Pipeline Engineering Blogspot: Perhitungan Span pada Pipeline

Analisa Freespan Dinamis

Pipa bawah laut yang terkena beban hidrodinamis suatu ketika akan mengalami kelelahan, karena akibatkan beban tersebut yang bersifat siklis. Kelelahan pada struktur akan memicu terjadinya kegagalan. Tujuan dari analisa freespan dinamis adalah untuk menentukan panjang span maksimum yang diijinkan agar pipa terhindar dari respon-respon alami yang bisa menyebabkan kelelahan.

Vortex Induced Vibration (VIV)

Vortex adalah suatu aliran dimana fluida tersebut partikelnya berotasi pada aliran rotasinya terhadap titik pusatnya. Pelepasan vortexnya disebut dengan vortex shedding, yang mempunyai kecepatan transversal dan tangensialnya konstan dan bervariasi terhadap radiusnya (Indiyono, 1994). Akibat adanya vortex shedding ini, pipa yang dilalui aliran fluida terkena distribusi tekanan lokal. Dan akibat adanya tekanan tersebut, maka pipa akan bergetar atau berosilasi dengan frekuensi tertentu. Osilasi ini akan menyebabkan kelelahan dan dapat mengakibatkan kegagalan.

Osilasi pada pipa biasanya bergerak sejajar (in line) dengan arah aliran, tetapi juga bisa bergerak tegak lurus terhadap arah aliran, tergantung pada kecepatan arus dan panjang span (Boyun Guo, 2005). Berikut ini adalah pengklasifikasian jenis osilasi (Naess,1985) :

a. Osilasi In-Line Flow

Suatu bentangan pipa akan berosilasi searah aliran fluida apabila nilai parameter kestabilan Ks< 1,2 , serta reduced velocity (UR) berada pada rentang 1.2 dan 3.5 ( 1.2 < UR < 3.5 ). Selain itu, osilasi jenis ini tidak akan terjadi bila memenuhi syarat sebagai berikut :

G/OD >= 0.25 OD

Dimana: G adalah gap (jarak antara pipa bagian bawah dengan seabed). Angka Ks dan UR akan dijelaskan pada subbab berikutnya.
….

b. Osilasi Cross Flow

Suatu bentangan pipa akan berosilasi searah aliran fluida apabila nilai parameter kestabilan Ks< 16 , serta reduced velocity (UR) berada pada rentang 3.5 dan 10 ( 3.5 < UR < 10 ). Angka Ksdan UR akan dijelaskan pada subbab berikutnya.

Frekuensi Vortex Shedding

Seperti kita ketahui sebelumnya, bahwasannya apabila aliran melewati pipa, maka aliran yang terbentuk setelah melewati pipa tidak stabil, sehingga menyebabkan pipa berosilasi. Ketika aliran melewati pipa maka akan terjadi flow separation dan terbentuk vorteks di belakang pipa. Vorteks tersebut akan menyebabkan perubahan tekanan hidrodinamis pada pipa. Frekuensi Vorteks bergantung pada kecepatan aliran dan diameter pipa. Jika frekuensi vorteks mendekati sama dengan frekuensi freespan pipa, maka akan terjadi resonansi. Hal ini dapat menimbulkan kegagalan akibat kelelahan pada pipa. Kegagalan pada struktur pipa dapat dicegah dengan menjauhkan nilai frekuensi vortx-shedding dengan frekuensi alami pipa, sehinga osilasi yang terjadi dapat diminimalkan (Benfika, 2007)

Massa Efektif Pipa

Massa effektif pipa adalah jumlah dari massa seluruh struktur pipa ditambah dengan massa dari kandungan/fluida yang dialirkan, serta massa tambah. Dalam Yong Bai (1981), persamaan massa efektif pipa adalah :

Me = Mstr + Mc + Ma

Dimana :

Mstr : Massa stuktur pipa (termasuk lapisan), kg/m

Mc : Massa kandungan pipa, kg/m

Ma : Massa tambah

: 0.25 . π D2. ρ. Ca

Dimana :

Ca : Koefisien massa tambah

Pengaruh signifikan secara fisik dari massa tambah adalah ketika struktur mempercepat dalam melewati aliran fluida. Dibutuhkan energi untuk mempercepat, tidak hanya terhadap berat struktur pipa itu sendiri, tetapi juga terhadap massa sejumlah fluida yang bergerak.

Parameter Kestabilan

Dalam Boyun Guo (2005), salah satu bagian penting dalam menganalisa gerak akibat vortex adalah parameter kestabilan. Parameter ini digunakan untuk menentukan respon maksimal akibat beban hidrodinamis (Kaye, et al). Persamaannya adalah sebagai berikut :

Dimana :

Ks : Parameter kestabilan

Me : Massa efektif pipa, kg/m

δs : Logaritmic decrement ( 0,125 )

ρ : density air laut, kg/m3

D : diameter luar pipa, m

Reduced Velocity

Dalam Bayun Guo (2005) reduced velocity adalah kecepatan dimana osilasi akibat vortex shedding terjadi. Reduced Velocity digunakan untuk penentuan pada kecepatan berapa terjadi getaran/osilasi akibat vortex shedding.

Panjang Span kritis

Sedangkan dalam Guo (2005), panjang span kritis atau panjang pipa tanpa support dimana terjadi osilasi akibat arus adalah merupakan hubungan antara frekuensi natural span pipa danreduced velocity.

Panjang Span Kritis untuk gerak cross flow adalah: