ANALISA FATIGUE AKIBAT PENGARUH VORTEX INDUCED … · Tujuan Pengerjaan Tugas Akhir • Mengetahui pengaruh vortex induced vibration (VIV) pada freespan pipabawah ... RUMUS PARAMETER

TUGAS AKHIRANALISA FATIGUE AKIBAT PENGARUH VORTEX

INDUCED VIBRATION PADA FREESPAN PIPA

BAWAH LAUT

Alan Aswad Pamayo

4305 100 001

Dosen Pembimbing :

Dr. Ir. Wisnu Wardhana, SE. MSc

Dr. Eng. Rudi Wulujo Prastianto, ST. MT

Latar Belakang

• Pipa bawah laut merupakan suatu infrastrukturtransportasi minyak dan gas sebagai alternative penggantikapal tanker LNG/CNG dan sebagainya.

• Freespan pada pipa bawah laut terjadi bisa disebabkanoleh berbagai hal, antara lain kondisi seabed yang tidakmerata, perubahan kontur dasar laut, penggerusan sertatumpuan-tumpuan batuan.

• Freespan pada suatu pipa bawah laut menjadikannyarawan terhadap terjadinya fatigue akibat Vortex Induced

Vibration (VIV). Vortex induced vibration (VIV)merupakan masalah hidrodinamika yang harusdiperhatikan dalam sistem perpipaan bangunan lepaspantai.

Perumusan Masalah

• Bagaimana pengaruh vortex induced vibration (VIV) pada

freespan pipa bawah laut akibat variasi kedalaman scouring ?

• Bagaimana pengaruh vortex induced vibration (VIV) terhadap

distribusi tegangan yang terjadi pada freespan pipa bawah laut ?

• Bagaimana pengaruh vortex induced vibration (VIV) terhadap

besarnya fatigue life freespan pipa bawah laut ?

Tujuan Pengerjaan Tugas Akhir

• Mengetahui pengaruh vortex induced vibration (VIV) pada

freespan pipa bawah laut akibat variasi bentuk scouring.

• Menghitung pengaruh vortex induced vibration (VIV)

terhadap distribusi tegangan yang terjadi pada freespan pipa

bawah laut.

• Mengetahui pengaruh vortex induced vibration (VIV) terhadap

besarnya fatigue life pada freespan pipa bawah laut

Manfaat Tugas Akhir

Dari hasil analisa diharapkan akan diketahui besarnya

pengaruh VIV pada freespan pipa bawah laut dengan berbagai

variasi bentuk scouring sehingga dapat diketahui umur

kelelahan freespan yang paling kritis. Hasil analisa ini

bermanfaat bagi keamanan freespan selama beroperasi.

Batasan Masalah

• Perairan di sekitar freespan diasumsikan sebagai zat cair yang inviscid dan

incompressible.

• Kondisi arus dalam keadaan steady.

• Material pipa bersifat homogen.

• Kedalaman air konstan.

• Aliran yang mengenai pipa adalah tegak lurus (90 ).

• Muatan dalam pipa diabaikan.

• Pipa dianggap kaku.

Cont…• Variasi bentuk scouring mengikuti kontur derajat 2 atau lebih, pada

freespan yang digunakan yaitu 5 variasi bentuk scouring, dengan

normalisasi OD dari freespan untuk variasi bentuk scouringnya :

1/5, 2/5, 3/5, 4/5, 1 dari OD freespan

• Tumpuan pada freespan diasumsikan tumpuan sederhana (pin-pin)

• Variasi kecepatan freespan digunakan 3 macam variasi, yaitu 0.5 m/s, 1

m/s, 2 m/s.

• Variasi scouring yang di analisa di anggap smooth.

• Standart code yang digunakan adalah DnV RP-F105 dan DnV-OS-F101.

• Pemodelan freespan dan scoring menggunakan bantuan software Flow 3D.

• Pemodelan distribusi tegangan menggunakan pada freespan menggunakan bantuan software ANSYS Multiphysics.

• Panjang freespan yang ditinjau sepanjang 18 m.

Metodologi Penelitian

• Mulai• Studi literatur

- Jurnal- Buku- Laporan penelitian

• Pengumpulan Data:– Data pipa– Data Lingkungan

• Melakukan pemodelan struktur dengan software FLOW 3D 9.3

Cont…

• Melakukan pemodelan kedalaman scouring dengan software FLOW 3D 9.3

• Melakukan analisa parameter pada VIV.• Melakukan analisa perhitungan tegangan dengan

software ANSYS Multiphysics.• Melakukan perhitungan fatigue life.

• Kesimpulan• Selesai

Studi literatur- Jurnal- buku- Laporan penelitian

Pengumpulan data

Properti freespan- diameter luar- ketebalan- panjang

- kecepatan arus - kedalaman air- variasi bentuk scouring

Mulai

A

Analisa respons dinamis

- Frekuensi vortex

- Strouhal number

- Reynolds number

-Reduced velocity

-- Stability

Parameter

Menghitung Tegangan Freespan

Selesai

A

Pemodelan VIV dengan menggunakan software Flow 3D

Menghitung fatigue life pada freespan

pipa bawah laut

Pemodelan freespan terhadap variasi scouring dengan menggunakan

software Flow 3D

Tabel 3.1 Data Pipeline untuk DN400 Dry Gas Pipeline dari

NBCPP menuju Kerisi Manifold

Data Unit Nilai

Nominal outside diameter mm 406.4

Wall thickness mm 11.9

Corrosiaon allowance mm 1

Anti-corrosion coating mm 0.75

Concrete coating mm 35

Maximum product density Kg/m3 162.58

Minimum product density Kg/m3 74.64

Seawater Density Kg/m3 1025

Steel density Kg/m3 7850

Concrete density Kg/m3 2240

Corrosion coating density Kg/m3 1400

Design pressure MPa 13.96

Max. operating pressure MPa 12.7

Hydrotest pressure MPa 17.45

Inlet temperature 0C 93.3

Max. operating temperature 0C 60

Inlet temperature (hydrotest) 0C 28.8

Installation temperature 0C 19.8

Temperature Decay length m 3000

Overall pipeline length m 36678

Longitudinal friction factor - 0.4

Young's Modulus Mpa 2,07 x 105

Thermal Expansion coefficient /0C 1,17 x 10-5

poisson's ratio - 0.3

Data Struktur Pipa

Parameter

1 Yr.

Return

Period

100 Yr.

Return

Period

Significant Wave Height

(m) 1.9 2.7

Spectral Peak Period (s) 7.6 8.8

Maximum wave height

(m) 3.6 5.2

Maximum wave period

(s) 6.9 8

Near bottom current

speed (m/s) 0.4 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) 92.3 92.3

Max. water depth (m) 99.2 99.3

Data Lingkungan Pipa

Model Pipa dengan variasi e

Boundary Condition

Hasil Output FLOW 3D 9.3dengan e = 0.4064 dan v = 2 m/s





RUMUS PARAMETER VIV

Parameter VIV tersebut adalah sebagai berikut

(Techet 2005):

1. Strouhal number

2. Reynolds number

3. Frekuensi vortex shedding

4. Reduced velocity

Perhitungan Massa EffektifTabel 4.1 Hasil Pernitungan Massa Effektif Pipa

Effective Mass Calculation Operating

Pipeline Parameter Units Nilai

Wall Thickness (WTselfweight) mm 11.9Wall Thickness (WTstress) mm 10.9Internal Diameter (ID) mm 382.6Output Diameter-Coating (ODcoat) mm 407.9Output Diameter-Concrete (ODconc) mm 477.9

Pipe(steel) Area (Apipe) m2 0.0148Pipe(steel) Mass (Mpipe) kg/m 115.82

Coating Area (Acoat) m2 0.0010Coating Mass (Mcoat) kg/m 1.344

Cont…

Concrete Area (Aconc) m2 0.049Concrete Mass (Mconc) kg/m 109.131

Content Area (Acont) m2 0.115Content Mass (Mcont) kg/m 18.699

Added Mass Coef. (Ca) 1.00Added Mass (MA) kg/m 132.893

EFFECTIVE MASS (ME) kg/m 377.89

Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Parameter VIV dengan kecepatan 0.5 m/s dengan variasi kedalaman scouring

(e)

e/D VrPressure Hasil Flow

3D Re St* Vr* fs Ks fn

Min Max

0.4064

0.408

-0.055 0.081 1.74E+04 0.240 0.230 0.093

0.561 3.016

0.32512 -0.057 0.145 1.74E+04 0.246 0.229 0.095

0.24384 -0.076 0.105 1.74E+04 0.252 0.191 0.098

0.16256 -0.126 0.051 1.74E+04 0.258 0.143 0.100

0.08128 -0.301 0.057 1.74E+04 0.264 0.142 0.102

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Parameter VIV dengan kecepatan 1 m/s dengan variasi kedalaman scouring (e)


3D Re St* Vr* fs Ks fnMin Max

0.4064

0.816

-0.129 0.2062.71E+05 0.240 0.454 0.186

0.561 3.016

0.32512-0.221 0.314

2.71E+05 0.246 0.451 0.190

0.24384-0.228 0.582

2.71E+05 0.252 0.318 0.195

0.16256-0.304 0.079

2.71E+05 0.258 0.274 0.200

0.08128-1.037 0.002

2.71E+05 0.264 0.272 0.204

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Parameter VIV dengan kecepatan 2 m/s dengan variasi kedalaman scouring (e)


3D Re St* Vr* fs Ks fn

Min Max

0.4064

1.631

-0.182 0.101 5.42E+05 0.240 0.903 0.371

0.561 3.016

0.32512 -0.448 0.220 5.42E+05 0.246 0.895 0.381

0.24384 -0.575 0.084 5.42E+05 0.252 0.885 0.390

0.16256 -0.703 0.017 5.42E+05 0.258 0.540 0.399

0.08128 -2.859 0.183 5.42E+05 0.264 0.534 0.409

Perhitungan TeganganMenghitung tegangan freespan akibat VIV dengan langkah-langkah sebagai berikut :• Menggunakan hasil dari Flow 3D 9.3 yaitu pressure

yang terjadi pada freespan.

• Pressure yang di dapat pada Flow 3D 9.3 kemudiandimasukkan sebagai inputan pada ANSYS Multiphysics.

Analisa Perhitungan fatigue life pada freespan pipa bawah

laut :

• Asumsi yang diambil dalam analisa fatigue ini adalah sebagai berikut ;

Span telah terjadi selama 20 tahun. Klasifikasi pipa pada Class F2• didasarkan pada hukum kegagalan kumulatif Palmgren-Miner,

yang dinyatakan dalam Persamaan :

1

mi

i i

nD

N

• dengan : • D = Akumulasi fatigue damage.

• (sesuai dengan hukum Palmgren-Miner, kegagalan sambungan akan terjadi jika indek kerusakan D mencapai harga 1.0)

• ni = Jumlah siklus rentang tegangan dengan Si yang sebenarnya terjadi pada sambungan akibat beban eksternal.(untuk kasus pada tugas akhir ini maka nilai intensitas kejadian berupa siklis yaitu ni diperoleh dari nilai frekuensi shedding karena pada kasus ini struktur freespan, beban berupa beban eksternal yaitu arus yang membentuk aliran vortex di area sekitar freespan).

Conc..

Conc..

• Ni = C.Si-m

• Si = rentang tegangan• M = eksponen fatigue (kemiringan kurva S-N)• C = characteristic fatigue strength constatnt• Ni = jumlah siklus rentang tegangan akibat

kegagalan pada Si

Tabel 4.4 Hasil Perhitungan fatigue life

Kecepatan e/DTegangan

(Si)fs

n (cyles) ni (cyles) A(Log A) m

Ni

(m/s) (Mpa) (Hz) (Log N)

0.5

0.4064 0.026 0.093 18.57 1.17E+10 1.23E+12 3 6.825E+16

0.32512 0.029 0.095 19.04 1.20E+10 1.23E+12 3 4.892E+16

0.24384 0.042 0.098 19.50 1.23E+10 1.23E+12 3 1.705E+160.16256 0.054 0.100 19.97 1.26E+10 1.23E+12 3 7.824E+150.08128 0.075 0.102 20.43 1.29E+10 1.23E+12 3 2.970E+15

1

0.4064 0.106 0.186 37.15 2.34E+10 1.23E+12 3 1.036E+150.32512 0.156 0.190 38.07 2.40E+10 1.23E+12 3 3.224E+140.24384 0.161 0.195 39.00 2.46E+10 1.23E+12 3 2.923E+14

0.16256 0.299 0.200 39.93 2.52E+10 1.23E+12 3 4.593E+13

0.08128 0.533 0.204 40.86 2.58E+10 1.23E+12 3 8.123E+12

2

0.4064 0.194 0.371 74.29 4.69E+10 1.23E+12 3 1.685E+14

0.32512 0.230 0.381 76.15 4.80E+10 1.23E+12 3 1.011E+14

0.24384 0.296 0.390 78.02 4.92E+10 1.23E+12 3 4.743E+13

0.16256 0.361 0.399 79.86 5.04E+10 1.23E+12 3 2.614E+13

0.08128 1.470 0.409 81.72 5.15E+10 1.23E+12 3 3.874E+11

Cont…Kecepatan ∑ Damage Fatigue Life Time Fatigue

(m/s) (Tahun)

0.5

1.716E-07 116520137.5982.454E-07 81485473.2187.216E-07 27717156.3711.610E-06 12425256.9514.339E-06 4609738.179

1

2.262E-05 884326.8437.448E-05 268523.0358.416E-05 237631.7905.483E-04 36474.0033.173E-03 6303.732

2

2.781E-04 71903.7934.751E-04 42096.8531.038E-03 19276.3741.927E-03 10380.7071.330E-01 150.338

KesimpulanDari analisis yang telah dilakukan pada Bab IV maka dapat diambilbeberapa kesimpulan sebagai berikut:

• Pengaruh VIV pada freespan dengan berbagi variasi gap yaitudimana nilai parameter dari VIV seperti St, fs adalah semakin dalamgap dengan pipa maka semakin kecil nilai parameter VIV nya.Namun semakin dangkal gap nya dengan pipa maka akan semakinbesar nilai dari parameter VIV tersebut. Untuk nilai Vr*, semakindalam gap nya dengan pipa maka akan semakin besar nilai Vr* ny,dan semakin dekat jarak gap dengan pipa maka akan semakin kecilnilai Vr* nya. Sedangkan untuk nilai Re, fn, Ks adalah sama samauntuk setiap kedalaman dan sama juga terhadap perbedaankecepatan pada pipa tersebut. Untuk nilai parameter VIV (St, fs)terbesar yaitu pada gap 0.08128 dengan kecepatan 2 m/s. dan nilaiparameter VIV terkecil yaitu pada gap 0.4064 dengan kecepatan 0.5m/s.

Conc..

• Distribusi tegangan yang terjadi akibat pengaruh VIVdengan berbagai variasi gap yaitu semakin besar gapdengan pipa maka akan semakin kecil teganaganyang dialami oleh pipa. Begitu juga sebaliknya.Berdasarkan hasil dari perhitungan tegangan makadapat disimpulkan nilai tegangan terbesar adalahpada gap 0.08128 dengan kecepatan 2 m/s yaitusebesar 1.470 MPa. Sedangkan nilai tegangan terkeciladalah pada gap 0.4064 dengan kecepatan 0.5 m/syaitu sebesar 0.026 MPa.

Conc..

3. Nilai fatigue life akibat pengaruh VIV dengan berbagaivariasi gap yaitu semakin besar gap dengan pipa makaakan semakin lama pipa tersebut terjadi fatigue. Begitujuga sebaliknya. Berdasarkan hasil dari perhitunganfatigue lifennya maka dapat disimpulkan nilai fatiguelife terbesar adalah pada gap 0.4064 dengan kecepatan0.5 m/s yaitu sebesar 116520137.598 tahun.Sedangkan nilai fatigue life terkecil adalah pada gap0.08128 dengan kecepatan 2 m/s yaitu sebesar 150.338tahun. Sehingga dapat disimpulkan bahwa freespanpipa bawah laut tersebut sangat aman dari kelelahan.

Saran

Saran dari penulis untuk penelitian yang akan dating adalah:• 1. Melakukan analisa phenomena lock in (Resonansi)

berdasarkan hubungan antara frekuensi vortex shedding danfrekuensi natural terhadap nilai reduced velocity (Vr) danstrouhal number.

• 2. Perlunya data probabilitas kejadian kecepatan arus yangakurat dalam memperhitungkan kerusakan fatigue akibatbeban arus (VIV).

• 3. Akan lebih sempurna apabila diadakan pengujian agardapat lebih terlihat pola aliran yang dihasilkan

Daftar Pustaka• Bai, Y. (2001). Pipeline and Riser. Elsevier Science Ltd, Oxford.

UK.

• Blevins, R.D. 1990. “Flow-Induced Vibration”. Wokingham: Van Nostrand Reinhold.

• Braestrup, Mikael W.. 2005. Design and Installation of Marine Pipelines. Blackwell Science Ltd, UK.

• Chen,C.,C.R.Chen,R.S.Mercier,J.P.Pontaza. 2004. CFD Simultion of Riser VIV. Deepwater Riser VIV project

• Choi, H.S.. 2001. “Free spanning analysis of offshore pipeline”. Ocean Engineering 28, 1325-1338

• Djatmiko,E.B. 2003. Analisis Keandalan dan Kelelahan.Offshore Structure Design and Modelling Ocean Engineering Training Center,Jurusan Teknik Kelautan-ITS.

Conc..

• DnV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems. 2000

• DnV RP-F105 Free Spanning Pipelines. 2002

• Guo, B. dan J. Chacko. 2005. Offshore pipelines. Elsevier Ocean Engineering Book Series. USA

• Halliwell AR. 1986. An Introduction to Offshore Pipelines. University College, Cork.

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

• Kaye, David et al.(1994). Freespan Analysis, correction method saves time on North Sea project. Oil and Gas Journal. Tulsa. <URL:http://proquest.umi.com/pqdweb>

• Kinsman, B. 1965. Windwave. Dove Publication. Inc, New York.

• Kenny J.P.. 1993. Structural Analysis of Pipeline spans. Health and Safety Executive. USA

http://proquest.umi.com/pqdweb

Conc..

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

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

• Soegiono, 2004. Pipa Bawah Laut. Airlangga University Press, Surabaya.

• Techet,A.H..2005. Vortex Induced Vibrations.http://www.glasssteelandstone.com.

sekian

terima kasih

Wassalam

Documents

ANALISA FATIGUE AKIBAT PENGARUH VORTEX INDUCED … · Tujuan Pengerjaan Tugas Akhir • Mengetahui pengaruh vortex induced vibration (VIV) pada freespan pipabawah ... RUMUS PARAMETER