MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
BENTUK KERUSAKAN BALL BEARING SENTRIFUGAL SPLIT CASSING PUMP Thysccn Machinebau GMBH Type ZM 11 – W 375/04 DI PDAM KOTA PADANG Oleh Dedi Wardianto Dosen Fakultas Teknik UMSB ABSTRACT After a series of activities to reveal event of failure of a pump bearing type SKF 6313 which, according to analysis results both macroscopic and microscopic is triggered to not do maintenance during operation. This is evidenced by the results of metallographic test where failure begins with the occurrence of deformation caused by heat, cooling due to the lack of distribution that should be done periodically. Reduced bearing wear age (L.10) is also caused by high local heat, this looks a degradation of strength. Bearing wear age tends to decrease, from the data of calculation should be able to operate up to 8000 hours and in fact only reached the age of operation during 2000-4000 hours. Manufacturing bearings are of high carbon steel with chemical composition according to standard AISI-SAE 1095, and the chemical element 0.917% C, 0.41% Mn,0.030% S. Visible deformation occurs on the surface between the two sides are in contact with the surface of ball bearings which suffered erosion due to friction, it can be predicted as a result of lack of lubrication kontanitas not guaranteed, so trigger an increase in local temperature. Keywords: bearings, damage, L 10, Maintenance, and Power. I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kebutuhan masyarakat terhadap air dirasakan selalu meningkat dari waktu kewaktu baik untuk keperluan rumah tangga, gedung, perkantoran, pertokoan dan Industri rumah tangga maupun untuk kebutuhan industri besar. Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) satu-satunya perusahaan yang diberi tugas tanggung jawab dan kewajiban oleh pemerintah untuk memproduksi air dan harus mampu menjamin ketersedian air selama 24 jam/hari dengan harga yang terjangkau demi kelancaran dan aktivitas dan produktivitas masyarakat. Perusahaan Daerah Air Minum ini berlokasi di Gunung Pangilun Kota Padang dengan memanfaatkan air Batang Kuranji sebagai air baku dengan menggunakan 3 (tiga) unit pompa dengan kapasitas masing-masing 1 (satu) unit pompa 250 ltr/dtk. Pompa tersebut bekerja dengan sistem paralel, dimana pompa yang beroperasi hanya 2 (dua) unit sedangkan yang 1(satu) unit lagi stand by. Sistem pengoperasian masing-masing pompa adalah 96 jam on dan 48 jam off, sehingga rata-rata jam operasi 6000 jam. Sistem perawatan pada pompa menggunakan perawatan secara korektif, dimana perawatan dilakukan apabila terjadi gejala kerusakan seperti kelainan pada bunyi mesin, kapasitas menurun, terdapat kebocoran fluida dll. ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
40
MENARA Ilmu
Vol. III No.28, Mar 2012
Salah satu mesin / alat yang digunakan adalah pompa sentrfugal oleh Perusahaan Daerah Air Minum Kota Padang. Dalam pengoperasiannya pengoperasiannya tentu saja dibutuhkan teknologi dan ilmu pengetahuan yang memadai untuk pelaksanaan perawatan dan perbaikan untuk mempertahankan kondisi mesin agar selalu beroperasi dengan optimal, efisiensi dan efektif guna menjamin kelancaran produksi air secara s terus menerus. Tetapi dalam pengoperasian 4000 jam, ternyata pompa telah mengalami penurunan performance sehingga dilakukan over houl. Pada pelaksanaan over houl tersebut ditemukan kerusakan beberapa komponen salah satunya pada bantalan bola pompa sentrifugal, entrifugal, dimana ball ba bering tersebut mengalami kerusakan dalam periode yang relative singkat sebelum mencapai standar umur bantalan yaitu 8000 jam. Maka untuk mengatasi masalah ini perlu dilakukan serangkaian penelitian untuk memastikan faktor penyebab dari kerusakan ball bearing terutama mengenai model / mekanisme terjadi kerusakan dan penyebab utamanya,sehingga kegagalan tersebut dapat diatasi dan kerusakan yang sama tidak terulang kembali. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat dan dan kontribusi yang berarti bagi industri yang mengoperasikan pompa sentrifugal khususnya Perusahaan daerah Air Minum di Kota Padang sehingga dapat menjamin kelancaran produksi air dan ketersedian komponen penganti dengan tepat waktu serta biaya yang relati relatif murah. METODOLOGI Untuk mencapai tujuan penelitian sebagaimana disebutkan diatas maka dilakukan tahapan pengujian dan analisis sebagai berikut : Pemilihan Specimen Uji Specimen uji diambil dan dipilih dari selongsong pompa sentrifugal yang rusak setelah dioperasikan selama lebih kurang 4000 jam di bengkel/work shop PDAM Kota Padang. Pemilihan specimen dilakukan untuk mendapatkan sampel yang tepat dan mewakili kondisi kerusakan yang yang terjadi untuk mendapatkan hasil pengujian laboratorium yang dibutuhkan. Sampel yang dipilih adalah sebagaimana terlihat pada gambar 1. Pengujian Visual/Makro Pengujian visual dilakukan untuk mengamati permukaan aus dan area penerima beban dari suatu komponen secara visual, seperti fractography, permukaan area penerima beban serta dimensi penampang aus dari komponen.
Gambar 1. 1.Foto Ball Bearing yang rusak ISSN 1693-2617 2617
LPPM UMSB
41
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
Pengujian Metalografi Pengujian metalografi adalah suatu teknik atau ilmu untuk melihat struktur mikro dan makro material. Struktur mikro logam dapat diperoleh melalui proses penyiapan spesimen metalografi. Dengan tujuan untuk menganalisa struktur, Mengenali fasa-fasa dalam struktur mikro, berdasarkan skala makro maupun skala mikro. Tahapan dalam melakukan pengujian metalografi adalah sebagai berikut : a. Cutting, yaitu pemotongan benda uji disesuaikan dengan penampang yang akan diamati (dengan menggunakan Mesin potong Discotom-2) b. Mounting (pembingkaian), dilakukan untuk memudahkan penanganan/ pemegangan terhadap benda uji yang berukuran kecil atau memiliki bentuk yang tidak beraturan yang akan sulit ditangani khususnya pada saat pengamplasan dan pemolesan apabila tidak mounting. c. Grinding, yaitu proses meratakan permukaan benda uji dengan menggunakan kertas amplas anti air secara berurutan mulai dari kekasaran 120, 240, 360, 400, 700, 800, dan 1200, selama proses grinding diberi air untuk mencegah terjadinya oksidasi pada permukaan benda uji. d. Polishing, yaitu menghaluskan serta menghilangkan goresan - goresan selama proses grinding dengan menggunakan kain bludru (polishing cloth) dan pasta diamand dengan tingkat kehalusan 6 µm, 1 µm dan ¼ µm. sebagai media pendingin digunakan Luricant Blue atau alkohol 96% e. Etching, yaitu mereaksikan benda uji dengan bahan etsa sehingga dapat memunculkan gambar struktur mikro dengan jelas. (proses etsa menggunakan menggunakan nital 2%). f. Viewing, Pengamatan yang dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik dan mikroskop elektron. Pengujian Kekerasan Kekerasan yang dimaksud adalah ketahanan material terhadap indentasi, dimana kekerasan material sangat dipengaruhi oleh komposisi kimia material tersebut. Selain itu kekerasan suatu material dapat ditingkatkan dengan proses laku panas, antara lain austempering atau hardening dan tempering. Pengujian Komposisi Kimia Pengujian komposisi kimia bahan dilakukan untuk mengetahui klasifikasi bahan serta sifat –sifat mekanis bahan berdasarkan unsur - unsur yang terkandung di dalam bahan tersebut. Dengan menganalisis pengaruh masing – masing unsur tersebut sesuai dengan persentase kandungannya. Pengujian komposisi kimia bahan dapat dilakukan dengan menggunakan mesin uji emmision spectrometer atau dengan uji basah. HASIL DAN PEMBAHASANAN Pemeriksaan (inspection) dan pengambilan data dilakukan pada water intake PDAM Kota Padang pada saat dilakukan over haul unit pompa ditemukan : 1. Terjadi kerusakan pada bantalan bola pada poros penghubung motor penggerak dengan pompa air, dari keterangan diperoleh dari operator bahwa umur bearing selama 4 tahun belakangan hanya beroperasi selama 8 bulan, waktu pergantian ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
42
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
normal bearing sebelumnya adalah 8000 jam ( 4 tahun operasi ). Bearing yang digunakan adalah bearing radial merek SKF 6313 diamater 140 mm. 2. Dalam pengopersian pompa sering terjadi udara palsu (air bleeding) yang mengkibatkan getaran pada pompa. 3. Adanya perubahan bunyi yang mendering pada bantalan. 4. Waktu pembongkaran pompa ditemukan bearing terjadi kekeringan pelumas didalam bearing.
Gambar : 2. Posisi bearing pada unit pompa
Indentifikasi Dari hasil pemeriksaan secara visual pada gambar 2 dan 3 dapat dilihat bahwa adanya indikasi kerusakan berapa retakan memanjang dengan arah bagian tengah Outer bearing, goresan - goresan dan deformasi pada permukaan akibat gesekan dan benturan.
ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
43
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
Gambar 3. Photo makro Ball Bearing yang salah satu bola baja mengalami kerusakan mempunyai bentuk oval akibat gesekan dan cage yg patah(tanda panah).
Pengujian Metalografi Pengujian Metalografi dilakukan dengan melakukan pemotongan spesimen dengan arah tegak lurus permukaan terkikis seperti terlihat pada gambar 4.
ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
44
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
Gambar 4. Gambaran kondidsi bantalan yang rusak
Dari gambar di atas terlihat bahwa permukaan ball bearing mengalami pengikisan, hal ini terlihat dari permukaan yang tidak rata. Pengikisan ini menyebabkan patahnya cage (penjepit) outer ring terjadi korosi dan inner ring terjadi alur deformasi dan akibat terjadinya korosi fitting . Proses ini terjadi secara berulang sehingga menyebabkan cage patah pada ball bearing. Pengujian Komposisi Kimia Pengujian komposisi kimia bearing di lakukan di Laboratorium B2TKS – BPPT Puspitek Serpong.dengan mengunakan mesin uji emission spectrometer, dengan standar AISI-SAE 1095. Hasil uji diperoleh data seperti pada tabel berikut ini : Tabel 1. Perbandingan komposisi Kimia Bearing. AISI-SAE 1095. Komposisi No Unsur Kimia (%) % 1
C
0,917
2
W
0,13
3
Si
0,12
4
Mn
0,41
5
Cr
1,54
6
Ni
0,084
7
Mo
0,023
8
Cu
0.0074
9
Al
0,00
10
V
0.00
ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
0,90 – 1,04
0,30 – 0,40
45
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
11
Fe
96,82
12
Ti
0,00
13
Nb
0,0007
14
B
0,0001
15
S
0,030
16
P
0,042
0,050 Max
Tabel 2. Nilai kekerasan bahan uji (standard uji SNI 19-0409-1989) NILAI KEKERASAN Vickers( HV ) Outer Ring Inner Ring Ball Bearing Pembanding X 1
No
X 5
X X 1
X X 3
X 4
1
753
632
653
622
2
712
676
687
612
3
699
699
739
665
4
687
753
767
612
5
550
725
795
585
Σ
680
697
728
619
Dengan komposisi kimia pada tabel diatas diketahui untuk material bearing , sifat kekerasan yang tinggi sangat diperlukan . Hal ini bertujuan untuk menghindari agar bearing tidak mudah aus. Dalam hal ini diperlukan keseimbangan dalam unsur karbon, karena kekerasan makin baik bila unsur karbon mangkin tinggi, sedangkan untuk ketangguhan , bila kadar karbon terlalu tinggi maka akan menyebabkan kegetasan, untuk itu diperlukan unsure paduan yang baik serta perlakuan panasnya (Heat treatment). Dari hasil penelitian terlihat bahwa nilai kekerasan ball bearing lebih tinggi dari pada nilai kekerasan outer ring dan ball houshing, hal ini disebabkan karena ball bearing berfungsi sebagai menerima beban yang lebih besar, menahan beban benturan dan membantu perputaran poros maka kekerasan ball bearing sangat diperlukan. Yang mengalami pecah dan retak bukanlah bantalan bola melainkan outer ring dan ball houshing, karena keduanya menerima beban gesekan yang besar dan beban benturan serta kekerasannya juga lebih rendah dari bantalan bola. Jadi material yang lebih lunak itulah yang mendertia kalah . ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
46
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
Perhitungan umur bearing Umur bearing ( L ) = 106 . C3 60 .n. P3 .
…………………..[3]
Dari data spesifikasi daya pompa diketahui sebesar 145,5 KW dengan putaran 1480 rpm dan kecepatan poros pompa dari hasil perhitungan diperoleh 10,84 m/dtk yang sama dengan kecepatan putaran ring dalam bearing, dari hasil konversi untuk satu Hp = 75 kg m/dtk diperoleh beban bearing ( dynamic load) sebesar = 1369 kg. Beban perbearing 684,5 kg atau sama dengan 1509 lbf . Sehingga L = 106 . 207003 60 . 1480 . 15093 =
29.000 jam
Ini berarti bila dianggap 1 hari adalah 24 jam dan 250 hari pertahun maka diperoleh umur bearing dapat bertahan selama 4,8 Tahun operasi. Penyebab dan Mekanisme Kerusakan Pemeriksaan bearing dengan teliti dan hati-hati akan menunjukan kemungkinan penyebab kerusakan bearing dan bagaimana mengenalinya. Kekurangan pelumas, timbulnya panasnya merupakan akibat kekurangan pelumas, panas menyebabkan perubahan warna pada permukaan bearing, inner, outer dan ball,dan kekurangan pelumasan akan menyebabkan goresan ,keausan berlebih dan akhirnya akan menyebabkan keseluruhan bearing mengalami kerusakan dan mengakibatkan care (kawat pengikat ball bearing menjadi patah. Abrasi ,masuknya kotoran dan pasir kedalam bearing menyebabkan keausan dini karena kotoran tersebut akan menyebabkan permukaan bearing menjadi kasar. Ini terbukti dari kondisi bearing pada saat indentifikasi dilakukan ( lihat pada Gambar 4.2.) Pemasangan yang salah, bearing biasanya menpunyai toleransi kesesuain pemasangan antara bearing dan shaft, ini tidak boleh berlebihan karena apabila berlebihan inner race akan dipaksa mengembang dan akan terjadi pembengkokan bearing, yang akan mengakibatkan keausan pada shaft akan menyebabkan distorsi pada race, area terdistorsi ini akan kelebihan beban sehingga kerusakan akan bermula diarea tersebut. Korosi, air dan uap akan menyebabkan korosi, ini terlihat seperti bekas lubang atau karat ,penanganan yang ceroboh atau penyimpanan bearing yang tidak benar setelah pencucian dapat menyebabkan korosi pada permukaan. Bearing harus dilumasi dan dibungkus dengan kertas yang diberi oli meskipun untuk periode penyimpanan yang singkat. Aksi gaya-gaya yang terjadi pada ball Bearing, Secara umum prilaku pembebaban yang diterima oleh bearing adalah beragam yaitu meliputi tarikan, geseran, puntiran, atau pembebanan secara kombinasi dan jenis pembebanan yang statis maupun dinamis. Penyetelan yang salah, penyetelan dapat dilakukan terlalu longgar, tepat atau terlalu kencang , selalu mengacu pada spesifikasi pabrik pembuat, untuk ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
47
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
menetukan apakah bearing tersebut harus di pre load atau tidak bearing harus distel dengan tepat karena jika tidak akan menyebabkan ball atau roller pecah dan permukaan bearing menjadi tergores, penyetelan terlalu kencang akan menyebabkan panas berlebihan awalnya dan berakibat kemungkinan hilangnya pelumasan. Deformasi yang terlihat hampir semua permukaan bearing mengalami erosi / pengikisan karena gesekan , hal ini dapat diprediksi sebagai akibat dari kurangnya kontinitas pelumasan yang tidak terjamin. Usaha Memperpanjang Ball Bearing Karena Baja karbon tinggi memiliki kemampuan efek dumping (mampu menahan getaran) yang sangat baik, serta memiliki sifat tahan aus yang cukup baik, maka penggunaan baja karbon tinggi untuk ball Bearing tetap dipertahankan. Untuk memperpanjang umur pakai bearing akibat terjadinya erosi dapat dilakukan dengan cara berikut : Melakukan pemeriksaan berkala pada ball bearing selama operasi dan tidak beroperasi: • Memeriksa pemasangan bearing dan menentukan keperluan tugas pekerjaan dengan cara –cara yang paling tepat. • Memeriksa pemasangan bearing selama operasi mengunakan prosedurprosedur standar mendengarkan , merasakan, mengamati dan/atau menguji peralatan secara benar dan tepat. • Memeriksa kondisi kebocoran dan keausan sil mengunakan cara-cara yang layak. • Memeriksa kebenaran operasi perlengkapan pelumasan mengunakan perkakas dan teknik yang benar dan tepat. Mendiagnosa kesalahan bearing : • Melakukan pemeriksaan pada susunan bearing secara visual dan dengan penginderaan. • Menguji kebenaran operasi atau kesalahan fungsi bearing , dengan spesifikasi pabrik pembuat dan peralatan diagnostik yang diberikan , mengunakan teknikteknik , perkakas dan prosedur yang dapat diterima , dimana diperlukan. • Mengindentifikasi kerusakan untuk penggantian bearing mengunakan pengetahuan tentang prinsip-prinsip teknik yang tepat. • Mengindentifikasi penyebab kerusakan bearing dengan teknik peralatan yang tepat, apabila diperlukan. • Apabila diperlukan , mengambil tindakan korektif untuk menghindari kerusakan berulang. • Melakukan pengantian sesuai umur waktu kerja yang telah ditentukan serta menganti bearing yang sesuai dengan klasifikasi bearing pompa tersebut. Mengidentifikasi keperluan pengganti atau pemasangan bearing : • Melakukan pemeriksaan pemasangan bearing dan menentukan tugas pekerjaan. • Menentukan dan memahami fungsi operasional bearing yang dipasang atau yang diganti, mengunakan pengetahuan tentang bearing dan prinsip teknik yang tepat. Melepaskan Bearing. • Menentukan teknik dan perkakasyang benar dan tepat. ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
48
MENARA Ilmu
• • •
Vol. II No.28, Mar 2012
Melepaskan bearing dari poros atau rumah bearing menggunakan teknik yang benar dan tepat , dengan memperkecil kerusakan pada komponen-komponen. Memeriksa kondisi barang-barang yang mampu rawat seperti poros, rumah bearing, mengunakan alat ukur dan alat uji yang benar dan tepat. Merawat dan memperbaiki bagian-bagian permesinan , dengan teknik-teknik, perkakas dan peralatan yang benar dan tepat.
Memasang Bearing. • Memilih bearing yang standar yang dapat diganti-ganti dari katalog pabrik pembuat bearing , daftar bagian penganti atau ditafsirkan dari gambar teknik untuk memenuhi spesisifikasi. • Menentukan diameter dalam/luar batalan dari spesifikasi atau katalog pabrik pembuat dan memeriksanya dengan alat-alat ukur yang tepat. • Memeriksa ukuran poros dan rumah bearing untuk suaian dan kelonggaran yang benar mengunakan alat ukur yang tepat. • Memilih teknik pemasangan yang benar dan tepat. • Memasang bearing pada poros atau rumah poros dengan perkakas, peralatan , teknik yang benar dan tepat memenuhi spesifikasi menggunakan prinsip dasar engineering. • Menggunakan seal dan tutup bearing sesuai dengan spesifikasi yang benar serta pelumas yang sesuai standar pabriknya . Kesimpulan. Berdasarkan dari data hasil penbahasan dapat disimpulkan : 1. Kekerasan pada komponen bearing : outer ring HV = 680, inner ring HV = 697 dan ball bearing HV = 728 ini merupakan kekerasan yang sesuai dengan standar ball bearing 2. Menurunnya umur pakai ball bearing juga diakibatkan oleh panas setempat yang tinggi ini terlihat adanya degradasi kekuatan 3. Berdasarkan dari data yang diperoleh dari pengujian komposisi kimia, maka material dari bearing adalah tergolong pada baja karbon tinggi (high carbon steel) dengan komposisi karbon sebesar 0,917 % C, Sesuai dengan standar AISI_SAE 1095 (UNS DESIGNATION 10950), dengan komposisi sebagai berikut : 0,90-1,04%C , 0,30-0,5% Mn , 0,04% P max dan 0,050% S max. 4. Berdasarkan hasil investigasi dapat diprediksi bahwa fungsi pemeliharaan terhadap bearing tidak berjalan menurut mestinya. Ini terbukti bahwa dari analisis menunjukan umur bearing bisa mencapai 4 tahun sementara umur pemakaian hanya mencapai sekian 6 bulan. 5. Dari gambar hasil uji metallografi dengan pembesaran 100 X menunjukan perilaku deformasi logam yang terarah secara teratur mengikuti daerah dimana terjadinya peristiwa degradasi kekuatan pada inner ring bantalan. Ini menujukan suatu gejala yang dipicu oleh meningkatnya temperatur setempat. 6. Deformasi terlihat terjadi pada permukaan antara kedua sisi yang berkontak dengan permukaan ball bearing yang mengalami pengikisan karena gesekan , hal ini dapat diprediksi sebagai akibat dari kurangnya pelumasan, sehingga memicu kenaikan temperature setempat.
ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
49
MENARA Ilmu
Vol. II No.28, Mar 2012
7. Secara menyeluruh dapat dikatakan bahwa manajemen pemeliharaan yang terkait dengan sistim prosedur operasi tidak tertata dengan baik. Saran 1 Diharapkan adanya suatu manajemen yang membuat aturan sistim prosedur menyangkut masalah pemeliharaan seperti dalam kegiatan bongkar pasang komponen, priode inspeksi serta catatan harian kegiatan pemeliharaan 2. Sebaiknya tidak mengoperasikan pompa bila komponen bearing telah mengalami kerusakan, biasanya tanda-tanda kerusakan bisa salah satu adanya bunyi yang berisik atau terjadinya getaran yang dari biasanya tak pernah terjadi. 3. Pengatian pada setiap komponen khususnya bearing harus disesuaikan dengan Standar anjurannya untuk menghindari ketidak sesuain dimensi. Kesalahan dalam penerapan dimensi dapat memicu kerusakan dan menurunkan masa pakai komponen sebelum waktunya. 4. Diharapkan kedepan terbentuknya manajemen pemeliharaan yang profesional dalam menangani sistim pemeliharaan di Perusahaan Daerah Air Minum Kota Padang ini.
ISSN 1693-2617
LPPM UMSB
50
