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. Data pompa tertentu diambil dari manual pabrik.

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 tentang tekanan dan pompa air gedung; 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 tentang kerusakan dan uji motor; dispenser peristaltik di Bab 1 · Dispensing Kimia; dan tabel uap untuk tekanan uap air panas di Bab 3 · Utilitas.

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. Yang pertama adalah memilih jenis pompa yang benar untuk penggunaan yang benar; kapasitas, head, dan efisiensi pompa sentrifugal turun pada kekentalan yang lebih tinggi, dan 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 tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi.

Seal mekanis, paking kelenjar, dan cincin aus

Di tempat poros keluar dari rumah pompa, cairan harus ditahan. Seal mekanis (mechanical seal) adalah penyegel poros yang menahan cairan 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. 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.

Sebagian besar seal mekanis dapat dipasang di luar atau di dalam, seal mekanis tunggal mempunyai susunan tersendiri, dan bahan muka seal antara lain tungsten karbida dan silikon karbida. Elastomer tertentu mempunyai rentang suhu, misalnya dari minus 30 sampai 200 °C, yang menunjukkan bahwa elastomer dipilih menurut suhu dan cairan, bukan menurut harga.

Penyebab kegagalan seal yang umum adalah sebagai berikut.

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 tentang kelurusan poros dan Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang bantalan motor.

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. Paking kelenjar (gland packing) adalah beberapa cincin paking yang ditekan di dalam rumah paking oleh penekan kelenjar untuk menahan cairan di sekitar poros. Susunan paking ada yang dengan dan ada yang tanpa cincin lentera untuk pembilasan. Berbeda dengan seal mekanis, paking kelenjar harus sedikit menetes, karena tetesan itu melumasi dan mendinginkan paking dan poros. Paking yang dikencangkan sampai kering terbakar, mengeras, dan menggerus selongsong poros.

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. 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. Penyegel di lubang masuk impeler umumnya berupa cincin aus (wear ring), dan 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 (shut-off head), dengan kurva pabrik. 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

Pompa perpindahan positif adalah pompa yang memindahkan cairan secara langsung. Pompa roda gigi biasanya berpindahan tetap, dan 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 tentang dispenser peristaltik.

Debit teoretis pompa perpindahan positif adalah volume pindah per putaran dikalikan putaran. Debit nyata lebih kecil karena slip. Slip (slip) adalah cairan yang hilang lewat kebocoran melalui celah pompa, dan slip berkurang ketika kekentalan cairan naik. Efisiensi volumetrik (volumetric efficiency) adalah perbandingan debit nyata dan teoretis.

Ciri yang paling penting bagi keselamatan: pompa perpindahan positif mendorong cairan berapa pun tekanannya, sampai motor macet atau sesuatu pecah. Katup pelepas (relief valve) adalah katup yang membuka dan membuang aliran bila tekanan keluaran melewati setelannya. 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. Debit diatur dengan putaran atau langkah. 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. 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 tentang udara dan gas di jalur cairan. Pelindungnya adalah sakelar level rendah di tangki isap, pengaman arus rendah pada motor, atau prosedur yang mematikan pompa sebelum tangki dikuras.

Kavitasi di lapangan

Kavitasi disebabkan tekanan masuk sistem yang tidak cukup bagi pompa, dan kavitasi disertai getaran dan bising. NPSH yang tersedia dan yang diperlukan dibahas di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung. NPSH tersedia (net positive suction head available) adalah tinggi tekanan di sisi isap pompa di atas tekanan uap cairan, dinyatakan dalam meter cairan. 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 tentang sifat uap dan tabel uap:

dengan $p_\text{permukaan}$ tekanan mutlak di permukaan tangki (Pa), $p_\text{uap}$ tekanan uap cairan pada suhunya (Pa), $\rho$ kerapatan cairan (kg/m³), $g$ percepatan gravitasi (m/s²), $z_\text{isap}$ tinggi permukaan cairan di atas pompa (m), dan $h_\text{rugi,isap}$ rugi tekan jalur isap (m). 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. Akibat getaran resonansi adalah bising yang sangat mengganggu, dan alas beton dapat dipakai 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. Frekuensi lintas sudu (blade pass frequency) adalah frekuensi putaran poros dikalikan jumlah sudu impeler. Penyelarasan poros dan kaki pincang dibahas di Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros, dan pemeriksaan bantalan dan getaran dasar di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor. 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 umumnya sebagai berikut; 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. Daftar pemeriksaan pompa juga menanyakan 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, dan pengubah frekuensi 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

Daftar periksa gangguan memuat, misalnya, pemeriksaan sumbatan seperti katup yang tertutup. Untuk menambah head dapat dipasang impeler yang lebih besar setelah ukuran motor diperiksa, atau sebaliknya diameter impeler dikurangi. Ringkasan menurut gejala adalah sebagai berikut.

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 (pump affinity laws) adalah hubungan perbandingan antara diameter impeler dengan debit, head, dan daya pompa. Hukum ini memberi perkiraan akibat memangkas impeler kecil-kecilan: debit sebanding dengan diameter, head dengan kuadratnya, dan daya dengan pangkat tiganya.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

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, $\text{NPSH}_\text{tersedia} = (1{,}013 - 0{,}474) \times 10^5/(972 \times 9{,}81) + 1{,}0 - 0{,}3 = 6{,}4$ 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: 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 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 3: 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 4: 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 5: tetesan paking. Paking kelenjar menetes sekitar 60 tetes per menit, dan 20 tetes kira-kira 1 mL. 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 6: katup pelepas pompa roda gigi. Selang keluaran pompa roda gigi bertekanan kerja 6 bar dan tekanan pecah sekitar 18 bar. 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 tentang isolasi energi non-listrik.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi memberi titik kerja, dan Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang tekanan dan pompa air gedung memberi kurva pompa dan NPSH. Bab 6 tentang udara dan gas di jalur cairan membahas pancingan dan udara, dan Bab 3 · Utilitas tentang sifat uap dan tabel uap memberi tekanan uap. Sisi mekanis bersambung ke Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros dan Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor untuk bantalan dan getaran. Bab 1 · Dispensing Kimia membahas dispenser peristaltik, dan Bab 4 · Keselamatan membahas isolasi energi non-listrik sebelum pompa dibuka. Bab 10 tentang katup kendali dan Bab 11 tentang sambungan flens dan paking membahas katup dan sambungan di sekitar pompa.

Latihan dan pembahasan