2000_4_1_2

Deteksi Instalasi Pompa Sentrifugal terhadap Gejala Kavitasi(Theodorus Bayu Hanandoko)

15

DETEKSI INSTALASI POMPA SENTRIFUGALTERHADAP GEJALA KAVITASI

Theodorus Bayu Hanandoko

ABSTRACT

Besides calculate the strength of component material, in designing centrifugal pumpengineer should have capability in detecting the system from the danger of cavitation, amajor problem in pumping industry. By knowing the signs of cavitation, and correctlyidentifying and understanding the sum and the methods of avoiding cavitation, we canguarantee the stability of the operation pump designed.

1. PENDAHULUANPompa sebagai salah satu mesin aliran fluida hidrolik pada dasarnya digunakan untuk

memindahkan fluida tak mampat (incompressible fluids) dari suatu tempat ke tempat laindengan cara menaikkan tekanan fluida yang dipindahkan tersebut. Pompa akan memberikanenergi mekanis pada fluida kerjanya, dan energi yang diterima fluida digunakan untuk menaikkantekanan dan melawan tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran-saluran instalasi pompa.

Pompa sentrifugal sebagai salah satu jenis pompa yang banyak dijumpai dalam industribekerja dengan prinsip putaran impeler sebagai elemen pemindah fluida yang digerakkan olehsuatu penggerak mula. Zat cair yang berada di dalam akan berputar akibat dorongan sudu-sududan menimbulkan gaya sentrifugal yang menyebabkan cairan mengalir dari tengah impeler dankeluar melalui saluran di antara sudu-sudu dan meninggalkan impeler dengan kecepatan tinggi.Cairan dengan kecepatan tinggi ini dilewatkan saluran yang penampangnya makin membesar(diffuser) sehingga terjadi perubahan head (tinggi tekan) kecepatan menjadi head tekanan.Setelah cairan dilemparkan oleh impeler, ruang di antara sudu-sudu menjadi vacuum,menyebabkan cairan akan terhisap masuk sehingga terjadi proses pengisapan.

Mengingat luasnya aplikasi penggunaan pompa sentrifugal di mana sebagian besarmemerlukan stabilitas yang tinggi dan performansi yang dapat diandalkan, maka perencanaankomponen penyusun dan pemeriksaan instalasinya harus dilakukan dengan teliti dan dapatdiandalkan.

Turunnya performansi pompa secara tiba-tiba dan ketidakstabilan dalam operasi seringmenjadi masalah yang serius dan mengganggu kinerja sistem secara keseluruhan. Salah satuindikasi penyebab turunnya performansi pompa adalah apa yang dikenal sebagai peristiwakavitasi (cavitation), dan menjadi ancaman serius pada pengoperasian pompa sentrifugal.

2. FENOMENA KAVITASI : PROSES DAN EFEK YANG DITIMBULKAN Kavitasi dikenal sebagai masalah terbesar dalam operasi pompa sentrifugal. Oleh karena

itu penting untuk diperhatikan proses terjadinya kavitasi, gejala-gejala yang muncul, dan bagian-bagian pompa yang rentan terhadap kerusakan akibat kavitasi ini.

Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. 1 Januari 2000 : 15 - 22

16

Kavitasi terjadi bila tekanan fluida pada saat memasuki pompa turun hingga di bawahtekanan uap jenuhnya (pada temperatur lingkungan), gelembung-gelembung uap kecil akan mulaiterbentuk. Gelembung-gelembung uap ini akan terbawa oleh aliran fluida dan masuk padadaerah yang bertekanan lebih tinggi, sehingga gelembung akan pecah dan menimbulkan suaraberisik dan getaran. Selain itu performansi pompa akan turun secara tiba-tiba sehingga pompatidak dapat beroperasi dengan baik. Jika pompa dijalankan dalam keadaaan kavitasi secara terus-menerus dalam jangka waktu lama, maka permukaan dinding saluran di sekitar aliran akantermakan sehingga menjadi berlubang-lubang. Peristiwa ini yang dinamakan erosi kavitasi,sebagai akibat tumbukan gelembung-gelembung uap yang pecah pada dinding secara terus-menerus.

Gambar 1. Penurunan Tekanan pada Pompa Sentrifugal

Bagian–bagian yang sering terkena kavitasi adalah sudu-sudu impeler dan difuser danjuga bagian dalam dinding rumah pompa. Pada pompa diagonal dan pompa aksial (propeller


17

pumps), kavitasi terjadi pada sudu impeler dekat sisi masuk, pada bagian dalam dari dindingrumah pompa, dan pada sisi masuk sudu difuser.Penurunan tekanan pada umumnya disebabkan oleh beberapa hal, antara lain :

a. Kenaikan gaya angkat statis (static lift) dari pompa sentrifugalb. Penurunan tekanan atmosfer seiring dengan bertambahnya ketinggian/elevasic. Penurunan tekanan absolut sistem, seperti dijumpai pada pemompaan fluida dari tabung

vakum.d. Kenaikan temperatur fluida yang dipompa.

Secara umum dapat disimpulkan bahwa terjadinya kavitasi akan mengakibatkan beberapakerugian sebagai berikut :

a. Penurunan head dan kapasitas pemompaanb. Penurunan efisiensi pompac. Pecahnya gelembung-gelembung uap saat melalui daerah yang bertekanan lebih tinggi

akan menyebabkan suara berisik, getaran dan kerusakan pada beberapa komponenterutama impeler dan difuser.

3. HEAD TOTAL POMPA DAN PARAMETER PENCEGAHAN KAVITASI Dalam perancangan pompa sentrifugal, selain kapasitas pemompaan, jenis fluida yangdipompa, dan kecepatan spesifik pompa, data lain yang diperlukan adalah besarnya tinggi tekan(head) total pompa. Untuk instalasi yang sudah direncanakan, head total pompa (H) dapatdihitung berdasarkan persamaan :

dinamisHeadstatisHeadH +=

)2

()(2

g

vhhh d

Lpa ++∆+= …………………….…………. (1)

Di mana : ha = perbedaan tinggi antara muka air sisi keluar dan sisi isap (m) Tanda (+) dipakai apabila muka air sisi keluar lebih tinggi daripada sisi isap. ∆hp = perbedaan head tekanan yang bekerja pada kedua permukaan air (m)

= γ

12 PP −

hL = berbagai head kerugian (losses) pada pipa, katup, belokan, sambungan, dll. (m) = hL suction + hL discharge

g

vd

2

2

= head kecepatan keluar (m)

Besarnya head kerugian pada sisi isap dan sisi tekan ini dapat ditentukan melalui persamaan :

∑+

×=

g

vK

dg

vLfhL 2

..2

. 22

………………..……………………… (2)

Di mana : f = koefisien gesekan pipa saluran L = panjang pipa v = kecepatan aliran fluida di dalam pipa d = diameter pipa


18

K = koefisien tahanan fitting (katup, belokan, dsb.) v2/2g = head kecepatan masuk/keluar g = percepatan gravitasi Faktor f (koefisien gesekan pipa) besarnya sangat tergantung dari jenis/pola aliran fluida padasaluran yang bersangkutan (aliran laminar atau turbulen). Kedua macam aliran ini dapatdiketahui dengan menggunakan parameter Reynold Number (Re). Reynold Number :

υDv.

Re = di mana ν = viskositas kinematik aliran

Jika Re<4000, maka aliran yang terjadi adalah laminar, dan :

Re64=f ……………………………………….. (3)

Jika Re>4000, maka aliran adalah turbulen, dan :

D

f0005.0

020.0 += (Formula Darcy) ………….……………………. (4)

Besarnya koefisien tahanan fitting (K) berbeda untuk setiap jenis fitting dan katup yang berlainandalam satu instalasi. Standar fitting yang banyak digunakan adalah sebagai berikut : Tabel 1. Harga koefisien tahanan pipa pada berbagai macam fitting

Fitting and Valves Koefisien tahanan (K) Globe valve, fully open Angle valve, fully open Swing check valve, fully open Gate valve, fully open Gate valve, three-fourths open Gate valve, one-half open Gate valve, one-fourth open Close return bend Standard Tee Standard 90o elbow Medium sweep 90o elbow Long sweep 90o elbow 45o elbow

10.0 5.00 2.50 0.19 1.15 5.60 24.0 2.20 1.80 0.90 0.75 0.60 0.42

Antisipasi terhadap kavitasi memperhatikan beberapa parameter sebagai berikut.

3.1. NET POSITIVE SUCTION HEAD AVAILABLE (NPSHa) Head isap positif netto yang tersedia atau NPSH available (NPSHa) merupakan headyang dimiliki fluida pada sisi isap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi isap pompa)dikurangi dengan tekanan uap jenuh fluida di tempat tersebut. Perhitungan NPSH availabledilakukan berdasarkan instalasi dan posisi/letak pompa, beberapa di antaranya seperti berikut ini:


19

1. Pompa menghisap cairan dari tempat terbuka, posisi pompa di atas permukaan cairan yang

dihisap :

Gambar 2. Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas permukaan cairan isap

2. Pompa menghisap cairan dari tangki terbuka, posisi pompa di bawah permukaan cairan yangdihisap :

Gambar 3. Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah permukaan cairan isap

3. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, letak pompa di bawah cairan yang dihisap:


20

Gambar 4. Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah tangki isap tertutup

4. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, pompa terletak di atas permukaan yangdihisap:

Gambar 5. Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas tangki isap tertutup

Besarnya NPSH yang tersedia untuk empat sistem di atas dapat dirumuskan sebagai berikut:

Lssva hh

PPNPSHa −±

−=

γ……………………..………………… (5)

di mana:Pa = tekanan atmosferPv = tekanan uap jenuhhs = head isap statis

(+) untuk kondisi pompa di bawah permukaan cairan yang dihisap (-) untuk kondisi pompa di atas permukaan cairan yang dihisap

hLs = head kerugian isapγ = berat jenis fluida

3.2. NET POSITIVE SUCTION HEAD REQUIRED (NPSHr)Head isap positif netto yang diperlukan atau NPSH Required (NPSHr) adalah head

minimal yang diperlukan untuk mencegah kavitasi pada laju aliran fluida yang diberikan.Besarnya harga NPSHr biasanya ditentukan dari pabrik pembuat pompa melalui beberapapengujian. Untuk keperluan perancangan, besarnya NPSHr dihitung dengan persamaan :

HNPSHr ×= σ ………………………………………….……. (6)


21

di mana :H = head aktual per tingkat pompaσ = bilangan kavitasi Thoma

= 3/42

4108.8sq

h

N×× −

η ηh = efisiensi hidrolis pompaNsq = kecepatan spesifik kinematis

4/3H

Qn=

Q = kapasitas pompa (m3/s)H = head per tingkat (m)n = putaran pompa (rpm)

Agar pompa dapat beroperasi dengan aman dan terhindar dari peristiwa kavitasi, makasebagai syarat utama adalah harga NPSH yang tersedia (NPSHa) harus lebih besar daripadaNPSH yang diperlukan (NPSHr).

4. BEBERAPA METODE PENCEGAHAN KAVITASIFluida yang dipompa akan menguap ketika tekanan menjadi sangat rendah atau

temperaturnya terlalu tinggi, sehingga akan memacu terjadinya kavitasi. Untuk mencegahpenguapan fluida ini, beberapa hal yang dapat dilakukan antara lain:

a. Menaikkan besarnya head statis pompa1) Menambah ketinggian level fluida dalam tangki2) Menaikkan posisi tangki3) Meletakkan pompa dalam sebuah sumuran penampung4) Mengurangi kerugian head pada pipa5) Memasang pompa penguat (booster pump)6) Memberi tekanan pada tangki penyalur

Kerugian head pada pipa dapat terjadi karena beberapa alasan sebagai berikut :1) Kesalahan dalam perencanaan sistem, terlalu banyak fitting dan/atau diameter pipa

terlalu kecil2) Kebocoran dalam saluran pipa3) Timbul kerak dan/atau terjadi korosi pada bagian dalam pipa

b. Menurunkan temperatur fluida yang dipompa

1) Menginjeksi fluida pendingin pada sisi isap (telah banyak dilakukan)2) Mengisolasi pipa-pipa dari sinar matahari

c. Menurunkan besarnya NPSH yang Diperlukan (NPSHr)

1) Menggunakan pompa isap ganda (double suction pump). Hal ini dapat menurunkanNPSHr hingga 27%.

2) Menggunakan pompa dengan kecepatan yang lebih rendah3) Jika dimungkinkan dapat digunakan inducer, hal ini dapat mengurangi NPSHr hingga

50%.4) Menggunakan beberapa pompa yang lebih kecil


22

5. KESIMPULANBerdasarkan uraian di atas, kavitasi sebagai ancaman terbesar dalam operasional pompa

sentrifugal, sangat dianjurkan untuk dicegah dan dikenali secara dini. Turunnya performansipompa secara tiba-tiba, suara berisik dan getaran, serta kerusakan pada impeler merupakanbeberapa indikasi pompa telah mengalami kavitasi. Secara teoritis, pemeriksaan pompa darikavitasi dapat dilakukan dengan perhitungan besarnya NPSH, di mana berlaku NPSH yangtersedia > NPSH yang diperlukan bila tidak dikehendaki terjadi kavitasi. Secara praktis, beberapacara dapat dilakukan terhadap faktor penunjang operasional pompa, seperti koreksi pada posisipompa, saluran pipa, hingga injeksi fluida pendingin pada sisi isap.

DAFTAR PUSTAKALazarkiewics, S., 1965, Impeller Pumps, Pergamon Press, London.Lobanoff, Val.S., 1986, Centrifugal Pump Design and Application, Gulf Publishing Co.Ludwig, Ernest E., Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants.Nelson, W.E., 1997, Understanding Pump Cavitation, Chemical Processing.Stepanoff, A.J., 1957, Centrifugal and Axial Flow Pumps, John Wiley and Sons, New YorkSularso, Pompa dan Kompresor, 1987, PT. Pradnya Paramita, Jakarta.

2000_4_1_2

Documents