besaran kompleks
F1, F2 dan F3 adalah amplitudo gaya-gaya eksitasi yang mengakibatkan surge, sway dan heave, sedangkan F4, F5 dan F6 adalah amplitudo momen eksitasi untuk roll, pitch dan yaw. Tanda titik menunjukkan turunan terhadap waktu, sehingga ζ dan ζ adalah masing-masing kecepatan dan percepatan.
2.3.1 Wave Drift Force
Menurut Indiyono (2003) beban gelombang merupakan beban terbesar yang ditimbulkan oleh beban lingkungan pada bangunan lepas pantai (offshore structure). Perhitungan beban gelombang dapat direpresentasikan dengan perhitungan gaya gelombang. Teori perhitungan gaya gelombang yang tepat untuk analisa motion pada FPSO adalah teori difraksi. Dalam teori ini bilamana suatu struktur mempunyai ukuran yang relatif besar, yakni memiliki ukuran yang kurang lebih sama dengan panjang gelombang, maka keberadaan struktur ini akan
G
x
y
z
O
X
o
Y
o
Z
o
ζ
xζ
yζ
zζ
ζ
ζ
mempengaruhi timbulnya perubahan arah pada medan gelombang disekitarnya. Dalam hal ini difraksi gelombang dari permukaan struktur harus diperhitungkan dalam evaluasi gaya gelombang.
Untuk gaya gelombang time series dapat dibangkitkan dari spektrum gelombang. Gaya gelombang first order :
i i i N i i wv wv t F a F cos 1 1 1 (2) 2.1) dimana : t Fwv 1
= gaya gelombang first order tergantung waktu
1 wv
F = gaya exciting gelombang first order per unit amplitudo gelombang tergantung waktu i = sudut fase komponen gelombang
first order i
a = amplitudo komponen gelombang first order 2S d
S
= fungsi kepadatan spektra gelombang Gaya gelombang second order :) ( ) ( cos 1 1 1 j i j i N j ij j i N i wv t a a D t F (3) ...(2.2) dimana : ij
D
= drift force per unit amplitudo gelombang2.3.2 Beban Angin
Beban angin merupakan beban dinamis, tapi beberapa struktur akan meresponnya pada model statis yang paling mendekati. Dalam perancangan bangunan lepas pantai pada umumnya perhitungan beban angin disyaratkan untuk didasarkan pada besarnya kecepatan ekstrim dengan periode ulang 50 atau 100 tahun. Semakin lama periode ulang yang digunakan, maka resiko kegagalan semakin besar. Sedangkan formula untuk gaya angin time series dapat dibangkitkan dari spektrum gelombang menurut API RP 2 T adalah memakai rumus sebagai berikut :
x
V
x
V
x
A
C
t
F
WD a S a C
C
2
1
(4) ...(2.3) dimana: Fw = gaya angin (N) CS = koefisien bentuka= massa jenis udara (kg/ m 3
)
x
= kecepatan dari platform (m/s) ax = aerodinamic amittance
A = luas area vertikal yang terkena angin (m2) VC = kecepatan partikel air (m/s)
Sedangkan kecepatan angin dirumuskan sebagai berikut : x W y V V 10 10 (5) dimana :
Vw = kecepatan angin, knots (m/s) V10 =kecepatan angin pada ketinggian 10 m, knots (m/s)
y = ketinggian dimana kecepatan angin dihitung, (m)
x = faktor eksponen
Bila informasi yang akurat tidak tersedia, maka harga eksponensial x sebesar
7
1 dapat diambil
sebagai pendekatan. Harga ini cukup sesuai untuk ketinggian sampai dengan sekitar 200 m. Untuk semua sudut dari pendekatan beban angin pada struktur, 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.
2.3.3 Beban Arus
Selain gelombang, arus laut juga memberikan gaya terhadap struktur bangunan lepas pantai. 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. Kecepatan arus tersebut dirumuskan dalam formulasi matematis berikut:
UT = UOT (y/h) 1/7
(6) ...(2.5a) UW = UOW (y/h) (7)
dimana :
UT : kecepatan arus pasang surut (m/detik)
UOT : kecepatan arus pasang surut di permukaan (m/detik)
UW : kecepatan arus akibat angin (m/detik)
UOW : kecepatan arus akibat angin di permukaan (m/detik)
y : jarak dari dasar laut (meter) h : kedalaman laut (meter)
Gaya arus yang bekerja pada struktur dapat dirumuskan sebagai berikut :
Fcx = Ccx S V 2 c (8) Fcy = Ccy S V 2 c (9) Dimana :
Fcx : Gaya arus pada bow Fcy : Gaya arus pada beam
Ccx : Koefisient gaya arus pada bow = 0.016 lb/ft2 (2.89 Nsec2/m4) Ccy : Koefisient gaya arus pada bow
= 0.4 lb/ft2 (72.37 Nsec2/m4) S : Luas penampang pada lambung kapal yang terendam (m2)
Vc : Kecepatan arus desain (m/sec)
2.4 Response Amplitude Operators (RAO)
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 respon secara umum hampir sama dengan amplitudo gelombang. Bentuk normal suatu respon dari sistem linier tidak berbeda dengan bentuk amplitudo gelombang dalam fungsi 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 disebut sebagai Transfer Function karena RAO merupakan alat untuk mentransfer beban luar (gelombang) dalam bentuk respon pada suatu struktur. Bentuk umum dari persamaan RAO dalam fungsi frekuensi (Chakrabarty, 1987) adalah sebagai berikut :
Response ( ) = (RAO) ( )
dimana, = amplitudo gelombang, m, ft
2.5. Respons Struktur
Menurut Chakrabarti (1987), persamaan RAO dapat dicari dengan rumus sebagai berikut :
p X RAO (11) Dimana : p X = amplitudo struktur = amplitudo gelombang
Spektrum respons didefinisikan sebagai respons kerapatan energi pada struktur akibat gelombang. Spektrum respons merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat, secara matematis dapat ditulis sebagai berikut : S RAO SR 2 (10) Dimana : R
S = spektrum respons (m2-sec)
S = spektrum gelombang (m2-sec)
RAO = transfer function
= ferkuensi gelombang (rad/sec)
2.6. Tegangan Pada Riser
Beban ekstrem yang mengenai struktur akan diobah menjadi tegangan pada riser porch, tegangan yang terjadi berupa hoop stress, axial stress, dan shear stress, masing-masing tegangan akan dijelaskan dibawah ini.
2.6.1 Hoop Stress
Hoop stress adalah tegangan yang terjadi akibat perbedaan pressure internal dan eksternal yang bekerja pada struktur, dalam DNV OS F201, dirumuskan dengan:
(11)
Dimana :
σ
h= hoop stress akibat internal
pressure, psi
P
i= internal pressure pipa, psi
P
o= external pressure pipa, psi
t
= pipe walthickness, in
2.6.2 Longitudinal Stress
Tegangan axial (Longitudinal Stress) adalah
tegangan yang terjadi akibat pressure dan
temperature yang bekerja pada struktur,
tegangan
ini
bekerja
pada
sumbu
memanjang struktur, dalam DNV OS F201
dirumuskan dengan:
σl = υσ
h –EάΔT
(12)
dimana:
υ = poisson ratio
E = modulus elasticity(N/mm2) ά = coef termal expansion T1 = outlet temperature (°C) T2 = inlet temperature (°C)
2.6.3 Tegangan Eqivalent
Tegangan-tegangan yang bekerja pada arah
yang berbeda-beda pada struktur dapat
dipandang
secara
menyeluruh
dengan
menggunakan hubungan tegangan diatas
sehingga diperoleh tegangan equivalent
(von Mises) sebagai berikut.
(13)
2.7 Tegangan von Mises
Pada elemen 3 dimensi, bekerja tegangan tegangan searah sumbu X,Y,Z. Pada tiap tiap sumbu dapat diketahui tegangan utama (σ1, σ2, σ3) yang dihitung dari komponen tegangan dengan persamaan berikut.
(14)
Penggabungan tegangan – tegangan utama pada suatu elemen meruupakan suatu cara untuk mengetahui nilai tegangan maksimum yang terjadi pada node tersebut. Salah satu cara mendapatkan tegangan gabungan adalah dengan menggunakan formula tegangan von Mises.
(15)
Dimana:
σe
= Tegangan maksimum
σ1
= Tegangan utama 1
σ2
= Tegangan utama 2
σ3
= Tegangan utama 3
2.8 Konsep Analisa Inelastis/Nonlinear
Analisis inelastis global dilakukan untuk mengetahui apakah struktur memiliki cukup kekuatan dan stabilitas untuk tetap menahan kriteria pembebanan dengan overstress lokal dan kerusakan ijin, namum tanpa keruntuhan. Pada level analisa ini, tegangan telah melampui level elastis dan pemodelan overstress struktur harus mengenali kapasitas ultimate/batas daripada batas pembebanan elastis (API RP 2A~WSD,21stedition). Metoda analisis yang lebih spesifik tergantung pada tipe pembebanan lingkungan ekstrim yang diterima struktur dan tujuan yang diharapkan dari analisa. Harus
dicatat bahwa batasan kerusakan struktur dapat diterima atau tidak sesuai dengan semakin kerasnya kondisi pembebanan lingkungan. Metode analisa nonlinear diperlukan untuk menghitung displasement pada struktur setelah batas elastis (post-elastis), plastis range.
Pada analisa kekuatan ultimate, elemen struktural diperbolehkan untuk menerima beban melebihi kapasitasnya, elemen-elemen dapat
meneruskan beban untuk mencapai
kapasitasnya, tergantung pada duktilitasnya dan prilaku pasca elastis elemen-elemen tersebut.
Beberapa elemen
mungkin
akan
menunjukkan gejala kerusakan, mengalami
crossed over bukling atau juga inelastis
yielding.
2.9 Safety Margin (Margin Keamanan)
Jika demand maksimum Ymax
melampaui kapasitas maksimum Xmin, distribusi kedua- duanya akan mengalami overlap dan probabilitas kegagalan tidak lagi bernilai nol. Untuk menilai probabilitas, dapat diambil perbedaan diantara kapasitas dan beban, yang biasanya disebut dengan margin keamanan atau safety margin, S :
(16)
Gambar 7 FKP untuk batas margin S
Ketidakmampuan
suatu
sistem
untuk
memenuhi tuntutannya, yang diukur dengan
peluang kegagalan pf, dapat diperkirakan
menggunakan fungsi kerapatan peluang dari
margin keselamatan, yaitu pada bagian
dimana S bernilai negatif, atau
S = X-Y ≤ 0,
(17)
Sehingga dapat dituliskan :
(18)
Dan sebaliknya, keandalannya adalah;
(19)
3.METODOLOGI
3.1. Data Struktur
3.1.1 Data Gelombang
Beban gelombang yang digunakan dalam penyelesaian tugas akhir ini adalah beban gelombang ekstrem 100 tahun pada kondisi tinggi gelombang maximum(Hmax).
Berikut data gelombang untuk perairan Natuna.
Tabel 1 Data metocean Natuna Wave
Class H max Th max Surface Current Mid-Depth Current Near Bottom Current Number of Cycles (m) (s) (m/s) (m/s) (m/s) 1 0.50 5.25 0.5 0.3 0.3 93,350,538 2 1.00 6.25 0.5 0.3 0.3 71,519,354 3 1.50 7.37 0.5 0.3 0.3 31,774,805 4 2.00 8.64 0.5 0.3 0.3 13,717,908 5 2.50 9.57 0.6 0.4 0.4 6,707,238 6 3.00 10.18 0.6 0.4 0.4 3,461,658 7 4.00 10.79 0.6 0.4 0.4 2,802,540 8 5.00 11.31 0.6 0.4 0.4 772,997 9 6.00 11.69 0.7 0.5 0.5 197,245 10 7.00 11.97 0.7 0.5 0.5 45,165 11 8.00 12.23 0.7 0.5 0.5 9,160 12 9.00 12.47 0.7 0.5 0.5 1,643 13 10.25 12.67 0.8 0.6 0.6 281
3.2. Pemodelan Struktur
Dalam tugas akhir ini pemodelan dilakukan dengan 3 tahap. Tahap pertama memodelkan struktur FPSO Belanak menggunakan software MOSES. Tahap kedua memodelkan FPSO dan flexible riser porch Belanak menggunakan software ORCAFLEX, flexible riser porch yang dimodelkan sebanyak 17. Tahap ketiga memodelkan riser porch menggunakan software Ansys 11.
3.2.1 Analisa Global dengan MOSES
Pada tahap ini pemodelan dilakukan dengan software MOSES. Pemodelan ini hanya memodelkan hull FPSO Belanak tanpa flexible riser dan mooring.
Pemodelan ini diawali dengan terlebih dahulu membuat surface sesuai geometri hull FPSO Belanak. Kemudian surface FPSO Belanak tersebut diberi sarat air, serta input heading pressure, periode, jari-jari girasi, dan center of gravity serta titik acuan RAO motion.
Gambar 8. Pemodelan surface hull FPSO Belanak menggunakan software MOSES
Pemodelan MOSES ini dilakukan untuk mendapatkan RAO motion gerak surge, heave, sway, roll, pitch, dan yaw dalam arah 00, 22.50, 450, 67.50, 900, 112.50, 1350, 157.50, 1800 dan wave drift force dari FPSO Belanak.
3.2.2 Analisa Global dengan ORCAFLEX
Pada tahap kedua ini pemodelan hull FPSO, lengkap dengan flexible riser, dan mooring secara simultan menggunakan software ORCAFLEX. Flexible riser yang dimodelkan sebanyak 17 buah, yang dibedakan kedalam 4 jenis ukuran diameter (6”,12”,14.5”,dan 16”)
Langkah Pemodelan
1. Langkah pertama memodelkan hull FPSO, yaitu dengan cara menentukan koordinat-kordinat titik dari geometri hull FPSO Belanak yang kemudian titik-titik itu dihubungkan dengan garis hingga menjadi surface yang utuh.
2. Langkah kedua memodelkan mooring dan flexible riser sebagai line yang kemudian diinputkan data dengan diameter luar, diameter dalam, panjang, massa jenis yang sesuai dengan data FPSO Belanak. Mooring maupun flexible riser difixedkan pada hull pada bagian atasnya dan dianchored pada sea bed di bagian bawah. Mengikuti attachment yang ada pada data.
Gambar 9 hang off layout
Sebagai input data, kita masukkan data 00, 22.50, 450, 67.50, 900, 112.50, 1350, 157.50, 1800 untuk gerak surge, heave, sway, roll, pitch, dan yaw hasil dari ourput MOSES. Kemudian kita masukkan juga tipe spektra gelombang , kecepatan arus, kecepatan angin serta arah headingnya, kedalaman perairan, massa tambah serta wave drift force. Dalam pemodelan kedua ini kita memberi beban gelombang dengan tinggi gelombang ekstrim untuk data 100 tahunan pada kondisi storm surge.
Gambar 10 Pemodelan ORCAFLEX tampak depan
Gambar 11 Pemodelan ORCAFLEX tampak isometric lengkap dengan mooring dan flexible riser
3.2.3 Analisa Lokal dengan ANSYS 11
Pada analisa lokal ini kita melakukan analisa tegangan lokal pada riser porch menggunakan software ANSYS 11.
1. Langkah pertama kita membuat model tendon porch sesuai dengan geometri riser porch FPSO Belanak, dimana model yang dibuat ada 4 jenis, disesuaikan dengan ukuran diameter riser porch. Material properties yang kita gunakan adalah Solid 95 dengan;
modulus young (E) = 210 MPa poison rasio = 0.29
Specified Minimum Tensile Strength (SMYS) = 416 MPa
Elongation = 20%
Gambar12.Pemodelan riser porch pada ANSYS 11
2. Langkah kedua adalah membuat meshing. Meshing adalah pembagian model menjadi elemen-elemen kecil. Meshing ini berfungsi sebagai tempat distribusi tegangan elemen-elemen yang lebih kecil pada riser porch. Semakin kecil elemen meshing semakin baik distribusi tegangan sehingga hasilnya output yang didapat akan lebih valid.
Gambar 13 Meshing riser porch pada ANSYS 11
3.Langkah ketiga adalah menentukan kondisi batas yang digunakan dalam pemodelan. Kondisi batas ini diberikan sesuai dengan kondisi/mendekati kondisi real, agar hasil analisa yang dperoleh lebih akurat.
Dalam pemodelan ini ada beberapa kondisi batas yang digunakan.
1) Pada daerah sambungan (interface), derajat
kebebasan dikunci pada semua arah sehingga displacement pada daerah ini sebesar nol.
2) Pembebanan force/moment dimodelkan pada
sumbu x dan y, sedangkan untuk arah z diberikan beban pressure yang dibagi dengan luas area. Untuk masing-masing sumbu diinputkan tension yang paling maximum dari output ORCAFLEX.
Gambar 14 Kondisi batas riser porch
3.3 Keandalan Struktur
Analisa keandalan dalam tugas akhir ini menggunakan simulasi Monte Carlo. Simulasi akan dilakukan iterasi sebanyak 10000 kali, dari DNV OS F201 persamaan Moda Kegagalan.
(20) Dimana: P = pressure D = diameter luar t = thickness υ = poisson ratio τι = shear stress
SMYS = Specified Minimum Yield Stress, MPa
dari moda kegagalan diatas P,t, dan υ dijadikan sebagai variabel acak.
4.
ANALISA DAN PEMBAHASAN4.1. Analisa Pembebanan
4.1.1 Perhitungan Beban Gelombang
Sebelum mencari gelombang return period, terlebih dahulu mencari distribusi gelombang kurun waktu panjang. Distribusi gelombang kurun waktu panjang [long-term wave analysis (LTWA)] dapat dicari dengan persamaan berikut. ln ln ) ( 1 1 ln ln x H P (20)
Table 2 Perhitungan nilai untuk distribusi weibull
Gambar 15 Grafik distibusi weibull
Persamaan trend line
y
1
,
1026
x
0
,
8956
digunakan untuk mencari nilai ln(H-a) pada saat mencari periode ulang gelombang. Nilai P(Hs) dihitung dengan memasukan durasi terjadinya badai yang menyebabkan timbulnya gelombang. Durasi terjadinya badai yang
menyebabkan timbulnya gelombang
diasumsikan kurang lebih 3 jam(Ochi, 1978), dengan menggunakan persamaan:
) ( 24 ) ( 365 ) ( ) ( 1 ) ( jam hari tahun T jam T H H P H P LT badai LT LT (21)
Table 3 hasil perhitungan Hgelombang return periode
Return Periode P(Hs) Ln[ln(1-P(Hs)) -1] Ln(Hs – a) Hs (m) 1 tahun 0.9996575342 2.0768555628 1.07134 2.92 10 tahun 0.9999657534 2.3303874009 1.30128 3.67 100 tahun 0.9999965753 2.5324666196 1.48455 4.42
Untuk mendapatkan tinggi gelombang n, dapat dilakukan dengan pendekatan probabilitas kumulatif(CERC,1984).
Table 4 Hubungan antara n,Hn/Hs,Hn/H100
n
Hn/HS
Hn/H
1001
1.68
2.68
5
1.37
2.18
10
1.28
2.03
33
1.0
1.60
50
0.89
1.42
100
0.63
1.00
4.1.2 Pembebanan MOSES dan ORCAFLEX
Penggunaan kedua software ini bertujuan untuk mendapatkan tension pada riser secara global, dari MOSES didapatkan output berupa Respon Amplitudo Operator (RAO) dan wave drift untuk masing-masing heading yang nantinya digunakan untuk analisa global dengan ORCAFLEX, sehingga menghasilkan tension pada masing-masing riser porch.
4.1.3. Pembebanan pada ANSYS 11
Pada pemodelan tahap tiga yang menggunakan software Ansys 11, pembebanan yang dipakai mencakup semua arah, x,y, dan beban pressure yang diambil dari komponen gaya aksial riser porch tension maksimum dibagi area yang mengenai bagian bawah riser porch dirumuskan sebagai berikut
A
P
(22)
4.2. Hasil Analisa Global
Pemodelan ini diawali dengan terlebih dahulu membuat surface sesuai geometri hull FPSO Belanak. Kemudian surface FPSO Belanak tersebut diberi sarat air, serta input heading pressure, periode, jari-jari girasi, dan center of gravity serta titik acuan RAO motion. Hasil RAO motion gerak surge, heave, sway, roll, pitch, dan yaw dalam arah 00, 22.50, 450, 67.50, 900, 112.50, 1350, 157.50, 1800 digunakan sebagai bahan input untuk pemodelan ORCAFLEX. RAO motion hasil running MOSES ini merupakan transfer function untuk mendapatkan respons motion dari FPSO Belanak yang kita modelkan.
Gambar 16. Grafik RAO Surge
Gerakan surge cenderung besar untuk heading arah head seas (μ = 0°) dan following seas (μ = 180°). Sedangkan untuk arah beam seas (μ = 90°) atau quartering seas (μ = 45° dan 135°)
gerakan surge sangat kecil bahkan tidak terjadi sama sekali. Pada arah μ = 22.5° dan 67.5° masih sangat signifikan dengan respon yang terus turun seiring bertambahnya frequency.
Gambar 17. Grafik RAO Sway
Gerakan sway besar untuk heading arah beam seas (μ = 90°) dan μ = 67.5°. Sedangkan untuk arah quartering seas (μ = 45° dan 135°) dan μ = 22.5° gerakan sway juga terjadi namun tidak sebesar heading arah beam seas dan μ = 67.5° Dan gerakan sway tidak terjadi untuk arah 0° dan 180°.
Gambar 18 Grafik RAO Heave
Gerakan heave cenderung tinggi untuk semua arah heading, dimana puncaknya berada pada range 0.6 sampai 1.5.
Gambar 19. Grafik RAO Roll
Gerakan roll bernilai besar untuk arah beam seas (μ = 90°) dimana nilai puncaknya mencapai 3.09 deg/m. Dan gerakan roll bernilai nol untuk arah 0° dan 180°.
Gambar 20 Grafik RAO Pitch
Gambar 21. Grafik RAO Yaw
Selanjutnya, RAO motion, tipe spektra gelombang, kecepatan arus, kecepatan angin serta arah heading yang kita masukkan sebagai input pada pemodelan ORCAFLEX. Oleh software ORCAFLEX data input itu digunakan untuk melakukan simulasi respons motion dari FPSO Belanak yang kita modelkan.
Analisa menggunakan ORCAFLEX didapatkan hasil tension global riser porch maksimum akibat payload dan occurence adalah sebagai berikut.
Tabel 5 Tension Maksimum
End A
Total Force (kN) 260.63
End Tension (kN) -225.73
End Shear Force (kN) 130.28
Total Moment (kN.m) 72.68
End Bend Moment (kN.m) 72.68
Tabel 6 Komponen Gaya Tension Maksimum
Load Magnitude End Axes
Ex Ey Ez
Force
(kN) 260.63 9.41 128.99 -226.27 Hasil ini jika dibandingkan dengan analisa yang dilakukan oleh TECHNIP dengan bantuan software Flexcom maka nilai tension
maksimumnya memiliki nilai yang lebih besar. Laporan Technip menyebutkan bahwa nilai maksimum tension adalah sebesar 249.2 kN, sehingga terdapat perbedaan 0.05%.
Tension maximum untuk 17 riser porch akibat payload dan occurrence diberikan berikut ini.
Tabel 7 Tension maximum pada riser porch
4.3 Hasil Analisa Lokal
4.3.1 Hasil Analisa dengan ANSYS
Analisa lokal pada riser porch bertujuan untuk mendapatkan tegangan berupa von Mises stress akibat beban ekstrem yang mengenai struktur yang nantinya dibandingkan dengan tegangan ultimate struktur pada saat terjadi plastis area. Kondisi ultimated ini didefenisikan sebagai hilangnya kekuatan struktur dalam menahan beban yang terjadi. Dalam hal ini beban ekstrem yang digunakan adalah beban gelombang ekstrem 100 tahunan pada kondisi storm surge.Untuk mendapatkan tegangan von Mises pada riser porch, beban yang bekerja pada struktur di aplikasikan pada pembebanan ke arah x, y, dan z yang didapatkan dari analisa global. Beban yang digunakan terhadap arah z berupa beban pressure, sehingga tension yang didapatkan dari analisa global terlebih dahulu diubah kedalam bentuk pressure yang dibagi dengan luas area (A).
Table 8 Beban pressure pada riser porch
Analisa tegangan yang terjadi akibat pembebanan ekstrem di riser porch digambarkan sebagai berikut.
Gambar 22 von Mises stress R5
Gambar 23 von Mises stress R1
Gambar 24 von Mises stress R4
Gambar 25 von Mises stress R10 Dari analisa lokal yang telah dilakukan, dengan force arah x,y dan pressure arah z didapatkan tegangan von Mises untuk masing-masing riser porch yang dirangkum dalam table berikut.
Hasil dari analisa tegangan lokal dengan ANSYS 11 menjelaskan bahwa struktur masih berada pada kondisi elastic, sebab tegangan lokal diatas masih jauh dengan nilai ultimate strength. Sehingga dalam analisa tugas akhir ini, untuk mendapatkan keandalan struktur pada saat terjadi plastis area, beban yang mengenai struktur perlu di increment hingga mencapai nilai ultimate strengthnya. Dalam code API RD 2RD (Design of Risers for Floating Production Systems (FPSs) and Tension-Leg Platforms (TLPs)), beban dapat ditingkatkan 20,50,hingga 100 % untuk deformasi plastisnya.
Table 10 Ratio von Mises terhadap σy dan σult
4.4 Analisa Keandalan riser porch
Untuk mengetahui besarnya nilai keandalan pada struktur riser porch, perlu ditetapkan safety margin terlebih dahulu, dalam hal ini moda yang menyebabkan struktur gagal adalah:
MK=
Dalam hal ini perlu ditetapkan parameter yang dijadikan sebagai variable acak, diantaranya P,t, dan υ.
4.4.1 Keandalan riser porch #1 (R1)
Dari variable acak yang telah ditentukan didapatkan distibusi sebagai berikut:
Table 11 Distribusi variable acak R1
Dari parameter diatas, didapatkan variable random yang akan digunakan pada moda kegagalan. Untuk mendapatkan nilai keandalan struktur, simulasi dilakukan sampai 1000 kali.
Table 12 Keandalan riser porch #1 (R1)
Increment
(%)
Keandalan
Indeks
Keandalan
0
0.9993
3.19
20
0.9979
2.86
50
0.9920
2.41
80
0.9796
2.04
100
0.9630
1.78
Gambar 26 Grafik keandalan riser porch#1
4.4.1 Keandalan riser porch #7 (R7)
Dari variable acak yang telah ditentukan didapatkan distibusi sebagai berikut:
Table 13 Distribusi variable acak R7
Dengan simulasi Monte Carlo dengan 1000 iterasi didapatkan nilai keandalan berikut.
Table 14 Keandalan riser porch#7 (R7)
Gambar 27 Grafik keandalan riser porch#7
4.4.1 Keandalan riser porch #5 (R5)
Dari variable acak yang telah ditentukan didapatkan distibusi sebagai berikut:
Table 15 Distribusi variable acak R5
Dari parameter diatas, didapatkan variable random yang akan digunakan pada moda kegagalan. Untuk mendapatkan nilai keandalan struktur, simulasi dilakukan sampai 1000 kali.
Table 16 Keandalan riser porch #5 (R5)
Increment
(%)
Keandalan
Indeks
Keandalan
0
0.9990
3.09
20
0.9970
2.75
50
0.9854
2.18
80
0.9669
1.83
100
0.9529
1.67
Gambar 28 Grafik keandalan riser porch#5
5. KESIMPULAN 5.1. Kesimpulan
Dari pemaparan analisa keandalan flexible riser porch terhadap beban ekstrem diatas, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Analisa
global
akibat
beban
lingkungan yang bekerja pada FPSO
Belanak memberikan gaya tarik
(tension) maksimum pada daerah
interface flexible riser porch sebesar
260.63 kN. Tension maksimum ini
terjadi pada riser porch 5 (R#5)
pada arah 45° dari arah utara yang
sebenarnya (true north).
2. Hasil analisa tegangan lokal pada
R#5 akibat tension maksimum
memberikan
tegangan
lokal
maksimum 530 MPa. Nilai ini
melebihi
ultimate
strength-nya,
yaitu sebesar 499 MPa.
3. Hasil analisa lokal terhadap semua
riser porch menunjukkan bahwa
tidak semua riser porch mengalami
deformasi
plastis.
Sehingga
dilakukan penambahan beban pada
riser
porch
sampai
mencapai
kondisi yang plastis. Penambahan
beban yang dilakukan bervariasi,
yaitu 20%,50%,80%, dan 100%.
Increment(%)
Keandalan
Indeks
Keandalan
0
1
4.42
20
1
4.42
50
0.9994
3.24
80
0.9970
2.75
100
0.9935
2.49
4. Dari semua riser porch yang
diopesikan di FPSO Belanak, R#5
adalah struktur dengan keandalan
yang terendah. Keandalan R#5
akibat beban ekstrem awalnya
adalah
0.999
dengan
indeks
keandalan 3.09. Pada penambahan
beban 100% dari beban awalnya,
keandalannya
menjadi
0.9529
dengan indeks keandalan 1.67.
Keandalan struktur akibat beban
ekstrem ini cenderung turun jika
besar beban dinaikkan.
5. Berdasarkan kriteria Yield stress dan
Ultimate strength-nya, riser porch
yang kritis mengalami kegagalan
akibat beban ekstrem adalah R#1,
R#2, R#5, R#8, R#9, R#12 , R#15,
dan R#16, dengan Probability of
Failure (PoF) lebih besar 0.1%. Hal
ini mengacu dari code “DnV OS
F201 Dynamic Riser” bahwasanya
PoF tidak boleh melebihi 0.1%.
5.2. Saran
Ada beberapa hal yang dapat dilanjutkan dari penelitian kali ini, yaitu
1. Perlu dilakukan analisa yang lebih
complex
lagi
dengan
memperhatikan internal pressure
yang terjadi pada flexible riser.
2. Pemodelan yang dilakukan pada
analisa global hanya berupa hull
FPSO saja sedangkan pengaruh
peralatan diatas deck FPSO tidak
diperhitungkan, sehingga diperlukan
analisa
lebih
lanjut
terhadap
pembebanan tersebut.
3. Beban ekstrem yang terjadi perlu
lebih divariasikan lagi dengan beban
seismic dan beban yang terjadi pada
kondisi accidental.
DAFTAR PUSTAKA
Yong Bai.2001. Pipeline and Risers.Elsevier book series vol 3.Oxford : Elsevier American Bureau of Shipping, 2003 Fatigue
Assessment of Offshore Structures, New York.
AmericanPetroleum Institute.2001.Recomended Practice for Planing Riser.API RP 2RD.Washington:API Publising Service AmericanPetroleum Institute.2001.Recomended
Practice for Flexible Pipe.API RP 17B.Washington:API Publising Service American Petoleum Institute.1997.Specification
for Unbonded Flexible Pipe.API 17J.Washington:API Publising Service Broek, David.1987. Elementary Engineering
Fracture Mechanics.Martinus Nijhoff Publishers.Netherlands.
Boet,W. and J.M.M.Out,.(1990). Analysis of a Flexible Riser Top Connection with Bend Restrictor. Offshore Technology Conference,Houston
Chakrabarti S.K,2005,Offshore Structure
Analysis.Handbook of Offshore
Engineering vol 2.Oxford:Elsevier Det Norske Veritas.2001.Dynamic Riser.DNV
OS-F101.Oslo Norway:DNV
Det Norske Veritas.2001.Dynamic Riser.DNV OS-F201.Oslo Norway:DNV
Dawson, T.H..(1983). Offshore Structural Engineering. Prentice Hall ,Inc., New Jersey.
Howell,H.(1995). Advance in Steel Catenary Riser Design. 2H Offshore Engineering Limited Woking, Surrey, UK
Moses,J. and Simic,RM.,(1995). Flexible Riser
System. Continental EMSCO
Company.,Houston.
Nowak, A. and Collins, KR., 2000, “Reliability Of Structures”, USA.
Prashida, Roro. (2005).Analisa Umur Kelelahan Tubular Joint tipe T yang Memiliki Retak Semi Elliptical pada Chord dengan Metode Linear Elastic fracture Mechanics.Tugas Akhir:Jurusan Teknik Kelautan
Purnomo.(2006). Pengaruh Riser Terhadap Tegangan Pada Tendon Porch Akibat Gerakan Tension Leg Platform (TLP). Tugas Akhir. Jurusan Teknik Kelautan Rosyid, D.M.(1996). Perancangan Struktur
Anjungan Lepas Pantai Filosofi, Prosedur, Model Analisis, ITS, Surabaya. Rosyid, D.M.2007. Pengantar Rekayasa
Keandalan , Airlangga University Press ,Surabaya.
Soegiono.2007.Pipa Laut.Surabaya:Airlangga University Press
Sutomo,J. (1997). Diktat Mata kuliah Kelelahan dan Kepecahan, Jurusan Teknik Kelautan ITS, Surabaya.
Sarpkaya, T.(1981). Mechanics of Forces on Offshore Structures. Litton Educational publishing, Inc. USA.
SSC-351 Ship Structure Committee, 1990, “An Introduction To Structural Reliability Theory”, Washington, USA
Yong Bai.2001. Subsea Pipeline and Risers.Elsevier book series vol 3.Oxford : Elsevier
