studi keandalan freespan pada pipa bawah laut … filefreespan terjadi karena tidak meratanya kontur...

STUDI KEANDALAN FREESPAN PADA

PIPA BAWAH LAUT DENGAN ADANYA

FENOMENAVORTEX INDUCED

VIBRATION (VIV)

OLEH :

DESSY NUGRA PURNAMASARI

4306100041

JURUSAN TEKNIK KELAUTAN

FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN

ITS SURABAYA

2010

PRESENTATION CONTENT

�Latar Belakang Masalah�Perumusan Masalah�Tujuan Penelitian�Manfaat�Batasan Masalah�Metodologi�Analisa Data

Daftar Pustaka

Penutup

LATAR BELAKANG MASALAH

� Freespan pada pipa bawah laut merupakan bentangan yang terjadi pada

pipa bawah laut. Freespan terjadi karena tidak meratanya kontur dasar laut,

atau bisa juga terjadi saat operasi yang disebabkan oleh scouring maupun

pergerakan horizontal pipa.

� VIV memberikan dampak yang cukup besar dan dapat menyebabkan

kekuatan struktur menjadi lemah secara signifikan dalam waktu yang relatif

singkat. Akibatnya struktur tidak mampu menahan beban-beban yang ada

sehingga terjadi kerusakan yang akhirnya akan menyebabkan fatigue.

� Dalam menganalisa suatu keandalan, dibutuhkan suatu bentuk moda

kegagalan. Kegagalan pada freespan ketika terjadi vortex induced vibration

(VIV) diakibatkan adanya tegangan longitudinal. Metode yang digunakan

dalam menganalisa keandalan adalah metode simulasi Monte Carlo

PERUMUSAN MASALAH

1) Berapakah keandalan freespan pipa bawah laut di

Perairan Natuna milik Conoco Phillips akibat adanya

tegangan dinamis ketika terjadi fenomena vortex

induced vibration (VIV)?

TUJUAN PENELITIAN

1)Tujuan yang hendak dicapai adalah

keandalan freespanpipa bawah laut ketika

terjadi vortex induced vibration(VIV)

berdasarkan data yang telah didapat.

BATASAN MASALAH

� Perairan di sekitar freespan diasumsikan sebagai zat cair yang

inviscid danincompressible

� Kondisi arus dalam keadaan steady

� Material pipa bersifat homogen

� Kedalaman air konstan

� Aliran yang mengenai pipa adalah tegak lurus (90°)

� Muatan dalam pipa diabaikan

� Metode keandalan yang digunakan adala Monte Carlo

� Studi diarahkan pada keandalan freespan sebagai fungsi dari

panjang freespan

METODOLOGI

�Study literatur�Pengumpulan data�Analisa respon dinamis dan tegangan

freespan�Pemodelan respon dinamis�Menghitung indeks keandalan�Analisa�Kesimpulan

Mulai

Studi Literatur-Jurnal-Buku-Laporan Penelitian

Pengumpulan Datameliputi:1. Propertifreespan (diameter luar pipa, ketebalan pipa, dan panjang pipa)2. Periode gelombang3. Tinggi gelombang signifikan4. Kecepatan arus5. Kedalaman air

A

A

Pemodelan dengansoftwaremeliputi:1. Pemodelan struktur 2. Pemodelan beban dan aliran fluida (meliputi pemodelan VIV)

Analisa Respon dinamis pada freespanmeliputi:- displasemen dinamis (amplitude getaran)- frekuensi getaran pipa- gaya dan tegangan dinamis pada pipa

Menghitung keandalanfreespan

Hasil dari keandalanfreespan

Selesai

Pemodelan freespan pada software Orcaflex� Freespan yang terkena VIV dimodelkan dengan menggunakan software

Orcaflex, dengan input data sebagai berikut:

� diameter freespan

� kedalaman air

� arus

� gelombang

� panjangfreespan

X

Z3 mOrcaFlex 8.4a7: Operating MG 14m.sim (modified 7:08 PM on 6/14/2010 by OrcaFlex 8.4a7) (azimuth=270; elevation=0) Reset

XY

Z1 mOrcaFlex 8.4a7: Operating MG 14m.sim (modified 7:08 PM on 6/14/2010 by OrcaFlex 8.4a7) (azimuth=360; elevation=40) Time: 600.0000s

Y

Z1 mOrcaFlex 8.4a7: Operating MG 14m.sim (modified 7:08 PM on 6/14/2010 by OrcaFlex 8.4a7) (azimuth=360; elevation=0) Time: 600.0000s

Tampak dari atas

Tampak dari samping

Keandalan yang digunakan dalam Tugas Akhir menggunakan metode Simulasi Monte Carlo. Simulasi Monte Carlo dilakukan dengan menggunakan Microsoft Excel. Prosedur simulasi Monte Carlo dapatdijelaskan sebagai berikut:

� Moda Kegagalan

Kegagalan yang dianalisa dalam Tugas Akhir ini ada kegagalan akibat adanya tegangan dinamis pada pipa akibat adanya vortex induced vibration (VIV). Bentuk moda kegagalannya adalah:

� Variabel acak

Variabel acak yang menjadi input tersebut merupakan parameter yang ada pada moda kegagalan, yaitu besarnya tinggi gelombang (H), kecepatan arus (v), dan tekanan (P) yang terjadi didalam pipa.

� Menentukan distribusi data tinggi gelombang (H), kecepatan arus (v), dan tekanan (P) kemudian menentukan CDF (Cumulative Distribution Function).

( ) lyfMK ση −×=

� MenentukanRandom Number Generate (RNG), RNG biasanya adadalam CPU komputer sebagaibuilt-in computer program dalambagian ROM-nya.

� Masing-masing RNG ditransformasi menjadi random variabelmenggunakan CDF yang ditentukan sebelumnya.

� Uji perfoma sistem gagal atau tidak

� Masing-masing variabel acak dimasukkan kedalam moda kegagalan (MK) dan catat berapa banyak hasil yang gagal dan tidak. Biasanya dilakukan sampai 5000 sampai 10000 kali iterasi.

� Menghitungprobability failure of system

etelah dilakukan iterasi dan didapatkan jumlah hasil yang gagal dantidak, maka dapat diketahui keandalan darifreespan akibat adanyategangan dinamis yang terjadi.

Data Units Nilai

Nominal Outside Diameter (OD) mm 273,1

Wall Thickness ( WT ) mm 11,1

Corrosion Allowance ( CA ) mm 1

Anti Corrosion Coating (tcoat) mm 0.75

Concrete coating (tconc) mm 35

Marine Growth (tMG) mm 30

Seawater Density (ρsea) kg/m3 1025

Steel Density (ρsteel) kg/m3 7850

Concrete Density (ρconc) kg/m3 2240

Corrosion Coating Density (ρcoat) kg/m3 1400

Marine Growth Density (rMG) kg/m3 1400

Young's Modulus MPa 2.07E+05

DATA FREESPAN

DATA LINGKUNGAN

Data Units 1 Year Period 100 Year Period

Significance Wave Height m 1.2 2

Spectral Peak Period s 6 7.8

Maximum Wave Height m 2,3 3,8

Maximum Wave Period s 5,5 7,1

MaxNear Bottom Current Speed m/s 0,7 0,5

LAT (wrt MSL) -1,3 -1,3

HAT (wrt MSL) 1,3 1,3

Storm Surge m 0,2 0,3

Min. Water Depth m 94,8 92,3

Max. Water Depth m 100,3 100,4

Condensate Pipeline for Operating Condition (No Marine Growth)

Condensate Pipeline for Operating Condition (with Marine Growth)

363838383835Selected span length

PartiallyPartiallyFullyFullyPartiallyPartiallyRestraint Condition

36.,6535,597335,59721,05281,05270Kilometer Point (KP)

HydrotestCondition



36,6536,078236,07811,46981,46970Kilometer Point (KP)

Operation (no Marine Growth)Condition




Operation (with Marine Growth)Condition

Condensate Pipeline for Hydrotest Condition

Reynold Number

8,3E+048,3E+041,1E+05Reynold Number (Re)

NilaiNilaiNilai

Operation (with MG)

Operation (no MG)

HydrotestPerhitungan bilangan Reynold Number


NilaiNilaiNilai

Operation (with MG)

Operation (no MG)

HydrotestPerhitungan bilanganReynold Number


NilaiNilaiNilai

Operation (with MG)

Operation (no MG)

HydrotestPerhitunganbilangan Reynold

Number

V= 0,461 m/sdan v =

0,301 m/s

V= 0,561 m/sdan v =

0,401 m/s

V= 0,661 m/sdan v =

0,501 m/s

Reduced Velocity

Perhitungan Reduced Velocity (Vr) pada Kondisi Hydrotest

Hydrotest

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5 38 38.5

Selected Span Length

Red

uce

d V

elo

city v = 0.461 m/s inline flow

v = 0.461 m/s cross flow

v = 0.561 m/s inline flow




Reduced Velocity

Perhitungan Reduced Velocity (Vr) pada Kondisi Operasi (Tanpa Marine Growth)

Operasi tanpa MG

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5

Selected Span Length

Red

uce

d V

elo

city v = 0.301 m/s inline flow






Reduced Velocity

Perhitungan Reduced Velocity (Vr) pada Kondisi Operasi (Dengan Marine Growth)

Operasi dengan MG

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5

Selected Span Length (m)

Red

uce

d V

elo

city v = 0.301 m/s inline fow






Frekuensi Vortex Shedding

0,250,290,38frekuensi

vortex shedding (fs)

NilaiNilaiNilai

Operation (with MG)

Operation (no MG)

HydrotestPerhitunganfrekuensivortex shedding

Keulegan Carpenter

9,6611,3411,51Keulegan-Carpenter (Kc)

NilaiNilaiNilai

Operation (with MG)

Operation (no MG)

HydrotestPerhitungan Keulegan-Carpenter

Stability Parameter

0,590,620,65Parameter Kestabilan (Ks)

NilaiNilaiNilai

Operation (with MG)

Operation (no MG)

HydrotestPerhitungan bilangan Stability Parameter

Tegangan pada Freespan Akibat VIV

Perhitungan Tegangan Dinamis Freespan pada Kondisi Hydrotest

Perhitungan Tegangan Dinamis In Line Flow secara Manual

0.00E+00

1.00E+06

2.00E+06

3.00E+06

4.00E+06

5.00E+06

6.00E+06

34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5 38 38.5


Teg

angan

Din

amis

(M

Pa)

v=0.461 m/s

v=0.561 m/s

v=0.661 m/s

Perhitungan Tegangan Dinamis Cross Flow secara Manual

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

2.00E+07

2.50E+07

3.00E+07

3.50E+07

34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5 38 38.5

v= 0.461 m/s

v= 0.561 m/s

v= 0.661 m/s

Perhitungan Tegangan Dinamis Freespan pada Kondisi Operasi (Tanpa Marine Growth)



0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5


Teg

angan

Din

amis (MPa)

v = 0.301 m/s

v = 0.401 m/s

v = 0.501 m/s


0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5


Teg

angan

Din

amis (MPa)

v = 0.301 m/s

v = 0.401 m/s

v = 0.501 m/s


Perhitungan Tegangan Dinamis Freespan pada Kondisi Operasi (denganMarine Growth)


8.00E+06

8.25E+06

8.50E+06

8.75E+06

9.00E+06

9.25E+06

9.50E+06

9.75E+06

1.00E+07

13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5


Teg

angan

Din

amis (MPa)

v = 0.301 m/s

v = 0.401 m/s

v = 0.501 m/s


0.00E+001.00E+062.00E+063.00E+064.00E+065.00E+066.00E+067.00E+068.00E+069.00E+06

13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5


Teg

angan

Din

amis (MPa)

v = 0.301 m/s

v = 0.401 m/s

v = 0.501 m/s

Hasil Pemodelan pada Orcaflex

Hasil Pemodelan pada orcaflex berupa inline vortex force, transverse vortex force, dan amplitudo getaran.

Gambar 1. Grafik Inline Vortex Force FreespandenganPanjang 35 meter pada KondisiHydrotest

Gambar 2. Grafik Transverse Vortex Force Freespan

dengan Panjang 35 meter pada KondisiHydrotest

Nilai amplitudo didapatkan dari getaran pipa dengan variasi bilangan Reynold. Untuk tiap kondisi dan pada tiap selected span length didapatkan nilai amplitudo yang sama.

Amplitudo Pipa

Gambar 3. Amplitudo pada bilangan Reynold untuk kondisi hydrotest sebesar 1,1E+05 dan kondisi operasi sebesar 8,3E+04

saat cross flow

Gambar 4 Amplitudo pada bilangan Reynold untuk kondisi hydrotest sebesar 1,3E+05 dan kondisi operasi sebesar

9,20E+04 saat cross flow

Gambar 5. Amplitudo pada bilangan Reynold untuk kondisi hydrotest sebesar 1,5E+05 dan kondisi operasi sebesar

1,2E+05 saat cross flow


8,3E+04 saatinline flow


9,2E+04 saat inline flow


1,2E+05 saatinline flow

Menghitung Tegangan Freespan berdasarkan nilai vortex force

Perhitungan Tegangan Dinamis In Line Flow menggunakan Orcaflex

0.00E+00

1.00E+06

2.00E+06

3.00E+06

4.00E+06

5.00E+06

34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5 38 38.5

Selcted Span Length (m)

Teg

angan

(M

Pa)

v=0.461 m/s

v=0.561 m/s

v=0.661 m/s

Perhitungan Tegangan Dinamis Cross Flow menggunakan Orcaflex

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

2.00E+07

2.50E+07

3.00E+07

3.50E+07

34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5 38 38.5

v= 0.461 m/s

v= 0.561 m/s

v= 0.661 m/s

Perhitungan Tegangan Dinamis Freespan pada Kondisi Hydrotest

Perhitungan Tegangan Dinamis Freespan pada Kondisi Operasi (Tanpa Marine Growth)


0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5


Teg

angan

Din

amis

(M

Pa)

v= 0.301 m/s

v= 0.401 m/s

v = 0.501 m/s


0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5


Teg

angan

Din

amis

(M

Pa)

v = 0.301 m/s

v = 0.401 m/s

v = 0.501 m/s

Perhitungan Tegangan Dinamis Freespan pada Kondisi Operasi (Dengan Marine Growth)


0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5


Teg

angan

Din

amis

(M

Pa)

v = 0.301 m/s

v = 0.401 m/s

v = 0.501 m/s

Perhitungan Tegangan Dinamis Cross Flow menggunakan Orcaflex

0.00E+00

1.00E+06

2.00E+06

3.00E+06

4.00E+06

5.00E+06

6.00E+06

7.00E+06

8.00E+06

13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5


Teg

angan

Din

amis

(M

Pa)

v = 0.301 m/s

v = 0.401 m/s

v = 0.501 m/s

Perbandingan Tegangan Dinamis pada Freespan pada Perhitungan Manual dengan Software Orcaflex

Perhitungan peluang keandalan Freespanpada Kondisi Hydrotest

11,3%18,8%18,8%18,8%18,8%11,3%% error saat v = 0.661 m/s

17,1%11,7%11,7%11,7%11,7%17,1%% error saat v = 0.561m/s

15,1%14,9%14,9%14,9%14,9%15,1%% error saat v = 0.461m/s

353838383835Selected Span Length (m)

Partially

Partially

Fully

Fully

Partially

Partially

Restraint Condition


HydrotestKondisi

Perhitungan peluang keandalan Freespan pada KondisiOperasi (Tanpa Marine Growth)

17,7%19,1%19,1%18,2%18,2%17,7%

% error saat v = 0.501 m/s

17,2%12,6%12,6%14,2%14,2%14,7%


17,2%17,8%17,8%17,6%17,6%17,2%


171616151517


Partially

Partially

Fully

Fully

Partially

Partially

Restraint Condition

36,6536,078236,07811,46981,46970

Kilometer Point(KP)

Operation (without MG)Kondisi

� Moda kegagalan yang digunakan dalam analisis ini adalah sebagai berikut:

sehingga persamaan moda kegagalan menjadi:

Variabel acak dalam sistem ini adalah kondisi lingkungan yang terjadi di sekitar pipa yaitu tinggi gelombang dan kecepatan arus yang terjadi di Laut Natuna. Nilai dari tinggi gelombang dan kecepatan arus sangat mempengaruhi nilai Az/D pada respon cross flowdan pada respon inline flow mempengaruhi nilai Ay/D

Peluang Keandalan Freespan Akibat Tegangan Dinamis ketikaTerjadi vortex induced vibration (VIV)

( ) lyfMK ση −×=

( )

××××+

+

−+

−−×=

sILCFILSt

s

eeiieff

utempy

D

AA

A

ApApS

fSMYSMK

γψσαη

α ,/

,

2

1).(

� Selain itu keadaan pipa yang berupa tekanan juga menjadi variabel acak.

� Setelah diketahui jenis distribusi masing-masing data dari setiap variabel acak yang digunakan, langkahselanjutnya adalah menentukan persamaan dariCumulative Distribution Function (CDF) untuk setiapdistribusi data dari tiap variabel acak.

Tabel 4.69 Parameter Statistik

0,150,5WeibullKecepatan Arus

23,8WeibullTinggi Gelombang

1,2124,38NormalTekanan

Std DeviasiMeanDistribusiVariabel

� Simulasi Monte Carlodilakukan dengan menentukan Random Number Generated (RNG) yang biasanya ada dalam CPU komputer sebagai built-in computer programdalam bagian ROM-nya. Setelah RNG didapatkan, di-transformasikan ke dalam persamaan CDF yang telah ditentukan sebelumnya.

� Memasukkan harga dari masing-masing variabel acak tersebut ke dalam persamaan moda kegagalan yang telah ditentukan di awal dan disimulasikan.

� Hasilnya dicatat peluang sukses untuk tiap 1000 simulasi agar diketahui kapan simulasi mulai mencapai peluang kesuksesan yang stabil.

Keandalan Pada Tiap Kondisi

0.996

0.9965

0.997

0.9975

0.998

0.9985

10 15 20 25 30 35 40


Nilai

Kea

nd

alan

Hydrotest

Operasi Tanpa MG

Operasi dengan MG

Gambar 9. Grafik keandalan pada saat tiap kondisi

Dari Gambar 9 menunjukkan bahwa nilai keandalan akan semakin mengecilseiring dengan semakin panjangnya bentangan yang terjadi. Nilaikeandalan akan semakin besar apabilaselected span length yang terjadisemakin kecil. Pada keadaanhydrotest keandalan pada panjang bentangan38 m bernilai paling kecil yaitu 0,9963 sedangkan nilai keandalan yang paling besar pada saat kondisi operasi dengan marine growth denganpanjang bentangan 14 m yaitu 0,9982.

� KesimpulanDari penelitian yang dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut :1. Apabila peluang keandalan (Ps) < 1 dan (Ps) > 0 maka freespan andal terhadap VIV. Dari hasil analisa yang diperoleh peluang keandalan untuk semua selected span length bernilai lebih dari 0 dan kurang dari 1, antara 0,9963 hingga 0,9982 sehingga freespanandal terhadap VIV.

� Saran Saran untuk penelitian selanjutnya:1. Analisa dilakukan untuk kondisi arus yang steady padahal kenyataannya arus dalam kondisi unsteady. Diharapkan untuk analisa selanjutnya perlu dilakukan analisa VIV untuk kondisi arus unsteady.2. Analisa keandalan diharapkan menggunakan analisa keandalan yang lain3. Analisa menghitung tegangan pada freespan akibat adanya VIV untuk selanjutnya diharapkan menggunakan software lainnya.

Kesimpulan dan Saran

DAFTAR PUSTAKA

� Bai, Yong. 2001. Pipeline and Risers. Elsevier Ocean Engineering book Series. USA

� Choi, H.S.2001.”Free spanning analysis of Offshore Pipeline”. Ocean Engineering 28, 1325-1338.

� Chakrabarti, S.K. 1987. Hydrodinamics of Offshore Structures. CBI Industries, Inc. USA.

� DnV OS-F101 Submarine Pipeline Systems. 2000.

� DnV RP-F105 Free Spanning Pipelines.2002.

� Fredsoe, J. dan B.M. Sumer. 2006. Hydrodynamics Around Cylindrical Structures. World Scientific. USA.

� Guo, B. dan J. Chacko. 2005. Offshore Pipelines. Elsevier Ocean Engineering Book Series. USA.

� Indiyono, Paul. 2004. Hidrodinamika Bangunan Lepas Pantai. SIC. Surabaya.

� J.P, Kenny. 1993. Structural Analysis of Pipeline Spans. Health and Safety Executive. USA.

� Mathelin, E.L. 2005. “Vortex Induced Vibration and Waves Under Shear Flow with a Wake Oscillator Model”. European Journal of Mechanics B/Fluids 24, 478-490.

� Mouselli, A.H. 1981. Offshore Pipeline Design, Analyisis and Methods. PenWell Books. Oklahoma.

� Purwanti, Ilah. 2009. Analisa Pengaruh Vortex Induced Vibration (VIV) pada Freespan Pipa Bawah Laut Berbasis Keandalan. TugasAkhir Jurusan Teknik Kelautan. ITS Surabaya.

� Rosyid, D.M. 2007. Pengantar Rekayasa Keandalan. AirlanggaUniversity Press. Surabaya.

� Soegiono. 2004. Pipa Laut. Airlangga University Press, Surabaya.� Y. Goda, Random Seas and Design of Maritime Structures (World

Scientific Publishing Co., 2000), 443 pp.

TerimaTerimaTerimaTerima KasihKasihKasihKasih

studi keandalan freespan pada pipa bawah laut … filefreespan terjadi karena tidak meratanya kontur...

Documents