TUGAS AKHIR (MN 091382)

ANALISA UMUR KELELAHAN (FATIGUE LIFE) SCANTLING SUPPORT STRUCTURE MODULE

FSO CINTA NATOMAS

Oleh :Anwar Sadat 4106100019

Dosen Pembimbing :Mohammad Nurul Misbah, S.T.,M.T.

JURUSAN TEKNIK PERKAPALANFAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA 2012

1

LATAR BELAKANG MASALAH

� Teknologi eksplorasi dan eksploitasi minyak dan gassemakin meningkat seiring dengan meningkatnyakebutuhan minyak dan gas

� Sehingga teknologi pengeboran pada laut dangkalsaat ini mulai bergeser pada pengeboran lautdalam, yakni dengan menggunakan bangunanterapung (floating) salah satunya adalah FloatingStorage and Offloading (FSO)

� Permasalahan yang selalu ada pada bangunanlepas pantai adalah kerusakan yang dapatmenyebabkan struktur tersebut gagal. Kerusakanbangunan laut terutama terjadi akibat kelelahan(fatigue)

Perumusan masalah dari tugas akhir ini adalah :1. Jenis dan besar beban apa saja yang mempengaruhi FSO

Cinta Natomas sehingga dapat menyebabkan kelelahanpada scantling support structure module?

2. Berapakah umur kelelahan (fatigue life) dari scantling support structure module pada FSO Cinta Natomas akibatbeban tersebut?

2

PERUMUSAN MASALAH

TUJUAN

Tujuan yang ingin dicapai dalam tugas akhir iniadalah :1. Untuk mengetahui seberapa besar beban dan

jenis beban yang mempengaruhi FSOsehingga menyebabkan kelelahan padascantling support structure module.

2. Untuk mengetahui umur kelelahan padascantling support structure module FSO CintaNatomas.

5

3

MANFAAT

Manfaat yang diharapkan akan diperoleh denganadanya tugas akhir ini adalah :1. Mengetahui seberapa besar beban yang

mempengaruhi FSO sehingga menyebabkankelelahan pada scantling support structuremodule.

2. Memberikan pengetahuan tentang prosedurperhitungan umur kelelahan scantling supportstructure module FSO.

3. Memberikan pengetahuan tentang pemodelanstruktur

4

BATASAN MASALAH

5

1. Struktur yang dikaji merupakan scantling support structure module FSOCinta Natomas yang terletak di geladak utama.

2. Beban-beban yang ditinjau adalah beban gelombang, beban angin, danbeban konstruksi pada module itu sendiri

3. Spektrum gelombang menggunakan spectrum Pierson Moskowitz4. Pada pemodelan FEM (Finite Element Method) jenis atau cara

pengelasan pada sambungan scantling dengan support modulediabaikan dan diasumsikan tanpa ada cacat.

5. Analisis global untuk memperoleh beban gelombang pada FSOmenggunakan MAXSURF SEAKEEPER, sedangkan analisis lokal padascantling support structure module untuk mendapatkan respon strukturmenggunakan ANSYS.

6. Pada analisis global dengan MAXSURF SEAKEEPER, berat topsidemodule tidak dimasukkan sebagai beban pada model FSO

TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

6

Floating Storage and Offloading (FSO)

Scantling Support Structure System

Pembebanan

Beban Gelombang

Beban Angin

Perhitungan Kelelahan

PENJELASAN TINJAUAN PUSTAKA

Floating Storage and Offloading (FSO)

FSO (Floating Storage and Offloading) pada dasarnya adalah

wahana apung lambung tunggal berbentuk kapal atau tongkang yang

difungsikan sebagai fasilitas untuk mengakomodasi aktivitas produksi

migas dan sekaligus menyimpannya di dalam tanki- tanki di lambungnya

sebelum produk tersebut ditransfer ke kapal-kapal tanki pengangkut

untuk didistribusikan ke pasaran. Konsep FSO pada dasarnya

diperkenalkan untuk menggantikan sistem kombinasi anjungan

produksi dengan fasilitas penyimpanan terapung atau floating storage

offloading (FSO)

7

PENJELASAN TINJAUAN PUSTAKA

8

Scantling Support Structure SystemFasilitas produksi biasanya terletak pada production deck

dan pada umumnya diposisikan 2,5m di atas main deck (UKOOA,

2002). Hal ini bertujuan untuk meminimalisir efek dari green water dan

untuk meminimalisir apabila terjadi ledakan atau api yang mengenai

module agar tidak banyak memengaruhi lambung. Fasilitas produksi

tersebut ditopang dengan struktur pendukung yang berfungsi sebagai

penyangga (module support) dari module topside. Module support

merupakan struktur yang berfungsi sebagai penahan beban dari

topside module dan tegangan yang diakibatkan oleh bending dari

hull.

PENJELASAN TINJAUAN PUSTAKA

9

Pembebanan

Dalam proses perancangan struktur lepas pantai (offshore

structure), penentuan kemampuan kerja struktur dipengaruhi oleh

beban yang bekerja pada struktur tersebut. Perancang harus

menentukan akurasi beban yang akan dipakai dalam perancangan

offshore structure terlebih dahulu. Beban-beban yang harus

dipertimbangkan oleh perancang dalam perancangan offshore

structure adalah sebagai berikut:

a. Beban mati (dead load)

b. Beban hidup (live load)

c. Beban akibat kecelakaan (accidental load)

d. Beban lingkungan (environmental load)

PENJELASAN TINJAUAN PUSTAKA

Beban GelombangDalam perhitungan beban gelombang, data gelombang

yang digunakan adalah gelombang yang terjadi selama umuroperasi. Data gelombang biasanya diperoleh denganmempertimbangkan arah propagasi gelombang. Data gelombang kurunwaktu panjang umumnya disajikan dalam tabel yang dikenal sebagaidiagram sebaran gelombang (wave scatter diagram)

Gambar Scatter diagram perairan Mediterania (Djatmiko, 2003)Data gelombang tersebut digunakan untuk menghasilkan gerakan FSOyang diakibatkan gaya gelombang, sehingga dari percepatan yangdihasilkan beban inersia akibat beban gelombang dapat dihitung

10

PENJELASAN TINJAUAN PUSTAKA

Beban Angin

Spektra dari fluktuasi kecepatan angin yang tinggi kadang

sangat diperlukan, karena hembusan angin yang kencang dapat

menyebabkan resonant oscillation pada struktur bangunan

laut, seperti contoh gerakan slow drift horizontal pada struktur yang

ditambat dapat disebabkan oleh hembusan angin yang kencang.

Selain itu, angin juga dapat dengan mudah menyebabkan vortex

shedding bersamaan dengan terjadinya vibrasi (Faltinsen, 1990).

Pada struktur bangunan laut seperti derrick dan flare booms dapat

terjadi wind- induced oscillation dengan amplitude dan tegangan

yang besar.

11

PENJELASAN TINJAUAN PUSTAKA

12

Perhitungan Kelelahan

Komponen-komponen dasar dari analisis umur kelelahan(fatigue life) adalah:a. Karakterisasi siklus beban yang terjadi baik untuk kurun waktu

pendek maupun kurun waktu panjang.b. Perhitungan beban-beban siklis yang mengenai struktur.c. Evaluasi siklus rentang tegangan pada suatu elemen yang

ditinjau.d. Perhitungan kerusakan pada elemen yang ditinjau akibat siklus

rentan tegangan yang terjadi.e. Evaluasi kekuatan elemen yang ditinjau.

Flowchart Metodologi Penelitian

13

Mulai

1. Studi Literatur2. Pengumpulan Data FSO dan DataLingkungan

Perhitungan gaya -gaya yang bekerja pada module support

Pemodelan hull FSO dengan software

Selesai

Perhitungan dan Analisis Umur Kelelahan

Kesimpulan

Pemodelan Struktur dengan bantuan software

Running Seakeeping dengan bantuan software

Cek model dan Running Model

14

Gambar Pemodelan Struktur

15

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15

Gaya Gelombang sepanjang tahun 2010

Gaya Gelomban…

Gaya

(N)

Bulan

Dari grafik di atas terlihat bahwa gaya terbesar ada padabulan ke-delapan dan sembilan yaitu bulan Agustus danSeptember, hal ini dikarenkan pada bulan tersebut terjadigelombang yang paling tinggi karena pada musim ini adalahmusim kemarau dimana bisanya angin bertiup kencangsehingga menyebabkan gelombang tingi.

16

Dari grafik di atas terlihat bahwa gaya terbesar ada padabulan ke-satu dan delapan yaitu bulan Januari danAgustus, hal ini dikarenkan pada bulan tersebut terjadikecepatan angin yang paling tinggi karena pada bulan iniadalah musim kemarau dimana bisanya angin bertiupkencang.

0100020003000400050006000700080009000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Gaya Angin sepanjang tahun2010

Gaya Angin sepanjang tahun2010

Bulan

Gaya

(N)

17

Pada grafik di atas diketahui nilai beban yang bekerja padatiap struktur penyangga dari FSO. Leg 1 dan 10 memilikirespon paling besar dikarenakan memiliki jarak beban yangditopang lebih jauh dari pada leg yang lainnya.Dikarenakan struktur penyangga pada leg 1 dan 10mempunyai respon beban paling kritis diantara strukturpenyangga yang lain maka analisa dilakukan pada strukturpenyangga terkritis tersebut. Dengan asumsi apabilastruktur penyangga terkritis sudah aman dari beban yangbekerja, maka struktur penyangga lainnya dianggap amandari beban.

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Series1

Leg

Forc

e(N

)

18

Bulan Hs (m) ni Si (Mpa) Ni ni/Ni

Januari 1.75 555032 0.04431 3.13846E+16 1.76849E-11

Februari 1.75 555032 0.04431 3.13846E+16 1.76849E-11

Maret 1 734278 0.01482 8.38213E+17 8.76004E-13

April 0.75 849836 0 0 0

Mei 1 734278 0.01482 8.38213E+17 8.76004E-13

Juni 1.6 581166 0.02946 1.06806E+17 5.4413E-12

Juli 2 519439 0.07421 6.67998E+15 7.77605E-11

Agustus 2.25 489057 0.1195 1.59978E+15 3.05703E-10

September 2.25 489057 0.12 1.57986E+15 3.09557E-10

Oktober 1.3 644776 0.01482 8.38213E+17 7.69227E-13

November 1.1 700541 0.01482 8.38213E+17 8.35755E-13

Desember 1 734278 0.01482 8.38213E+17 8.76004E-13

D 7.38065E-10

Dari Tabel di atas dapat diketahui rasio kerusakankumulatif akibat beban gelombang adalah sebesar0,00000000073806. Dengan besar ni merupakan jumlahkejadian gelombang tiap-tiap bulan yang diperoleh dari datagelombang BMKG Maritim Perak II Surabaya yang telah diolahdengan software Maxsurf Seakeeper.

Tabel Hasil Perhitungan rasio kumulatif kerusakan akibat beban gelombang

19

Tabel Hasil perhitungan rasio kumulatif kerusakan akibat beban angin

Bulan v (m/s) ni Si (Mpa) Ni ni/Ni

Januari 5.659 27580.316 79.088 11037249.59 0.001665893Februari 2.058 2674.455 10.48 2371804010 1.1276E-06

Maret 1.801 2047.629 8.0064 5319154823 3.84954E-07April 1.801 2047.629 8.0064 5319154823 3.84954E-07Mei 4.373 9630.317 27.599 129862155.7 7.4158E-05Juni 6.431 22791.877 65.4 39038164.82 0.000583836Juli 6.688 22791.877 65.4 39038164.82 0.000583836

Agustus 6.945 27580.316 79.088 11037249.59 0.001665893September 3.858 8205.714 23.433 212167553.7 3.86756E-05

Oktober 2.058 2674.455 10.48 2371804010 1.1276E-06November 1.543 1367.619 5.8779 13442996020 1.01735E-07Desember 1.286 949.735 4.0878 39966280310 2.37634E-08

D 0.006281335

Dari Tabel di atas dapat diketahui jumlah rasio kerusakan kumulatif akibat beban angin (Dwind) sebesar 0.006281335

20

Tabel Pengaruh beban rata-rata (statis) terhadap fatigue pada beban gelombang

Bulan Hs (m) ni σa (ksi) σm (ksi) Ni ni/NiJanuari 1.75 555032.120 0.00642 21.0714 10000000000 5.55032E-05

Februari 1.75 555032.120 0.00642 21.0714 10000000000 5.55032E-05Maret 1 734277.620 0.00215 21.0714 10000000000 7.34278E-05April 0.75 849836.066 0 21.0714 10000000000 8.49836E-05Mei 1 734277.620 0.00215 21.0714 10000000000 7.34278E-05Juni 1.6 581165.919 0.00427 21.0714 10000000000 5.81166E-05Juli 2 519438.878 0.01076 21.0714 10000000000 5.19439E-05

Agustus 2.25 489056.604 0.01733 21.0714 10000000000 4.89057E-05September 2.25 489056.604 0.0174 21.0714 10000000000 4.89057E-05

Oktober 1.3 644776.119 0.00215 21.0714 10000000000 6.44776E-05November 1.1 700540.541 0.00215 21.0714 10000000000 7.00541E-05Desember 1 734277.620 0.00215 21.0714 10000000000 7.34278E-05

Ds(wave) 0.000758677

21

Tabel Pengaruh beban rata-rata (statis) terhadap fatigue pada beban angin

Bulan v (m/s) ni σa (ksi) σm (ksi) Ni ni/NiJanuari 5.65884 27580.31557 11.4678 21.0714 10000000000 2.75803E-06

Februari 2.05776 2674.454843 1.5196 21.0714 10000000000 2.67445E-07Maret 1.80054 2047.629489 1.16093 21.0714 10000000000 2.04763E-07April 1.80054 2047.629489 1.16093 21.0714 10000000000 2.04763E-07Mei 4.37274 9630.3168 4.00186 21.0714 10000000000 9.63032E-07Juni 6.4305 22791.87692 9.483 21.0714 10000000000 2.27919E-06Juli 6.68772 22791.87692 9.483 21.0714 10000000000 2.27919E-06

Agustus 6.94494 27580.31557 11.4678 21.0714 10000000000 2.75803E-06September 3.8583 8205.713723 3.39779 21.0714 10000000000 8.20571E-07

Oktober 2.05776 2674.454843 1.5196 21.0714 10000000000 2.67445E-07November 1.54332 1367.618954 0.8523 21.0714 10000000000 1.36762E-07Desember 1.2861 949.7353846 0.59273 21.0714 10000000000 9.49735E-08

Ds(wind) 1.30342E-05

Dari tabel 4.17 dan 4.18 di atas nilai total D akibat pengaruh beban rata-rata terhadap fatigue adalah sebagai berikut :

Dkons = Ds(wave) + Ds(wind)= 0.000758677 + 1.30342E-05= 0.000771711

22

Nilai dari Dtotal adalah:

∑ D = Dwave + Dwind + Dkons

= 0.00000000073806 +0.006281335+ 0.000771711

= 0.007053047

Nilai kelelahan didapatkan dengan formulasi berikut :Nilai kelelahan = 1/D

= 1 / 0.007053047= 141.783 tahun

FSO Cinta Natomas dibangun tahun 1971 dan mulai beroperasi tahun

1973, jadi sisa kelelahan atau umur lelah FSO dari sekarang (tahun

2012) adalah 102.783 tahun atau sampai tahun 2114.

23

Service life dari FSO Cinta Natomas sampai sekarang adalah 39 tahun.Dengan umur kelelahan 141.783 tahun, maka perhitungan nilaikelelahan (fatigue) ini memiliki nilai safety factor (SF) sebesar:

= 3.635

Jadi nilai safety factor (SF) dari struktur scantling support structuremodule FSO Cinta Natomas adalah 3,635.

Kesimpulan :1. Beban yang berpengaruh pada analisis umur kelelahan

scantling support structure module FSO Cinta Natomasadalah beban gelombang, beban angin, dan beban beratstruktur sendiri

2. Kontribusi beban terhadap umur kelelahan scantling supportstructure module FSO Cinta Natomas berturut-turut dari yangterbesar adalah disebabkan oleh beban angin yakni sebesar89.05846272% dengan beban maksimum 79.088 MPa, danbeban gelombang sebesar 0.0000104644% dengan bebanmaksimum 0.12 MPa serta beban konstruksi sebesar10.94152681% dengan beban maksimum 145.32 Mpa.

24

Kesimpulan :

3. Umur kelelahan dari scantling support structuresaccommodation module FSO Cinta Natomas adalah141.783 tahun atau 3.635 kali umur operasinya dan telahmemenuhi kriteria safety factor yang disyaratkan DnV, yaknisebesar 3,0.

25

Saran :

1. Daerah yang paling kritis adalah pada sambungan antarakaki module dengan module support, sehingga pada daerahtersebut perlu mendapatkan perhatian lebih dan inspeksi lebihlanjut, atau bisa juga ditambahkan bracket untuk mengurangistress yang terjadi pada daerah tersebut

2. Melakukan analisis lebih detail dengan memodelkan strukturtopside module secara keseluruhan agar mendapatkan hasilyang yang lebih akurat

26

Woodgroup Buletin, 2009, “Kaji Ulang yang Mendalam Terhadap Pengalaman Wood Groupdengan FPSO.” Woodnews.

Boonstra, H., Gelder, P., dan Shabakhty, N., 2002, “Reliability Analysis of Jack-Up PlatformsBased On Fatigue Degradation”, Proceedings of OMAE’02, Norway.

Djatmiko, E. B., 2003, “Analisis Kelelahan Struktur Bangunan Laut”, Kursus Singkat OffshoreStructure Design And Modelling, Surabaya.

Barltrop, N., dan Okan, B., 2000, “FSO Bow Damage in steep waves”, Rogue waves 2000workshop, Brest.

Wahyudi, Y., 2009, “Analisis Fatigue Pada Crane Pedestal Floating Production Storage andOffloading (FPSO) Belanak”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan, ITS, Surabaya.

UKOOA, 2002, “FSO Design Guidance Notes for UKCS Service”. Glasgow. Veritec, 1985,"Vibration Control in Ship", Norway.

Bhattacharyya, R. 1978. “Dynamic of Marine Vehicles”. John Wiley and Sons Inc., NewYork.Martins, Marcelo R., 2007, “Inertial and Hydrodynamic Inertia Loads on Floating Unit”, Sao

Paulo.Chakrabarti, S.K., 1987, “Hydrodynamics of Offshore Structures”, Computational

Mechanics Publications Southampton, Boston, USA.Faltinsen, O. M., 1990, "Sea Loads On Ship and Offshore Structure". Cambridge,

UK:Cambridge University Press.

DnV Recommended Practice C203, 2008, “Fatigue Design of Offshore Steel Structures”,Norway.

DnV Recommended Practice C205, 2007, “Environmental Condition and EnvironmentalLoads”, Norway.

DnV Recommended Practice C206, 2006, “Fatigue Methodology of Offshore Ship”, Norway

Jati, Satrio, 2005, “Analisa Umur Kelelahan Struktur Jacket Monotower APN-A Dengan Menggunakan Kurva S-N Berdasarkan Pendekatan Keandalan”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kelautan, ITS, Surabaya.

Naess, A., 1985, “Fatigue Handbook Offshore Steel Structure”, Trondheim. PT. McDermott, 2010,”Presentasi Seminar OCEANO 2010”,Surabaya.

http://sahruloveana.wordpress.com/2011/07/17/field-instrument-description/, 16 Juni 2012http://en.wikipedia.org/wiki/Reynolds_number, 16 Juni 2012http://www.engineeringtoolbox.com/dynamic-absolute-kinematic-viscosity-d_412.html,16 Juni

2012http://www.convertunits.com/from/ksi/to/Mpa, 16 Juni 2012http://www.convertunits.com/from/ksi/to/megapascal, 16 Juni 2012