62
BAB IV PENGOLAHAN DATA 4.1
Kebocoran Packing Kesuksesan pengesilan sebuah packing pada control valve dinilai dari kemampuan
packing mencegah kebocoran fluida cairan atau gas. Sebenarnya kebocoran selalu terjadi meskipun tidak telihat mata karena kebocoran emisi tidak bisakita cegah namun hanya bisa kita kurangi besarannya. Definisi kebocoran disini adalah fluida (cairan atau gas) yang keluar dari peralatan dalm jumlah di atas ambang batas, untuk cairan definisi bocoran adalah emisi yang secara kasat mata terlihat (visible). Persamaan berikut ini adalah berhubungan dengan celah (gap), kebocoran (leakage) erat sekali hubugannya dengan adanya celah (gap/clearance), besaran kebocoran proporsional terhadap kekuatan dari celah tersebut yang secara
matematis dijabarkan
sebagai berikut : Untuk muka muka (faces) paralel dengan sudut kecepatan 0 Leakage Gap 3
(4-1)
Untuk muka muka (faces) dengan kecepatan sudut tertentu Leakage Gap 2
(4-2)
Jika celah bertambah menjadi 10 X maka besaran bocoran akan bertambah 100 X, namun demikian besaran efektif celah (gap) dapat juga ditentukan oleh kualitas permukaan (surface finish). Gap SF1 SF2
SF1
= Surface Finish on Part 1, µ inches
(4-3)
63 SF2
= Surface Finish on Part 2, µ inches
Persamaan ini hanya berlaku untuk jenis fluida yang ‘incompressible’ seperti cairan, tidak berlaku untuk fluida gas. Gaya yang bekerja dalam kaitannya dengan kebocoran adalah gaya buka (opening force) dan gaya tutup (closing force). Untuk mencegah terjadinya kebocoran yang diinginkan adalah gaya tutu (closing force) lebih besar dari gaya buka (opening force), namun gaya tutup tersebut tidak boleh melebihi nilai toleransi yang ditetapkan, seandainya nilainya terlalu besar maka tidak akan tercipta lapisan fluida (fluid film) yang berfungsi sebagai pendingin (cooling) dan pelumas (lubricating). Kalau hal ini terjadi maka gesekan akan menyebabkan kerusakan pada batang poros (stem). Besaran nilai kebocoran dengan asumsi aliran laminar (laminar flow) bisa dijabarkan dengan persamaan sebagai berikut :
Q
Rm Ph3 x0,26 6L
(gpm)
(4-4)
Q = Flow thru the bushing, gpm h = nominal clearance gap, inches Rm = Mean Radius of the bushing, inches ∆P = Pressure differential across the bushing, psig µ = Absolute viscosity, reyns Reynold Number, Nre = Dimensionless N re
V
2 hV g
Q A
Q AV
(4-5)
(4-6) (4-7)
64 V = Average Velocity, inc/sec (multiply V in gpm/inch2 by 3.85 to get V in inc/sec) A = Annulus area between the bushing and the shaft, in2
A 2Rm h
(4-8)
In2
ρ = Mass Density, Lbs/In3 g = gravitional acceleration constant equal 386 In/Sec2
V
4hPg fL
Inc/Sec
(4-9)
Frictional Factor
f
0.316 N re0.21
(4-10)
Contoh menghitung kebocoran : diperoleh suatu keadaan di mana :
Mean radius of Bushing (Rm)
= 1.4 inches
Length of Bushing (L)
= 1 inch
Differential Press (∆P)
= 0.04 psig
Nominal Clearance gap (h)
= 0.015 inches
65 Maka nilai kebocoran adalah :
Rm Ph3 Q x0,26 6L
Q
(1.4)(0.04)(0.015) 3 6(5.2 X 10 8 (1)
Reynold Number, N re
N re
x0,26 0.5Gpm (1.89 liter/minute)
2 hV g
2(0.0361)(0.015)(14.4) 777 386(5.2 X 10 8 )
Reynold Number <1500 = Laminar Flow
Qmax
(1.4)(0.04)(0.015)3 8
6(5.2 X 10 (1)
x(1 1.5(1) 2 )(0,26) 1.25Gpm
(4.73 liter/minute)
Maximal Flow in Laminar Region is 1.25 Gpm
4.2
Aplikasi lapangan Pada setiap penggunaan packing diperlukan penyesuaian (adjustment) beban pada
gland follower yang menekan/kompresi cincin packing di rumah packing,. Berdasarkan petunjuk manual dari pabrik pembuat packing, ada 2 cara untuk penyesuaian/adjustment compression yang benar yaitu : 4.2.1
Kompresi berdasarkan persentasi (percentage compression), biasanya sekitar 25 – 30% kompresi.
4.2.2
Kompresi berdasarkan torsi pengencangan baut, kususnya pada aplikasi yang bertekanan tinggi (di atas 50 barG).
66 BoIt Torque Equals: (Bore dia.2 - Stem dia.2) x (Gland bolt dia.) x (Load Factor) 76.39 x (# of bolts)s Dimana: Torsi baut (bolt torque) dalam in ft. lbs. Bore, stem, dan ukuran baut (bolt diameters) dalam inches Faktor beban penekanan (load factor) dalam psi Selain menggunakan persamaan di atas penghitungan besaran torsi baut pengencangan pada Gland follower juga bisa menggunakan persamaan sebagai berikut : Torque
DF
(4-7)
12 N
= Coefficient of friction antara mur dan baut D = Stud Diameter in inch F = Packing Area X Pressure Packing Area = OD 2 ID 2
4
, in inch2
(4-8)
N = Jumlah baut 12 = Konversi dari inch ke feets 4.2.3
Gesekan Packing (packing friction)
Menghitung besarnya gesekan packing pada batang poros (stem) bisa menggunakan persamaan sebagai berikut :
F f Y g d L F = Packing Stem Friction Load
(4-9)
67 f = Coefficien of friction antara stem dan packing Y = Ratio of Radial to Axial Stress in Packing
g = Average Contact Stress between Packing and Gland Follower
= 3.14 constant d = Stem Diameter L = Panjang packing/ ketinggian (height) dari 5 Ring Set dalam kondidi tidak terkompress (uncompressed) Hasil penelitian menemukan bahwa besaran kebocoran fluida proses pada packing control valve ANSI 150 dan ANSI 300 adalah relative sama besar karena kedua control valve tersebut menggunakan jenis packing yang sama dan terpasang pada batang poros (stem) dengan ukuran yang sama. ANSI 150
ANSI 300
Valve Model
2.00/ CL150 Cast
3.00/ CL300 Cast
Body/Bonnet Mat’l
Monel 400
Monel 400
Plug/Stem/Seat Mat’l
Monel 400
Monel 400
Packing Mat’l
PTFE V-Ring/Single
PTFE V-Ring/Single
Stem Diameter
0.88 inchs
0.88 inchs
Inlet Press
0.2 MPaG
2.5 MPaG
Oulet Press
0.04 MPaG
2.2 MPaG
Liquid Flow Rate
150 Kg/hr
300 Kg/Hr
Description
68 Pressure Drop
1.632 Kg/Cm2
3.059 Kg/Cm2
Packing Friction
48.6 Lbs
48.6 Lbs
4.3
Data Pabrikan Packing Control Valve Meskipun secara umum jenis packing control valve terbuat dari material berbasis
PTFE dan Graphite murni namun setiap pabrik pembuat control valve memiliki formula yang kusus dan berbeda satu dengan yang lainnya untuk packing yang akan digunakan di produknya. Berikut ini adalah beberapa jenis material packing yang digunakan untuk control valve 4.3.1 Parcol Packing Type TFK, terbuat dari campuran aramid fibers reinforced dan PTFE murni yang dibentuk menjadi cincin padat. Material ini tidak memerlukan pelumasan dan tahan kondisi ekstrusi. Packing set type TFK dilengkapi dengan 2 buah cincin packing yang terbuat dari GF (Glass Filled) yang dipasang di bagian atas dan bawah. Tekanan Kerja
: Vaccum s/d 150 bar (maximum)
Temperature Kerja
: -200º C s/d 250°C
PH
: 2 s/d 12
Service
: tidak cocok untuk fluida jenis Oxidizing Acids (Nitric
Acid dan Sulphuric Acid) dan oxidizing fluids (permanganates, chromates, oxygen services. 4.3.2 Parcol Type TFP, terbuat dari material PTFE murni (pure PTFE). Packing set type TFP tersusun dari cincing packing yang semuanya menggunakan material PTFE murni. Tekanan Kerja
: Vaccum s/d 150 bar
Temperature Kerja
: -200º C s/d 250°C
PH
: 0 s/d 14
69 Service
: Cocok untuk semua fluida proses termasuk untuk
oxygen service.
Gambar 4-1 Parcol Packing Type TFP Sumber : Packing for Control Valve – Parcol hal 5 4.3.3 Parcol Type GRF, terbuat dari bahan Graphite murni dalam bentuk pita/ribbon yang digulung dan dicetak sesuai ukuran menggunakan alat cetak (die). Packing set type GRF dilengkapi cincin packing yang terbuat dari Graphite padat yang berfungsi sebagai scraper ring dipasang secara seling seling dengan cincin packing yang terbuat dari graphite ribbon. Tekanan Kerja
: Vaccum s/d 400 bar
Temperature Kerja
: -150º C s/d 650°C
PH
: 0 s/d 14
Service
: cocok untuk semua fluida proses namun waspada
untuk pemakaian asam kuat (strong acid) seperti Nitric Acid, Sulphuric Acid serta permanganate, chlorates, chromates terutama pada suhu di atas 50º C.
70
Gambar 4-2 Parcol Packing Type GRF Sumber : Packing for Control Valve – Parcol hal 6 4.3.4 Parcol Type VTC, terbuat dari GF (Glass Filled) PTFE yang dibentuk seperti cincin V (V-ring) dan dikompres oleh 2 bushing PTFE yang dipasang di bagian atas (upper) dan bawah (lower). Packing type ini cocok untuk aplikasi yang bertekanan tinggi dan tidak memerlukan pelumasan tambahan. Tekanan Kerja
: Vaccum s/d 400 bar
Temperature Kerja
: -100º C s/d 250°C
PH
: 0 s/d 14
Service
: cocok untuk jenis fluida namun tidak sesuai untuk
cairan yang mengandung alkali, fluorine pada suhu tinggi.
71 Gambar 4-3 Parcol Packing Type VTC Sumber : packing for Control Valve – Parcol hal 7 4.3.5 Parcol Type TLE, terbuat dari gabungan material PTFE, Aramid fibre, Graphite, Carbon fibre. Merupakan jenis packing kategori ‘low emission’ yang baik digunakan pada control valve yang memiliki gesekan kecil namun memerlukan pengencangan yang tinggi. Packing set disusun dengan 2 buah cincin packing terbuat dari campuran graphite dan PTFE yang dipasang pada bagian atas dan bawah, cincin packing yang di tengah terbuat dari material campuran aramid fibred an PTFE. Packing type ini juga dilengkapi dengan ‘live loading’ mekanis sehingga tidak diperlukan kompresi manual. Tekanan Kerja
: Vaccum s/d 250 bar
Temperature Kerja
: -50º C s/d 170°C
PH Service
: 0 s/d 13 : cocok untuk jenis fluida kimia seprti hydrocabon,
soolvent, alkalis, acids, alcohol, air, oil, namun tidak sesuai untuk cairan yang mengandung alkali, fluorine pada suhu tinggi.
Gambar 4-4 Packing Parcol Type TLE Sumber : Packing for Control Valve – Parcol hal 8
72
4.3.6 Parcol Type GLE, terbuat dari material Graphite murni untuk aplikasi tekanan tinggi dan temperature tinggi. Packing set tersusun dari 2 buah cincin packing yang terbuat dari jalinan benang carbon dan graphite murni (braided Packing) dipasang di bagian atas dan bawah dan beberapa cincin packing yang terbuat dari graphite padat yang dipasang di bagian tengah. Packing type ini juga dilengkapi dengan ‘live loading’ mekanis sehingga tidak diperlukan kompresi manual. Tekanan Kerja
: Vaccum s/d 450 bar
Temperature Kerja
: -200º C s/d 550°C
PH
: 0 s/d 14
Service
: cocok untuk jenis fluida kimia seprti hydrocabon,
solvent, alkalis, acids, alcohol, air, oil, steam dan sebagainya.
Gambar 4-5 Packing Parcol Type GLE Sumber : Packing for Control Valve – Parcol hal 9 4.3.7 John Crane International sebagai pembuat sil terkemuka di dunia juga memiliki beberapa type packing yang bisa digunakan baik untuk control valve/manual valve maupun dipakai untuk pompa. Beberapa type packing yang diproduksi oleh John Crane International bisa dilihat dalam lembaran lampiran.
73
Gambar 4-6 John Crane Packing Sumber : Catalog John Crane Packing
4.4 Metode Pengetesan (Packing Testing) Pengetesan untuk menguji kemampuan packing dilakukan oleh pabrikan John Crane dengan 3 metode testing yaitu : 4.4.1
Fire Test sesuai API (American Petroleum Institute) Standard 607. Testing
packing menggunakan Gate Valve ukuran 6 inch, Class 600 dengan prosedur sebagai berikut :
Diberi tekanan sampai dengan 110% dari rating tekanan sebesar 50 bar/740 psi kemudian dilakukan pengukuran kebocoran
Tekanan pengetesan diturunkan sampai dengan 2 bar/30 Psi
Dilakukan pembakaran menggunakan api (fire/burn) selama 30 menit pada suhu 649º C / 1200° F, suhu diukur pada packing box
Dilakukan Water Quench selama 10 minute untuk pendinginan (cool down)
Tst kebocoran pada tekanan 2 bar / 30 Psi dan 29 bar/430 Psi
74
Dilakukan secara berulang sebanyak 5X (Cycle 5 times)
Hasil pengetesan sesuai API-607 pada gate valve tersebut adalah :
Initial Hydro test •
55 bar / 813 psi
Actual 0 ml/hr
Allowed 0 ml/hr
Test sesudah pembakaran (after Burn) •
2 bar / 30 psi
Actual 0 ml/hr
Allowed 5 ml/hr
•
30 bar / 440 psi
Actual 0 ml/hr
Allowed 35 ml/hr
Test 5X putaran (after 5 cycles) •
2 bar / 30 psi
Actual 0 ml/hr
Allowed 5 ml/hr
•
30 bar / 440 psi
Actual 0 ml/hr
Allowed 35 ml/hr
Hasil Testing : Packing dinyatakan lulus testing sesuai prosedur pada API-607
4.4.2 Corrosion Test Pengetesan masih menggunakan Gate Valve ukuran 6 inch, Class 600
Testing dilakukan dengan cara packing dan box kontak dengan : •
Steam @ 17 bar / 250 psi @ 260°C / 500°F selama 24 jam
•
Steam @ 34 bar / 500 psi @ 427°C / 800°F selama 24 jam
•
Steam @ 34 bar / 500 psi @ 538°C / 1000°F selama 24 jam
•
Pada suhu dan tekanan ruangan (Ambient) selama 15 hari
Hasil Testing •
Permukaan batang poros (stem) mengalami perubahan Stem akibat kontak dengan uap/steam dan ditemukan kumpulan partikel berwarna gelap
75 • 4.4.3
Tidaj ditemukan adanya efek korosi pada batang poros (stem)
Emission Test
Pengetesan dilakukan untuk mengetahui kemampuan seal apakah sesuai dengan kebijakan EPA (Environment Protection Agency), penetesan dilakukan menggunakan :
Test Valve •
Globe Valve ukuran 102mm / 4" Class 600
•
Penggerak udara (Air actuator)
•
Jarak pergerakan batang poros 76mm / 3" (total stem travel)
•
Material batang poros/stem 410SS, body Carbon Steel
Test gas •
Campuran Methane dan Argon (mixture)
•
Pencatatan kebocoran untuk mewakili kondisi 100% Methane
Pengetesan dilakukan dengan 3 (tiga) variable perlakuan
EPS 2 – Tekanan statis (static load) pada 9.0 lb-ft torsi (gland torque)
EPS 2 – Tekanan dinamis (liveload) pada 7.0 lb-ft torsi (gland torque)
EPS 1- Tekanan dinamis (liveload) pada 7.0 lb-ft torsi (gland torque)
Target test Emisi •
Static load - 2500 cycles dengan kebocoran di bawah 500 ppm
•
Liveload - Max cycles dengan kebocoran di bawah 500 ppm
Hasil pengetesan sebagaimana ditunjukan pada table di bawah ini menunjukan bahwa pada kondisi statis tingkat kebocoran emisi adalah di bawah 500 ppm
76
Gambar 4-30 John Crane Packing. Emission Testing Sumber : Catalog John Crane Pcking
77 Gambar 4-31 John Crane Packing, Emission Testing Sumber : Catalog John Crane Pcking
4.5. DATA PENGAMATAN LAPANGAN Data lapangan diperoleh dari pengamatan pada control valve ukuran 2 inch untuk aplikasi air laut yang terpasang di PT. Polychem Indonesia – Merak. Control valve tersebut adalah :
Tag. No. FVC-1201, Model Mark One, Size 2” Rating 150, Merk : Flowserve
Tag. No. FVC-1202, Model Mark One, Size 2”, rating 300, Merk : Flowserve
Material kedua control valve tersebut menggunakan Monel 400 yang tahan terhadap korosi air laut. Packing yang digunakan adalah PTFE V-Ring yang memiliki ketahanan terhadap bahan kimia termasuk kandungan garam pada air laut. Data lengkap spesifikasi kedua control valve tersebut bisa ditemukan dalam lampiran Laporan Tugas Akhir ini.
