2.1. Valve Coefficient

Ch. II – Valves Selection Criteria

2.1. Valve Coefficient Ukuran yang umum digunakan untuk valve adalah valve coefficient (Cv) or flow coefficient. Valve coeff. digunakan untuk menentukan valve size yang akan memungkinkan valve untuk mengalirkan fluida sesuai dengan kebutuhan. Valve manufacturers biasanya memberikan nilai Cv dari valve yang dibuatnya. Nilai Cv dapat bervariasi sampai sekitar 10%, tergantung dari konfigurasi sistem perpipaan dan pembuatan trimnya. Nilai Cv yang tidak ditentukan secara benar, akan mengakibatkan performans valve yang kurang baik. Training on Valve Technology

16

2


Nilai Cv yang terlalu kecil (valve is undersized): • aliran fluida akan “terjepit”. • create high back pressure Î damage upstream pump or other equipment. • create high pressure drops Î cavitation or flashing may be occur.

Nilai Cv yang terlalu besar (valve is oversized): • kerugian utama: cost, size, and weight. • for throttling valve Î significant control problem can occur. • closure element tidak bisa tepat duduk pada seat Î bathtub stopper effect. Training on Valve Technology

3


Definition of Cv One Cv is defined as one U.S. gallon (3.78 liters) of 60oF (16oC) water that flows through an opening, such as a valve, during 1 minute with a 1.0 psi (0.07 bar) pressure drop. As specified by the Instrument Society of America (ANSI/ISA Standard S75.01),the simplified equation fro Cv is Cv = Q

specific gravity at flowing temperature pressure drop

where: Cv : required flow coefficient for valve Q : flow rate (gal/min) Training on Valve Technology

17

4


2.2. Flow Characteristics (FC) Setiap throttling valve memiliki karakteristik aliran yang mendiskripsikan hubungan antara valve coefficient dan valve stroke. Atribut ini memungkinkan valve dapat mengontrol aliran sesuai dengan yang diinginkan. Laju aliran melalui throttling valve juga dipengaruhi oleh pressure drop. Karakteristik aliran valve dengan pressure drop yang bervariasi dapat sangat berbeda dengan karakteristik aliran dengan pressure drop yang tetap. Jika valve dioperasikan dengan pressure drop yang konstan, tanpa memperhitungkan efek dari pipa Î inherent flow characteristic. Training on Valve Technology

5


Jika efek valve dan pipa diperhitungkan Î installed flow characteristic. Umumnya selain valve dan pipa, efek dari equipment lainnya juga harus diperhitungkan untuk menentukan installed flow characteristic. Beberapa rotary valves, seperti butterfly dan ball valves memiliki karakteristik inherent yang tidak dapat diubah karena closure elementnya sukar untuk dimodifikasi. Quarter-turn plug and ball valves dapat diubah karakteristiknya dengan memvariasikan bukaan pada plugnya, Gbr. 1. Training on Valve Technology

18

Gbr. 1 Karakteristik quarter-turn plug 6


Linear valves mempunyai karakteristik aliran yang dirancang sesuai dengan bentuk & ukuran lubang pada cagenya, Gbr. 2 atau bentuk plug headnya, Gbr. 3.

Gbr. 2 Karakteristik cage

Gbr. 3 Karakteristik linear plug Training on Valve Technology

7


Tiga tipe karakteristik aliran yang umum ditemukan adalah equal percentage, linear, and quick-open. Kurva ideal ketiganya ditunjukkan pada Gbr. 4. Kurva inherent ini dapat dipengaruhi oleh jenis dan rancangan body serta faktor-faktor perpipaan.

Gbr. 4 Tiga karakteristik inherent Training on Valve Technology

19

8


1. Equal Percentage FC Merupakan FC yang paling sering dispesifikasikan untuk throttling valves. Pada equal-percentage characteristic, perubahan aliran per satuan bukaan valve adalah proporsional terhadap besarnya aliran tepat sebelum perubahan. Dengan laju aliran kecil pada awal bukaan valve memberikan kontrol yang baik dan tepat pada closure element, di mana kontrol sangat sukar dipertahankan karena closure element sangat mudah dipengaruhi oleh gaya proses. Laju aliran yang meningkat pada akhir bukaan memungkinkan valve dapat melewatkan aliran sesuai yang diinginkan. Training on Valve Technology

9


Rumus matematis karakteristik equal-percentage.

dQ = nQ dL

Q = Q0 e nL ,

dengan: Q = flow rate L = valve travel/stroke Q0 = minimum controllable flow n = constant Walaupun FC valve adalah equal-percentage, installed FC mendekati linear FC. Gbr. 5 memperlihatkan 2 kurva equal-percentage: inherent dan installed (sudah memperhitungkan efek sistem perpipaan). Training on Valve Technology

20

10


Gbr. 5 Karekteristik inherent dan installed untuk FC equal-percentage

Note: Efek sistem perpipaan cendrung membuat FC menjauhi karakteristik equal-percentage yang ideal. Training on Valve Technology

11


2. Linear FC Inherent linear FC memberikan perubahan aliran yang sama per satuan bukaan valve sejak awal sampai akhir bukaan. Umumnya, linear FC memberikan kapasitas aliran yang lebih baik sepanjang bukaan valve. Rumus matematik linear FC

dQ = k dL

Q = kL ,

dengan: Q = flow rate L = valve travel/stroke k = constant of proportionality Training on Valve Technology

21

12


Gbr. 6 Inherent and installed characteristic for linear FC

Note: Efek sistem perpipaan mendorong FC linear FC ke arah quick-open FC. Training on Valve Technology

13


3. Quick-Open FC Karakteristik valve ini digunakan secara eksklusif untuk aplikasi “on-off”, di mana aliran maksimum dihasilkan segera setelah valve dibuka. Inherent dan installed FC-nya praktis sama, Gbr. 7

Gbr. 7 Inherent and installed characteristic for quick-open FC Training on Valve Technology

22

14


4. Menentukan Installed FC Seperti telah dibahas sebelumnya, inherent FC dapat berubah secara drastis saat valve dipasangkan pada suatu sistem perpipaan. Jika efek dari sistem perpipaan diperhitungkan: Ö Equal-percentage FC Î linear FC Ö Linear FC Î quick-open FC Dua contoh penentuan installed FC akan dibahas berikut ini: Ö tanpa memperhitungkan efek sistem perpipaan Ö dengan memperhitungkan efek sistem perpipaan

Training on Valve Technology

15


5. FC Without Piping Effects

Gbr. 8 Skematik instalasi valve dalam sistem perpipaan

Valve pada Gbr. 8 digunakan untuk menjaga tekanan di hilir sebesar 80 psi (5,5 bar). Sebagai contoh ilustrasi, kurva karakteristik pompa diberikan pada Gbr. 9. Pada contoh ini losses pada sistem perpipaan tidak diperhitungkan. Training on Valve Technology

23

16


• Misalkan total laju aliran yang diinginkan adalah 200 gal/min. • Dari Gbr. 9 diperoleh untuk Q = 200 gal/min, pump discharge pressure (P1) adalah 100 psi. • Jadi pressure drop yang terjadi adalah 20 psi (100 psi – 80 psi). Gbr. 9 Typical pump characteristic

• Dengan menggunakan sizing formula, Cv diperoleh Cv = Q


= 200

1 20

= 45 Training on Valve Technology

17


Asumsikan bahwa 45 adalah nilai Cv maksimum. Bermacam besar aliran kemudian dapat diestimasi, di mana besarnya Cv valve yang dibutuhkan dan prosentase terhadap nilai maksimum Cv digunakan untuk mengontrol proses. Lihat Tabel 1. Tabel 1 Laju aliran, Cv, dan tekanan pompa (tanpa loses pada pipa)

ΔP (psi)

Cv valve yg dibutuhkan

% Maximum Cv

170

90

5,2

11

100

150

70

12

27

150

125

45

22

49

200

100

20

45

100

Q (gpm)

P1 (psig)

50


24

18


Dengan menggunakan definisi dari equal-percentage dan linear FC, installed FC dapat diplot dengan bantuan Tabel 1, yang diberikan pad Gbr. 10.

Gbr. 10 Installed linear and equal-percentage FC (without piping losses) Training on Valve Technology

19


6. FC With Piping Effects Penyederhanaan pada kasus “without piping effects”, dilakukan dengan mengambil tekanan hilir yang konstan dan pressure drop hanya dipengaruhi oleh karakteristik pompa. Untuk kasus “with piping effects”, aplikasi dimodifikasi dengan memperhitungkan efek tahanan pipa di hilir valve. Tekanan di hilir sebesar 80 psi harus tetap dipertahankan setelah memperhitungkan losses melalui tahanan pipa. Karena adanya tahanan pipa, pressure drop harus didistribusikan antara tahanan valve dan tahanan pipa (R). Training on Valve Technology

25

20


Sebagai contoh, pressure drop sebesar 4 psi pada valve terjadi pada laju aliran 200 gpm, sehingga besarnya Cv valve dapat dihitung Cv = Q


= 200

1 4

= 100

Menurut aturan “square-root”

(Q = R ΔP ) pressure drop pada valve akan bervariasi. Dengan menggunakan karakteristik pompa, “available pressure drop pada valve dapat diestimasi, seperti diberikan pada Tabel 2. Training on Valve Technology

21


Tabel 2 Laju aliran, Cv, dan tekanan pompa (dengan loses pada pipa) Q (gpm)

P1 (psig)

ΔPRes (psi)

ΔPVal

(psi)

Cv valve yg dibutuhkan

% Max. Cv

50

170

1

89

5

5

100

150

4

66

12

12

150

125

9

36

25

25

200

100

16

4

100

100

Gbr. 11 memperlihatkan installed linear dan installed equal-percentage FC yang diperoleh dari Tabel 2. Terlihat bahwa piping losses telah memodifikasi installed equal-percentage FC ke inherent linear FC dan installed linear FC menjadi inherent quick-open FC. Training on Valve Technology

26

22


Akibat adanya piping losses: 1. Linear FC akan memberikan sistem yang sangat sensitif terhadap bukaan valve pada awal bukaan. Gbr. 11 Installed linear and equalpercentage FC (with piping losses)

2. Equal-percentage FC akan memberikan sensitivitas yang relatif lebih konstan sepanjang bukaan valve. Training on Valve Technology

23


7. Choosing The Correct FC Jika menggunakan throttling valve, pilihan FC yang dianjurkan adalah antara linear dan equalpercentage. Dua aturan umum untuk melakukan pemilihan FC: 1. Jika sebagian besar pressure drop terjadi pada valve dan tekanan di hulu adalah konstan, linear FC akan memberikan control yang terbaik. Linear FC juga direkomendasikan jika “variable-flow meter” dipasang pada sistem. 2. Jika piping dan peralatan di hilir yang mendominasi terjadinya pressure drop, maka equal-percentage FC yang direkomendasikan. Kebanyakkan kasus industri masuk ke dalam kategori ini. Tabel 3, 4, 5 dan 6 memberikan rekomendasi yang lebih spesifik dalam memilih FC. Training on Valve Technology

27

24


Tabel 3 Recommended FC for Liquid Level System Constant Valve Pressure Drop

Recommended Inherent FC

Constant ∆P

Linear

Decreasing ∆P with increasing load: ∆P at maximum load > 20% of minimum load ∆P

Linear

Decreasing ∆P with increasing load: ∆P at maximum load < 20% of minimum load ∆P

Equal-Percentage

Increasing ∆P with increasing load: ∆P at max. load < 200% of min. load ∆P

Linear

Increasing ∆P with increasing load: ∆P at max. load > 200% of min load ∆P

Quick-Open


25


Tabel 4 Recommended FC for Pressure Control System Recommended Inherent FC

Application Liquid process

Equal-Percentage

Gas process, small volume, less than 10 feet (3 meters) of pipe between control valve and load valve

Equal-Percentage

Gas process, large volume (process has a receiver, distribution system or transmission line exceeding 100 feet of nominal pipe volume), decreasing ∆P with increasing load, ∆P at maximum load > 20% of minimum load ∆P Gas process, large volume, decreasing ∆P with increasing load, ∆P at maximum load < 20% of minimum load ∆P


28

Linear

Equal-Percentage

26


Tabel 5 Recommended FC for Flow Control System

Flow Measurement Signal to Controller

Proportion to flow

Proportion to flow Squared

Location of Valve in Relation to Measuring Element

Wide Range of Flow Set Point

Small Range of Flow with Large ∆P Change at Valve with Increasing Load

Series

Linear

Equal Percentage

By-pass*

Linear

Equal Percentage

Series

Linear

Equal Percentage

By-pass*

Equal Percentage

Equal Percentage

*) When valve closes, flow rate increase in measuring element Training on Valve Technology

27


Tabel 6 Recommended FC for Miscellaneous System Recommended Inherent FC

Application Three-way valves and two-way valves used as three-way valves (if characterized positioner are used, they must be calibrated by the valve manufacturer)

Linear

Gas compressor recycle control valve

Linear

Constant pressure drop service

Linear

Temperature control where control valve ∆P > 50% of System ∆P

Equal Percentage

pH control where control valve ∆P < 50% of system ∆P

Equal Percentage

pH control where control valve ∆P > 50% of system ∆P

Linear


29

28


7. Rangeability and Sensitivity Rangeability is defined as the ratio of maximum and minimum flow that can be acted upon by a control valve after receiving signal from a controller. Sensitivity is defined as the specific change in flow area opening produced by a given change in the regulating element when compared to the previous position. Rangeability dari control valve dipengaruhi oleh 3 faktor: 1. Valve’s geometry 2. Seat leakage 3. Valve’s actuation (actuator) ISA Standard S75.11 (“Inherent FC and Rangeability of Control Valves”) memberikan panduan dan rekomendasi untuk rangeability, sensitivity, dan limits of deviation dari control valve. Training on Valve Technology

29


2.3. Shutoff Requirement 1. Shutoff Standards Standard industri untuk valve, khususnya yang berkenaan dengan level kebocoran yang diperbolehkan, telah disusun untuk mendukung perkembangan industri valve. Walaupun umumnya standard ditujukan untuk throttling valves, tetapi dapat juga digunakan untuk valve jenis lain. Khususnya, ANSI Standard 70-2-1976 (reaffirmed in 1982) memberikan outline untuk 6 (enam) klasifikasi dari shutoff. Training on Valve Technology

30

30


2. Shutoff Classification Klasifikasi shutoff ditentukan oleh prosentase dari fluida uji (umumnya air) yang melewati valve pada tekanan, temperatur, dan batas waktu yang ditentukan. Klasifikasi shutoff berkisar antara ANSI Class I, valve yang tidak memerlukan tight shutoff sampai dengan ANSI Class VI, di mana shutoff harus komplit atau sampai ke level nearly bubble-tight. Berikut ini akan dijelaskan, secara singkat, setiap klasifikasi shutoff tersebut. Shutoff ANSI Class I: klasifikasi terbuka, tidak membutuhkan pengujian (kesepakatan antara user & manufaktur yang dijadikan pedoman.) Training on Valve Technology

31


Shutoff ANSI Class II: 0,5 (setengah) persen dari rated valve capacity dan berhubungan dengan “double-ported seats atau pressure-balanced trims” di mana digunakan permukaan metal piston ring dan metal-to-metal seat. Shutoff ANSI Class III: 0,1 persen dari rated valve capacity dan berhubungan tipe valve yang sama dengan pada Class II, dengan beberapa modifikasi sehingga mampu mencapai angka 0,1 %. Shutoff ANSI Class IV: merupakan standard industri untuk single-seated valves with metal-to-metal seating surfaces, di mana level maksimum kebocoran yang diperbolehkan adalah 0,01 (seper seratus) % dari rated valve capacity. Hal ini membutuhkan gaya penekan yang besar. Lihat Tabel 7. Training on Valve Technology

31

32


Shutoff ANSI Class V: is defined as 0.0005 cm2/min per inch of orifice diameter per psi differential pressure. Kelas V ini dibutuhkan dalam aplikasi di mana throttling or control valve digunakan sebagai blocking valve dan diinginkan tetap tertutup untuk selang waktu yang lama dengan pressure drop yang besar. Shutoff ANSI Class VI: is commonly referred to as bubble-tight shutoff and is associated with metal-toelastomer soft seating surfaces. With extremely high seating forces, it is possible to achieve Class VI with a metal-to-metal seat. Lihat Tabel 7. Gbr. 12 memperlihatkan hubungan antara kelas V dan VI sebagai fungsi dari pressure drop. Training on Valve Technology

33


Tabel 7 Typical seat load vs. ANSI classification for shutoff Seat Surface

Required Seat Load

ANSI Shutoff Classification

Valve Sizes

Metal

Class IV

0.5 to 4 inch DN 15 to 100

50 pounds/inch 60 joules

Metal

Class IV

6-inch and above DN 150 and above


Metal

1% of Class IV

0.5 to 4-inch DN 15 to 100


Metal

1% of Class IV



Metal

Class V

0.5 to 4-inch DN 15 to 100


(linear seating force)


32

34


Tabel 7 Typical seat load vs. ANSI classification for shutoff (continued) Seat Surface

Required Seat Load

ANSI Shutoff Classification

Valve Sizes

Metal

Class VI

6 to 10-inch DN 150 to 250


Soft

Class V

0.5 to 4-inch DN 15 to 100


Soft

Class V



Soft

Class VI

0.5 to 4-inch DN 15 to 100


Soft

Class VI



(linear seating force)


35


Gbr. 12 ANSI Class V and VI allowable leakage Training on Valve Technology

33

36


2.4. Body End Connections 1. Introduction Berbagai cara penyambungan antara valve dan sistem perpipaan telah disediakan. Idealnya sambungan dan material antara valve dan piping sebaiknya identik. Aturan umum (untuk refining industry): Untuk valve ukuran kecil (less than 2-in) gunakan sambungan ulir, Gbr. 13; sedangkan untuk ukuran yang lebih besar, gunakan sambungan flange, Gbr. 14

Untuk kasus di mana kebocoran tidak menjadi masalah (contoh saluran alir), dapat menggunakan sambungan ulir sampai dengan ukuran 4 in (DN 100). Training on Valve Technology

37


Gbr. 13 Sambungan ulir

Gbr. 14 Sambungan flange


34

38


2. Threaded End Connections Di USA, sambungan valve dirancang menggunakan “female” National Pipe Thread (NPT) yang dipasangkan dengan “male” NPT dari pipa. Karena keterbatasannya terhadap kebocoran dan tekanan, maka sambungan baut hanya dibatasi up to ANSI Class 600. Sambungan baut tidak dianjurkan untuk aplikasi yang korosif. Untuk aplikasi pada “fire management system”, digunakan Standard National Hose Thread (NHT). Standard lainnya adalah “ordinary 3/4” Garden Hose Thread (GHT). Training on Valve Technology

39


3. Flanged End Connections Standard: ANSI B16.5 (atau API 6A atau lainnya) Lebih mudah dipasangkan dibandingkan dengan sambungan ulir. Dapat digunakan untuk range temperatur yang sangat lebar [dari nol absolut sampai 1500oF (815oC)]. Gaya sambungan dihasilkan dari kombinasi antara baut dan gasket. Ada 2 tipe rancangan: integral and separable flanges. Aplikasi integral flanges lebih banyak ditemukan dibandingkan dengan separable flanges. Integral flanges: flat face, Gbr. 15; raised face, Gbr. 16; ring-type joint (RTJ), Gbr. 17. Training on Valve Technology

35

40


Flat face flanges umum digunakan untuk aplikasi tekanan rendah. Kontak antara flange yang penuh, akan meminimumkan tegangan pada flange, demikian juga kemungkinan terjadinya beban bending. Dalam fabrikasi permukaan flange harus diusahakan sedatar mungkin. Aplikasi face flanges umumnya membutuhkan gasket dengan diameter yang lebih besar (seukuran flange).

Gbr. 15 Flat face


41


Rancangan raised flange ini memberikan celah antara 2 flange. Besarnya celah sesuai dengan standard ANSI: 0,06 in (1,5 mm) untuk di bawah Class 600 (PN 100) dan 0,25 in (6 mm) untuk di atasnya. Kondisi operasi yang direkomendasikan: tekanan sampai dengan 6000 psi (400 bar) dan temperatur sampai 1500oF (815oC).

Gbr. 16 Raised face


36

42


Tipe RTJ merupakan modifikasi dari tipe raised-face. Concentric U-shaped groove dibuat pada permukaan flange untuk meningkatkan kapasitas tekanannya. Kondisi operasi: high pressure, up to 15 ksi (1000 bar), walaupun tidak dengan temperatur yang tinggi.

Gbr. 17 RTJ Training on Valve Technology

43


Separable flange mulai dapat diterima sebagai alternatif lain dari integral flanges. Kelebihannya: kemampuannya untuk mengatasi misalignment dengan flange pipa. Kekurangannya: jika bautnya tidak dikencangkan dengan baik dapat menyebabkan berputarnya valve akibat gaya berat, khususnya untuk valve dengan aktuator yang berat. ANSI Class: 150-600 for size 4” or smaller; 150-300 for size 6” & 8”; Gbr. 18 Separable flange ANSI Class 150 for size larger than 10:. Training on Valve Technology

37

44


4. Welded End Connections Jika zero leakage dipersyaratkan Î welded end connections dapat digunakan. Untuk aplikasi pada tekanan tinggi, ANSI Class 900 atau lebih, umumnya digunakan permanent end connection, khususnya juga yang menyangkut temperatur tinggi. Ada 2 tipe yang umum: socket-weld dan butt-weld. Socket-weld, Gbr. 19 dikhususkan pada aplikasi untuk fluida dengan tekanan dan temperatur yang tinggi dengan ukuran 2” atau kurang. Untuk ukuran 3” ke atas, sambungan butt-weld, Gbr. 20 umum digunakan untuk kondisi operasi dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Training on Valve Technology

45


Socket-weld design for a valve dispesifikasikan dalam ANSI B16.11)

Gbr. 19 Socket-weld

Butt-weld design for a valve dispesifikasikan dalam ANSI B16.25) Gbr. 20 Butt-weld Training on Valve Technology

38

46


2.5. Pressure Classes 1. Introduction Valve dirancang untuk bekerja pada suatu range internal pressure tertentu Î valve’s pressure rating. Pressure rating juga dipengaruhi oleh temperatur operasi. Makin tinggi temperatur, semakin rendah tekanan yang dapat diterima oleh valve, seperti ditunjukkan oleh diagram pada Gbr. 21. ANSI Standard B16.34 is used to determine the pressure-temperature relationship, as well as applicable wall thickness and end connections.


47


Gbr. 21 Pressure-temperature rating for carbon steel Training on Valve Technology

39

48


2. Standard Specification Standard klasifikasi yang paling umum digunakan adalah ANSI B16.34 yang memiliki 6 (enam) kelas standard: Class 150, 300, 600, 900, 1500, dan 2500. Lihat Tabel 8 untuk tekanan nominalnya. Kelas-kelas ini berlaku untuk valve dengan sambungan NPT threaded, flanged, socket-weld, dan butt-weld. Special class rating are available when NDE requirements are met for valves with butt-weld end connections. ANSI Standard B16.34 allows butt-weld valves to be upgraded to ANSI Special Classes 150, 300, 900, 1500, 2500, dan 4500. Training on Valve Technology

49


Table 8 ANSI Pressure Class vs. Nominal Pressure*) ANSI Pressure Class

Nominal Pressure (PN)

(pounds of force per square inch of surface area)

(allowable pressure in bar)

150

16

300

40

600

100

900

160

1500

250

2500

400

4500

700

Note: PN is an approximation to the corresponding ANSI pressure class, and should not be used as an exact correlation between two standards. Training on Valve Technology

40

50


3. Intermediate Standard ANSI Standard juga mengijinkan penggunaan intermediate rating untuk valve dengan sambungan butt-weld, seperti ANSI Intermediate Class 3300. Penggunaan intermediate rating membutuhkan additional engineering time. Sebagai contoh, dibutuhkan carbon-steel valve untuk aplikasi pada 300oF dan tekanan 6500 psi (450 bar). Jika digunakan standard baku akan dipilih ANSI Special Class 4500 yang tentunya lebih besar, lebih berat dan lebih mahal. Sebaliknya jika Class 3300 yang dipilih akan memberikan ukuran valve yang lebih kecil. ANSI intermediate class juga dapat digunakan untuk penggunaan pressure rating yang lebih besar dari Class 4500. Training on Valve Technology

51


2.6. Face to Face Criteria The dimension between one pipe mating surface of the valve to the surface on the opposite end is called the face-to-face dimension. Kebanyakan valve’s face-to-face dimension ditentukan oleh standard industri, walaupun dalam beberapa kasus dapat ditentukan oleh pembuat atau pengguna. For RTJ (ring-type joint), where sealing surface is the end of the ring and not the surface of the valve end, face-to-face dimension is still considered to be the valve’s face surfaces. Berbagai standard tentang face-to-face yang umum digunakan dalam industri proses diberikan pada Tabel 9. Training on Valve Technology

41

52


Table 9 Common face-to-face standards Standard

Valve Type

Pressure Rating

ANSI/ISA S75.03

Globe Valves

150-600 (valve is interchangeable between Class 150, 300 and 600)

ANSI/ISA S75.04

Flanged globe valves

125, 150, 250, 300, 600

ANSI/ISA S75.04

Flangeless globe valves

150, 300, 600

ANSI/ISA S75.08

Flanged clamp or pinch valves

All Classes

ANSI/ISA S75.12

Socket-weld and threaded end globe valve

150, 300, 600, 900, 1500, 2500

ANSI/ISA S75.14

Butt-weld globe valves

4500

ANSI/ISA S75.15

Butt-weld globe valves

150, 300, 600, 900, 1500, 2500

ANSI B16.10

Iron (ferrous), gate, plug, globe valves

All Classes

BS 2080

Steel valves used in the petroleum, petrochemical and associated industries

All Classes

MSS SP-67

Butterfly valves

All Classes

MSS SP-88

Diaphragm valves

All Classes

MSS SP-42

Stainless steel valves (gate, globe, angle and check)

All Classes

ANSI/ISA = American National Standard Institute/Instrument Society of America BS = British Standards (Institute) MSS = Manufacturers Standardization Society of Valves and Fittings Industry


53


2.7. Body Material Selection 1. Introduction In the most cases, the required valve’s body material is the same as the pipe material – most likely carbon steel, stainless steel, or chrome-molybdenum steel. Carbon steel-CS: material yang paling umum untuk semua jenis valve dan harganya tergolong murah dengan tingkat ketersediaan di pasaran yang cukup tinggi. Material ini sangat cocok untuk kondisi yang nonkorosif dan cocok untuk temperatur operasi up to 425oC in continuous service atau up to 535oC for noncontinuous service. Training on Valve Technology

42

54


Stainless steel-SS, memiliki ketahanan karat yang paling baik dan sangat kuat serta sangat cocok untuk temperatur tinggi, 535oC atau lebih. Harga material SS relatif lebih mahal dari CS, tetapi umumnya lebih murah dari baja paduan lainnya. Chrom-moly steel-Moly merupakan material dengan sifat-sifat yang berada diantara CS dan SS. Ketahanan terhadap tekanan dan temperaturnya lebih tinggi dibandingkan CS dan dapat mendekati SS. Tetapi material ini tidak memiliki ketahanan terhadap korosi seperti SS. Material dengan paduan khusus, Hastelloy B or C and titanium, dapat digunakan untuk menghindari masalah fluid incompatibility (ex. highly acidic fluid). Training on Valve Technology

55


Monel dan bronze (non-sparking material) cocok untuk aplikasi oksigen murni, karena alasan safety. Tabel 10 mencantumkan beberapa jenis material untuk valve beserta batasan temperatur operasinya. Valve’s body dapat dibuat dari casting, forging, or barstock, atau dapat dipabrikasi dari piping tees and flanges. As a general rule, bonnets or bonnet caps dibuat dengan material yang sama dengan body. Salah satu pengecualian aturan di atas adalah valve dari chrome-moly untuk tekanan rendah sering menggunakan bonnet dari material SS untuk ukuran valve 6” atau yang lebih kecil. Training on Valve Technology

43

56


Table 10 Temperature limits for body materials Material

Lower Limit

Upper Limit

(◦F)

(◦C)

(◦F)

(◦C)

Cast Iron

-20

-5

410

210

Ductile Iron

-20

-5

650

345

Carbon Steel (Grade WCB)

-20

-5

1000

535

Carbon Steel (Grade LCB)

-50

-10

650

345

Carbon Moly

-20

-5

850

455

1-1/4 Cr-1/2 Mo (Grade WC6)

-20

-5

1000

535

2-1/4 Cr-1/2 Mo (Grade WC9)

-20

-5

1050

565

5 Cr-1/2 Mo (Grade C5)

-20

-5

1100

595

9 Cr – 1 Mo (Grade C12)

-20

-5

1100

595

Type 304 (Grade CF 8)

-425

-220

1500

815

Type 347 (Grade CF8C)

-425

-220

1500

815


57


Table 10 Temperature limits for body materials (continued) Material

Lower Limit

Upper Limit

(◦F)

(◦C)

(◦F)

(◦C)

Type 316 (Grade CF8M)

-425

-220

1500

815

3-1/2 Ni (Grade LC3)

-150

-65

650

345

Aluminum

-325

-160

400

205

Bronze

-325

-160

550

285

Inconel 600

-325

-160

1200

650

Monel 400

-325

-160

900

480

Hastelloy B

-325

-160

700

370

Hastelloy C

-325

-160

1000

535

Titanium

N/A

N/A

600

315

Nickel

-325

-160

500

260

-50

-10

300

150

Alloy 20


44

58


2. Material Selection Standards Untuk keamanan & keselamatan, pemilihan material bagian-bagian valve perlu distandardkan. Bagian-bagian valve yang materialnya ditetapkan: body, bonnet, bonnet bolting, plug, ball, disk, wedge, and/or drainage plug. ANSI (Standard B16.34) mempublikasikan limit tekanan dan temperatur untuk suatu material. Material yang digunakan dalam konstruksi “pressureretaining parts” dicakup dalam codes yang disusun oleh ASTM (American Society for Testing Materials). ASTM memberikan spesifikasi penggunaan material, prosedur pengetesan dan acceptance criteria. Training on Valve Technology

59


ASTM codes tidak memuat semua material, tetapi hanya material yang umum digunakan dalam praktek. Karena pesatnya perkembangan ilmu material, ASTM bahkan mengijinkan penggunaan material baru, walaupun belum diterima oleh ASTM, asalkan prosedurnya telah diikuti dengan benar. Tabel 11 mencantumkan material untuk body and bonnet valves (ANSI Standards B16.34 & B15.24) dengan proses casting, forging, and barstock. Organisasi lain, terkait dengan proses manufaktur dan performans “pressure-retaining parts” adalah ASME dengan Boiler and Pressure Vessel codes and standardnya; AWS (American Welding Society) dengan prosedur dan regulasi untuk pengelasannya. Training on Valve Technology

45

60


Table 11 Common ASTM materials for bodies and bonnets Body Type

Material

Body Standard

Bonnet Standard

Stainless Steel

A351-CF8M

A479-316

Carbon Steel

A216-WCB

A675-70

A217-WC6

A479-316

A217-WC9

A479-316

A217-C5

A479-316

Stainless Steel

A743-CF8M

A479-316

Carbon Steel

A105

A675-70

A182-F11

A479-316

A182-F22

A479-316

Castings Chrome-moly

Forgings Chrome-moly

Stainless Steel Barstock

A182-F5a

A479-316

A182-F316

A479-316

A479-316

A479-316

Carbon Steel

A675-70

A675-70

Chrome-moly

See Forgings

See Forgings


61


3. Material Testing Methods Untuk menjamin bahwa material telah memenuhi persyaratan yang ditetapkan atau untuk menjamin bahwa material juga bebas dari cacat seperti small crack, voids, lamination, or porosity, perlu dilakukan pengujian. Untuk mengetahui komposisi kimia suatu material dapat digunakan peralatan “x-ray spectrometer”, Gbr. 23. Certified material test report dapat diminta oleh user bila diperlukan. Pengujian material yang umum digunakan adalah: pengujian visual, magnetic particle, liquid penetrant, radiography, dan ultrasonic. Training on Valve Technology

46

62


Gbr. 22 X-ray spectrometer Training on Valve Technology

63


Pengujian visual (coded VT oleh AWS), merupakan metode yang paling murah, hanya mengandalkan pengamatan visual untuk melihat adanya cacat seperti crack, surface porosity dan kualitas material seperti surface finish, overall quality, dsb. Pengujian magnetic particle, merupakan salah satu metode cepat untuk menentukan adanya small crack or porosity in surface yang tidak terdeteksi secara visual. Pengujian liquid penetrant, juga digunakan untuk mendeteksi minute surface cracks or porosity yang sukar dideteksi melalui magnetic particle. Pengujian radiography digunakan untuk mendeteksi adanya cracks and voids under the surface of a part. Training on Valve Technology

47

64


Pengujian ultrasonic digunakan untuk mendeteksi adanya cracks or laminations in the interior of metal. Pengujian radiography and ultrasonic biasanya dilakukan bersamaan untuk memperoleh hasil yang optimum. Jenis pengetesan lain yang juga sering dilakukan adalah pengujian kekerasan (Brinnel hardness test) material dan pengujian impak (Charpy impact test). Umumnya semua pengujian/pengetesan tersebut di atas dilakukan oleh seorang teknisi yang sudah memiliki kualifikasi yang ditetapkan dan harus mengikuti standard yang ditetapkan, misalnya oleh ASTM atau lembaga sejenis lainnya. Training on Valve Technology

65


2.8. Gasket Selection 1. Introduction Gasket adalah material lunak yang disisipkan antara 2 bagian yang disambung untuk mencegah kebocoran. Gasket dirancang untuk ditempatkan pada lokasi yang telah ditentukan yang dapat berupa counterbore, groove, atau retainer plate (Gbr. 23). Self-energizing gasket: gasket yang re-used. Non-selfenergizing (material lebih keras), untuk sekali pakai. Gasket dibuat dari berbagai jenis material tergantung pada tekanan, temperatur, dan fluida kerjanya. Aturan umum pemilihan material gasket: material gasket harus lebih lunak dari material bagian yang disambung. Training on Valve Technology

48

66


Gbr. 23 Gasket placement in typical globe valve Training on Valve Technology

67


Tiga fungsi gasket pada konstruksi valve: • Prevent leakage around the closure element (ex. gasket between body and seat) • Prevent leakage of fluid to atmosphere (ex. gasket at disassembly joint – for split-body valves) • Allow the function of internal mechanisms of valve.

Fungsi gasket dipengaruhi oleh beberapa faktor: seating load, style of gasket, free height, material, groove (or step) depth. Bentuk gasket yang umum: flat, spiral-wound, metal O-ring, metal C-ring, metal spring energized, and metal U-ring gasket. Pada beberapa aplikasi, gasket dapat dilapisi dengan karet atau plastik untuk meningkatkan kemampuan self-energizingnya. Tabel 12 memberikan spesifikasi umum tipe gasket. Training on Valve Technology

49

68


Table 12 Typical Gasket Specifications Type

Gasket Material

Flat

Virgin PTFE

Flat

Reinforced PTFE

Flat

CTFE

Flat

FEP

Maximum Temperature (◦F/◦C)

Minimum Temperature (◦F/◦C)

Maximum Pressure psi (bars)

350/175

-200/-130

6000-1000 (415 – 70)

450/230

-200/-130

6000-500 (415 – 35)

200/95

-423/-250

6000-500 (415 – 35)

400/205

-423/-250

6000-500 (415 – 35)

1500/815

-20/-30

6250 (430)

Spiral-wound

AFG*

Spiral-wound

304 SS/Asbestos

750/400

-20/-30

6250 (430)

Spiral-wound

316 SS/Asbestos

1000/540

-20/-30

6250 (430)

Spiral-wound

316 SS/PTFE

350/176

-200/-130

6000-500 (415 – 35)

Spiral-wound

316 SS/Graphite

1500/815

-423/-250

6250 (430)

Hollow O-ring

Inconel X-750

1500/815

-20/-30

15000 (1035)


69


2. Flat Gaskets Merupakan jenis gasket yang paling sederhana dan murah Gbr. 25 (atas). Spesifikasi: outside and inside diameter and height. Gasket tipe ini sangat sesuai untuk berbagai ketakteraturan permukaan karena sifatnya yang elastis dan plastis. Aplikasi: general service application without severe temperature or pressure, kecuali beberapa metal flat gasket seperti nikel (760oC), Monel (815oC), and Inconel (1095oC). Material: polytetrafluoroethylene (PTFE), chlorotrifluoroethylene (CTFE), aluminum, copper, silver, soft iron, lead, or brass. Training on Valve Technology

50

70


Fl at ga s

ke

t

Sp ri ra lw

ou nd

Gbr. 25 Flat gasket (atas) dan spriral-wound (bawah) Training on Valve Technology

71


3. Spiral-Wound Gaskets All-pupose, medium-priced that consist of alternate layers of metallic and non-metallic wound together, Gbr. 25 (bawah) Kekuatannya yang tinggi Î aplikasi pada tekanan dan temperatur tinggi. Karena bagian logam dapat terdeformasi plastis akibat gaya penekanan yang besar Î never be reused. Rekomendasi: should never be used with soft-seat or soft-seal designs, where the closing device, such as a plug or disk, seats against a non-metallic surface. Filler (non-metallic) material: asbestos, ceramic paper, graphite, mica, PTFE. Winding (metallic) material: CS, SS 304, 315, 347, 321, Monel, nickel, titanium. Alloy 20, etc. Training on Valve Technology

51

72


4. Metal O-Ring Gaskets Sangat cocok untuk exceptional severe and wide range of service. Harganya lebih mahal dari flat maupun spiral-wound. Walaupun umumnya dibuat berpenampang lingkaran, Gbr. 26; tetapi dapat juga dibuat dengan bentuk yang lain. Bagian dalamnya dapat diberikan tekanan untuk aplikasi pada tekanan dan temperatur yang tinggi. Kelebihan utamanya: their ability to conform to the mating gasket surfaces despite any minor variations in flateness or concentricity. Sama seperti pada kasus spiral-wound gasket, tipe Oring tidak dapat digunakan kembali dan harus diganti setiap kali dilakukan disassembling. Training on Valve Technology

73


Gbr. 26 Metal O-Ring

Gbr. 27 Metal C-Ring Training on Valve Technology

52

74


5. Metal C-Ring Gaskets Keunikannya terletak pada bentuk penampang; C dengan slot menghadap ke diameter-internal dan sisi tekanan dari sistem, Gbr. 27. Bentuk ini memungkinkan gasket memiliki sifat selfenergizing. Walaupun harganya termasuk yang paling mahal, tipe ini cocok untuk aplikasi di mana diperlukan seating load yang kecil dan diharapkan memiliki spring-back yang tinggi. Typical application: low-vacuum or low-prressure system.


75


6. Metal Spring-Energized Rings Serupa dengan metal C-ring gaskets, metal springenergized ring diberi metal spring di dalam C-ring-nya untuk meningkatkan kemampuan self-energizing-nya, Gbr. 28. Membutuhkan seating load yang besar tetapi memberikan “a more consistent sealing” karena beban yang lebih besar dan spring-back yang tinggi. Harganya cukup mahal dengan bidang aplikasi yang dikhususkan pada kondisi operasi dengan variasi rentang yang lebar.


53

76


Gbr. 28 Metal springenergized ring

Gbr. 29 Metal U-Ring Training on Valve Technology

77


7. Metal U-Ring Gaskets Jenis gasket ini dirancang untuk aplikasi pada tekanan tinggi (up to 12000 psi or 828 bar working pressure) dan temperatur tinggi (up to 1600oF or 871oC) di mana masalah reliability merupakan pertimbangan penting. Inside of the U faces the pressure side or face away when used with a vacuum, Gbr. 29. Karena fungsinya diperoleh dengan memanfa’atkan adanya bantuan tekanan (atau vakum). Untuk mengoptimalkan kemampuan mencegah kebocoran, top and bottom surface-nya harus memiliki kualitas kedataran dan kesejajaran yang cukup. Training on Valve Technology

54

78


2.9. Packing Selection 1. Introduction Any soft material encased in a bonnet (linear and some quarter-turn rotary valve’s designs) or in a body (butterfly- and some ball-valve’s designs) used to seal a valve closure element’s stem or shaft is called the packing. Packing follower is a metal ring used to retain the packing inside bonnet or bonnet cap. Guides are used with throttling valves to keep the stem or shaft of the closure element in correct alignment with the body. The configuration of the packing, guides, spacers, etc., is called the packing box. Training on Valve Technology

79


Packing comes in a series of rings: preformed, square, or braided. Preformed packing dibuat dengan bentuk yang khusus oleh pabriknya, misalnya V-ring configuration. Square packing memiliki bentuk berupa ring pejal bentuk persegi. Braided packing berbentuk untaian tali dibuat dari bahan elastomer. Beberapa ring dapat disatukan seperti untuk rotary valves (Gbr. 30) atau disusun terpisah dalam 2 set, packing atas dan packing bawah (Gbr. 31) untuk aplikasi pada linear valve. Tergantung dari materialnya, packing dapat memberikan pola deformasi yang tertentu jika diberi gaya tekan (compression). Lihat Gbr. 32. Training on Valve Technology

55

80


Gbr. 30 Rotary packing box design

Gbr. 31 Linear packing box design Training on Valve Technology

81


If packing acted like a fluid…

If packing acted like a solid…

Gbr. 32 Axial pressure effects on packing

Actual PTFE packing behavior…

Actual graphite packing behavior…


56

82


2. Packing Configuration Packing box dalam bonnet atau body harus dirancang untuk memungkinkan berbagai konfigurasi packing. Konfigurasi yang umum adalah konfigurasi V-ring yang disusun dari V-shaped ring, Gbr. 33. Dua set packing yang dipisahkan oleh packing spacer. Konfigurasi Twin V-ring, Gbr. 34 mirip dengan basic Vring, hanya saja packing bawah memiliki V-ring yang lebih banyak. Konfigurasi Twin-V-ring-lantern-ring dirancang dengan memberikan special spacer (lantern ring) diantara packing atas dan bawah, Gbr. 35. Lantern-ring memungkinkan pelumas packing dapat bersirkulasi dalam packing box. Training on Valve Technology

83


Gbr. 33 Standard V-ring

Gbr. 34 Twin V-ring

Gbr. 35 Twin V-ringlantern-ring


57

84


Square & braided packing dapat juga digunakan untuk membuat konfigurasi standard dan twin, Gbr. 36. Aplikasi graphite packing umumnya memerlukan pelumasan Î perlu injeksi pelumas dari luar, Gbr. 37. Fungsi pelumas: menjaga graphite tetap lunak dan lentur sehingga memudahkan gerakan sliding stem. Kombinasi antara square and braided packing umumnya digunakan untuk aplikasi pada temperatur tinggi. Sifat solid graphite yang keras dan braided graphite yang lebih lunak akan menghasilkan sealing yang optimal. Braided graphite biasanya digunakan untuk packing di sebelah ujung-ujungnya (Gbr. 38 dan 39). Training on Valve Technology

85


Gbr. 37 Twin square or lubricator

Gbr. 36 Standard square


58

86


Gbr. 39 Twin graphite

Gbr. 38 Standard graphite


87


3. Packing Materials Persyaratan material packing: • • • •

able to withstand a wide range of temperature able to withstand a wide range with fluid medium generate minimum friction on the stem or shaft holds a seal with very little material

Material packing umumnya tidak mahal untuk aplikasi umum, tetapi bisa menjadi sangat mahal untuk kondisi extreme/severe. Material packing umum digunakan: • Polytetrafluoroethylene (PTFE) • Asbestos and AFP (Asbestos-Free Packing) • Graphite • Perfluoroelastomer (PFE) Training on Valve Technology

59

88


4. Temperature & Pressure Limits for Packing Packing material dapat dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur fluida kerja. Kombinasi tekanan dan temperatur yang tinggi akan mempermudah material packing, khususnya softer materials, untuk mengalami ekstrusi. Pada Tabel 13 diberikan perbandingan batas temperatur untuk berbagai material packing. Batas temperatur untuk extended bonnet selalu lebih tinggi, karena lebih panjang sehingga packing dapat berada lebih jauh dari sumber panas. Pada Gbr. 40 s/d 42 diberikan batas temperatur dan tekanan untuk packing yang umum. Training on Valve Technology

89


Table 13 Temperature limitations for common packing materials Packing Material

Valve Rating

Standard Length

(ANSI/PN)

Bonnets

Bonnets

PTFE

150 to 600 16 to 100 900 to 2500 160 to 400

-20 to 450° F -30 to 230° C -20 to 450° F -30 to 230° C

-150 to 600° F -100 to 315° C -150 to 700° F -100 to 370° C

Braided PTFE

150 to 600 16 to 100 900 to 2500 160 to 400

-20 to 500° F -30 to 260° C -20 to 500° F -30 to 260° C

-150 to 600° F -100 to 315° C -150 to 700° F -100 to 370° C

Glass-filled PTFE

150 to 600 16 to 100 900 to 2500 160 to 400

-20 to 500° F -30 to 260° C -20 to 700° F -30 to 260° C

-150 to 600° F -100 to 315° C -150 to 700° F -100 to 370° C

Asbestos-free Packing

150 to 600 16 to 100 900 to 2500 160 to 400

-20 to 750° F -30 to 400° C -20 to 800° F -30 to 425° C

-20 to 1200° F -30 to 650° C -20 to 1200° F -30 to 650° C


60

Extended Length

90


Table 13 Temperature limitations for common packing materials (continued) Packing Material Graphite

PFE

PFE (with back up rings)

Valve Rating

Standard Length

(ANSI/PN)

Bonnets

Extended Length Bonnets

150 to 600

-20 to 750° F

-20 to 1500° F

16 to 100

-30 to 400° C

-30 to 815° C

900 to 2500

-20 to 800° F

-20 to 1500° F

160 to 400

-30 to 425° C

-30 to 815° C

150 to 600

-20 to 450° F

-20 to 600° F

16 to 100

-30 to 230° C

-30 to 315° C

900 to 2500

-20 to 450° F

-20 to 700° F

160 to 400

-30 to 230° C

-30 to 370° C

150 to 600

-20 to 550° F

-20 to 700° F

16 to 100

-30 to 290° C

-30 to 370° C

900 to 2500

-20 to 550° F

-20 to 800° F

160 to 400

-30 to 290° C

-30 to 425° C


91


Gbr. 40 Maximum temperature and pressures for packing contained in standard bonnets Training on Valve Technology

61

92


Gbr. 41 Maximum temperature and pressures for packing contained in extended bonnets ANSI Class 150, 300, and 600 Training on Valve Technology

93


Gbr. 42 Maximum temperature and pressures for packing contained in extended bonnets ANSI Class 900, 1500, and 2500 Training on Valve Technology

62

94


5. Packing Lubricants Untuk meminimumkan gesekan pada stem, packing box sering dilengkapi dengan “lantern ring” untuk injeksi pelumas. Kriteria pelumas yang baik adalah yang mampu menimimumkan gesekan tanpa meningkatkan kemungkinan level kebocoran pada packing box. Selain itu, pelumas harus kompatibel dengan fluida proses, tidak mudah mengikat kotoran dan karakteristiknya tetap dalam selang kondisi operasi. Bahan pelumas yang umum adalah “silicon grease”, yang dapat bekerja baik sampai temperatur 260oC, walaupun dapat teroksidasi pada temperatur di atas 260oC dan dapat menimbulkan kebocoran. Training on Valve Technology

95


Umumnya, lubricator dipasang langsung pada bonnet. Sebuah isolating valve dibutuhkan pada aplikasi dengan tekanan tinggi untuk mencegah kebocoran tekanan melalui lubricator. Pelumasan tidak direkomendasikan pada aplikasi dengan oksigen dan aplikasi flammable lainnya, karena petroleum based lubricant dapat bereaksi dan dapat menimbulkan kebakaran. Aplikasi pada sistem dengan tekanan tinggi, terkadang menyebabkan injeksi pelumas sangat sukar. Biasanya disassembling packing box perlu dilakukan untuk memudahkan injeksi pelumas. Injeksi pelumas ke packing box dengan tekanan tinggi dapat merusak packing dan dapat menyebabkan kebocoran. Training on Valve Technology

63

96


Reference Skousen, P.L., Valve Handbook, McGraw-Hill, USA, 1998. Fisher®, Control Valve Handbook, Fisher Control International, USA, 2001.


97


98


64

2.1. Valve Coefficient

Recommend Documents