keandalan flexible riser porch terhadap...

Jurnal Tugas Akhir

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 5x108 Pa. 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

Jurnal Tugas Akhir

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.

Jurnal Tugas Akhir

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

jeFCBAM iwt

j

n

kjkkjkkjkjk (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

x

ζ

y ζ

z ζ

ζ

ζ

Jurnal Tugas Akhir

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 :

iii

N

i

iwvwv aFtF cos1

11 (2) 2.1)

dimana :

tFwv

1 = gaya gelombang first order

tergantung waktu 1

wvF = gaya exciting gelombang first

order per unit amplitudo

gelombang tergantung waktu

i = sudut fase komponen gelombang

first order

ia = amplitudo komponen gelombang

first order dS2

S = fungsi kepadatan spektra gelombang

Gaya gelombang second order :

)()(cos11

1

jiji

N

j

ijji

N

i

wv tDaatF (3) ..........................(2.2)

dimana :

ijD = drift force per unit amplitudo gelombang

2.3.2 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 :

xVxVxACtF CCaSaWD

2

1 (4) ...............................................(2.3)

dimana:

Fw = gaya angin (N)

CS = koefisien bentuk

a = massa jenis udara (kg/ m3)

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

yVV

1010 (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)

Jurnal Tugas Akhir

y : jarak dari dasar laut (meter)

h : kedalaman laut (meter)

Gaya arus yang bekerja pada struktur dapat

dirumuskan sebagai berikut :

Fcx = Ccx S V2c (8)

Fcy = Ccy S V2

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 Nsec

2/m

4)

Ccy : Koefisient gaya arus pada bow

= 0.4 lb/ft2 (72.37 Nsec

2/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 :

pXRAO (11)

Dimana :

pX = 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 :

SRAOSR

2 (10)

Dimana :

RS = spektrum respons (m

2-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 :

σh = hoop stress akibat internal

pressure, psi

Pi = internal pressure pipa, psi

Po = 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 = υσh – EάΔT (12)

dimana: υ = poisson ratio

E = modulus elasticity(N/mm2)

ά = coef termal expansion

T1 = outlet temperature (°C)

T2 = inlet temperature (°C)

Jurnal Tugas Akhir

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



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 :

Jurnal Tugas Akhir

(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

ClassH 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, 22.5

0,

450, 67.5

0, 90

0, 112.5

0, 135

0, 157.5

0, 180

0 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.

Jurnal Tugas Akhir

Gambar 9 hang off layout

Sebagai input data, kita masukkan data 00,

22.50, 45

0, 67.5

0, 90

0, 112.5

0, 135

0, 157.5

0, 180

0

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.

Jurnal Tugas Akhir

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 PEMBAHASAN

4.1. 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.

lnln)(1

1lnln x

HP (20)

Table 2 Perhitungan nilai untuk distribusi weibull

Gambar 15 Grafik distibusi weibull

Persamaan trend line 8956,01026,1 xy

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)(

jamharitahunT

jamTHHPHP

LT

badaiLTLT

(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/H100

1 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

Jurnal Tugas Akhir

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, 22.5

0, 45

0, 67.5

0,

900, 112.5

0, 135

0, 157.5

0, 180

0 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°.

Jurnal Tugas Akhir

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).

Jurnal Tugas Akhir

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




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.

Table 9 von Mises stress pada riser porch

Jurnal Tugas Akhir

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




Dengan simulasi Monte Carlo dengan 1000

iterasi didapatkan nilai keandalan berikut.

Jurnal Tugas Akhir

Table 14 Keandalan riser porch#7 (R7)





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


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

Jurnal Tugas Akhir

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

Jurnal Tugas Akhir

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

keandalan flexible riser porch terhadap...

Documents