## Evaluasi Unjuk Kerja Sistem Proteksi Water
Hammer pada Sistem Perpipaan (Studi Kasus Di Rumah Pompa Produksi Unit Instalasi Pengolahan Air Minum (IPAM) Karang Pilang 2 PT. PDAM Surya Sembada Surabaya)
Handi Prasetya dan Nur Ikhwan
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : nur_ikhwan@me.its.ac.id
Abstrak—Sistem jaringan perpipaan merupakan komponen penting  dalam  menunjang  produksi  maupun  distribusi pada  sektor  industri.  Jaringan  perpipaan  mengalami beberapa  fenomena  seperti  distribusi  fluida  dan  water hammer.  Water  hammer  sering  terjadi  di  daerah  discharge pompa pada saat pengoperasian pompa maupun pada saat kegagalan operasi pompa. Beberapa cara untuk mengurangi  dampak  water  hammer  adalah  dengan menambahkan  flywheel  ataupun  gas  accumulator  pada jaringan  perpipaan.  Lonjakan  tekanan  serta  aliran  balik yang  terjadi  akibat  fenomena  water  hammer  akan  dilawan oleh  putaran  impeller    pompa  yang  dibebani  oleh  flywheel dan akan memperlambat lonjakan tekanan dalam pipa dan tekanan  yang  berlebih  akan  dibuang  ke  gas  accumulator sehingga  tekanan  dalam  pipa  berangsur  stabil.  Pemodelan sistem perpipaan dilakukan dengan menggunakan software sistem perpipaan. Pemodelan yang disimulasikan merupakan  sistem  perpipaan  dengan  rangkaian  pompa paralel  yang  dilengkapi  flywheel  pada  instalasi  pompa  dan divariasikan  dengan  penambahan  gas  accumulator  sebagai sistem  proteksi  water  hammer.  Analisa  yang  dilakukan adalah  untuk  mempelajari  fenomena  water  hammer  pada saat  kondisi  ekstrim  yakni  ketika  dua  pompa  operasi  mati dan  juga  ketika  empat  pompa  operasi  mati,  untuk  melihat pengaruh  variasi  ukuran  flywheel  terhadap  fluktuasi tekanan  yang  terjadi.  Ukuran  flywheel  divariasikan  yakni ukuran  diameter  luar  1100mm,  1200mm  dan  1300mm dengan  tebal  masing-masing  300mm,  400mm  dan  500mm. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada sistem perpipaan tanpa  menggunakan  gas  accumulator,  tekanan  maksimum yang  terjadi  pada  discharge  pompa  mencapai  19,807  bar dari  kondisi  tekanan  kerjanya  5,6  bar.  Variasi  ukuran flywheel  memberi  dampak  pada  perlambatan  terjadinya lonjakan  tekanan,  semakin  besar  ukuran  flywheel  akan menunda  terjadinya  lonjakan  tekanan  akibat  water hammer.  Dan  penambahan  gas  accumulator  berperan dalam  meredam  serta  mempersingkat  waktu  terjadinya lonjakan  tekanan,  sehingga  fluktuasi  tekanan  cenderung berangsur  stabil  dengan  cepat.  Serta  tebal  pipa  discharge yang  digunakan  yakni  9,52  mm  mampu  menahan  tekanan maksimum yang terjadi akibat efek water hammer.
Kata  Kunci—water  hammer,  discharge,  flywheel,  gas accumulator.

## I. P ENDAHULUAN
aringan  perpipaan  mengalami  beberapa  fenomena seperti distribusi fluida itu sendiri dan juga fenomena
perubahan  kecepatan  aliran  secara  mendadak  sebagai akibat dari pengoperasian pompa  dan kegagalan   pompa beroperasi.  Hal  ini  dapat  menimbulkan  perubahan tekanan yang  sangat  tajam  sehingga menyerupai suatu pukulan  dan    dinamakan  gejala  pukulan  air  (water hammer).  Fenomena  keadaan  unsteady  ini  dapat dikatakan  sebagai  perubahan  energi  kinetik  dan  energi tekanan  yang  bisa  menjadi  positif  atau  negatif.  Efek negatif  yang  dihasilkan  oleh  fenomena  tersebut diantaranya  menimbulkan  getaran  pada  pipa  dan memperpendek  umur  pemakaian  komponen  perpipaan. Perubahan  tekanan  yang  terlalu  besar  pada  pipa  dapat menyebabkan pipa rusak atau pecah.
Fenomena  water  hammer  ini  sering  terjadi  di  daerah discharge pompa pada saat pengoperasian dan kegagalan pompa  beroperasi.  Water  hammer  adalah  fenomena terjadinya  fluktuasi  tekanan  yang  diakibatkan  oleh penutupan  valve  yang  cepat  ataupun  matinya  pompa secara  tiba-tiba.  Fenomena  tersebut  dalam  sistem perpipaan  mempunyai  dampak  negatif  dengan  selang waktu  tertentu  dan  dampak  yang  ditimbulkan  terjadi seketika  itu  juga.  Beberapa  cara  untuk  mengurangi dampak water hammer adalah dengan menambahkan alat proteksi di daerah discharge pompa tersebut.
Pemasangan gas accumulator yang umumnya dipasang pada  discharge  pompa  berfungsi  mengurangi  fluktuasi tekanan  mendadak  akibat  pengoperasian  dan  kegagalan pompa beroperasi. Kemudian penambahan flywheel atau beban  berbentuk  roda  pada  instalasi  pompa  yang umumnya  dipasang  di  bagian  poros  penghubung  antara pompa  dengan  motor  penggerak  akan  berperan  dalam menunda  terjadinya  lonjakan  tekanan  ketika  terjadi kegagalan  pompa  secara  tiba-tiba  dan  untuk  mencegah terjadinya pemisahan kolom air.

## II. U RAIAN P ENELITIAN

## Dasar Teori
Fenomena  water  hammer  terjadi  ketika  aliran dihentikan  secara  mendadak  dan  dirubah  menjadi tekanan.  Analisa  water  hammer  dalam  sistem  perpipaan berdasarkan pada persamaan momentum dan kontinuitas. Penyelesaian  persamaan  yang  tepat  untuk  kondisi transient  pada  sistem  dengan  kondisi  batas  yang
J
kompleks adalah dengan menggunakan metode karakteristik.  Metode  karakteristik  digunakan  untuk menetukan  hubungan  antara  langkah  waktu  dan  langkah jarak.  Persamaan  momentum  dan  persamaan  kontinuitas yang  akan  diselesaikan  dengan  bantuan  metode karakteristik adalah sebagai berikut [1] . 1 𝜌 𝜕𝑃 𝜕𝑥 + 𝜕𝑉 𝜕𝑡 + 𝑔 𝑠𝑖𝑛(𝛼) + 𝑓𝑉|𝑉| 2𝐷 = 0 (1)
Keterangan:
P  = tekanan (N/m 2 )
V  = kecepatan (m/s 2 ) ρ  = densitas (kg/m 3 ) x  = panjang pipa (m) t  = waktu (s) g  = percepatan gravitasi (m/s 2 ) D  = diameter (m) f   = faktor gesekan α  = sudut kemiringan pipa.
Persamaan  kontinuitas  dapat  dirumuskan  sebagai berikut [1] .
𝑎 2 𝑔 𝜕𝑉 𝜕𝑥 + 𝜕𝑃 𝜕𝑡 = 0 (2)
Keterangan:
a
= kecepatan gelombang
Kecepatan  perambatan  gelombang  tekanan  dapat diformulasikan sebagai berikut [1] .
𝑎 2 = 𝐾/𝜌 1+𝑐 1 [(𝐾/𝐸)(𝐷/𝑒)] (3)
Keterangan: a  = kecepatan gelombang fluida dalam pipa (m/sec) ∆p  = perubahan tekanan ∆v  = perubahan kecepatan K   = modulus bulk fluida (N/m 2 ) Ρ   = densitas fluida (kg/m 3 ) D   = diameter pipa (m) E   = modulus elastisitas (N/m 2 ) e   = ketebalan pipa (m) c1  = faktor koreksi yang tergantung pada instalasi pipa.
Persamaan  (1),  (2)  dan  (3)  dikombinasikan  menjadi persamaan karakteristik berikut.
(𝑃 𝑃 − 𝑃 𝐴 ) + 𝐵(𝑚̇ 𝑝 − 𝑚̇ 𝐴 ) + 𝜌𝑔(𝑧 𝑝 − 𝑧 𝐴 ) + 𝑅𝑚̇ 𝑝 |𝑚̇ 𝐴 | = 0 (4) −(𝑃 𝑃 − 𝑃 𝐴 ) + 𝐵(𝑚̇ 𝑝 − 𝑚̇ 𝐴 ) + 𝜌𝑔(𝑧 𝑝 − 𝑧 𝐴 ) + 𝑅𝑚̇ 𝑝 |𝑚̇ 𝐴 | = 0 (5)
Dari  persamaan  (4)  dan  (5)  dihasilkan  grafik karakteristik metode grid.

## III. M ETODOLOGI

## Simulasi Pemodelan Sistem Perpipaan
Pemodelan  dilakukan  dengan  menggunakan  software sistem perpipaa sebagai alat bantu untuk melihat dampak yang  ditimbulkan  akibat  fenomena  aliran  transient  yang terjadi  pada  sistem  perpipaan.  Program  ini  akan menghitung  tekanan  transient  pada  sistem  perpipaan dengan  menggunakan  iterasi  dan  metode  matriks. Sedangkan  metode  karakteristik  digunakan  untuk memecahkan massa transient dan persamaan momentum pada aliran di dalam pipa.
Sistem  perpipaan  untuk  rumah  pompa  produksi  unit Instalasi  Pengolahan  Air  Minum  (IPAM)  Karang  Pilang 2  dimodelkan  untuk  melihat  pengaruh  penggunaan proteksi  water  hammer  ketika  mengalami  kegagalan operasi.  Pemodelan  ini  menggunakan  dua  skema pemodelan  untuk  proteksi  water  hammer  dengan  dua skenario operasi pompa dimana empat pompa mengalami kegagalan  operasi  secara  ekstrim,  yakni  pada  kondisi  2 pompa mati dan pada kondisi 4 pompa mati.
Gambar 2. Pemodelan sistem perpipaan pada software
Pengaruh  fluktuasi  tekanan  akibat  kegagalan  pompa dilihat  di  daerah  discharge  setiap  pompa  operasi. Pemodelan  ini  juga  divariasikan  dengan  skema pemodelan  dengan  menggunakan  sistem  proteksi  water hammer  yang  berbeda.  Untuk  setiap  skenario  operasi pompa  menggunakan  proteksi  flywheel  dengan  variasi ukuran  dan  juga  penambahan  gas  accumulator.  Ukuran flywheel  divariasikan  untuk  melihat  pengaruh  inersia dalam  melawan  aliran  balik  yang  menuju  pompa  akibat efek  water  hammer.  Ditambah  pengaruh  inersia  dari komponen-komponen berputar pada instalasi pompa.
T ABEL 1. V ARIASI UKURAN FLYWHEEL PADA SIMULASI SISTEM
PERPIPAAN
Flywheel 1 Flywheel 2 Flywheel 3 Material Steel Steel Steel Diameter dalam 150 mm 150 mm 150 mm Diameter luar 1100 mm 1300 mm 1500 mm Tebal 300 mm 400 mm 500 mm
Dalam  simulasi  ini  juga  menggunakan  skema pemodelan  sistem  perpipaan  tanpa  penambahan  gas accumulator  dan  sistem  perpipaan  dengan  penambahan gas  accumulator  pada  pipa  discharge  utama  (pipa distribusi  utama)  untuk  melihat  pemodelan  mana  yang lebih baik  dalam  meredam  fluktuasi  tekanan  akibat  efek water hammer.
T ABEL 2. S PESIFIKASI GAS ACCUMULATOR PADA PEMODELAN
Gas accumulator Tekanan kerja 5,6 bar Volume udara 53 m 3
Secara  keseluruhan  skema  pemodelan  dan  skenario pompa yang disimulasikan adalah sebagai berikut.
1. 2  pompa  ON  dan  2  pompa  OFF  –  variasi flywheel 1, 2 dan 3.
2. 2  pompa  ON  dan  2  pompa  OFF  –  variasi flywheel 1, 2 dan 3 – dengan gas accumulator.
3. 4 pompa OFF – variasi flywheel 1, 2 dan 3.
4. 4  pompa  OFF  –  variasi  flywheel  1,  2  dan  3  – dengan gas accumulator.

## Titik Analisa Pemodelan
Daerah yang dipilih untuk dianalisa merupakan daerah yang  terkena  dampak  utama  ketika  terjadinya  fenomena water hammer seperti halnya pada discharge pompa serta daerah  di  dekat  penempatan  alat  proteksi  gas accumulator.  Titik-titik  analisa  dibedakan  pada  dua operasi pompa sebagai berikut.
Gambar 3. Titik-titik analisa pada simulasi dengan skenario 2 pompa ON & 2 pompa OFF
T ABEL 3. D ETAIL TITIK ANALISA PADA SIMULASI DENGAN SKENARIO 2 POMPA ON & 2 POMPA OFF
Gambar 4. Titik-titik analisa pada simulasi dengan skenario 4 pompa
OFF
T ABEL 4. D ETAIL TITIK ANALISA PADA SIMULASI DENGAN SKENARIO 4 POMPA OFF IV. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## Hasil Simulasi Pada Skenario 2 Pompa OFF
Hasil  simulasi  menunjukkan  pengaruh  sistem  proteksi water  hammer  baik  hanya  dengan  menggunakan  variasi ukuran  flywheel  atau  dengan  variasi  ukuran  flywheel serta  penambahan  gas  accumulator.  Analisa  pemodelan difokuskan pada area discharge pompa dari setiap pompa yang mengalami kegagalan.
Gambar 5. Grafik tekanan terhadap waktu pada pipa p5 inlet (discharge pompa 1) dengan variasi ukuran flywheel pada skenario 2 pompa OFF
Gambar 6. Grafik tekanan terhadap waktu pada pipa p5 inlet (discharge pompa 1) dengan variasi ukuran flywheel dan penambahan gas accumulator pada skenario 2 pompa OFF
Dari  gambar  5  untuk  sistem  perpipaan    tanpa menggunakan  gas  accumulator  menunjukkan  fluktuasi tekanan  dan  osilasi  yang  tinggi,  dimana  tekanan maksimumnya  mencapai  7,839  bar  dan  tekanan minimumnya  mencapai  0,933  bar.  Dan  terdapat perbedaan  waktu  terjadinya  lonjakan  tekanan  maupun turunnya  lonjakan  tekanan  hingga  menuju  kondisi stabilnya akibat pengaruh variasi ukuran flywheel.
Sedangkan  pada  gambar  6  untuk  pemodelan  dengan menggunakan  gas  accumulator  menunjukkan  fluktuasi tekanan dan osilasi yang cenderung lebih rendah, dimana tekanan  maksimumnya  mencapai  7,126  bar  dan  tekanan minimumnya  mencapai  2,929  bar.  Dan  terdapat perbedaan  waktu  terjadinya  fluktuasi  tekanan  maupun turunnya  lonjakan  tekanan  hingga  menuju  kondisi stabilnya.
Gambar 7. Grafik perbandingan tekanan terhadap waktu pada pipa p5 inlet dengan variasi ukuran flywheel ke-3 vs pipa p5 inlet dengan variasi ukuran flywheel ke-3 dan penambahan gas accumulator pada

## skenario 2 pompa OFF
Berdasarkan  gambar  7,  untuk  pemodelan  dengan penambahan  gas  accumulator  mampu  menurunkan  peak pressure  pada  saat  terjadi  water  hammer.  Pemodelan dengan variasi flywheel 3 mencapai peak pressure 7,839 bar dan pada pemodelan dengan variasi flywheel 3 serta penambahan  gas  accumulator  nilai  peak  pressure  turun menjadi  7,126  bar.  Peran  gas  accumulator  sebagai
1 P5 Discharge pompa 1 600 9,52 23 2 P17 Discharge pompa 3 600 9,52
23 3 P41 Pipa discharge utama 1400 19,05 23 4 P46 Sebelum gas accumulator 1400 19,05 23 No Warna titik Nomor pipa Beda elevasi terhadap tandon besar (m) Tebal pipa (mm) Diameter pipa (mm) Posisi pipa 1 P5 Discharge pompa 1
600 9,52 23 2 P41 Pipa discharge utama 1400 19,05 23 3 P46 Sebelum gas accumulator 1400 19,05 23 Beda elevasi terhadap tandon besar (m) No Warna titik Nomor pipa Posisi pipa Diameter pipa (mm) Tebal pipa (mm)
peredam  tekanan  berlebih  berperan  dalam  menurunkan peak pressure ini.

## Hasil Simulasi Pada Skenario 4 Pompa OFF
Hasil  simulasi  pemodelan  pada  kondisi  pompa mengalami kegagalan seluruhnya menunjukkan pengaruh fluktuasi tekanan yang terjadi di daerah discharge pompa yang  berada  paling  dekat  dengan  pipa  distribusi  utama. Karena  titik  ini  merupakan  titik  yang  paling  rentan menerima fluktuasi tekanan yang tinggi akibat efek water hammer.
Gambar 8. Grafik tekanan terhadap waktu pada pipa p5 inlet (discharge pompa 1) dengan variasi ukuran flywheel pada skenario 4 pompa OFF
Pada skenario ini terlihat pada gambar 8 bahwa untuk pemodelan tanpa menggunakan gas accumulator menunjukkan  fluktuasi  tekanan  dan  osilasi  yang  tetap tinggi,  dimana  tekanan  maksimumnya  mencapai  19,807 bar dan tekanan minimumnya mencapai  -0,877 bar. Dan terdapat  perbedaan  waktu  terjadinya  lonjakan  tekanan maupun  turunnya  lonjakan  tekanan  hingga  menuju kondisi stabilnya.
Gambar 9. Grafik perbandingan tekanan terhadap waktu pada pipa p5 inlet dengan variasi ukuran flywheel ke-3 vs pipa p5 inlet dengan variasi ukuran flywheel ke-3 dan penambahan gas accumulator pada skenario 4 pompa OFF
Berdasarkan gambar 9, terlihat bahwa pada pemodelan dengan penambahan gas accumulator mampu menurunkan  peak  pressure  pada  saat  terjadi  water hammer.  Pemodelan  dengan  variasi  flywheel  mencapai peak  pressure  19,807  bar  dan  pada  pemodelan  dengan variasi flywheel serta penambahan gas accumulator nilai peak  pressure  turun  menjadi  13,373  bar.  Peran  gas accumulator  sebagai  peredam  tekanan  berlebih  berperan dalam  menurunkan  peak  pressure  ini.  Analisa  lain  yang bisa  disimpulkan  dari  grafik  adalah  bahwa  dengan penambahan  gas  accumulator  juga  akan  mengurangi fluktuasi  tekanan  serta  mempercepat  tekanan  kembali pada kondisi stabilnya.

## Kekuatan Tebal Pipa Discharge Pompa 1 Terhadap Tekanan Statik Maksimum
Setelah  dilakukan  perhitungan  tebal  minimum  pipa berdasarkan  standar  yang  dikeluarkan  oleh  AWWA
( American  Water  Works  Association ) . Didapatkan kesimpulan  bahwa  dengan  tekanan  maksimum  internal yang  terjadi  mencapai            P  =  20  bar  dan  dengan pertimbangan  toleransi  manufaktur  yang  diijinkan  maka tebal  pipa  minimum  yang  direkomendasikan  sesuai perhitungan adalah t m = 6,83 mm. Sehingga dengan tebal pipa yang digunakan sesuai data eksisting yakni t = 9,52 mm  (STD  schedule  20)  maka  sudah  melebihi  dari  tebal pipa  yang  direkomendasikan,  dan  oleh  karena  itu  dapat dinyatakan  bahwa  tebal  pipa  discharge  yang  digunakan pada  rumah  pompa  unit  IPAM  Karang  Pilang  2  PT PDAM  Surya  Sembada  Surabaya  ini  aman,  artinya mampu menahan beban  tekanan maksimum  yang terjadi akibat  efek  water  hammer  sehingga  tidak  menyebabkan pipa discharge mengalami kerusakan atau pecah.

## V. K ESIMPULAN
Berdasarkan  simulasi  dan  analisa  pemodelan  yang dilakukan untuk layout sistem instalasi perpipaan di unit IPAM Karang Pilang 2, didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut.
1. Pemodelan  sistem  perpipaan  dengan  menggunakan variasi  ukuran  flywheel  namun  tidak  menggunakan proteksi  water  hammer  yakni  gas  accumulator memiliki  nilai  lonjakan  tekanan  tertinggi  ketika terjadi kegagalan pompa operasi yang mencapai nilai 19,807 bar.
2. Pengaruh  penggunaan  flywheel  pada  instalasi  pompa yang  utama  adalah  untuk  menunda/memperlambat terjadinya  lonjakan  tekanan  akibat  efek  water hammer,  semakin  besar  ukuran  flywheel  maka  akan semakin memperlambat terjadinya fluktuasi tekanan.
3. Penggunaan  gas  accumulator  menyebabkan  fluktuasi tekanan  lebih  cepat  mengalami  penurunan  hingga kondisi  stabilnya,  hal  ini  terjadi  akibat  lonjakan tekanan  yang  tinggi  mampu  diredam  oleh  kinerja volume udara dalam tangki accumulator.
4. Berdasarkan  perhitungan  tebal  pipa  minimum  sesuai standar AWWA (American Water Works Association)  Manual  M11  dapat  dikatakan  bahwa tebal  pipa  discharge  yang  digunakan  pada  sistem dengan  STD  schedule  20  /  tebal  pipa  9,52  mm mampu  menahan  tekanan  statik  maksimum  yang terjadi  pada  daerah  discharge  pompa  sebesar  P  = 19,807 bar.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis  Handi  Prasetya  mengucapkan  terima  kasih pihak  PT  PDAM  Surya  Sembada  Surabaya  dan  Unit IPAM  Karang  Pilang  2  atas  kesempatan  yang  diberikan untuk  mempelajari  lebih  lanjut  tentang  fenomena  water hammer  pada  sistem  perpipaan  yang  sangat  berperan dalam penyusunan tugas akhir ini.

## D AFTAR P USTAKA
[1] Wylie, E.B., V.L. Streeter., dan L. Suo. 1993. Fluid Transients in Systems.  New  Jersey,  USA:  Prentice-Hall,  Inc.,  Englewood Cliffs.