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 tentang elemen kendali akhir; katup gedung, koefisien aliran dasar, dan katup pengaman suhu dan tekanan di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas tentang katup dan pengendalian air; rugi tekan di Bab 2; stasiun katup penurun tekanan uap di Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap; pemanasan tangki di Bab 8; udara dan kavitasi di jalur cairan di Bab 6; dan udara tekan untuk aktuator di Bab 7 · Utilitas. Ukuran dan data katup tertentu diambil dari pabrik; angka umum dalam bab ini adalah angka tipikal bidangnya, bukan data katup tertentu.

Katup kendali di dalam lup kendali

Katup kendali (control valve) 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. Dalam simulasi dinamis, pengendali dipakai untuk memodelkan katup kendali nyata pada proses, dan sebagian besar pompa sentrifugal dikendalikan dengan menghambat aliran memakai katup di sisi keluarannya. 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 tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi.

Badan, trim, dan jenis badan untuk modulasi

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. Katup bola dunia (globe valve) adalah katup untuk menghambat atau mengatur aliran, dan aktuator (actuator) adalah bagian bergerak yang, bila dioperasikan, menggerakkan elemen penutup.

Jenis badan yang dipakai untuk modulasi:

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: katup kupu-kupu kinerja tinggi dengan aktuator membran berpegas dipakai 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: contohnya dilengkapi trim peredam bising.
5. Katup diafragma: katup kendali diafragma dipakai 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 (flow coefficient) $K_v$ 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. Langkah pertama memilih ukuran katup adalah 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, 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 aliran dan otoritas katup

Karakteristik bawaan dan karakteristik terpasang

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

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. Pada sebagian aktuator listrik, karakteristik kurva dan penskalaan sinyal disetel dengan sakelar DIP, sehingga karakteristik dapat juga diubah di sisi penggerak.

Karakteristik terpasang (installed characteristic) 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. 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 (valve authority) adalah bagian rugi tekan sirkuit yang terjadi di katup ketika katup terbuka penuh pada debit rancangan:

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.

Untuk sistem air panas dengan banyak cabang, dua hal 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:

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.

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

Posisi gagal aman (fail-safe position) adalah posisi yang dituju katup 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 tentang elemen kendali akhir. Aturannya:

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.

Tidak ada satu jenis aktuator katup kendali yang terbaik untuk semua penggunaan; aktuator hidraulik dapat memberi torsi keluaran sampai 2.000 N·m, dan 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 (cavitation); bila tekanan hilir tetap di bawah tekanan uap, sebagian cairan berubah menjadi uap dan terjadi kilat (flashing), seperti di Bab 6 tentang udara dan gas di jalur cairan. Kavitasi adalah penyebab bising yang paling umum pada aliran cairan, dan ada trim peredam bising dan trim antikavitasi. Indikator sederhana kecenderungan kavitasi adalah:

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. Entalpi di masuk dan keluar katup pencekik sama, dan 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, perawatan, dan diagnosis

Kebocoran dudukan, paking batang, dan perawatan

Dua kebocoran berbeda harus dibedakan. Kebocoran dudukan (seat leakage) 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 tentang isolasi energi non-listrik. Kebocoran paking batang (stem packing leakage) adalah rembesan ke luar di sekitar batang; paking yang dikencangkan berlebihan menghentikan rembesan tetapi menambah gesekan sehingga katup tersendat. 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 tentang udara tekan.

Diagnosis katup kendali di lapangan

Urutan diagnosis lup yang berayun atau tidak mencapai nilai yang diminta; 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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: Kv dan otoritas 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, dipilih $K_{vs} = 10$, atau $C_v = 10/0{,}865 = 11{,}6$. 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 2: katup berukuran berlebih. Katup dengan $K_{vs} = 25$ dipakai untuk 6 m³/jam yang sama. Rugi tekannya saat terbuka penuh $(6/25)^2 = 0{,}0576$ bar, sehingga $N = 0{,}0576/(0{,}0576 + 0{,}8) = 0{,}067$. Katup linear seperti itu mengalirkan sebagian besar debit pada bukaan kecil.

Contoh 3: 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 4: 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 dari tabel uap di Bab 3 · Utilitas tentang sifat uap dan tabel uap. 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 5: 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 6: 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. $\sigma = (4{,}0 - 0{,}2)/(4{,}0 - 1{,}5) = 1{,}52$. 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 tentang isolasi energi non-listrik.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 62 · Kelistrikan & Kendali tentang elemen kendali akhir memberi aktuator, positioner, dan PID; Bab 12 · Bangunan & Fasilitas tentang katup dan pengendalian air memberi katup gedung dan koefisien aliran dasar; Bab 2 membahas rugi tekan; Bab 5 · Utilitas stasiun katup penurun tekanan uap; Bab 8 pemanasan tangki; Bab 6 kavitasi; dan Bab 7 · Utilitas udara tekan. Bab 3 tentang pompa dan titik kerja, Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik, dan Bab 3 · Utilitas tentang tabel uap juga dipakai di bab ini. Bab 11 tentang sambungan flens dan paking melanjutkan rak ini, tempat katup dipasang ke pipa.

Latihan dan pembahasan