Katup dan pengendalian air: katup isolasi, katup pengatur, katup searah, katup penurun tekanan, muai termal, tangki muai, dan katup pengaman

Sebuah hotel memasang katup searah di pipa masuk dapur setelah keluhan air berbau di pantry, seperti dianjurkan dalam pemeriksaan aliran balik. Sejak itu, katup pengaman pemanas air dapur menetes setiap malam, ketika dapur sepi dan pemanas menaikkan suhu tangki. Petugas menyangka katupnya rusak dan menyumbat pipa buangnya. Seminggu kemudian, sambungan fleksibel pemanas pecah pada pukul tiga pagi.

Katup searah itu tidak salah, dan katup pengaman tidak rusak. Air yang dipanaskan memuai, dan setelah katup searah dipasang, air itu tidak dapat lagi kembali ke jaringan. Tekanan naik sampai katup pengaman membuka, persis seperti tugasnya. Perbaikan yang benar adalah memasang tangki muai di sisi air dingin pemanas dan membuka kembali pipa buang katup pengaman, bukan melepas katup searah atau mengganti katup pengaman dengan setelan lebih tinggi. Bab ini menjelaskan cara kerja katup di jaringan air gedung dan mengapa beberapa di antaranya tidak boleh diganggu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas katup isolasi, katup pengatur dan koefisien aliran, katup searah, katup pelampung dan katup otomatis, katup penurun tekanan, kelas tekanan katup, muai termal air, tangki muai, dan katup pengaman suhu dan tekanan.

Katup penurun tekanan dan palu air pada instalasi RO ada di Bab 10 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi tekanan pada instalasi RO, zona tekanan di Bab 5 tentang sistem penyediaan air bersih gedung, pemuaian pipa di Bab 4 tentang material pipa dan alat sambung, dan pencegah aliran balik di Bab 11 tentang pencegahan aliran balik. Kelas tekanan katup yang dipakai, tekanan setel katup pengaman, tekanan maksimum jaringan, dan ukuran tangki muai yang berlaku diambil dari SNI 8153-2015, data pabrik, dan perencana; angkanya tidak disalin.

Fungsi katup dan katup isolasi

Katup di jaringan air gedung punya lima fungsi:

1. Isolasi: membuka penuh atau menutup penuh, untuk memisahkan bagian jaringan saat perbaikan.
2. Pengaturan: mengatur debit atau tekanan secara terus-menerus.
3. Satu arah: membiarkan aliran ke satu arah dan menahan arah sebaliknya.
4. Pengendalian otomatis: membuka dan menutup menurut sinyal, misalnya muka air atau pengatur waktu.
5. Pengaman: membuang air ketika tekanan atau suhu melampaui batas.

Satu jenis katup jarang cocok untuk semua fungsi. Kesalahan yang paling sering adalah memakai katup untuk fungsi yang tidak dirancang untuknya.

Katup isolasi (isolation valve) adalah katup untuk membuka atau menutup aliran fluida di pipa, berbeda dari katup bola dunia yang dipakai untuk mengatur aliran. Katup gerbang dirancang untuk terbuka penuh atau tertutup penuh dan tidak boleh dipakai untuk mengatur debit, karena posisi setengah terbuka menimbulkan getaran dan mempercepat aus piringan dan dudukan. Katup gerbang dengan pemantauan elektronik umum dipakai di pipa utama proteksi kebakaran.

Katup bola memakai bola berlubang yang diputar seperempat putaran. Katup bola sangat baik untuk pemakaian tanpa aliran atau aliran penuh, karena jalurnya lurus dengan turbulensi minimal, dan populer karena andal dan mudah dirawat, tetapi rongga di sekitar bolanya dapat menjebak cairan. Katup kupu-kupu cocok untuk pipa besar bertekanan relatif rendah.

Katup isolasi yang baik ditempatkan di pangkal setiap cabang, setiap pipa tegak, dan setiap peralatan, seperti di Bab 5 tentang sistem penyediaan air bersih gedung. Katup bola dan katup kupu-kupu yang menutup dalam seperempat putaran dapat menimbulkan palu air bila ditutup cepat pada debit besar; tutup pelan.

Katup pengatur dan koefisien aliran

Katup bola dunia (globe valve) adalah katup untuk mengatur atau menghambat aliran di pipa. Jalur alirannya berbelok, sehingga posisi buka dapat diatur halus, tetapi rugi tekannya lebih besar.

Koefisien aliran (flow coefficient) $K_v$ adalah debit air dalam m³/jam yang menimbulkan rugi 1 bar ketika katup terbuka penuh. Rugi tekan katup dinyatakan dengan koefisien itu:

$\Delta p = \left(\frac{Q}{K_v}\right)^2$

dengan $\Delta p$ dalam bar dan $Q$ dalam m³/jam. Dalam satuan imperial dipakai $C_v$, dengan hubungan $K_v = 0{,}865 \, C_v$. Nilai $K_v$ katup diambil dari data pabrik. Katup bola dan katup gerbang punya $K_v$ besar, katup bola dunia jauh lebih kecil pada ukuran yang sama (Contoh 1). Rugi katup ini masuk ke hitungan jalur terjauh di Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa.

Katup searah

Katup searah (check valve) adalah katup yang mencegah aliran berbalik di pipa. Ada tiga jenisnya:

1. Katup searah ayun, dengan piringan berengsel yang disebut daun penutup. Rugi alirannya rendah, tetapi menutup lambat ketika aliran berbalik.
2. Katup searah angkat, dengan piringan yang naik turun; rugi lebih besar.
3. Katup searah berpegas, yang menutup sebelum aliran berbalik karena pegas mendorong piringan ketika aliran melambat.

Katup kaki (foot valve) adalah katup searah di ujung pipa isap yang menahan aliran balik sehingga pompa tidak kehilangan pancingan. Palu air (water hammer) adalah lonjakan tekanan yang timbul ketika kolom air yang bergerak terhenti tiba-tiba. Katup searah yang menutup terlambat setelah pompa berhenti membiarkan kolom air berbalik arah lalu terhenti tiba-tiba, sehingga menimbulkan palu air (Contoh 6). Palu air dapat dihilangkan dengan memasang alat yang menyerap kejutan.

Katup searah tunggal bukan pencegah aliran balik, dan memasangnya mengubah jaringan terbuka menjadi sistem tertutup, seperti pada kasus pembuka.

Katup pelampung dan katup otomatis

Ada katup tidak bermodulasi yang dipakai untuk mengendalikan muka air di tangki dengan akurat, dan katup yang umum dipakai untuk menggantikan katup manual atau bila dibutuhkan kendali jarak jauh. Katup pelampung (float valve) adalah katup yang mengatur pengisian tangki menurut tinggi air, dan katup ini dapat diservis dan diperbaiki.

Katup solenoid di mesin cuci dan mesin pencuci piring adalah katup otomatis yang menutup cepat, sehingga menjadi sumber palu air yang dibahas di Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan.

Katup penurun tekanan dan kelas tekanan

Katup penurun tekanan (pressure-reducing valve) adalah katup yang menurunkan tekanan di hilirnya ke nilai setel, sehingga lantai bawah gedung tinggi dan peralatan sensitif tidak menerima tekanan berlebih. Tekanan air maksimum yang diizinkan sering ditetapkan dalam ketentuan, dan perhitungannya dimulai dengan menentukan tekanan tertinggi yang mungkin di masukan setiap katup penurun tekanan, lalu menghitung tekanan di lokasi yang ditentukan.

Katup kerja langsung menahan tekanan hilir dengan pegas. Ketika debit naik, pegas harus memanjang agar katup lebih terbuka, sehingga tekanan hilir turun di bawah nilai setel. Penurunan saat mengalir (falloff) adalah turunnya tekanan hilir itu di bawah nilai setel ketika debit naik (Contoh 2). Kapasitas katup penurun tekanan biasanya dinyatakan sebagai satu nilai, sehingga perlu dibaca bersama kurva penurunannya. Katup kendali pilot (pilot-operated valve) adalah gabungan dua katup penurun tekanan dalam satu rumah, yang penurunannya lebih kecil (Contoh 2). Pemilihan katup juga bergantung pada apakah debitnya relatif tetap atau terputus-putus. Untuk debit yang sangat beragam, dua katup dipasang paralel: yang kecil untuk debit rendah dan yang besar untuk debit tinggi. Bab 10 · Air & Pengolahan Air membahas katup ini pada proteksi tekanan instalasi RO.

Kelas tekanan (pressure rating) adalah tekanan kerja yang diizinkan untuk katup, yang ditulis pabrik di badannya. Pedoman ASPE memberi contoh spesifikasi yang memakai dua angka: tekanan kerja uap dan tekanan kerja air dingin tanpa kejutan, misalnya katup utama 2 inci ke bawah berkelas 150 psi uap dan 600 psi air dingin tanpa kejutan. Angka air dingin berlaku pada suhu biasa; pada suhu tinggi, kelasnya turun, seperti pada pipa plastik di Bab 4 tentang material pipa dan alat sambung. Katup yang dipasang di hilir pompa, di lantai bawah gedung tinggi, atau di pipa air panas dipilih dengan kelas yang melebihi tekanan tertinggi yang mungkin, termasuk lonjakan palu air.

Muai termal air dan tangki muai

Air memuai ketika dipanaskan. Semua bahan pipa berubah ukuran karena perubahan suhu, dan pemuaian air dihitung dengan membandingkan berat air pada kedua keadaan, dengan volume sistem yang memuai pada suhu air panas rancangan. Pertambahan volume adalah

$\Delta V = V_s \left(\frac{\rho_1}{\rho_2} - 1\right)$

dengan $V_s$ volume air sistem, $\rho_1$ massa jenis pada suhu dingin, dan $\rho_2$ pada suhu panas, keduanya dalam kg/m³; $\Delta V$ dalam satuan yang sama dengan $V_s$, misalnya liter.

Bila jaringan terbuka ke pipa utama, air yang memuai kembali ke pipa utama tanpa terasa. Bila ada katup searah, pencegah aliran balik, atau katup penurun tekanan yang tidak membiarkan aliran balik, sistem menjadi tertutup. Air hampir tidak dapat dimampatkan, sehingga tekanan naik sangat cepat (Contoh 3). Tangki muai (expansion tank) adalah tangki kecil dengan kantong udara bertekanan yang menampung pertambahan volume itu. Asumsi perhitungannya cukup akurat bila tangki muai dipasang di sisi air dingin pemanas. Ukurannya dihitung dengan hukum Boyle:

$V_t = \frac{\Delta V}{1 - p_1/p_2}$

dengan $p_1$ tekanan pasok dan $p_2$ tekanan maksimum yang diizinkan, keduanya mutlak, dan tekanan awal udara tangki disetel sama dengan tekanan pasok (Contoh 4 dan 5). $V_t$ dinyatakan dalam satuan yang sama dengan $\Delta V$.

Katup pengaman suhu dan tekanan

Pemanas air bertangki dilengkapi katup pengaman yang membuka bila tekanan atau suhu melampaui nilai setelnya. Katup pengaman suhu dan tekanan (temperature and pressure relief valve) adalah katup gabungan yang memiliki sensor suhu yang dicelupkan ke bagian atas tangki dan pegas yang menahan tekanan. Tugasnya mencegah dua bahaya: tangki pecah karena tekanan, dan air di atas titik didih yang berubah menjadi uap seketika bila tangki bocor.

Aturan pemasangan dan pemakaian yang perlu dipegang teknisi:

1. Pipa buang tidak boleh ditutup, dikecilkan, atau dinaikkan. Pipa buang diarahkan ke tempat aman yang terlihat, misalnya saluran lantai dengan celah udara, agar tetesannya diketahui dan semburannya tidak melukai orang.
2. Tetesan adalah gejala. Katup yang menetes saat pemanas bekerja menunjukkan muai termal tanpa tangki muai, tekanan pasok terlalu tinggi, atau tangki muai yang kehilangan udara. Penyebab itu yang diperbaiki.
3. Diuji berkala. Tuas uji diangkat sesuai petunjuk pabrik untuk memastikan katup tidak macet oleh kerak.
4. Diganti dengan setelan yang sama. Nilai setel suhu dan tekanan mengikuti pelat nama pemanas.

Peredam palu air atau alat sejenis yang disetujui perlu dipasang untuk mencegah kerusakan tangki penyimpan.

Merawat katup

Katup yang jarang digerakkan adalah katup yang gagal saat dibutuhkan. Program pemeliharaan sederhana untuk katup gedung:

1. Digerakkan berkala. Katup isolasi utama dan katup cabang ditutup dan dibuka penuh beberapa kali setahun, pelan-pelan, lalu dikembalikan ke posisi semula. Katup yang berat diputar dicatat untuk diperbaiki sebelum keadaan darurat.
2. Diperiksa batangnya. Rembesan di batang katup biasanya berasal dari paking batang; mur paking dikencangkan sedikit atau pakingnya diganti setelah bagian itu diisolasi.
3. Dibersihkan saringannya. Katup penurun tekanan, katup pelampung, dan katup solenoid sering dilengkapi saringan di hulunya. Saringan yang tersumbat menambah penurunan tekanan dan membuat katup bergetar.
4. Dicatat tekanannya. Manometer di hulu dan hilir katup penurun tekanan dibaca dan dicatat pada debit nol dan saat jam sibuk, sehingga pergeseran setelan atau dudukan yang aus terlihat dari catatan.
5. Diberi tanda. Setiap katup diberi nomor yang sama dengan gambar terpasang dan daftar aset, termasuk posisi normalnya, terbuka atau tertutup.

Catatan ini juga dipakai di Bab 15 tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Angka itu dipakai untuk menunjukkan cara hitung.

Contoh 1: rugi tekan katup bola dan katup bola dunia. Debit 5 m³/jam. Katup bola dengan $K_v = 40$, angka yang pada pekerjaan nyata diambil dari data pabrik: $\Delta p = (5/40)^2 = 0{,}016$ bar. Katup bola dunia ukuran sama dengan $K_v = 6$: $(5/6)^2 = 0{,}69$ bar, sekitar 44 kali lebih besar.

Contoh 2: penurunan katup penurun tekanan kerja langsung dan kendali pilot. Nilai setel 3,5 bar pada debit nol. Pada debit rencana, penurunan 0,7 bar, angka yang pada pekerjaan nyata dibaca dari kurva pabrik, sehingga tekanan hilir 2,8 bar. Bila lantai terjauh di zona itu membutuhkan 2,5 bar di pangkal cabangnya, tekanan masih cukup; bila penurunan bertambah karena saringan katup tersumbat, tidak. Katup kendali pilot dengan penurunan 0,2 bar pada debit yang sama memberi $3{,}5 - 0{,}2 = 3{,}3$ bar. Selisih 0,5 bar dibanding katup kerja langsung dapat menjadi pembeda antara pancuran yang cukup dan yang lemah di lantai teratas zona.

Contoh 3: muai air dan tekanan tanpa tangki muai. Sistem air panas 300 L dipanaskan dari 15 °C (999,1 kg/m³) ke 60 °C (983,2 kg/m³): $\Delta V = 300 \times (999{,}1/983{,}2 - 1) = 4{,}85$ L. Dengan kompresibilitas air sekitar $4{,}6 \times 10^{-10}$ Pa⁻¹ dan pipa dianggap kaku, pertambahan volume relatif 0,0162 yang tidak punya tempat menaikkan tekanan sekitar $0{,}0162 / 4{,}6 \times 10^{-10} = 3{,}5 \times 10^7$ Pa, atau sekitar 350 bar. Dalam kenyataan pipa, selang, dan tangki melentur sehingga kenaikannya lebih kecil, tetapi sambungan fleksibel atau katup pengaman akan menyerah jauh sebelum itu, seperti pada kasus pembuka.

Contoh 4: ukuran tangki muai. Untuk sistem Contoh 3, tekanan pasok 3,0 bar(g) = 4,01 bar mutlak; tekanan maksimum yang diizinkan 6,0 bar(g) = 7,01 bar mutlak (di bawah setel katup pengaman). $1 - 4{,}01/7{,}01 = 0{,}428$. $V_t = 4{,}85 / 0{,}428 = 11{,}3$ L. Tangki muai 12 L atau lebih besar dipilih dari ukuran pabrik.

Contoh 5: tekanan awal tangki muai yang salah. Tekanan awal udara tangki 1,5 bar(g) = 2,51 bar mutlak, sedangkan pasok 3,0 bar(g). Saat pasok masuk, udara sudah termampatkan ke $2{,}51/4{,}01 = 0{,}63$ volume tangki; pada 7,01 bar mutlak menjadi $2{,}51/7{,}01 = 0{,}36$. Volume yang dapat ditampung $0{,}63 - 0{,}36 = 0{,}27$ dari volume tangki, dibanding 0,43 bila tekanan awal benar. Kapasitas tangki turun sekitar 37 persen, dan tangki 12 L hanya menampung 3,2 L dari 4,85 L.

Contoh 6: palu air saat katup searah menutup terlambat. Setelah pompa berhenti, kolom air berbalik dan mencapai 1,5 m/s sebelum katup searah ayun menutup. Dengan cepat rambat 1.200 m/s, $\Delta p = 1.000 \times 1.200 \times 1{,}5 = 1{,}8$ MPa atau 18 bar. Katup searah berpegas yang menutup sebelum aliran berbalik menurunkan kecepatan balik itu hampir ke nol.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada penanggung jawab peralatan, yang memutuskan kapan pekerjaan boleh dilanjutkan, bila:

1. Pipa buang katup pengaman akan ditutup, disumbat, dikecilkan, atau disambung ke pipa tertutup.
2. Katup pengaman menetes atau menyembur, atau tekanan dan suhu di pemanas melampaui pelat nama. Matikan sumber panas, buka keran air panas untuk membuang tekanan bila aman, dan cari penyebabnya.
3. Katup searah, pencegah aliran balik, atau katup penurun tekanan baru dipasang di hulu pemanas air tanpa tangki muai.
4. Katup akan dibongkar sebelum bagian jaringan diisolasi dan tekanan dibuang, atau pemanas akan dibuka sebelum listrik dan bahan bakar diisolasi dan airnya mendingin. Ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
5. Katup bola atau kupu-kupu akan ditutup cepat pada debit besar, atau katup gerbang dipakai setengah terbuka untuk mengatur debit.
6. Katup pengganti mempunyai kelas tekanan atau suhu yang lebih rendah daripada katup asli.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 10 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi tekanan pada instalasi RO memberi katup penurun tekanan dan palu air, Bab 5 tentang sistem penyediaan air bersih gedung memberi zona tekanan dan katup di kaki pipa tegak, dan Bab 4 tentang material pipa dan alat sambung memberi pemuaian pipa dan kelas tekanan pada suhu tinggi. Bab 11 tentang pencegahan aliran balik memberi alat yang membuat sistem tertutup, Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa memberi rugi katup di jalur terjauh, dan Bab 7 tentang fixture dan sambungan peralatan memberi katup solenoid dan palu air. Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase memberi dasar pemuaian termal, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi dasar kondisi berhenti. Bab 13 tentang air panas gedung memakai tangki muai dan katup pengaman dalam susunan pemanas, dan Bab 15 tentang pemeliharaan dan diagnosis plumbing memakai catatan katup.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.