ANALISIS KEGAGALAN MECHANICAL SEAL PADA PENGUJIAN KEBOCORAN TURBIN ORC THE ANALYSIS OF THE MECHANICAL SEAL FAILURE AT ORC TURBINE LEAKAGE TEST

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 14 No. 1 Juni 2015 : 37 - 54

ISSN 1978-2365

ANALISIS KEGAGALAN MECHANICAL SEAL PADA PENGUJIAN KEBOCORAN TURBIN ORC THE ANALYSIS OF THE MECHANICAL SEAL FAILURE AT ORC TURBINE LEAKAGE TEST Guntur Tri Setiadanu(1), Yohanes Gunawan, Didi Sukaryadi Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi Jl.Ciledug Raya Kav 109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta Selatan (1) [email protected]

Abstrak Mechanical seal adalah peralatan yang berfungsi untuk mencegah kebocoran pada turbin organic rankine cycle (ORC) yang bekerja dengan menggesekan permukaan o-ring tungsten karbida (WC) dan grafit (C). Terjadi kegagalan pada pengujian kebocoran mechanical seal untuk turbin ORC akibat patahnya ring tungsten karbida. Studi ini melakukan analisis kerusakan ring tungsten kabida yang patah. Hasil yang didapatkan adalah terjadi fenomena panas berlebih ketika gesekan operasi ring tungsten karbida yang tidak mampu didinginkan oleh sistem pendingin menggunakan oli SAE 40 pada saat pengujian. Dari pengujian pada ring tungsten karbida didapatkan bahwa terjadi retak akibat panas yang tinggi pada permukaan gesek ring tungsten pada lokasi dibawah garis tengah permukaan gesek. Retak tersebut diinisiasi oleh kombinasi pelemahan ikatan pada batas butir tungsten karbida, bending momen akibat laju ekspansi termal yang berbeda karena pendinginan yang tidak merata dan getaran pada permukaan gesek. Dengan naiknya temperatur, getaran dan tekanan kerja retak tersebut terpropagasi sehingga ring tungsten menjadi patah. Kata kunci : PLTP, turbin ORC, mechanical seal, ring tungsten karbida, analisis kerusakan Abstract Mechanical seal is an equipment that prevents leakage in an ORC (organic rankine cycle) turbine by utilize surface friction between tungsten carbide (WC) and graphite (C) o-rings. Failure has occurred in the testing of mechanical leakage for ORC turbine caused by tungsten carbide ring fracture. This study conducts a damage analysis of the fractured tungsten carbide ring. The result shows that there is an overheat phenomenon caused by the fraction of o-ring tungsten carbides which unable to cool off using SAE 40 cooling system. From the ring tungsten carbides test, it is known that a heat cracks has occurred below the center line of the tungsten ring friction surface. The crack is initiated by the combination of the bond weakening at the grain boundaries of tungsten carbides, the bending moments from the different rate of thermal expansion cause by unproper cooling system and vibration at

Diterima : 28 Maret 2014, Direvisi : 17 April 2015, Disetujui terbit : 28 Mei 2015

37


friction surface. The increase of the temperature, vibration and work pressure have caused the crack to be propagated so the tungsten ring became broken. Keywords : Geothermal power plants, ORC turbine, mechanical seal, tungsten carbide ring, failure analysis

(<150°C) dari ke 312 lokasi yang tersebar

PENDAHULUAN

Selain mempunyai sifat yang tidak terba-

lebih besar dari pada potensi sumber daya

rukan, fakta juga menunjukkan bahwa energi

panas bumi entalpi tinggi (>150°C), dikare-

fosil, merupakan sumber energi yang saat ini

nakan reservoir panas bumi dengan sistim en-

masih banyak digunakan karena mempunyai

talphi rendah tersebar luas dan dijumpai di

karakteristik pembakaran yang sangat baik,

kedalaman dangkal.

terutama laju reaksi dan nilai kalor yang ting-

Sistem ORC dapat mengkonversi energi

gi. Hal ini membuat energi fosil mempunyai

dari klasifikasi panas bumi sistem entalpi ren-

komoditi yang tinggi.

Di sisi lain, dengan

dah atau temperatur <150°C menjadi energi

meningkatnya harga energi fosil maka akan

listrik. Sistem ORC merupakan sistem dengan

memberikan kesempatan para pengguna energi

prinsip

untuk mencari alternatif sumber energi lain

menggunakan fluida kerja kedua untuk mem-

yang renewable. Mengingat kondisi rasio el-

bangkitkan energi listrik.

ektrifikasi yang belum merata dan berlimpahnya potensi energi

terbarukan

(surya,

biomassa, panas bumi) yang masih belum dimanfaatkan secara optimal, mengeluarkan

kebijakan

Pemerintah No. 79/2014 tentang

pemerintah Peraturan Kebijakan

Energi Nasional (KEN) untuk meningkatkan pemanfaatan renewable energy . Ketersediaan energi renewable di Indonesia untuk panas bumi, menurut data dari Pusat Sumber Daya Geologi, KESDM, dari status November 2013 terdapat potensi 312 lokasi yang tersebar di seluruh Indonesia dan potensi energi sekitar 28.786 MWe dan 1196 Mwe terpasang [1].

Pada

termodinamika

sistem

organic

tertutup

rankine

yang

cycle

(ORC), konversi energi panas menjadi sumber listrik, dapat memanfaatkan sisa energi yang berasal dari panas buang turbin, gas buang mesin-mesin industri, brine panas bumi, matahari dan ocean thermal energy conversion (OTEC). Prinsip dari sistem ORC adalah seperti prinsip pada siklus rankine konvensional atau prinsip termodinamika tertutup dengan pemakaian fluida kedua, dimana fluida ini mempunyai massa jenis dan massa didih yang lebih rendah dari air. Skema dari pembangkit listrik sistem ORC bisa dilihat pada gambar 1.

Sistem panas bumi entalpi rendah oleh Haenel,

Beberapa fluida kerja yang biasa dipakai

Rybach & Stegna (1988) dikategorikan untuk

dalam sistem ORC adalah Isobutane, n-

sistem dengan temperatur dibawah 150°C [2].

pentane, R-134a, R-245fa, n-Hexane, Toluena

Potensi sumber panas bumi entalphi rendah

[3].

38

Analisis Kegagalan Mechanical Seal Pada Pengujian Kebocoran Turbin ORC

Gambar 1. Skema sistem Pembangkit listrik sistem ORC skala 50 kW memanfaatkan brine PLTP [4] Pusat

Penelitian

Pengembangan

gerak dan mempunyai titik didih lebih rendah

Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru

dari air. Pemilihan fluida kerja tentunya dis-

Terbarukan

esuaikan

dan

dan

Konservasi

Energi

dengan

karakteristiknya

yang

(P3TKEBTKE) Kementerian ESDM mengem-

berkaitan dengan tekanan dan temperature

bangkan pembangkit listrik sistem ORC

operasional. Pada sistem ORC cycles, fluida

dengan memanfaatkan air panas buangan

kerja mengalami perubahan 2 (dua) wujud atau

(brine) dari PLTP dieng yang masih mempu-

fase yaitu cair dan gas dalam siklus tertutup.

o

nyai temperatur mencapai 170 C, dan diharap-

Dengan adanya fase gas di sub-sistem evapo-

kan mampu menghasilkan listrik sebesar 50

rator dan turbin, maka kemungkinan adanya

kW [4].

kebocoran bisa terjadi. Daya yang bisa

Prinsip utama dari sistem ORC adalah bagaimana bisa memanaskan fluida kerja untuk menggerakkan turbin pada suatu siklus tertutup. Salah satu permasalahan utama pada turbin ORC ini adalah kebocoran fluida kerja pada seal antara turbin dan generator. Dalam mengkonversi energi, sistem ORC membutuhkan fluida kerja yang berfungsi sebagai peng-

dihasilkan oleh turbin berbanding lurus dengan volume gas yang mengalir dan perbedaan tekanan & temperatur evaporator - kondenser [3]. Penyaluran energi turbin ke generator melalui porosnya memungkinkan adanya kebocoran karena fase fluida kerja yang melewati turbin berwujud gas dan bertekanan relatif tinggi sekitar 7-15 bar tergantung dari jenis

39


fluida kerja yang digunakan. Dengan ter-

menyusup ke celah-celah antara poros dan ru-

jadinya kebocoran maka lambat-laun volume

mah turbin. Untuk mencegah terjadinya ke-

fluida kerja yang diisikan didalam sistem ORC

bocoran maka harus ditempat alat penghalang

tersebut akan mengalami penyusutan. Berku-

kebocoran (seal) dilokasi tersebut. Ada be-

rangnya

tentunya

berapa tipe seal yang bisa digunakan untuk

mengakibatkan penurunan tekanan dan laju

mencegah kebocoran dari poros turbin yang

gas fluida kerja yang dihasilkan oleh evapora-

berputar, yaitu dengan menggunakan seal jenis

tor sehingga berdampak pada penurunan unjuk

labirin atau mechanical seal. Pada prototipe

-kerja sistem ORC. Disamping itu kebocoran

turbin ORC yang dikembangkan P3TKEBTKE

gas fluida kerja bisa menimbulkan kebakaran

digunakan mechanical seal karena mempunyai

karena fluida kerja yang digunakan adalah

kemampuan untuk menahan kebocoran yang

jenis hidrokarbon yang mudah terbakar.

bagus pada benda-benda berputar seperti pada

volume

media-kerja

Pada sistem ORC di atas daerah yang rawan terjadi kebocoran adalah poros keluar turbin ke gear box dan generator, gambar 2, dimana fluida kerja dengan tekanan tinggi bisa

pompa dan turbin, serta panjang poros dari turbin ke generator tidak terlalu panjang, dibandingkan dengan seal sistem labirin yang membutuhkan poros yang jauh lebih panjang.

Gambar 2. Turbin ORC untuk PLTP dengan kapasitas 50 kW

40


Mechanical seal adalah suatu peralatan

Beberapa jenis mechanical seal yang

pencegah kebocoran yang memanfaatkan dua

ada dipasaran tidak ada yang bisa memenuhi

permukaan ring yang saling menekan sehingga

kriteria

bisa mencegah terjadinya kebocoran. Mechan-

perancangan dan fabrikasi sendiri dari me-

ical seal merupakan kombinasi menyatu antara

chanical seal yang digunakan dengan parame-

ring/sealface yang melekat pada shaft yang

ter input adalah: diameter poros turbin (d): 80

berputar dan sealface yang diam pada dinding

mm, tekanan operasional (P): 2 -5 bar, temper-

casing/housing turbin yang ditekan oleh sistem

atur operasional (T): 45 -80°C dan media yang

pegas. Karena prinsip mechanical seal yang

diproteksi: hidro-karbon (n-pentana). Gas hi-

bergesekan antar ring maka dalam operasinya

drokarbon mempunyai molekul yang kecil dan

selalu menghasilkan panas, seperti terlihat pa-

indek viskositas yang sangat kecil, sehingga

da gambar 3.

dalam desain digunakan proteksi bertingkat

Untuk menjaga keselamatan operasional dari pembangkit yang dikembangkan, maka disyaratkan mechanical seal yang digunakan harus bisa beroperasi dengan temperatur dibawah 80°C.

ini,

sehingga

dilakukan

proses

yaitu menggunakan mechanical seal sistem double seperti pada gambar 4. Sistem double juga berguna untuk memberikan ruang alir bagi fluida pendingan yang digunakan untuk menjaga temperatur dari mechanical seal, dengan menggunakan sistem double ini maka

Gambar 3. Gesekan antar ring menghalangi fluida didalam untuk bocor keluar (sumber diedit : http://bin95.com/Training_Software/Mechanical-Seal-Selection.htm)

41


dimungkinkan untuk memberikan lubang ali-

Untuk menggaransi mechanical seal yang

ran fluida pendingin menjadi lebih besar se-

sudah dirakit dengan rumah turbin maka perlu

hingga panas yang dibuang juga menjadi lebih

dilakukan tes kebocoran / leakage test. Terjadi

besar. Fluida pendinginan yang digunakan

kegagalan fungsi seal mekanik pada pengujian

adalah SAE 40 yang juga digunakan sebagai

tersebut, dimana terjadi kebocoran dan nai-

pelumas dari gearbox.

knya temperatur dari seal mekanik.

Permukaan

gesek

yang

Tipe kerusakan dari seal mekanik bisa

digunakan adalah ring berbahan tungsten kar-

diidentifikasi dari tiga penyebab utama dari

bida dan ring berbahan grafit, yang didapatkan

kerusakan, yaitu temperatur, tekanan, ke-

di pasaran. Salah satu kriteria utama dari per-

cepatan dan kombinasi dari ketiganya [6]. Ke-

mukaan seal adalah kerataan / flatness, untuk

rusakan bisa terjadi pada tempat-tempat terten-

itu pada semua ring yang dibeli dilakukan uji

tu yaitu: antara permukaan seal, antara second-

flatness untuk menggaransi kerataan dari ring

ary seal dengan primary ring, dan antara sec-

yang

ondary seal dengan mating ring [5].

digunakan,

/

sealface

pengujian

kerataan

menggunakan metode optical flat yang terbuat dari quartz [5].

Paper ini bertujuan untuk memberikan analisis kegagalan dari mechanical seal pada pengujian kebocoran tersebut dan memberikan

Gambar 4. Mechanical seal sistem double untuk Turbin ORC skala 50 kW

42


gambaran yang mendalam mengenai kerja me-

6000

chanical seal dalam turbin ORC. Dari hasil

tekanan yang terukur pada manometer serta

analisis tersebut maka bisa dilakukan re-desain

suhu permukaan mechanical seal dan suhu

dari mechanical seal yang ada sehingga bisa

pelumas yang keluar dari mechanical seal.

memenuhi kebutuhan kerja dari turbin ORC.

Gambar 5 menunjukkan skema peralatan pen-

METODOLOGI

rpm,

kemudian

dicatat

penurunan

gujian kebocoran mechanical seal pada turbin ORC yang sudah dimanufaktur. Pengujian ini

Metodologi pengujian kebocoran mechani-

dilakukan di PT. Dewata Puritama Energi

cal seal pada turbin ORC

Bandung.

Pengujian kebocoran pada mechanical seal dilakukan dengan mengkompresi turbin sampai tekanan kerja mechanical seal yaitu sama dengan tekanan kerja fluida keluar turbin pada 2 bar dengan udara secara bertahap, kemudian dilakukan pemutaran poros turbin pada putaran kerja maksimal dari poros pada

Metodologi analisis kegagalan Dilakukan pembongkaran dari sistem mechanical seal, dan dilakukan pengamatan visual. Dari hasil pengamatan visual maka ditemukan bahwa ring tungsten dari mechanical seal mengalami kerusakan/patah dan retak. Untuk itu dilakukan pengamatan pada per-

Gambar 5. a) Peralatan pengujian, b) Skema pengujian kebocoran mechanical seal untuk turbin ORC

43

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 14 No. 1 Juni 2015 : 53 - 70 mukaan ring disekitar daerah patah/retak. Untuk mengetahui komposisi kimia dari ring tersebut maka dilakukan uji EDAX. Fraktrografi permukaan patahan dan pengamatan retak dilakukan dengan mesin FE-SEM FEI INSPECT F50 EDAX EDS analyzer yang terdapat pada laboratorium Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Universitas Indonesia. Untuk mengetahui kekuatan mekanik dari sampel maka dilakukan uji kekerasan sebagai pengganti uji tarik, hal ini dilakukan karena sample tarik tidak mungkin dilakukan akibat kecilnya spesimen dan kerasnya bahan spesimen. Uji kekerasan dilakukan dengan menggunakan mesin Buehler micro hardness tester MMT-1, dengan indentor Vickers dengan beban 300 gf berdasarkan standar ASTM E484.

Gambar 6. Hasil pengujian kebocoran mechanical seal untuk turbin ORC. Kenaikan temperatur oli pendingin ini menunjukkan bahwa proses pendinginan pada mechanical seal tidak berjalan dengan baik, artinya setiap kali oli pendingin tersikulasi maka oli membawa panas yang berlebih dari mechanical seal dan tidak bisa dibuang ke

HASIL DAN PEMBAHASAN

lingkungan, dan tidak bisa lagi mendinginkan

Pengujian kebocoran mechanical seal pada

mechanical seal.

turbin ORC

Sumber panas yang terjadi dari gesekan

Hasil pengujian kebocoran mechanical

antara ring tungsten karbida dengan grafit akan

seal disajikan dalam grafik hubungan waktu

menghasilkan panas mencapai 300-500oC

dan temperatur dari laju kenaikan temperatur

tanpa pelumasan dipermukaan gesek. Se-

oli pendingin, seperti terlihat pada gambar 6.

dangkan oli SAE 40 merupakan oli pelumas

Didapatkan temperatur dari oli pendingin / oli

(bukan pendingin) yang kapasitas pend-

gearbox mengalami kenaikan dengan laju

inginanannya terbatas. Berdasarkan standar

0,24oC/menit sampai akhirnya terjadi ke-

SAE J-300, SAE 40 merupakan oli pelumas

bocoran pada suhu 55oC, sedangkan untuk

monograde dengan spesifikasi kinematic vis-

temperatur casing dari mechanical seal men-

kositas maksimal 12,5 cSt pada 100oC [7]. Ka-

galami kenaikan sebesar 0,22oC/menit sampai

rena keterbatasan alat, maka pada penelitian

terjadi kebocoran pada suhu 50oC pada menit

ini tidak dilakukan pengujian viskositas pada

ke 135. Laju vibrasi tercatat pada awal running

oli yang dipakai dalam mengetahui efektivitas

sampai

kemampuan oli, akan tetapi melihat aktual ke-

pertengahan

mencapai

0,1

mm,

meningkat mencapai 0,12 mm dan patah pada 0,15 mm.

44

naikan temperatur oli yang digunakan.


Ketika mechanical seal bekerja, maka

menahan fluida kerja tetap didalamnya akan

ring tungsten karbida bergesekan dengan ring

tetapi juga tidak menghasilkan panas yang ber-

grafit dengan adanya penekanan dari 12 pegas,

lebihan membutuhkan penelitian yang lebih

akibat dari proses ini maka seperti telah kita

mendalam.

ketahui maka akan terjadi gaya gesek, ketika mulai bekerja maka gaya gesek yang terjadi adalah statis dengan persamaan : Fs = us x P

Dari hasil tersebut maka didapatkan bahwa laju pendinginan yang terjadi tidak mencukupi untuk mendinginkan ring tungsten

(1)

karbida yang bergesekan.

dimana us adalah koefisien gesek statis dan P

Untuk mengkonfirmasi apakah benar ring

adalah gaya pegas yang bekerja dengan arah

mechanical sela tersebut rusak karena panas

normal dari permukaan gesek. Ketika sudah

akibat gesekan, maka diperlukan analisis keru-

terjadi sliding maka gaya yang terjadi adalah

sakan ring mechanical seal sebagaimana di-

gaya gesek kinetic yang mengikuti persamaan:

jelaskan pada bab dibawah ini

Fk = uk x P

(2)

Analisis Kerusakan Mechanical seal

dimana uk adalah koefisien gesek kinetic (<us), gaya yang bekerja melawan gaya gesek kinetic selama siliding akan muncul berbentuk panas yang dihasilkan dari gesekan tersebut [8].

Pengamatan dari bagian-bagian mechanical seal didapatkan bahwa terjadi kebocoran akibat patahnya ring tungsten yang terjadi searah dengan arah radial dari pusat poros.

Dari persamaan diatas didapatkan bahwa

Pada permukaan patah dari ring tungsten ter-

panas yang dihasilkan oleh gesekan sangat

lihat secara visual, patahan yang mengkilap

tergantung dari koefisien gesek dari material

dan

dan beban penekanan dari pegas, pada perco-

FESEM permukaan patah, gambar 7, terlihat

baan ini memang cukup sulit untuk melakukan

jelas bahwa patahan yang terjadi adalah patah

adjustment dari pegas sehingga didapatkan

getas intergranular sepanjang batas butir.

daya penekanan yang sama diseluruh area per-

Mode ini sangat bersesuaian dengan referensi

mukaan gesek. Jika dilihat dari panas yang

patahan untuk cemented carbide WC94-Co

dihasilkan maka penekanan pegas yang dil-

yang juga menunjukkan fenomena yang sama,

akukan terlalu tinggi, jika dilihat dari getaran

meskipun pada referensi tersebut terdapat dim-

yang dihasilkan maka jelas terjadi ketid-

ple yang menandakan adanya patah ulet akibat

akseimbangan antara penekanan pegas satu

adanya unsur Co [9].

kasar,

jika

dilihat pada perbesaran

dan lainnya sehingga membuat putaran dari poros menjadi tidak seimbang. Untuk menentukan berapa penekanan yang dibutuhkan dan metodenya sehingga didapatkan gesekan yang

45


Gambar 7. Permukaan patah dari o-ring tungsten karbida yang menunjukan patah getas sepanjang batas butir Secara visual permukaan gesek ring tungsten karbida sebagian besar area mengalami perubahan warna pada area tertentu, sesuai dengan alur putaran gesekan dengan grafit,

Gambar 8. Pengamatan visual dari permukaan

terlihat berwarna kehitam-hitaman. Perubahan

ring tungsten, a) lokasi patahan dari ring tung-

warna ini terjadi akibat panas yang tinggi yang

sten, b) retak-retak kecil pada hampir sekelil-

terjadi dari gesekan dengan ring tungsten kar-

ing permukaan gesek

bida dan ring grafit, karbon pada grafit tererosi

Mode retakan dari permukaan gesek ring

akibat panas dan gesekan kemudian menempel

pada mechanical seal ini mirip dengan mode

pada ring tungsten. Pada permukaan gesek dari

retakan seal akibat heat crack yang dipublikasi

ring tungsten juga terdapat retak-retak kecil

oleh pabrikan dari mechanical seal, seperti

arah radial (searah dengan patahan yang ter-

terlihat pada gambar 9, meskipun ukuran dan

jadi) dihampir sekeliling dari permukaan

dimensinya lebih kecil.

gesek, dan satu patahan memanjang arah radial dari poros memotong ring tersebut, seperti terlihat pada gambar 8.

Gambar 9. Mode retakan akibat panas pada permukaan gesek [10]

46


Banyak penyebab dari mode retakan ter-

Tabel 1. Komposisi bahan ring tungsten kar-

sebut seperti perbedaan temperatur yang tinggi

bida

dari permukaan gesek, pendinginan yang tidak mencukupi, atau tekanan dan kecepatan yang

Unsur

W

C

O

(wt%) ( w t % ) ( w t % )

sangat tinggi. Heat crack biasanya diikuti oleh perubahan warna (bluing) pada permukaan

Permukaan

gesek [10], hal ini jelas terlihat secara visual

Gesek

pada ring tungsten karbida yang patah.

Permukaan patah

82

12

6

74

18

8

Dari hasil pengujian SEM-EDAX dari

Pada perbesaran di area b pada gambar 8,

permukaan patah dan gesek maka bisa kita

didapatkan bahwa terjadi retak kecil-kecil di-

dapatkan komposisi dari bahan ring dan gam-

permukaan gesek di beberapa lokasi, seperti

bar perbesaran dari retak yang ada. Komposisi

pada gambar 10a dan 10b, dengan panjang

dari ring tersebut secara umum adalah tungsten

yang berbeda-beda. Pada gambar 10c terlihat

karbida, sesuai dengan spesifikasi dari pabri-

jelas bahwa pergerakan retak mengikuti dari

kan o-ring sebagaimana terlihat pada tabel 1.

butir-butir kristal dari tungsten karbida. Se-

Gambar 10. Retak pada ukuran mikron yang mengelompok pada beberapa area, a) kelompok retakan mikro, b) retak pada perbesaran 500x, c) retak pada perbesaran 5000x, d) dan e) awal retak dan propagasi retak yang hanya bisa dilihat oleh SEM 5000x.

47


dangkan awal mula retak terjadi di area perten-

Pada permukaan atas dari ring, mendapat-

gahan agak kebawah (lebih mendekat ke arah

kan pendinginan dari pelumas yaitu 24oC

poros) seperti pada gambar 10d dan 10e.

(bersirkulasi), sedangkan pada area bawah

Secara teori seharusnya dari hasil gesekan antara primary face dan secondary face yang mengalami erosi/penipisan adalah yang sec-

(poros), pendinginan didapatkan dari udara bertekanan yang digunakan sebagai fluida pengujian.

ondary face, yaitu ring grafit yang merupakan

Akibat dari panas inilah maka ikatan anta-

bahan yang memang harus diganti secara

ra butir kristal tungsten karbida mengalami

berkala dalam pengoperasiannya [5]. Tetapi

deformasi dan pelemahanan ikatan. Seperti

pada pengujian ini yang ring grafit mengalami

yang telah kita ketahui bahwa semua metal

erosi dan ring tungsten juga mengalami retak-

akan mengembang ketika dipanaskan dan akan

retak dan akhirnya patah sehingga mengakibat-

menyusut ketika didinginkan, telah banyak

kan kebocoran dari turbin.

data yang dipublikasi untuk menunjukkan

Retak-retak ini terjadi menyebar pada sekeliling permukaan gesek antara sealface ring, hal ini menunjukkan bahwa semua area permukaan gesek mengalami kasus yang sama. Kalau dilihat dari posisi retaknya, terlihat bahwa terjadi dibawah area tengah dari ring, gambar 11, yaitu area yang lebih dekat dari poros.

seberapa cepat pengembangan logam ketika temperatur dinaikkan. Gambar 12 menunjukkan grafik karasteristik thermal

expansion

beberapa material termasuk tungsten karbida. Dengan adanya pendinginan yang dilakukan oleh oli pada hanya satu sisi permukaan, maka membuat laju ekspansi akibat panas dari permukaan ring tungsten karbida menjadi tidak sama, sehingga akan terjadi te-

Gambar 11. Lokasi area retak-retak pada permukaan gesek ring tungsten kabida dan skema aliran pendinginannya

48


gangan geser

akibat panas pada area batas

butir di permukaan gesek.

Penurunan kekuatan pada area permukaan gesek yang mengalami pemanasan juga dikonfirmasi dengan dilakukannya uji kekerasan permukaan pada beberapa lokasi, seperti terlihat pada tabel 2 dibawah ini. Dimana pada area bagian luar yang terdinginkan oleh oli kekerasannya masih tetap tinggi mencapai 1612 Vickers, sedangkan pada permukaan gesek mengalami penurunan kekerasan 1473 Vickers. Tabel 2. Kekerasan pada ring tungsten karbida

Gambar 12. Thermal expansion beberapa material sebagai fungsi waktu [11] Jika kita ambil satu bagian permukaan gesek dan kita lihat pengaruh panas dari gesekan serta pendinginan yang dilakukan ter-

Lokasi pengujian

Kekerasan rata-rata

Permukaan Gesek

1473

Permukaan (terdinginkan oli) Permukaan (terdinginkan udara)

hadap tegangan yang akan terjadi maka akan terlihat adanya bending momen yang bekerja pada permukaan gesek, seperti terlihat pada gambar 13. Hal ini juga menjelaskan kenapa area retaknya tidak berada di pinggir tetapi berada dibawah garis tengah.

luar dalam

1612 1662

Dari hasil data pengujian kebocoran, dimana terjadi vibrasi sebesar 0,15 mm, menjadi penyebab kedua dari retaknya ring tungsten karbida. Kombinasi antara bending momen dan vibrasi membuat ikatan pada batas butir permukaan gesek dari ring tungsten mengalami

pelemahan

dan

deformasi

sehingga

menginisiasi retak, dimana kemudian retak tersebut menjalar baik memanjang searah radial dari ring maupun ke bagian dalam dari ring. Seiring dengan naiknya temperatur dan getaran, sesuai dengan sifat dari tungsten karbida yang keras dan getas [12], maka retak Gambar 13. Aplikasi dari tegangan geser yang menyebabkan bending akibat perbedaan laju ekspansi karena adanya pendinginan yang berbeda

tersebut

menjalar dengan cepat dan me-

matahkan ring tungsten. Dengan adanya patahan tersebut maka seal tidak bisa lagi menjaga

49


kebocoran dari fluida dan terjadi kebocoran mengalir disela-sela patahan.

digunakan dalam turbin ORC ada beberapa

Evaluasi Penggunaan Mechanical seal untuk

Kerja utama dari mechanical seal adalah untuk menjaga kebocoran dari turbin ORC, dimana kerja itu dilakukan oleh gesekan o-ring tungsten karbida dan o-ring grafit. Dalam penkebocoran

perbaikan desain yang perlu dilakukan. Pertama, desain putaran turbin yang terlalu tinggi

Turbin ORC

gujian

Agar mechanical seal bisa secara aman

dari

mechanical

seal

menggunakan udara masih terjadi kegagalan akibat patahnya ring tungsten kabida. Ada beberapa faktor yang menyebabkan patahnya ring tungsten tersebut, pertama ring bekerja secara dry running (tanpa pelumas dipermukaan gesek), akibatnya terjadi panas berlebih akibat gesekan yang tidak terdinginkan oleh sistem pendingin. Panas tersebut dihasilkan oleh tingginya putaran poros yang mencapai 6000 rpm dan gaya tekan pegas yang terlalu tinggi. Akibat panas membuat ring terjadi momen bending dan terjadi pelemahan ikatan antar butir tungsten karbida pada permukaan gesek. Faktor kedua adalah gaya penekanan pegas yang tidak seimbang sehingga membuat putaran poros menjadi bergetar, yang akibatnya permukaan gesek kedua ring menjadi bergetar dan terjadi impak kecil yang berulang. Kombinasi antara momen bending, impak akibat getaran dan pelemahan ikatan pada butir tungsten karbida menginisiasi terjadinya retak di area bawah garis tengah permukaan gesek. Retak tersebut terpropagasi dengan cepat dengan naiknya temperatur dan tekanan dari fluida kerja dan menyebabkan ring menjadi patah.

(6000 rpm) perlu diturunkan minimal sampai 3000

rpm

untuk

mengurangi

kecepatan

gesekan yang terjadi, meskipun hal ini akan mengurangi daya dari turbin yang digunakan. Kedua memperbaiki desain mechanical seal, sehingga oli pendingin bisa mendinginkan ring mechanical seal dengan efektif, hal ini bisa dilakukan dengan membuat lubang input oli yang lebih besar dan mengganti cairan pendingin dengan spesifikasi oli pendingin yang mempunyai kapasitas pendinginan lebih besar. Pilihan yang lain adalah mengganti sistem mechanical seal dry running mode ini dengan sistem non contact seal yang menggaransi tidak terjadi panas berlebih [5]. Ketiga dengan mengubah desain dari ring tungsten karbida yaitu dengan membuat sistem alur (grooving) dan texture pada ring tungsten karbida sehingga luas pendinginan menjadi lebih besar, beberapa penelitian menunjukkan bahwa pembuatan alur dan texture pada permukaan ring dapat menurunkan suhu dengan efektif [13-14] dan bahkan bisa menurunkan koefisien gesek kinetik dari permukaan kontak ring [15], dimana jika merujuk dari persamaan 2 maka dengan penurunan koefisien gesek kinetik ini akan secara

langsung

terhadap

panas

yang

dihasilkan dari gesekan. Beberapa pabrikan ring juga sudah mengeluarkan produk yang mampu untuk menahan sistem fluida hidrokarbon berviskositas rendah seperti refrigerant bertekanan dengan cara menambahkan antimo-

50


ny pada permukaan ring sehingga terjadi fe-

tungsten di satu bagian. Awal kerusakan ter-

nomena ―self-polishing characteristic‖ yang

jadi akibat adanya panas yang tinggi pada per-

menciptakan lapisan hidrokarbon yang sangat

mukaan gesek membuat pelemahan ikatan dari

tipis pada pemukaan kontak dari 2 ring me-

butir-butir ring tungsten karbida dan laju ex-

chanical seal [16].

pansi thermal yang berbeda akibat pendingi-

Perbaikan keempat pada mechanical seal adalah dengan mengubah desain sistem pegas pada mechanical seal menjadi lebih mudah dalam pemasangan dan adjustmentnya, misalkan pegas dirakit paling akhir dengan

nan yang tidak merata membuat bending momen pada permukaan gesek, dikombinasi dengan adanya getaran pada permukaan gesek sehingga menginisiasi terjadinya retak pada batas butir. Seiring dengan naiknya temperatur dan tekanan maka retak tersebut terpropagasi

dibuat lubang adjustment pada tiap pegas. Dalam kondisi aktual turbin bekerja dengan menggunakan n-pentane dengan suhu

dan menyebabkan ring tungsten menjadi patah.

UCAPAN TERIMA KASIH

sekitar 98oC, sehingga pendinginan ring me-

Penulis mengucapkan terima kasih pada

chanical seal bagian dalam dari fluida kerja

Bapak

akan jauh lebih kecil atau pendinginan utama

Puritama

hanya dari oli pendingin. Untuk itu perbaikan

melakukan pengujian kebocoran dan meng-

sistem pendinginan mechanical seal ini mutlak

gambar desain mechanical seal.

diperlukan, mengingat n-pentane adalah hydrocarbon yang mudah terbakar jika terjadi kontak dengan udara luar dan temperatur ting-

Mashuri dan Deni dari PT. Dewata Energi

yang

sudah

membantu

DAFTAR PUSTAKA 1.

Pusat Sumber Daya Geologi, Kementerian ESDM. 2014. Executive Summary

gi.

Pemutakhiran Data dan Neraca Sumber

KESIMPULAN DAN SARAN

Daya Energi Tahun 2014. [online]. Avail-

Telah terjadi kegagalan pada pengujian

able

at

:

http://psdg.bgl.esdm.go.id/

kebocoran mechanical seal untuk turbin ORC,

Neraca/neracaenergi2014.pd [Accesed at

dimana sistem pendingin tidak mampu mend-

19 December 2014].

inginkan panas berlebih yang dihasilkan dari gesekan o-ring tungsten karbida dan o-ring

2.

(1988): Fundamentals of geothermics. R.

grafit. Panas berlebih ini terjadi akibat gesekan

Haenel, L. Rybach and L. Stegna (eds.),

terjadi secara dry running (tanpa pelumas), putaran

poros

yang

terlalu

tinggi

Handbook of Terrestrial Heat-Flow Den-

dan

sity Determination, 9-57, Dordreht.

penekanan pegas yang terlalu besar. Dari analisis kerusakan mechanical seal diketahui bahwa kebocoran terjadi akibat patahnya ring

Haenel, R., Rybach, L. & Stegna, L.

3.

DiPippo, R., 2008. Geothermal power plants: Principles, applications, case

51


studies and environmental impact; 2nd edition.

Butterworth-Heinemann,

New

York, NY, USA. 4.

Tim

Litbang

Teknologi

Pembangkit

Kegiatan Pengembangan Teknologi Panas Bumi Sistem ORC. TA. 2013. Puslitbang Ketenagalistrikan, Energi baru terbarukan dan Konservasi Energi, Jakarta.

Mechanical seal Maintenance and Application Guide. EPRI, Palo Alto, CA: 2000. 1000987. Skewish, WH. 2012. Mechanical seal Failure Mode. Support Systems Technology

Corp.

FMEA

Info

Center.,

www.mechrel.com, [online accessed at 19 November 2014]. 7.

SAE Handbook J-300. 2009. Engine Oil Viscosity Clasification – Surface Vehicles Standard. SAE International. Revised 2009-01.

8.

Michael F.Ashby dan David R.H.Jones. 2002. Engineering Materials 1 : An Introduction to their Properties and Applications. 2nd Ed. Butterworth-Heinemann An imprint of Elsevier Science Linacre House, Jordan Hill, Oxford.

9.

ASM Handbook Vol.12. 1992. Fractography – Atlas of fractrograph. ASM International Handbook Comitte.

Technology

China.

[online] (Update 29 November 2014) Available at: http://www.easterny.com/ services.ht [accessed at 15 November 2014]. 11. A.M. Osmanda, A.J. Battenbough, A.M. rials on Joint Properties. Nicrobraznews April 2012 by Wall Colmonoy Ltd., Madison Heights, Pontardawe, UK. [online] web: www.wallcolmonoy.co. 12. General Carbide. 2008. The Designer’s Guide to Tungsten Carbide. General Carbide

Corp,

Greensburg.

[online]

www.generalcarbide.com. [accessed at 29 November 2014]. 13. Nian Xiao, M.M.Khonsari. 2012.Thermal performance of mechanical seals with textured side-wall. Tribology International 45 (2012,) pp.1–7. 14. Tao Wang, Weifeng Huang, Xiangfeng Liu, Yongjian Li,Yuming Wang. 2014. Experimental study of two-phase mechanical face Seals with laser surface texturing. Tribology International 72 (2014) pp.90– 97. 15. X.Q.Yu, S.He, R.L.Cai. 2002. Frictional characteristics of mechanical seals with a laser-textured seal face. Journal of Materials Processing Technology 129 (2002) pp.463-466.

52

Co.,Ltd.,

Staines. 2012. Effects of Dissimilar Mate-

Pugh, M, 2000. EPRI Technical Report,

6.

shooting of Mechanical seal. Easterny Sealing

Listrik Panas Bumi. 2013. Laporan Akhir

5.

10. EST Mechanical seal, 2014. Trouble-


16. Metallized Carbon Corp. 2013. Mechanical seal primary rings seal low-viscosity liquids. Sealing Technology Magazine, October 2013. Editor: Simon Atkinson. Editorial Office: Elsevier Ltd, Langford Lane Kidlington, Oxford, UK.

53

HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN

ANALISIS KEGAGALAN MECHANICAL SEAL PADA PENGUJIAN KEBOCORAN TURBIN ORC THE ANALYSIS OF THE MECHANICAL SEAL FAILURE AT ORC TURBINE LEAKAGE TEST

Recommend Documents