Volume 16 Nomor 2, Oktober 2016, 106 - 114
Studi kasus Pengaruh Vortex Induce Vibration (VIV) pa- da Freestanding Drilling Conductor SAKA
Energi Sesulu
Feasability study Vortex Effect induce Vibration (VIV) on Freestanding Energy Drilling Conductor SAKA Sesulu

## Augusta Adha
Program Studi Teknik Sipil Universitas Islam Riau Jl. Kaharuddin Nasution 113 Pekanbaru-28284

## Abstrak
Salah satu fase terpenting dalam proses eksplorasi minyak dan gas bumi adalah pengeboran sumur uji  coba  untuk  mengetahui kandungan hidrokarbon  pada  sebuah reservoir  minyak  bumi  dan  gas. Arus laut dapat menyebabkan terjadinya VIV pada drilling conductor yang berujung pada terham- batnya operasi pengeboran atau kegagalan struktur akibat fatigue pada pipa conductor. Pada kon- disi drilling test well, pipa conductor untuk test well harus diperlakukan sebagai struktur freestand- ing yang hanya mendapatkan kekangan arah lateral dari Texas Deck pada Drilling Rig pada bagian atas conductor . Paper ini akan menjelaskan metode yang dapat dipakai untuk melakukan analisa terhadap  kemungkinan  terjadinya  VIV  pada  freestanding  conductor.  Studi  kasus  dilakukan  pada struktur drilling conductor milik SAKA Energi Sesulu berdiameter 762 mm dengan tinggi 67.4 m. Analisa dilakukan dengan mempertimbangkan beban lingkungan pada kondisi servis dengan peri- ode ulang beban gelombang 1 tahun  dan kondisi storm dengan periode ulang beban gelombang 100  tahun.  Berdasarkan  analisa  dinamik,  dapat  disimpulkan  periode  getar  alami  struktur  untuk Mode  1  adalah  2.00  sec  dan  Mode  2  adalah  0.594.  Dengan  menggunakan hasil  analisa  dinamik tersebut  pada  analisa  VIV  berdasarkan  kriteria  yang  disyaratkan  pada  peraturan  DNV  RP-C205 dapat disimpulkan bahwa in-line vortex vibration terjadi untuk mode 1 dan mode 2. Oleh karena itu,  perlu  diambil  tindakan  preventif  untuk  mencegah  terjadinya  kegagalan  fatigue  pada  struktur conductor tersebut.
Kata kunci : VIV, Conductor, Offshore, Periode getar alami, Vortex shedding

## Abstract
One of the most important phases in the of oil and gas exploration process is drilling the test wells to determine the hydrocarbon content in an oil and gas reservoir. Ocean currents can cause VIV on drilling conductors which resulted in delays or structural failure in drilling operations due to fatigue  in  the  conductor.  During  drilling  a  test  well,  test  well  conductor  should  be  treated  as  a freestanding structure which is only laterally restraint from the Texas Deck on Drilling Rig at the top of the conductor. This paper will describe a method that can be used to analyze the possibility of  VIV  on  freestanding  conductor.  The  case  studies  carried  out  on  the  structure  of  conductor- owned drilling SAKA Energy Sesulu 762 mm in diameter with a height of 67.4 m. The analysis was performed by considering the environmental load on the service conditions with a return period of 1 year and wave loads storm conditions with a return period of 100 years wave loads. Based on dynamic analysis, we can conclude the natural period for the structure is 2.00 sec and  0.594 for Mode 1 and Mode 2 respectively. Using the results of the dynamic analysis on VIV based on the criteria from DNV RP-C205, it can be concluded that the in-line vortex vibration occurs for mode 1 and mode 2. Therefore, it is necessary to take preventive measures to prevent the occurrence of fatigue failure in the conductor.
Key word : VIV, Conductor, Offshore, Natural Period, Vortex shedding

## aintis
Jurnal

## PENDAHULUAN
Seiring dengan berkembangnya teknologi  pengeboran  lepas  pantai, eksplorasi  migas  tidak  lagi  terbatas hanya  pada  area  laut  dangkal  saja. Namun,  kini  eksplorasi  migas  telah berkembang  ke  arah  perairan  dalam. Aplikasi  pengeboran  lepas  pantai  di area  laut  dalam  memerlukan bangunan  lepas-pantai  dengan  kom- ponen  struktur  yang  makin  panjang dan langsing.
Konsekuensinya struktur  menjadi  makin  ramping  dan fleksibel yang rentan terhadap getaran dan gaya luar.
Secara  umum  beban  lingkungan  aki- bat  gelombang  laut  dan  arus  laut memberikan  beban  dinamik  primer kepada  struktur.  Namun,  berdasarkan penelitian  lebih  lanjut  ditemukan  fe- nomena  beban  dinamik  sekunder yang  dapat  menimbulkan  getaran dengan  frekuensi  yang  cukup  signif- ikan.  Getaran  ini  kemudian  dikenali sebagai  akibat  fenomena  Vortex shedding,  yaitu  getaran  yang  timbul akibat peristiwa pelepasan  aliran  vor- tex  yang  disebut  sebagai Vortex- induced  Vibration ,  atau  sering  dis-
ingkat VIV. Getaran vortex yang per- sisten pada struktur dapat
mempengaruhi  umur  lelah  struktur. Osilasi  pada  struktur  biasanya  berge- rak  sejajar  (in  line)  dengan  arah  ali- ran,  tetapi  juga  bisa  bergerak  tegak lurus terhadap arah aliran, tergantung pada kecepatan arus dan panjang span (Guo,  2005).  Berikut  ini  adalah pengklasifikasian jenis osilasi (Naess, 1985):
 Osilasi In-Line Flow
 Osilasi Cross Flow

## METODE PENELITIAN
Dasar Teori Parameter VIV Parameter-parameter  yang  penting dalam  analisa  VIV  pada  conductor adalah sebagai berikut:
a. Gaya drag dan inertia Gaya  drag  dihasilkan  dari friksi  antara  dinding  struktur dengan  partikel  fluida.  Friksi tersebut akan menghasilkan pengurangan  kecepatan  partikel pada  sisi  terdekat  dengan  dind- ing struktur.
Gambar 1. Jenis pelepasan vortex berdasarkan C d
Persamaan untuk gaya drag adalah sebagai berikut:
U U C F D D  2 1 
Dimana: = masa jenis fluida (kg/m 3 ) = koefisien drag
U  = kecepatan efektif partikel (m/s) Sementara gaya inersia merupakan  besarnya  gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan  fluida  akibat adanya free  body struktur tersebut.
Persamaan  untuk  gaya iner- sia adalah sebagai berikut:
dt du D C g F m I        2 4  
Dimana: = masa jenis fluida (kg/m 3 ) = koefisien inersia
du/dt  =  percepatan  horizon- tal partikel (m/sec 2 ) b. Added  Mass  (ma)  dan  redaman (  )
Added Mass merupakan salah sa-
tu  parameter  yang  penting  untuk menentukan  periode  getar  alami struktur. Pada struktur yang diam added  mass  dapat  disamakan dengan  jumlah  partikel  air  yang dipindahkan  oleh  free  body struktur.  Untuk  struktur  yang mengalami  VIV,  penentuan  add-
ed mass menjadi lebih sulit kare- na getaran struktur menyebabkan volume  partikel  air  yang  dipin- dahkan  oleh  struktur  yang  ber- getar menjadi sulit untuk diperhi- tungkan  secara  akurat.  Namun demikian, dengan mengambil se- buah  parameter  yang  terkait dengan  kondisi  aliran  pada  area di  sekitar  struktur  (Ca),  maka added  mass  secara  matematis dapat  dirumuskan  dengan  persa- maan berikut:
c. Vortex shedding
Vortex shedding merupakan pelepasan  aliran  vortex  yang berbentuk  aliran  yang  unsteady akibat  adanya  perbedaan  ke- cepatan  aliran  pada  area  di  seki- tar  permukaan  struktur.  Vortex shedding  tergantung  pada  angka Reynolds  yang  mendefinisikan proses pelepasan vortex dan ang- ka  Strouhal  (
)  yang menentukan  frekuensi  pelepasan vortex
Gambar 2. Skema Vortex Shedding terhadap angka Reynolds
Pada  analisa  terhadap  subjek  struktur pada  paper  ini,  didapatkan  hasil  angka Reynold  untuk  drilling  conductor  ada- lah  0.65  yang  berarti  aliran  vortex  be- rada pada kondisi aliran  yang terpecah atau turbulen.
d. Reduced Velocity (Vr) Reduced velocity merupakan parameter yang  menggambarkan  kecepatan  getar struktur  yang  menjadi  awal  terjadinya VIV. Reduced  velocity harus  diten- tukan  untuk  setiap  mode  dinamik struktur. Reduced  velocity dirumuskan dengan persamaan matematis berikut:
Dimana:
U = kecepatan aliran bebas
D = diameter silinder conductor fo = frekuensi alami struktur
Parameter kestabilan (Ks)
Parameter  kestabilan  merupakan salah  satu  parameter  terpenting dalam  analisa  struktur  akibat VIV.
2 2 D M K s e s  
Dimana:
= Parameter kestabilan =  massa  efektif  pipa (kg/m)
=  logarithmic  decre- ment (0.125)
= density air laut
(kg/m3)
= diameter luar pipa (m)
Hubungan  antara  Reduced  Ve- locity  dan  Parameter  Kestabilan menurut DNV RP C205 dapat di- tunjukkan dengan grafik berikut:
Gambar 3. Grafik V r vs K s (DNV, 2010)

## Analisa struktur
Untuk  mengetahui  efek  VIV  pa- da  struktur,  maka  perlu  dil- akukan analisa karakteristik dinamik  struktur.  Karakteristik dinamik  pada  struktur  seperti mode  shape  dan  periode  getar alami  struktur  dapat  analisa dengan  menggunakan  formula yang diajukan oleh Blevin (Blevin, 1979):
Dimana: E = modulus elastisitas I = momen inersia penampang M E = massa efektif a i
= parameter dinamik untuk mode ke-i untuk 5 mode pertama, nilai a i adalah sebagai berikut:

## Beban Lingkungan
Berdasarkan  peraturan  DNV  RP C205 (Environmental Conditions and  Environmental  Loads)  se- bagai berikut:
“ When  detailed  field  measure- ments are not  available, the var-
iation  in  shallow of tidal  current velocity water with depth may be modelled as a simple power law,
assuming  uni-directional  cur- rent ”
Dimana:
Vc,tide(z)    = Kecepatan arus pada elevasi z Vc,tide(0)    = Kecepatan arus pada elevasi SWL d = jarak dari dasar laut ke SWL z = jarak dari elevasi yang ditinjau ke SWL α = Exponensial
Mengambil nilai  dengan rumusan sebagai berikut:
maka persamaan untuk menghitung kecepatan arus pada elevasi z ada- lah:
pada  subjek  penelitian  paper  ini,  data  kecepatan  arus  adalah  sebagai berikut:
E i i M EI L a f 2 2 2   0 ) 0 ( ) ( , ,           z d z d V z V tide c tide c          d z d i tide c e tide c z V z V ) ( ) ( , ,  0 ) 0 ( ) ( , ,           z d z d V z V tide c tide c
Tabel 1 . Data kecepatan arus Elevation Current Velocity Return Period (m) (ft) (m/sec) (ft/sec) 50.00 164.04 0.90 2.95 1 YEAR 0.00 0.00 0.70 2.30 50.00 164.04 1.20 3.94 100 YEAR 0.00 0.00 1.00 3.28 *elevasi di hitung dari mudline

## Studi kasus
Sebuah drilling conductor milik SAKA
Energi Sesulu berdiameter 762 mm (30 inch) dengan tinggi 67.4 m. Conductor
tersebut  terdiri  dari  3  casing  meliputi 20  inch,  13  3/8  inch,  dan  9  5/8  inch.
Beban surface equipment pada conduc- tor adalah sebagai berikut:
Tabel 2 . Beban surface equipment Surface Equipment Weight Tonne kN BOP 20-3/4" 39.916 391.577 BOP 13-5/8" 28.123 275.884
Gambar 4 . Skema instalasi conductor dan casing

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dengan menggunakan informasi pada Gambar  4,  maka  didapatkan  massa total casing yang  disalurkan  ke con- ductor adalah 4.817,71 kN. Sementa- ra,  massa  total  struktur  per  unit  pan- jang adalah 898,20 kg/m.
Kekakuan  struktur  conductor  adalah 7.98 x 10 5 kNm 2 .
Merujuk pada data awal, maka analisa dinamik  terhadap  conductor  objek studi  menghasilkan periode  getar
alami  struktur  untuk  Mode  1  adalah 2.00  sec  dan  Mode  2  adalah  0.594. Menggunakan  formula  dari  Blevin (Blevin,  1979),  untuk  Mode  shape  1 dan 2 dapat dijelaskan pada Gambar 5
Drill Floor (ft) MSL (ft) Mudline (ft) ft Texas Deck MSL Mudline 430.00 -615.00 -570 -400 30" x 1" WT Casing shoe
-645.00 -600 -430 2430.00 -2615.00 -2570 -2400 20" x 5/8" WT Casing shoe 4930.00 13-3/8" Casing shoe 8130.00 9-5/8" Casing shoe -8215.00 -8170 -8000 -8345.00 -8300 -8130 -5145.00 -5100 -4930 170.00 -215.00 -170 0 -1515.00 -1470 -1300 -2645.00 -2600 -2430 -5015.00 -4970 -4800 Elevation (ftTVD) rel to 0 215 45.00 -45.00 0 170
Gambar 5. Mode shape #1 dan #2
Berdasarkan  hasil  parameter  penentuan  VIV  diatas,  maka  didapat  hasil  seperti tabel berikut:
Mode 1 V R (Reduced Velocity at 1 yr RP) 2.365449 K s (Stability Parameter) 0.848251 V R (Reduced Velocity at 100 yr RP) 3.153931 K s (Stability Parameter) 0.848251 Mode 2 V R (Reduced Velocity at 1 yr RP) 0.702105 K s (Stability Parameter) 0.784773 V R (Reduced Velocity at 100 yr RP) 0.93614 K s (Stability Parameter) 0.784773

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  analisa  VIV  pada drilling conductor SAKA Energi Sesulu,  maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Analisa  VIV  pada  conductor  untuk kondisi  beban  lingkungan  dengan Return  Period 1  tahun  menemukan bahwa  nilai V R dan  Ks untuk  mode 1  dan  mode  2  pada  Gambar  3  be-
rada pada area dimana in-line vortex vibration telah terjadi.
2. Plotting  nilai  VR  dan  Ks  untuk struktur  conductor  yang  mengalami beban  lingkungan  dengan Return
Period 100  tahun  memperlihatkan bahwa  in-line  vortex  vibration  ter- jadi pada struktur.
3. Vortex  vibration dapat  menyebab- kan  pengurangan  umum  kelelahan material.  Berdasarkan  hasil  analisa didapatkan  bahwa vortex  vibration terjadi  pada  struktur  untuk  setiap jenis  pembebanan.  Oleh  karena  itu, struktur  drilling  conductor  perlu  di pasang support lateral tambahan un- tuk mengurangi free span.

## Daftar Pustaka
Blevin,  R.  (1979). Formula  For Natural Frequency And Mode  Shape. New  York: Van Norstrand Reinhold Company.
DNV.  (2010). Recommended  Practice
C205. Norway: DNV.
Guo,  B.  (2005). Offshore  Pipeline. Burlington: Gulf Professional Publisher. Naess, A. A. (1985). Fatigue Handbook  Offshore  Steel Structure. Trondheim.