Segel, paking, dan perapat: O-ring, segel bibir, paking gland, segel mekanis pompa, dan diagnosis kebocoran

Pompa cuci mesin pencuci piring di dapur rumah sakit meneteskan air dari celah antara rumah pompa dan motor. Teknisi melepas pompa, mengganti segel mekanisnya, dan agar O-ring karet baru mudah masuk, melumasinya dengan gemuk mineral dari bengkel. Setelah pompa terpasang, ia menyalakan motor sebentar sebelum tangki terisi untuk melihat arah putaran. Seminggu kemudian pompa bocor lagi, O-ring itu membengkak dan lembek, dan muka segel karbonnya tergores melingkar.

Dua kesalahan cukup untuk merusak segel baru. Karet EPDM yang cocok untuk air panas dan deterjen membengkak oleh minyak mineral. Muka segel mekanis dilumasi lapisan tipis cairan yang dipompa, sehingga beberapa detik tanpa air sudah cukup untuk memanaskan dan menggoresnya. Bab ini menjelaskan cara perapat bekerja dan cara memasangnya agar bertahan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas perapat statis dan dinamis pada mesin laundry, dapur, pompa, dan gearbox: paking, sealant, O-ring, segel bibir, paking gland, dan segel mekanis, beserta pemasangan dan diagnosis kebocoran. Narasi disiplin Teknik Mekanikal dan Mekatronika memuat sedikit kutipan tentang perapat; bab ini memakai juga kutipan handbook pompa di narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri, manual mesin milik pemilik, dan pengetahuan teknik umum yang ditandai di peta sumber.

Kecocokan polimer dan elastomer dengan bahan kimia ada di Kimia 212, pengencangan sambungan berbaut di bab baut dan sambungan ulir, bantalan yang dilindungi segel di bab bantalan, kelurusan poros di bab poros dan kopling, pelumas di bab pelumasan, dan kerak mesin pencuci piring di Bab 9 · Dishwashing. Ukuran, bahan, dan cara pasang perapat untuk mesin tertentu diambil dari pabriknya. Angka di bab ini adalah nilai literatur umum atau angka latihan, dan ditandai.

Perapat statis dan dinamis

Perapat menahan cairan atau gas di satu sisi celah antara dua bagian. Ada dua kelompok:

1. Perapat statis di antara dua bagian yang tidak bergerak relatif: paking flens, paking rumah, O-ring di alur tutup, dan sealant cair. Manual mesin pemilik mencantumkan paking rumah bantalan utama dan bahan perapat cair silikon dalam daftar suku cadangnya.
2. Perapat dinamis di antara bagian yang bergerak: segel bibir pada poros berputar, O-ring dan segel batang pada silinder, paking gland, dan segel mekanis pompa.

Perapat statis bergantung pada tekanan jepit yang cukup dan rata. Perapat dinamis bergantung pada lapisan pelumas yang sangat tipis di antara bibir atau muka segel dan permukaan yang bergerak; tanpa lapisan itu perapat aus dan panas, dengan lapisan yang terlalu tebal perapat bocor. Handbook teknik manufaktur dalam narasi mencatat bahwa biasanya tersedia beberapa jenis sealant untuk satu penerapan dan memuat tabel jenis bahan perapat.

Paking dan sealant

Paking flens ditekan di antara dua permukaan oleh baut. Hal yang menentukan kerapatannya:

1. Permukaan bersih dan rata, tanpa sisa paking lama, goresan melintang, atau karat.
2. Bahan sesuai fluida dan suhu: serat tekan, PTFE, karet, atau logam spiral; paking karet biasa tidak tahan uap.
3. Pengencangan bertahap dengan pola menyilang sampai torsi yang ditetapkan, seperti di bab baut dan sambungan ulir. Paking melemas setelah pemanasan pertama, sehingga pabrik dapat meminta pengencangan ulang.
4. Paking tidak dipakai ulang, karena sudah berubah bentuk mengikuti permukaan lama.

Sealant cair yang mengeras di tempat dipakai pada rumah dengan permukaan rata yang dirancang tanpa paking. Lapisan yang terlalu tebal terdorong ke dalam dan dapat menyumbat saluran oli. Sealant ulir untuk sambungan pipa dibahas di bab material pipa.

O-ring: ukuran, tekanan pasang, dan alur

O-ring adalah cincin elastomer berpenampang bulat yang dipasang di alur. Saat dirakit, penampangnya tertekan dan menutup celah; tekanan fluida kemudian mendorong O-ring ke sisi alur dan membuat rapatnya lebih kuat. Ukurannya dinyatakan dengan diameter dalam dan diameter penampang. Manual mesin pemilik, misalnya, mencantumkan O-ring berdiameter dalam 3-7/8 inci dengan penampang nominal 1/8 inci dari karet nitril berkekerasan 70.

Besaran yang diperiksa:

1. Tekanan pasang (squeeze): persentase penampang yang tertekan, $(\text{penampang} - \text{kedalaman alur}) / \text{penampang}$. Untuk perapat statis sering sekitar 15 sampai 30 persen dan untuk perapat dinamis lebih kecil (nilai literatur umum; Contoh 3).
2. Regangan pasang: O-ring yang dipasang di alur poros diregangkan; regangan sekitar 5 persen ke atas membuat penampangnya menipis (nilai literatur umum; Contoh 4).
3. Isi alur: volume alur harus lebih besar daripada volume O-ring agar karet yang memuai karena panas atau membengkak tidak terdesak keluar.
4. Celah ekstrusi: pada tekanan tinggi O-ring terdorong masuk ke celah di belakangnya dan tergigit; cincin penahan dipasang bila pabrik memintanya.

O-ring pengganti dipesan dengan ukuran dan bahan yang sama. O-ring yang tampak sama tetapi berbeda bahan dapat gagal cepat.

Kecocokan bahan elastomer

Pilihan bahan menentukan umur perapat lebih dari ukurannya. Gambaran umum dari literatur elastomer (nilai literatur umum, rinciannya di Kimia 212):

1. Karet nitril (NBR) tahan oli mineral dan gemuk, dipakai pada segel bantalan dan gearbox, tetapi kurang tahan ozon, uap, dan beberapa bahan kimia pembersih.
2. EPDM tahan air panas, uap, dan banyak deterjen basa, tetapi membengkak oleh oli dan gemuk mineral, seperti pada kasus pembuka.
3. Karet fluoro (FKM) tahan suhu lebih tinggi dan banyak bahan kimia, tetapi lebih mahal dan tidak cocok untuk semua cairan.
4. Silikon tahan rentang suhu lebar tetapi lemah terhadap gesekan dan robekan.
5. PTFE hampir tahan semua bahan kimia tetapi kaku, sehingga sering dipakai sebagai lapisan muka atau cincin.

Handbook pompa dalam narasi memuat kualitas karet perapat dengan rentang suhu kerjanya, termasuk karet yang dipakai bila kualitas karet lain tidak sesuai. Pelumas pemasangan dipilih dari bahan elastomer: air sabun atau gemuk yang cocok menurut pabrik segel, bukan gemuk apa saja.

Segel bibir dan selongsong poros

Segel bibir, atau segel poros radial, terdiri dari rumah logam atau karet, bibir elastomer, dan biasanya pegas melingkar yang menekan bibir ke poros. Ukurannya dinyatakan dengan diameter poros, diameter rumah, dan lebar. Manual mesin pemilik mencantumkan beberapa segel bibir untuk rakitan bantalan utama, misalnya 2,625 × 3,625 × 0,437 inci dan segel nitril 4 × 5 × 0,4 inci (Contoh 1).

Hal yang menentukan umur segel bibir:

1. Arah bibir: bibir utama menghadap cairan yang ditahan. Bibir debu tambahan menghadap ke luar.
2. Permukaan poros: halus, keras, dan tanpa alur. Bibir yang lama berputar mengikis alur melingkar di poros, dan segel baru di alur lama tetap bocor. Manual mesin pemilik memakai selongsong segel pada poros, sehingga yang aus adalah selongsong yang dapat diganti.
3. Kecepatan keliling di bibir, $v = \pi d n / 60$, harus di bawah batas bahan segel (Contoh 2).
4. Pemasangan: segel ditekan lurus dengan alat berdiameter sesuai rumah, bibir dilumasi tipis, dan tepi tajam alur pasak atau ulir ditutup agar bibir tidak tersobek.
5. Saluran bocoran. Rakitan bantalan dalam manual mesin pemilik mempunyai saluran bocoran untuk segel dan untuk pembilasan segel di antara segel air dan bantalan; cairan yang keluar dari saluran itu adalah tanda segel di sisi air mulai bocor sebelum air mencapai bantalan. Washer-extractor pabrik lain dalam manual pembanding memakai pelempar karet dan rumah segel dengan tujuan yang sama.

Manual pompa selang dalam narasi menganjurkan segel bibir ganda diganti setiap 8.000 jam operasi (Contoh 9).

Paking gland

Pompa dan katup lama memakai tali paking yang dililitkan di ruang gland dan ditekan oleh penekan gland berbaut. Paking gland pada pompa sengaja dibiarkan menetes sedikit, karena tetesan itu melumasi dan mendinginkan paking; paking yang dikencangkan sampai kering terbakar dan mengikis poros. Mur gland dikencangkan sedikit demi sedikit dan rata di kedua sisi. Buku plumbing dalam narasi Fluida mencatat bahwa pada keran dan katup, mengencangkan sedikit mur gland mungkin sudah cukup untuk menghentikan rembesan. Handbook pompa mencatat susunan dengan dan tanpa cincin lentera untuk membilas paking. Manual pompa selang menyebut keuntungan pompa tanpa gland: tidak ada gland yang perlu diperiksa dan disetel.

Segel mekanis

Segel mekanis menahan cairan dengan dua cincin muka yang sangat rata: satu berputar bersama poros dan satu diam di rumah. Pegas menekan keduanya, dan perapat sekunder berupa O-ring atau bellow karet merapatkan cincin itu ke poros dan rumah. Di antara kedua muka terbentuk lapisan cairan setipis beberapa mikrometer yang melumasi dan mendinginkan; sedikit uap yang keluar dari lapisan itu normal.

Bahan muka yang umum adalah karbon, keramik, silikon karbida, dan tungsten karbida. Handbook pompa dalam narasi mencatat satu model pompa yang memakai muka tungsten karbida, bukan silikon karbida, dan bahwa kebanyakan segel mekanis dapat dipasang di luar atau di dalam rumah, serta memuat susunan pembilasan untuk segel tunggal. Pompa dengan cairan berbahaya memakai segel ganda dengan cairan penyangga, atau pompa tanpa segel poros; buku perancangan teknik kimia dalam narasi mencatat bahwa pompa tanpa segel di antara pompa dan motor tersedia.

Aturan pemasangan:

1. Jangan pernah jalan kering. Pompa diisi dan udara dibuang sebelum motor dijalankan, termasuk untuk memeriksa arah putaran.
2. Bersih. Muka segel dipegang di tepinya, dibersihkan dengan kain bersih dan pelarut yang diizinkan pabrik, dan tidak diletakkan menghadap meja.
3. Pelumas pemasangan yang cocok dengan perapat sekunder, seperti di bagian kecocokan bahan.
4. Panjang pasang dan posisi kerah diatur menurut pabrik, karena tekanan pegas menentukan tekanan muka.
5. Poros dan rumah diperiksa: getaran, poros bengkok, dan bantalan longgar membuat muka segel membuka dan menutup.

Pada mesin pencuci piring, kerak dan sisa deterjen yang mengering di sekitar muka segel saat mesin lama berhenti dapat merusak muka saat pompa dijalankan lagi; Bab 9 · Dishwashing membahas kerak.

Mengganti segel mekanis pompa: urutan kerja

1. Isolasi dan kuras: daya dikunci dan diberi tanda, katup ditutup, tekanan dilepas, dan cairan panas atau berbahan kimia dikuras dan didinginkan.
2. Tandai posisi rumah pompa, impeler, dan kerah segel sebelum dibongkar, dan foto susunan yang ada.
3. Lepas impeler dengan cara pabrik; ulir impeler sering berlawanan arah putar.
4. Periksa segel lama sebelum dibuang: goresan melingkar menunjukkan jalan kering atau partikel, retak muka menunjukkan kejut panas, perapat sekunder yang membengkak menunjukkan bahan tidak cocok, kerak menunjukkan endapan saat berhenti lama.
5. Periksa poros dan rumah: permukaan tempat perapat sekunder duduk, gerak bebas bantalan motor, dan dudukan diam yang tidak retak.
6. Pasang segel baru sesuai aturan pemasangan: bersih, pelumas pemasangan yang cocok, panjang pasang sesuai, muka tidak tersentuh jari.
7. Isi pompa dan buang udara sebelum motor dijalankan, lalu periksa arah putaran dengan sentakan singkat setelah pompa penuh.
8. Amati beberapa menit pertama dan setelah mesin mencapai suhu kerja; rembesan kecil awal dapat berhenti setelah muka saling menyesuaikan, rembesan yang bertambah tidak.

Menyimpan perapat cadangan

Elastomer menua oleh cahaya, panas, ozon, dan regangan. O-ring dan segel cadangan disimpan di kantong tertutup berlabel ukuran, bahan, dan tanggal, di tempat sejuk dan gelap, jauh dari motor listrik dan alat las yang menghasilkan ozon. O-ring tidak digantung di paku atau diikat karet, karena regangan selama penyimpanan membuatnya retak. Segel mekanis disimpan di kemasan aslinya agar muka tetap terlindung. Perapat yang mengeras, lengket, atau retak saat ditekuk tidak dipasang walaupun belum pernah dipakai.

Umur dan penggantian

Perapat adalah bagian aus. Umurnya bergantung pada suhu, tekanan, kecepatan, bahan kimia, getaran, dan cara pasang. Manual mesin pemilik menggolongkan segel sebagai bagian yang diganti sebelum aus berat dan meminta penyelidikan segera bila ada segel, selang, atau katup yang bocor. Interval dari pabrik, seperti 8.000 jam pada manual pompa selang, dipakai bersama pengamatan: segel yang mulai menetes, saluran bocoran yang basah, atau oli bantalan yang berwarna susu adalah alasan mengganti lebih awal. Segel selalu diganti bersama perapat sekunder dan pegas yang menyertainya, dan permukaan pasangannya diperiksa.

Diagnosis kebocoran

Pertanyaan yang memisahkan penyebab:

1. Di mana tepatnya? Bersihkan dan keringkan daerah itu, lalu amati dari mana tetesan pertama muncul. Cairan dapat merambat jauh dari sumbernya.
2. Kapan? Bocor saat diam saja menunjukkan perapat statis atau muka segel yang tidak menutup; bocor saat berjalan saja menunjukkan getaran, panas, atau tekanan.
3. Berapa banyak? Hitung tetesan per menit dan catat agar tren terlihat (Contoh 7).
4. Apa yang ada di cairan? Oli, air, deterjen, atau campuran menunjukkan perapat yang mana.
5. Apa yang terlihat pada perapat lama? Bibir mengeras dan retak karena panas, membengkak karena bahan tidak cocok, tergores karena kotoran, robek karena pemasangan, muka segel tergores melingkar karena jalan kering atau partikel, dan kerak di sekitar muka.

Contoh kerja

Contoh 1. Ukuran segel bibir dalam milimeter. Segel 2,625 × 3,625 × 0,437 inci: $2{,}625 \times 25{,}4 = 66{,}7$ mm, $3{,}625 \times 25{,}4 = 92{,}1$ mm, dan $0{,}437 \times 25{,}4 = 11{,}1$ mm. Segel metrik 67 × 92 × 11 tidak boleh dianggap sama tanpa memeriksa ukuran poros dan rumah yang sebenarnya.

Contoh 2. Kecepatan keliling bibir. Poros 66,7 mm berputar 800 rpm saat memeras (angka latihan): $v = \pi \times 0{,}0667 \times 800 / 60 = 2{,}79$ m/s, di bawah batas segel bibir karet nitril yang di literatur sering sekitar 10 m/s (nilai literatur umum, bergantung pada kekasaran poros dan pelumasan).

Contoh 3. Tekanan pasang O-ring. O-ring berpenampang nominal 1/8 inci mempunyai penampang sebenarnya sekitar 3,53 mm menurut tabel ukuran O-ring (nilai literatur umum). Pada alur sedalam 2,80 mm (angka latihan): $(3{,}53 - 2{,}80)/3{,}53 = 20{,}7$ persen, di dalam rentang umum perapat statis.

Contoh 4. Regangan O-ring di alur poros. O-ring berdiameter dalam 50,0 mm dipasang di alur berdiameter dasar 52,0 mm: regangan $(52{,}0 - 50{,}0)/50{,}0 = 4$ persen, di bawah sekitar 5 persen. O-ring 49,0 mm akan teregang 6,1 persen dan penampangnya menipis.

Contoh 5. O-ring yang membengkak. EPDM yang terkena gemuk mineral membengkak 30 persen volume (angka latihan). Bila pembengkakan merata, diameter penampang naik $1{,}30^{1/3} = 1{,}09$ kali: 3,53 mm menjadi 3,85 mm. Tekanan pasang di alur 2,80 mm naik dari 20,7 menjadi $(3{,}85 - 2{,}80)/3{,}85 = 27$ persen, dan alur dapat penuh sampai karet terdesak keluar.

Contoh 6. Tekanan pegas pada muka segel. Pegas menekan 150 N pada muka berdiameter luar 36 mm dan dalam 28 mm (angka latihan). Luas muka $\pi/4 \times (36^2 - 28^2) = 402$ mm², sehingga tekanan dari pegas $150/402 = 0{,}37$ MPa, sebelum tekanan cairan ditambahkan.

Contoh 7. Laju bocor dari tetesan. Satu tetes setiap 2 detik, dan 20 tetes kira-kira 1 mL (angka latihan): $0{,}5 / 20 = 0{,}025$ mL/s, atau 90 mL per jam dan sekitar 2,2 liter per hari.

Contoh 8. Tetesan paking gland. Pabrik pompa meminta tetesan paking gland sekitar 40 tetes per menit (angka latihan): $40/20 = 2$ mL per menit, sekitar 2,9 liter per hari. Tetesan nol berarti paking terlalu kencang dan panas.

Contoh 9. Interval segel dalam kalender. Interval 8.000 jam untuk pompa yang bekerja 16 jam sehari, 6 hari seminggu: $16 \times 6 = 96$ jam per minggu, sehingga $8.000 / 96 = 83$ minggu, sekitar 1,6 tahun.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Pompa, gearbox, atau rumah bantalan akan dibuka sebelum daya dikunci dan diberi tanda, tekanan dilepas, cairan panas didinginkan, dan bahan kimia dikuras; ikuti Bab 1 · Keselamatan.
2. Pompa bersegel mekanis akan dijalankan kosong, termasuk untuk memeriksa arah putaran.
3. Cairan yang bocor adalah bahan kimia pekat; ikuti lembar data keselamatan dan alat pelindung diri sebelum mendekat.
4. O-ring atau segel pengganti tidak diketahui bahannya, atau pelumas pemasangannya tidak cocok.
5. Poros beralur dalam di bawah segel bibir atau muka segel retak; segel baru tidak akan bertahan.
6. Oli bantalan berwarna susu atau saluran bocoran basah, dan mesin akan terus dijalankan tanpa memeriksa segel di sisi air.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Segel bocor karena kurang kencang." Perapat dinamis tidak diperbaiki dengan mengencangkan; sebabnya dicari pada permukaan, bahan, dan pemasangan.

"Sebentar jalan kering tidak apa-apa." Muka segel mekanis dapat rusak dalam beberapa detik tanpa cairan.

"Semua karet hitam sama." Nitril, EPDM, dan karet fluoro berbeda ketahanannya terhadap oli, air panas, dan bahan kimia.

"Paking gland harus kering." Tetesan kecil diperlukan untuk melumasi dan mendinginkan paking.

"Segel baru pasti rapat di poros lama." Alur aus di poros membuat segel baru tetap bocor.

"Sealant makin tebal makin rapat." Lapisan tebal terdorong ke dalam dan dapat menyumbat saluran.

Hubungan dengan bab lain

Kimia 212 memberi kecocokan elastomer, bab baut dan sambungan ulir pengencangan paking, bab bantalan bantalan yang dilindungi segel, bab poros dan kopling kelurusan, bab pelumasan pelumas pemasangan, Bab 9 · Dishwashing kerak, bab material pipa sealant ulir, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti. Pompa sebagai mesin dibahas di Bab 3 · Fluida & Termal.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Segel 1,75 × 2,378 × 0,312 inci. Berapa ukurannya dalam milimeter?
2. Poros 45 mm berputar 2.900 rpm. Berapa kecepatan keliling di bibir segel?
3. O-ring berpenampang 2,62 mm di alur sedalam 2,10 mm. Berapa tekanan pasangnya?
4. Segel menetes satu tetes setiap 5 detik. Berapa liter per hari bila 20 tetes sama dengan 1 mL?
5. Mengapa O-ring EPDM tidak dilumasi gemuk mineral?
6. Mengapa saluran bocoran yang basah menjadi alasan memeriksa segel sebelum bantalan rusak?

Kunci jawaban beralasan

1. $1{,}75 \times 25{,}4 = 44{,}5$ mm, $2{,}378 \times 25{,}4 = 60{,}4$ mm, dan $0{,}312 \times 25{,}4 = 7{,}9$ mm.
2. $v = \pi \times 0{,}045 \times 2.900 / 60 = 6{,}83$ m/s, masih di bawah batas umum segel nitril.
3. $(2{,}62 - 2{,}10)/2{,}62 = 19{,}8$ persen, di dalam rentang umum untuk perapat statis.
4. $0{,}2$ tetes per detik dibagi 20 sama dengan 0,01 mL/s, atau sekitar 0,86 liter per hari.
5. EPDM membengkak dan melunak oleh minyak mineral, sehingga O-ring terdesak keluar alur dan rusak.
6. Saluran itu mengalirkan air yang lolos dari segel sisi air, sehingga basahnya muncul sebelum air mencapai bantalan.

Referensi