Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
PREDIKSI PERILAKU DINAMIS FPU PADA TAHAPAN TRANSPORTASI MELALUI PENGUJIAN MODEL Arifin Indonesian Hydrodynamic Laboratory - BPPT Email:
[email protected] ABSTRACT Floating Production Unit (FPU) barges play an important role in oil and gas exploration activities. In case, FPU barge has to be towed from assembling area to site, a dynamic behavior often arises. This phenomenon should be minimized to avoid sea accidents. Some efforts have been performed theoretically to describe and predict the dynamic behavior of barge or ship whilst underway. But, in order to get a prediction results more accuratelly, a model testing of towed barge are needed. In the model testing, a various conditions of tow line length, towing speed, barge draught and sea conditions were selected as parameters. The test results are presented in graphs to describe motion response of FPU barge during towed. Keywords : FPU barge, dynamic behavior, model tow testing, parameters, motion response.
ABSTRAK Suatu anjungan terapung lepas pantai yang memiliki sarana untuk produksi (Floating Production Unit, FPU) migas dianggap mempunyai peran yang sangat penting dalam kegiatan eksplorasi migas. Pada kasus dimana suatu FPU telah selesai dibuat dan dirakit, maka FPU perlu diangkut/ditarik ke lokasi pengoperasiannya dengan menggunakan kapal tunda. Dalam tahap pengangkutan ini, suatu permasalahan terkait dengan perilaku dinamis struktur akan timbul. Permasalahan ini harus diminimalkan agar kecelakaan kapal di laut dapat dihindari. Berbagai usaha telah dilakukan secara teoritis maupun numerik untuk mendapatkan gambaran perilaku dinamis kapal selama tahapan penarikan. Namun, guna mendapatkan suatu perkiraan yang lebih akurat, maka dilakukan serangkaian pengujian model. Dalam pengujian model, beberapa parameter dipilih sebagai variasi kondisi pengujian model seperti variasi panjang tali penarik, kecepatan penarikan kapal, sarat kapal dan kondisi laut. Hasil pengujian model ditampilkan dalam bentuk grafik untuk memberikan gambaran respon gerakan FPU selama proses penarikan ke lokasi pengoperasiaannya. Kata Kunci : FPU, perilaku dinamis, pengujian model tarik, parameters, respon gerakan
PENDAHULUAN Dengan semakin menipisnya jumlah cadangan minyak dan gas di perairan dangkal, maka diperkirakan kebanyakan perusahaan minyak raksasa akan menanamkan investasi dalam jumlah besar guna pengembangan eksplorasi dan produksi minyak dan gas di laut dalam bahkan laut sangat dalam. Seiring dengan peningkatan kemampuan teknologi eksplorasi minyak dan gas, serta ditemukannya cadangan minyak yang cukup besar di laut dalam, maka teknologi bangunan lepas pantai juga mengalami kemajuan pesat. Hal ini dapat dilihat dari berkembangnya beberapa alternatif konsep struktur yang dioperasikan. Salah satu diantara konsep tersebut adalah anjungan terapung (Floating Offshore Platform). Salah satu ciri yang utama adalah mobilitas dan kemampuannya mengantisipasi gerakan akibat gelombang dan arus laut [1]. Dengan berpijak pada konsep ini pula maka dikembangkan Floating Production Unit (FPU) yang berperan sebagai sarana produksi hasil eksplorasi migas. Untuk keperluan pengangkutan migas dari FPU ke darat biasanya digunakan shuttle tanker. Dalam kenyataannya, proses fabrikasi FPU dilakukan di lokasi yang cukup jauh dengan lokasi pengoperasian FPU tersebut. Dengan demikian, setelah proses di atas selesai maka langkah selanjutnya adalah menarik FPU tersebut ke lokasi pengoperasian dengan menggunakan tug boat. Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam proses penarikan FPU ke lokasi adalah:
Memperhitungkan besarnya daya yang diperlukan.
- 435 -
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
Besarnya daya yang diperlukan dapat ditentukan dari tahanan (resistance) yang terjadi pada FPU tersebut. Data resistance tersebut digunakan untuk menentukan dimensi towing line dan power tug boat untuk proses penarikan. Perilaku dinamis (dynamic behaviour) FPU selama dilakukan proses penarikan dengan menggunakan tug boat. Hal ini sangat diperlukan, mengingat selama proses diatas FPU akan menunjukkan perilaku dinamis seperti terjadinya fenomena fish-tailing sepanjang route yang dilaluinya. Fenomena tersebut sudah barang tentu sangat membahayakan karena memungkinkan terjadinya tabrakan dengan kapal atau struktur lain yang berada di sekitar perlintasan FPU.
Pada makalah ini akan dijelaskan pendekatan teoritis dan prosedur pengujian model FPU di kolam tarik berkaitan dengan proses penarikan FPU [2]. Beberapa kondisi sarat dan kecepatan diuji serta panjang tali penarik dianalisa guna mendapatkan data kondisi penarikan yang optimal. Dalam kajian ini diasumsikan bahwa proses transportasi dilakukan pada kondisi air tenang. Beberapa instrument seperti load cell dan Aqualysis digunakan dalam pengukuran guna mendapatkan data-data yang diperlukan. Hasil pengukuran selanjutnya dianalisis hingga diperoleh data-data dan kurva yang menggambarkan perilaku dinamis kapal ketika ditarik ke lokasi tujuan pengoperasian anjungan lepas pantai. MODEL MATEMATIKA Sistem Koordinat Untuk menggambarkan gerakan kapal yang ditarik pada bidang horizontal maka digunakan system koordinat tetap (Oo,xo,yo) sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2, dimana titik Oo dapat ditentukan secara bebas. Sumbu xo terletak pada bidang sejajar dengan arah pergerakan referensi yang dinyatakan dengan ref. Dengan mengacu pada standard praktis dalam bidang manuvering kapal, maka digunakan 2 sistem sumbu yang terdiri atas sumbu O1x1y1 yang berpusat pada titik O1 di tug boat (carriage) dan sumbu O2x2y2 yang berpusat pada titik O2 di kapal untuk menyederhanakan penjabaran gaya-gaya eksternal. Lokasi titik tarik di carriage ditandai dengan A1, sedang titik tarik di kapal ditandai dengan A2 dengan jarak tarik LT. Sudut penarikan yang terbentuk pada bidang horizontal ditandai dengan T. Persamaan Kinematika Komponen kecepatan kapal yang ditarik relatif terhadap carriage ( x rel , y rel ) ditentukan dengan persamaan berikut: x rel (u 2 cosψ 2 v 2 sinψ 2 ) (u 1cosψ1 v1sinψ1 ) y rel (v 2 cosψ 2 v 2 sinψ 2 ) (v1cosψ1 u 1sinψ1 )
..............(1)
dimana komponen kecepatan carriage (u1,v1) dan komponen kecepatan kapal yang ditarik (u2,v2) masing-masing mengacu pada titik koordinat (x1,y1) dan (x2,y2). Adapun sudut 1, dan 2 masingmasing mempunyai korelasi terhadap kecepatan perubahan sudut yaw r1 tug boat (carriage) dan kecepatan sudut yaw r2 model kapal yang ditarik, yang dinyatakan sebagai berikut: 1
180
2
180
r1
…………(2) r2
Persamaan Dinamika Tug boat dan kapal yang ditarik , masing-masing diperlakukan sebagai benda kaku yang simetri dalam bidang vertical dan mempunyai derajat kebebasan yang terdiri atas gerakan surge, sway dan yaw [3]. Dengan mempertimbangkan bahwa kondisi penarikan kapal dilakukan pada kondisi air tenang, maka dapat diturunkan persamaan dinamis sebagai berikut:
- 436 -
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
u1 1 v1 M 1 FIV 1 FL1 FC1 FP1 FR1 FT 1 r 1
ISBN 978-602-98569-1-0
……..….
(3)
………..
(4)
untuk tug boat. Dan, u 2 1 v2 M 2 FIV 2 FL 2 FC 2 FP 2 FR 2 FT 2 r 2
untuk kapal yang ditarik. dimana: M1 dan M2 merupakan matriks inersia (yang terdiri atas massa benda dan added mass di dalam fluida ideal) dari tug boat dan kapal yang ditarik. FIV merupakan kopel gaya yang menyatakan adanya inersia tambahan dan adanya pengaruh dari fluida yang muncul akibat perputaran sistem koordinat serta akibat momen Munk. Subscript L, C, P dan R pada symbol gaya menunjukkan pengaruh gaya angkat hidrodinamis, cross-flow, baling-baling dan kemudi. Adapun FT menunjukkan besarnya tension arah horizontal pada tali penarik [4]. Persamaan Lintasan Kapal Lintasan pada bidang horizontal yang dibuat oleh titik pusat koordinat, O1 yang terletak di tug boat dapat diperoleh dengan mengintegrasikan komponen kecepatan kapal xo1 , y o1 sebagai berikut: xo1 u1 cos 1 v1 sin 1 y o1 v1 cos 1 u1 sin 1
……….…(5)
Adapun lintasan yang dibuat oleh titik pusat koordinat, O2 pada kapal yang ditarik diperoleh dari persamaan berikut: xo 2 xo1 xrel yo 2 yo1 yrel
…………(6)
dimana koordinat (xrel, yrel) merupakan integral komponen kecepatan relatif terhadap waktu. PENGUJIAN MODEL Pengujian model FPU barge dilakukan di Towing Tank (TT) dengan jalan menarik model kapal pada kecepatan tertentu dalam kondisi air tenang. Model FPU Barge Model kapal yang diuji dibuat dari bahan kayu dengan skala model yang digunakan 1:50. Model kapal tersebut juga dilengkapi dengan bilge keel untuk mensimulasikan kondisi aliran di sekitar badan kapal sesuai kondisi sebenarnya. Bentuk geometri badan kapal ditunjukkan oleh Gambar 1.
- 437 -
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
Gambar 1. Lines Plan Kapal Ukuran utama dan karakteristik massanya ditunjukkan oleh Tabel 1 berikut. Tabel 1. Ukuran Utama Kapal MAIN DIMENSION
UNIT
LENGTH ( LPP ) BREADTH ( B ) FORE DRAFT (TF) AFT DRAFT (TA) DISPLACEMENT (Δ)
m m m m MT
MC_1 FULL MODEL SCALE 206 4 52 1.010 4.7 0.091 4.23 0.082 46863 0.334
MC-2 FULL MODEL SCALE 206 4 52 1.010 6.02 0.117 5.18 0.101 59100 0.422
Titik berat dan jari-jari girasi model kapal ditimbang secara statis dan dinamis dengan oscillation table untuk mendapatkan distribusi massa yang tepat dalam tiga arah sumbu, agar mendekati kondisi kapal sebenarnya. Alat Ukur Beberapa alat ukur yang digunakan dalam pengujian ini terdiri atas: AQUALISYS Aqualisys memiliki kemampuan untuk melakukan perekaman data gerakan kapal dalam 6 derajat kebebasan (6 DoF) Peralatan data akuisisi yang terdiri atas amplifier, signal conditioners, filtering unit dan Analog Digital Converter (ADC). Peralatan ini digunakan pada proses pembacaan data pengukuran sehingga diperoleh data yang memadai. Besaran Yang Diukur Beberapa besaran yang diukur dalam pengujian ini serta konvensi arah besaran diberikan oleh tabel berikut:
- 438 -
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
Tabel 2. Besaran Yang Diukur
V
POSITIVE WHEN Forward
MEASURED BY Carriage
Y Y TL
Portside Turn to Left Tension
Aqualisys Aqualisys Loadcell
QUANTITIES NOTATION Model Speed Motion : - Sway - Yaw Towline
Set-up Pengujian Proses penarikan (towing) FPU dengan kapal tunda disimulasikan dengan menarik model kapal menggunakan tali baja yang menghubungkan transducer dan potensiometer pada carriage dengan potensiometer yang terletak di model kapal. Adapun untuk menghindari adanya beban kejut pada tali penarik, maka pada tali penarik dilengkapi dengan pegas yang bersifat lembut. Set-up penarikan model kapal dengan kereta penarik (carriage) ditunjukkan oleh Gambar 2 berikut:
Gambar 2. Set-up Pengujian Free Tow Test di Air Tenang Pada pengujian ini, model kapal ditarik pada kondisi bebas sehingga memungkinkan terjadi 6 derajat kebebasan gerakan model kapal pada beberapa kondisi sarat kapal, kecepatan tarik dan jarak tarik yang berbeda-beda. Secara garis besar, kondisi pengujian free tow ini ditunjukkan pada Tabel 3 berikut: Tabel 3. Kondisi Pengujian No
Test No
Tow speed (knot)
Tow line
Remark
2 3 4 5
Mass Condition MC-1 MC-1 MC-1 MC-1
1 2 3 4
7001 7004 7007 7010
TL1 TL1 TL1 TL1
7023-1
5
MC-1
TL1
7017 7024 7025 7026 7027 7028 7029
5 3 4 5 6 4 5
MC-1 MC-2 MC-2 MC-2 MC-2 MC-2 MC-2
TL2 TL1 TL1 TL1 TL1 TL2 TL2
800 m 800 m 800 m 800 m 800 m (SB line reduced 2.575 m) 300 m 800 m 800 m 800 m 800 m 300 m 300 m
5 6 7 8 9 10 11 12
- 439 -
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
Penurunan Gerakan Fish Tailing Berdasarkan data-data hasil pengukuran sudut oleh potensiometer yang terletak diujung-ujung tali penarik, maka gerakan-gerak surge (x), sway (y) dan yaw ( ) model kapal pada titik pusat grafitasinya dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut: Yaw : = – Sway : y = – Lt sin() + a2 sin( ) Surge : x = [a2 + Lt] – [Lt cos() + a2 cos( )] ……..…(7) dimana : = sudut pengukuran oleh potensiometer yang dipasang di carriage. = sudut pengukuran oleh potensiometer yang dipasang di model. Lt = Panjang tali penarik a2 = Jarak antara bridle pada model dan titik berat model kapal.
HASIL PENGUJIAN DAN DISKUSI Hasil-hasil pengukuran gerakan kapal Yaitu gerakan sway dan yaw ditampilkan dalam bentuk time history sebagaimana diperlihatkan pada contoh Gambar 3. Dalam pembahasan gerakan fish tailing yang terjadi pada tahapan transportasi FPU ke lokasi eksplorasi dengan menggunakan kapal tunda, gerakan sway dan yaw merupakan parameter yang paling dominan. Besarnya gerakangerakan tersebut sangat bergantung pada panjang tali penarik yang digunakan, kecepatan tarik, kondisi beban (muatan).
Gambar 3. Time Histoy Pengukuran Motion Free Tow Pada Kondisi Air Tenang Berdasarkan hasil-hasil pengujian pada beberapa kondisi pengujian yaitu penggunaan panjang tali tunda yang berbeda yaitu 300 m dan 800 m, perbedaan draft akibat perbedaan displacement (MC-1 dan MC-2) serta perbedaan kecepatan penarikan (V=3,4,5 knots).sebagaiman ditunjukkan oleh Tabel 4 dan Tabel 5 sebagai berikut.
- 440 -
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
Tabel 4 Gerakan Kapal dan Tension Line pada TowLine-1 800m DESCRIPTIO N
UNI T
Towing Speed
knot
Sway Yaw
m deg
MASS CONDITION 3 Mean
MC-1 4 Mean
5 Mean
13.32 0.35
2.70 6.17
-13.01 5.74
Max
Min
Max
Sway
m
14.32
12.30
5.94
Yaw
deg
1.41
- 0.96
7.47
Force, F1 Force, F2
kN kN
Mean 45.94 92.58
Mi n 1.0 3 5.0 7
3 Mean
MC-2 4 Mean
5 Mean
19.13 9.37
3.46 0.82
5.49 8.38
Max
Min
Max
Min
Max
Min
Max
Min
-12.45
13.95
20.02
17.8 5
4.89
1.77
7.23
3.86
6.30
5.27
2.57
-0.41
Mean 83.10 126.31
Mean 112.88 182.20
11.83 8.20 5 Mean 66.25 82.31
Mean 112.91 201.11
10.0 6.41 0 Mean 115.75 435.23
Tabel 5. Gerakan Kapal dan Tension Line TowLine-2 300m DESCRIPTION
UNIT
Towing Speed
knot
Sway Yaw
m deg
Sway Yaw
m deg
Force, F1 Force, F2
kN kN
MASS CONDITION MC-1 MC-2 5 4 5 Mean Mean Mean -1.10 -1.78 -2.55 1.80 8.71 10.65 Max Min Max Min Max Min -0.12 -3.31 0.31 -3.09 1.52 -4.32 2.43 1.43 11.47 7.03 12.04 8.45 Mean Mean Mean 87.10 59.53 108.02 300.26 247.33 449.81
Dari tabel di atas dapat diketahui pengaruh masing-masing parameter sebagai berikut: Pengaruh Panjang Tali Penarik Hasil pengujian yang menunjukkan gerakan fish tailing yang terjadi sebagai pengaruh penggunaan panjang tali tunda yang berbeda yaitu 300 m dan 800 m, diketahui bahwa pada penarikan dengan menggunakan panjang tali penarik TL-1 (800m) memberikan respon gerakan sway dan yaw yang relatif stabil. Demikian halnya dengan TowLine yang ditimbulkannya juga relatif sama pada kedua tali. Pengaruh Kecepatan Tarik Kecepatan tarik (tow speed) pengaruhnya tidak begitu jelas terhadap gerakan fish tailing yang terjadi. Namun masih terlihat adanya sedikit kecenderungan respon gerakan yang terjadi lebih stabil dengan adanya penambahan kecepatan tarik. Pengaruh Draft Pengaruh perubahan draft yang dipengaruhi oleh perubahan displacement (MC-1 dan MC-2) adalah pada kondisi full draft (MC-2) memberikan gerakan sway yang lebih besar dibanding kondisi MC-1.
- 441 -
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
KESIMPULAN Berdasarkan uraian dan pengamatan selama pengujian, dapat disimpulkan bahwa fish tailing fenomena dipengaruhi oleh beberapa kondisi sebagai berikut: 1. Penggunaan panjang tali tunda yang lebih panjang (900 m) memberikan gerakan fish tailing yang lebih stabil. 2. Perubahan kecepatan tarik pengaruhnya tidak begitu jelas terhadap respon gerakan sway dan yaw. 3. Kondisi full draft (MC-2) pada tahap penarikan FPU menunjukkan respon gerakan sway yang lebih besar dibanding kondisi MC-1. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4]
Jiang, T. et.al. ,1998, Dynamic Behaviour of A Tow System Under an Autopilot on the Tug, Int. Symposium and Workshop on Force Acting on a Manoevring Vessel, MAN 98, pp.1-11. LHI, 2002, Model Tow Test for FPU, Technical Report. Shigehiro, R, Ueda, K, Arii, T and Nakayama, H., 1997, Course Stability of the High Speed Towed Fish Preserve with Wind Effect, Journal Kansai Soc. N.A, No.228, pp.167-174. Kijima, K, et al., 2000, On The Towing Characteristic of Disabled Ship , Trans of The West Japan Soc. N.A, No. 100, pp. 17-29.
- 442 -
