Material pipa dan alat sambung: logam, plastik, kelas tekanan, pemuaian, ulir, solder, lem, press, dan fusi

Sebuah hotel menambah dua mesin cuci di ruang laundry dan meminta tukang membuat jalur air panas baru dari pemanas di atap. Supaya cepat dan murah, tukang memakai pipa PVC putih yang sama dengan jalur air dingin, disambung dengan lem. Dua bulan kemudian pipa itu melendut di antara klem, dan dua sambungan lem merembes. Di jalur air dingin yang lama, teknisi menemukan karat tebal tepat di titik pipa baja galvanis lama disambung langsung ke pipa tembaga baru, padahal kedua pipa itu sendiri masih tampak baik.

Kedua kerusakan itu tidak disebabkan pipa yang cacat. Pipa dan sambungannya dipilih tanpa memperhatikan layanannya: suhu air, tekanan, pemuaian, dan pasangan logam. Bab ini memberi dasar untuk memilih pipa dan cara menyambungnya, serta untuk mengenali pilihan yang salah sebelum terjadi kebocoran.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pemilihan pipa menurut layanan, pipa logam, pipa plastik, kelas tekanan dan pengaruh suhu, pemuaian, sambungan ulir, solder dan brazing, lem pelarut, press dan tekan, fusi dan flens, serta sambungan antarbahan.

Bab 3 tentang pengeboran, material ubin, dan plumbing dasar sudah memberi gambaran umum material dan sambungan secara kualitatif, dan Bab 9 · Air & Pengolahan Air tentang hidrolika jalur air unit RO membahas selang dan pipa kecil di unit RO. Bab ini menambah sisi kuantitatifnya: kelas tekanan, pemuaian, dan beban. Pemuaian termal diambil dari Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, korosi galvanik dari Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia, dan sifat polimer dari Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer. Rugi tekan di pipa dibahas di Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan, dan sistem distribusi air bersih yang memakai pipa ini di Bab 5 tentang sistem penyediaan air bersih gedung. Tabel kelas tekanan, faktor penurunan terhadap suhu, jarak penyangga, waktu pengeringan lem, dan prosedur sambungan untuk produk tertentu tidak disalin; angka itu diambil dari pabrik pipa dan ketentuan yang berlaku.

Memilih pipa dimulai dari layanannya

Pipa tidak dipilih dari harga atau kebiasaan, tetapi dari layanan yang harus dijalankannya. Pertanyaan pertama selalu sama:

1. Fluida apa? Air minum, air panas, air buangan, udara ven, air hujan, atau larutan kimia.
2. Pada suhu berapa? Air dingin, air panas pemakaian, air sirkulasi, atau air bilas mesin yang dapat mendekati 85 °C.
3. Pada tekanan berapa? Tekanan kerja, tekanan tertinggi saat pompa bekerja atau katup menutup, dan tekanan uji.
4. Di lingkungan apa? Di dalam dinding, di ruang mesin yang panas, di luar terkena sinar matahari, di bawah tanah, atau dekat bahan kimia.
5. Bagaimana disambung dan dirawat? Alat dan keterampilan yang tersedia, akses untuk perbaikan, dan suku cadang.

Sambungan harus mampu menahan tekanan terbesar yang dapat bekerja padanya. Prinsip ini juga berlaku untuk pipanya: kelas tekanan yang dipilih harus memperhitungkan suhu dan lonjakan tekanan, bukan hanya tekanan rata-rata. Pada kasus pembuka, pipa PVC dipilih seolah-olah layanannya air dingin, padahal suhunya air panas.

Pipa logam: tembaga, baja galvanis, besi cor, dan baja tahan karat

Tembaga. Pipa tembaga dibuat dalam tiga ketebalan dinding: tipe K yang paling tebal untuk saluran servis bawah tanah, tipe L yang umum untuk air bersih di dalam gedung, dan tipe M yang paling tipis untuk pemakaian ringan di atas tanah. Pipa suplai rumah yang lebih baru umumnya dari tembaga. Tembaga tahan suhu air panas, mudah disolder, dan tahan lama pada air yang tidak agresif, tetapi dapat terkikis oleh aliran terlalu cepat, seperti dibahas di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia.

Baja galvanis. Pipa baja galvanis (galvanized steel pipe) adalah pipa besi berlapis seng. Pipa ini banyak dipakai di instalasi lama karena tahan benturan, tetapi berkarat ketika lapisan sengnya habis, dan baja galvanis lama dapat sulit diperbaiki. Karat di dalam pipa mempersempit lubang dan menurunkan debit, dan sambungan ulir adalah titik yang paling cepat rusak.

Besi cor dan besi ulet. Pipa besi cor dipakai untuk saluran sanitasi, buangan, ven, dan air hujan, sedangkan pipa besi ulet dipakai untuk air minum dan saluran pembuangan di bawah tanah. Besi cor berat tetapi kedap suara, sehingga sering dipakai untuk pipa tegak buangan di gedung.

Baja tahan karat. Dipakai untuk air panas, air proses, dan ruang dapur atau laundry yang lembap dan bersentuhan dengan bahan kimia. Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia mengingatkan bahwa baja tahan karat tidak kebal karat, terutama di celah dan pada air berklorida.

Pipa plastik: PVC, CPVC, ABS, PPR, PE, PEX, dan multilapis

Pipa plastik plumbing terdiri atas beberapa keluarga:

1. PVC: untuk air dingin dan sistem buangan, ven, dan air hujan, tetapi tidak untuk air panas. Harganya jauh lebih murah daripada besi dan tembaga.
2. CPVC: PVC yang diklorinasi lebih lanjut, tahan suhu lebih tinggi, sehingga dapat dipakai untuk air panas dan dingin.
3. ABS: khusus untuk saluran buangan dan ven.
4. PPR (polipropilena acak): dipakai untuk air dingin dan air panas bertekanan, misalnya dengan kelas 20 kg/cm² pada 20 °C.
5. PE dan HDPE: lentur, untuk air dingin di bawah tanah dan luar ruang. Potongan pipa PE disambung dengan fitting PVC bergerigi yang diikat klem baja tahan karat, bukan dilem.
6. PEX (polietilena berikatan silang): lentur, untuk air panas dan dingin. Sambungannya dibuat dengan selongsong press baja tahan karat atau cincin crimp.
7. Pipa multilapis: lapisan polimer dengan inti aluminium; lebih kaku dan memuai lebih sedikit daripada plastik murni, tetapi fitting harus dari sistem yang sama.

Suhu transisi gelas (glass transition temperature) adalah suhu ketika plastik kaku mulai melunak. Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer menjelaskan mengapa PVC melunak di dekat suhu transisi gelasnya sekitar 80 °C, sedangkan CPVC dan PPR bertahan lebih tinggi. Itulah penyebab pipa PVC di kasus pembuka melendut.

Kelas tekanan dan pengaruh suhu

Kelas tekanan (pressure rating) adalah tekanan kerja yang diizinkan untuk pipa pada suhu acuannya. Kekuatan pipa terhadap tekanan dalam ditentukan oleh perbandingan tebal dinding dengan diameter. Untuk dinding tipis, rumus Barlow memberi tekanan yang menghasilkan tegangan dinding tertentu:

$p = \frac{2\,S\,t}{D}$

dengan $p$ tekanan dalam dan $S$ tegangan izin bahan dalam satuan tekanan yang sama, misalnya MPa, serta $t$ tebal dinding dan $D$ diameter luar dalam satuan panjang yang sama. Tegangan izin (allowable stress) adalah tegangan dinding terbesar yang boleh diterima bahan dalam pemakaian. Dinding yang lebih tipis, seperti tembaga tipe M dibanding tipe L, memberi kelas tekanan lebih rendah pada diameter yang sama (Contoh 2).

Pipa plastik sering dinyatakan dengan SDR. SDR (standard dimension ratio) adalah diameter luar pipa dibagi tebal dindingnya. SDR yang kecil berarti dinding tebal dan kelas tekanan tinggi. Untuk pipa PE, hubungan baku antara SDR, kekuatan bahan, dan kelas tekanan adalah:

$\text{PN} = \frac{20\,\sigma_s}{\text{SDR} - 1}$

dengan $\sigma_s$ tegangan rancang bahan dalam MPa dan PN kelas tekanan nominal dalam bar (Latihan 2).

Kelas tekanan pipa plastik dinyatakan pada suhu acuan, biasanya 20 °C. Ketika suhu naik, kekuatan jangka panjang plastik turun, sehingga tekanan izin juga turun. Pabrik pipa memberikan tabel faktor penurunan terhadap suhu dan umur pakai. Faktor penurunan (derating factor) adalah pengali kelas tekanan untuk suhu dan umur pakai tertentu; tekanan izin pada suhu itu adalah kelas tekanan dikali faktornya. Contoh 3 menunjukkan cara memakainya.

Satuan tekanan di lapangan beragam: bar, kPa, MPa, psi, dan kg/cm². Satu kg/cm² sama dengan 98,07 kPa, sekitar 0,98 bar, sehingga kelas 20 kg/cm² sama dengan $20 \times 98{,}07 = 1.961$ kPa, yaitu 19,6 bar atau sekitar 284 psi. Tekanan pada data pipa adalah tekanan ukur, seperti dibahas di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis.

Pemuaian pipa dan cara menampungnya

Pipa memuai ketika dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan, sebesar $\Delta L = \alpha L \Delta T$, seperti di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, dengan $\alpha$ koefisien muai panjang dalam 1/K, $L$ panjang pipa, dan $\Delta T$ perubahan suhu dalam K. Koefisien muai PVC sekitar $30 \times 10^{-6}$ per °F, jauh lebih besar dari baja karbon yang sekitar $6{,}33 \times 10^{-6}$ per °F, yaitu sekitar $54 \times 10^{-6}$ dan $11{,}4 \times 10^{-6}$ per K. Koefisien muai tembaga sekitar $17 \times 10^{-6}$ per K. Plastik memuai beberapa kali lebih besar daripada logam.

Bila pemuaian ditahan, misalnya pipa dijepit kaku di dua ujung, pipa menerima tegangan $\sigma = E\,\alpha\,\Delta T$, dengan $E$ modulus elastisitas bahan. Pada baja tegangan ini besar karena modulus elastisitasnya tinggi: dengan $E = 200$ GPa, kenaikan 40 K, misalnya, memberi $200.000 \times 11{,}4 \times 10^{-6} \times 40 \approx 91$ MPa. Pada PVC dengan $E$ sekitar 3 GPa, kenaikan yang sama memberi $3.000 \times 54 \times 10^{-6} \times 40 \approx 6{,}5$ MPa. Angka PVC tampak kecil, tetapi kekuatan jangka panjang PVC juga jauh lebih kecil dan turun pada suhu tinggi; tergantung suhunya, tegangan pada pipa PVC dapat melampaui tegangan izinnya.

Pipa tegak panjang di gedung tinggi berisiko menerima tegangan besar akibat pemuaian bila tidak diberi belokan atau lengkung muai. Lengkung muai (expansion loop) adalah bagian pipa yang dibelokkan agar pemanjangan diserap oleh lenturan pipa. Jangkar (anchor) dipasang untuk menahan sistem pipa terhadap pemuaian dan penyusutan, dan pemandu muai (expansion guide) dipakai bila arah pemuaian penting.

Pemuaian ditampung dengan tiga cara: belokan atau lengkung muai yang lentur, sambungan muai, dan penyangga yang membiarkan pipa bergeser di antara titik jangkar. Klem yang dikencangkan terlalu rapat pada pipa plastik air panas, seperti di kasus pembuka, membuat pipa melendut di antara klem.

Cara menyambung pipa

Sambungan ulir

Pipa besi hitam umumnya diulir di ujungnya untuk menerima fitting berulir dalam. Ulir pipa dibuat tirus (tapered thread), sehingga sambungan makin rapat ketika dikencangkan. Tekanan mekanis ulir saja tidak cukup mencegah bocor, sehingga diperlukan penyekat seperti pita PTFE yang dililitkan searah ulir atau pasta sambungan; pasta sambungan juga dioleskan pada ulir katup atau mur tekan.

Ulir mengurangi tebal dinding pipa di bagian itu, sehingga hanya pipa berdinding tebal yang boleh diulir. Pada pipa plastik, hanya PVC dan CPVC Schedule 80 atau yang lebih tebal yang cocok untuk diulir. Kesalahan umum pada sambungan ulir adalah terlalu kencang sampai fitting retak, pita PTFE dililit berlawanan arah sehingga terlepas saat dikencangkan, dan serpihan pita yang masuk ke katup.

Sambungan solder dan brazing pada tembaga

Pipa tembaga disambung dengan solder atau brazing. Fitting solder ada dua jenis: fitting bercincin solder yang sudah berisi solder, dan fitting ujung terbuka yang memerlukan kawat solder terpisah; keduanya mensyaratkan permukaan pipa dan fitting bersih dari kotoran dan minyak. Pipa tembaga disolder dengan obor propana, dan sambungan yang disolder dengan benar menunjukkan alur tipis solder di sekeliling bibir fitting.

Solder lunak (soft solder) adalah logam pengisi yang meleleh pada suhu rendah, dan sambungannya cukup untuk air bersih. Brazing adalah penyambungan dengan logam pengisi bersuhu leleh lebih tinggi, yang menghasilkan sambungan lebih kuat dan tahan panas. Menurut praktik perancangan Amerika Serikat, semua pipa tembaga pada sistem pipa tegak pemadam kebakaran harus dibrazing. Untuk air minum, solder dan fluks harus bebas timbal sesuai ketentuan yang berlaku.

Sambungan lem pelarut pada PVC dan CPVC

Lem pelarut (solvent cement) adalah lem yang melarutkan permukaan pipa dan fitting sehingga keduanya menyatu ketika pelarut menguap. Pipa dimasukkan ke fitting sampai rapat ke dasar soket. Suhu udara adalah pertimbangan penting saat mengelem pipa PVC: udara dingin memperlambat pengeringan, dan udara panas membuat lem mengering sebelum pipa terpasang penuh.

Lem PVC dan lem CPVC berbeda, dan primer dipakai bila pabrik mensyaratkannya. Waktu sebelum sambungan boleh diberi tekanan bergantung pada ukuran pipa, suhu, dan kelembapan, dan diambil dari petunjuk pabrik lem. Sambungan lem pada kasus pembuka gagal karena dua hal sekaligus: pipa PVC tidak cocok untuk air panas, dan sambungan yang terus memuai dan menyusut membebani lem.

Sambungan press, tekan, dan klem

Sambungan mekanis tidak memerlukan api atau lem. Sambungan tekan (compression joint) adalah sambungan yang memakai cincin logam yang terjepit mur pada pipa. Sambungan press (press fitting) adalah sambungan yang memakai fitting yang dijepit dengan alat press khusus; pada PEX, yang dijepit adalah selongsong press baja tahan karat atau cincin crimp. Sambungan dorong (push-fit) mengandalkan cincin-O dan gigi penahan di dalam fitting; pipa harus dimasukkan penuh sampai menyentuh batas di dalam fitting agar kedap.

Sambungan mekanis cepat dan bersih, tetapi bergantung pada cincin-O atau segel elastomer di dalamnya. Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer menjelaskan bahwa segel itu harus cocok dengan suhu dan air yang dialirkan. Alat press dan fitting harus dari sistem yang sama; mencampur merek dapat memberi sambungan yang tampak rapat tetapi tidak tahan tekanan.

Sambungan fusi dan flens

Fusi (fusion) adalah penyambungan pipa plastik dengan memanaskan permukaan pipa dan fitting memakai alat pemanas sampai meleleh, lalu menekannya menyatu dan membiarkannya dingin; pipa PPR dan PE disambung dengan cara ini. Fusi soket dipakai untuk PPR ukuran kecil, fusi ujung dan elektrofusi untuk PE ukuran besar. Sambungan fusi yang benar sekuat pipanya sendiri, tetapi bergantung pada suhu alat, waktu pemanasan, dan kebersihan, sehingga mengikuti tabel pabrik alat.

Sambungan flens (flanged joint) adalah sambungan dua piringan yang dibaut dengan gasket di antaranya, dipakai pada pipa besar, pompa, dan katup. Gasket dibuat dari komposisi berkaret, karet, komposisi asbes, dan tembaga; gasket berasbes adalah warisan instalasi lama yang memerlukan penanganan khusus. Baut flens dikencangkan bersilang dan bertahap agar gasket tertekan merata.

Sambungan antarbahan

Sambungan antara dua bahan berbeda memerlukan adaptor yang dirancang untuk keduanya. Tiga aturan penting:

1. Logam berbeda. Baja galvanis yang disambung langsung ke tembaga membentuk sel galvanik, dan baja di sambungan terkorosi lebih cepat, seperti di kasus pembuka dan Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia. Sambungan dielektrik (dielectric union) adalah sambungan yang memutus jalur listrik di antara keduanya.
2. Plastik ke logam. Ulir plastik ke ulir logam mudah retak bila dikencangkan berlebihan; adaptor transisi dengan ulir logam di sisi logam lebih aman.
3. Plastik dekat sumber panas. PEX dilarang disambung langsung ke pemanas air, karena bagian pipa terdekat menerima suhu tertinggi; petunjuk pabrik pemanas biasanya mensyaratkan potongan pipa logam lebih dulu.

Contoh kerja

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

Contoh 1: pemuaian pipa tegak air panas. Pipa tegak 30 m dengan kenaikan suhu 40 K. Tembaga ($17 \times 10^{-6}$ per K): $30.000 \times 17 \times 10^{-6} \times 40 = 20{,}4$ mm. Baja ($11{,}4 \times 10^{-6}$): 13,7 mm. Plastik dengan $54 \times 10^{-6}$ per K: 64,8 mm. Pipa plastik itu memerlukan ruang muai lebih dari tiga kali tembaga.

Contoh 2: rumus Barlow. Pipa logam berdiameter luar 22 mm dengan tegangan izin 41 MPa. Dinding 0,9 mm: $p = 2 \times 41 \times 0{,}9/22 = 3{,}35$ MPa, sekitar 34 bar. Dinding 0,6 mm: $2 \times 41 \times 0{,}6/22 = 2{,}24$ MPa, sekitar 22 bar. Dinding yang sepertiga lebih tipis memberi kelas tekanan sepertiga lebih rendah.

Contoh 3: penurunan kelas tekanan terhadap suhu. Pipa PPR kelas PN20 pada 20 °C. Bila tabel pabrik memberi faktor 0,50 pada 70 °C dan 0,35 pada 90 °C, tekanan izinnya 10 bar dan 7 bar. Jalur air panas 70 °C dengan tekanan kerja 6 bar masih di bawah 10 bar, tetapi lonjakan tekanan saat katup menutup harus ikut diperhitungkan.

Contoh 4: volume air di dalam pipa. Pipa 50 m dengan diameter dalam 25 mm: $\pi/4 \times 0{,}025^2 \times 50 = 0{,}0245$ m³, yaitu 24,5 L. Bila pembilasan memerlukan tiga kali volume pipa, air yang dibuang sekitar 74 L.

Contoh 5: beban pada penyangga. Pipa baja berdiameter nominal 50 mm bermassa sekitar 5,4 kg/m dengan diameter dalam sekitar 53 mm. Air di dalamnya $\pi/4 \times 0{,}053^2 \times 1.000 = 2{,}2$ kg/m, sehingga total 7,6 kg/m. Bila penyangga berjarak 3 m, setiap penyangga menahan $7{,}6 \times 3 \times 9{,}81 = 224$ N, belum termasuk katup dan insulasi.

Contoh 6: memilih pipa untuk jalur air panas 70 °C. PVC tidak cocok karena melunak mendekati 80 °C. CPVC, PPR dengan kelas yang memadai setelah penurunan suhu, PEX, multilapis, atau tembaga dapat dipakai. Bila jalurnya panjang dan lurus, pemuaian plastik (Contoh 1) memerlukan lengkung muai dan penyangga geser. Pilihan akhir ditentukan oleh tabel pabrik pada 70 °C dan tekanan tertinggi sistem.

Kondisi berhenti

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

1. Pipa akan dipotong atau dibuka tanpa menutup katup, membuang tekanan, dan menguras air di jalurnya, atau jalur yang akan dibuka belum dipastikan bukan pipa gas, sprinkler, atau bahan kimia.
2. Pipa plastik akan dipasang di jalur air panas, di dekat pemanas, atau di bawah sinar matahari tanpa memeriksa kelas suhu dan tekanannya.
3. Pekerjaan solder atau brazing dengan obor akan dilakukan di dekat bahan mudah terbakar, insulasi, atau tanpa alat pemadam di dekatnya. Ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
4. Gasket atau insulasi lama yang mungkin mengandung asbes akan dikerok, dipotong, atau digerinda.
5. Sambungan lem atau fusi akan diberi tekanan sebelum waktu yang disyaratkan pabrik.
6. Fitting atau alat press dari sistem yang berbeda akan dicampur, atau ulir plastik akan dikencangkan dengan kunci pipa sampai berbunyi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 tentang pengeboran, material ubin, dan plumbing dasar memberi gambaran umum material dan sambungan, dan Bab 9 · Air & Pengolahan Air tentang hidrolika jalur air unit RO membahas selang dan pipa unit RO. Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal memberi koefisien muai, Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia menjelaskan sel galvanik dan sambungan dielektrik, dan Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer menjelaskan sifat plastik dan segel. Tekanan ukur dibahas di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis, rugi tekan di pipa di Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan, utilitas gedung secara umum di Bab 2 tentang HVAC, kelistrikan, plumbing, dan pemeliharaan fasilitas, dan kondisi berhenti di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti. Bab 5 tentang sistem penyediaan air bersih gedung memakai bahan pipa ini dalam sistem distribusi.

Latihan dan pembahasan

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