Studi Pengaruh Panjang Bentangan Bebas terhadap Panjang Span Efektif, Defleksi dan Frekuensi Natural Free Span Pipa Bawah Laut

Nurman Firdaus, Yoyok Setyo Hadiwidodo dan Hasan Ikhwani
Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: firdaus.norman.oe@gmail.com

Abstrak— Bentangan bebas yang diakibatkan oleh scouring dasar laut atau bathimetri tidak merata, dapat menimbulkan karakteristik panjang dan kedalaman (gap) span segmen pipa yang berbeda-beda. Faktor lingkungan yang mempengaruhi secara signifikan  terhadap bentangan bebas pipa bawah laut adalah beban hidrodinamis akibat gelombang dan arus Selain itu, bentangan bebas juga dipengaruhi oleh faktor jenis tipe tanah yang menumpu struktur pipa. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui pengaruh panjang bentangan bebas pipa terhadap panjang span efektif, defleksi dan frekuensi natural yang ditimbulkan. Jumlah bentangan yang dianalisa dalam studi ini sebanyak 17 bentangan bebas. Panjang span aktual ini hasil seleksi dari panjang span maksimum yang diijinkan. Perhitungan parameter kekakuan tanah menggunakan variasi koefisien jenis tipe tanah liat very soft, soft, firm dan stiff. Hasil secara umum, panjang span aktual berbanding lurus dengan panjang span efektif dan defleksi. Perbedaan panjang span aktual tidak terlalu signifikan mempengaruhi nilai frekuensi natural arah getaran crossflow. Berbeda frekuensi natural arah getaran inline, berbanding lurus dengan panjang tiap bentangannya.

Kata Kunci—Bentangan Bebas, Defleksi Span. Frekuensi Natural, Panjang Span efektif, pipeline.

I.    PENDAHULUAN

  Pipa bawah laut merupakan teknologi transportasi yang digunakan untuk mengangkut produk hidrokarbon seperti crude oil, gas alam bertekanan tinggi, dan condensate yang realatif rendah. Fluida yang dibawa subsea pipeline dalam jumlah besar dan jarak yang jauh, serta dilewatkan melalui jalur dasar laut laut atau lepas pantai. Pipa bawah laut dapat bekerja selama 24 jam sehari, 365 hari dalam setahun atau selama umur pipa yang bisa mencapai 30 tahun atau bahkan lebih.[1] Karena mahalnya konstruksi subsea pipeline, maka perlunya desain dan analisis yang baik agar konstruksi tersebut dapat diinstalasi dan beroperasi dengan baik sesuai tujuannya.

Jalur subsea pipeline yang sudah terpasang di seabed akan memiliki beberapa permasalahan geo-hazards  dan faktor lingkungan yang berdampak pada kerusakan pipa. Salah satu dampak yang bisa menimbulkan kerusakan yaitu terjadinya defleksi pada pipa yang diakibatkan oleh adanya bentangan bebas pipa di  seabed. Free span yang terjadi akan menimbulkan gerakan osilasi pipa, sehingga menyebabkan kegagalan struktur pipa pada saat tertentu, jika frekuensi vortex shedding yang terjadi melebihi frekuensi natural pipa.[2]

Free span pada pipeline dapat terjadi  ketika kehilangan sambungan antara pipeline dan dasar laut, hingga memiliki jarak tertentu.[3] Panjang span aktul yang terjadi di lapangan seharusnya tidak melebihi panjang span yang diijinkan. Aliran gelombang dan arus disekitar pipa silinder yang terbentang akan menghasilkan gerakan vortices (turbulent flow). Gerakan vortices di atas dan bawah pipa menghasilkan gaya getaran pada bentangan pipa tersebut. Getaran ini yang menyebabkan timbulnya frekuensi vortex shedding. Sehingga, pipa bawah laut akan mengalami kegagalan jika frekuensi natual pipa beresonansi dengan frekuensi vortex. Kegagalan ini akan mempengaruhi retakan pada concrete coating.

Permasalahan bentangan yang terdapat di dasar laut memiliki karakteristik yang cukup komplek. Faktor lingkungan seperti kondisi arus, gelombang, tanah ikut berkontribusi pada kegagalan free span pipa bawah laut. Faktor tersebut akan mempengaruhi stabilitas pipa selama beroperasi. Beberapa panjang bentangan bebas segmen pipa bawah laut yang terjadi di lapangan dapat mempengaruhi batas aman struktur dari panjang span yang diijinkan. Untuk itu akan dikaji sejauh mana beberapa panjang bentangan bebas yang diijinkan terhadap panjang span efektif, defleksi dan frekuensi natural yang ditimbulkan.

II.    URAIAN PENELITIAN

A.    Pengumpulan Data

Data yang digunakan untuk analisa studi ini yaitu menggunakan data pipa dan data lingkungan dari Chevron Indonesia Company Kalimantan Operations.[4] Data pipa meliputi data desain pipa dan data properties pipa yang sesuai dengan tipe materialnya. Sedangkan data lingkungan meliputi data arus, data gelombang serta data tanah. Kode standar yang digunakan dalam analisa menggunakan kode DNV RP F-105 tahun 2006.

B.    Bentangan Bebas Subsea Pipeline 

  Free span merupakan suatu kondisi dimana jalur pipa terdapat suatu bentangan (gap) dengan dasar laut (seabed) yang nantinya memiliki potensi bahaya baik terhadap pipa tersebut maupun kondisi instalasi bawah laut yang mendukungnya. Free span pada pipa bawah laut terjadi ketika kontak antara pipa dan seabed hilang dan memiliki jarak pada permukaan seabed.[2] Ancaman dan bahaya yang disebabkan oleh free span diantaranya terganggunya stabilitas jalur pipa yang nantinya menimbulkan pipa mengalami stress dan terjadi bending. Analisa free span akan menghasilkan panjang bentangan yang diijinkan, agar tegangan pipa yang mengalami free span tidak melebihi tegangan yield material pipa.

Aliran dari gelombang dan arus yang timbul di sekitar pipa, akan memunculkan pusaran yang menghasilkan distribusi tekanan. Pusaran ini menghasilkan osilasi/getaran pada pipa. Jika frekuensi dari pusaran ini mendekati frekuensi natural pipa, maka terjadi resonansi, dan inilah yang menyebabkan kelelahan pada pipa.[3] Berikut illustrasi pipa yang mengalami bentangan bebas,[5] 

 

Gambar. 1.  Ilustrasi Bentangan Bebas pada Subsea Pipeline 

C. Validasi Teori Gelombang

Teori gelombang menurut literatur [6], bahwa teori gelombang yang akan digunakan dalam perancangan dapat ditentukan dengan menggunakan formulasi matematika dari teori gelombang linier sebagai berikut:

   

   Hasil dari formulasi matematika dapat disesuaikan dengan grafik daerah aplikasi teori gelombang “Regions of Validity of Wave Theories”, sehingga dapat diketahui teori gelombang yang akan digunakan berdasarkan data lingkungan. Berikut grafik penentuan teori gelombang,[7]

 

Gambar. 2.  Grafik Region  of  Suitability of Wave Theories 

D.Perhitungan Kecepatan Gelombang dan Arus

Sesudah mendapatkan teori gelombang yang sesuai dengan kondisi gelombang di sekitar pipeline, maka dapat dilakukan perhitungan kecepatan partikel gelombang dan arus. Pada sepanjang jalur pipeline ini memiliki karakteristik kondisi lingkungan yang sama Berikut ini perhitungan kecepatan partikel air horizontal dan percepatan horizontal,[8]

 

Dimana :

d             = kedalaman air laut

H            = tinggi gelombang

T            = periode gelombang

L            = panjang gelombang

U_o          = kecepatan partikel gelombang

         = percepatan partikel gelombang

s            = jarak vertikal titik yang ditinjau dari dasar laut

    Sedangkan perhitungan kecepatan arus dapat menggunakan persamaan di bawah ini,[9]

Dimana :

D             = diameter total pipa

Z_o            = parameter kekasaran seabed

Z_r            = ketinggian di arus di atas seabed

U_r           = kecepatan arus saat ketinggian dari dasar laut

Setelah itu mencari kecepatan efektif gelombang dan arus yang mengenai struktur pipa yang terbentang. Perhitungannya menggunakan persamaan sebagai berikut,[6]

Ue = 0,778 U_O² (D_tot/Yo)^0.286                                   (5)

Dimana :

Uo          = kecepatan arus/gelombang mula-mula

D_tot         = diameter total pipa

Yo           = ketinggian kecepatan yang ditinjau

  

E. Massa Pipa Efektif

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  adalah [6]

M_eff = M_ac + M_c + M_st + M_f + M_add                         (6)

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

F. Perhitungan Panjang Span Efektif

   Bentangan bebas yang dianalisa merupakan panjang span aktual yang sudah terjadi di lapangan. Bentangan bebas pipa memiliki karakteristik panjang bentangan dan kedalaman bentangan (gap). Perhitungan panjang span efektif dari tiap panjang span aktual menggunakan code DNV RP F105, berikut persamaannya,[10]

Sedangkan untuk nilai b diperoleh dari persamaan yang ada di bawah ini,

 

Dimana :

K             = kekakuan tanah vertikal atau lateral

CSF         = concrete stiffness factor

L_s             = panjang bentangan bebas (span aktual)

L_eff          = panjang span efektif

b             = parameter Relative stiffness

 Pada perhitungan panjang span efektif, faktor yang berpengaruh yaitu parameter kekakuan tanah. Pada studi ini jenis tanah yang terdapat pada pipeline yang mengalami bentangan yaitu jenis tanah liat. Berikut tabel di bawah ini beberapa koefisien kekakuan tanah jenis tanah liat,

Tabel 1. Dynamic Stiffness Factor untuk Interaksi Pipa dengan Tanah Liat

Tipe clay	CV (kN/m5/2)	CL (kN/m5/2)	CV,S (kN/m/m)
Very soft	600	500	50-100
Soft	1400	1200	160-260
Firm	3000	2600	500-800
Stiff	4500	3900	1000-1600
Very stiff	11000	9500	2000-3000
Hard	12000	10500	2600-4200

Sumber : DNV RP F-105, 2006

G. Perhitungan Defleksi Bentangan Bebas

Bentangan bebas yang terjadi di lapangan  akan mengakibatkan lendutan di tengah struktur pipa bawah laut yang terbentang. Perkiraan defleksi yang terjadi pada free span dapat menggunakan persamaan di bawah ini,

 

Dimana :

C₆            = konstata ujung span

P_cr           = euler buckling load

S_eff            = gaya aksial pada pipa

q             = beban pipa

E_pipa        = modulus elastisitas pipa baja

I_pipa         = momen inersia pipa

b               = defleksi

H.Perhitungan Frekuensi Natural Free Span

    Analisa berikutnya yaitu untuk mengetahui frekuensi natural tiap bentangan bebas. Parameter frekuensi natural sangat penting untuk dianalisa, karena frekuensi natural dapat beresonansi dengan frekuensi vortex shedding. Resonansi dapat menimbulkan kegagalan struktur pipa, jika nilai frekuensi natural struktur lebih kecil dari frekuensi vortex shedding. Berikut ini persamaan yang digunakan dalam menentukan frekuensi natural bentangan,

 

 

Dimana :

C₁, C₃                     = konstata ujung span

f_n                             = frekuensi natural bentangan

D_tot                         = diameter total pipa

  

 III. METODE

 

Berdasarkan studi yang telah dilakukan, pipa yang digunakan untuk penelitian yaitu jaringan pipa bawah laut Chevron Indonesia Company dan berlokasi di selat makasar. Secara umum langkah perhitungan studi ini dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Melakukan perhitungan kecepatan partikel air akibat gelombang, berdasarkan teori gelombang pada Gambar 2 yang sesuai dengan data gelombang.

2.   Menghitung kecepatan arus yang terjadi pada ketinggian diameter dari dasar laut.

3.   Menghitung kecepatan partikel air efektif dan kecepatan arus efektif yang mengenai pipa.

4.   Menghitung massa efektif pipa bawah laut.

5.  Menghitung parameter kekakuan tanah dinamis pada lokasi pipeline yang mengalami bentangan. Besarnya parameter kekakuan tanah arah vertikal atau lateral dapat dicari menggunakan persamaan (12).

 

 

Perhitungan specified massa rasio pada persamaan (12) dapat ditentukan dengan persamaan dibawah ini,

 

dengan:

K_L/V         = parameter kekakuan tanah arah vertikal atau lateral

C_L/V         = koefisien kekakuan tanah arah vertikal atau lateral

M_ratio        = specified massa rasio

M_struktur = massa pipa struktur

M_bouy       = massa buoyancy pipa

6.  Menghitung parameter relative stiffness sesuai dengan arah getaran inline dan crossflow.

7. Dari perhitungan point 6 dapat dihitung panjang span efektif dengan arah getaran inline dan crossflow.

8. Menghitung euler buckling load dan gaya aksial pada pipa bawah laut dengan menggunakan persamaan di bawah ini,

  

dengan:

C₂            = konstata ujung span

H_eff         = tegangan sisa lay

Dpi         = internal pressure difference

As           = luasan permukaan pipa baja

DT           = perbedaan temperatur

a_e           = temperature expansion coefficient

9.  Dari perhitungan  point 8 dapat ditentukan nilai defleksi arah inline dan crossflow yang terjadi bentangan bebas yang terdapat pipa bawah laut.

10.Menghitung frekuensi natural arah inline dan crossflow pipa bawah laut yang mengalami bentangan bebas.

      Pada perhitungan di atas dimaksudkan untuk memperoleh pengaruh tiap panjang bentangan bebas yang terjadi terhadap nilai panjang span efektif, defleksi dan frekuensi natural, semua perhitungan dilakukan pengulangan dengan menggunakan variasi jenis tanah liat very soft, soft, firm dan stiff.

IV. HASIL DAN DISKUSI

     Hasil-hasil yang disajikan studi ini dalam bentuk grafik hubungan panjang bentangan bebas dengan panjang span efektif, hubungan panjang bentangan dengan defleksi dan hubungan panjang bentangan bebas dengan frekuensi natural pipa. Adapun hasil semua perhitungan disajikan dalam bentuk grafik seperti pada Gambar 3, 4, 5, 6, 7, dan 8.

Gambar. 3. Hubungan Panjang Span Aktual dengan Panjang Span Efektif Arah Getaran Inline

 

Gambar.4. Hubungan Panjang Span Aktual dengan Panjang Span Efektif Arah Getaran Crossflow

     Pada Gambar 3 dan 4 dengan menggunakan variasi koefisien kekakuan tanah jenis tipe tanah liat. Untuk nilai koefisien kekakuan tanah baik arah getaran inline maupun crossflow semakin besar, maka nilai panjang span efektifnya semakin kecil. Panjang span efektif arah inline lebih besar dari pada panjang span efektif arah crossflow.

     Dengan demikian, panjang span efektif terpanjang terjadi pada tanah liat jenis very soft dan terpendek pada jenis stiff. Pada tiap panjang bentangan bebas, semakin panjang bentangan maka semakin besar nilai panjang span efektif. Dengan variasi jenis tipe tanah liat, semua grafik menunjukkan trend yang sama.

 

Gambar. 5. Hubungan Panjang Span Aktual dengan Defleksi Arah Getaran Inline

  

 

Gambar. 6. Hubungan Panjang Span Aktual dengan Defleksi Arah Getaran Crossflow

  

   Untuk nilai defleksi dari tiap jeni tipe tanah maka nilai terbesarnya terdapat pada jenis tanah liat tipe very soft. Hal ini dipengaruhi oleh panjang span efektif. Dari grafik tersebut dapat dilihat, semakin besar panjang bentangan bebas yang terjadi maka semakin besar defleksi yang ditimbulkan.  Semua variasi tipe tanah liat menujukkan bentuk yang sama.

    Gambar 4 dan 5 menunjukkan nilai defleksi yang berbeda, defleksi pada arah getaran inline lebih kecil dari pada arah getaran crossflow. Perbedaan ini diakibatkan oleh beban yang diterima pipa dari masing-masing arah getaran. Jadi, pengaruh panjang bentangan sangat signifikan terhadap defleksi yang ditimbulkan.

 

Gambar. 7. Hubungan Panjang Span Aktual dengan Frekuensi Natural Arah Getaran Inline 

 

Gambar. 8. Hubungan Panjang Span Aktual dengan Frekuensi Natural Arah Getaran Crossflow

   Pada Gambar 7 dan 8 menunjukkan bentuk grafik yang cukup berbeda, maka dari itu kondisi frekuensi natural untuk arah getaran inline berbeda dengan arah getaran crossflow pada kondisi bentangan yang semakin panjang. Untuk arah inline, semakin besar panjang bentangan maka semakin kecil nilai frekuensi natural. Pada arah ini bentuk grafik semua jenis tipe tanah liat memiliki trend yang sama. Frekuensi natural semakin kecil jika nilai kekakuan tanah semakin kecil.

   Untuk arah getaran crossflow, nilai frekuensi natural mulai turun dari panjang bentangan 19.29 m sampai 32.98 m. Dan frekuensi mulai naik ketika panjang bentangan 33.47 m sampai 45.43 m. frekuensi natural dipengaruhi oleh keseimbangan nilai panjang span efektif dan defleksi bentangan. Hubungan variasi jenis tipe tanah liat dengan semakin panjang bentangannya tidak konstan. Tipe stiff memiliki nilai terbesar dengan rentang panjang bentangan 19.29 m sampai 28.42 m. Dan tipe ini menjadi nilai terkecil mulai panjang bentangan 34.69 sampai 45.43 m.  Jadi untuk arah getaran crossflow, semakin panjang bentangan tidak terlalu berpengaruh signifikan.

V. KESIMPULAN/RINGKASAN

   Dari studi ini dapat disimpulkan bahwa panjang bentangan bebas semakin besar mempengaruhi panjang span efektif dan defleksi yang ditimbulkan. Selain itu, jenis tipe tanah liat juga ikut mempengaruhi nilai panjang span efektif dan defleksi bentangan bebas pipa. Frekuensi natural bentangan bebas arah getaran inline masih dipengaruhi oleh panjang tiap bentangannya. Tetapi frekuensi natural arah getaran crossflow tidak terlalu dipengaruhi oleh bentangan bebas.

    Kedalaman dasar laut dan tekanan yang diterima oleh pipa bawah laut dianggap konstan. Padahal kondisi kedalaman mempengaruhi faktor hidrodinamis pada pipa, sedangkan tekanan yang diterima pipa di lapangan sangat fluktuatif.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Yoyok Setyo H. dan Bapak Hasan Ikhwani selaku dosen Pembimbing yang telah banyak member arahan dan membantu dalam pengerjaan studi ini. Kemudian karyawan Chevron Indonesia Company yang telah memberikan informasi kasus studi Serta tidak terlepas dari bantuan serta dorongan moral maupun material dari banyak pihak baik secara langsung maupun tidak langsung.

DAFTAR PUSTAKA

[1]     Soegiono. 2007. Pipa Bawah Laut. Airlangga Univertsity Press. Surabaya.

[2]     Guo, B. 2005. Offshore Pipeline. Elsevier. New York.

[3]      Bay, Y. 2003. Pipelines And Risers. Elsevier. New York.

[4]     Chevron Indoensia Company. 2013. Data Kerja Praktek. Kerja Praktek. Balikpapan

[5]      Xu, T., Lauridsen, B., Bay, Y. 1999.  ”Wave Induced Fatigue of Multi Span Pipelines”. Marine Structures. Vol. 12, hal. 84-106

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

[7]      Le Mehaute, B. 1976. An Introduction to Hydrodynamics and Water Waves, Springer-Verlag. New York.

[8]      Chakrabarti, S.K. 1987. Hydrodynamics of Offshore Structures. Computional Mechanics Publication. London.

[9]     Det Norske Veritas Recommended Practices F109. 2010. Recommended Practices for On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines. Det Norske Veritas, Norway.

[10]  Det Norske Veritas Recommended Practices F105. 2006. Recommended Practices for Free Spanning Pipelines. Det Norske Veritas, Norway