Sambungan flens dan paking: rating tekanan, muka flens, jenis paking, baut dan urutan pengencangan, penyebab bocor, dan uji tekan sistem proses

Sebuah laundry rumah sakit mengganti saringan uap di depan setrika gulungnya. Saringan baru disambung dengan flens ke pipa uap yang bertekanan sekitar 8 bar. Seminggu kemudian, sambungan itu kembali merembeskan uap, dan bekas embun di lantai mulai menimbulkan karat pada rangka setrika. Catatan pekerjaan menunjukkan beberapa hal: paking lama dipakai ulang karena tampak masih utuh; flens saringan baru berstandar berbeda dengan flens pipa sehingga dua baut harus dipaksa masuk; baut dikencangkan dengan kunci tumbuk berurutan memutar; dan setelah perbaikan, pipa diuji dengan udara tekan sampai 12 bar.

Teknisi utilitas yang memeriksa menemukan celah flens yang tidak sejajar, satu sisi rapat dan sisi lain renggang hampir satu milimeter, dan muka flens yang tergores di bagian dalam paking. Bab ini menjelaskan mengapa sambungan flens bocor, bagaimana memilih dan memasang paking dan baut, dan bagaimana menguji sambungan tanpa membahayakan orang.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sambungan flens pada pipa air, air panas, uap, udara tekan, dan bahan kimia di laundry, dapur, dan ruang utilitas: bagian dan jenis flens, rating tekanan, muka flens, paking, baut, urutan pengencangan, penyebab bocor, pembukaan sambungan, dan uji tekan. Rating, dimensi, torsi, dan tekanan uji yang mengikat diambil dari standar, manual pabrik, dan prosedur tempat kerja; isi tabel standar tidak disalin di bab ini.

Kelas kekuatan baut, torsi, dan prapenegangan secara umum ada di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir; material pipa dan sambungan pipa gedung di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas; uji tekan instalasi plumbing di Bab 14 · Bangunan & Fasilitas tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing; muai dan penyangga pipa di Bab 9; distribusi uap di Bab 5 · Utilitas; isolasi energi non-listrik di Bab 4 · Keselamatan; dan bahaya uap dan permukaan panas di Bab 8 · Keselamatan.

Bagian sambungan dan jenis flens

Sambungan flens (flanged joint) adalah sambungan pipa yang terdiri atas dua flens, paking di antaranya, dan baut atau baut tanam dengan mur yang menjepit keduanya. Dua pipa disambung ujung ke ujung dengan paking di antaranya, dan sambungan itu harus mampu menahan tekanan terbesar yang mungkin bekerja padanya. Beberapa jenis flens dipakai untuk penggunaan yang berbeda, dan untuk keperluan rancangan flens dibagi menjadi flens integral dan flens lepas.

Jenis yang umum dijumpai teknisi adalah sebagai berikut.

1. Flens leher las: dilas ujung ke ujung dengan pipa; kuat untuk tekanan dan suhu tinggi.
2. Flens selip: pipa dimasukkan lalu dilas di dalam dan di luar; murah dan banyak dipakai pada tekanan sedang.
3. Flens ulir: disekrup ke pipa; untuk pipa kecil tanpa pengelasan.
4. Flens buta: menutup ujung pipa atau lubang.
5. Flens lepas dengan ujung lipat: flens dapat diputar sehingga lubang baut mudah diselaraskan.

Rating tekanan dan kecocokan flens

Flens dibuat menurut standar, misalnya seri PN di standar Eropa atau kelas 150, 300, dan seterusnya di standar Amerika. Dimensi baku flens leher las disusun berdasarkan ASME B16.5, dan flens serta baut untuk pipa, katup, dan fitting mempunyai standarnya sendiri. Rating tekanan (pressure rating) adalah tekanan kerja yang diizinkan sebuah flens menurut standarnya, untuk bahan dan suhu tertentu. Dua hal penting bagi teknisi:

1. Rating turun ketika suhu naik. Tekanan kerja yang diizinkan sebuah flens bergantung pada bahan dan suhunya; flens yang cukup untuk air dingin pada tekanan tertentu dapat tidak cukup untuk uap pada tekanan yang sama. Nilai yang berlaku dibaca dari tabel tekanan dan suhu standar.
2. Flens berbeda standar tidak saling cocok. Lingkar baut, jumlah baut, dan diameter baut berbeda, walaupun ukuran nominal pipanya sama. Memaksa baut masuk melalui lubang yang tidak segaris, seperti di kasus pembuka, membuat flens tertarik miring dan paking tertekan tidak rata.

Katup, saringan, dan alat baru diperiksa standar dan rating flensnya sebelum dipesan, dan rating itu dicocokkan dengan tekanan dan suhu kerja tertinggi jalur pipa.

Muka flens

Jenis muka flens dibedakan menjadi muka penuh, paking di dalam lingkar baut, sambungan cerat dan soket, dan sambungan cincin. Dalam praktik, ketiga bentuk yang paling sering dijumpai adalah sebagai berikut.

1. Muka penuh: paking menutup seluruh muka sampai keluar dari lingkar baut; dipakai pada flens besi tuang dan plastik yang dapat retak bila dibengkokkan.
2. Muka timbul: paking hanya duduk di cincin timbul di dalam lingkar baut, sehingga tekanan baut terpusat di paking.
3. Cerat dan soket, dan cincin: untuk tekanan tinggi dan paking logam.

Flens muka penuh tidak boleh dipasangkan dengan flens muka timbul tanpa penyesuaian, karena flens muka penuh dapat retak saat baut dikencangkan. Muka flens juga harus bersih dan tidak tergores melintang; goresan dari dalam ke luar menjadi jalur bocor yang tidak tertutup paking.

Jenis paking dan pemilihannya

Paking (gasket) adalah lapisan bahan yang dijepit di antara dua muka flens dan, setelah ditekan baut, mengisi kekasaran muka flens sehingga cairan atau gas tidak lolos. Paking harus tahan tekanan, suhu, dan serangan fluida di dalam pipa, dan beberapa bahan paking yang umum sudah mempunyai data rancangan. Jenis yang sering dijumpai adalah sebagai berikut.

1. Elastomer seperti EPDM dan karet nitril: air dingin dan air panas sedang; EPDM tidak cocok untuk minyak, nitril tidak cocok untuk uap.
2. Serat terkompresi bebas asbes: air, uap tekanan rendah sampai sedang, dan banyak bahan kimia.
3. PTFE: bahan kimia agresif, tetapi dapat mengalir dingin di bawah beban sehingga baut perlu diperiksa.
4. Grafit: suhu tinggi dan uap.
5. Lilit spiral: logam dan pengisi dililit spiral, untuk tekanan dan suhu tinggi; paking lilit spiral juga umum di sisi media sebuah katup.

Paking dapat dibuat dari komposisi berkaret, karet, komposisi asbes, dan tembaga. Paking asbes tidak lagi dipakai, tetapi masih dapat ditemukan di instalasi lama. Paking lama yang mungkin mengandung asbes tidak dikerok atau digerinda kering; penanganannya mengikuti prosedur bahan berbahaya, seperti Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi. Paking hampir selalu sekali pakai: setelah dikencangkan dan dipanaskan, bahannya sudah tertekan permanen dan tidak lagi memberi tegangan yang cukup bila dipakai ulang. Pilihan akhir paking untuk satu jalur dibuat menurut data pabrik paking.

Gaya baut dan tegangan paking

Baut flens harus memberi dua gaya: gaya untuk menekan paking sampai tegangan dudukan minimumnya, agar paking mengisi kekasaran muka flens; dan gaya untuk melawan tekanan fluida yang mendorong flens terpisah, sambil menyisakan tekanan cukup pada paking. Tegangan dudukan paking (gasket seating stress) adalah tekanan minimum yang harus diterima paking agar bahannya mengisi kekasaran muka flens. Gaya dorong tekanan pada lingkar paking berdiameter $D_g$ adalah:

dengan $F_p$ gaya dorong tekanan (N), $p$ tekanan fluida (Pa), dan $D_g$ diameter rata-rata lingkar paking (m). Gaya dudukan paking adalah tegangan dudukan paking dikalikan luas paking. Jarak baut harus dipilih untuk memberi tekanan paking yang seragam.

Prapenegangan (preload) adalah gaya tarik di baut yang timbul ketika baut dikencangkan dan menjepit sambungan. Gaya yang diberikan setiap baut berasal dari prapenegangannya, yang dihubungkan dengan torsi seperti di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir:

dengan $F_\text{baut}$ gaya per baut (N), $T$ torsi (N·m), $d$ diameter nominal baut (m), dan $K$ faktor gesek tanpa satuan yang bergantung pada pelumasan dan keadaan ulir, sekitar 0,2 untuk ulir bersih berpelumas dan lebih besar untuk ulir kering atau berkarat. Akibatnya penting: torsi yang sama pada baut berkarat memberi gaya jepit jauh lebih kecil.

Urutan dan torsi pengencangan

Urutan pengencangan menentukan apakah paking tertekan rata. Prosedur yang mengikat berasal dari pabrik paking dan prosedur tempat kerja; langkah umumnya sebagai berikut.

1. Bersihkan muka flens, periksa goresan, dan pastikan kedua flens sejajar dan sesumbu tanpa ditarik paksa. Flens pipa dibuka cukup lebar agar katup dan paking dapat dipasang, tetapi sambungan yang hanya dapat ditutup dengan menarik pipa menunjukkan masalah penyangga atau muai, seperti di Bab 9 tentang muai, penyangga, dan getaran pipa.
2. Pasang paking baru di tengah, tanpa lem atau gemuk kecuali diminta pabrik paking.
3. Pasang baut dan mur dengan ulir bersih dan berpelumas, lalu kencangkan dengan tangan.
4. Kencangkan dengan pola silang atau bintang dalam beberapa putaran: misalnya 30, 60, lalu 100 persen torsi akhir.
5. Lakukan satu putaran melingkar pada torsi akhir untuk memeriksa, karena baut yang dikencangkan awal sudah sedikit kendur oleh baut berikutnya.
6. Ukur celah flens di beberapa titik; celah yang berbeda menunjuk paking tertekan tidak rata.

Kunci tumbuk yang memutar berurutan, seperti di kasus pembuka, menekan satu sisi paking sebelum sisi lain, sehingga flens miring dan paking pecah di sisi yang paling rapat.

Penyebab bocor

Penyebab bocor sambungan flens yang paling umum adalah sebagai berikut.

1. Gaya baut tidak cukup: torsi kurang, ulir kering atau berkarat, atau baut berbeda panjang dan kelas.
2. Paking salah atau dipakai ulang: bahan tidak cocok dengan suhu atau fluida, ukuran salah, atau sudah tertekan permanen.
3. Flens tidak sejajar atau ditarik paksa oleh pipa yang tidak tertumpu atau tertahan muai.
4. Muka flens rusak: goresan melintang, korosi, atau sisa paking lama.
5. Relaksasi dan siklus panas: paking dan baut mengendur setelah pemanasan dan pendinginan berulang, terutama pada uap dan air panas.
6. Getaran dan palu air, seperti di Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat.

Pengencangan ulang baut flens yang sedang bertekanan atau panas bukan perbaikan; bila sambungan bocor, sistem diisolasi dan sambungan dibuka, seperti di bagian berikut.

Membuka sambungan flens dengan aman

Membuka flens adalah membuka sistem bertekanan, sehingga mengikuti isolasi energi di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik: isolasi kedua sisi, buang tekanan, kuras, dinginkan, dan buktikan tekanan nol dengan manometer dan katup pembuang. Langkah praktis yang umum adalah sebagai berikut: baut di sisi yang menjauhi tubuh dilonggarkan lebih dulu, sehingga bila masih ada tekanan atau cairan tersisa, semburan keluar menjauhi pekerja; flens dibuka sedikit dengan baut masih terpasang longgar; dan setelah pasti aman, baut dilepas seluruhnya. Uap dan kondensat panas dapat tersisa di kantong pipa; bahayanya dibahas di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas. APD mengikuti fluida dan suhunya, seperti di Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri.

Uji tekan sistem proses

Setelah sambungan baru atau perbaikan besar, sistem diuji tekan sebelum dipakai. Untuk pipa PVC yang mengalirkan air ada standar uji tekan tersendiri, dan uji tekan instalasi plumbing gedung dijelaskan di Bab 14 · Bangunan & Fasilitas tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing. Uji hidrostatik (hydrostatic test) adalah uji tekan dengan air, sedangkan uji pneumatik (pneumatic test) adalah uji tekan dengan udara atau gas. Untuk sistem proses, tekanan uji, lama tahan, dan kriteria diambil dari standar dan prosedur tertulis; pokok-pokoknya sebagai berikut.

1. Uji hidrostatik dengan air adalah cara yang dipilih. Tekanan uji sering sekitar 1,5 kali tekanan rancangan, dan ditahan selama waktu tertentu sambil sambungan diperiksa.
2. Uji pneumatik dengan udara atau gas jauh lebih berbahaya, karena gas yang dimampatkan menyimpan energi yang jauh lebih besar daripada air pada tekanan yang sama. Bila pipa atau sambungan gagal, energi itu dilepas sebagai ledakan dan pecahan. Uji pneumatik hanya dilakukan bila uji air tidak mungkin, dengan prosedur tertulis, tekanan yang dibatasi, daerah terlarang, dan persetujuan orang yang berwenang.
3. Udara dikeluarkan dari pipa sebelum uji hidrostatik, karena kantong udara menyimpan energi dan membuat penurunan tekanan sulit dibaca.
4. Alat yang tidak tahan tekanan uji, seperti katup pengaman, manometer kecil, dan alat ukur, dilepas atau diisolasi.

Menguji pipa uap dengan udara tekan 12 bar seperti di kasus pembuka adalah kesalahan prosedur, bukan penghematan waktu.

Membaca hasil uji juga perlu hati-hati. Tekanan air di pipa tertutup berubah bila suhunya berubah: air yang dipanaskan matahari atau didinginkan malam hari menaikkan atau menurunkan tekanan tanpa ada kebocoran, karena air hampir tidak dapat dimampatkan dan pipa ikut memuai. Karena itu suhu air dicatat bersama tekanan di awal dan akhir masa tahan, manometer yang dipakai berskala sesuai dan terkalibrasi, dan setiap sambungan diperiksa langsung, bukan hanya angka manometer. Hasil uji ditulis bersama tekanan, lama tahan, suhu, alat ukur, dan nama pemeriksa, seperti catatan uji di Bab 14 · Bangunan & Fasilitas.

Contoh kerja

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

Contoh 1: gaya dudukan paking. Paking bergaris luar 152 mm dan dalam 89 mm berluas $\pi(0{,}152^2 - 0{,}089^2)/4 = 0{,}0119$ m². Dengan tegangan dudukan 20 MPa (nilai bahan yang sebenarnya diambil dari pabrik paking), gaya dudukan $20 \times 10^6 \times 0{,}0119 = 238.000$ N, sekitar 29.800 N per baut untuk delapan baut.

Contoh 2: torsi dan prapenegangan. Baut M16 dikencangkan 120 N·m. Dengan $K = 0{,}2$, gaya per baut $120/(0{,}2 \times 0{,}016) = 37.500$ N, total untuk delapan baut 300 kN, di atas gaya dudukan 238 kN pada Contoh 1. Dengan ulir kering berkarat, $K = 0{,}3$, gaya per baut hanya 25.000 N dan totalnya 200 kN, di bawah gaya dudukan, sehingga paking dapat bocor walaupun torsinya "sudah sesuai".

Contoh 3: rating pada suhu tinggi. Flens berseri PN10 dipakai untuk uap 10 bar pada suhu jenuhnya sekitar 184 °C. Bila tabel standar memberi tekanan izin sekitar 80 persen dari nilai PN pada suhu itu, tekanan izinnya sekitar 8 bar, di bawah tekanan kerja. Flens berating lebih tinggi dipakai.

Contoh 4: urutan bintang delapan baut. Baut diberi nomor melingkar 1 sampai 8. Urutan silang yang umum adalah 1, 5, 3, 7, 2, 6, 4, 8. Dengan torsi akhir 120 N·m, putaran pertama 40 N·m, kedua 80 N·m, ketiga 120 N·m, lalu satu putaran melingkar pada 120 N·m.

Contoh 5: celah flens. Celah diukur di empat titik: 2,8; 2,9; 3,6; dan 3,7 mm. Selisih 0,9 mm menunjukkan flens miring. Baut di sisi celah lebar dikencangkan bertahap sampai selisihnya kecil, misalnya di bawah 0,2 mm, atau sambungan dibuka bila flens ditarik oleh pipa.

Contoh 6: energi uji udara dan uji air. Pipa berisi 0,2 m³ diuji pada 15 bar ukur, yaitu 16 bar mutlak. Energi gas yang dimampatkan secara isotermal kira-kira $p V \ln(p/p_0) = 1{,}6 \times 10^6 \times 0{,}2 \times \ln 16 = 887.000$ J. Air dengan modulus ruah sekitar $2{,}2 \times 10^9$ Pa menyimpan sekitar $\Delta p^2 V/(2K) = (1{,}5 \times 10^6)^2 \times 0{,}2/(4{,}4 \times 10^9) = 102$ J. Gas menyimpan hampir sembilan ribu kali lebih banyak energi.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang yang berwenang bila:

1. Sambungan harus dibuka pada sistem yang belum diisolasi, belum dibuang tekanannya, atau masih panas.
2. Flens tidak cocok standar atau ratingnya, atau baut hanya dapat dipasang dengan dipaksa.
3. Paking lama mungkin mengandung asbes.
4. Uji tekan dengan udara atau gas diminta tanpa prosedur tertulis, batas tekanan, dan daerah terlarang.
5. Sambungan bocor uap atau bahan kimia dan seseorang hendak mengencangkan baut saat sistem bertekanan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut, mur, dan sambungan ulir memberi torsi dan prapenegangan baut, Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung memberi material pipa, dan Bab 14 · Bangunan & Fasilitas tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing memberi uji tekan plumbing. Bab 9 tentang muai, penyangga, dan getaran pipa menjelaskan mengapa flens dapat tertarik oleh pipa, dan Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat menjelaskan palu air. Pekerjaan membuka sambungan bersandar pada Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik, Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas, Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri, dan Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi. Bab 10 membahas katup kendali yang dipasang dengan flens, Bab 2 tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan membahas rugi tekan di sambungan dan fitting, dan Bab 12 membahas pompa dalam operasi.

Latihan dan pembahasan