Analisis Fatigue Life pada Struktur Boom Pedestal Crane Field Malacca untuk Perpanjangan Masa Operasi

Farii Fahmiuddin Fikri

Dosen pembimbing :Ir. Rochman Rochiem M.Sc

Mengenai Fatigue▫ Besar tegangan yang bekerja▫ Jumlah siklus yang terjadi▫ Kondisi lingkungan (angin, seismik, glasial)▫ Geometri komponen▫ Cacat,korosi dan retak dalam/luar material

Outline• Overview• Methodology• Analisis Material• Analisis Beban

- operasional- angin

• Permodelan dan Simulasi• Kalkulasi Tegangan• Analisis Kerusakan Kumulatif• Analisis Fatigue life• Kesimpulan

1

LATAR BELAKANG

Indonesia; ± 449 anjungan lepas pantai (platform offshore) yang tersebar diseluruh daerah. 38% umur pakai telah melebihi desain awal (20-25 tahun) (Indiyono, paulus,2006)

PT. Kondur Petroleum SA. berkeinginan untuk memperbaiki struktur maupun komponen sesuai permintaan eksplorasi dan eksploitasi

Overview

Rumusan Masalah1. Berapakah remaining fatigue life pada pedetal

crane berdasarkan tinjauan beban oparasional maupun lingkungan?

2. Seberapa besar persentase pengaruh pembebanan operasi dan lingkungan terhadap fatigue life dari pedestal crane ?

3. Berapa Safety factor dan SWL yang direkomendasikan untuk perpanjangan operasi pedestal crane 20 tahun mendatang ?

• Tujuan :• 1. Memperkirakan fatigue life pada Pedestal

crane berdasarkan tinjauan beban statis dan dinamis.

• 2. Mengetahui besar persentase pengaruh pembebanan operasi dan lingkungan terhadap fatigue life dari pedestal crane.

• 3. Memperkirakan besar Safety factor dan SWL yang direkomendasikan untuk perpanjangan operasi pedestal crane 20 tahun mendatang.

• Batasan masalah• 1. Pedestal crane yang digunakan sebagai objek pada

penelitian tugas akhir ini adalah pedestal crane pada EMP Malacca Strait S.A. Lalang Well-Head Alpha (LWA) platform field Lalang strait, malaka dengan tipe Crane AK-701 model Seaking 1000 (SK 1000) no seri 1919.

• 2. Beban beban yang ditinjau adalah beban lingkungan berupa angin dan beban operasi crane baik statis maupun dinamis

• 3. Data operasional crane, rekap kejadian angin dan data inspeksi yang digunakan adalah kurun waktu 10 tahun terakhir

MethodologyDiagram alirObjek PenelitianPeralatan yang digunakan

Objek penelitian

Peralatan yang digunakan

Analisis Material

Spesifikasi Material- Sifat mekanik- Komposisi Bahan

Fatigue RatioFatigue limit (endurance)

Spesifikasi material• Diketahui base material dari Pedestal crane adalah Baja

Struktur ASTM A 36 dengan spesifikasi :

• Ultimate tensile strength, UTS = 413 MPa• Tensile Yield Strength, TYS = 224 MPa• Fracture stress, σF = 779 Mpa• Fatigue Strength Coeff, σ`F = 780 MPa• Tensile Strain, εT = 1.19• Fatigue ductility, ε`F = 0.28• RA % = 69%• Modulus Elastisity, E = 189 GPa• Shear Modulus = 79,3 GPa

• *sumber ASM Metal Handbook vol 19

Cont’d• Yield stress in shear, K = 1075 MPa• Fatigue strenght exponent, B = -0.11• Fatigue ductility exponenent,C = -0.45• Poisson’s Ratio = 0,260• Coeff of Thermal expansion = 12x10-6

• *sumber ASM Metal Handbook vol 19

Komposisi Bahan

• Carbon, C 0.260 %• Copper, Cu 0.20 %• Iron, Fe 99.0 % • Manganese, Mn 0.75 %• Phosphorous, P <0.040 %• Sulfur, S <0.050 %

Fatigue Ratio• Adalah perbandingan nilai endurance limit (Se)

dengan ultimate strength (Su). Untuk baja biasa dinyatakan dengan nilai 0.5 sehingga didapatkan

• Se’ Steel = 0.5 (Su)= 0.5 (435 MPa)= 217.5 MPa

Sedangkan untuk stress pada siklus 1000 kali diperoleh denganS1000, steel = 0.9 (Su)

= 0.9 (435 MPa)= 391.5 MPa

217.5 MPa

391.5 MPa

Daerah Infinite life

Kurva S-N ASTM A36

Fatigue limit (endurance)

Fatigue limit2 Nf = ε`F . E 1/b-c

σ`F= 0.28 x 189,000 1/(-0.11)+ (0.45)

780= 243625.675

Nf = 1.22 x 105 cycle

Sehingga fatigue limit (endurance limit ) adalah 1.22 x 105 cycle dengan σendurance limit = 217.5

MPa

• Secar garis besar, Material ASTM A36 layak dipergunakan karena

• - memiliki poisson ratio yang kecil (0.26) sehingga kekakuan tinggi(range 0,25-0,3)

• - merupakan baja struktur dengan kadar karbon yang sesuai (low carbon steel) sebesar C = 0,26 %

• -memiliki struktur mikro berupa Ferrite-pearlite

klikMikrostruktur

Con’t

• Akan tetapi tidak bisa secara digeneralisir base material dari setiap komponen sama, terlebih untuk bagian bagian yang mengalami konsentrasi tegangan

• Ex : Tumpuan boom feet pin, Gantry Pin

klikBoom Feet Pin

Analisis BebanBeban Operasional (service load)

1. Jenis beban- Statis (Dead Load)- Dinamis (Live Load)

2. Kondisi- Kondisi Normal- Kondisi Workover

Beban Lingkungan (out of Service load)- Gaya Angin

Jenis Pembebanan• Statis = Adalah beban tetap, baik besarnya

(intensitasnya), titik bekerjanya dan arah garis kerjanya.▫ Ex beban berat

• Dinamis = besarnya ( intensitasnya ) berubah-ubah menurut waktu/ kondisi tertentu saja, Memunculkan momen inersia▫ Ex vibrasi, Gelombang, Putaran, Angin

Kondisi Operasional

Beban Operasional (kondisi normal)• Dalam satu bulan, crane beroperasi selama 10 jam lebih akan

tetapi tidak lebih dari 50 jam (API,1999). Dalam satu kali operasi, diperkirakan crane bekerja selama 10 menit. Sehingga apabila diasumsikan dalam satu bulan crane beroperasi selama 50 jam, maka intesitas penggunaan crane selama satu bulan dihitung sebagai berikut :50 hours = 50 x 60 min

= 3000 min3000 min / 10 min = 300 kali

Sehingga dalam satu bulan, crane beroperasi sebanyak 300 kali.

• Service life dari Pedestal crane LWA adalah 20 tahun, maka total penggunaan crane selama operasi adalah :20 tahun x 12 bulan x 300 kali = 72.000 kali operasi ≈ 7,2 x 104 cycles

Pompa, Drum, Parts

Pipe, Heavy equipment

Beban Operasional (kondisi workover)• Dalam satu kali work over, pedestal crane dapat

digunakan selama 24 jam. Akan tetapi workover tidak selalu dilakukan dalam satu tahunsehingga

• Asumsi yang digunakan adalah kondisi terburuk dimana crane pedestal

-Beban yang sering digunakan sebesar SWL nya (14.4 ton)

-Rasio penggunaan berkebalikan dengan kondisi normal

Analisis BebanBerdasarkan data Load Chart

Perhitungan gaya berat dan gaya momen*dengan mekanika teknik

Contoh perhitungan

Dengan persamaan momen lentur (bending momen)

Diketahui Panjang boom feet = 55 in (1,4 m)Diameter boom feet = 6 in (0, 1524 m) jarak boom feet ke ujung bearing = 2 ¾ in (0,070 m)

Hasil kalkulasi gaya berat dan momen bending

Hasil kalkulasi gaya berat dan momen bending

Beban Lingkungan (Gaya Angin)Spesifikasi

Massa jenis udara (ρ) = 1,2754 kg/m3

Nilai Cs untuk bentuk silinder = 0.5(ABS MODU, 2001)

Nilai wind pressure height = 1.1Coefficient (Ch ) untuk ketinggian 15,3m-30,5m(ABS MODU, 2001)•

Arah Angin dan kecepatan rata-rata

*sumber BMKG stasiun Medan dan Kep.Riau

Intensitas kejadian angin berbagai arah mata angin

*sumber BMKG stasiun Medan dan Kep.Riau

Kalkulasi Gaya angindiketahui kecepatan angin pada elevasi y diatas 30 ft (9,144 m) yakni :

Sedangkan perhitungan gaya angin diketahui dengan persamaan

V (17,5 m) = 12.86 ( 17,5 / 9,144) 1/7

= 12.86 ( 1,91382) 1/7

= 12.86 (1,0971640)= 14.11 m/s

* ABS MODU 2001

*

F (l= 24.38 m)= ½ (1,2754)(0,5)(1,1)(24,38)(14,11)2

= ½ (17.10) (14,11)2

= 1702.42 N or 1,70242 kN

Permodelandan Simulasi

Permodelan

• Digunakan untuk simulasi gaya yang bekerja sehingga diketahui daerah yang mengalami konsentrasi tegangan

• Permodelan struktur boom crane menggunakan software AUTOCAD 2010 untuk drawing 3D.

• Data gambar struktur yang digunakan untuk permodelan mengacu kepada technical drawing Pedestal Crane dan pengukuran dengan alat bantu ukur . Kemudian dilakukan simulasi pembebanan dengan menggunakan sofware FEMAP v10.3.0 NASTRAN SIEMENS untuk analisis tegangan yang bekerja.

Gambar struktur boom crane dengan AUTOCAD 2010

• Input properties benda kerja berdasarkan data Material Database Sheet (MDS) sedangkan input besar tegangan berdasarkan contoh pembebanan dengan mengacu pada Manual Operation Procedure.

Modulus elastisitas : 189E+09 Modulus geser : 80E+03 Poisson’s Ratio : 0.26Property type : Solid volume element

• Kemudian dilakukan meshing control dengan dimensi : tetra meshing (Tet Mesh) ukuran : 3 unit mesh jumlah node : 77898 node jumlah element : 48684 element. Input constraint : tipe “Pinned-no translation”.

sampel beban statis : 14400 N (sumbu z )

Konsentrasi tegangan

Terlihat adanya konsentrasi tegangan antara boom feet pin dengan boom section bagian bawah

distribusi tegangan ditunjukan oleh warnaMerah = konsentrasi tegangan terbesarUngu = konsentrasi tegangan terkecil

Analisis TeganganTegangan Lentur (bending)Tegangan Geser (puntir)Tegangan oleh angin (stress-load projected )

Fluktuasi tegangan yang terjadi

• Pembebanan yang terjadi“angkat-lepas” -

STR

ES

S

+

ALTERNATING LOAD

TIME

STRESS RANGE

MEAN STRESS

-S

TRE

SS

+

PULSATED OR REPEATED LOAD

TIME

MEAN STRESS

STRESS RANGE

-S

TRE

SS

+

FLUCTUATING LOADTIME

MEAN STRESSSTRESS RANGE

50

Analisis TeganganKarena bagian tumpuan (Boom feet Pin) adalah bagian yang mendapat tegangan terkonsentrasi paling besar sehingga dapat diketahui tegangan untuk masing masing beban

Dimensi:Diameter : 5 in (0,127 m)Length : 55 in (1,4 m)

A = length x width= 0,127 x 1,4= 0,1778 m2

= 177800 mm2

Tegangan lentur (bending)

σ = F + M. cA I

Dimana• M = momen bending• c = jari jari boom pin

= ½ x 5 in = 2,5 in (0,0635 m or 63,5 mm )• I = moment inertia of the section

= π (152,4 mm)4

• 64• = 26,466 x 106

Hasil kalkulasi tegangan bending (normal)

Hasil kalkulasi tegangan bending (workover)

Tegangan oleh Gaya AnginLoad projected area (API RP 2C,2004)

= (1.33 x SWL/200)2/3

= (1.33 x 31746.56575 lb / 200)= (1.33 x 158.732825) 2/3

= (44569.39851) 1/3

= 35.455 ft2 = 3.29388 m2

σ angin = F/ A boom= 1702.42 N / 3.29388= 516.843 N/ m2

= 516.843 Pa= 5.16843 x 10-4 MPa

Perhitungan siklus untuk berbagai arah mata angin

Analisis Kerusakan KumulatifKalkulasi jumlah siklusPenentuan nilai kerusakan kumulatif

Analisis Kerusakan Kumulatif• Perkiraan umur kelelahan didapatkan pada beban fluktuasi yang

akan diterima struktur selama masa operasi. Sehingga untuk mengetahui sisa umur kelelahan struktur dapat dilakukan setelah memperoleh informasi kondisi beban yang diterima struktur selama operasi. Sisa umur kelelahan struktur dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Palmgren Miner

ni = Jumlah cycle kolom interval rentang tegangan i dengan harga Si yang sebenarnya terjadi, dari rentang distribusi tegangan jangka panjang akibat beban eksternal.

Ni = Jumlah cycle rentang tegangan dengan harga Si yang menyebabkan kegagalan. Harga besaran ini dapat diperoleh dari kurva S-N.

m = Total (Σ) dari interval-interval rentang tegangan.D = Rasio kerusakan kumulatif.

Perhitungan siklus kegagalan (Ni)• Setelah diketahui tegangan masing masing pembebanan,

maka dapat diketahui harga fatigue cylce (siklus kegagalan) dengan persamaan

Dimana untuk logam paduan, Hargalog a = 17,446M = 4,7

*Sumber DNV ,2011

Perhitungan siklus untuk operasi normal (statis)

Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban statis kondisi normal sebesar 0,4227

Perhitungan siklus untuk operasi workover (statis)

Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban statis kondisi workover sebesar 0,242

Perhitungan siklus untuk berbagai arah mata angin

Dari tabel diatas didapatkan rasio kerusakan kumulatif (D) untuk beban akibat gaya angin sebesar 3,94E-18

Dengan menggunakan hukum Palmgren-Miner, maka ketiga rasio kerusakan kumulatif yaitu beban operasi crane statis, beban operasi crane dinamis dan beban angin dijumlahkan untuk mendapatkan nilai rasio kerusakan kumulatif total (Dtotal)

Kondisi Normal• D crane = D operasi statis s + D angin• = (0,423)+ (3,94x10-18)• = 0,423

Kondisi Workover• D crane = D operasi statis s + D angin• = (0,243 )+ (3,94 x 10-18)• = 0,243

Analisis Fatigue LifeFatigue Life sesungguhnyaSafety Factor sesungguhnyaPersentase pengaruh beban

Analisis Fatigue LifeFormulasi umur kelelahan dari suatu struktur dapat

dihitung melalui persamaan

fatigue life = 1/D

Kondisi Normal• formulasi umur kelelahan suatu material dapat dihitung

dengan membagi lama operasi data beban yang diterima pedestal crane, yakni selama 20 tahun.

• Pada kondisi normal, fatigue life sesungguhnya dariboom pin pedestal crane adalah 47,28 tahun. Denganmengetahui umur kelelahan sesungguhnya maka dapatdiketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar :

•• 47,28 tahun / 20 tahun = 2,36•• Jadi, Safety factor (SF) kondisi normal dari boom pin

pedestal crane sebesar 2,36

• formulasi umur kelelahan suatu material dapat dihitung dengan membagi lama operasi data beban yang diterima pedestal crane, yakni selama 20 tahun.

• Pada kondisi Workover, fatigue life sesungguhnya dariboom pin pedestal crane adalah 82 tahun. Denganmengetahui umur kelelahan sesungguhnya maka dapatdiketahui nilai faktor aman (Safety factor) sebesar :

•• 82 tahun / 20 tahun = 4,1•• Jadi, Safety factor (SF) kondisi workover dari boom pin

pedestal crane sebesar 4

• Safety factor Pedestal crane senilai 2 dengan SWL maksimum sebesar 14,4 ton. Maka diketahui beban maksimum sesungguhnya

•• 14,4 x 2 = 28,8 ton

• Dengan mengambil umur yang relatif paling singkat/kecil yakni kondisi normal, maka nilai safety factornya dapat digunakan sehingga nilai safety factor sebelumnya sebesar 2 menjadi naik sebesar 2,36. Dan SWL maksimum yang direkomendasikan untuk 20 mendatang adalah

•• 28,8 ton / 2,36 = 12,6 ton

• Sehingga untuk penentuan safety factor, diambil kemungkinan kondisi terburuk yakni workover. Untuk masa operasi selanjutnya diketahui safety factor yang digunakan sebesar :

• 66 tahun – 20 tahun = 46 tahun

• 46 th/20 th = 2,3

harga safety factor minimum untuk operasi selanjutnya (20 tahun mendatang) yakni >2,3

Persentase

• Kondisi normal• D operasi statis 99,999 % • D angin 2,02x10-8 %

• Kondisi Workover• D operasi statis 99,998%• D angin 1,93x10-9 %.

Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan1. Fatigue life dari struktur pedestal crane LWA platform akibat

pembebanan oleh operasi dan lingkungan adalah 47 tahun Dengandemikian pedestal crane masih dapat dioperasikan untuk 20tahun mendatang dengan SWL yang ditentukan.

2. Besar persentase pengaruh pembebanan operasi statis untuk kondisinormal 99,999 % dan workover 99,998 %, Serta pembebananlingkungan oleh angin untuk kondisi normal 2,02x10-8 % dan workover1,93x10-9 %.

3. Safety Factor yang disarankan untuk 20 tahun mendatang adalah 2,3atau lebih, sedangkan beban angkat maksimum (SWL) adalah sebesar12,6 ton atau kurang.

Saran1. Diperlukan material yang tepat untuk bagian boom feet pin dengan

kualifikasi :-Kekuatan yang tinggi -Machinability yang baik -Factor sensitivitas takik yang rendah -Sifat perlakuan panas yang baik -Sifat tahan aus yang tinggi Sehingga direkomendasikan untuk menggunakan material baja grade paduan tinggi dengan nilai Endurance limit stress diatas 450-500 MPa dan UTS seharga 2x lipat dari endurance limit supaya menghasilkan infinite life fatigue design

• 2. Mempertahankan maintenance dan mengkalkulasi SWL kembali melihat masa pakai dan beban yangdioperasikan

3. Sedikit mungkin meminimalisir cacat, korosi dan kekasaran permukaan

4. Analisis kekuatan sambungan struktur, karena fokus penelitian hanya pada tumpuan yang terkonsentrasi oleh tegangan

Terima Kasih Banyak