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. Kecocokan polimer dan elastomer dengan bahan kimia ada di Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer, pengencangan sambungan berbaut di Bab 3 tentang baut dan sambungan ulir, bantalan yang dilindungi segel di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur, kelurusan poros di Bab 5 tentang poros dan kopling, pelumas di Bab 8 tentang pelumasan, dan kerak mesin pencuci piring di Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air dan kerak mesin pencuci piring. Isolasi energi sebelum pompa, gearbox, atau rumah bantalan dibuka dibahas di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti. Ukuran, bahan, dan cara pasang perapat untuk mesin tertentu diambil dari pabriknya.

Perapat statis dan dinamis

Perapat (seal) adalah bagian yang menahan cairan atau gas di satu sisi celah antara dua bagian. Ada dua kelompok:

1. Perapat statis (static seal) di antara dua bagian yang tidak bergerak relatif: paking flens, paking rumah, O-ring di alur tutup, dan sealant cair. Daftar suku cadang manual servis sebuah washer-extractor mencantumkan paking rumah bantalan utama dan bahan perapat cair silikon.
2. Perapat dinamis (dynamic seal) 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. Untuk satu penerapan biasanya tersedia beberapa jenis sealant.

Paking dan sealant

Paking (gasket) adalah perapat statis yang ditekan di antara dua permukaan oleh baut, misalnya pada flens. 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 3 tentang 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 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung.

O-ring: ukuran, tekanan pasang, dan alur

O-ring (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. Daftar suku cadang manual servis washer-extractor tadi, 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) adalah persentase penampang O-ring yang tertekan saat dipasang, $(\text{penampang} - \text{kedalaman alur}) / \text{penampang}$. Untuk perapat statis sering sekitar 15 sampai 30 persen dan untuk perapat dinamis lebih kecil (Contoh 2).
2. Regangan pasang: O-ring yang dipasang di alur poros diregangkan sebesar selisih diameter dasar alur dan diameter dalam O-ring, dibagi diameter dalam O-ring; regangan sekitar 5 persen ke atas membuat penampangnya menipis (Contoh 3).
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 umumnya, yang dirinci di Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer:

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.

Kualitas karet perapat pompa dinyatakan dengan rentang suhu kerjanya, dan ada kualitas 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 (lip seal), atau segel poros radial, adalah perapat poros berputar yang 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 servis washer-extractor tadi mencantumkan beberapa segel bibir untuk rakitan bantalan utama, misalnya $2{,}625 \times 3{,}625 \times 0{,}437$ inci dan segel nitril $4 \times 5 \times 0{,}4$ 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 servis itu memakai selongsong segel pada poros, sehingga yang aus adalah selongsong yang dapat diganti.
3. Kecepatan keliling di bibir, $v = \pi d n / 60$, dengan $v$ dalam m/s, $d$ diameter poros dalam m, dan $n$ putaran dalam rpm, harus di bawah batas bahan segel. Untuk segel bibir karet nitril batas itu sering sekitar 10 m/s, bergantung pada kekasaran poros dan pelumasan (Latihan 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 servis itu 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 memakai pelempar karet dan rumah segel dengan tujuan yang sama.

Manual sebuah pompa selang menganjurkan segel bibir ganda diganti setiap 8.000 jam operasi (Contoh 6).

Paking gland

Paking gland (gland packing) adalah tali paking yang dililitkan di ruang gland dan ditekan oleh penekan gland berbaut. Pompa dan katup lama memakai perapat ini. 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. Pada keran dan katup, mengencangkan sedikit mur gland mungkin sudah cukup untuk menghentikan rembesan, dan paking pompa disusun dengan atau tanpa cincin lentera untuk membilasnya. Keuntungan pompa tanpa gland, seperti pompa selang, adalah tidak ada gland yang perlu diperiksa dan disetel.

Segel mekanis

Segel mekanis (mechanical seal) adalah perapat poros yang 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. Satu model pompa, misalnya, memakai muka tungsten karbida, bukan silikon karbida. Kebanyakan segel mekanis dapat dipasang di luar atau di dalam rumah, dan ada susunan pembilasan yang khusus untuk segel tunggal. Pompa dengan cairan berbahaya memakai segel ganda dengan cairan penyangga, atau pompa tanpa segel poros; pompa tanpa segel di antara pompa dan motor memang 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; kerak dibahas di Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air dan kerak mesin pencuci piring.

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.

Umur, penyimpanan, dan penggantian

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 servis washer-extractor 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 5).
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

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

Contoh 1: ukuran segel bibir dalam milimeter. Segel bibir dari manual servis washer-extractor berukuran $2{,}625 \times 3{,}625 \times 0{,}437$ 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 $67 \times 92 \times 11$ tidak boleh dianggap sama tanpa memeriksa ukuran poros dan rumah yang sebenarnya.

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

Contoh 3: 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 4: O-ring yang membengkak. EPDM yang terkena gemuk mineral membengkak 30 persen volume. 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 5: laju bocor dari tetesan. Satu tetes setiap 2 detik, dan 20 tetes kira-kira 1 mL: $0{,}5 / 20 = 0{,}025$ mL/s, atau 90 mL per jam dan sekitar 2,2 liter per hari.

Contoh 6: interval segel dalam kalender. Interval 8.000 jam dari manual pompa selang dipakai 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 dan serahkan keputusan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan 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 tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer memberi dasar kecocokan elastomer, dan Bab 3 tentang baut dan sambungan ulir memberi cara mengencangkan paking. Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur membahas bantalan yang dilindungi segel, Bab 5 tentang poros dan kopling membahas kelurusan, dan Bab 8 tentang pelumasan membahas pelumas pemasangan. Kerak ada di Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air dan kerak mesin pencuci piring, sealant ulir di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung, dan kondisi berhenti umum di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti. Pompa sebagai mesin dibahas di Bab 3 · Fluida & Termal tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi.

Latihan dan pembahasan

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