5
BAB II LANDASAN TEORI
Pengertian Control Valve
2.1
Sebelum membahas lebih jauh tentang fungsi dan cara kerja control valve berikut ini adalah pengetahuan singkat tentang sejarah definisi fungsi valve, yaitu suatu alat yang dipergunakan untuk mengatur suatu aliran air yang digunakan pada tahun B.C 3000 pada peradaban Aegean yaitu istilah umum untuk peradaban Zaman Perunggu dari Yunani di sekitar laut Aegea, dimana pertama kali valve di buat dari bahan kayu yang dioperasikan secara manual. Kemudian pada tahun A.D 12 valve mulai dibuat dari bahan bronze, yaitu valve yang dipasang pada tanki air kapal perang Romawi. Jika di tinjau dari penemuan awal valve hingga saat ini, fungsi valve di gunakan untuk : 1.
Peran zaman kuno, fungsi valve untuk menahan laju suatu aliran.
2.
Revolusi industri, valve di pasang pada mesin uap.
3.
Perkembangan modern saat ini, valve berfungsi untuk menjaga tekanan agar tetap stabil dan dapat mencegah kavitasi, anti erosi dan lain sebagainya.
6
Gambar 2-1 Permulaan sebuah valve Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 5
Perkembangan penggunaan valve di segala bidang khususnya di dunia industri yang begitu pesat saat ini, membutuhkan manufaktur/pabrikan yang dapat memenuhi persyaratanpersyaratan mutlak yang diperlukan oleh pengguna valve (end user), antara lain; 1.
Material body valve yang tahan terhadap fluida yang bersifat korosif, abrasif dan memiliki nilai jual yang ekonomis.
2.
Valve yang memiliki standard keamanan yang tinggi saat di pasang pada area berbahaya.
3.
Valve yang memiliki cara perawatan yang mudah serta memiliki nilai efisiensi yang tinggi terhadap nilai produksi.
7 Maka dapat disimpulkan bahwa control valve adalah suatu jenis elemen pengendali akhir atau final control elemen yang paling umum digunakan untuk memanipulasi proses laju aliran fluida. Kata control valve dapat juga di artikan bahwa prinsip kerjanya bisa secara otomatis maupun manual. Suatu proses aliran fluida pada control valve bekerja tidak hanya pada posisi menutup secara penuh (fully closed) atau membuka secara penuh (fully opened) tetapi dapat juga di kendalikan melalui manipulated variable atau input dari suatu proses yang dapat dimanipulasi atau diubah-ubah untuk mengatur besaran bukaan valve agar proses variabel selalu sama dengan set point yang di kehendaki.
Tipe Control Valve - Globe Valve
Pada tugas akhir ini pembahasan lebih lanjut adalah control valve dengan tipe globe. Dinamakan globe valve dikarenakan bentuk alirannya yang menyerupai globe/bola. Valve tipe globe ini paling populer di pakai pada sistem pengendalian proses dikarenakan range ability (jangkauan yang luas) serta dapat mengontrol aliran fluida proses secara akurat. Tipe globe control valve pada umumnya terdiri dari dua jenis, yaitu single-seated (dudukan tunggal) dan double-seated (dudukan ganda). Pada tipe double-seated, aliran fluida proses dipecah menjadi dua bagian, sehingga pressure drop dimasing-masing bagian hanya setengah dari pressure drop di antara inlet-oulet. Hal ini sangat menguntungkan karena dapat mengurangi terjadinya korosi akibat fluida proses yang mengalir secara kontinyu. Globe control valve adalah salah satu tipe yang paling banyak di gunakan pada suatu proses area industri, baik di industri migas dan petrochemical.
8 2.1.1 Terminologi Proses Kontrol Istilah proses kontrol adalah gabungan disiplin ilmu Statistik dan Teknik yang berhubungan langsung dengan ilmu Arsitektur, Engineering dan Algoritma dimana untuk menjaga atau mengendalikan output/keluaran dari suatu proses tertentu dalam kisaran yang dikehendaki. Kata proses dalam bidang engineering /rekayasa adalah seperangkat alat yang memiliki tugas yang saling terkait satu dengan yang lain, untuk bersama-sama mengubah input menjadi output agar sesuai yang diinginkan. Sedang kata kontrol adalah cabang antara ilmu pengetahuan engineering dan matematika yang berhubungan dengan peralatan yang bersifat dinamis dan dapat dimanipulasi atau diubah-ubah besaran outputnya. Gabungan kerja alat-alat pengendali otomatis itulah yang sering dinamakan dengan sistem pengendalian proses (process control system). Sedangkan semua peralatan yang membentuk sistem pengendali disebut instrument pengendali proses (process control instrumentation). Maka dapat disimpulkan bahwa control valve adalah bagian dari istilah proses kontrol yaitu suatu perangkat yang telah dilengkapi beberapa komponen yang menjadi satu kesatuan unit control valve berupa aktuator, positioner, regulator udara bertekanan, solenoid dan limit switch.
2.1.1.1
Aktuator
Aktuator/penggerak pada control valve adalah perangkat elektromekanik yang menghasilkan daya gerakan baik menggunakan sistem pneumatik (perangkat kompresi berbasis udara atau nitrogen), hidrolik (berbasis bahan cair seperti oli) maupun secara elektrik yang fungsinya untuk menutup atau membuka laju aliran fluida dalam valve.
9 Pada tipe pneumatik aktuator diaphragm/diafragma, secara umum dapat di bagi menjadi dua prinsip kerjanya, yaitu: a.
Air-to-Open Tipe air to open adalah aktuator akan bekerja jika masuknya sinyal udara bertekanan (air compressor) pada kisaran 2.8 kgf/cm2 maka control valve akan terbuka.
b.
Air-to-Close Tipe air to close adalah aktuator akan bekerja jika masuknya sinyal udara bertekanan (air compressor) pada kisaran 2.8 kgf/cm2 maka control valve akan menutup laju aliran fluida.
Aktuator Pneumatik
Aktuator Motorized
Aktuator Hidrolik
Gambar No. 2-2 Tipe Aktuator control valve Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 18
2.1.1.2
Positioner
10 Positioner dalam suatu unit control valve memiliki fungsi yaitu untuk memastikan posisi yang benar sesuai input sinyal kontrol untuk mengirimkan permintaan membuka atau menutup control valve, tetapi tidak dapat mengkonfirmasi posisinya. Dengan perkembangan teknologi positioner control valve saat ini, jika di tinjau dari input sinyal control, maka positioner dapat dibedakan sebagai berikut: a. Positioner Pneumatik Positioner akan bekerja untuk memastikan dengan benar posisi pembukaan atau penutupan control valve jika menerima sinyal input berupa udara bertekanan pada kisaran 0.2 ~ 1.0 kgf/cm2 dimana pada posisi control valve terlihat masih menggunakan sistem analog. Pada umumnya pembacaan posisi control valve pada tekanan 0.2 kgf/m2 yaitu control valve pada posisi tertutup (full close) sedangkan pada posisi 1.0 kgf/cm2 posisi control valve adalah terbuka (full open). Jika disimpulkan range input sinyal pneumatik positioner terhadap bukaan kontrol yaitu; -
0.2 kgf/cm2 bukaan control valve sebesar 0%
-
0.4 kgf/cm2 bukaan control valve sebesar 25%
-
0.6 kgf/cm2 bukaan control valve sebesar 50%
-
0.8 kgf/cm2 bukaan control valve sebesar 75%
-
1.0 kgf/cm2 bukaan control valve sebesar 100%
b. Positioner Smart Positioner akan bekerja untuk memastikan dengan benar posisi pembukaan atau penutupan control valve jika menerima sinyal input berupa sinyal
11 elektronik pada kisaran 4 ~ 20 mA DC dimana pada posisi control valve terlihat sudah menggunakan sistem digital. Pada umumnya pembacaan posisi control valve pada 4 mA DC yaitu control valve pada posisi tertutup (full close) sedangkan pada posisi 20 mA DC posisi control valve adalah terbuka (full open). Jika disimpulkan range input sinyal elektronik positioned terhadap bukaan control yaitu; -
4 mA DC bukaan control valve sebesar 0%
-
8 mA DC bukaan control valve sebesar 25%
-
12 mA DC bukaan control valve sebesar 50%
-
16 mA DC bukaan control valve sebesar 75%
-
20 mA DC bukaan control valve sebesar 100%
c. Positioner Smart dengan HART Communication Protocol Positioner ini adalah pengembangan dari positioner smart yang cara kerjanya masih menggunakan sinyal input elektronik 4-20mA DC. Arti kata HART sendiri adalah High Addressable Remote Transducer, dimana jika positioned telah menggunakan memiliki kelebihan antara lain: -
Dapat mengkonfigurasi program secara otomatis
-
Kalibrasi secara otomatis
-
Mendiagnosa secara otomatis
12
Positioner Pneumatik/Type
Positioner Smart/Type
Positioner HART/Type
HTP
AVP300
AVP302
Gambar 2-3 Tipe-Tipe Positioner Sumber: Yamatake Corporation 1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve
2.1.1.3
Pressure Air Regulator
Peran regulator udara bertekanan yang terdapat saringan/filter di dalamnya yang terpasang pada unit control valve memiliki beberapa fungsi sebagai berikut: -
Mengatur dan menyaring udara yang masuk
-
Membuang/drain partikel-partikel asing yang dibawa oleh udara bertekanan, sehingga udara yang masuk ke dalam sistem kontrol benar-benar bersih.
-
Memonitor tekanan udara yang masuk ke dalam sistem control valve
13
Gambar 2-4 Pressure Air Regulator Type KZ03 Sumber: Yamatake Corporation 1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve
2.1.1.4
Solenoid Valve
Solenoid valve adalah gabungan antara sistem elektrik dan mekanis (katup elektromekanis) yang terpasang pada sistem control valve berfungsi mengendalikan tekanan udara yang masuk ke aktuator. Arus yang di gunakan secara umum adalah arus searah/DC (direct current) yaitu 24 VDC.
14 Gambar 2-5 Solenoid Valve Type J320b175 Sumber: Yamatake Corporation 1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve
2.1.2 Terminologi Sliding-Stem Control Valve Pada umumnya istilah tipe sliding-stem control valve yaitu valve sorong/dorong dimana stem/as/shaft valve pergerakkan untuk menutup atau membuka aliran fluida. Tipe yang lazim menggunakan tipe sliding/dorong yaitu tipe globe valve. Adapun persentase pergerakkan menutup/membuka valve dapat di monitor travel valve tesebut. Gambar dibawah ini adalah tipe sliding-stem control valve, dimana item valve stem yang telah terangkai sedemikian rupa akan bekerja mendorong plug stem untuk menutup dan mengangkat plug stem untuk membuka aliran fluida.
15
Gambar 2-6 Konstruksi / bagian-bagian Katup Kontrol Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 5
2.1.3 Terminologi Rotary-Shaft Control Valve Istilah rotary-shaft control valve adalah dimana bagian dari valve yaitu disc/lempengan/plug yang berfungsi sebagai menutup atau membuka aliran fluida bekerja dengan cara berputar mengikuti poros/shaft valve tersebut dengan membentuk sudut 25o, 45o, 60o dan 90o yang disesuaikan oleh Cv control valve. Tipe valve yang bekerja secara rotasi bisa berupa tipe: ball valve, butterfly valve, plug valve dan lain sebagainya. Beberapa pabrikan rotary valve telah banyak memberikan informasi kepada praktisi di industri dalam untuk menentukan bukaan/travel valve yang diinginkan.
16
Gambar 2-7 Posisi Membuka pada Katup Kontrol Rotari Shaft Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 33
2.2
Klasifikasi Valve
Ditinjau dari cara kerja valve dan fungsinya, maka valve dapat di kelompokkan menjadi dua bagian, yaitu manual valve dan automated valve. 2.2.1 Manual Valve Manual valve adalah katup-katup yang terpasang disaluran fluida gas atau cair yang cara pengoperasiannya masih di dominan oleh manusia, yaitu pada saat membuka atau menutup aliran fluidanya. Tipe katup yang dioperasikan secara manual banyak ragamnya, antara lain: ball, globe, butterfly, gate dan lain-lain. Adapun alat untuk membuka/menutup katup secara manual yaitu tipe: lever/tungkai, hand wheel/berbentuk steer mobil yang terdapat pada katup tersebut.
17
Gambar 2-8 Manual Ball Valve
Gambar 2-9 Manual Gate Valve
dengan penggerak Lever/Tungkai
dengan penggerak hand wheel r/Tungkai
Gambar 2-10 Manual Butterfly Valve
Gambar 2-11 Manual Globe Valve
dengan penggerak Lever/Tungkai
dengan penggerak hand wheel /Tungkai
Sumber: Yamatake Corporation 1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve
18
2.2.2 On-Off Valve Prinsip kerja suatu tipe On-Off valve yang terpasang pada rangkaian pipa, yaitu ketika valve di buka maka fluida mulai mengalir dan sebaliknya ketika valve di tutup, maka fluida pun berhenti mengalir. Garis besar tugas on-off valve ialah untuk menutup penuh (fully closed) ataupun membuka penuh (fully opened). Komponen-komponen yang terpasang pada On-Off valve yaitu berupa air regulator dan solenoid valve.
Gambar 2-12 On-Off Valve Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 19
2.2.3 Self Operated Valve Pada Self operated Valve, tidak membutuhkan energy luar seperti listrik dan udara bertekanan. Sistem valve ini dapat bekerja sendiri dengan bantuan sensor – sensor, sesuai
19 dengan tujuan pengoperasian Valve ini. Self operated valve sering dipakai sebagai pengatur temperature, flow, pressure, ataupun differential pressure suatu fluida kerja.
Gambar 2-13 Self Operated Valve Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 20
2.2.4 Control Valve Control Valve merupakan elemen pengendali akhir yang banyak digunakan pada industry modern. Pada umumnya control Valve terdiri dari tiga bagian utama yaitu ; Body Valve, Actuator, serta positioner. Body valve adalah tempat dimana fluida yang mengalir akan dikondisikan sesuai kebutuhan perancang baik dari segi flow, temperature, maupun pressure. Sedangkan Actuator berfungsi sebagai penggerak dari komponen body valve setelah merubah signal pneumatic maupun electric dari positioner menjadi energy mechanic untuk mengatur pembukaan valve tersebut. Positioner berperan sebagai pemberi signal
20 pengaturan kepada actuator setelah mendapat data-data kondisi kerja dari sensor-sensor serta berdasarkan penyetelan awal yang dikondisikan sesuai kebutuhan penggunanya.
Gambar 2-14 Self Operated Valve Sumber: PT. Azbil Berca Indonesia Control Valve Elementary Course, Halaman 20
2.3
Konsep Kerja Control Valve Katup adalah
komponen dengan lubang variabel,
yang memungkinkan
bisa
mengatur aliran fluida. Kontrol valve adalah aktuator sistem yang teregulasi, dan ini berarti bahwa
komponen
alasan bahwa
katalog yang
kontrol
valve
diterbitkan oleh
dan merupakan terbaik.
2.3.1 Dead Band Zona Control Valve
sangat
signifikan penting. Hal
produsen
valve sangat
baik
ini untuk disajikan
21 Dead band mempunyai peran utama untuk variabilitas proses yang berlebihan, dan control valve assemblies dapat menjadi sumber utama dead band dalam instrumentasi loop akibat berbagai penyebab seperti gesekan(friction), poros backlash (serangan balik), windup, relay atau spul katup dead zona, dll. Dead band adalah sebuah fenomena umum di mana berbagai atau band dari kontroler output (CO) nilai gagal untuk menghasilkan perubahan dalam proses variabelmampu diukur (PV) ketika sinyal masukan berbalik arah. (Lihat definisi istilah-istilah dalam Bab 1) Bila terjadi gangguan beban., proses variabel (PV) menyimpang dari set point. Penyimpangan ini memulai-koreksi tindakan melalui controller dan kembali melalui proses. Namun, perubahan awal dalam output controller dapat tidak menghasilkan korektif perubahan dalam variabel proses. Hanya ketika output kontroler memiliki berubah cukup untuk kemajuan melalui mati band melakukan yang sesuai perubahan dalam variabel proses terjadi. Setiap kali output pengontrol ulang searah, sinyal pengendali harus melalui dead band menjadi-kedepan setiap perubahan korektif dalam variabel proses akan terjadi. Kehadiran band mati dalam proses memastikan deviasi variabel proses dari set point akan meningkat sampai cukup besar untuk mendapatkan melalui dead band. Hanya kemudian dapat tindakan korektif terjadi.
2.3.2 Desain Aktuator-Positioner Actuator dan desain positioner harus dipertimbangkan bersama-sama. Kombinasi dari kedua peralatan ini sangat mempengaruhi kinerja statis (dead band), serta respon dinamis dari perakitan katup kendali dan konsumsi udara instrumentasi katup secara keseluruhan.
22 Positioner digunakan dengan sebagian besar aplikasi katup kontrol yang telah ditentukan. Positioner memungkinkan untuk akurasi posisi yang tepat dan respon lebih cepat ketika terjadi gangguan proses untuk digunakan dengan sistem kontrol konvensional digital. Dengan meningkatnya penekanan pada kinerja proses kontrol yang ekonomis, positioner harus dipertimbangkan untuk setiap aplikasi di mana katup proses optimasi adalah penting. Karakteristik yang paling penting dari positioner yang baik untuk mengurangi variabilitas proses adalah bahwa hal itu menjadi penguatan perangkat yang tinggi . Keuntungan positioner terdiri dari dua macam : keuntungan statis dan keuntungan dinamis. Keuntungan statis berhubungan dengan sensitivitas perangkat untuk mendeteksi terkecil (kurang dari 0,125%) perubahan sinyal input. Kecuali perubahan sinyal sensitif terkecil dari perangkat ini, tidak bisa menanggapi gangguan kecil dalam variabel proses. Ini Keuntungan statis tinggi dari positioner diperoleh melalui preamplifier, mirip dalam fungsi ke preamplifier yang terkandung dalam ketepatan sound system yang tinggi. Dalam perangkat
banyak ini
positioner
berfungsi
pneumatik, sebagai
nozzle-flapper keuntungan
atau statis
serupa tinggi
preamplifier.
2.4
Fungsi Control Valve Di era industri yang maju begitu pesat saat ini, penggunaan control valve sebagai
final control element dalam suatu proses produksi telah banyak digunakan sesuai dengan peruntukannya, semisal control valve tersebut dititik beratkan untuk di aplikasikan pada flow, temperature, pressure dan lain sebagainya. Berikut adalah fungsi dari control valve :
23 2.4.1 Flow Control Untuk memudahkan identitas sebuah control valve yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah control valve yang dititikberatkan untuk mencapai flow tertentu, maka sering di singkat dengan nama FCV atau flow control valve.
2.4.2 Pressure Control Untuk memudahkan identitas sebuah control valve yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah control valve yang dititikberatkan untuk mencapai pressure tertentu, maka sering di singkat dengan nama PCV atau pressure control valve.
2.4.3 Level Control Untuk memudahkan identitas sebuah control valve yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah control valve yang dititikberatkan untuk mencapai level sebuah permukaan, maka control valve pada area tersebut sering di singkat dengan nama LCV atau level control valve.
2.4.4 Temperature Control Untuk memudahkan identitas sebuah control valve yang di aplikasi pada area tertentu, maka perlu di berikan Tag. No agar lebih mudah di monitor. Sebuah control valve yang dititikberatkan untuk menghandle temperatur tertentu, maka sering di singkat dengan
24 nama TCV atau Temperature Control Valve. Biasanya tipe TCV banyak di aplikasikan pada system line boiler.
2.5
Terminologi Aliran Control Valve
2.5.1 Flow Coefficient (Cv) Prinsipal Dalam menentukan suatu aplikasi unit control valve pada proses aliran fluida atau gas maka perlu menentukan aliran coefficient atau Cv yaitu gunanya untuk menentukan kapasitas aliran terhadap kekuatan bodi valve dan ukuran trim (bagian valve yang bekerja secara dinamis, seperti plug, stem/as dan seat ring/dudukan untuk plug). Definisi kenaikan 1 Cv yaitu pada 1 galon per menit (gpm) pada temperature 60oF pada saat fluida mengalir pada valve dengan beda tekanan/pressure drop 1 psi. Pada umumnya, untuk mendapatkan Cv yang tepat dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :
Cv
q FP
Dimana:
Gf
(2.1)
Pa
Cv
= Flow coefficient
Q
= Aliran dalam gpm
Fp
= Piping geometry factor
∆Pa
= Allowable pressure drop melalui valve, psi
Gf
= Specific gravity
∆P
= Pressure Drop dalam psi
25 2.5.2 Perhitungan Cv Untuk Fluida Cair Dalam memenentukan ukuran, rating serta flow coefficient control valves yang akan dialirkan pada fluida cair atau gas sering disebut dengan istilah sizing control valves, maka dari itu diperlukan pemahaman yang memadai dengan suatu acuan persamaan yang telah di sepakati oleh pabrikan control valve di seluruh dunia dengan nama organisasi ANSI/ISA75.01.01-2002 (IEC 60534-2-1 Mod) yaitu Flow Equations for Sizing Control Valves. ISA sendiri kepanjangan dari The Instrumentation, Systems, and Automation Society. Berikut adalah tahapan-tahapan yang harus diperhatikan dalam men-sizing control valve, yaitu: 1.
Menghitung aktual pressure drop dengan persamaan:
P P1 P2
(2.2)
Dimana : P1 = Inlet Pressure 2.
P2 = Out let Pressure
Memeriksa aliran tersedak/choked flow, kavitasi dan flashing dengan persamaan: Pch FL2 ( P1 FF PV )
Dimana: FF Liquid pressure recovery factor FF Liquid critical pressure ratio factor PV Vapor pressure pada temperature inlet, psia P1 Inlet pressure, psia
(2.3)
26 FF dapat di estimasikan dengan persamaan:
FF 0.96 0.28
Dimana:
PV PC
(2.4)
FF = Liquid critical pressure ratio Pv = vapor pressure dari liquid, psia Pc = Critical pressure dari liquid, psia
Jika ∆Pch (persamaan 2.3) kurang dari actual ∆P (persamaan 2.2), gunakan ∆Pch untuk ∆Pa dalam persamaan 2.1.
Tabel 2-1 Type Recovery Koefesien Katup dan Faktor terjadi Kavitasi Sumber: Yamatake Corporation
27 1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve
Tabel 2-2 Diagram Karakteristik Flow Control Valve Sumber: Yamatake Corporation 1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve
28
Tabel 2-3 Tekanan Kritis Sumber: Yamatake Corporation 1-12-2 Kawana, Fujisawa, Kanagawa 251-8522, Japan AGVB/AGVM Top-Guide Single Seat Control Valve
Kemudian memeriksa ∆P (kavitasi) dengan persamaan: P (Cavitaion ) Fi 2 ( P1 PV )
Dimana: Fi = Liquid kavitasi faktor (tabel 3-1) P1 = Inlet pressure, psia Pv = Vapor pressure liquid, psia
(2.5)
29 3.
Menentukan spesifik gravity/berat jenis fluida yang dialirkan. Berat jenis pada umumnya tersedia pada aliran yang mengalir pada temperature operasi. Contoh air, berat jenisnya 0.94
4.
Menghitung perkiraan Cv Fp menggunakan persamaan 2.1 dan mengasumsikan Fp adalah 1.0 Pada umumnya efek dari aliran non-turbulent dapat di abaikan, asalkan valve tidak beroperasi pada suatu aliran laminar atau area aliran trasitional yang mengakibatkan viskositas naik, kecepatan fluida menjadi rendah atau Cv yang kecil. Contoh: CV 500
5.
0.94 33.4 210
Memlilih Ukuran valve berdasarkan Cv Jika terdapat contoh Cv type valve dengan flow-under, equal percentage pada class 600, maka ukuran bodi valve dengan Cv 33.4 adalah 2 inch.
6.
Menghitung valve dengan bilangan Reynolds Rev dan faktor bilangan Reynolds FR dengan persamaan: N 4 Fd q FL2 C v2 Rev = 4 v FL C v N 2 d
1
4
(2.6a)
Gunakakan persamaan 2.6b untuk menghitung bilangan faktor Reynolds FR jika Rev <40,000 dan FR = 1.0 C FR = 1.044 0.358 VS CVt
Dimana:
0.655
Cvs = Aliran laminar Cv
(2.6b)
30 1 Cvs = FS
Fs =
q N S P
2
3
Cvt
= Aliran turbulent Cv
Fs
= streamline flow factor
Fd
2
FL
1
3 3
FL2 CV2 4 N2d
1
(2.6c)
6
(2.6d)
Dimana:
7.
d
= diameter valve dalam inch
Fd
= Valve style modifier
Fs
= Laminar, atau streamliner, faktor aliran
q
= Flow rate dalam gpm
N2
= 890 jika diameter dalam inch
N4
= 17,300 ketika q dalam gpm dan d dalam inch
Ns
= 47 ketika q dalam gpm dan ∆P dalam psi
µ
= absolute viscositas dalam centipoise
v
= kinematika viskositas, centistokes =
Gf
Menghitung ulang Cv menggunakan bilangan faktor Reynolds dengan persamaan : Cv
q FR
Gf P1 P2
8.
Mengitung ulang faktor geometry pipa
9.
Menghitung final Cv
(2.6e)
31 10. Menghitung masuk atau keluar velocity dalam suatu aliran fluida dengan menggunakan persamaan: V
0.321 q AV
(2.7)
Dimana:
2.6
V
= Velocity dalam ft/second
q
= Liquid flow rate dalam gpm
Av
= Flow are dalam in2
Karakteristik Aliran Control Valve Karakteristik aliran sebuah control valve adalah hubungan antara laju aliran melalui
pembukaan (opening) valve dengan variasi rentang dari 0-100%. Karakter aliran yang melekat pada sebuah control valve mengacu pada pengamatan secara terus menerus penurunan tekanan melalui valve. Menetapkan suatu karakteristik aliran berarti satu peralatan digunakan untuk mendapatkan variasi penurunan tekanan terhadap aliran yang berhubungan dengan perubahan sistem lainnya. Diperlukannya karakteristik aliran bertujuan untuk menyeragamkan secara keseluruhan keseimbangan control loop selama rentang yang diharapkan terhadap kaitannya dengan kondisi operasi. Dalam memilih karakteristik aliran diperlukan untuk menyeragamkan suatu sistem yang di syaratkan pada sebuah analisis dinamis terhadap control loop. Analisis proses harus terlebih dulu di lakukan, agar panduan pemilihan karakteristik aliran yang akan di pilih menjadi akurat. Control valve pada umumnya memiliki 3 (tiga) karakteristik aliran yang ideal, yaitu Quick Opening, Linear dan
32 Equal Percentage, dimana aliran yang melalui sebuah valve adalah sebanding dengan luasan dari bukaan dan akar kuadrat dari penurunan tekanan yang terjadi pada valve.
Tabel 2-4 Diagram Karakteristik Aliran Control Valve Sumber KLM Technology Group Practical Engineering Guidelines for Processing Plant Solutions
2.6.1 Quick Opening Pada area bukaan valve (travel) yang kecil dapat membuat suatu perubahan aliran yang besar (flow rate). Dengan kata lain, karakteristik quick opening/bukaan cepat
33 merupakan perubahan maksimum yang terjadi pada bukaan valve/travel yang relatif kecil. Karakteristik quick opening sangat tepat di aplikasikan pada on-off valve.
Gambar 2-15 Counter Cage untuk aliran Quick Opening Sumber : Emerson Process Management Control Valve Handbook, Fourth Edition of Fisher, hlm. 24 2.6.2 Equal Percentage Karakteristik equal percentage/persentase sama sering digunakan pada proses control yaitu aliran yang menyatakan perubahan travel bukaan valve yang besar namun aliran semakin lambat. Berikut adalah bentuk cage/tempat dudukan plug untuk karakteristik aliran equal percentage.
34 Gambar 2-16 Counter Cage untuk aliran Equal Percentage Sumber : Emerson Process Management Control Valve Handbook, Fourth Edition of Fisher, hlm. 24
2.6.3 Linear Karakteristik ini menyatakan bahwa besarnya aliran yang proporsional dengan bukaan valve/travel atau dengan kata lain travel bukaan berbanding lurus dengan flow ratenya. Jika bukaan valve sebesar sepuluh persen maka flow rate pun mengalir sebesar sepuluh persen. Control valve jenis linear banyak di aplikasikan pada pengendalian level permukaan dengan gain yang tetap. Berikut adalah bentuk cage/tempat dudukan plug untuk karakteristik aliran linear.
Gambar 2-17 Counter cage aliran linear Sumber : Emerson Process Management Control Valve Handbook, Fourth Edition of Fisher, hlm. 24
35
2.7 Perencanaan Sistim Sealing Pada Control Valve Dasar perencanaan dan pemilihan packing yang baik untuk contol valve harus memperhatikan regulasi yang berkaitan dengan perlindungan lingkungan (Environmental Protection). Amerika (USA) mempelopori dalam membuat kebijakan mengenai pemilihan material paking yang ramah lingkungan melalui kebijakan USA Clean Air Act Amandment and Environmental Protection Agency (EPA). Kebijakan ini mengatur tingkat kebocoran yang diijinkan pada peralatan valve dan control valve, yang harus diterapkan secara ketat mengikuti protokol EPA yaitu hanya mengijinkan batas ambang kebocoran sebesar 500 ppmv, bahkan di beberapa kota lain di dunia batas ambangnya lebih ketat lagi yaitu sebesar 100 ppmv. Kebijakan tersebut juga membatasi jumlah kebocoran packing valve sebesar 0.5% dari total populasi valve di setiap industri. Selain kebijakan EPA negara Amerika juga menerapkan program LDAR (Leak Detection And Repair) yang berlaku untuk pompa dan valve yang merupakan peralatan penyumbang emisi terbesar. Perhatian lebih besar pada valve perlu dilakukan karena kebocoran fluida (bisa gas atau cairan) ke atmosfir selalu terjadi dan disebabkan oleh kerusakan packing atau gasket . Metode pengukuran kebocoran sesuai dengan kebijakan LDAR digambarkan sebagai berikut.
36
Gambar 2-18 Measurement Frequency for Valves Controlling Volatile Organic Chemicals (VOC) Setiap pemakai control valve harus peduli terhadap performa packing yang memiliki umur lebih panjang dan perawatan yang mudah. Pada masa lampau pemilihan packing hanya berdasarkan pertimbangan temperatur fluida proses. Hanya ada dua material yang biasa digunakan yaitu PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene) untuk temperatur di bawah 232º Celsius dan Graphite untuk temperatur di atas 232° C. Namun seiring dengan perkembangan teknologi beberapa material baru selain yang berbasis PTFE dan Graphite digunakan sebagai packing untuk control valve antara lain, kalrez, sintetic fiber, polyamide, aramid, fiberglas inconnel, carbon filament dan sebagainya. Bahkan untuk aplikasi yang sangat kusus seperti di industri makanan material packing harus sesuai dengan standar FDA (Food and Drug Association).
37
Packing
Stem Gland
Gambar 2-19 Packing Control Valve Sumber : Product Buletin Fisher Control Valve, hlm 5
2.7.1 Pemilihan bahan (material) Packing Pemilihan packing untuk control valve dilakukan dengan memperhatikan hal hal penting seperti :
2.7.1.1.
Suhu/temperature dari fluida proses
Suhu fluida proses merupakan parameter penting dalam melakukan seleksi jenis packing yang sesuai, misalnya material PTFE murni tidak bisa digunakan untuk fluida proses yang suhunya lebih tinggi dari 232º Celcius, atau contoh lain seandainya suhu
38 fluida proses melebihi 232 º Celcius maka material packing yang digunakan harus jenis Graphite murni.
2.7.1.2.
Karakteristik dari fluida
Hal ini juga menjadi pertimbangan penting untuk memilih jenis packing yang benar kondisi seperti apakah fluida mengandung partikel, memiliki tingkat kekentalan yang tinggi, bersifat abrasive atau faktor lainnya akan mempengaruhi umur packing yang digunakan. Dengan mengetahui karakteristik fluida dengan maka bisa dipilih material yang sesuai.
2.7.1.3.
Tekanan kerja fluida proses
Terutama untuk tekanan yang sangat tinggi misalnya di atas 100 bar, harus dipilihkan material packing yang lebih kaku (stiff) sehingga tidak mudah mengalami ekstrusi. Material PTFE murni misalnya, bisa digunakan sampai tekanan 150 bar, untuk tekanan yang lebih tinggi lagi bisa digunakan material Glass Filled PTFE. Dengan memperhatikan ketiga hal tersebut di atas maka material packing yang sesuai dapat dipilih sebagai packing untuk control valve. Kekeliruan pemilihan material akan menyebabkan kerusakan lebih cepat. Material packing terbuat dari kombinasi material berbeda yang sifat mekanisnya saling melengkapi, secara umum material pendukung packing adalah : Serat (fibers), pelumas cair (lubricant), pelumas kering (dry lubricant), pengikat (binders), penguat (strengteners), penghambat( inhibitor), logam (metals) dan elastomer.
39 Packing modern umumnya menggunakan material dasar yang terbuat dari Syntetic Blends, PTFE Blends, Graphite Blends dan Polyamide blends. Namun biasanya setiap pabrik packing memiliki formulasi sendiri menambahkan material tertentu untuk memperbaiki sifat mekanisnya. Tabel berikut ini membantu untuk menjelaskan bahan dasar packing :
Tabel 2-5 Packing Material
40 Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
Pabrik packing menjaga kualitas produknya dan mengklasifikaskan jenis packing berdasarkan metode operasi, material, kondisi operasi dan teknik pembuatan/konstruksi. Batasan material packing control valve terhadap tekanan dan temperatur
Tabel 2-6 Packing selection Guideline for Sliding-Stem Valve Sumber : Fisher Control Valve
Gambar 2-7 Pressure and Temperature Limit for Packing Sumber : Parcol Control Valve
41
2.7.2 Panduan seleksi packing untuk sliding - stem valve Secara umum pemilihan seleksi packing harus memperhatikan faktor faktor seperti kondisi fluida (cairan atau gas), batasan suhu (temperature), batasan tekanan (pressure), ukuran batang poros, kondisi peralatan, cara pergerakan (motion). Seleksi packing untuk control valve harus mempertimbangkan beberapa hal penting seperti : 2.7.2.1.
Kemampuan pengesilan (Sealing Capability),
Pada hakekatnya hal ini berhubungan dengan karakteristik dari cincin sil (sealing ring) itu sendiri dan tergantung desain serta konstruksi komponen logam dari packing secara keseluruhan. Faktor yang mempengaruhi kemampuan pengesilan antara lain :
2.7.2.1.1.
Kelurusan (alignment) batang poros (stem) dengan packing set,
kelurusan harus dicapai untuk mencegah gesekan yang berlebihan di bagian tertentu dari packin set sehingga mempercepat rusaknya packing tersebut.
2.7.2.1.2.
Celah/jarak ruang (clearance) antara batang poros dengan packing,
jika celahnya sangat sempit maka batang poros mudah tergores dan menyebabkan kebocoran, untuk kondisi seperti ini harus dipilihkan packing yang non metalik.
42 2.7.2.1.3.
Kondisi akhir (surface finish) dari permukaan batang poros, ruangan
packing, penuntun/penekan (follower), cincin lantern, penjarak (spacer) harus sehalus mungkin, maksimum kehalusan (roughness) Ra = 0.4µm.
2.7.2.1.4.
Jumlah cincin packing akan mempengaruhi kemampuan pengesilan,
seandainya jumlah cincin packing berkurang maka harus diimbangi dengan menambah kompresi namun hal ini bisa menyebabkan kerusakan pada cincin packing karena mengalami ekstrusi. Sebaliknya seandainya jumlah cincin packing berlebihan akan menyebabkan fungsi pengesilan cincin yang paling bawah menjadi tidak sempurna. Penambahan jumlah cincin packing hanya akan menambah beban gesekan pada batang poros tanpa meningkatkan kemampuan pengesilan. Packing yang ideal harus memperhatikan jumlah cincin packing yang sesuai untuk mendapatkan pengesilan maksimum dengan mengurangi beban gesekan pada stem. Biasanya jumlah cincin packing yang ideal dalam suatu aplikasi diperoleh dari beberapa kali test/ pengujian dan pengalaman untuk mencapai keseimbangan antara faktor pengesilan (sealing properties) dan gesekan.
2.7.2.2.
Gaya gesekan yang rendah (low friction)
Kompresi packing tidak boleh melebihi nilai yang sudah ditentukan. Kompresi pada packing hanya boleh disebabkan oleh naiknya tekanan cairan bukan karena faktor lainnya. Pada beberapa rancangan tertentu
digunakan pegas PTFE V-Ring untuk
mencegah kompresi yang terlalu kuat. Besarnya gesekan pada batang poros (stem) mempengaruhi kinerja control valve,
jika terlalu besar akan menyebabkan bukaan
43 control valve menjadi terganggu (tidak lancar). Untuk menggaransi pergerakan bukaan control valve agar senantiasa konstan bisa ditambahkan valve positioner, positioner berfungsi menyelaraskan input sinyal terhadap posisi penutup katup (valve plug). Dari beberapa riset yang dilakukan untuk menemukan material yang memiliki gesekan paling baik/rendah telah disimpulkan bahwa material dengan basis PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene) dan Graphite murni merupakan jenis yang terbaik. Faktor yang membantu untuk mengurangi gesekan pada packing antara lain :
2.7.2.2.1.
Jenis material yang digunakan, misalkan material PTFE memiliki
koesfisien gesek yang paling baik yaitu sekitar 0.03, sementara material Graphite murni koefisien geseknya sekitar 0.07, namun Graphite memiliki ketahan terhadap temperature lebih tinggi dari PTFE.
2.7.2.2.2.
Bentuk konstruksi dari cincin sil, semakin fleksibel cincin sil
tersebut (PTFE memiliki sifat ini) menyebabkan gesekan yang rendah dan memberikan efek pngesilan yang baik kususnya pada tekanan operasi yang rendah. Cincin sil yang terbuat dari Graphite murni mengandung partikel padat yang dibentuk seperti cincin dengan cara die-formed atau dibentuk dengan cara menggulung pita graphite sesuai diameter stem.
2.7.2.2.3.
Pelumasan (lubrication), material yang terbuat dari PTFE dan
Graphite pada umumnya tidak memerlukan pelumasan.
44 2.7.2.2.4.
Jumlah cincin sil, semakin banyak jumlah cincin sil menyebabkan
semakin tingginya gesekan, hal ini bisa terjadi seandainya terjadi kesalahan dalam menentukan tekanan kompresi.
Gambar 2-20 Pengukuran jumlah dan ukuran cincin sil Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
Menentukan ukuran cincin packing (Packing Ring) :
Ukur diameter rumah packing (Stuffing box Bore), ‘A’
Ukur diameter batang poros/stem, ‘B’
Kurangkan ukuran ‘A’ – ‘B’
Hasilnya dibagi 2 , (A-B)/2 = cross section/ukuran packing
Menentukan jumlah cincin packing (Packing Ring) :
Ukur kedalaman rumah packing (Stuffing Box Depth), ‘C’
Bagi hasil pengukuran ‘C’ dengan cross section/ukuran packing (C/cross section).
45
Jika nilai kuantitas memiliki kelebihan ¼”. Bisaditambahkan 1 buah cincin.
Menentukan posisi Gland :
Ukur ketinggian gland, ’D’
Setelah packing dipasang, kencangkan baut gland sampai jarak ’D’ mencapai 1/8” atau 3/16”
Jarak D sebelum baut dikencangkan seharusnya sama dengan ukuran cross section 1 buah cincin packing.
2.7.2.2.5.
Tingkat kehalusan (surface finish) permukaan batang poros
(stem), semakin halus permukaan batang poros maka gesekan yang terjadi juga akan semakin kecil. Untuk jenis batang poros yang tidak terlalu halus maka diperlukan jenis packing yang fleksible dengan kompresi yang tidak terlalu kuat untuk mengurangi gesekan. Secara umum kondisi rumah packing yang baik harus memenuhi persyaratan sebagai berikut :
2.7.2.3.
Shaft finish
: 16 – 20 microinches
Bore finish
: 50 – 75 microinches
Throat/Shaft Clearance
: .125 - .375 mm (.005” - .015”)
Gland/ Shaft Clearance
: .250 - .750 mm (.010” - .030”)
Gland/ Bore Clearance
: .250 - .750 mm (.010” - .030”)
Metallic Packing, Brinell hardness 500 (Rockwell C 55-60)
Umur pakai yang panjang (life time)
46 Usia pakai packing tergantung dari tingkat kecepatan rusak cincin sil dan batang poros (stem). Penyebab yang paling sering adalah kerusakan yang terjadi pada batang poros akibat tingkat kehalusan permukaan yang kurang baik dan diperburuk dengan tingginya pergerakan batang poros. Adanya partikel pada fluida proses serta komprsi yang berlebihan pada komponen pendorong packing juga mempercepat umur pakai cincin sil. Batang poros juga bisa mudah rusak/tergores karena terjadi kontak dengan komponen metal packing akibat misalignment atau berkurangnya celah (clearance) akibat perbedaan peregangan temperatur (thermal expansion). Untuk mencegah kerusakan batang poros dengan cepat maka perlu dilakukan pengerasan kulit (hard surfacing) batang poros mengunakan lapisan chromium.
Gambar 2-21 Tahapan kerusakan packing valve
47 Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
2.7.2.4.
Penggunaan yang meluas (wide range of use)
Pada prinsipnya packing yang digunakan untuk valve dan control valve adalah sama dengan jenis packing yang biasa digunakan di pompa sentrifugal. Yang membedakan adalah pergerakan poros di pompa dan batang poros (stem) pada valve/control valve. Pada pompa poros berputar dengan kecepatang tinggi sementara pada valve batang poros bergerak relative lambat, terjadi gesekan yang rendah pada packing valve sehingga tidak diperlukan pendinginan dan pelumasan ekstra. Packing yang baik adalah packing yang bisa digunakan secara meluas dari mulai aplikasi yang ringan sampai aplikasi berat. Kriteria packing untuk aplikasi yang meluas adalah :
2.7.2.4.1.
Packing merupakan material yang memiliki sifat seperti plastik (tidak
terlalu kaku dan tidak terlalu fleksibel), tidak mudah berubah bentu pada saat dipasang di ruang antara batang poros dan rongga/rumah packing. 2.7.2.4.2.
Memiliki ketahanan yang cukup kuat untuk tidak mudah larut,
membengkak, atau melemah ketika kontak dengan fluida proses. 2.7.2.4.3.
Cukup fleksible untuk menyerap pergerakan batang poros/stem yang
tidak diinginkan (misalignment). 2.7.2.4.4.
Jika
dilakukan
penambahan
kompresi
tidak
menyebabkan
penambahan panas dan gesekan pada batang poros. 2.7.2.4.5. poros.
Tidak menimbulkan efek pengikisan (abrasi) atau menggerus batang
48 2.7.2.4.6.
Volume material tidak mudah berkurang sehingga tidak perlu sering
dilakukan penyesuaian kompresi.
2.7.3 Desain dan konstruksi packing Control Valve Packing yang digunakan untuk pengesilan bekerja dengan cara mencekik (throttling) kebocoran yg terjadi di antara bagian komponen yang diam (stationary part) dan bagian yang bergerak (motion part). Di beberapa kasus nilai pergerakannya tidak bisa kita prediksi karena banyak parameter pengukuran yang terlibat, antara lain kecepatan pergerakan (speed), suhu (temperaure), tekanan (pressure), sifat kimia cairan/gas (chemical action), pergerakan poros (run-out), ketidak selarasan batang poros (mis-alignment), dan sebagainya. Konstruksi pemasangan dan desain packing pada Control Valve dapat membantu mengatasi permasalahan (kebocoran) yang timbul, desain packing yang tersedia ada 3 (tiga) yaitu : 2.7.3.1
Packing Kompresi Biasa(Compresion Packing)
Untuk melakukan pengesilan secara baik, cincin packing kompresi dipasang berdesakan (mepet) satu dengan lainnya mulai dari throat housing sampai dengan gland follower (penekan). Pada kondisi seperti ini cincin packing akan mengesil di bagian diameter luar (O.D) yang bersentuhan dengan stufing box bore dan di bagian diameter dalam (I.D) yang bersentuhan dengan batang poros. Nilai penekanan (kompresi) pada Gland Follower harus disesuaikan/dikencangkan secara manual terus menerus dan seimbang untuk kompensasi kerusakan batang poros dan membatasi kebocoran.
49
Gambar 2-22 Packing Kompresi (Compression Packing) Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
2.7.3.2
Packing Kompresi Otomatis (Automatic Packing)
Pada konstruksi packing otomatis tidak diperlukan lagi pengencangan secara manual untuk mencegah kebocoran cairan/gas. Prinsip kerjanya adalah dengan memanfaatkan tekanan operasi untuk menciptakan efek pengesilan secara hidrolis. Cincin packing dibuat dengan bentuk V-Ring atau U-Cup yang akan mengesil secara otomatis pada diameter luar (O.D.) dan diameter dalam (I.D.) seandainya ada tekanan yang bekerja di depan packing V-Ring/U-Cup tersebut. Pada desain ini jika tekanan operasi yang bekerja semakin tinggi maka efek pengesilan juga akan semakin baik, satu hal uyang pelu diperhatikan adalah pemasangan V-Ring/U-Cup tidak boleh terbalik (lihat gambar).
50
Gambar 2-23 Packing Kompresi (Compression Packing) Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
Konstruksi packing otomatis juga dikembangkan terus dengan menambahkan efek pegas pada bagian komponen gland follower sehingga tidak diperlukan penegncangan secara manual
Gambar 2-24 Packing Kompresi (Compression Packing)
51 Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
2.7.3.3
Packing mengambang (floating)
Desain floating packing berupa cincin packing yang dibuat terpisah (segmental), umumnya 3 (tiga) segment yang membentuk lingkaran. Pada bagian luar cincin packing (O.D.) dipasang pegas yang terbuat dari logam atau karet. Efek pengesilan terjadi karena pegas di bagian luar cincin packing menekan setiap segmen packing ke bagian dalam (I.D.). Untuk pemasangannya rongga stuffing box harus dibuatkan cekungan (groove), lihat gambar di bawah ini.
Gambar 2-25 Packing Mengambang (Floating Packing) Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
52 Suatu packing dinyatakan gagal/rusak sehingga perlu diganti apabila tingkat kebocorannya sudah berlebihan (untuk valve lebih dari 5 tetes/menit), selain itu juga akan terlihat bahwa kompresi packing sudah melebihi 40%.
53 Gambar 2-26 Tipe Packing Sumber : John Crane Mechanical Maintenance Training Center
