BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Analisa Getaran - Studi Ekperimental Deteksi Fenomena Kavitasi Pada Pompa Distilasi Dengan Menggunakan Sinyal Spektrum Getaran

  Analisa getaran merupakan cara yang paling handal untuk mendeteksi awal gejala kerusakan mekanik, elektrikal pada peralatan, sehingga analisa getaran saat ini menjadi pilihan teknologi predictive maintenance yang paling sering digunakan (Scheffer, 2004).

  Suatu peralatan yang berputar sebaiknya memiliki suatu nilai getaran standart dan batasan getaran yang diperbolehkan (dibuat oleh pabrik) sehingga apabila nilai getaran yang terjadi diluar batasan yang diizinkan maka peralatan tersebut harus menjalani tindakan perawatan.

  Semua mesin memiliki tiga sifat fundamental yang berhubungan untuk menentukan bagaimana mesin akan bereaksi terhadap kekuatan-kekuatan yang menyebabkan getaran-getaran, seperti sistem pegas-massa yaitu:

  1) Massa (m) : merupakan inersia untuk tetap dalam keadaan semula atau gerak. Sebuah gaya mencoba untuk membawa perubahan dalam keadaan istirahat atau gerak, yang ditentang oleh massa dan satuannya dalam kg. 2) Kekakuan/stiffness (k) : ada kekuatan tertentu yang dipersyaratkan membengkokkan atau membelokkan struktur dengan jarak tertentu. Ini mengukur gaya yang diperlukan untuk memperoleh defleksi tertentu disebut kekakuan, satuannya dalam N / m. 3) Damping/redaman (c) : setelah memaksa setiap bagian atau struktur ke dalam gerakan, bagian atau struktur akan memiliki mekanisme inheren untuk memperlambat gerak (kecepatan). Karakteristik ini untuk mengurangi kecepatan gerakan disebut redaman, satuannya dalam N /(m/s). Sebagaimana disebutkan di atas, efek gabungan untuk menahan pengaruh kekuatan karena massa, kekakuan dan redaman menentukan bagaimana suatu sistem akan merespon yang diberikan kekuatan eksternal. Sederhananya, cacat dalam mesin membawa gerakan getaran. Massa, kekakuan dan redaman mencoba untuk melawan getaran yang disebabkan oleh cacat. Jika getaran akibat cacat jauh lebih besar dari pada tiga karakteristik tersebut maka getaran yang dihasilkan akan lebih tinggi dan cacat dapat terdeteksi.

  2.1.1 Karakteristik Getaran Getaran secara teknik didefenisikan sebagai gerak osilasi dari suatu objek terhadap posisi objek awal/diam, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Sistem Getaran Sederhana (Mobley, 2008)

  Kondisi suatu mesin dan masalah-masalah mekanik yang terjadi dapat diketahui dengan mengukur karakteristik getaran pada mesin tersebut. Karakteristik getaran yang penting antara lain adalah (Pain, 2005) :

  1) Frekuensi adalah karakteristik dasar yang digunakan untuk mengukur dan menggambarkan getaran. 2) Perpindahan mengindikasikan berapa jauh suatu objek bergetar 3) Kecepatan mengindikasikan berapa cepat objek bergetar 4) Percepatan mengindikasikan suatu objek bergetar terkait dengan gaya penyebab getaran 5) Phase mengindikasikan bagaimana suatu bagian bergetar relatif terhadap bagian yang lain, atau untuk menentukan posisi suatu bagian yang bergetar pada suatu saat, terhadap suatu referensi atau terhadap bagian lain yang bergetar dengan frekuensi yang sama. Dengan mengacu pada gerakan pegas, kita dapat mempelajari karakteristik suatu getaran dengan memetakan gerakan dari pegas tersebut terhadap fungsi waktu. Gerakan bandul pegas dari posisi netral ke batas atas dan kembali lagi ke posisi netral dan dilanjutkan ke batas bawah, dan kembali lagi ke posisi netral, disebut satu siklus getaran (satu periode). Setiap karakteristik ini menggambarkan tingkat getaran, hubungan karakteristik ini dapat dilihat pada gambar 2.2 dan 2.3.

Gambar 2.2 Hubungan Antara Perpindahan, Kecepatan dan Percepatan GetaranGambar 2.3 Skematik Phase GetaranTabel 2.1 Satuan yang digunakan Tiap Karakteristik

  Satuan Karateristik Getaran Metrik British

  microns peak to peak mils peak to peak Perpindahan

  ( 1 µm = 0.001 mm ) (0.001 in ) Kecepatan mm/s in/s

  G G Percepatan

  2

  2

  ( lg = 980 cm/s ) ( lg = 5386 in/s ) Frekuensi cpm, cps, Hz cpm, cps, Hz

  Pase derajat derajat (Sumber : Maintenance Engineering Handbook, Mobley, 2008)

  2.1.2. Gerak Harmonik Getaran dari sebuah mesin merupakan resultan dari sejumlah getaran individu komponen yang muncul oleh gerak ataupun gaya pada komponen mekanikal ataupun proses pada mesin ataupun sistem yang saling terkait. Setiap komponen individu yang bergetar ini memiliki gerak periodik. Gerakan akan berulang pada periode waktu tertentu. Waktu pengulangan τ dimana getaran berulang disebut perioda osilasi biasanya diukur dalam satuan waktu yaitu detik dan kebalikannya adalah frekuensi (Scheffer, 2004).

  Setiap frekuensi komponen mesin dapat dihitung dengan rumus berikut ini : (2.1)

  = dan frekuensi lingkaran atau kecepatan sudut dapat dihitung dengan rumus (2.2)

  = 2 = 2 Besaran ω biasanya diukur dalam radian per detik atau rps. Bentuk sederhana dari gerak periodik adalah gerak harmonik, pada gerak harmonik, hubungan antara perpindahan maksimum dan waktu dapat dinyatakan oleh :

  = sin (2.3) Amplitudo getaran dapat dinyatakan dalam tiga istilah dasar yaitu perpindahan, kecepatan, dan percepatan. Kecepatan dalam gerak harmonik berdasarkan persamaan (2.3) dapat diperoleh dari hasil diferensial perpindahan terhadap waktu, yaitu:

  (2.4) cos = ̇ =

  Sedangkan percepatan harmonik dapat diturunkan dari persamaan (2.4) sehingga : (2.5) sin

  = ̈ = −

  2.1.3. Gerak Periodik Gerak yang berulang dalam selang waktu yang sama disebut gerak periodik. Gerak periodik ini selalu dapat dinyatakan dalam fungsi sinus atau cosinus, oleh sebab itu gerak periodik disebut gerak harmonik. Jika gerak yang periodik ini bergerak bolak-balik melalui lintasan yang sama disebut getaran atau osilasi. Getaran mesin pada umumnya memiliki beberapa frekuensi yang muncul bersama-sama. Gerak periodik dapat dihasilkan oleh getaran bebas sistem dengan banyak derajat kebebasan, dimana getaran pada tiap frekuensi natural memberi sumbangan. Getaran semacam ini menghasilkan bentuk gelombang kompleks yang diulang secara periodik seperti ditunjukkan pada gambar 2.4.

Gambar 2.4 Gerak Periodik Gelombang Sinyal Segiempat dan Gelombang

  Pembentukannya Dalam Domain Waktu

• Gelombang pertama yang harus kita amati adalah gelombang (1). Hal ini diwakili oleh satu siklus. Sebagai skala waktu adalah 1 s, ia memiliki frekuensi 1 Hz.
• Gelombang berikutnya untuk dipertimbangkan adalah gelombang (3). Hal ini dapat dilihat bahwa ia memiliki tiga siklus pada periode yang sama dari gelombang pertama. Jadi, ia memiliki frekuensi 3 Hz.
• Ketiga adalah gelombang (5). Berikut lima siklus dapat ditelusuri, dan tentunya memiliki frekuensi dari 5 Hz.
• Berikutnya adalah gelombang (7). Ia memiliki tujuh siklus dan karena itu frekuensi 7 Hz.
• Gelombang (9) adalah berikutnya dengan sembilan siklus dan akan memiliki frekuensi 9 Hz.

  Gerak periodik pada gambar 2.4, dapat dinyatakan dalam deretan sinus dan cosinus yang dihubungkan secara harmonik. Jika x(t) adalah fungsi periodik dengan periode τ, maka fungsi ini dapat dinyatakan oleh deret Fourier (Pain, 2005) sebagai:

  1

• ( ) = cos cos + ⋯ + cos

  2

• sin sin + ⋯ + sin +

  (2.6) dengan = ; = 2 Pada gelombang segiempat berlaku x(t) = ±A pada t = 0, dan t = τ, dan seterusnya.

  Deret ini menunjukkan nilai rata-rata dari fungsi yang diskontinu.

  2.1.4 Getaran Bebas (Free Vibration) Dalam gerak translasi, perpindahan didefinisikan sebagai jarak linier, dalam gerak rotasi, perpindahan didefinisikan sebagai gerakan sudut (Harris dan

  Piersol, 2002).

Gambar 2.5 Pegas Linier

  Pada gambar 2.5 menunjukan perubahan panjang pegas proporsional dengan gaya yang bekerja sepanjang panjangnya, atau : = ( − ) (2.7)

  Pegas dianggap tidak memiliki massa, sehingga gaya yang bekerja pada salah satu ujungnya sama dan berlawanan dengan gaya yang bekerja pada ujung yang lain sehingga konstanta proporsional adalah konstan.

Gambar 2.6 Benda Tegar Massa adalah benda tegar (gambar 2.6) dengan percepatan ̈, menurut hukum kedua Newton sebanding dengan resultan semua gaya yang bekerja pada massa

  = ̈ (2.8)

Gambar 2.7 Redaman

  Konstanta c adalah koefisien redaman, redaman yang ideal dianggap tidak memiliki massa sehingga besarnya gaya pada kedua ujungnya sama namun arahnya berlawanan, sehingga

  = ( ̇ − ̇ ) (2.9)

  Free vibration tanpa redaman

Gambar 2.8 Sistem 1 DOF Tanpa Redaman

  Persamaan Newton untuk massa. Gaya ̈ yang diberikan oleh massa dan pegas massa yang berlawanan dengan gaya diterapkan oleh pegas pada massa.

  (2.10) ̈ + = 0 dimana x = 0 karena posisi kesetimbangan massa. Sehingga solusi untuk penyelesaian di atas adalah

  = sin + cos (2.11) dimana adalah sudut frekuensi natural.

  = / (2.12) Osilasi sinusoida massa berulang terus menerus, dan interval waktu untuk menyelesaikan satu siklus periode :

  (2.13) = Dan kebalikan periode adalah frekuensi natural.

  = = = = (2.14)

  Free vibration dengan redaman

Gambar 2.9 Sistem Pegas Massa dan Diagram Benda Bebas

  Hukum Newton kedua adalah dasar untuk meneliti gerak sistem, pada

gambar 2.9 perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan adalah Δ dan gaya pegas kΔ adalah sama dengan gaya gravitasi w yang bekerja pada massa m.

  ∆ = = (2.15) Hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m :

  ̈ = Σ = − (Δ + ) (2.16) dan karena kΔ = w, diperoleh :

  ̈ = − (2.17) frekuensi lingkaran

  = ; sehingga persamaan dapat ditulis :

  ̈ + = 0 (2.18) sehingga persamaan umum dari persamaan diferensial linier orde kedua yang homogen :

  = sin + cos = 0 (2.19)

  Perioda natural osilasi dibentuk dari = 2 ; atau

  = 2 (2.20) dan frekuensi natural adalah : = = 2 (2.21)

  Persamaan homogen untuk gambar 2.9 adalah : ̈ + ̇ +

  = 0 (2.22) dan koefisien redaman kritis

  = 2√ = 2

  (2.23) sehingga rasio redaman adalah : =

  (2.24) Sehingga

  = = (2.25)

  2.1.5 Getaran paksa (Force vibration)

  Force vibration tanpa redaman

Gambar 2.10 Sistem Teraksitasi Akibat Gaya Tanpa Redaman

  Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar disebut getaran paksa seperti pada gambar 2.10. Eksitasi ini biasanya dihasilkan oleh ketidak seimbangan pada mesin-mesin yang berputar.

  ̈ + = (2.26)

  Force vibration dengan redaman

Gambar 2.11 Sistem Teraksitasi Akibat Gaya dengan RedamanGambar 2.11 sistem yang teredam karena kekentalan dengan eksitasi harmonik, persamaan diferensial geraknya adalah :

  ̈ + ̇ + = sin (2.27) Solusi khusus persamaan diatas adalah keadaan tunak (steady state) dengan frekuensi ω yang sama dengan frekuensi eksitasi, sehingga dapat diasumsikan menjadi :

  = sin( − ) (2.28) (2.29)

  = sin + cos dengan A adalah amplitudo osilasi dan ф adalah beda fase simpangan terhadap gaya eksitasi, maka diperoleh :

  = (2.30)

  ( ) ( )

  dan (2.31)

  = Dengan membagi pembilang dan penyebut persamaan (2.30) dan (2.31) dengan k, diperoleh :

  (2.32) = tan = (2.33)

  2.1.6. Penentuan Indikator Proses penentuan indikator tranduser yang akan digunakan harus mempertimbangkan parameter apa yang kita inginkan untuk diukur. Biasanya parameter-parameter tersebut adalah perpindahan, kecepatan dan percepatan.

Tabel 2.2 Panduan Pemilihan Parameter Pengukuran

  Parameter Faktor pemilihan

  a) frekuensi rendah, dibawah 600 cpm

  b) pengukuran getaran shaft pada mesin berat dengan rotor Perpindahan yang relatif ringan.

  (displacement)

  c) menggunakan transduser velocity dan tranduser acceleration.

  d) transduser velocity, untuk mengukur displacement dengan rangkaian single integrator.

  e) transduser accelerometer, dapat digunakan untuk mengukur diplacement getaran dengan rangkaian double integrator.

  a) range frekuensi antara 600 – 100.000 cpm Kecepatan

  b) pengukuran over all level getaran mesin (velocity)

  c) untuk melakukan prosedur analisa secara umum

  a) pengukuran pada frekuensi tinggi/ultrasonic sampai 600000 cpm atau lebih Percepatan

  b) untuk pengukuran spike energy pada roll bearing, ball (acceleration)

  bearing, gear, dan sumber getaran aerodinamis dengan

  frekuensi tinggi Sumber : http://vibrasi.wordpress.com/category/teori-vibrasi

  2.1.7 Standart Pengukuran Getaran Nilai efektif kecepatan getaran digunakan untuk menilai kondisi mesin.

  Nilai ini dapat ditentukan oleh hampir semua pengukuran perangkat getaran konvensional. Standart yang digunakan untuk pengukuran getaran antara lain ASTM D3580-95 (Standart Test Methods For Vibration), ANSI S3.40 (Mechanical Vibration and Shock), DIN 31692-3 (Vibration Monitoring) dan ISO 10816 dengan perincian sebagai berikut (www.mantenimientoplanificado.com) :

  ISO 10816-1 : pengukuran getaran untuk evaluasi mesin oleh non-rotating bagian umum

  ISO 10816-2 : Pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian base turbin uap dan generator yang melebihi 50MW dengan operasi kecepatan 1500 rpm, 1800 rpm, 3000 rpm, 3600 rpm.

  ISO 10816-3 : Pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian industri mesin dengan daya nominal di atas 15 kW dan nominal kecepatan antara 120 rpm dan 15 rpm.

  ISO 10816-4 : pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian turbin gas didorong tidak termasuk pesawat dan turunannya.

  ISO 10816-5 : pengukuran getaran untuk evaluasi mesin non-rotating bagian mesin hydraulic power generating dan pompa.

  ISO 10816-6 : mesin reciprocating dengan rating daya 100 kW.

Gambar 2.12 ISO 10816-3 Vibration

  Zona A : hijau, vibrasi dari mesin sangat baik dan dibawah vibrasi yang diizinkan. Zona B : kuning, vibrasi dari mesin baik dan dapat dioperasikan karena masih dalam batas yang diizinkan. Zona C : orange, vibrasi dari mesin dalam batas toleransi dan hanya dioperasikan dalam waktu terbatas. Zona D : merah, vibrasi dari mesin dalam batas berbahaya dan kerusakan dapat terjadi pada mesin.

  Sumber : Technical Associates Of Charlotte, SKF, 2011.

Gambar 2.13 Ilustrasi Spektrum untuk Aerodinamis dan Hidrolik

  Kavitasi biasanya menghasilkan spektrum acak, frekuensi energi

  broadband yang lebih tinggi yang kadang-kadang melapis dengan frekuensi

  harmonis blade. Biasanya menunjukkan tekanan hisap yang kurang. Kavitasi bisa sangat merusak internal pompa jika dibiarkan tidak dikoreksi. Ini terutama bisa mengikis baling-baling impeller. Saat terjadi, sering terdengar seolah-olah "kerikil" yang melewati pompa. Kavitasi biasanya disebabkan oleh tekanan aliran masuk tidak mencukupi.

  Sumber : Technical Associates Of Charlotte, SKF, 2011

Gambar 2.14 Ilustrasi Spektrum untuk Kavitasi Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu fluida dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Standart pompa sesuai dengan API 610, ISO 5199, DIN 24256 (www.truflo.com).

Gambar 2.15. Pompa SentrifugalGambar 2.16 Komponen Pompa Sentrifugal

  Komponen pompa antara lain :

  

a) Stuffing Box berfungsi untuk mencegah kebocoran pada daerah dimana poros

pompa menembus casing.

  

b) Packing digunakan untuk mencegah dan mengurangi bocoran cairan dari

casing pompa melalui poros. Biasanya terbuat dari asbes atau teflon.

  

c) Shaft/poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama

beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya.

  

d) Shaft sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi, korosi dan keausan

pada stuffing box.

  e) Vane sudu dari impeller sebagai tempat berlalunya cairan pada impeller.

  

f) Casing merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai

pelindung elemen yang berputar.

  g) Eye of Impeller bagian sisi masuk pada arah isap impeller.

  

h) Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi

energi kecepatan pada cairan yang dipompakan secara kontinyu, sehingga cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya.

i) Casing wear ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang

melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller.

j) Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi

  energi kecepatan pada cairan yang di pompakan secara kontinyu sehingga cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya.

  k) Discharge nozzle merupakan nosel pada sisi keluar.

  2.2.1. Karakteristik Pompa Karakteristik pompa adalah prestasi pompa dalam bentuk grafik hubungan antara head (H), daya (N) dan efisiensi (η) terhadap debit (Q) seperti terlihat pada gambar 2.20.

Gambar 2.17 Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal

  Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk

  mengalirkan sejumlah zat cair yang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair yang dinyatakan dalam satuan panjang.

  Menurut Bernoully ada tiga macam energi (head) fluida yaitu energi tekanan, energi kinetik dan energi potensial. Hal ini dinyatakan pada persamaan (2.46) sebagai berikut (Sularso, 2006) :

  = + dimana :

• (2.46)

  H : head total pompa (m)

  : head tekanan (m) : head kecepatan (m)

  Z : head statis total (m)

  Selain ketiga head tersebut pada instalasi terjadi losses yang disebut head

  losses. Head losses akibat adanya perlengkapan pipa disebut head minor sedangkan akibat turbulensi dan gesekan disebut head mayor. Kerugian head minor dapat dicari dengan persamaan (2.47).

  (2.47) ℎ = dimana ;

  ℎ : head loss minor (m) : koefisien kerugian dari perlengkapan pipa

  Head losses mayor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Darcy- Weisbach pada persamaan (2.48).

  ℎ = (2.48) dimana :

  : head loss mayor (m) ℎ

  L : panjang pipa (m) D : diameter dalam pipa (m) V : kecepatan aliran (m/s)

  2 g : percepatan gravitasi (m/s )

  Koefisien untuk pipa licin adalah :

  ,

  = (2.49)

  Sedangkan total losses adalah penjumlahan loss mayor dan loss minor yang dinyatakan pada persamaan (2.50).

  ℎ = ℎ + ℎ (2.50)

  2.2.2. Blade pass frequency (BPF) Blade pass frequency pada Gambar 2.18 merupakan karakter dari pompa

  dan baling-baling. Frekuensi ini melekat pada pompa, menyebabkan tingkat kebisingan yang sangat tinggi. namun amplitudo besar pada BPF (harmonik) dapat dihasilkan jika pompa mengalami perbedaan kecepatan pada putaran baling baling pompa dan diffuser.

  /

BPF = ×

  (2.51) BPF kadang-kadang dapat muncul ketika frekuensi alami sistem menyebabkan getaran tinggi.

Gambar 2.18. Blade pass frequency

  Dalam pompa sentrifugal, perbedaan antara ujung impeller dan volute atau diffuser inlet adalah memiliki persentase tertentu (berkisar antara 4-6% diameter impeller), tergantung pada kecepatan pompa. Jika perbedaan kurang dari nilai yang direkomendasikan, dapat menghasilkan suara yang menyerupai kavitasi. Namun, plot FFT segera akan menyoroti frekuensi pass baling-baling impeller. Juga pada saat BPF (harmonik) dapat terjadi saat kondisi sistem pada frekuensi alami dan akan menyebabkan getaran yang tinggi.untuk lebih jelas bisa lihat

gambar 2.19 di bawah ini.Gambar 2.19 Membagi Spektrum ke Wilayah Signifikan Spektrum dibagi menjadi tiga bidang utama (lihat Gambar 2.19) Area di bawah frekuensi rotasi - Daerah ini disebut sub-

   synchronous jika ada puncak terjadi di dalamnya, mereka cenderung berbahaya (misalnya jurnal bantalan pusaran minyak).

  Daerah dari frekuensi rotasi hingga sepuluh kali itu - daerah

   frekuensi rendah kegiatan yang terkait dengan rotasi. Gejala semua kesalahan mekanis mendasar (unbalance, misalignment, kelonggaran, dll) biasanya terjadi di daerah ini. Daerah di atas 10X - daerah Symptoms frekuensi tinggi dari

   bantalan rol cacat, kesalahan roda gigi,kavitasi, dll terjadi di daerah ini.

  2.2.3. Kavitasi Kavitasi adalah gejala menguapnya zat cair yang sedang mengalir, karena tekanannya turun sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Kavitasi seperti gambar

  2.21 merupakan fenomena yang terjadi ketika uap berubah menjadi gelembung dan bergerak sepanjang sebuah baling-baling impeller. Ketika gelembung uap ini bergerak sepanjang baling-baling impeller, tekanan di sekitar gelembung mulai meningkat. Bila tekanan di luar gelembung lebih besar dari tekanan di dalam gelembung, maka gelembung akan runtuh.

Gambar 2.20 Proses Kavitasi (Beekman, 2006)Gambar 2.21 Pitting Akibat Kavitasi pada Impeller dan DiffuserGambar 2.22 Impeller yang Rusak Akibat Kavitasi

  Gelembung ini runtuh tidak sendirian, tetapi dikelilingi oleh ratusan gelembung lain yang runtuh di sekitar titik yang sama pada setiap baling-baling

  impeller. Fenomena pembentukan dari gelembung uap dan selanjutnya runtuh yang dikenal sebagai kavitasi, memiliki beberapa efek pada pompa sentrifugal.

  Pertama, gelembung runtuh menghasilkan bunyi yang khas, yang telah digambarkan sebagai suara menggeram. Ini bisa menjadi gangguan dalam situasi yang ekstrim di mana kavitasi pompa beroperasi. Namun, ini gejala fisik, pengaruh kavitasi pada kinerja hidrolik dan integritas mekanik pompa. Pengaruh hidrolik dari kavitasi pompa adalah bahwa kinerja pompa menurun dari kinerja yang diharapkan, menghasilkan head lebih rendah dari yang diharapkan seperti terlihat pada gambar 2.23.

Gambar 2.23 Grafik Kinerja Pompa Akibat Kavitasi

  Parameter yang harus dikendalikan atau setidaknya diukur dalam eksperimen sistematik pada kavitasi awal sebagai berikut (Brennen, 1995) :

  1. Angka Thoma

  2. Reynolds Number

  3. Cavitation Number

  4. Temperatur fluida

  5. Kualitas fluida

  6. Kualitas permukaan padat (impeller) Runtuhnya gelembung adalah subjek sangat penting karena menimbulkan kebisingan dan kerusakan material yang dapat disebabkan oleh kecepatan tinggi, tekanan, dan suhu yang mungkin timbul dari kehancuran itu. Gelembung uap yang terbentuk sampai pecah hanya membutuhkan waktu 0,003 detik. Tekanan maksimum yang dihasilkan akan menjadi sekitar 1010 bar dan suhu maksimum adalah 4 × 104 kali suhu.

  Penyebab kavitasi menurut (Bachus dan Custodio, 2003) antara lain :

Tabel 2.3 Tipe Kavitasi dan Penyebabnya

  No Tipe Penyebab Keterangan Terjadi pada sisi hisap pompa dimana

  fluida rendah pada mata impeller maka air akan menguap

  (Penguapan)

  Terjadi pada sisi tekan, dimana fluida

  2 Internal re- Operasi / Desain / yang keluar dari pompa terbatas circulation Maintenance sehingga terjadi sirkulasi ulang dari

  (sirkulasi balik

  tekanan tinggi di pompa ke tekanan

  didalam sistem) rendah di impeller.

  Kebisingan kavitasi akibat ini terdengar keras berderak-derak, memalu, atau suara ketukan, dengan intensitas tertinggi terdeteksi di nosel hisap. Pada ujung blade, akibat terlalu sempit

  Vane passing Desain /

  3 celah antara ujung blade dengan syndrome Maintenance cutwater. (4% dari diameter impeller)

  Air Aspiration Desain / Operasi/ Masuknya udara luar ke

  4 Maintenance system/instalasi.

  5 Turbulence Desain Akibat perlengkapan pipa

  2.2.3. Net Positive Suction Head (NPSH) Terdapat 2 jenis NPSH pada pompa yakni Net Positive Suction Head

  A R A

  Available (NPSH ) dan Net Positive Suction Head Required (NPSH ). NPSH

  adalah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair di tempat tersebut atau NPSH yang tersedia pada instalasi pompa (Sularso, 2006). Dinyatakan dengan persamaan (2.52)

  (2.52) ℎ = − − ℎ − ℎ dimana :

  ℎ : NPSH yang tersedia (m)

  2

  : tekanan pada permukaan cairan (kgf/m )

  2

  : tekanan uap jenuh (kgf/m )

  3

  : berat jenis fluida (kgf/m ) : head isap statis (m)

  ℎ : kerugian head dalam pipa isap (m)

  ℎ Jika zat cair dihisap dari tangki tertutup, maka harga Pa menyatakan tekanan mutlak yang bekerja pada permukaan zat cair didalam tangki tersebut. Khususnya jika tekanan diatas permukaan zat cair sama dengan tekanan uap jenuhnya, maka

  Pa = Pv. Untuk pompa yang menghisap zat cair dari tempat terbuka, maka

  NPSH A dapat ditulis dengan persamaan : ℎ = −ℎ − ℎ (2.53)

  Jika posisi fluida lebih tinggi dari sisi hisap pompa maka h s bernilai negatif (-) dan sebaliknya.

  Agar tidak terjadi penguapan zat cair, maka tekanan pada lubang masuk pompa dikurangi dengan penurunan tekanan didalam pompa harus lebih tinggi dari tekanan uap zat cair. Head tekanan yang besar sama dengan penurunan tekanan ini disebut NPSH yang diperlukan atau NPSH R . Agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi maka syarat yang diperlukan adalah NPSH yang tersedia lebih besar dari NPSH yang diperlukan (NPSH A > NPSH R ).

  Jika head total pompa pada titik efisiensi maksimum dinyatakan sebagai

  H N dan NPSH yang diperlukan untuk titik ini Hsv N , maka σ (koefisien kavitasi

  Thoma ) didefinisikan sebagai : =

  (2.54) dimana :

  σ : koefisien kavitasi / angka Thoma Hsv N : NPSH yang diperlukan (m) N

  H : head total pompa (m) Besarnya koefisien kavitasi Thoma dapat ditentukan dari grafik pada gambar 2.24, sedangkan NPSH yang diperlukan ditaksir sebagai berikut : = (2.55)

Gambar 2.24. Kurva Koefisien Kavitasi

  Kecepatan spesifik sisi isap (S) dapat juga digunakan sebagai pengganti koefisien kavitasi Thoma dalam menghitung NPSH A . Hubungannya dapat dilihat pada persamaan (2.56).

  = (2.56)

  2.2.4. Temperatur Fluida Salah satu fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal adalah perubahan suhu fluida akibat proses penguapan pada tekanan uap jenuh. Fluida menguap bila menjadi sangat rendah atau temperaturnya menjadi sangat tinggi. Temperatur fluida dipengaruhi oleh tekanannya, dan dapat dilihat pada tabel A (lampiran).

  2.2.5. Pola Aliran Umumnya fluida dialirkan melalui pipa-pipa saluran tertutup (closed

  conduit flow), sehingga mengakibatkan :

  1) gesekan pada dinding pipa 2) turbulensi karena gerakan relatif dalam molekul fluida yang dipengaruhi oleh viskositas fluida, kecepatan aliran dan bentuk pipa 3) fluktuasi aliran akibat pemasangan perlengkapan pipa.

  Perlengkapan pipa menyebabkan turunnya energi dari fluida tersebut yang sering disebut dengan kerugian tinggi tekan (head loss) atau penurunan tekanan (pressure drop). Kedua faktor ini merupakan pengaruh yang ditimbulkan karena pengaruh gesekan fluida (friction loss) dan perubahan pola aliran terjadi karena fluida harus mengikuti bentuk salurannya. Ketika pipa utama dialiri fluida yang bersifat turbulen, maka fluida dalam pipa akan mengalami pulsasi atau perubahan pola aliran yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran.

  Aliran fluida dalam pipa yang berbentuk lingkaran terbagi menjadi dua, yaitu aliran laminar dan turbulen. Pola aliran ini dapat digambarkan melalui bilangan Reynolds, yang menunjukkan bahwa penurunan tekanan tergantung pada parameter : kerapatan (ρ), kecepatan (V), diameter (D) dan viskositas dinamik (μ). Berdasarkan Reynolds number (Sularso, 2006) maka :

  1) Re < 2300 adalah laminar 2) 2300 < Re < 4000 adalah transisi 3) Re > 4000 adalah turbulen Persamaan Reynolds number dinyatakan sebagai persamaan (2.57).

  = = (2.57) dimana :

  Re : Reynolds number V : kecepatan fluida (m/s)

  D : diameter saluran (m)

  3 ρ : massa jenis fluida (kg/m ) μ : viskositas dinamik (kg/ms)

  2

  ϑ : viskositas kinematik (m /s)

  2.2.6. Menentukan Kapasitas Minimum Pengoprasian Pompa Penomena kavitasi terjadi salah satunya karena adanya sirkulasi balik didalam system (Internal re-circulation) terjadi pada sisi tekan, dimana fluida yang keluar dari pompa terbatas sehingga terjadi sirkulasi ulang dari tekanan tinggi di pompa ke tekanan rendah di impeller. Untuk menghindari terjadinya resirkulasi maka kita harus menentukan kapasitas minimum dari pompa. Penentuan kapasitas minimum pompa dipengaruhi oleh karakteristik impeler seperti luas sisi masuk fluida ke impeller, celah pada sisi masuk impeller,celah antara bilah impeller pada sisi masuk , jumlah bilah sudu impeler seperti terlihat pada gambar 2.25 di bawah ini.

Gambar 2.25 Karakteristik impeler F = B x W x Σ Vane (2.58)

  ,

  Sin β1 = (2.59)

  ( ) ( ) ( )

  Qmin = (2.60)

  ( , ) ( / )

  Dimana: F = Luas sisi masuk fluida ke impeller (m) B = Celah pada sisi masuk impeller (m) w = Celah antara bilah impeller pada sisi masuk (m) Σ Vane = Jumlah bilah sudu impeler D

  1 = Diameter mata impeller (m)

  D

  2 = Diameter discharge impeller (m)

  U

  1 = Kecepatan peripheral mata impeller (m)

  V c = Kecepatan fluida arah aksial di mata impeller (m) β

  

1 = Sudut vektor diagram inlet (diagram inlet posisi sudut β

1 )

  2.3.1. Time Domain Pengolahan data secara time domain melibatkan data hasil pengukuran objek pemantauan sinyal getaran, tekanan fluida kerja, temperatur fluida kerja maupun aliran fluida kerja. Dalam kasus pengukuran temperatur dengan thermometer yang konvensional karena karakteristik alat ukurnya, maka tidak dapat dilakukan pengukuran temperatur secara dinamik. Demikian pula halnya dengan pengukuran aliran fluida kerja, sehingga untuk memungkinkan pengukuran objek pemantauan berupa sinyal dinamik, maka diperlukan sensor yang memiliki karakteristik dinamik tertentu.

Gambar 2.26 Karakteristik Sinyal Statik dan Dinamik

  Hasil pengukuran objek pemantauan dalam domain waktu seperti gambar 2.26 dapat berupa sinyal :

  1) Sinyal statik, yaitu sinyal yang karakteristiknya (misal: amplitudo, arah kerjanya) tidak berubah terhadap waktu. 2) Sinyal dinamik, yaitu sinyal yang karakteristiknya berubah terhadap waktu, sehingga tidak konstan. Sinyal dinamik yang sering ditemui dalam praktek berasal dari sinyal getaran, baik yang diukur menggunakan accelerometer, vibrometer, maupun sensor simpangan getaran. Untuk keperluan pengolahan sinyal getaran dalam time domain, perlu diperhatikan karakteristik sinyal getaran yang dideteksi oleh masing-masing sensor percepatan, kecepatan, dan simpangan getaran (displacement).

  2.3.2. Frekuensi Domain Pengolahan data frekuensi domain umumnya dilakukan dengan tujuan :

  a) Untuk memeriksa apakah amplitudo suatu frekuensi domain dalam batas yang diizinkan oleh standart b) Untuk memeriksa apakah amplitudo untuk rentang frekuensi tertentu masih berada dalam batas yang diizinkan oleh standart. c) Untuk tujuan keperluan diagnosis Secara konseptual, pengolahan frekuensi domain dilakukan dengan

  i

  mengkonversikan data time domain ke dalam frekuens domain. Dalam praktiknya proses konversi ini dilakukan menggunakan proses FFT (Fast Fourier Transfer) atau Transformasi Fourier Cepat seperti terlihat pada gambar 2.27.

  

Time Domain

F F F F T T

  

Frekuensi Domain

Gambar 2.27 Hubungan Time Domain dengan Frekuesi Domain

  Data domain waktu merupakan respon total sinyal getaran, sehingga karakteristik masing-masing sinyal getarannya tidak terlihat jelas. Dengan bantuan konsep deret Fourier, maka sinyal getaran ini dapat dipilah-pilah menjadi komponen dalam bentuk sinyal sinus yang frekuensinya merupakan frekuensi- frekuensi dasar dan harmoniknya.