Anjungan Lepas Pantai

Pendahuluan

Selama sepuluh tahun terakhir, perusahaan perusahaan minyak yang berada di Amerika Serikat mulai mengembangkan daerah eksplorasi dan eksploitasinya ke arah laut dalam. Maka tidaklah mengherankan jika dana riset banyak yang mengalir ke universitas-universitas yang mempunyai jurusan teknik kelautan untuk terus mengembangkan baik software maupun metodologi yang berkaitan dengan analisa pergerakan bangunan lepas pantai yang mengapung (Floating Offshore Structure) sebagai akibat dari gaya yang ditimbulkan oleh ombak, angin, dan arus.

Untuk laut dalam (kedalaman laut lebih dari 2000 ft), penggunaan fix-structure sangat tidak effisien dan bernilai tidak ekonomis. Selain dibutuhkan struktur yang kuat (sehingga mahal) juga memerlukan fondasi yang sangat dalam untuk menyangga struktur dan operasi drilling mulai dari dasar laut sampai ke permukaan untuk proses penyulingan, produksi, dan lain sebagainya. Sehingga, fix-structure bukan merupakan pilihan yang tepat untuk beroperasinya bangunan lepas pantai untuk sumur yang berada di laut dalam. Bahkan untuk kedalaman lebih dari 10000 ft adalah tidak mungkin jika menggunakan jenis platform ini. Akhirnya, muncul konsep baru yang dikenal dengan floating structure (struktur yang mengambang).

Ada banyak macam jenis dari Floating Structure ini, antara lain: TLP (Tension Leg Platform), Spar, Semi-submersible, FPSO (Floating Production, Storage and Offloading), dll. Ulasan tentang berbagai jenis platform ini sedang dipersiapkan oleh penulis dalam tiga seri. (Nurtjahyo dan Tahar, 2003a). Sebagai ilustrasi, floating structure jenis Spar ditunjukkan pada gambar 1.

Benda yang mengapung akan bergerak tergantung dari arah datangnya ombak, angin dan arus. Demikian juga dengan Floating Structure ini. Untuk membuat benda ini relatif tidak bergerak kemana-mana, maka diperlukan tali pengikat atau dikenal dengan mooring line. Mooring ini dipasang di sekeliling platform sedemikian rupa sehingga floating structure untuk kondisi tanpa pengaruh ombak, angin dan arus akan berada pada posisi setimbang untuk arah vertical maupun horizontal. Jumlahnya mooring berkisar antara 9 sampai 13 tergantung dari jenis platformnya. Masing-masing mooring ini diikat pada dua lokasi. Lokasi pertama berada di floating structure itu sendiri (tempat mencantolkan mooring ini dikenal dengan nama Fairlead) sedangkan lokasi kedua ditancapkan di dasar laut. Sehingga sekarang gaya yang bekerja pada platform tidak lagi hanya ombak, angin dan arus saja, tetapi melibatkan gaya (top tension) dari masing-masing mooring yang menempel di sekeliling platform tadi.

Untuk mengambil minyak dan gas di dasar laut, diperlukan alat transport yang dikenal dengan Riser. Riser ini ada banyak modelnya, tetapi yang dikenal luas ada 2 jenis, yaitu SCR (Steel Catenary Riser) dan TTR (Top Tension Riser). Seperti halnya mooring line, Riser line ini panjangnya dari platform sampai ke dasar laut. Untuk jenis SCR, kelengkungan dari Riser line ini mirip dengan kelengkungan dari Mooring line. Sedangkan TTR adalah jenis Riser yang vertical (tegak lurus) dari platform ke dasar laut. Jumlah dari SCR dan TTR tergantung dari sumur yang berada di dasar laut. Sedangkan sumur yang akan dibor tergantung dari jumlah cadangan dan produksi yang diinginkan setiap harinya. Dengan adanya Riser ini mengakibatkan tambahan gaya selain gaya-gaya yang disebutkan di atas yang bekerja pada platform.

Sehingga untuk analisa pergerakan dari floating structure harus melihat komponen gaya yang bekerja pada platform baik yang vertikal (berat, buoyancy dan vertikal tension dari masing-masing Mooring dan Riser) maupun yang horizontal (ombak, angin, arus, dan horizontal tension dari masing-masing Mooring dan Riser). Untuk disain, selain harus memperhatikan faktor-faktor di atas, juga harus memperhitungkan jumlah cadangan minyak dan gas yang akan diambil (berapa barrel setiap harinya), sehingga ini akan mempengaruhi jumlah Riser dan pemilihan diameter yang akan dipakai. Faktor lain yang harus diperhitungkan adalah lokasi dimana anjungan minyak lepas pantai ini akan beroperasi karena Environment Condition akan berbeda jika kita mendisain untuk teluk Meksiko atau untuk selat Makasar. Sehingga informasi tentang MetOcean menjadi penting untuk proses awal ini.

Vortex Induced Vibration pada Spar

VIV dapat muncul di sekitar Riser karena aliran arus atau juga di sekitar Spar karena aliran ombak, angin dan arus. Untuk Riser (terutama jenis TTR) merupakan tantangan tersendiri karena dengan jumlah TTR yang lebih dari satu dan posisinya berdekatan (umumnya jarak antar riser berkisar 10 ft dengan panjang lebih dari 3000ft arah vertical) harus diantisipasi agar masing-masing riser tidak berbenturan. Tulisan ini akan lebih terfokus untuk masalah VIV di sekitar Spar (dimana pergerakan Spar ini juga dipengaruhi oleh VIV yang disebabkan karena Riser).

Spar adalah jenis banguan lepas pantai yang mengapung yang berbentuk mirip seperti silinder yang berdiri (lihat gambar 1). Jika ada sebuah aliran yang mengenai benda diam (misalnya silinder) maka aliran yang mengenai benda tersebut akan pecah sehingga vortex dan wake akan terbentuk. Terbentuknya dan pelepasan vortex di bagian kiri dan kanan silinder itu saling bergantian secara teratur dengan waktu (periodik). Karena pola aliran tidak simetris maka distribusi tekanan juga tidak simetris dan berubah dengan waktu secara periodik, jadi silinder akan mengalami gaya neto yang berfluktuasi secara periodik. Pelepasan vortex ini ditandai dengan bilangan Strouhal sekitar 0.20. (King, 1977 dan Winarto, 2003)

Untuk bangunan lepas pantai yang mengapung, benda ini tidak diam melainkan bergerak lentur karena gaya-gaya yang bekerja tadi. Ketika ombak, angin dan arus mengalir dan menimbulkan gaya yang mengenai benda maka akan ada interaksi antara mekanisme dari terbentuknya vortex di belakang benda dengan pergerakan struktur tadi. Ketika kedua frekuensi yang disebabkan oleh fluida dan benda itu mempunyai nilai yang sama (hampir sama) disebut dengan “lock-in”. Pada kondisi ini, pergerakan benda menjadi tereksitasi dengan kuat dan apabila gaya yang ditimbulkan melebihi dari maksimum gaya yang bisa ditahan oleh Mooring akan mengakibatkan putusnya Mooring itu.

Untuk mengurangi efek dari VIV dapat dilakukan dua metoda. Pertama, pendekatan struktur, yaitu dengan menaikkan nilai frekuensi pribadinya melalui distribusi dari masa benda atau menambah kekakuan benda (stiffness) atau dengan menambah damper untuk mengabsorbsi energi. Kedua, memanfaatkan bentuk-bentuk benda yang aerodinamis untuk mengurangi terbentuknya vortex di sekitar benda. Piranti pemecah vortex antara lain dengan menambahkan helical strakes atau kabel di sekeliling silinder, sehingga akan mempengaruhi letak atau lokasi separasi dari aliran (Zdravkovich, 1981).

Solusi Pemecahan

Sampai saat ini, untuk menganalisa dampak dari VIV masih dipercayakan pada model test (eksperimen). Salah satu kelemahan dari model test adalah efek dari scale model dan bilangan Reynolds maksimum yang dapat dilakukan adalah kurang dari 10⁵. Sehingga tingkat kepercayaan dari hasil model test ini sering diperdebatkan, karena efek dari bilangan Reynolds pada turbulence vortex street akan berbeda antara Postcritical Regime (Re > 4×10⁶) dan Critical Regime. Penelitian tentang VIV saat ini secara intensif sedang dilakukan oleh perusahaan-perusahaan minyak seperti ExxonMobil dan ChevronTexaco.

Melihat perkembangan dunia computer saat ini yang meningkat dengan pesat, adalah sangat memungkinkan untuk dapat mensimulasikan pergerakan floating structure akibat ombak, angin dan arus. Simulasi numerik dapat membantu melihat fenomena fisik yang terjadi untuk aliran di sekitar benda berikut dengan efek dari VIV terhadap pergerakan benda itu sendiri. Interaksi antara pergerakan benda yang menimbulkan vortex dan vortex yang mempengaruhi pergerakan benda adalah fenomena menarik yang tidak mampu dijelaskan secara fisik oleh model test.

Pemanfaatan CFD (Computational Fluid Dynamics) yang sebelumnya lebih didominasi pada dunia aerodinamika sekarang dapat diaplikasikan ke dunia perminyakan khususnya pada anjungan minyak di laut dalam. Pemodelan numerik dapat dilakukan melalui metoda DNS (Direct Numerical Simulation), LES (Large Eddy Simulation) atau RANS (Reynolds Average Navier Stokes). Pada umumnya, yang sudah pernah dilakukan adalah analisa aliran di sekitar kaki-kaki anjungan minyak lepas pantai (fix-strutcure). Untuk kondisi ini, pemodelan dua dimensi (2D) mungkin cukup memberikan pengertian dasar tentang aliran di sekitar anjungan. Untuk anjungan minyak lepas pantai yang mengapung di permukaan air laut di atas kedalaman laut lebih dari 2000 ft akan sangat kompleks karena banyaknya faktor eksternal seperti yang dijelaskan di atas. Untuk kasus laut dalam, pemodelan VIV secara numerik dengan mengunakan pendekatan 2-D akan memberikan pengertian yang salah terhadap aliran yang sebenarnya.

Untuk pemodelan numerik menggunakan DNS akan sangat mahal (dan lama) karena domain yang besar dan ukuran grid yang berbeda untuk setiap komponennya. Simulasi dengan menggunakan Chimera RANS untuk aliran inkompresibel, viscous, unsteady, dan k-e model merupakan salah satu alternative. Simulasi 2-D telah dikerjakan untuk aliran di sekitar 3 benda diam (segi enam beraturan) yang berjarak sama satu dengan yang lain. Domain untuk komputasi dibagi menjadi 5 blok dengan jumlah total grid sekitar 100000 titik dan bilangan Reynolds 50000. Kontur untuk kecepatan dan tekanan dapat dilihat pada gambar 2a dan 2b untuk dua konfigurasi yang berbeda untuk waktu t=40 detik (Nurtjahyo, 2003b)

Kesimpulan

Kondisi di lapangan menunjukkan bahwa VIV merupakan fenomena yang benar ada dan “mengganggu” stabilitas dari floating structure. Efek dari VIV ini akan berbahaya untuk anjungan minyak lepas pantai di laut dalam, yaitu jika frekuensi yang dimiliki dari fluida akibat keberadaan benda sama dengan frekuensi dari pergerakan benda.

Model test tidak dapat menjelaskan fenomena fisik yang terjadi di lapangan karena efek dari scale model dan kondisi aliran yang berbeda antara eksperimen dan lapangan. Salah satu harapan untuk menjawab misteri ini diharapkan datang dari simulasi numerik. Meskipun kemajuan computer sangat cepat, permasalahan pemodelan numerik secara detail untuk kasus ini masih sangat mahal dan akan makan waktu yang lama. Dengan piranti yang ada, RANS (atau LES), diharapkan akan memberikan gambaran pengertian yang lebih baik dari fenomena alam ini.

Daftar Pustaka

1. King, R., “A Review of Vortex Shedding Research and Its Application”, Journal of Ocean Engineering, 4 (1977), pp. 141-171.
2. Nurtjahyo, P. dan Tahar, A., 2003a (Personal Research, not published)
1. “Alih Teknologi bidang Floating Structure di Indonesia: Seri 1”
2. “Floating Structure untuk Laut Dalam: Seri 2”
3. “Teknologi Floating Structure untuk Laut Dalam di Indonesia: Seri 3”
3. Nurtjahyo, P. “Vortex Shedding from Groups of Three and Four Equispaced Cylinder in Cross Flow”, 2003b (Personal Research, not published)
4. Tahar, A., “Buoyancy can effect……………..”
5. Winarto, H., Personal Communication, November 15, 2003
6. Zdravkovich, M.M., “Review and Classification of Various Aerodynamic and Hydrodynamic means for Suppressing Vortex Shedding”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7 (1981) pp. 145-189.