Studi Pengaruh Panjang Bentangan Bebas terhadap Tegangan Statis Free Span Pipa Bawah Laut

Nurman Firdaus¹, Yoyok Setyo Hadiwidodo² dan Hasan Ikhwani²

¹ Mahasiswa Jurusan Teknik Kelautan FTK-ITS, Surabaya

² Staf Pengajar Jurusan Teknik Kelautan FTK-ITS, Surabaya

  

ABSTRACT

Free span of subsea pipeline caused by loss of contact between the pipe segments of seabed. Free span of the pipeline will lead to buckling or failure in the subsea pipeline structure. In this study, free span analyzed for 17 spans. This span  is still below the limit of maximum span length. Stress is taken into account in this study hoop stress, longitudinal stress, and von mises stress. Stress calculations using internal pressure variation due to different pressures to determine the effect. stress is calculated based on the standard code ASME B31.4, 2002. The results of this study, variation spans  effect significant for the longitudinal stress and von mises stress. For hoop stress is not affected by the long free of span. Stresses imposed by the pipe, also contributed in generating stress-free span of pipeline.

  

Keywords—Free Span, Pipeline,  Stress

Korespondensi (Correspondence) : Nurman Firdaus, Jurusan Teknik Kelautan Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nompember (ITS) Surabaya, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111. E-mail : firdaus.norman.oe@gmail.com

PENDAHULUAN

Teknologi pendistribusian minyak dan gas semakin banyak dikembangkan di Indonesia, karena keperluan bahan bakar bagi masyarakat Indonesia semakin tinggi permintaannya. Ketergantungan manusia terhadap produk-produk migas yang tidak dapat dihentikan menyebabkan semakin intensifnya usaha pencarian dan eksplorasi migas di daerah lepas pantai dan laut dalam. Untuk memenuhi hal ini diperlukan adanya eksplorasi dan eksploitasi cadangan minyak dan gas bumi dalam jumlah besar. Maka dari itu, salah satu sistem transporatasi yang efektif untuk mendistribusikan minyak dan gas dari sumur dasar laut ke subsea platform ataupun ke penyimpanan minyak yang terdapat di darat adalah subsea pipeline.

Free span pada pipa bawah laut terjadi ketika kontak antara pipa dan seabed hilang dan memiliki jarak pada permukaan seabed (Guo, 2005). Free span atau bentangan bebas ini bisa terjadi akibat tidak meratanya bathimetri, scouring dasar laut atau crossing antar pipa. Segmen pipa yang mengalami bentangan akan kehilangan tumpuan dari tanah dan menyebabkan buckling. Selain itu, gaya-gaya yang ditimbulkan bentangan  bebas pipa dapat membahayakan kegiatan operasi pipa bawah laut.

Ancaman dan bahaya yang disebabkan oleh free span diantaranya terganggunya stabilitas jalur pipa yang nantinya menimbulkan pipa mengalami stress dan terjadi bending (Bay, 2003). Tegangan yang berlebihan pada bentangan bebas pipa dapat membentuk struktur pipa menjadi ovalisasi. Tegangan pada pipa dapat terjadi diantaranya: pemberian tekanan internal pipa, gaya akibat tekanan hidrostatis, gaya gelombang, arus dan lain-lain.  Semua tegangan yang terjadi dalam pipa harus memenuhi kriteria tegangan yang diijinkan.

Permasalahan bentangan bebas pipa yang terjadi di lapangan perlu dianalisa. Secara umum, ada 3 macam analisa kondisi pada free span yang berdasarkan adanya kasus pembebanan pada pipa yakni kondisi instalasi, kondisi hydrotest serta kondisi operasi. Pada setiap kondisi akan dianalisa free span akibat  adanya beban statis sehingga dapat diketahui panjang span yang diijinkan. Kemudian untuk kondisi pipa yang mengalami beban dinamis, juga akan menentukan panjang span yang diijinkan dengan tujuan agar frekuensi natural bentangan bebas tidak sama dengan frekuensi beban yang mengenai free span.

Dari paragraf di atas menguatkan perlunya studi terkait permasalahan bentangan bebas pipa yang terjadi di dasar laut. Untuk itu akan dikaji pengaruh panjang bentangan bebas terhadap tegangan yang ditimbulkan. Tegangan yang ditimbulkan meliputi hoop stress, longitudinal stress dan von mises stress.

 

 METODE PENELITIAN

      Data yang digunakan dalam penelitian ini yaitu data pipa dari Perusahaan Chevron Indonesia Company Kalimantan Operations. Data ini meliputi data desain pipa dan data properties pipa yang sesuai dengan tipe materialnya. Kemudian data operasi pipa juga diperlukan dalam menunjukkan pemberian pembebanan tekanan internal pipa. Kode standar yang digunakan dalam analisa menggunakan kode ASME B31.4, 2002.

Untuk mengetahui kondisi batas kelayakan operasi pada suatu sistem pipa bawah laut diperlukan analisa tegangan pipa. Beban yang bekerja pada pipa bawah laut (offshore pipeline) akan menyebabkan timbulnya tegangan di dinding pipa. Kombinasi tegangan-tegangan yang bekerja pada dinding pipa menyebabkan regangan atau defleksi. Besarnya tegangan akibat beban operasi tekanan internal fluida pipa.

Sesuai dengan kode standar (ASME B31.4, 2002), maka terdapat batasan-batasan besarnya tegangan kerja yang diijinkan pada sistem pipa, baik pada saat instalasi maupun pada saat beroperasi. Berdasarkan  kode ini, tegangan kerja yang diijinkan pada sistem pipa penyalur minyak adalah :

Tabel 1 Batasan Tegangan Ijin pada Desain Pipa

Design Condition	Allowable
	Hoop stress	Longitudinal stress	Combined stress
Operation	72 % SMYS	80 % SMYS	90 % SMYS
Hydrotesting	90 % SMYS	-	96 % SMYS
Installation	72 % SMYS	80 % SMYS	90 % SMYS

Sumber : ASME B 31.4, 2002

Massa pipa yang digunakan dalam analisa studi ini yaitu, menggunakan massa pipa efektif. Massa pipa efektif menjumlahkan semua lapisan pipa serta massa tambah air yang dipindahkan. Persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung massa pipa efektif  (Mousselli, 1981) adalah

M_eff = M_ac + M_cc + M_st + M_f + M_add                                                                              (1)

Dimana :

M_ac       = massa pipa lapisan coating

M_cc       = massa pipa concrete

M_st       = massa pipa baja

M_f         = massa fluida

M_add     = massa pipa baja

M_eff      = massa efektif pipa

Tekanan yang terdapat pada pipa ada 2 macam yaitu tekanan ekternal dan internal pipa. Tekanan internal pipa terjadi akibat tekanan operasional pipa. Sedangkan tekanan ekternal pipa berasal dari tekanan hidrostatis kedalaman laut.  Berikut persamaan yang digunakan dalam menentukan tekanan ekstenal pipa :

Pe                    = p_sw x g x h                                                                                        (2)

dengan,

Pe        = tekanan eksternal

p_sw       = massa jenis air laut

g          = gaya gravitasi bumi

h          = kedalaman air laut pada pipeline

Hopp stress merupakan tegangan yang diakibakan oleh tekanan internal fluida yang mengalir  di dalam pipa. Tegangan ini bekerja pada pipa dalam arah tangensial atau circumferential. Tekanan internal berguna untuk menahan tekanan yang berasal dari luar pipa. Untuk menentukan hoop stress pada pipa bawah laut, dapat ditemukan dengan menggunakan persamaan berikut ini (ASME B31.4, 2002):

                                                                                                       (3)

dimana :

𝜎ℎ        = tegangan hoop

Pi         = tekanan internal

D_tot      = diameter total pipa

t_tot        = tebal total pipa

Gambar 1 Tegangan Hoop pada Potongan Pipa (Guo, 2005)

Longitudinal stress merupakan tegangan aksial yang dialami oleh dinding pipa. Maka dari itu, Longitudinal stress dipengaruhi dua tegangan yang terjadi pada pipa yaitu tegangan axial dan tegangan bending. Tegangan bending ini terjadi akibat pipa mengalami bentangan bebas dan menimbulkan momen, sehingga pipa diasumsikan mengalami 2 tumpuan dari masing-masing ujung pipa sepanjang span. Berikut ini persamaan yang digunakan dalam menghitung Longitudinal stress pada bentangan bebas pipa (ASME B31.4, 2002) :

 

dengan :

𝜎_L        = tegangan longitudinal

𝜎_axl         = tegangan aksial

𝜎_bending  = tegangan bending

Tegangan aksial yang terjadi pada bentangan bebas dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor tersebut berasal dari gaya sisa dari instalasi, gaya akibat suhu, gaya akibat tekanan, tegangan poisson dari material pipa. Tegangan aksial memiliki pengaruh yang besar terhadap defleksi yang terjadi pada pipa. Sedangkan tegangan bending diakibatkan oleh momen yang terjadi pada struktur bentangan bebas karena beban struktur sendiri dan luar. Berikut ini persamaan umum tegangan axial dan tegangan bending yang terjadi pada bentangan bebas (ASME B31.4, 2002):

dimana :

a          = Coefficient of thermal expansion

T₂         = Temperatur operasi

T₁           = Temperatur saat instalasi

n          = Poisson’s ratio

M_i        = Bending moment in plane

i_i          = Stress intensification factor in plane

i_o          = Stress intensification factor out plane

Z          = Section modulus pipa

Sedangkan untuk mencari parameter section modulus pipa dan momen bending, dapat ditentukan dengan persmaan di bawah ini, (Popov, 1996)

  

dimana :

z          = section modulus pipa

M         = momen bending

I_tot        = momen inersia total pipa

W_tot       = berat total yang diterima pipa

L          = panjang bentangan bebas

Gambar 2 Tegangan Longitudinal pada  Silinder Bebas (Guo, 2005)

Setelah mendapatkan persamaan hoop stress dan longitudinal stress pada pipa, maka bisa menentukan besarnya von mises stress dengan cara (Guo, 2005) :

   

dengan :

𝜎_v           = tegangan von mises

𝜎_L           = tegangan longitudinal

𝜎_h           = tegangan hoop

Dalam studi ini tidak memperhitungkan tegangan torsionalnya . Kebanyakan kasus pada pipa yang beroperasi tidak terjadi torsi . Dalam perhitungan konservativ, perkalian tegangan hoop dan longitudinal dalam persamaan von mises stress diabaikan. 

Metode

Mengacu pada studi yang telah dilakukan sebelumnya, studi kasus yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan data bentangan bebas Chevron Indonesia Company. Secara garis besar langkah perhitungan sebagai berikut :

1. Melakukan perhitungan massa efektif pipa bawah laut dan properti pipa seperti diameter total pipa.

2. Menghitung tekanan eksternal akibat tekanan hidrostatis pipa sesuai dengan kedalaman perairan lokasi pipeline.

3. Menghitung tegangan hoop pada bentangan pipeline sesuai dengan variasi tekanan yang diberikan.

4. Menghitung tegangan aksial dan bending pada tiap bentangan bebas pipa yang dianalisa serta sesuai dengan variasi tekanan.

5.Setelah mendapatkan parameter pada point 4, maka menghitung tegangan longitudinal pada tiap bentangan bebas pipa.

6. Menghitung tegangan von mises atau kombinasi yang terjadi pada tiap bentangan bebas pipa.

Langkah perhitungan di atas, bertujuan untuk mendapatkan hasil pengaruh tiap panjang bentangan bebas pipa terhadap tegangan yang terjadi pada segmen pipa bawah laut yang mengalami free span. Variasi tekanan yang diberikan pada struktur pipa ada 3 kondisi yaitu Pi₁ = 1 Mpa, Pi₂ =  operating pressure = 3.098 Mpa, dan Pi₃ = maximum allowable operating pressure = 7.573 Mpa.

 

HASIL DAN PEMBAHASAN

     Hasil-hasil yang disajikan studi ini dalam bentuk grafik hubungan panjang bentangan bebas dengan tegangan hoop, tegangan longitudinal dan tegangan von mises. adapun hasil semua perhitungan disajikan dalam bentuk grafik seperti pada Gambar 3, 4, dan 5.

 

Gambar 3 Hubungan Panjang Span Aktual dengan Tegangan Hoop

Pada grafik di atas menunjukkan, tegangan hoop pada tiap bentangan bebas dengan kondisi tekanan yang sama menimbulkan harga tegangan yang sama juga. Jika bentangan bebas diberi tekanan semakin besar, maka tegangan hoop yang timbul semakin besar juga. Sehingga pengaruh panjang dan pendeknya bentangan tidak berpengaruh pada tegangan hoop.

 

 

Gambar 4 Hubungan Panjang Span Aktual dengan Tegangan Longitudinal

Dari Gambar 4 dapat disimpulkan bahwa tegangan longitudinal tiap bentangan bebas pipa meningkat jika panjang bentangan bebas semakin besar. Grafik di atas menunjukkan tren yang sama untuk tiap tekanan. Selain itu, jika tekanan yang diterima pipa semakin besar, maka tegangan longitudinal yang terjadi juga semakin besar. Panjang bentangan bebas berpengaruh signifikan dalam menimbulkan tegangan longitudinal free span.

Gambar 5 Hubungan Panjang Span Aktual dengan Tegangan Von Mises

Pada tegangan von mises menunjukkan kesamaan kondisi dengan tegangan longitudinal. Jadi semakin panjang bentangan bebas pipa, maka semakin besar tegangan kombinasi yang dihasilkan. Demikian pula, semakin besar tekanan yang diberikan pada pipa maka semakin besar tegangannya.

KESIMPULAN

Dari hasil studi ini dapat disimpulkan bahwa panjang bentangan bebas pipa semakin besar  mempengaruhi secara signifikan terhadap tegangan longitudinal dan von mises. Kemudian untuk tegangan hoop tidak berpengaruh pada besaran bentangan bebas pipa yang terjadi, kecuali pemberian tekanan semakin besar.

Pada perhitungan studi ini setiap bentangan diasumsikan menerima beban yang sama, padahal kondisi lapangan dari ujung inlet dan outlet pipa bawah laut memiliki kondisi tekanan yang berbeda. Kemudian kedalaman laut sepanjang pipeline pasti berbeda-beda sehingga perlu dipertimbangkan lagi. Serta tegangan yang dihitung dalam studi ini masih mempertimbangkan tekanan internal dan berat struktur pipa sendiri. Bebas dinamis dari lingkungan belum dipertimbangkan dalam menghitung tegangan free span di dalam studi ini.

DAFTAR PUSTAKA

American Society of Mechanical Engneers. 2002. ASME B31.4: Pipeline Transportation System  for Liquid Hydrocarbons and Other Liquid. The American Society of Mechanical Engineers, USA.

Bay, Y. 2003. Pipelines And Risers. Elsevier. New York.

Chevron Indoensia Company. 2013. Data Kerja Praktek. Kerja Praktek. Balikpapan

Guo, B. 2005. Offshore Pipeline. Elsevier. New York

Mousselli, A. H. 1981. Offshore Pipeline Design, Analysis, and Methods. Penn Well book. Oklahoma

Popov, E.P. 1996. Mekanika Teknik. Penerbit Erlangga. Jakarta