30 September 2021 1705
Engineering

Mekanisme Kegagalan Pada Turbin Air

Turbin air merupakan salah satu komponen yang paling esensial pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Selain paling esensial, turbin air juga termasuk dalam komponen yang paling rentan terhadap kerusakan mengingat interaksinya yang intens dengan aliran air. Mayoritas turbin air yang mengalami kerusakan terjadi akibat malfungsi pada sudu-sudu turbin saat beroperasi. Hal ini disebabkan karena sudu-sudu turbin terpapar oleh mechanical stress dan getaran yang tinggi. Beberapa faktor yang dapat memperpendek umur sudu turbin adalah fatigue, kavitasi dan erosi.
 
Fatigue merupakan suatu mode kegagalan pada suatu material/benda, dalam hal ini adalah sudu turbin, yang disebabkan oleh pembebanan yang tidak konstan dan terus menerus (con: pembebanan siklikal) dalam suatu periode tertentu (dalam rentang tahunan). Pembebanan dengan besar yang berubah-ubah tersebut dapat menyebabkan kekuatan material sudu melemah secara bertahap dan progresif yang berujung pada terjadinya fraktur (patah) pada sudu turbin.
 
Kerusakan akibat fatigue dapat terjadi meskipun besar beban yang ditanggung sudu turbin masih jauh di bawah batas kekuatan tarik (yield stress) dari material tersebut. Fatigue awalnya akan menyebabkan retakan kecil pada suatu daerah dari sudu yang terkena pembebanan paling besar atau di daerah yang memiliki metallurgical atau structural discontinuity. Retakan kecil tersebut, seiring dengan berjalannya waktu dan pembebanan, akan merambat semakin luas sampai waktu tertentu retakan tersebut menyebabkan sudu turbin patah.
 
Fatigue menjadi salah satu mode kegagalan yang paling umum pada semua jenis turbin. Hal ini disebabkan karena sudu turbin beroperasi pada kecepatan putar yang tinggi sehingga menimbulkan gaya sentrifugal yang tinggi pula. Selain itu, debit aliran air terkadang tidak konstan saat mengalir melalui sudu turbin, sehingga aliran air tersebut memberikan pembebanan yang berubah-ubah pada sudu turbin. Contoh kerusakan sudu turbin air akibat fatigue ditunjukan pada Gambar 1.

 

maesha-1

Gambar 1. Kerusakan turbin air akibat fatigue
Source: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032115009958


Mode kegagalan yang juga cukup sering terjadi pada turbin air adalah kerusakan yang disebabkan oleh kavitasi. Kavitasi merupakan suatu fenomena terbentuknya buih-buih uap air pada aliran air di daerah sudu turbin. Buih-buih ini bergerak dengan kecepatan dan tekanan yang tinggi dan membentur permukaan sudu turbin. Kavitasi dapat terjadi pada turbin air karena air yang melalui turbin air tidak mengalir dengan kecepatan dan tekanan yang konstan. Pada saat aliran air berada di dekat sudu, kecepatan air berubah, aliran air menjadi lebih turbulen. Perubahan aliran air menyebabkan tekanan dinamik air meningkat sedangkan tekanan static air menurun. Penurunan tekanan statik air cukup signifikan hingga lebih rendah dari tekanan uapnya. Pada saat tersebut, terbentuk gelembung uap air yang menabrak permukaan sudu turbin. Gelembung uap air tersebut dapat menyebabkan penetrasi pada permukaan sudu hingga 10 mm per tahunnya. Contoh kerusakan sudu akibat kavitasi ditunjukan pada gambar berikut.
 

maesha2

Gambar 2. Kerusakan sudu turbin akibat kavitasi
Source: https://repairengineering.com/cavitation.html


Kavitasi dapat terjadi pada turbin air apabila terdapat suatu kesalahan desain pada turbin. Sudu-sudu turbin didesain dengan pola tertentu agar air dapat tetap mengalir dengan mulus saat melewati sudu-sudu turbin, sehingga pola aliran air dapat tetap terjaga dalam bentuk laminar. Namun, apabila sudu turbin menyebabkan aliran air terhambat, maka aliran air akan menjadi turbulen dan memperbesar peluang terjadinya kavitasi pada turbin. Selain itu, kavitasi juga dapat terjadi apabila turbin mengalami perubahan kondisi kerja dengan frekuensi yang tinggi. Perubahan kondisi kerja turbin sering terjadi dengan tujuan untuk mengatur daya listrik yang dihasilkan agar selalu sesuai dengan beban listrik. Perubahan kondisi kerja ini biasanya dilakukan dengan mengubah debit air yang melalui sudu. Dengan demikian, perubahan debit air berdampak pada perubahan kecepatan dan tekanan air yang melalui sudu.
 
Erosi menyebabkan kegagalan pada permukaan sudu turbin dengan mekanisme yang hampi serupa dengan kavitasi. Secara definisi, erosi merupakan suatu mekanisme penggerusan atau pengikisan suatu permukaan material oleh aliran air yang biasanya mengandung partikel abrasif. Meskipun aliran air sudah melewati suatu filter sebelum memasuki powerhouse, terkadang masih terdapat sedimen seperti pasir yang terbawa oleh aliran air. Aliran air ini melaju dengan kecepatan yang tinggi, sehingga tumbukan antara partikel sedimen dengan sudu turbin tidak terhindarkan. Apabila tumbukan ini terjadi secara terus menerus, maka permukaan sudu akan terkikis seperti halnya pada sudu yang terkena efek kavitasi.
 
Kerusakan pada turbin air juga seringkali terjadi pada poros (shaft) turbin. Penyebab utamanya adalah misalignment dan imbalance pada poros turbin. Misalignment merupakan penyimpangan posisi tumpuan dari kedua ujung poros yang menyebabkan sumbu putar masing-masing ujung poros tidak terletak pada satu koordinat yang sama pada sumbu berdimensi dua. Skema misalignment ditunjukan pada Gambar 3. Imbalance merupakan suatu ketidakseimbangan putaran poros yang disebabkan karena tidak meratanya distribusi beban disekeliling sumbu putar dari poros. Fenomena misalignment dan imbalance dapat ditemui pada turbin yang memiliki tumpuan poros yang tidak sejajar, atau pada poros yang bengkok dan pada turbin yang memiliki bearing yang tidak lagi mampu berfungsi secara normal. Anomali pada bearing biasanya terjadi akibat dari sistem pelumasan yang tidak berjalan dengan baik, sehingga gesekan bearing dengan penutupnya menyebabkan temperature bearing meningkat drastis. Baik misalignment maupun imbalance, keduanya menyebabkan getaran yang berlebihan pada turbin yang berujung pada patahnya poros turbin.

maesha3

Gambar 3. Misalignment pada poros turbin
Source: https://accendoreliability.com/shaft-alignment-pumps/


Komponen lain yang cukup besar paparannya terhadap resiko kegagalan adalah saluran pembawa/penstock. Fungsi penstock sangat esensial, yaitu sebagai media aliran air dari reservoir ke power house. Penstock umumnya berupa saluran pipa yang diletakan di atas daratan, tidak seperti pipa saluran air minum yang tertanam di dalam tanah. Karena tidak tertanam, maka penstock cukup terpapar resiko yang disebabkan oleh factor lingkungan maupun manusia. Secara struktur, penstock harus didesain agar dapat menahan tekanan static dan dinamik dari aliran air yang melaluinya. Kegagalan yang seringkali terjadi pada penstock adalah munculnya retakan pada penstock yang menyebabkan kekuatan struktur penstock menurun, sehingga retakan tersebut akan semakin lama semakin lebar dan meluas dan memungkinkan air di dalamnya meluap ke lingkungan sekitar.





 

Penulis

Maesha Gusti Rianta ST., M.Sc

Email: maesha@indonesiare.co.id