Landasan Teori - Mechanical Seal

(1)

LANDASAN TEORI – MECHANICAL SEAL

1.1. Pengenalan Mechanical Seal

Mechanical seal adalah suatu alat mekanis yang berfungsi untuk mencegah kebocoran fluida dari ruang/wadah yang memiliki poros berputar. Pengesilan terjadi karena alat mekanis tersebut memiliki 2 buah komponen muka akhir (end faces) pada posisi 90° terhadap sumbu poros yang senantiasa kontak satu dengan lainnya karena adanya gaya axial dari pegas/spring. Mechanical seal umumnya terpasang pada bermacam jenis pompa seperti centrifugal pump, gear pump, screw pump. Juga bisa dipasang pada peralatan mixer/agitator serta centrifugal/screw compressor.

Untuk lebih jelas cara pengesilan sebuah mechanical seal digambarkan sebagai berikut :

Gb. 8. Ilustrasi peralatan pompa dan mixer/agitator yang tidak mengunakan

Mechanical seal, cairan bocor keluar.

(2)

Process

Pump Casing

Gb. 9. Ilustrasi peralatan (pompa) yang sudah menggunakan Mechanical Seal, tidak ada cairan yang keluar.

Sumber : PT. John Crane Indonesia

Peralatan yang sering menggunakan Mechanical Seal antara lain :

Mixer/Agitator Centrifugal Pump Propeller Shat

Gas Turbine Compressor Steam Turbine

Gb. 10. Jenis peralatan yang menggunakan Mechanical seal. Sumber : PT. John Crane Indonesia

Mechanical seal yang terpasang pada peralatan pompa desainnya disesuaikan dengan kondisi operasi pompa tersebut, biasanya tergantung dengan faktor factor sebagai berikut :

 Tekanan Cairan (pressure)  Suhu Cairan (Temperature)

(3)

 Ukuran poros (Shaft Size)

 Kecepatan Putaran (Speed/RPM)

Mechanical seal yang baik akan memiliki umur pakai (life time) sekurangnya 10.000 jam kerja atau sekitar 3 tahun masa operasi. Tentunya hal ini akan sangat dipengaruhi oleh kondisi dari pompa/peralatan yang menggunakan mechanical seal tersebut serta cara pengoperasiannya.

Pompa yang baik baik untuk mechanical seal setidaknya harus memenuhi kriteria mekanikal sebagai berikut :

 Ukuran permukaan final (Dimension Surface Finish) sebesar √√√ 0.008 mm (8micron).

 Shaft Run Out maximum 0.05 mm F.I.M. (Failure Indicator Measurement).

 Axial End Play/Axial Float maximum 0.08 mm F.I.M. (Failure Indicator Measurement).

 Squareness maximum 0.005 mm per 10mm.

Tidak sedikit ditemukan mechanical seal yang mampu beroperasi lebih dari 10 tahun, namun banyak juga mechanical seal yang memiliki ‘lifetime’ sangat pendek (di bawah 3 bulan).

1.2. Desain Mechanical Seal

Umumnya mechanical seal terpasang pada peralatan dengan desain Single Seal (Seal tunggal), ini adalah desain minimum dari mechanical seal. Namun demikian banyak peralatan yang memiliki persyaratan kebocoran tertentu dimana tidak boleh sedikitpun cairan proses yang dipompakan bocor secara bebas ke atmosfir (atmospheric side), mungkin karena cairan tersebut bersifat toxic (beracun), flameable (mudah terbakar), carcinogenic (menyebabkan kanker), atau bisa juga karena

(4)

sebagainya.

Untuk kondisi seperti ini haruslah dipasang mechanical seal yang lebih handal dalam bentuk double seal (seal ganda) dan/atau Tandem Seal.

Gb. 11. Single Mechanical seal (Seal Tunggal) Sumber : PT. John Crane Indonesia

Gb. 12. Tandem Mechanical seal Sumber PT. John Crane Indonesia

(5)

Gb. 13. Double Mechanical seal (Seal Ganda) Sumber : PT. John Crane Indonesia

Dalam pengoperasiannya mechanical seal harus tercelup sepenuhnya (100%) di dalam cairan, ini untuk menghindari kondisi ’dry running’ yang bisa menyebabkan kerusakan ’end faces’ mechanical seal. Selain itu mechanical seal harus mendapatkan cairan yang berfungsi untuk pendingin dan pelumas contact face, biasanya cairan tersebut bisa diperoleh dari discharge pompa atau cairan yang dipasok dari luar.

SingleSeal (seal tunggal) umumnya menggunakan cairan pendingin yang diperoleh dari discharge pompa, namun di beberapa kasus seal tunggal beroperasi dengan menggunakan cairan yang dipasok dari luar (external) karena cairan yang berasal dari discharge pompa kualitasnya kurang bagus (mengandung partikel, terlalu kental dsb).

Double Seal (seal ganda) dan Tandem Seal selalu menggunakan cairan yang berasal dari luar, biasanya cairan tersebut merupakan cairan yg cocok untuk mechanical seal. Cairan tersebut ditampung pada tanki kusus (reservoir) dan dialirkan ke mechanical seal.

(6)

Gb. 14. Single Seal dengan pasokan cairan pendingin dari Discharge pompa Sumber : PT. John Crane Indonesia

Gb. 15. Double Seal dengan pasokan cairan pendingin dari external (reservoir tank) Sumber : PT. John Crane Indonesia

Dari sisi pemasangan, mechanical seal bisa dipasang secara internal atau inside mounted yaitu mechanical seal dipasang di dalam stuffing box

(7)

pompa atau dipasang secara external atau outside mounted yaitu mechanical sealdipasang di luar stuffing box pompa.

Namun pada umumnya mechanical seal terpasang secara internal. Alasan utama mengapa mechanical seal terpasang external adalah untuk menghindarkan metal parts (komponen logam) mechanical seal mengalami kontak langsung dengan cairan proses yang pada aplikasi tertentu merupakan cairan kimia yang sangat korosif.

Untuk kondisi cairan kimia seperti ini mechanical seal harus menggunakan material yang sangat spesial dan mahal harganya, misalnya untuk material metal harus menggunakan jenis Titanium atau Hasteloy C. Sehingga alternatif memasang mechanical seal secara external akan mampu mengurangi biaya.

Gb. 16. Mechanical Seal terpasang secara internal (inside mounted)

Gb. 17. Mechanical Seal terpasang secara external (outside mounted) Sumber : PT. John Crane Indonesia

1.3. Komponen dan material Mechanical Seal

Mechanical Seal terdiri dari 3 kelompok komponen yaitu :  Rotating Unit (bagian yang berputar)

 Stationary Unit (bagian yang diam)

 Metal Hardware (komponen logam) seperti Sleeve, Glandplate, Collar.

(8)

Gb. 15. komponen Mechanical seal Sumber : PT. John Crane Indonesia

Selain tersusun oleh 3 kelompok besar tersebut di atas mechanical seal memiliki komponen – komponen yang secara umum disebut :

1. Mating Ring (Stationary Face) 2. O-Ring/Gasket Mating Ring 3. Primary Ring (Rotary Face) 4. O-Ring/Gasket Primary Ring 5. Spring 6. Retainer 7. Disc 8. Snap Ring 9. Set Screw 10.Cap Screw 11.Shaft Sleeve

12.O-Ring/Gasket Shaft Sleeve 13.Gland Plate

14.O-Ring/Gasket Gland Plate 15.Collar

(9)

Komponen - komponen tersebut memiliki fungsi sendiri dan saling mendukung untuk menjadi sebuah mechanical seal complete set (Seal Assy).

Sebuah mechanical seal minimal tersusun oleh 9 komponen (item1-9), gabungan dari 9 komponen tersebut disebut Basic Seal. Seandainya Basic Seal tersebut (item 1-9) digabungkan dengan komponen item 10-16 maka mechanical seal tersebut akan membentuk sebuah Mechanical Seal Cartridge.

Gb. 16. Komponen Basic Seal

Ketika sebuah mechanical seal mengalami kerusakan maka tidak perlu Mechanical Seal tersebut diganti secara unit tapi cukup diganti komponen yang rusak saja. Memang memerlukan keahlian tersendiri untuk merakit kembali komponen mechanical seal agar membentuk satu Basic Seal atau satu unit Mechanical Seal Cartridge Assy. Komponen yang paling mudah mengalami kerusakan adalah O-Ring/Gasket, Primary Ring dan

(10)

Material mechanical seal dipilih berdasarkan aplikasinya, namun secara umum material yang digunakan adalah sebagai berikut :

No Nama Komponen Material

01. Mating Ring (Stationary Face)

Silicon Carbide (SiC), Tungsten Carbide (TC), Ceramic (Al2O3) 02. Primary Ring (Rotary

Face)

Resin Carbon, Antimony Carbon, Silicon Carbide (SiC), Tungsten Carbide.

03. O-Ring Fluoroelastomer (Viton), NBR,

Perfluoroelastomer (Kalrez/Chemraz)

04. Spring 316SS, Hasteloy C, Monel, Titanium

05. Metal Hardware 316SS, Hasteloy C, Monel, Titanium Memilih material yang tepat untuk kondisi operasi yang jelas akan sangat berpengaruh terhadap kehandalan (reliability) mechanical seal, dan sebaliknya material yang tidak tepat akan membuat umur pakai mechanical seal menjadi sangat pendek. Material yang dipilih tidak harus yang paling mahal namun yang paling sesuai dengan kondisi operasi seperti temperatur cairan, tekanan (pressure), jenis cairannya apakah merupakan cairan kimia (asam/basa kuat) dan sebagainya.

Pemilihan material yang tepat untuk O-Ring dan Contact Face (Primary Ring & Mating Ring) merupakan faktor penentu sebuah mechanical seal yang baik.

(11)

Gb. 17. Jenis material untuk digunakan sebagai O-Ring Sumber : PT. John Crane Indonesia

Gb. 18. Ketahanan material PTFE terhadap temperatur. Sumber : PT. John Crane Indonesia

PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene) merupakan material yang sering digunakan sebagai gasket/O-Ring untuk mechanical seal. Material ini memiliki ketahan kimia sangat bagus dan juga baik untuk aplikasi pada cairan yang temperaturnya tinggi.

(12)

untuk digunakan sebagai face contact mechanical seal ( Primary Ring & Mating Ring)

Gb. 19. Jenis material untuk contact face Mechanical Seal (Primary Ring & Mating Ring) Sumber : PT. John Crane Indonesia

Material untuk ‘contact face’ mechanical seal dipilih berdasarkan faktor sebagai berikut :

 Kekerasan (hardness)

 Koefisien gesek (coefficient of friction)

 Ketahanan terhadap kimia (chemical resistance)

Jadi material yang paling cocok digunakan sebagai ‘contact face’ adalah suatu material yang memiliki kombinasi ketiga karakteristik di atas.

Face Contact mechanical seal merupakan komponen yang mudah aus (wearable part) dari sebuah mechanical seal. Untuk aplikasi standard biasanya dipilih material Resin Carbon VS Silicon Carbide. Namun untuk aplikasi yang besifat kusus bisa menggunakan material Silicon Carbide VS Silicon Carbide atau Tungsten Carbide VS Tungsten Carbide, kombinasi material ini disebut ‘hard faces’ (material yang mengutamakan

(13)

kekerasan), biasanya digunakan pada aplikasi cairan yang banyak mengandung partikel.

Faktor penentu lainnya dalam memilih material yang cocok sebagai face contact mechanical seal adalah koefisien gesek (coefficient of friction).

Gb. 20. Koefisien gesek material untuk Face Contact mechanical seal. Sumber : PT. John Crane Indonesia

Dari table di atas diketahui bahwa kombinasi material yang memiliki koefisien gesek paling kecil adalah Carbon Graphite VS Silicon Carbide, yaitu sebesar 0.015. Dengan pertimbangan ini maka kombinasi material ini paling banyak digunakan oleh mechanical seal.

1.4. Cara Kerja Mechanical Seal

Fungsi utama mechanical seal dalam suatu pompa adalah untuk mencegah kebocoran cairan dari dalam pompa ke luar (atmospheric side),

(14)

rumah pompa.

Gb. 21. Pompa yang bocor

Dalam mechanical seal ada 3 titik pengesilan yaitu :

1. Primary Seal, titik pengesilan yang terjadi pada Face Contact (Primary Ring VS Mating Ring).

2. Secondary Seal, titik pengesilan untuk mencegah kebocoran di bagian I.D. (Inside Diameter) Primary Ring.

3. Tertiary Seal, titik pengesilan untuk mencegah kebocoran di bagian O.D. (Outside Diameter) Mating Ring.

(15)

Gb. 22. 3 (tiga) titik pengesilan dalam mechanical seal Sumber : PT. John Crane Indonesia

Di dalam mechanical seal ada 2 kelompok komponen yang disebut Rotating Unit (bagian yang berputar) dan Stationary Unit (bagian yang diam). Rotating unit terpasang pada poros pompa dan berputar seiring dengan putaran poros adapun stationary unit terpasang pada bagian pompa yang diam yang disebut Gland Plate.

Di dalam Rotating Unit ada komponen yang disebut Primary Ring (rotary face), komponen ini selalu kontak dengan Mating Ring (Stationary face) karena memperoleh gaya dorong dari spring (pegas) serta hydrodynamic fluid dari tekanan cairan di dalam pompa. Bidang kontak antara Primary Ring dan Mating Ring merupakan titik pengesilan utama (primary sealing) dari sebuah mechanical seal.

Gb. 23. Primary Sealing

(16)

bergesekan terus menerus dan jika kondisinya sudah tidak bagus lagi (mengalami keausan) maka akan terjadi kebocoran.

Gb. 25. ilustrasi kebocoran akibat keausan Primary Ring & Mating Ring Sumber : PT. John Crane Indonesia

Untuk mendapatkan kondisi pengesilan yang maksimum maka permukaan (surface) komponen Primary Ring dan Mating Ring harus diratakan dengan menggunakan Lapping Machine sampai derajat kerataan 1-3 light band, (1 light band = 0.3 micron = 0.0003mm).

Gb. 26. Secondary Sealing Sumber PT. John Crane Indonesia

Gb. 27. Tertiary Sealing

(17)

leakage) karena hanya bocor dalam bentuk uap (vapour). Dalam beberapa apikasi kebocoran dalam bentuk cairan masih ditoleransi, namun untuk aplikasi yang kusus (cairan berbahaya), standar toleransi kebocoran harus zero leakage.

Gb. 28. Toleransi kebocoran pada mechanical seal Sumber : PT. John Crane Indonesia

Gesekan antara Primary Ring dengan Mating Ring secara terus menerus menimbulkan panas yang akan membuat kedua komponen tersebut menjadi aus. Panas yang timbul harus didinginkan dengan cairan yang dipasok dari discharge pompa atau dari luar (external). Panas yang berlebihan pada bidang kontak juga bisa terjadi karena hal lain seperti :

 Pemilihan material yang memiliki koefisien friksi lebih dari 0,015.  Tingkat kerataan permukaan yang lebih besar dari 3 light band.  Pemilihan API Pipng Plan yang tidak sesuai.

Bidang kontak terjadi karena adanya closing force yang lebih besar dibanding dengan opening force. Closing force berasal dari gaya axial spring ditambah dengan gaya dari tekanan cairan (fluid pressure).

(18)

Gb. 29. gaya yang membuat Primary Ring kontak dengan Mating Ring Sumber : PT. John Crane Indonesia

Gb. 30. ilustrasi gaya pada mechanical seal, closing force > opening force

Gb. 31. Panas yang timbul akibat gesekan

Pada sebuah mechanical seal yang baik di antara bidang kontak akan terbentuk lapisan film (fluid film) yang akan menjadi bantalan, lapisan film tersebut tebalnya sekitar 1-5 micron. Fungsi dari fluid film ini adalah untuk pelumas dan pendingin bagi bidang kontak Primary Ring dengan Mating Ring. Seandainya fluid film tidak terbentuk maka bidang kontak tersebut akan menjadi kering (dry running) yang akan membuat komponen cepat rusak/aus.

(19)

Gb. 32. Fluid film yang terbentuk di antara bidang kontak mechanical seal Sumber : PT. John Crane Indonesia

Fluid film yang terbentuk tidak boleh terlalu tipis atau terlalu tebal, idealnya adalah 1-5 micron.

Lapisan film yang terlalu tipis akan menyebabkan panas berlebihan dan sebaliknya kalau terlalu tebal maka film tersebut akan membentuk cairan sehingga terjadi kebocoran.

Gb. 31. perbandingan ketebalan fluid film dengan ketebalan rambut manusia yang sekitar 30 - 60 micron, fluid film yang terbentuk harus memilki sifat stabil (tersedia terus), bersih (bebas partikel), tidak terlalu kental (low viscouse).

Panas yang timbul akibat gesekan harus dipindahkan dengan cepat dengan cara mengalirkan cairan dari luar, bisa diperoleh dari discharge pompa atau dari sumber lain. Cara untuk mengatasi panas pada mechanical seal bisa mengikuti rekomendasi API (American Petroleum Instiute) Piping Plan.

(20)

53C, 62, 65, 72, 74, 75, 76.

 Keterangan : rincian API Piping Plan terlampir

Pemilihan penggunaan API Piping Plan yang benar merupakan faktor penting bagi sebuah mechanical seal untuk mencapai masa pakai yang ideal. API 682 (standard acuan industri mechanical seal mensyaratkan sebuah mechanical yang baik harus mencapai umur pakai minimal 36 bulan.

1.5. Jenis dan tipe mechanical seal

Sebagaimana dijelaskan sebelumnya bahwa jenis mechanical seal yang tersedia di pasaran cukup beragam untuk digunakan pada aplikasi yang low duty (ringan) sampai dengan aplikasi heavy duty/special application. Mulai dari yang dipakai pada pompa air di rumah sampai jenis ‘taylor made’ untuk kondisi operasi yang sangat special. Dari mechanical seal yang berharga USD 1 sampai dengan USD 100.000 bisa diproduksi oleh pabrik mechanical seal. Secara teknis sebuah mechanical seal tidak mampu untuk beropersai pada semua jenis aplikasi.

(Note : No mechanical seal can handle all application)

Dengan kemajuan teknologi sekarang ini bahkan ada desain mechanical seal yang mampu beroperasi secara ‘non contacting’, konsep ini terbalik dengan paradigma umum bahwa sebuah mechanical seal harus kontak satu dengan lainnya. Mechanical seal jenis ini memiliki umur pakai lebih lama disbanding mechanical seal konvensional, biasanya sekitar 5-6 tahun.

(21)

Gb. 32. Klasifikasi Mechanical seal

Secara kusus untuk produk John Crane jenis mechanical seal terdiri dari :

Jenis Mechanical Seal Type

Elastomer Bellows Seal T1, T2, T2100, T502

Pusher O-Ring Seal T8, T48, RROL, RREL, T58, RREP

Wedge Seal T9, T59

Metal Bellows T670, T680, T609

Formed Metal Bellows T515, GL1B PTFE External Mounted T10, T20

Dry Gas Seal T28, T2800, T285

Universal Cartridge Seal T5610, T5611, T5615 Upstream Pumping Seal USP