Disampaikan pada:BIMBINGAN TEKNIK DUA HARI

PUMPING PRACTICE FOR BUILDING & INDUSTRY SERVICES

Jakarta, 1 – 2 Juli 2009Grand Sahid Hotel

Oleh:

PUSAT TEKNOLOGI INDUSTRI MANUFAKTUR BADAN PENGKAJIAN DAN PENERAPAN TEKNOLOGI

WELCOME

PUMPING PRACTICE FOR BUILDING & INDUSTRY SERVICESGejala-gejala kritis/berbahaya pada oprasional : Kavitasi, Benturan Air, Tekanan

berlebih, Tekanan negative, Gejala surjing dan Fluktuasi tekanan

• Pada tekanan atmosfer temperatur pendidihan air adalah suhu 100º C, akan tetapi apabila kondisi tekanan zat cair tersebut diturunkan tekanannya dibawah 1 atm proses pendidihan memerlukan temperatur kurang dari 1000C. Kondisi sebaliknya apabila kondisi tekanan zat cair naik lebih dari 1 atm maka akan dibutuhkan temperatur yang lebih tinggi dari 1000C. Pada instalasi pompa penurunan tekanan terjadi disepanjang perpipaan terutama bagian pipa isap, didalam pompa sendiri penurunan tekanan pompa terjadi pada bagian nosel isap, karena dibagian tersebut terjadi penyempitan saluran yang mengakibatkan kenaikan kecepatan dan penurunan tekanan.

• Liquid yang mengalir pasti mengalami kendala dan hambatan dikarenakan adanya friksi dalam pipa, friksi di fitting-fitting pipa. Kendala ini lebih popular dengan sebutan Pressure loss .

• Term pressure loss karena kenyataannya pressure yang dimiliki oleh liquid itu berkurang setelah dia mengalir. Bila sampai pada saatnya pressure yang dimiliki si liquida ini sama dengan pressure vapornya, maka liquida ini berubah fase menjadi Gas (uap).

• Pada saat absolute pressure liquid ini sama dengan liquid vapor pressure pada temperature liquid saat itu, maka terjadilah Kavitasi.

• Ada bubble/vapor yang terbentuk, yang akan menyerang impeller.

PROSES KAVITASIAir pada kondisi biasa akan mendidih dan menguap pada tekanan 1 atm (14,7 PSIA) pada suhu 1000 C (212ºF), apabila tekanan berkurang sampai cukup rendah, air pada suhu udara lingkungan yaitu sekitar 200C – 330C akan mendidih dan menguap. penguapan akan menghasilkan gelembung gelembung uap.Tempat-tempat bertekanan rendah atau berkecepatan tinggi mudah terjadi kavitasi, terutama pada sisi isap pompa. Property Vp pada berbagai kondisi temperatur

Fahrenheit Centigrade Vapor pressure lb/in2 A Vapor pressure (Bar) A

40 4.4 0.1217 0.00839

100 37.8 0.9492 0.06546

180 82.2 7.510 0.5179

212 100 14.696 1.0135

300 148.9 67.01 4.62

GEJALA – GEJALA KAVITASI:• Suara berisik, getaran ketika pompa dijalankan• Kerusakan komponen pompa tatkala gelembung-

gelembung fluida tersebut pecah ketika melalui daerah yang lebih tinggi tekanannya. Terutama pada permukaan dinding saluran, impeller dan volutenya akan berlubang karena erosi kavitasi

• Kapasitas pompa menjadi berkurang• Pompa tidak mampu membangkitkan head

(tekanan)• Berkurangnya efisiensi pompa (unjuk kerja /

performansi pompa turun)

Gambar kerusakan Impeller karena Kavitasi

Gambar bubble/vapor yang terbentuk pada impeller

Secara umum, terjadinya kavitasi diklasifikasikan atas 5 alasan dasar

1. Vaporisation - Penguapan.

untuk mencegah penguapan, syaratnya adalah NPSHA - Vp ≥ NPSHR

SOLUSIA. Menambah Suction head, dengan : Menambah level liquid di tangki. Meninggikan tangki. Memberi tekanan tangki. Menurunkan posisi pompa(untuk pompa portable). Mengurangi head losses pada suction piping system. Misal dengan mengurangi jumlah fitting, membersihkan strainer, cek mungkin venting tangki tertutup atau bertambahnya speed pompa.B. Mengurangi Tempertur fluida, dengan : Mendinginkan suction dengan fluida pendingin Mengisolasi suction pompa Mencegah naiknya temperature dari bypass system dari pipa discharge.C. Mengurangi NPSHR, dengan : Gunakan double suction. Ini biasa mengurangi NPSHR sekitar 25 % dan dalam beberapa kasus memungkinkan penambahan speed pompa sebesar 40 %. Gunakan pompa dengan speed yang lebih rendah. Gunakan impeller pompa yang memiliki ‘eye impeller’ yang lebih besar. Install Induser, dapat mereduksi NPSHR sampai 50 %. Gunakan pompa yang lebih kecil. Menggunakan 3 buah pompa kecil dengan ukuran kapasitas separuhnya, hitungannya lebih murah dari pada menggunakan pompa besar dan spare-nya. Lagi pula dapat menghemat energy.

2. Air Ingrestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam SystemDisebabkan:• Dari packing stuffing box, Ini terjadi, jika pompa dari kondensor, evaporator atau peralatan

lainnya bekerja pada kondisi vakum.• Letak valve di atas garis permukaan air (water line).• Flens (sambungan pipa) yang bocor.• Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid).• Jika ‘bypass line’ letaknya terlalu dekat dengan sisi isap, hal ini akan menambah suhu udara

pada sisi isap.

3. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System• Ini selalu terjadi pada pompa dengan NPSHA yang rendah. Untuk mengatasi hal tersebut,

kita harus tahu nilai Suction Spesific Speed , yang dapat digunakan untuk mengontrol pompa saat beroperasi, berapa nilai terdekat yang teraman terhadap nilai BEP(Best Efficiency Point) pompa yang harus diambil untuk mencegah terjadinya masalah. Catatan penting :

• Untuk pompa double suction, kapasitas dibagi 2 karena ada 2 impeller eyes.• Ideal untuk ‘membeli’ pompa dengan nilai Suction Spesific Speed kurang dari 8500(5200

metrik) kecuali untuk kondisi yang ekstrim.• Mixed Hydrocarbon dan air panas idealnya pada 9000 ÷ 12000 (5500÷7300 metric) atau

lebih tinggi, lebih bagus.• Nilai Suction Spesific Speed yang tinggi menandakan impeller eye-nya lebih besar dari

biasanya dan biasanya nilai efisiensinya disesuaikan dengan nilai NPSHR yang rendah.• Lebih tinggi nilai Suction Spesific Speed memerlukan desain khusus, operasinya

memungkinkan adanya kavitasi.• Biasanya, pompa yang beroperasi dibawah 50% dari nilai BEP-nya tidak reliable.

4.Turbulence (Pergolakan Aliran)Jarak minimum antara suction pompa dengan elbow yang pertamaminimal 10 X diameter pipa. Beberapa buah pompa bisa dipasang pada satu bak isap (sump) yangbesar, dengan syarat :• Posisi pompa tegak lurus dengan arah aliran.• Jarak antara dua ‘center line’ pompa minimum dua kali suction

diameter.• Semua pompa dalam keadaan ‘runing’.• Bagian piping upstream paling tidak memiliki pipa yang lurus dengan

panjang minimal 10 x diameter pipa.• Setiap pompa harus memiliki kapasitas kurang dari 15.000 gpm.• Suaian dasar pompa seharusnya sekitar 30% diameter pipa isap.• Hubungan kedalaman pemasangan pompa dengan kapasitas

disesuaikan 5. Vane Passing Syndrome • Kerusakan akibat kavitasi jenis ini terjadi ketika diameter luar

impeller lewat terlalu dekat dengan ‘cutwater’ pompa

Pencegahan Kavitasi Berikut ini hal-hal yang diperlukan untuk instalasi pompa; 1. Ketinggihan letak pompa terhadap permukaan zat cair yang dihisap

harus dibuat serendah mungkin agar head isap statis lebih rendah pula. Pipa Isap harus dibuat sependek mungkin. JIka terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya diambil pipa yang berdiameter satu nomer lebih besar untuk mengurangi kerugian gesek.

2. Tidak dibenarkan untuk mengurangi laju aliran dengan menghambat aliran disisi isap.

3. Head total pompa harus ditentukan sedemikian hingga sesuai dengan yang diperlukan pada kondisi operasi yang sesungguhnya.

4. Jika head pompa sangat berfluktuasi, maka pada keadaan head terendah harus diadakan pengamanan terhadap terjadinya kavitasi. Dalam beberapa hal terjadinya kavitasi tidak dapat dihindari dan tidak mempengarui performa pompa, sehingga perlu dipilih bahan impeler yang tahan erosi karena kavitasi. abrasi kerusakan akibat kavitasi pecahan

5. NPSHA > NPSHR

Perumusan dari NPSH tersedia (NPSHa) dapat ditulis :

iissVa

sv hhhPP

h

Perumusan dari NPSH yang diperlukan (NPSHr) dapat ditulis :

Faktor yang bisa mempengaruhi perubahan NPSH tersedia adalah :Pengaruh temperatur dari zat cairPengaruh sifat dari zat cairPengaruh tekanan dari zat cair yang dihisapMenaikkan NPSHA bisa dengan:1. Menaikkan elevasi suction (elevasi liquid level ataupun elevasi vessel). Menaikkan elevasi, berarti kita menaikkan static head, menaikkan NPSHA. 2. Turunkan elevasi pompa. Semirip dengan menaikkan elevasi suction vessel.3. Kurangi friksi di pipa, sehingga pressure loss berkurang NPSHA membesar.4. Gunakan booster pump (pompa yg sizenya lebih kecil, tercukupinya NPSHA)5. Subcooled the liquid sehingga P vapornya turun

Menurunkan NPSHR bisa dengan:1. Menggunakan kecepatan putaran impeller yang lebih kecil. kecepatan pump besar mengakibatkan pressure loss besar, sehingga otomatis akan memperbesar NPSHR. Dengan menurunkanya akan menurunkan NPSHR.2. Menduakan suction impeller sebenarnya semirip dg memperbesar impeller eye area, memperkecil pressure loss.3. Memperbesar impeller eye area4. Memparalelkan pompa yang lebih kecil5. Menggunakan suction inducer impeller6. Menggunakan vertical pump yg menyediakan tambahan NPSHA

TINGGI KENAIKAN INSTALASI = TINGGI KENAIKAN ISAP + TINGGI KENAIKAN TEKANTINGGI KENAIKAN ISAP

POMPA

A

S

ZAPa

NPSHA > NPSHR

0.2

2

g

Va

g

Pa

.

Kecepatan dengan ketinggian

(karena Permukaannya tidak berubah), maka energi total di titik A sebesar

Energi fluida titik A terdiri: Tekanan dengan ketinggian g

Pa

.

Titik S Energi berupa : Tekanan uap jenuh dengan ketinggian tekanan memperhitungkan kavitasi g

PD

.Tingi geodesi dengan ketinggian ZA; energi untuk mengatasi hambatan HvsKecepatan dengan ketinggian

g

Co

.2

2

Untuk menglirkan fluida ketitik S beserta hambatannya dibutuhkan energi sebesar NPSHA, sehingga energi total dititik S menjadi:

VSAAoD HNPSHZg

C

g

P

.2.

2

Hukum kontinuitas Bernoulli didapat:

g

PHNPSHZ

g

C

g

P aVSAA

oD

..2.

2

vsaoDa

A HZg

C

g

PPNPSH

.2.

2

ZA berharga positif bila letak yang dipompa diatas pompaNPSH yang diperlukan pompa, harganya ditentukan melalui pengamatan berdasarkan timbulnya gelembung – gelembung. Timbulnya gelembung – gelembung ini sangat dipengaruhi oleh beberapa factor antara lain: kecepatan fluida waktu memasuki impeller, bentuk ujung – ujung sudu jalan, tonjolan – tonjolan sudu dari rumah pompa, kehalusan permukaan sudu jalan, dan yang terutama adanya berubah – ubahnya pembebanan (Fritz Dietsel: 306)

NPSHR = ( 0,3 s/d 0,5) n ( m ) Persamaan ini hanya berlaku untuk = ( 0,1 s/d 1,0 ) m3/detn = ( 10 s/d 50 ) put/det = (600 s/d 3000) RPMbila mana NPSHR > NPSHA maka aka n terjadi kavitasi hal ini dapatdiatasi dengan mengubah letak ketinggian pompa ( ZA ) TINGGI KENAIKAN TEKANEnergi fluida di titik b sebesar Energi fluida di titik SEnergi disini hanya berupa energi yang dipakai untuk mengatasihambatan dan energi dititik b. Ditinjau dari potongan A – B energi ini

disebut tinggi kenaikan tekan (hds) Keseimbangan Bernoulli menjadi

V

V

dsbbb HZg

V

g

P

.2.

2

dsbbb

ds HZg

V

g

Ph

.2.

2

Jadi tinggi enaikan instalasi

H = NPSH + hds

S

A

B

Pb

b

Zb

dsvsbabobDa HHZZg

V

g

C

g

P

g

PPH

.2.2..

22

Kerugian – kerugian pada aliran

Reynold Number

μ = viskositas dinamik (Ndet/m2)

Untuk aliran laminer harga kerugian aliran dalam pipa dinyatakan dalam

persamaan

..DV

N rR

DARCY

gD

VLfH L ..2

. 2

dimana RN

f64

f = faktor gesekan

kekasaran relatif = D

ε = kekasaran absolut dari pipa

Hubungan antara kekasaran relatif, bilangan Reynold dan faktor gesekan untuk aliran transisi dan turbulen dibaca pada diagram Moody Kerugian pada sambungan dan katubTerdiri dari elbow 450, 900, alat penyambung T, penyambung balik dan Check Valve

K diambil dari : FLUID POWER WITH APPLICATION (Anthony Esposito:123)

g

VKH L .2

. 2

K = tidak bersatuan ditentukan tabel berikut

Valve or Fitting K factor

Globe ValveWide Open

½ openGate Valve

Wide open¾ open½ open¼ open

Return BendStandard TeeStandard Elbow450 elbow900 elbowBall check valve

10,012,5

0,190,904,5

24,02,21,80,9

0,420,754,0

Kekasaran absolute dari pipa (Anthony Esposito halmn: 120)

Type of Pipe Absolute Roughness (ft)

Glass or PlasticDrawn Tubing

Commercial steel orWrought Iron

Asphalted Cast ironGalvanis Iron

Cast IronRiveted steel

Smooth0,000005

0,000150,00040,0005

0,000850,006

Dari kekerasan absolute dan diameter pipa dapat dicari kekerasan relative yang selanjutnya melalui grafik dari Moody dapat dicari harga friction factor. Dalam diagram ini terdapat empat daerah yaitu: derah laminer, daerah kritis, daerah transisi dan daerah turbulen. Untuk daerah laminer NR < 2000 grafik berupa garis lurus. NR>2000 sampai 3000 harga f dapat dicari melalui kepanjangan garis lurusuntuk daerah laminer, sedang NR = 3000 dan selebihnya harga f dicari melalui grafik untuk daerah turbulen.

Mengkaji Piping & Instrumentation Diagram

Kasus 1 Tangki dan Pompa terletak pada level yang sama.Minyak didalam tangki dengan ketinggian tertentu. Dapat dilihat dengan jelas bahwa energi potensial ketinggian minyak didalam tangki akan mengalirkan ke dalam suction pompa. Energi ketinggian ditambah tekanan atmosfer akan memaksa minyak mengalir jika valve di suction pompa dibuka dan pompa mulai dioperasikan. Gabungan energi ini akan dikurangi oleh hilang tekan atau pressure drop sepanjang pipa suction karena efek adanya aliran, termasuk penurunan tekanan di nozzle tangki dan di flange antara pipa dengan pompa serta filter yang biasanya dipasang di suction pompa. Faktor lain yang Mengurangi gabungan energi penggerak adalah tekanan uap dari minyak.Hasil akhir dari pengurangan tersebut dikenal sebagai NPSH. NPSH atau Net pressure suction head adalah head yang tersedia di mata impeller yang nilainya harus lebih besar dari NPSH minimum yang dibutuhkan oleh pompa pada suatu laju alir tertentu. Keterangan ini dapat dijabarkan dalam persamaan matematika sederhana pada daerah antara tangki dengan suction pompa, yaitu: (P atm) + (Beda tinggi level minyak di tangki terhadap centerline pompa) – {hilang tekan atau pressure drop sepanjang pipa suction (termasuk di fiting-nya)} – (tekanan uap minyak bumi).

NPSH available harus lebih besar dari NPSH yang dibutuhkan pompa (NPSH required) dikarenakan NPSH required akan naik seiring dengan naiknya laju alir fluida yang dipompakan, serta untuk mengkompensasi uncertainty pressure drop di pipa suction beserta fitingnya. Hal tersebut, dapat menjadi kritis, terutama ketika pertama kali pompa dioperasikan dengan valve di keluaran pompa dibuka penuh.

Kasus 2 Pada kasus ini, suction pompa ada di bawah pompa. Apakah persamaan NPSH available masih berlaku? Tentu saja, hanya harga energi potensial ketinggian menjadi negatif sehingga menjadi faktor pengurang. Satu-satunya yang berangka positif adalah tekanan atmosfer. Persamaan sebelumnya dituliskan kembali untuk model pemompaan suction lift ini: (P atm) – (beda tinggi level minyak di tangki terhadap centerline pompa) – {hilang tekan atau pressure drop sepanjang pipa suction (termasuk di fiting-nya)} – (tekanan uap minyak bumi). Sebagai akibat perubahan persamaan di atas, maka harga NPSH available akan turun. Para pembuat pompa sudah mengantisipasi hal demikian, yaitu dengan merancang pompa yang mempunyai harga NPSH required relative lebih kecil terhadap pompa pada kasus 1. Lebih jauh, sekarang sudah banyak Sekali pompa yang diletakkan di dalam sump caisson-nya sehingga dapat mengeliminasi NPSH required lebih kecil. Contoh pompa seperti ini adalah submersible pump yang banyak digunakan untuk teknologi pengangkatan minyak di dalam sumur yang tekanan reservoir-nya sudah lemah ataupun untuk firewater pump di anjungan lepas pantai

Benturan Air (Water Hammer)Benturan air terjadi karena pada aliran terjadi kenaikan dan penurunan tekanan secara tiba-tiba. Benturan air dapat terjadi karena dua sebab yaitu1. Penutupan katup secara tiba-tiba2. Pompa mendadak berhenti bekerja

Pencegahan benturan airProses terjadinya benturan air yaitu karena head

pompa tidak dapat mengatasi head sistem sehingga terjadi tekanan negatif pada sisi keluar pompa, kondisi ini menyebabkan aliran balik dari sisi keluar pompa menuju pompa. Selanjutnya terjadi kenaikan tekanan yang drastis yang menuju impeler pompa. Maka darikondisi tersebut, untuk melakukan pencegahan

benturan air, tekanan negatif dan lonjakan tekanan harus

dicegah.

Gejala SurjingGejala surjing sering terjadi pada operasi pompa, laju aliran berubah-ubah secara periodik dan pada aliran terjadi fluktuasi tekanan. Gejala ini timbul karena pompa beroperasi dengan head yang semakin menurun dan head sistem yang naik. Atau, head pompa tidak mampu mengatasi head dari sistem secara normal. Untuk mecegah surjing harus dipilih pompa dengan head yang cukup tinggi, sehingga pada waktu pompa head nya menurun tidak sampai terjadi surjing.

Tekanan Berubah-ubahGejala tekanan yang berubah ubah atau berfluktuatif sepanjang aliran banyak terjadi pada pompa sentrifugal, khususnya pada pompa volut. Di dalam

pompa ada daerah antara sisi luar impeler dan ujung dari volut (cut water), yang

apabila setiap kali impeler berputar dan melewati daerah ini, tekanan zat cair akan berdenyut. Denyut yang terus-menerus akan dirasakan sebagai fluktuasi tekanan yang merambat pada zat cair di dalam pipa keluar. Apabila denyut tekanan zat cair beresonansi dengan kolom air menyebabkan getaran dan

bunyi.Untuk mencegah dari fluktuasi tekanan antara pompa dan jalur pipa keluar, Pada jalur keluar pompa dipasang peredam bunyi yaitu kamar ekspansi.

Kamarekspansi akan memotong rambatan gelombang dari fluktuasi tekanan

sehingga tidak sampai beresonansi dengan kolom air.

GOOD LUCK TO GOOD LUCK TO ALL ALL