Pompa dalam operasi: seal mekanis dan paking, pompa perpindahan positif, kurva lapangan, getaran, kavitasi, dan troubleshooting

Sebuah laundry rumah sakit memakai pompa sentrifugal untuk mensirkulasikan air panas dari tangki ke mesin cuci. Dalam setahun, seal mekanis pompa itu diganti tiga kali. Setiap sore, ketika tangki mencapai suhu tertingginya, pompa berbunyi seperti kerikil yang berputar di dalam rumahnya, dan pembacaan daya motor lebih besar dari catatan saat pompa baru. Di ruang yang sama, pompa roda gigi untuk memindahkan bahan kimia kental dari drum ke tangki pernah membuat selang keluarannya pecah ketika operator menutup katup keluaran sebelum mematikan pompa.

Teknisi utilitas yang memeriksa menemukan beberapa hal: tangki air panas berada hanya sedikit di atas pompa, suhu air sore hari mendekati titik didih pada tekanan tangki, pompa pernah berjalan kering setiap kali tangki dikuras untuk dibersihkan, dan pompa roda gigi tidak memiliki katup pelepas di sisi keluarannya. Bab ini menjelaskan pompa dari sisi operasi dan perawatan, sehingga teknisi dapat membaca gejala dan menghentikan kerusakan berulang.

Batas pembahasan

Bab ini membahas operasi dan perawatan pompa sentrifugal dan pompa perpindahan positif di laundry, dapur, dan ruang utilitas: seal dan paking, celah dan cincin aus, pompa perpindahan positif, aliran minimum dan kerja kering, kavitasi, getaran, memulai dan menghentikan, dan troubleshooting. Pompa, penukar panas, dan titik kerja ada di Bab 3; head, kurva pompa, kurva sistem, NPSH, dan susunan pompa gedung di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas; udara di jalur cairan dan pancingan di Bab 6; poros, kopling, dan kelurusan di Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika; bantalan dan getaran motor di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali; dispenser peristaltik di Bab 1 · Dispensing Kimia; dan tabel uap untuk tekanan uap air panas di Bab 3 · Utilitas. Sumbernya adalah narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri, terutama buku pegangan pompa, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Data pompa tertentu diambil dari manual pabrik; angka umum ditandai nilai literatur umum; angka contoh adalah angka latihan.

Pompa di laundry, dapur, dan ruang utilitas

Pompa sentrifugal memindahkan air bersih, air panas, air umpan boiler, kondensat, air pendingin, dan air limbah. Pompa perpindahan positif memindahkan cairan kental, bahan kimia, dan cairan yang harus diukur. Buku pegangan pompa dalam narasi Fluida mengingatkan bahwa yang pertama adalah jenis pompa yang benar untuk penggunaan yang benar, dan mencatat bahwa kapasitas, head, dan efisiensi pompa sentrifugal turun pada kekentalan yang lebih tinggi. Buku prinsip desain teknik kimia menambahkan bahwa pompa perpindahan positif juga dipakai untuk memompa cairan yang sangat kental.

Banyak kerusakan pompa bukan kerusakan pompanya, tetapi akibat cara pompa itu dipakai di dalam sistem: tangki isap terlalu rendah, katup tertutup, cairan terlalu panas, atau pompa dijalankan tanpa cairan. Karena itu troubleshooting pompa selalu melihat pompa bersama sistemnya, seperti titik kerja di Bab 3.

Seal mekanis

Di tempat poros keluar dari rumah pompa, cairan harus ditahan. Seal mekanis melakukannya dengan dua muka yang sangat rata dan saling menekan: satu berputar bersama poros, satu diam di rumah pompa, ditekan pegas, dengan elastomer sebagai penyegel sekunder (nilai literatur umum). Lapisan cairan yang sangat tipis di antara kedua muka melumasi dan mendinginkannya; tanpa lapisan itu, muka seal panas dan retak dalam hitungan detik sampai menit.

Buku pegangan pompa dalam narasi Fluida mencatat bahwa sebagian besar seal mekanis dapat dipasang di luar atau di dalam, memberi susunan untuk seal mekanis tunggal, dan membedakan bahan muka seal seperti tungsten karbida dan silikon karbida. Buku yang sama memberi rentang suhu elastomer tertentu, misalnya dari minus 30 sampai 200 °C, yang menunjukkan bahwa elastomer dipilih menurut suhu dan cairan, bukan menurut harga.

Penyebab kegagalan seal yang umum (nilai literatur umum):

1. Kerja kering, termasuk saat tangki dikuras atau udara masuk ke jalur isap.
2. Kavitasi dan getaran, yang membuat muka seal terbuka dan menutup berulang.
3. Cairan terlalu panas untuk elastomer atau mendekati titik didih di sekitar muka seal.
4. Partikel abrasif dan kerak yang menggores muka.
5. Pemasangan yang salah: muka tergores tangan, elastomer terpelintir, atau panjang kerja pegas salah.
6. Ketidaklurusan poros dan bantalan aus, seperti di Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika dan Bab 44 · Kelistrikan & Kendali.

Seal yang diganti berulang tanpa mencari penyebab adalah gejala yang belum didiagnosis.

Paking kelenjar

Pompa yang lebih tua dan sebagian pompa air memakai paking kelenjar: beberapa cincin paking ditekan di dalam rumah paking oleh penekan kelenjar. Buku pegangan pompa dalam narasi Fluida menyebut susunan paking dengan dan tanpa cincin lentera untuk pembilasan. Berbeda dengan seal mekanis, paking kelenjar harus sedikit menetes, karena tetesan itu melumasi dan mendinginkan paking dan poros (nilai literatur umum). Paking yang dikencangkan sampai kering terbakar, mengeras, dan menggerus selongsong poros.

Buku dasar plumbing dan pemanas sentral dalam narasi yang sama mencatat bahwa bila kelenjar bocor, mengencangkan mur kelenjar sedikit mungkin sudah cukup. Kata kuncinya "sedikit": mur dikencangkan seperenam sampai seperempat putaran, pompa dijalankan beberapa menit, lalu tetesan diamati sebelum dikencangkan lagi (nilai literatur umum). Bila tetesan tetap deras setelah beberapa kali, paking diganti seluruhnya, dan selongsong poros diperiksa dari alur aus.

Celah dan cincin aus

Pompa sentrifugal menjaga celah kecil antara impeler dan rumah agar cairan bertekanan di sisi keluaran tidak berputar kembali ke sisi isap. Buku pegangan rancangan plumbing dalam narasi Fluida mencatat bahwa penyegel di lubang masuk impeler umumnya berupa cincin aus, dan buku pegangan pompa mencatat bahwa celah yang membesar menurunkan head. Ketika cincin aus terkikis, celah membesar dan sebagian debit berputar di dalam pompa: head dan efisiensi turun, daya hampir tidak turun, dan pompa terasa "lemah" walaupun motornya sehat.

Pemeriksaan sederhananya adalah membandingkan tekanan keluaran pada katup keluaran tertutup sebentar, yaitu head tertutup, dengan kurva pabrik (nilai literatur umum). Head tertutup yang jauh di bawah kurva pada putaran yang benar menunjuk celah aus atau impeler rusak. Uji ini dilakukan sangat singkat, karena pompa yang berjalan tanpa aliran memanaskan cairan di dalamnya.

Pompa perpindahan positif

Buku pegangan pompa dalam narasi Fluida mendefinisikan pompa perpindahan positif sebagai pompa yang memindahkan cairan secara langsung. Buku dasar sistem hidraulik mencatat bahwa pompa roda gigi biasanya berpindahan tetap, dan bahwa roda gigi lurus, miring, atau tulang ikan umum dipakai di pompa roda gigi. Jenis lain yang dijumpai di laundry dan dapur adalah pompa lobus putar, pompa diafragma, dan pompa peristaltik, seperti dispenser di Bab 1 · Dispensing Kimia.

Debit teoretis pompa perpindahan positif adalah volume pindah per putaran dikalikan putaran. Debit nyata lebih kecil karena slip, yang oleh buku pegangan pompa didefinisikan sebagai cairan yang hilang lewat kebocoran melalui celah pompa; buku yang sama mencatat bahwa slip berkurang ketika kekentalan cairan naik. Perbandingan debit nyata dan teoretis adalah efisiensi volumetrik.

Ciri yang paling penting bagi keselamatan: pompa perpindahan positif mendorong cairan berapa pun tekanannya, sampai motor macet atau sesuatu pecah. Karena itu pompa ini harus memiliki katup pelepas di sisi keluaran atau terpasang di dalamnya, debitnya tidak diatur dengan menutup katup keluaran, dan katup keluaran tidak pernah ditutup saat pompa berjalan (nilai literatur umum). Debit diatur dengan putaran atau langkah. Buku pegangan pompa mencatat bahwa bila debit yang tepat tidak penting, penggerak putaran tetap biasanya dipakai.

Aliran minimum, kerja kering, dan katup tertutup

Pompa sentrifugal boleh dijalankan sebentar dengan katup keluaran tertutup, tetapi tidak lama (nilai literatur umum). Seluruh daya poros pada aliran nol berubah menjadi panas di cairan yang terjebak di rumah pompa, sehingga suhunya naik cepat dan dapat mendidih, merusak seal, dan memuaikan bagian dalam pompa. Pompa yang sering bekerja pada aliran sangat kecil, misalnya pompa penguat tanpa tangki tekan, memerlukan jalur aliran minimum atau kendali putaran.

Kerja kering lebih berbahaya lagi untuk seal mekanis. Penyebab umumnya adalah tangki yang dikuras, katup isap tertutup, saringan isap tersumbat, atau pancingan yang hilang seperti di Bab 6. Pelindungnya adalah sakelar level rendah di tangki isap, pengaman arus rendah pada motor, atau prosedur yang mematikan pompa sebelum tangki dikuras.

Kavitasi di lapangan

Buku pegangan pompa dalam narasi Fluida menyatakan bahwa kavitasi disebabkan tekanan masuk sistem yang tidak cukup bagi pompa, dan buku plumbing praktis mencatat bahwa kavitasi disertai getaran dan bising. NPSH yang tersedia dan yang diperlukan dibahas di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas; yang perlu diingat di lapangan adalah bahwa NPSH tersedia turun tajam ketika cairan makin panas, karena tekanan uapnya naik, seperti tabel uap di Bab 3 · Utilitas:

dengan $p_\text{permukaan}$ tekanan mutlak di permukaan tangki, $z_\text{isap}$ tinggi permukaan cairan di atas pompa, dan $h_\text{rugi,isap}$ rugi tekan jalur isap. Gejala kavitasi: bunyi seperti kerikil, getaran, tekanan keluaran berayun, dan debit turun. Kerusakannya berupa impeler berlubang-lubang dan seal yang cepat gagal. Penanganannya di sisi sistem: menaikkan tangki atau menurunkan pompa, memperbesar dan memperpendek pipa isap, membersihkan saringan isap, menurunkan suhu cairan, atau menekan tangki.

Getaran dan dudukan

Getaran pompa berasal dari ketidakseimbangan impeler, ketidaklurusan, bantalan aus, kavitasi, pipa yang menarik pompa, atau resonansi dudukan (nilai literatur umum). Buku pegangan rancangan plumbing dalam narasi Fluida mencatat bahwa akibat getaran resonansi adalah bising yang sangat mengganggu, dan buku pegangan plumbing jilid 1 menyebut alas beton dengan isolator pegas, isolator karet, dan bantalan neoprena untuk meredam getaran.

Frekuensi getaran membantu diagnosis: getaran pada putaran poros, satu kali per putaran, sering berasal dari ketidakseimbangan atau ketidaklurusan, dan getaran pada kelipatan jumlah sudu impeler dari aliran di sekitar sudu (nilai literatur umum). Penyelarasan poros dan kaki pincang dibahas di Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika, dan pemeriksaan bantalan dan getaran dasar di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali. Pipa harus ditumpu sendiri dan tidak membebani flens pompa; flens yang ditarik pipa membuat pompa tidak lurus walaupun sudah diselaraskan.

Memulai dan menghentikan pompa

Urutan umum (nilai literatur umum; ikuti manual pabrik):

1. Sebelum mulai: periksa level tangki isap, katup isap terbuka penuh, pompa terpancing dan bebas udara, arah putar benar dengan menjalankan sebentar, dan tidak ada komponen yang tertinggal. Buku pegangan pompa memuat pertanyaan pemeriksaan seperti apakah ada komponen baru atau hasil perbaikan yang lupa dipasang.
2. Pompa sentrifugal biasanya dinyalakan dengan katup keluaran sedikit terbuka, lalu katup dibuka bertahap sampai titik kerja; pompa besar sering memakai penyala lembut atau pengubah frekuensi, yang menurut buku pegangan pompa juga dapat memberi penyalaan lembut. Urutan ini adalah praktik umum, bukan aturan untuk semua sirkuit. Pada sirkuit kolam renang yang memompa ke filter pasir bertekanan, manual filter dan manual pompa kolam komersial yang dipakai Arstema meminta semua katup isap dan tekan dibuka sebelum pompa dinyalakan, dan manual filter memperingatkan bahwa menyalakan sistem dengan katup itu tertutup dapat menyebabkan cedera berat atau kerusakan. Debit kolam baru disetel dengan katup isap dan katup balik setelah aliran stabil. Bila manual peralatan berbeda dengan urutan umum ini, manual peralatan yang diikuti.
3. Pompa perpindahan positif selalu dinyalakan dengan katup keluaran terbuka.
4. Saat berhenti, pompa sentrifugal dimatikan setelah katup keluaran dikecilkan bila ada risiko palu air, dan pompa perpindahan positif dimatikan sebelum katup apa pun ditutup.

Troubleshooting menurut gejala

Buku pegangan pompa memberi daftar periksa gangguan, misalnya memeriksa sumbatan seperti katup yang tertutup, dan mencatat bahwa untuk menambah head dapat dipasang impeler yang lebih besar setelah ukuran motor diperiksa, atau sebaliknya diameter impeler dikurangi. Ringkasan menurut gejala (nilai literatur umum):

1. Tidak ada aliran: pompa tidak terpancing, arah putar terbalik, katup tertutup, saringan isap tersumbat, atau kopling putus.
2. Debit atau head kurang: cincin aus, impeler tersumbat atau rusak, putaran rendah, udara masuk di jalur isap, kavitasi, atau sistem berubah.
3. Daya terlalu besar: debit di luar titik kerja rancangan, cairan lebih kental atau lebih berat, gesekan di dalam pompa, atau arah putar terbalik pada sebagian pompa.
4. Bising dan getaran: kavitasi, ketidaklurusan, bantalan aus, atau pipa yang membebani pompa.
5. Seal bocor berulang: kerja kering, kavitasi, suhu, partikel, atau getaran.
6. Pompa panas: berjalan pada aliran sangat kecil atau katup tertutup.

Hukum kesebangunan pompa memberi perkiraan akibat memangkas impeler kecil-kecilan (nilai literatur umum): debit sebanding dengan diameter, head dengan kuadratnya, dan daya dengan pangkat tiganya.

Contoh kerja

Contoh 1: NPSH pada sore hari. Tangki terbuka pada 1,013 bar mutlak, permukaan air 1,0 m di atas pompa, dan rugi isap 0,3 m. Pada 80 °C dengan tekanan uap sekitar 0,474 bar dan kerapatan 972 kg/m³ (nilai literatur umum), $\text{NPSH}_\text{tersedia} = (1{,}013 - 0{,}474) \times 10^5/(972 \times 9{,}81) + 1{,}0 - 0{,}3 = 6{,}4$ m. Pada 95 °C dengan tekanan uap 0,845 bar dan kerapatan 962 kg/m³, nilainya $(1{,}013 - 0{,}845) \times 10^5/(962 \times 9{,}81) + 0{,}7 = 2{,}5$ m. Bila pompa memerlukan 3 m, pompa berkavitasi setiap sore, seperti di kasus pembuka.

Contoh 2: panas pada katup tertutup. Pompa menyerap 3 kW pada aliran nol, dan rumahnya berisi 5 L air. Laju kenaikan suhu $3.000/(5 \times 4.186) = 0{,}14$ K/s, yaitu sekitar 8,6 K per menit. Dalam 5 menit, air naik sekitar 43 K.

Contoh 3: slip pompa roda gigi. Volume pindah 20 mL per putaran pada 1.450 rpm memberi debit teoretis $20 \times 1.450 = 29.000$ mL/menit, yaitu 29 L/menit. Debit terukur 26 L/menit, sehingga slip 3 L/menit dan efisiensi volumetrik $26/29 = 0{,}90$.

Contoh 4: cincin aus. Cincin aus berdiameter 100 mm dengan celah radial 0,3 mm memberi luas celah $\pi \times 0{,}1 \times 0{,}0003 = 9{,}4 \times 10^{-5}$ m². Dengan beda tekanan 1,5 bar, kecepatan di celah sekitar $\sqrt{2 \times 1{,}5 \times 10^5/1.000} = 17{,}3$ m/s, dan dengan koefisien buang 0,6 (angka latihan) kebocoran dalam sekitar 3,5 m³/jam. Bila celah aus menjadi 0,8 mm, kebocoran naik menjadi sekitar 9,4 m³/jam, besar dibanding debit pompa 30 m³/jam.

Contoh 5: daya pompa. Debit 30 m³/jam, head 25 m, dan efisiensi 0,60 memberi daya poros $1.000 \times 9{,}81 \times (30/3.600) \times 25/0{,}60 = 3.400$ W, sekitar 3,4 kW. Pembacaan 4,5 kW pada debit dan head yang sama menunjuk gesekan, kerusakan, atau cairan yang berbeda.

Contoh 6: memangkas impeler. Impeler 200 mm dipangkas menjadi 180 mm, perbandingan 0,9. Debit kira-kira menjadi 0,9 kali, head 0,81 kali, dan daya 0,73 kali, sehingga pompa yang terlalu besar untuk sistemnya dapat dibuat hemat tanpa membuang energi di katup.

Contoh 7: frekuensi getaran. Pompa berputar 2.950 rpm, yaitu 49,2 Hz. Impeler bersudu enam memberi frekuensi lintas sudu $6 \times 49{,}2 = 295$ Hz. Getaran yang menonjol pada 49 Hz menunjuk ketidakseimbangan atau ketidaklurusan; pada 295 Hz menunjuk aliran di sekitar sudu.

Contoh 8: tetesan paking. Paking kelenjar menetes sekitar 60 tetes per menit, dan 20 tetes kira-kira 1 mL (nilai literatur umum). Tetesannya sekitar 3 mL/menit atau sekitar 4,3 L per hari, wajar untuk melumasi. Bila tetesan menjadi aliran kecil yang terus-menerus, paking dikencangkan sedikit atau diganti.

Contoh 9: katup pelepas pompa roda gigi. Selang keluaran pompa roda gigi bertekanan kerja 6 bar dan tekanan pecah sekitar 18 bar (angka latihan). Tanpa katup pelepas, katup keluaran yang tertutup membuat tekanan naik sampai selang pecah. Katup pelepas disetel di atas tekanan kerja dan di bawah tekanan aman selang, misalnya 8 bar, dan alirannya dikembalikan ke drum atau sisi isap.

Kondisi berhenti

Hentikan pompa dan serahkan kepada orang yang berwenang bila:

1. Pompa harus dibuka tanpa isolasi listrik, isolasi katup isap dan keluaran, dan pembuangan tekanan, seperti di Bab 4 · Keselamatan.
2. Pompa perpindahan positif tidak memiliki katup pelepas atau katup keluarannya akan ditutup saat berjalan.
3. Pompa bahan kimia atau air panas bocor menyembur dari seal atau paking.
4. Bising kavitasi, getaran keras, atau suhu bantalan yang tinggi muncul tiba-tiba.
5. Pompa berjalan kering atau pada katup tertutup dan rumahnya panas.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Seal bocor berarti seal jelek." Seal yang gagal berulang biasanya menunjuk kerja kering, kavitasi, suhu, atau getaran.
2. "Paking yang baik tidak menetes sama sekali." Paking kelenjar memerlukan tetesan kecil untuk pelumasan.
3. "Debit pompa perpindahan positif diatur dengan katup keluaran." Debit diatur dengan putaran atau langkah; katup tertutup membuat tekanan naik tanpa batas.
4. "Kavitasi masalah pompa." Kavitasi adalah masalah tekanan masuk sistem, terutama pada cairan panas.
5. "Pompa sentrifugal boleh berjalan lama dengan katup tertutup." Cairan di dalamnya memanas cepat.
6. "Pompa lemah berarti motor lemah." Celah aus dan impeler rusak menurunkan head walaupun motor sehat.
7. "Getaran diatasi dengan baut dudukan yang lebih kencang." Penyebab seperti ketidaklurusan, kavitasi, dan pipa yang membebani tetap ada.

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 memberi titik kerja, Bab 9 · Bangunan & Fasilitas kurva pompa dan NPSH, Bab 6 pancingan dan udara, Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika kelurusan, Bab 44 · Kelistrikan & Kendali bantalan dan getaran, Bab 1 · Dispensing Kimia pompa peristaltik, Bab 3 · Utilitas tekanan uap, dan Bab 4 · Keselamatan isolasi energi. Bab 10 dan Bab 11 membahas katup kendali dan sambungan flens di sekitar pompa.

Latihan dan pembahasan

1. Impeler 160 mm dipangkas menjadi 150 mm. Berapa perbandingan debit, head, dan daya yang diperkirakan?
2. Pompa menyerap 2 kW pada aliran nol dengan 4 L air di rumahnya. Berapa kenaikan suhu per menit?
3. Pompa roda gigi 15 mL per putaran pada 960 rpm mengalirkan 12,5 L/menit. Berapa efisiensi volumetriknya?
4. Tangki terbuka berisi air 70 °C dengan tekanan uap 0,312 bar dan kerapatan 978 kg/m³, permukaan 0,5 m di atas pompa, dan rugi isap 0,4 m. Berapa NPSH tersedia?
5. Mengapa pompa perpindahan positif memerlukan katup pelepas?
6. Seal mekanis pompa air panas gagal setelah tangki dikuras untuk dibersihkan. Apa penyebab dan pencegahannya?

Kunci jawaban beralasan

1. Perbandingan $150/160 = 0{,}94$: debit sekitar 0,94 kali, head $0{,}94^2 = 0{,}88$ kali, dan daya $0{,}94^3 = 0{,}82$ kali.
2. $2.000/(4 \times 4.186) = 0{,}12$ K/s, yaitu sekitar 7,2 K per menit.
3. Debit teoretis $15 \times 960 = 14.400$ mL/menit, yaitu 14,4 L/menit, sehingga efisiensinya $12{,}5/14{,}4 = 0{,}87$.
4. $(1{,}013 - 0{,}312) \times 10^5/(978 \times 9{,}81) + 0{,}5 - 0{,}4 = 7{,}3 + 0{,}1 = 7{,}4$ m.
5. Pompa ini terus mendorong cairan berapa pun tekanannya, sehingga katup yang tertutup atau saluran yang tersumbat membuat tekanan naik sampai selang, pipa, atau pompa pecah; katup pelepas membatasi tekanan.
6. Pompa berjalan kering ketika tangki kosong, sehingga muka seal kehilangan lapisan cairan dan panas berlebih. Pencegahannya adalah mematikan pompa sebelum tangki dikuras, sakelar level rendah, atau pengaman arus rendah pada motor.

Referensi