1. Ir. Imam Rochani, M.Sc.

Sidang Tugas Akhir (P3)Surabaya, 7 Agustus 2014

PERANCANGAN RISER DAN EXPANSION SPOOLPIPA BAWAH LAUT: STUDI KASUS KILO FIELD PT.PERTAMINA HULU ENERGI OFFSHORE NORTHWESTJAVAOleh:

Hidayat Wusta Lesmana (4310100028)

2. Ir. Handayanu, M.Sc., Ph.D.

Dosen Pembimbing:

JURUSAN TEKNIK KELAUTANFAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTANINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

2014

• Pendahuluan• Metodologi Penelitian• Analisis & Pembahasan• Kesimpulan & Saran

Daftar isi:

PENDAHULUAN

LATAR BELAKANG

RUMUSAN MASALAH

TUJUAN

MANFAAT

BATASAN MASALAH

Oil & gas need

LATAR BELAKANG

Pipeline

leakage

Redesign

KILO FIELD

Berapa schedule yang sesuai dengan hasil perhitungan tebalpipa, riser, dan expansion spool ?

Berapa panjang spool yang dibutuhkan untuk mengakomodasi

ekspansi yang terjadi?

Apakah hasil pemodelan riser dan pipeline expansion spool dengan perangkat lunak autopipe sudahmemenuhi batas keamanan berdasarkan teganganekuivalen yang terjadi?

Mengetahui schedule yang sesuai dengan hasil perhitungantebal pipa, riser, dan expansion spool

Mengetahui panjang spool yang dibutuhkan untuk

mengakomodasi ekspansi yang terjadi

Mengetahui Apakah hasil pemodelan riser dan pipeline expansion spool dengan perangkat lunak autopipe sudahmemenuhi batas keamanan berdasarkan teganganekuivalen yang terjadi

MANFAATDapat diketahui bagaimana pemodelan riser dan

pipeline spool expansion yang aman denganmengetahui besar kombinasi tegangan danregangan yang bekerja, serta mengetahuiperhitungan property yang dibutuhkan untuk tahapdesain seperti tebal yang dipilih berdasarkan hasilperhitungan dan schedule, tebal lapisan beton untukmenjaga stabilitas di dasar laut, panjang bentanganbebas, dan panjang ekspansi termal yang terjadi

• 1. Studi kasus yang dipakai adalah proyek milik Pertamina Hulu Energi

Offshore North West Java, KILO field, pipeline dan riser dari platform KC-KA

• 2. Perhitungan yang dilakukan dalam perancangan adalah perhitungan tebal pipa,

ekspansi termal, stabilitas pipa di bawah laut, dan panjang bentang bebas pipa.

• 3. Perhitungan panjang bentang bebas pipa hanya pada sampai tahap screening

fatigue criteria.

• 4. Perhitungan cathodic protection dan pipeline crossing diabaikan.

• 5. Kode yang dipakai untuk perhitungan tebal pipa dan riser adalah ASME B

31.8 dan API RP 1111.

BATASAN MASALAH

•6.Kode yang dipakai untuk perhitungan stabilitas pipa di bawah air

adalah DNV RP F-109.

•7.Kode yang dipakai untuk perhitungan bentangan bebas pada pipa

dan riser adalah DNV RP F-105.

•8.Kondisi yang dipakai adalah kondisi operasi.

•9.Perangkat lunak yang digunakan untuk desain riser dan pipeline

spool expansion adalah autopipe.

•10.Kondisi tanah pada pemodelan diasumsikan rata dan datar.

•11.Keamanan dan kegagalan model ditinjau berdasarkan tegangan

ekuivalen.

Batasan masalah (lanjutan)

Metodologi Penelitian

Diagram Alir Penelitian (Umum) Mulai

Studi Literatur

Pengumpulan data pipeline, data lingkungan, dan data

operasi

Perhitungan wall thickness pipeline dan riser

Perhitungan expansion thermal

Perhitungan Free span pipeline & riser

Perhitungan on bottom stability

A

Diagram Alir Penelitian (Umum)lanjutan

Check TeganganEkuivalen

(Memenuhi kriteria)

A

Pemodelan pipeline, expansion spool, dan riser dengan autopipe

Selesai

Tidak

ya

Input properties pipa yang telah dihitung

(wall thickness dan thermal expansion ) ke

dalam autopipe

Mengganti wall

thickness

Mulai

Selesai

Memilih tebal pipa pada schedule berdasarkan diameter luar

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalanakibat pressure containment

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalan akibat tekanan eksternal

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalan akibat propagation buckling

Menghitung tebal pipa berdasarkan kegagalan akibatkombinasi bending dan tekanan eksternal

Menghitung tebal pipa nominal dan mencocokkandengan tebal pipa yang telah dipilih sebelumnya

Diagram Alir Perhitunganwall thickness

Diagram Alir Perhitunganthermal expansion

Mulai

Pengumpulan data pipeline, data lingkungan, dan data

operasi

Perhitungan axial force (berbasis regangan)

Perhitungan frictional strain

Perhitungan pipeline expansion thermal dananchor length

Selesai

Diagram Alir Perhitunganon bottom stability

Mulai

Selesai

Input data pipa dan lingkungan

Penentuan Teori Gelombang

Perhitungan Kecepatan Arus

Perhitungan KoefisiensiHidrodinamika

Perhitungan Koefisiensi GesekTanah

Perhitungan berat terendam pipa danberat minimal terendam pipa

Analisis Stabilitas Vertikal danLateral

Diagram Alir Perhitunganfree span pipeline & riser Mulai

Penentuan TeoriGelombang

Perhitungan Soil Stiffness

Perhitungan Length Effective

Selesai

Perhitungan Properti Pipa

Analisis & Pembahasan

Parameters Units 8” KC-KA 3 Phase Pipeline

Design Pressure Psig 950 (6.2 MPa)

Max. Operating Pressure Psig 164 (1.13 MPa)

Hydrotest Pressure Psig 1330 (9.2 MPa)

Mechanical Design Temperatur (Metal)(1)

0F 200 (93.3 0C)

Operating Temperature 0F 109 (42.78 0C)

Density of Content kg/m3 37.32

Parameters Units 8” KC-KA 3 Phase Pipeline

Outer Diameter mm 219

Material - API 5L Grade X52MO or X52QO PSL2 CS

Seam Type - SMLS, SAWL or HFW

SMYS MPa 360.0 (52.20 ksi)

SMTS MPa 460.0 (66.70 ksi)

Young Modulus MPa 2.07 x 105 (30022.9 ksi)

Poison Ratio - 0.3

Density kg/m3 7850

Coefficient of Thermal Expansion /oC 1.1 x 10-5

Services - 3-Phase

Pipeline Data

Environmental Data

Item Unit ValueMinimum Water Depth m 28.96Maximum Water Depth m 29.87

Item Units Return Period1-Year 100-Year

Storm Tide (Surge) m 0.152 0.244Highest Astronomical Tide

(HAT) m 1.158

Return PeriodMaximum Wave Height Significant Wave Height1)

Height (m) Period (sec) Height (m) Period (sec)1-year 5.09 7.10 2.74 5.42

100-years 8.63 9.40 4.64 7.18

Parameter Units ValueSoil Type1) - Very Soft ClayUndrained Shear Strength1) kPa 2.0 – 5.0Angle Friction 1) Deg 0.0Submerged Weight2) kg/m3 815.7

Percent of Depth (%)Current Speed (m/sec)

1-year 100-years

0 0.914 1.21910 0.853 1.12820 0.792 1.03630 0.732 0.97540 0.671 0.88450 0.610 0.79260 0.549 0.73270 0.488 0.67180 0.427 0.61090 0.366 0.518

100 0.244 0.305

Environmental Data

Environmental Data

No Temperature Length RemarkoC M

1 42.66 0 At LauncherPoint

2 42.51 03 42.49 54 42.47 95 39.65 246 37.34 38 Pipeline Start7 29.32 1388 27.30 2389 26.80 338

10 26.69 43811 26.67 53812 26.66 63813 26.66 73814 26.66 838 Pipeline End15 26.66 87816 26.53 89317 26.42 90818 26.39 91319 26.37 917 At Receiver Point

Wall Thickness

PIPELINE(ZONE 1)

(mm)

RISER & SPOOL(ZONE 2)

(mm)Hydrotest Operating Hydrotest Operating

Required Thickness:

- Internal Pressure Containment 3.13 2.67 3.13 3.84- Hydrostatic Collapse 2.30 2.30- Buckling Propagation 3.62 3.62- Buckling akibat kombinasibending and tekanan eksternal 3.23 3.23

Allowance:

- Corrosion Allowance 0.0 3.0 0.0 3.0- Mill Tolerance 1.23 1.42- Construction Allowance 0.80 0.80Minimum Required Wall Thickness

6.21 7.70 6.21 9.06

Location/SectionRequired Wall

Thickness(mm)

Selected API 5L(mm) (in.)

Subsea Pipeline 7.70 8.2 mm (0.322”)

Vertical Riser & Expansion Spool 9.06 9.5 mm (0.375”)

Hasil Perhitungan Wall Thickness

Based on API RP 1111

Based on schedule API 5 L

Hasil Perhitungan Expansion Thermal

KondisiOD

(mm)WT

(mm)

Temperature(oC)

Expansion(mm)

Anchor Length(m)

Inlet Outlet Ambient At KC (Hot End)

At KA (Cold End)

At KC (Hot End)

At KA (Cold End)

Operasi 219 8.2 37.34 26.67 15.00 77 67 401 401

Nomograf untuk

menentukan panjang spool

OD Expansion H

8” 77mm (3.03”) 33 ft

(10.05 m)

Untuk menyesuaikan dengan

panjang pipa di pasaran, maka

dipilih panjang bending spool

= 12 m

Hasil Perhitungan On Bottom Stability

Tebal concrete coating FD (N/m) FL (N/m) FI (N/m) SFV SFL

30 mm 47.87 29.92 0.12 1.654 1.56

Hasil Perhitungan Free Span

L (m)

Leff (m)Fundamental Natural

Frequency (Hz)

Screening Fatigue

Criteria

In-Line Cross-Flow In-Line Cross-Flow In-Line Cross-Flow

10.67 15.910 15.324 1.87E+00 1.97E+00 lolos lolos

8.38 13.642 13.047 2.32E+00 2.47E+00 lolos lolos

14.48 19.704 19.116 1.41E+00 1.47E+00 lolos lolos

9.59 14.837 14.249 2.06E+00 2.18E+00 lolos lolos

13.41 18.639 18.052 1.52E+00 1.58E+00 lolos lolos

10.72 15.960 15.374 1.86E+00 1.96E+00 lolos lolos

Riser Span

KC

KA

Hasil Perhitungan Free Span

L (m)

Leff (m)Fundamental Natural

Frequency (Hz)Screening Fatigue Criteria

In-Line Cross-Flow In-Line Cross-Flow In-Line Cross-Flow

8 13.287 12.671 2.41E+00 2.58E+00 lolos lolos

7 12.426 11.717 2.65E+00 2.90E+00 lolos lolos

12 17.234 16.649 1.68E+00 1.76E+00 lolos lolos

13 18.231 17.645 1.56E+00 1.63E+00 lolos lolos

6 11.547 10.853 2.96E+00 3.26E+00 lolos lolos

13 18.231 17.645 1.56E+00 1.63E+00 lolos lolos

11 16.239 15.653 1.82E+00 1.91E+00 lolos lolos

5 10.655 9.969 3.35E+00 3.72E+00 lolos lolos

7 12.426 11.717 2.65E+00 2.90E+00 lolos lolos

8 13.287 12.671 2.41E+00 2.58E+00 lolos lolos

6 11.547 10.853 2.96E+00 3.26E+00 lolos lolos

8 13.287 12.671 2.41E+00 2.58E+00 lolos lolos

Pipeline span

9 14.253 13.662 2.18E+00 2.31E+00 lolos lolos

5 10.655 9.969 3.35E+00 3.72E+00 lolos lolos

12 17.234 16.649 1.68E+00 1.76E+00 lolos lolos

7 12.426 11.717 2.65E+00 2.90E+00 lolos lolos

5 10.655 9.969 3.35E+00 3.72E+00 lolos lolos

13 18.231 17.645 1.56E+00 1.63E+00 lolos lolos

6 11.547 10.853 2.96E+00 3.26E+00 lolos lolos

11 16.239 15.653 1.82E+00 1.91E+00 lolos lolos

8 13.287 12.671 2.41E+00 2.58E+00 lolos lolos

9 14.253 13.662 2.18E+00 2.31E+00 lolos lolos

12 17.234 16.649 1.68E+00 1.76E+00 lolos lolos

6 11.547 10.853 2.96E+00 3.26E+00 lolos lolos

8 13.287 12.671 2.41E+00 2.58E+00 lolos lolos

13 18.231 17.645 1.56E+00 1.63E+00 lolos lolos

8 13.287 12.671 2.41E+00 2.58E+00 lolos lolos

L (m)

Leff (m)Fundamental Natural

Frequency (Hz)Screening Fatigue

CriteriaIn-Line Cross-Flow In-Line Cross-Flow In-Line Cross-Flow

Hasil Perhitungan Free Span

Lanjutan

Hasil Pemodelan

Hasil Pemodelan

Joint NameDisplacement (mm)

dx dy dz

BND3 -252.27 -0.27 -151.23

PS4 -147.94 0.00 -91.04

PS3 -70.61 0.00 -46.27

PS2 -24.55 0.00 -17.54

PS1 -0.02 0.00 0.15

BND2 10.89 -3.59 8.74

BND1 7.30 -21.82 22.66

RCL2 -0.88 -17.42 4.48

RCL1 1.72 -7.19 -0.65

HCGL 0.00 0.00 0.00

Joint

name

Stress

(N/mm2)

Allowable stress

(N/mm2)

Ratio

BND3 148.65 322.67 0.46

PS4 85.05 322.67 0.26

PS3 116.64 322.67 0.36

PS2 98.58 322.67 0.31

PS1 130.78 322.67 0.41

BND2 84.80 322.67 0.26

BND1 90.18 322.67 0.28

RCL2 84.01 322.67 0.26

RCL1 67.14 322.67 0.21

HCGL 71.71 322.67 0.22

Hasil Pemodelan

Joint NameDisplacement (mm)

dx dy dz

BND4 285.21 -13.94 91.22

A82 239.48 -11.16 62.12

A84 29.02 -4.86 -73.64

BND6 21.09 -3.06 -79.61

A85 1.98 -34.44 2.94

BND7 8.43 -115.25 6.41

RCL3 2.00 -109.85 2.00

RCL4 -2.00 -102.54 -2.00

RCL5 1.58 -95.18 -1.96

RCL6 2.00 -85.53 -1.90

Hasil Pemodelan

Joint

name

Stress

(N/mm2)

Allowable stress

(N/mm2)

Ratio

BND4 543.47 322.67 1.69

A82 224.65 322.67 0.70

A84 194.81 322.67 0.60

BND6 330.49 322.67 1.02

A85 172.73 322.67 0.54

BND7 381.94 322.67 1.18

RCL3 109.13 322.67 0.34

RCL4 75.52 322.67 0.23

RCL5 73.13 322.67 0.23

RCL6 69.62 322.67 0.22

Hasil Pemodelan

Wall thickness sebelum

redesign (mm)

Wall thickness setelah

redesign (mm)

riser spool Pipeline riser spool Pipeline

9.4 9.4 8.2 12.7 14.3 12.7

Joint NameDisplacement (mm)

dx dy dz

BND4 283.45 -17.03 86.81

A82 244.92 -14.49 62.07

A84 32.47 -6.33 -74.62

BND6 20.19 -3.46 -83.96

A85 0.82 -49.42 -1.40

BND7 4.99 -131.45 9.25

RCL3 2.00 -126.16 2.00

RCL4 -2.00 -119.01 -1.90

RCL5 2.00 -111.83 -0.12

RCL6 2.00 -102.19 2.00

Hasil Pemodelan (redesign)

Hasil Pemodelan (redesign)

Joint

name

Stress

(N/mm2)

Allowable stress

(N/mm2)

Ratio

BND4 281.25 322.67 0.87

A82 154.24 322.67 0.48

A84 164.68 322.67 0.51

BND6 196.78 322.67 0.61

A85 118.05 322.67 0.37

BND7 217.86 322.67 0.68

RCL3 85.81 322.67 0.27

RCL4 51.83 322.67 0.16

RCL5 49.38 322.67 0.15

RCL6 46.17 322.67 0.14

1.Melalui perhitungan manual didapat tebal pipa minimal yang diperlukan sebesar 7.70 mm untuk pipeline dan 9.04 untuk spool danriser. Tetapi, setelah dicocokkan pada schedule yang dipakai yaitu API 5L tidak terdapat tebal pipa yang sesuai dengan perhitunganmanual. Oleh karena itu, dipilih tebal pipa berdasarkan schedule yang juga memenuhi kualifikasi dari perhitungan manual.Sehingga, dipilih tebal nominal pipa berdasarkan schedule sebesar 8.20 mm untuk pipeline dan 9.40 mm untuk riser dan spool.

2.Panjang spool minimal yang dibutuhkan untuk mengakomodasi ekspansi yang terjadi adalah 10.05 m. Panjang ini didapat denganmencocokkan ekspansi yang terjadi dengan outer diameter pada nomograf. Karena panjang yang didapat kurang dari 12 m, makadipilih panjang spool 12 m. Hal ini dilakukan untuk mempermudah dalam pelaksanaan di lapangan, karena panjang selonjor pipayang terdapat di lapangan adalah 6 m dan 12 m.

3.Pemodelan riser, spool, dan pipeline pada autopipe dengan input wall thickness dan expansion thermal berdasarkan hasilperhitungan manual mengalami kegagalan karena terdapat beberapa member pada riser dan spool yang overstress. Setelahdilakukan redesign dengan mengganti tebal riser, spool, dan pipeline sesuai schedule yang lebih tebal, maka tidak didapatkankegagalan pada model.

kesimpulan:

1. Perhitungan cathodic protection perlu dilakukan, karena merupakan salah satu tahap yang harus dilakukan dalam desain riser, spool, dan pipeline.

2. Perlu dilakukan analisis lebih lanjut dengan memperhitungkan pipeline crossing yang terjadi pada pipeline KA.

3. Perlu dilakukan perhitungan pada pipeline support untuk pipa yang mengalami crossing pada pipeline KA.

4. Selain perhitungan untuk kondisi operasi perlu dilakukan perhitungan lebih lanjut untuk kondisi instalasi dan hydrotest

5. Analisis fatigue perlu dilanjutkan sampai dengan tahap FLS dan ULS. 6. Pemodelan pada autopipe perlu mempertimbangkan data span actual yang ada.

Saran: