Tugas Akhir Perancangan Modifikasi Pompa Reciprocating Guna Meningkatkan Volume Alir ( Debit ) BAB II TEORI DASAR

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Wireline Terminologi atau istilah wireline secara umum berarti suatu bentuk teknik pengerjaan yang dalam pengoperasiannya menggunakan wire / kabel yang dilakukan oleh para operator di sumur-sumur minyak dn gas bumi, untuk menurunkan atau memanipulasi peralatan di dalam sumur dengan tujuan tertentu, baik selama itu dalam keadaan produktif atau pada akhir hidup produktifnya. Dalam aktifitas kegiatan wireline menggunakan beberapa sarana - sarana pendukung yang cukup komlpek. Adapun peralatan yang digunakan diantaranya digolongkan sebagai berikut : 1. Power pack 2. Winch unit 3. Tools 4. Pressure Control Equipment. ( PCE ) Pressure control equipment adalah sarana perlengkapan yang digunakan dalam aktifitas wireline untuk mengontrol tekanan pada sumur ( well ) atau menyeimbangkan antara tekanan dibawah kepala sumur dengan tekanan diatas kepala sumur, serta berfungsi sebagai safety device ( perangkat pengaman ) ketika terjadi tekanan berlebih secara baik secara tiba tiba maupun tidak yang terjadi diatas kepala sumur ( well head ).Berdasarkan diskripsi diatas dapat diketahui bahwa pressure control equipment dalam penggunaannya berhubungan erat dengan tekanan sumur ( well presure ). Sehingga sebelum penggunaan perlengkapan tersebut 6

2 diharuskan melalui proses pengujian terlebih dahulu yaitu pengujian tekanan dengan menggunakan metode hydrotest. Pengujian tekanan secara umum yang digunakan pada PCE adalah pompa dengan jenis pompa reciprocating. ( pompa membran atau pompa plunger ). 2.2 Pompa Pompa adalah suatu mesin yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain, melalui suatu media pipa ( saluran ) dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan secara kontinyu. Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relatif tinggi menuju tempat yang lebih rendah. Energi potensial merupakan bentuk energi yang dikandung oleh suatu zat. Fluida cair pada tekanan tinggi memiliki energi potensial yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan fluida cair pada tekanan yang rendah. Oleh karenanya, fluida cair akan mengalir dari tempat bertekanan tinggi menuju tempat bertekanan rendah. Pompa beroperasi dengan mengadakan perbedaan tekanan antara bagian aliran masuk fluida ( suction ) dengan bagian aliran keluar fluida ( discharge ). Dengan kata lain pompa mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga penggerak menjadi tenaga cairan.tenaga tersebut digunakan untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada. Adapun pompa diklasifikasikan sebagai berikut : 7

3 Klasifikasi pompa POMPA Pompa Pemindah Positif 1. Pompa Reciprocating a. Pompa Torak - Simplex, duplex, triplex b. Pompa Plunger c. Pompa membrane - Single acting double acting 2. Pompa rotary a. Rotor tunggal : - Vane ( sliding, swinging dan neoprene ) - Single screw b. Rotor banyak : - Gear, lobe dan multi screw Liquid ring. 1. Pompa centrifugal : Single suction Volute Pompa a. Radial flow Double suction Pemindah Diffusor Non Positif b. Mixed flow c. Axial flow 2. Turbin - impeler 8

4 2.3 Pompa Reciprocating Pompa reciprocating adalah pompa dengan cara kerja mengubah energi mekanis yang berasal dari penggerak pompa kemudian dikonversikan menjadi energi dinamis / potensial pada cairan yang dipindahkan dengan cara melalui elemen pemindah yang bergerak maju mundur didalam silinder. Elemen yang bergerak maju mundur disebut yaitu torak / plunger. Torak pada umumnya lebih besar daripada panjangnya, sedangkan plunger pada umumnya lebih jauh kecil dibandingkan dengan panjangnya. Klasifikasi pompa reciprocating dapat dikelompokan berdasarkan : 1. Cara menggerakan ( driving method ) 2. Konstruksi / jumlah silinder ( number of cylinder ) 3. Cara kerja 4. Kedudukan 5. Tekanan kerja 6. Kapasitas 7. Kecepatan torak / putaran Berdasarkan cara menggerakannya 1. Tenaga penggerak dari luar ( power driver ) Adalah pompa reciprocating yang penggeraknya melalui mekanisme poros engkol. Sebagai penggerak digunakan motor bakar, turbin uap dan motor listrik. 2. Penggerak langsung ( Direct Acting ) Pompa dan penggerak dihubungkan langsung tanpa menggunakan poros engkol. Sebagai penggerak digunakan mesin uap. 9

5 Berdasarkan konstruksinya / jumlah silinder 1. Pompa Torak 2. Pompa Plunger Setiap tipe pompa tersebut dibedakan berdasarkan jumlah silinder yang bekerja, yaitu sebagai berkut : a. Satu silinder : pompa simplex ( simplex pump). b. Dua silinder : duplex ( duplex pump ). c. Tiga silinder : triplex ( triplex pump ) dan seterusnya. Berdasarkan cara kerja ( dalam menghasilkan kapasitas ) : 1. Single acting Pompa reciprocating dengan sistem kerja dua kali gerakan torak atau plunyer ( bolak-balik ) menghasilkan satu kali kapsitas ( discharge ). 2. Double acting Pompa reciprocating dengan sistem kerja dua kali gerakan torak atau plunger ( bolak-balik ) menghasilkan dua kali kapsitas ( discharge ). Berdasarkan tekanan kerja ( pressure / head ) 1. Pompa reciprocating tekanan rendah Jenis pompa reciprocating yang memiliki tekanan kerja rendah = 0,491 N/mm 2 2. Pompa reciprocating tekanan sedang Jenis pompa reciprocating yang memiliki tekanan kerja menengah > 0,491 4,91 N /mm 2 10

6 3. Pompa reciprocating tekanan tinggi Jenis pompa reciprocating yang memiliki tekanan kerja rendah /mm 2 4,91 N Berdasarkan kapasitas ( flow rate ) : 1. Kapasitas rendah Pompa reciprocating yang memiliki kapasitas alir optimal = 0,555 x 10 6 mm 3 /detik ( 2. Kapasitas menengah Pompa reciprocating yang memiliki kapasitas alir optimal 0,555 x ,666 x 10 6 mm 3 /detik 3. Kapasitas besar Pompa reciprocating yang memiliki kapasitas alir optimal 16,666 x 10 6 mm 3 /detik Berdasarkan kecepatan / putaran per menit ( rpm ) : 1. Kecepatan rendah Pompa reciprocating yang mampu berputar dengan kecepatan putaran maksimal = 80 rpm. 2. Kecepatan menengah Pompa reciprocating yang mampu berputar dengan kecepatan putaran maksimal rpm 3. Kecepatan tinggi 4. Pompa reciprocating yang mampu berputar dengan kecepatan putaran maksimal 150 rpm. 11

7 2.4 Bagian bagian pompa plunger Bagian bagian utama fluid end (Igor J Karassik, 2008 ;3.22 ) Gambar 2.1 Bagian Bagian Fluid End a. Plunger Bagian pompa plunger dalam fluid end yang bergerak maju mundur dan mentransmisikan gaya sehingga dapat menningkatkan tekanan. Untuk bagian ini biasanya mengalami proses pelapisan ( hard chrome ) dengan ketebalan mikron. b. Stuffing box Bagian pada pompa yang berfungsi menjaga torak atau plunger dari kebocoran ketika pompa sedang beroperasi. Bagian ini biasanya terdiri dari housing / casing, packing dan bushing. 12

8 c. Check valve Seperti hal pada equipment lainnya, bagian ini berfungsi untuk mengendalikan aliran supaya tidak berbalik sehingga aliran menjadi satu arah. Bagian ini secara umum terdiri dari seat dan plate. Bagian yang mengalami pergerakan yaitu plate yang pergerakannya itu sendiri diakibatkan fluida yang mengalir serta gaya tekan balik pegas. Berikut bebera model check valve berdasarkan tekanan kerja dan fuilda yang dialirkan. Tabel 2.1 Tipe Tipe Check Valve Pompa Reciprocating (Gordon S Bolegoh, 2001 ;100 ) 13

9 d. Manifolid atau Chamber Bagian pada pompa plunger yang membantu mendistribusikan melewati pompa fluida sebelum dan sesudah ruang kompresi. Untuk discharge manifold / discharge chamber biasanya ukurannya lebih kecil daripada suction manifold / suction chamber Bagian bagian utama power end Gambar 2.2 Bagian bagian power end (Igor J Karassik, 2008 ;3.17 ) a. Crosshead Crosshead berfungsi untuk menahan beban radial dari plunger ketika bergerak sehingga plunger dapat bergerak linear dalam bagian crossway. 14

10 b. Crankshaft Crankshaft merupakan bagian penggerak utama pada pompa plunger. Bentuknya yang meimiliki sisi eksentrik mengakibatkan plunger dapat bergerak maju mundur. Material yang untuk crankshaft dipakai harus tangguh dan memiliki kekuatan tarik yang relative tinggi. c. Connecting Rod Bagian pompa plunger yang merubah gerak radial menjadi gerak linear. Bagian ini menghubungkan antara crankshaft dengan crosshead yang terhubung melalui wrist pin. d. Pony rod Bagian ini menghubungkan antara crossway dengan plunger sehingga gaya dari crankshaft dapat ditransmisikan menuju plunger. 2.5 Volume Alir Pompa Volume alir ( debit ) suatu pompa didasarkan pada banyaknya cairan yang mengalir melalui pompa. Pada prinsipnya perencanaan suatu pompa berdasarkan dua faktor kebutuhan utama yaitu kapasitas dan head yang diinginkan. Karena adanya tahanan hidrolis dan kebocoran-kebocoran yang terjadi pada pompa, maka kapasitas yang dihasilkan pada sebuah pompa menjadi tidak sesuai dengan yang seharusnya. Hal ini yang menyebabkan adanya berbagai jenis kapasitas yang ditinjau dari beberapa segi yang berlainan. 15

11 2.5.1 Volume Alir Teoritis Pompa Kapasitas teoritis pompa merupakan kapasitas ideal pompa yang dihasilkan tanpa adanya kebocoran pada pipa, sambungan, maupun kebocoran yang ada dalam pompa itu sendiri, yang biasa disebut dengan kebocoran eksternal dan internal. Kapasitas pompa dapat dihitung berdasarkan cara kerja pompa. Dalam tugas akhir ini dibahas mengenai pompa reciprocating dengan tiga plunyer ( triplex pump ), sehingga kapasitas teoritis pompa yang terjadi adalah: Q t = 2 X 60 x A x S x n ( 2.1 ) Keterangan : Q t = Volume Alir ( debit ) teoritis [ liter/s ] A = Luas penampang silinder / plunger [ mm 2 ] S = Panjang langkah [ mm ] n = Kecapatan putar [ rpm ] Volume Alir Aktual Pompa Kapasitas aktual pompa (Q a ) adalah kapasitas yang keluar melalui pipa tekan pada saat pompa kerja, atau dengan kata lain adalah banyaknya fluida yang mengalir per satuan waktu melaui pipa tekan ( rate flow in the delivery pipe ) pada saat pompa bekerja. Volume alir ( debit ) pompa yang direncanakan adalah dua kali dari kapasitas awal. 16

12 2.5.3 Volume Alir Optimum Pompa Volume alir optimum pompa adalah kapasitas pompa yang didapat bila pompa bekerja pada efisiensi overall maksimum Volume Alir Internal Pompa. Volume alir internal pompa adalah banyaknya fluida yang mengalir melalui pompa atau dengan kata lain volume alir internal pompa sama dengan volume alir aktual pompa ( Q a ) ditambah dengan kebocoran yang terjadi didalam pompa itu sendiri, misalnya kebocoran yang terjadi pada clearance antara silnder, plunger stuffing box. 2.6 Jenis - Jenis Kebocoran Pada Pompa Reciprocating ( Slip ) Pada kenyataannya suatu pompa tidak mungkin bekerja secara ideal. Pompa Pompa dalam operasinya mengalami banyak kerugian kerugian dan yang sering terjadi dan mudah dijumpai adalah kerugian yang diakibatkan oleh kebocoran kebocoran yang terjadi pada pompa yang disebabkan oleh adanya kebocoran baik kebocoran eksternal maupun internal Kebocoran Katup Hisap ( Suction Check Valve ). Pada katup hisap jika tidak menutup secara baik maka pada saat langkah langkah tekan air yang telah masuk ke dalam ruang tekan pompa sebagian akan mengalir kembali ke pembuluh hisap Kebocoran Katup Tekan ( Discharge Check valve ). Pada katup tekan jika katup tidak menutup secara baik maka pada saat langkah hisap air yang ada dalam pembuluh tekan sebagian akan mengalir kembali ke dalam pompa. 17

13 2.6.3 Kebocoran Pada Pipa Hisap ( Suction line ) dan Pipa Tekan ( discharge line ). Pada pipa hisap jika terjadi kebocoran, maka pompa akn menghisap campuran antara air dan udara. Hal tersebut akan berpengaruh pada banyaknya volume air yang dihisap. Akan tetapi kebocoran pada pipa hisap ini tidak dapat terlihat dengan mudah dilihat titik titik kebocorannya, yaitu dengan munculnya titik-titik resapan air yang keluar pada permukaan luar pipa tekan Kebocoran Pada Celah Piston dan Packing Seperti halnya dengan kebocoran-kebocoran yang lain, pada waktu langkah tekan maka sebagian air akan keluar melalui celah antara piston dan casing serta melaui packing yang kurang baik mutu maupun pemasangannya, sehingga akan mengurangi banyaknya air yang keluar melaui pipa tekan ( discharge ). Demikian pula pada saat langkah hisap, udara akan ikut masuk ke dalam pompa dan udara akan memuaikan dirinya sehingga tekanan dalam ruang hisap akan naik yang mengakibatkan volume air yang terhisap menjadi berkurang. 2.7 Plunger Speed ( Kecepatan plunger ) Kecepatan plunger merupakan salah satu faktor yang pada sebuah pompa reciprocating. Putaran, pergerakan langkah pada bagian bagian pompa pada bagian fluid end pada umumnya didesain dua kali lebih besar daripada kecepatan aktual pompa. Pada umumnya standar batas kecepatan plunger pompa antara 0.71 sampai dengan 1.42 m/s (140 sampai dengan 280 ft/min ). Sp = ( 2.2 ) 18

14 Keterangan: Sp : Kecepatan plunger [ mm/s ] s : Panjang langkah [ mm ] n : putaran pompa [ rpm ] 2.8 Head Pompa Head adalah energi per satuan masa dengan kata lain head pompa adalah besaran tekanan pada pompa ditentukan oleh kondisi instalasi atau kondisi sistem yang akan dikoneksikan dengan pompa. 2.9 Rugi - Rugi ( Head Loss ) Rugi-rugi ( head loss ) yang terjadi terdiri dari dua macam yaitu minor head loss dan major head loss dan merupakanpenjumlahan dari keduanya. H l = H ma + H mi (2.3 ) Keterangan : H l = rugi rugi total ( total head loss ) H ma = rugi rugi mayor ( major head loss ) H mi = rugi rugi minor ( minor head loss ) 19

15 2.10 Efisiensi Pada pompa terdapat berbagai macam efisiensi yang didapatkan dari perbandingan berbagai faktor yang berkaitan dengan pompa. Berikut merupakan jenis jenis efisiensi yang berhubungan dengan suatu pompa Efisiensi Hidrolis Efisiensi hidrolis adalah perbandingan antara head efektif dengan head indikatif. ( 2.4 ) Efisiensi Volumetris Efisinsi volumetris adalah perbandingan antara kapasitas actual dengan kapasitas internal atau indikatif. x 100% ( 2.5 ) Keterangan : = efisiensi volumetric Q a = volume alir ( debit ) aktual [ mm 3 /s ] Q t = volume alir ( debit ) teoritis [ mm 3 /s ] 20

16 2.11 Buckling Pada Batang Piston ( Pony Rod ) Pada suatu pompa reciprocating proses pemompaan dilakukan oleh plunger yang terhubung dengan batang piston. Piston beserta beserta batang piston mendapat suatu gaya tekan yang dalam hal ini gaya yang diberikan oleh motor penggerak. Pertimbangan yang digunakan dalam proses modifikasi ini yaitu beban kritis pada piston tersebut. ( 2.6 ) Untuk mendapatkan harga terkecil keandalan batang piston maka besarnya nilai n ( putaran ) pada persamaan tersebut diasumsikan satu, sehingga persamaan tersebut menjadi : ( 2.7 ) Keterangan : Pcr = Gaya tekan kritis [ Newton ] E = Modulus elastisitas [ N/mm 2 ] I = Momen inersia penampang [ mm 4 ] L = Panjang batang piston [ mm ] 21

17 2.12 Pegas Jenis jenis pegas Pegas atau spring dapat digolongkan berdasarkan jenis beban yang bias diterimanya. Jenis jenis pegas secara umum digolongkan sebagai berikut : a. Pegas tekan atau kompresi b. Pegas tarik c. Pegas punter d. Pegas volut e. Pegas daun f. Pegas piring g. Pegas cincin h. Pegas batang punter i. Pegas spiral atau pegas jam. (Sularso, 1980;312 ) Gambar 2.3 Jenis jenis pegas 22

18 Tabel 2.2 Modulus Geser Material Spring Bahan Lambang Harga G (N/mm 2 ) Baja Pegas Kawat baja keras Kawat piano Kawat distemper dengan minyak Kawat baja tahan karat ( SUS 27, 32, 40) Kawat kuningan Kawat perak nikel Kawat perunggu fosfor Kawat tembaga berilium SUP SW SWP - SUS BsW NSWS PBW BeCuW x x x x x x x x ,1 x 10 3 (Sularso, 1980;312 ) Pembebanan Pada Pegas Dalam penggunanaannya sebuah pegas tekan bekerja selalu melawan gaya tekan sehingga akan menimbulkan lendutan. Besarnya lendutan yang tejadi bergantung pada gaya yang bekerja pada pegas serta sifat mekanis yang dimiliki oleh pegas itu sendiri. Persamaan dasar untuk pegas W p = k x ( 2.8 ) Keterangan : W p = Gaya yang bekerja pada pegas [ Newton ] k = Konstanta pegas [ N/mm ] = Lendutan pegas [ mm ] 23

19 Gambar 2.4 Pembebanan Pada Pegas Jika beban dinyatakan dengan W p ( Newton ), diameter lilitan rata rata dinyatakan dengan D ( mm ), diameter kawat dinyatakan dengan d ( mm ), Modulus geser dengan G (N/mm 2 ), maka besar lendutannya (δ ) mm, adalah 2. 8.N.D Wp δ = 4 d.g ( 2.9 ) Maka konstanta pegas dinyatakan dalam 4 G.d k = 3 8.N.D ( 2.10 ) Keterangan : G = Modulus geser [ N/mm 2 ] k = Konstanta pegas [ N / mm ] = Lendutan pegas [ mm ] N = Jumlah lilitan aktif 24

20 2.13 Poros dengan Beban Puntir Berikut ini akan dibahas rencana sebuah poros yang mendapat pembebanan utama yaitu berupa torsi. Jika diketahui bahwa poros yang akan direncanakan tidak mendapat beban lain kecuali torsi, maka diameter poros tersebut dapat lebih kecil daripada yang dibayangkan. Meskipun demikian jika diperkirakan akan terjadi pembebanan berupa lenturan, tarikan atau tekanan. Jika momen atau torsi dibebankan pada suatu diameter poros ( d s ) maka tegangan geser yang terjadi adalah. σ = ( 2.11 ) Sehingga : σ = ( 2.12 ) Keterangan : σ = Tegangan geser [ N / mm 2 ] T = Torsi atau momen [ N.mm ] d s = Diameter poros. [ mm ] 25

21 2.14 Modulus Young ( Modulus Elastisitas ). Sebuah poros dengan diameter tertentu jika dikenai sebuah gaya tarik, maka akan terjadi perpanjangan atau regangan. Hal ini karena terjadinya tegangan tarik pada poros tersebut. Besarnya regangan yang terjadi bergantung pada diameter shaft dan sifat mekanis shaft tersbut. Adapun perbandingan antara Tegangan tarik yang bekerja dengan regangan yang terjadi dikenal sebagai modulus young atau modulus elastisitas. Besarnya regangan dapat diketahui melalui persamaan berikut. є = ( 2.13 ) Keterangan : є = Regangan yang terjadi = Panjang poros setelah mengalami regangan. [ mm ] = Panjang poros awal. [ mm ] Sedangkan untuk menentukan nilai modulus young atau modulus elastisitas dengan persamaan berikut. Jika τ = E. є ( 2.16 ) maka E = ( 2.17 ) 26

22 Keterangan : E = Modulus young atau modulus elastisitas τ = Tegangan tarik [ N/mm 2 ] є = Regangan Tabel 2.3 Sifat Mekanis Material Poros Standar AISI (M. F. Spotts, 1997;625 ) 27

23 2.15 Gaya Reciprocating Terjadinya proses perpindahan fluida dari pipa hisap menuju pipa tekan dan terjadinya akumulasi tekanan kerja pada bagian dalam pompa sangat dipengaruhi oleh gaya reciprocating yang bertumpu pada kekuatan poros. Untuk mengetahui gaya reciprocating yang terjadi dapat menggunakan persamaan sebagai berikut. F rec = ( 2.18 ) Keteranagan : F rec = Gaya reciprocating [ Newton] W = Massa total bagian-bagian yang mengalami siklus [ Newton] reciprocating g = Percepatan gravitasi [ m/s 2 ] = Kecepatan sudut ; 2π/60 x n [ rpm ] R = Panjang 3/4 siklus putaran ( 1,5 panjang stroke ) [ mm ] L C = Panjang connecting rod ( jarak antara dua center ) [ mm ] θ = sudut crank ; gaya maksimum terjadi pada posisi θ = 0 o, cos θ = 1 28

24 2.16 Momen Inersia Kutub Untuk suatu batang bulat berlobang (pipa) dengan diameter luar D o dan diameter dalam D i, momen inersia kutub (polar moment of inertia) penampang melintang luasnya, biasanya dinotasikan dengan J, diberikan dengan: 4 4 J = π ( D o D i ) (2.19) 32 Momen kutub inersia untuk batang bulat tanpa lubang (batang pejal) dapat diperoleh dengan memberi nilai D i = 0. Sehinnga persamaan diatas menjadi Keterangan : π J = ( 32 4 D o ) J = Momen inertia kutub [ mm 4 ] D o = Diameter luar [ mm ] Di = Diameter dalam ( jika berlubang ) [ mm ] 2.17 Torsi Tegangan Geser Baik untuk poros pejal maupun poros berlubang yang dikenai momen puntir T torsi tegangan geser (torsional shearing stress) τ pada jarak p dari titik pusat poros dinyatakan dengan: σ = T.p J (2.20) Keterangan : σ = Tegangan geser ( N/mm ) T = Torsi atau momen ( Nmm ) J = Momen inertia kutub ( mm 4 ) 29

25 Adapun diagram alir proses modifikasi pompa reciprocating dapat digambarkan sebagai berikut MULAI Identifikasi kebutuhan Perumusan masalah Sintesa Analisa Evaluasi Perencanaan program kerja Pengerjaan komponen Perakitan Pengujian Hasil akhir Gambar 2.5 Diagram Alir Proses Modifikasi 30