KARAKTERISTIK TEKANAN RUANG SILINDER DAN GETARAN PADA SINGLE-STAGE SINGLE-ACTING RECIPROCATING COMPRESSOR AKIBAT KETAKNORMALAN KATUP

Transkripsi

1 Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari 9 KARAKTERISTIK TEKANAN RUANG SILINDER DAN GETARAN PADA SINGLE-STAGE SINGLE-ACTING RECIPROCATING COMPRESSOR AKIBAT KETAKNORMALAN KATUP Fahmy Ryadin, Bambang DaryantoW., dan Suwarmin 3 UP. Muara Karang, PT. Pembangkitan Jawa Bali, Jakarta, Indonesia fyrst@ptpjb.com Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS, Surabaya, Indonesia bambang@me.its.ac.id 3 Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS, Surabaya, Indonesia suwarmin@me.its.ac.id ABSTRAK Dalam pemanfaatannya di dunia industri, kegagalan operasi kompresor torak banyak didominasi oleh kerusakan pada komponen katup. Untuk mencegah kerusakan yang lebih parah diperlukan metode pedeteksian dini yang salah satunya adalah dengan menganalisa diagram P- dan karakteristik getaran dari kompresor. Dalam penelitian ini dilakukan kajian eksperimental tentang pengaruh ketaknormalan katup terhadap tekanan ruang silinder dan profil getaran dari sebuah single-stage single-acting reciprocating compressor. Ketaknormalan katup diwujudkan dalam bentuk gradasi cacat geometris pada valve plate, inlet maupun discharge. Masing-masing kondisi kerusakan ini diinvestigasi pada tekanan beban sampai dengan, dimana sebagai baseline adalah diagram tekanan dan waveform getaran dari kondisi normal. Hasil pengujian menunjukkan, dibandingkan dengan katup normal, kebocoran pada inlet menghasilkan profil tekanan yang lebih ramping dan relatif lebih rendah dengan level getaran yang relatif menurun. Sementara kasus kebocoran discharge jika dibandingkan dengan katup normal, profil tekanan menjadi lebih lebar dan lebih rendah serta level getaran yang menurun. Kata Kunci: kompresor torak, katup, tekanan, getaran PENDAHULUAN Di dunia industri peran kompresor torak sebagai penyuplai fluida bertekanan sangat vital. Untuk itu maka ketersediaan dan keandalan dari kompresor sangat dijaga untuk menjamin fungsinya seperti tersebut di atas. Salah satu cara menjaga kondisi operasi kompresor adalah dengan memonitor getaran yang terjadi dan performansi yang ditunjukkan. Dalam konteks ini, pengalaman operasional mengindikasikan bahwa kondisi operasi kompresor sangat dipengaruhi oleh kondisi katup. Katup hisap dan katup tekan merupakan komponen yang vital pada sebuah kompresor torak, dan karenanya katup selalu menjadi subyek penting dari suatu studi atau analisa: eksperimental, analitis atau simulatif; penelitian atau trouble shooting; teoritis atau praktis. Karakteristik tekanan ruang silinder dan getaran yang menunjukkan perubahan proses buka-tutup katup dan pola getarannya pada katup normal, katup bocor, dan katup dengan pegas yang berkurang kekakuannya dikemukakan oleh Suwarmin dan Daryanto []. Pentingnya desain katup dikemukakan oleh Woollatt [], dimana desain katup yang baik mampu meningkatkan umur pemakaian katup dan performansi

2 Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari 9 kompresor. Erol dan Gurdogan [3] menunjukkan bahwa port tekan satu lubang dengan tirus memberikan level getaran dan noise yang lebih baik daripada desain dua lubang dan/atau dengan saluran lurus (tanpa tirus). Dinamika pegas katup akibat impak dengan dan tanpa adanya disk di antara pegas dan valve plate diinvestigasi oleh Yang, Prasad, Engel dan Woollatt [4]. Schultheis, Lickteig, dan Parchewsky [5] melakukan analisa getaran, temperatur, energi ultrasonik, dan diagram P-V untuk mendeteksi kondisi kompresor. Sedangkan kajian tentang signature getaran pada kompresor reciprocating bisa dipelajari dari technical note yang dipublikasikan oleh Spectra Quest Inc. [6]. Brun, Gernentz, Smolik dan Platt [7] mengembangkan katup kompresor semi-aktif yang dilengkapi dengan kumparan elektromagnetik yang mampu menghasilkan gaya pelawan sehingga terjadi pengurangan gaya impak pada saat buka-tutup katup. Untuk menghindarkan transduser tekanan dari interferensi sinyal (Helmholtz resonance), Howard [8] mengatakan perlu dipastikan bahwa frekuensi resonansi peralatan > x kecepatan putar kompresor. Penerapan feedforward neural networks (FNNs) pada diagnosa katup dilakukan oleh Li dan Yu [9] guna mendapatkan keakuratan diagnosa dan menghindari kesalahan bacaan data. Penelitian eksperimental pada sebuah kompresor torak, yang menjadi dasar penyusunan artikel ini, ditujukan untuk mengetahui karakteristik tekanan dan getaran jika terdapat ketidaknormalan pada valve plate, pada tekanan ruang silinder yang berbeda. Ketidaknormalan yang dimaksud diwujudkan dalam bentuk pengurangan luasan katup, untuk mensimulasi adanya keausan pada katup. Hasil studi yang didapat ditujukan untuk memberikan referensi bagi analis yang berkepentingan dalam proses identifikasi dan analisa persoalan yang terjadi pada katup kompresor torak. Penelitian ini menggunakan kompressor torak single stage, single acting dengan katup hisap dan tekan berbentuk plat datar, dan udara sebagai fluida kerja. METODOLOGI Sebagai sumber data adalah sebuah single-stage single-acting reciprocating compressor 63 rpm, HP dengan working pressure 7 kg/cm. Parameter yang diukur adalah tekanan ruang silinder dan getaran pada cylinder head. Kedua parameter tersebut diukur untuk putaran poros tertentu, dengan pengambilan data yang dilakukan secara bersamaan berdasarkan posisi sudut poros engkol ( crank angle). Kesamaan waktu pengukuran di-trigger oleh sebuah tachometer optik. Data pengukuran direkam pada sebuah data logger untuk kemudian di-download ke komputer digital sehingga tampilan grafis dari tekanan dan profil getaran dapat dimunculkan. Eksperimen dilakukan untuk tekanan kerja dari sampai dengan. Normal Cacat Gambar. Kompresor Uji dan Sensor Cacat Cacat 3 Gambar. Benda Kerja (Valve Plate) A-3-

3 Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari 9 Sebuah lubang dibuat pada cylinder head sehingga transduser tekanan bisa mengukur tekanan yang terjadi di ruang silinder. Accelerometer dengan dudukan magnetik dipasang pada cylinder head untuk mengukur getaran yang terjadi. Pengambilan data dilakukan untuk katup normal dan 3 bentuk cacat geometri katup, yaitu pengurangan volume pelat katup pada sisi (lengkungan), sisi dan, dan sisi dan 3, baik pada sisi inlet maupun discharge, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar. Pada cacat atau cacat 3 terdapat pengurangan volume yang lebih besar (kira-kira x) dibandingkan dengan pengurangan volume pada cacat. Sedangkan antara cacat dengan cacat 3 pengurangan volume yang diberikan relatif sama, hanya letak pemberian cacat yang berbeda. DATA DAN ANALISA Valve Plate Normal Yang dimaksud valve plate normal adalah kondisi valve plate sesuai dengan yang disupply oleh OEM tanpa adanya cacat. Gambar berikut menunjukkan grafik P- dan profil getaran dari kompresor torak yang menggunakan valve plate normal untuk tekanan kerja sampai dengan. Profil getaran mengindikasikan bahwa level getaran akibat buka-tutup katup tekan relatif lebih tinggi jika dibandingkan dengan getaran akibat buka-tutup katup hisap. Katup tekan akan mulai terbuka beberapa derajat sebelum TMA dan tertutup beberapa saat sesudah TMA. Semakin tinggi tekanan kerja, proses buka katup tekan akan makin bergeser ke kanan (makin lambat) dengan proses penutupan pada saat yang relatif sama. Hal yang sama terjadi pada proses buka katup hisap yang bergeser ke kanan dan penutupan yang relatif tetap. Dari segi getaran terjadi peningkatan level getaran dengan naiknya tekanan kerja Gambar 3. Diagram P- dan Profil Getaran, Valve Plate Normal Cacat Pada Inlet Valve Plate Tiga gambar berikut memberikan grafik tekanan dan getaran untuk kompresor torak dengan kondisi katup hisap cacat,, dan 3, untuk tekanan kerja sampai dengan. Disini terlihat bahwa adanya kenaikan beban kerja akan memperlambat saat buka katup tekan dan hisap dengan penutupan relatif tetap; yang disertai kecenderungan peningkatan level getaran overall. A-3-3

4 Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari Gambar 4. Diagram P- dan Profil Getaran, Cacat Inlet Valve Plate Gambar 5. Diagram P- dan Profil Getaran, Cacat Inlet Valve Plate Gambar 6. Diagram P- dan Profil Getaran, Cacat 3 Inlet Valve Plate Cacat Pada Discharge Valve Plate Tiga gambar berikut memberikan grafik tekanan dan getaran untuk kompresor torak dengan kondisi katup tekan cacat,, dan 3, untuk tekanan kerja sampai dengan. Disini terlihat bahwa kenaikan beban kerja umumnya akan sedikit mempercepat saat buka katup tekan dengan penutupan relatif tetap, memperlambat saat buka katup hisap, dan mempercepat penutupannya; yang juga disertai kecenderungan peningkatan level getaran overall Gambar 7. Diagram P- dan Profil Getaran, Cacat Discharge Valve Plate A-3-4

5 Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari Gambar 8. Diagram P- dan Profil Getaran, Cacat Discharge Valve Plate Gambar 9. Diagram P- dan Profil Getaran, Cacat 3 Discharge Valve Plate Pengaruh Kebocoran Inlet dan Discharge Valve Tabel berikut mencantumkan nilai akselerasi overall dari getaran yang tercatat pada cylinder head kompresor, untuk kompresor torak dengan valve plate normal, cacat, cacat, dan cacat 3. Tabel. Akselerasi Overall Tekanan Akselerasi (G-s) kerja Cacat Inlet Cacat Discharge (bar) Normal Cacat Cacat Cacat 3 Cacat Cacat Cacat 3,67,65,55,74,3,96,6,99,89,8,69,49,79,39 3,334,9,9,68,94,94,3 4,37,9,97,85,3,34,349 5,375,39,33,33,35,347,393 6,39,33,337,39,347,393,368 Gambar dan berikut merupakan salah satu contoh tipikal (diambil untuk tekanan kerja ), yang menggambarkan pengaruh kebocoran inlet dan discharge valve terhadap grafik P- dan profil getaran Normal Cacat Cacat Cacat 3 Gambar. Efek Kebocoran Inlet Valve A-3-5

6 Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari Gambar. Efek Kebocoran Discharge Valve Jika dibandingkan dengan profil normal, kebocoran pada katup inlet menghasilkan profil tekanan yang lebih ramping dan relatif lebih rendah. Profil seperti ini menunjukkan menurunnya kerja yang dihasilkan kompresor. Pada katup discharge terjadi bukaan yang (sedikit) lebih lambat dan menutup (sedikit) lebih cepat. Pembukaan yang lebih lambat disebabkan adanya interaksi antara udara atmosfer dan ruang silinder, sehingga semakin sulit untuk mencapai tekanan yang dibutuhkan membuka katup discharge. Sementara penutupan yang lebih cepat disebabkan tekanan udara kompresi lebih mudah berkurang. Dengan adanya interaksi tersebut pula, ruang silinder lebih mudah mencapai tekanan atmosfer dan dengan demikian katup inlet (sedikit) lebih cepat membuka sementara penutupannya relatif sama. Dari segi getaran, penambahan kebocoran katup menyebabkan terjadinya penurunan level getaran (overall) akibat berkurangnya impak oleh katup. Untuk volume kebocoran yang sama, pada umumnya kebocoran yang berseberangan (cacat 3 ) menyebabkan level getaran yang relatif lebih rendah dari pada kebocoran yang bersebelahan (cacat ). Jika dibandingkan dengan katup normal, kebocoran pada katup discharge menyebabkan profil tekanan yang lebih lebar dan lebih rendah. Profil seperti ini menunjukkan tekanan silinder tidak dapat mencapai tekanan kerja yang diharapkan, akibat udara kompresi yang terlalu dini dialirkan ke line discharge. Pada katup discharge terjadi bukaan yang lebih cepat yang disebabkan masuknya udara dari line discharge ke ruang silinder, sehingga selisih tekanan yang dibutuhkan untuk mendorong katup discharge lebih cepat tercapai. Sementara pada penutupan katup discharge terjadi pada saat yang relatif sama. Pada katup inlet terjadi pembukaan yang lebih lambat dan penutupan yang lebih cepat akibat interaksi udara bertekanan di line discharge dengan ruang silinder, sehingga untuk mencapai tekanan atmosfer menjadi lebih sulit. Dari segi getaran, terlihat penurunan nilai overall akibat berkurangnya impak oleh katup dengan adanya kebocoran. Untuk volume kebocoran yang sama, pada umumnya kebocoran yang bersebelahan (cacat ) menyebabkan level getaran yang relatif lebih rendah dari pada kebocoran yang berseberangan (cacat 3). KESIMPULAN Normal Cacat Cacat Cacat 3 Dari hasil pengujian dan pembahasan yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:. Dibandingkan dengan kondisi normal, adanya kebocoran pada inlet menghasilkan profil tekanan yang lebih ramping dan relatif lebih rendah. Pembukaan katup discharge lebih lambat dan penutupannya lebih awal; dengan perbedaan waktu yang tidak terlalu signifikan. Sedangkan pada katup inlet pembukaannya lebih awal dan penutupan relatif sama. Dari overall getaran cenderung terjadi penurunan A-3-6

7 Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Pebruari 9. Dibandingkan dengan kondisi normal, adanya kebocoran pada discharge menghasilkan profil tekanan yang lebih lebar dan lebih rendah. Pembukaan katup discharge menjadi lebih cepat dengan penutupan relatif sama, sedangkan pada katup inlet pembukaan lebih lambat dan penutupan lebih cepat. Dari overall getaran cenderung terjadi penurunan. 3. Peningkatan beban kompresor, untuk katup normal dan cacat katup inlet, akan menyebabkan waktu pembukaan katup tekan dan hisap lebih lambat dengan penutupan relatif sama. Sementara untuk cacat katup tekan, pembukaan katup tekan cenderung lebih cepat dengan penutupan relatif tetap dan pembukaan katup hisap lebih lambat dengan penutupan lebih cepat. Dari segi getaran secara umum level getaran cenderung meningkat seiring kenaikan tekanan kerja. Hasil penelitian karakteristik tekanan ruang silinder dan getaran pada kompresor torak sebagai efek kebocoran sisi inlet dan discharge ini dimaksudkan sebagai referensi bagi analis yang berkepentingan untuk mengetahui karakteristik operasi kompresor torak jika terjadi cacat pada (sub-sistem) katup. DAFTAR PUSTAKA Brun, Klaus, R.S. Gernentz, M.O. Smolik, and J.P. Platt Jr. (6), Semi -Active Compressor Valve Development and Testing, Pipeline & Gas Journal, 4-4. Erol, Haluk, and A. Gurdogan (), The Noise and Vibration Characteristics of a Reciprocating Compressor : Effects of Size and Profile of Discharge Port, Proceedings of 5th International Compressor Engineering Conference, Purdue University, Howard, Brian (6), Channel Resonance in Reciprocating Compressor Cylinder Pressure Measurements, Technical Paper GE Energy. Li, C. James, and X. Yu (995), High Pressure Air Compressor Valve Fault Diagnosis Using Feedforward Neural Networks, Mechanical Systems and Signal Processing Journal, Volume 9, Number 5, Schultheis, Steven M., C.A. Lickteig, and R. Parchewsky (7), Reciprocating Compressor Condition Monitoring, Proceedings of 36 th Turbomachinery Symposium, Texas A&M University, 7-3. Spectra Quest (7), Vibration Signatures of Reciprocating Compressors, Technical Note Spectra Quest Inc., Suwarmin, and B. Daryanto W. (7), Operation Abnormality Identification of a Reciprocating Compressor Based on Pressure and Vibration Signals, Proceedings International Conference on Risk Technology & Management, Bandung, Woollatt, Derek (), Reciprocating Compre ssor Valve Design : Optimizing Valve Life and Reliability, Technical Paper Dresser-Rand. Yang, Qian, B.G.S. Prasad, P.A. Engel, and D. Woollatt (), Dynamic Response of Compressor Valve Springs to Impact Loading, Technical Paper Dresser-Rand. A-3-7