Katup kendali: badan dan trim, koefisien Kv dan Cv, karakteristik aliran, otoritas katup, ukuran berlebih, posisi gagal aman, kavitasi dan bising, dan diagnosis

Sebuah laundry rumah sakit memanaskan air untuk mesin cucinya di tangki 2.000 L dengan koil uap. Suhu tangki diatur oleh pengendali yang menggerakkan katup kendali uap berpenggerak pneumatik. Setelah renovasi ruang boiler, katup lama berukuran nominal 25 mm diganti dengan katup 50 mm, karena kontraktor menganggap katup yang lebih besar lebih aman bila beban naik. Sejak itu suhu tangki berayun antara sekitar 55 dan 75 °C, dan katupnya terdengar membuka-tutup terus di dekat posisi tertutup. Teknisi kontrol sudah dua kali menyetel ulang parameter pengendali tanpa hasil, dan dudukan katup mulai bocor sehingga suhu naik pelan walaupun katup diperintah menutup.

Teknisi utilitas yang dipanggil kemudian tidak menyentuh pengendali. Ia menghitung koefisien aliran yang diperlukan beban, membandingkannya dengan koefisien katup yang terpasang, dan memeriksa langkah katup pada beban biasa. Katup baru hanya perlu membuka beberapa persen dari langkahnya untuk melayani beban tangki, sehingga setiap gerakan kecil mengubah aliran uap secara besar. Bab ini menjelaskan cara membaca dan memilih katup kendali dari sisi badan katup.

Batas pembahasan

Bab ini membahas katup kendali modulasi untuk air, air panas, air pendingin, dan uap: badan dan trim, koefisien aliran, karakteristik, otoritas, ukuran, posisi gagal aman, kavitasi dan bising, kebocoran, dan diagnosis. Aktuator, konverter I/P, positioner, dan PID dasar ada di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali; katup gedung, koefisien aliran dasar, dan katup pengaman suhu dan tekanan di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas; rugi tekan di Bab 2; stasiun katup penurun tekanan uap di Bab 5 · Utilitas; pemanasan tangki di Bab 8; udara dan kavitasi di jalur cairan di Bab 6; dan udara tekan untuk aktuator di Bab 7 · Utilitas. Sumbernya adalah narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri, terutama buku pegangan katup, perpipaan, dan jalur pipa, serta narasi Mekanikal, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Ukuran dan data katup tertentu diambil dari pabrik; angka umum ditandai nilai literatur umum; angka contoh adalah angka latihan.

Katup kendali di dalam lup kendali

Katup kendali adalah elemen akhir lup kendali: sensor mengukur, pengendali menghitung, dan katup mengubah aliran sehingga proses bergerak ke nilai yang diminta, seperti di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali. Buku prinsip desain teknik kimia dalam narasi Fluida mencatat bahwa dalam simulasi dinamis, pengendali dipakai untuk memodelkan katup kendali nyata pada proses, dan bahwa sebagian besar pompa sentrifugal dikendalikan dengan menghambat aliran memakai katup di sisi keluarannya. Buku yang sama mengingatkan bahwa harus ada penampung di hulu katup kendali untuk menyerap perubahan laju aliran, karena katup hanya dapat mengatur aliran yang tersedia.

Pengendali yang baik tidak dapat memperbaiki katup yang salah. Bila katup terlalu besar, tersendat, atau bocor, pengendali hanya dapat mengejar akibatnya. Karena itu pemeriksaan lup kendali yang tidak stabil dimulai dari katup dan prosesnya, baru kemudian parameter pengendali. Hubungan pompa, katup, dan jaringan pada titik kerja dibahas di Bab 3.

Badan, trim, dan jenis badan untuk modulasi

Buku pegangan katup dalam narasi Fluida menjelaskan bahwa trim adalah istilah untuk bagian katup yang dapat diganti, yaitu sumbat atau piringan, dudukan, sangkar, dan batang. Trim menentukan karakteristik dan koefisien aliran; badan menentukan sambungan, rating tekanan, dan bahan. Buku pegangan rancangan plumbing dalam narasi yang sama mendefinisikan katup bola dunia sebagai katup untuk menghambat atau mengatur aliran, dan buku pegangan plumbing jilid 1 mendefinisikan aktuator sebagai bagian bergerak yang, bila dioperasikan, menggerakkan elemen penutup.

Jenis badan yang dipakai untuk modulasi (nilai literatur umum, dengan contoh dari buku pegangan katup):

1. Katup bola dunia dengan sumbat bergerak lurus: pengaturan halus, rugi tekan besar, umum untuk uap dan air panas.
2. Katup kupu-kupu kinerja tinggi: buku pegangan katup menggambarkan katup kupu-kupu kinerja tinggi dengan aktuator membran berpegas untuk kendali modulasi, cocok untuk pipa besar dan rugi tekan kecil.
3. Katup bola bersegmen atau berlubang V: katup bola biasa berputar 90° untuk membuka penuh, dan bentuk lubangnya diubah agar dapat mengatur.
4. Katup sumbat eksentrik putar: buku pegangan katup mencontohkannya dengan trim peredam bising.
5. Katup diafragma: buku yang sama menyebut katup kendali diafragma untuk penggunaan pelunak dan filter.

Katup isolasi seperti katup gerbang dan katup bola biasa tidak dipakai untuk mengatur, karena pengaturannya kasar di dekat posisi tertutup dan dudukannya cepat tergerus.

Koefisien Kv dan Cv dan memilih ukuran

Koefisien aliran $K_v$ adalah debit air dalam m³/jam yang menimbulkan rugi 1 bar ketika katup terbuka penuh, seperti di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas; $C_v$ adalah padanannya dalam galon per menit dan psi, dengan $K_v = 0{,}865\,C_v$. Untuk cairan dengan kerapatan relatif $G$ terhadap air,

dengan $Q$ dalam m³/jam dan $\Delta p$ dalam bar. Buku pegangan katup dalam narasi Fluida mencontohkan langkah pertama memilih ukuran katup: menghitung faktor $K_v$ untuk seluruh sistem lebih dulu, lalu memilih ukuran katup yang koefisiennya cocok.

Untuk katup kendali, yang dicari bukan katup dengan rugi tekan terkecil, tetapi katup yang pada debit rancangan masih membuka sekitar tujuh puluh sampai delapan puluh persen langkahnya (nilai literatur umum), sehingga masih ada ruang untuk beban yang lebih besar dan cukup langkah untuk beban kecil. Koefisien katup penuh, $K_{vs}$, dipilih dari deret ukuran pabrik di atas $K_v$ yang diperlukan. Untuk uap dan gas dipakai rumus pabrik yang memperhitungkan kemampatan; prinsipnya sama, yaitu katup dipilih dari beban nyata dan rugi tekan yang tersedia, bukan dari ukuran pipa.

Karakteristik bawaan dan karakteristik terpasang

Karakteristik bawaan adalah hubungan antara bukaan katup $h$, dari 0 sampai 1, dan koefisien aliran ketika rugi tekan di katup dijaga tetap (nilai literatur umum):

dengan $R$ rentang atur, misalnya 50. Pada karakteristik persentase sama, setiap tambahan bukaan yang sama menambah aliran dengan persentase yang sama dari aliran sebelumnya. Ada juga karakteristik buka cepat untuk katup yang bekerja buka-tutup. Buku pegangan katup mencatat bahwa pada sebagian aktuator listrik, karakteristik kurva dan penskalaan sinyal disetel dengan sakelar DIP, sehingga karakteristik dapat juga diubah di sisi penggerak.

Karakteristik terpasang adalah hubungan bukaan dan aliran di dalam sistem nyata, ketika rugi tekan di katup berubah karena sebagian tekanan habis di pipa, koil, dan penukar panas. Buku dasar sistem hidraulik dalam narasi Fluida mengingatkan bahwa penguatan seperti ini biasanya tidak linear, dan insinyur sering memakai penguatan yang dilinearkan untuk menyederhanakan analisis. Karena karakteristik terpasang yang menentukan perilaku lup, pilihan karakteristik bawaan bergantung pada sistemnya, seperti dijelaskan dengan otoritas di bawah.

Otoritas katup

Otoritas katup adalah bagian rugi tekan sirkuit yang terjadi di katup ketika katup terbuka penuh pada debit rancangan (nilai literatur umum):

Dengan rugi tekan total yang hampir tetap, debit relatif $q$ pada bukaan $h$ adalah:

Bila $N$ mendekati 1, karakteristik terpasang sama dengan karakteristik bawaan. Bila $N$ kecil, katup linear berubah menjadi seperti katup buka cepat: sebagian besar aliran sudah lewat pada bukaan kecil, dan sisa langkah hampir tidak berpengaruh. Karena itu sirkuit dengan rugi tekan besar di koil dan pipa sering memakai katup persentase sama, yang "dibengkokkan" kembali menjadi hampir linear oleh otoritas rendah. Otoritas sekitar 0,3 sampai 0,5 sering dianggap wajar untuk sirkuit air (nilai literatur umum).

Untuk sistem air panas dengan banyak cabang, buku pegangan katup mencatat dua hal yang berkaitan: sebelum menyeimbangkan sistem, semua katup harus dibuka penuh, dan simpangan debit hanya sedikit memengaruhi pelepasan panas. Pernyataan kedua menjelaskan mengapa ayunan suhu pada beban kecil lebih sering disebabkan katup yang bekerja di dekat dudukan daripada oleh kesalahan debit beberapa persen.

Akibat ukuran berlebih

Katup yang terlalu besar untuk bebannya membawa empat masalah sekaligus (nilai literatur umum):

1. Otoritas rendah: rugi tekan di katup terbuka kecil, sehingga $N$ kecil dan karakteristik terpasang rusak.
2. Bekerja di dekat dudukan: beban biasa hanya memerlukan bukaan beberapa persen, sehingga gerakan kecil aktuator mengubah aliran besar. Lup berayun walaupun pengendali disetel ulang.
3. Dudukan tergerus: aliran berkecepatan tinggi melalui celah sempit mengikis sumbat dan dudukan, dan katup lalu bocor saat tertutup, seperti di kasus pembuka.
4. Rentang atur habis: pada beban terkecil, katup harus membuka lebih sedikit dari batas yang dapat dikendalikan, sehingga bekerja buka-tutup.

Buku pegangan katup juga mencatat bahwa data rugi tekan sistem perpipaan sering tidak cukup, dan kekurangan data itu yang biasanya mendorong orang memilih katup "satu ukuran lebih besar agar aman". Katup kendali yang tepat sering lebih kecil daripada pipanya, dan dipasang dengan peralihan ukuran pipa.

Memilih posisi gagal aman

Ketika udara aktuator, listrik, atau sinyal hilang, katup harus bergerak ke posisi yang paling aman bagi proses, seperti pilihan aksi pegas di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali. Aturannya (nilai literatur umum):

1. Uap ke pemanas tangki, kalorifier, setrika gulung, dan penukar panas: gagal tertutup, agar kehilangan kendali tidak memanaskan berlebih.
2. Air pendingin ke penukar panas atau kompresor: gagal terbuka, agar kehilangan kendali tidak membuat alat terlalu panas.
3. Bahan kimia atau bahan bakar: gagal tertutup.

Buku pegangan katup dalam narasi Mekanikal mencatat bahwa tidak ada satu jenis aktuator katup kendali yang terbaik untuk semua penggunaan, bahwa aktuator hidraulik dapat memberi torsi keluaran sampai 2.000 N·m, dan bahwa pada sebagian aktuator listrik pengoperasian manual darurat tidak dapat dilakukan dengan cepat. Akibatnya, aktuator listrik tanpa pegas atau cadangan energi berhenti di posisi terakhir saat listrik padam, dan tidak cocok bila proses menuntut posisi gagal tertentu.

Kavitasi, kilat, dan bising

Ketika cairan dipercepat di celah katup, tekanannya dapat turun di bawah tekanan uap. Bila tekanan pulih kembali di hilir di atas tekanan uap, gelembung runtuh dan terjadi kavitasi; bila tekanan hilir tetap di bawah tekanan uap, sebagian cairan berubah menjadi uap dan terjadi kilat, seperti di Bab 6. Buku pegangan katup dalam narasi Fluida mencatat bahwa kavitasi adalah penyebab bising yang paling umum pada aliran cairan, dan menggambarkan trim peredam bising dan antikavitasi. Indikator sederhana kecenderungan kavitasi adalah (nilai literatur umum):

dengan tekanan mutlak $p_1$ di hulu, $p_2$ di hilir, dan $p_v$ tekanan uap. Nilai yang kecil berarti kavitasi lebih mungkin; batas yang dipakai diambil dari data pabrik katup. Air panas lebih mudah berkavitasi karena tekanan uapnya tinggi.

Pada uap, katup bekerja sebagai pencekik. Buku dasar termodinamika dalam narasi Fluida menyatakan bahwa entalpi di masuk dan keluar katup pencekik sama, dan buku termodinamika untuk insinyur menambahkan bahwa uap yang dicekik cukup banyak menjadi uap panas lanjut, sehingga uap setelah katup kendali sedikit lebih kering daripada sebelumnya. Bising pada katup uap biasanya datang dari kecepatan tinggi di hilir; ukuran pipa hilir yang terlalu kecil menambah bising.

Kebocoran dudukan, paking batang, dan perawatan

Dua kebocoran berbeda harus dibedakan (nilai literatur umum). Kebocoran dudukan adalah aliran yang lewat ketika katup tertutup; katup kendali tidak selalu dirancang kedap seperti katup isolasi, sehingga katup isolasi tetap dipasang untuk pekerjaan perawatan, seperti isolasi energi uap dan air di Bab 4 · Keselamatan. Kebocoran paking batang adalah rembesan ke luar di sekitar batang; paking yang dikencangkan berlebihan menghentikan rembesan tetapi menambah gesekan sehingga katup tersendat. Buku pegangan katup mencatat bahwa pada katup pengaman yang tertutup, beban pegas ditahan oleh dudukan logam ke logam, contoh bahwa kekedapan bergantung pada rancangan dudukan.

Perawatan katup kendali mencakup pemeriksaan langkah penuh, kebocoran paking, keadaan udara aktuator, kalibrasi positioner, dan bising atau getaran yang baru muncul. Udara aktuator yang basah atau berminyak merusak positioner; mutu udara tekan dibahas di Bab 7 · Utilitas.

Diagnosis katup kendali di lapangan

Urutan diagnosis lup yang berayun atau tidak mencapai nilai yang diminta (nilai literatur umum; prosedur mengikuti manual alat dan izin kerja):

1. Ubah ke mode manual dengan izin operator, lalu gerakkan katup bertahap, misalnya 5 persen tiap langkah, dan amati posisi batang dan suhu atau debit.
2. Bandingkan perintah dan posisi: sinyal 4 sampai 20 mA seharusnya sebanding dengan posisi, seperti di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali. Selisih tetap menunjuk kalibrasi; selisih yang berubah menunjuk gesekan atau udara aktuator.
3. Uji langkah kecil: perintah dinaikkan sedikit demi sedikit. Bila batang tidak bergerak sampai perintah berubah beberapa persen lalu melompat, katup tersendat. Lup dengan katup tersendat berayun dengan amplitudo yang tidak hilang walaupun pengendali disetel ulang.
4. Periksa bukaan pada beban biasa: bila katup bekerja di bawah sekitar 10 sampai 20 persen langkah pada beban normal, ukurannya kemungkinan berlebih.
5. Periksa kebocoran dudukan: dengan katup tertutup dan katup isolasi hilir tertutup, suhu atau tekanan hilir yang naik menunjuk dudukan bocor.

Baru setelah katup terbukti sehat dan ukurannya cocok, parameter pengendali disetel seperti di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali.

Contoh kerja

Contoh 1: Kv untuk air. Sirkuit air pendingin memerlukan 6 m³/jam, dan rugi tekan yang disediakan untuk katup 0,4 bar. $K_v = 6/\sqrt{0{,}4} = 9{,}49$. Dari deret ukuran 6,3; 10; 16 (angka latihan), dipilih $K_{vs} = 10$, atau $C_v = 10/0{,}865 = 11{,}6$.

Contoh 2: otoritas. Pada debit rancangan, rugi tekan di katup terbuka 0,4 bar dan di koil serta pipa 0,8 bar. $N = 0{,}4/(0{,}4 + 0{,}8) = 0{,}33$, di dalam rentang yang wajar.

Contoh 3: katup berukuran berlebih. Katup dengan $K_{vs} = 25$ dipakai untuk 6 m³/jam yang sama. Rugi tekannya saat terbuka penuh $(6/25)^2 = 0{,}058$ bar, sehingga $N = 0{,}058/(0{,}058 + 0{,}8) = 0{,}067$. Katup linear seperti itu mengalirkan sebagian besar debit pada bukaan kecil.

Contoh 4: karakteristik terpasang katup linear. Pada bukaan 20 persen, $f = 0{,}2$. Dengan $N = 0{,}1$, $q = 1/\sqrt{0{,}9 + 0{,}1/0{,}04} = 1/\sqrt{3{,}4} = 0{,}54$: 20 persen langkah sudah mengalirkan 54 persen debit. Dengan $N = 0{,}5$, $q = 1/\sqrt{0{,}5 + 12{,}5} = 0{,}28$, jauh lebih dekat ke perilaku linear.

Contoh 5: katup persentase sama. Dengan $R = 50$ pada bukaan 50 persen, $f = 50^{-0{,}5} = 0{,}141$. Pada $N = 0{,}33$, $q = 1/\sqrt{0{,}67 + 0{,}33/0{,}02} = 1/\sqrt{17{,}2} = 0{,}24$. Katup persentase sama dengan otoritas sedang memberi kenaikan aliran yang lebih bertahap pada bukaan kecil.

Contoh 6: laju uap untuk tangki. Tangki air panas memerlukan 150 kW dari uap pada sekitar 4 bar mutlak, dengan kalor laten sekitar 2.133 kJ/kg (nilai literatur umum dari tabel uap seperti di Bab 3 · Utilitas). Laju uap $150/2.133 = 0{,}070$ kg/s, yaitu sekitar 253 kg/jam. Angka ini, bersama tekanan hulu dan hilir, dipakai pabrik untuk memilih katup, dan biasanya menghasilkan katup yang lebih kecil daripada pipa uapnya.

Contoh 7: kalibrasi sinyal. Sinyal 12 mA pada rentang 4 sampai 20 mA seharusnya memberi bukaan $(12 - 4)/16 = 50$ persen. Posisi terukur 40 persen menunjuk positioner yang perlu dikalibrasi ulang menurut manual.

Contoh 8: katup tersendat. Pada uji langkah, perintah dinaikkan 0,5 persen tiap langkah dari 30 persen. Batang tidak bergerak sampai perintah 33 persen, lalu melompat ke 33 persen. Pita mati sekitar 3 persen menjelaskan ayunan yang tidak hilang; paking batang diperiksa dari pengencangan berlebih, dan udara aktuator diperiksa.

Contoh 9: indikator kavitasi. Air panas 60 °C masuk katup pada 4,0 bar mutlak dan keluar pada 1,5 bar mutlak, dengan tekanan uap sekitar 0,2 bar mutlak (nilai literatur umum). $\sigma = (4{,}0 - 0{,}2)/(4{,}0 - 1{,}5) = 1{,}52$. Nilai ini dibandingkan dengan batas pabrik katup; bila di bawah batas, rugi tekan dibagi ke dua tahap atau trim antikavitasi dipakai.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang yang berwenang bila:

1. Katup uap atau air panas harus dibuka dari pipa tanpa isolasi dua sisi, pembuangan tekanan, dan pendinginan, seperti di Bab 4 · Keselamatan.
2. Uji langkah di mode manual dapat memanaskan berlebih atau mengosongkan proses dan belum disetujui operator.
3. Paking batang bocor uap atau air panas yang menyembur.
4. Posisi gagal aman katup tidak diketahui, atau udara atau listrik aktuator harus diputus pada proses yang sedang berjalan.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Katup lebih besar lebih aman." Katup berukuran berlebih mengayunkan lup dan merusak dudukannya.
2. "Ukuran katup sama dengan ukuran pipa." Katup kendali dipilih dari $K_v$ yang diperlukan dan sering lebih kecil dari pipa.
3. "Lup berayun berarti pengendali salah setel." Katup tersendat, berukuran berlebih, atau bocor membuat lup berayun apa pun setelannya.
4. "Karakteristik di katalog adalah perilaku di lapangan." Otoritas rendah mengubah karakteristik terpasang.
5. "Katup kendali tertutup sama dengan terisolasi." Katup kendali dapat bocor di dudukan; pekerjaan memerlukan katup isolasi.
6. "Paking dikencangkan sampai tidak bocor sama sekali." Paking yang terlalu kencang membuat katup tersendat.
7. "Aktuator listrik selalu aman saat padam." Tanpa pegas atau cadangan energi, katup berhenti di posisi terakhir.

Hubungan dengan bab lain

Bab 62 · Kelistrikan & Kendali memberi aktuator, positioner, dan PID, Bab 12 · Bangunan & Fasilitas katup gedung dan koefisien aliran dasar, Bab 2 rugi tekan, Bab 5 · Utilitas stasiun katup penurun tekanan uap, Bab 8 pemanasan tangki, Bab 6 kavitasi, dan Bab 7 · Utilitas udara tekan. Bab berikutnya di rak ini membahas sambungan flens dan paking, tempat katup dipasang ke pipa.

Latihan dan pembahasan

1. Sirkuit memerlukan 4 m³/jam air, dan rugi tekan untuk katup 0,5 bar. Berapa $K_v$ yang diperlukan?
2. Rugi tekan katup terbuka 0,3 bar dan sirkuit 0,9 bar. Berapa otoritasnya?
3. Katup $K_{vs} = 16$ dipakai untuk 4 m³/jam. Berapa rugi tekannya saat terbuka penuh, dan apa artinya?
4. Katup linear dengan $N = 0{,}1$ dibuka 20 persen. Berapa debit relatifnya?
5. Pemanas memerlukan 200 kW dari uap dengan kalor laten 2.133 kJ/kg. Berapa laju uapnya per jam?
6. Sinyal 16 mA pada rentang 4 sampai 20 mA. Berapa bukaan yang seharusnya?

Kunci jawaban beralasan

1. $K_v = 4/\sqrt{0{,}5} = 5{,}66$, sehingga dipilih $K_{vs}$ berikutnya dari deret pabrik, misalnya 6,3, dan diperiksa bukaannya pada debit rancangan.
2. $N = 0{,}3/(0{,}3 + 0{,}9) = 0{,}25$, sedikit di bawah rentang yang sering dianggap wajar; katup persentase sama membantu.
3. $(4/16)^2 = 0{,}0625$ bar. Rugi tekan ini kecil dibanding sirkuit 0,9 bar, sehingga otoritasnya sekitar $0{,}0625/0{,}9625 = 0{,}065$ dan katup bekerja di dekat dudukan.
4. $q = 1/\sqrt{0{,}9 + 0{,}1/0{,}04} = 0{,}54$, yaitu 54 persen debit pada 20 persen langkah.
5. $200/2.133 = 0{,}094$ kg/s, yaitu sekitar 338 kg/jam.
6. $(16 - 4)/16 = 75$ persen. Bila posisi terukur berbeda jauh, positioner dikalibrasi lebih dulu sebelum lup disetel ulang.

Referensi