Mengenal instrumentasi 03 – Control Valve (jenis Control Valve & Actuator)Posted by ekoharsono ⋅ August 23, 2012 ⋅ 2 Comments

Control Valve

Sebelumnya sudah sedikit dibahas mengenai valve dan actuator-nya. Pada seri ini akan dibahas lebih lanjut tentang jenis-jenis control valve, aplikasi dan instalasinya, serta berbagai aksesori yang berkaitan dengan penggunaannya.

Secara umum control valve terbagi atas dua tipe berdasarkan gerakan buka tutupnya, yaitu:

1. Sliding Stem, dikenal karena gerakan (buka-tutup) stem secara linear. Contoh: control valve jenis globe.

2. Rotary, dikenal karena gerakan (buka-tutup) stem memuntir 90o. Contoh: control valve jenis ball dan butterfly.

Semua control valve yang akan kita bahas di sini dipergunakan pada aplikasi on/off dan throttling. On/off artinya valve hanya bekerja pada kondisi membuka atau menutup (fully open atau fully closed). Sedangkan throttling adalah gerakan valve mengikuti kebutuhan proses yang dikontrolnya (modulating).

1.  Sliding stem valve

Globe valve adalah jenis control valve yang bekerja secara sliding stem. Aplikasi globe valve umumnya untuk liquida bersih (tidak berpasir), gas, dan steam pada temperatur dan tekanan moderat.

Jenis sliding stem valve adalah:

Globe valve dengan trim cage

Dipakai secara luas pada pengaturan laju alir. Mudah dalam perawatan dan pemilihan flow characteristic dengan banyak pilihan cage.

Globe valve dengan single atau double port trim

Dipakai pada aplikasi mengandung padatan (solid) atau abrasif.

Globe valve dengan angle body

Dipakai pada tekanan drop yang tinggi seperti pada pressure control. Juga sekaligus berfungsi sebagai elbow pada piping system.

Globe Valve 3-way

Digunakan sebagai selector untuk mengalihkan/mencampur aliran.

2.   Rotary valve

Valve yang bekerja secara rotary umumnya berukuran lebih kecil dan ringan. Jarak membuka/menutup (travel) yang pendek dan hanya sedikit gesekan di permukaan, membuatnya lebih tahan terhadap

kebocoran internal.

Ball valve

Ball valve menggunakan sejenis bola berongga untuk mengatur laju alir fluida. Tersedia dalam jenis vee-ball (dengan karakteristik equal percentage) dan complete sphere ball.

Pada jenis 3-way valve dapat digunakan sebagai pengalih dan pencampur aliran. Caranya dengan merubah posisi ball terhadap port inlet dan outlet sesuai kebutuhan ( Dibawah hanya memperlihatkan 2 konfigurasi yang umum). Pemakaian 3-way valve di lapangan terutama pada automatic well testing.

Keuntungan Kekurangan

Kemampuan throttling yang bagus (bahkan pada flow rate rendah)

Bobot yang berat untuk size yang sama dengan valve jenis lain

Kemampuan menahan kebocoran  (shut off) yang bagus Harga mahal

Aplikasi luas (air, steam, dan gas) Pressure drop yang tinggi (juga cenderung noisy)

Pilihan karakteristik aliran (pada jenis cage trim)

Butterfly Valve

Butterfly valve memanfaatkan sebuah disc (cakram) sebagai alat pengatur aliran fluida.  Valve ini membutuhkan actuator yang lebih kuat karena letak disc tepat menghalangi laju alir

fluida.

Keuntungan Kekurangan

Harga dan perawatan murah Ball dapat terkikis oleh media abrasif dan laju alir yang tinggi

Aplikasi tekanan dan temperatur tinggi

Kurang bagus untuk aplikasi throttling pada karakteristik aliran tertentu

Kapasitas besarMenggunakan actuator dengan torsi kecil

Karakteristik Aliran

Karakteristik aliran (flow characteristic) sebuah control valve adalah hubungan antara bukaan valve (travel) dengan flow rate pada tekanan drop konstan seperti yang diperlihatkan pada dibawah.

Ada 3 karakteristik aliran sebuah valve seperti berikut:

1.    Quick Opening

Bukaan (travel) yang kecil memberikan kenaikan yang besar pada flow rate. Digunakan pada proses yang membutuhkan flow rate seketika dalam jumlah besar seperti safety system dan metering.

2.    Linear

Bukaan valve berbanding lurus dengan flow rate. Digunakan pada aplikasi dimana pressure drop pada valve cenderung konstan seperti pada level control dan flow control loop.

3.  Equal Percentage

Keuntungan Kekurangan

Kompak, ringan Disc dapat terkikis oleh media abrasif

Harga paling murah dan mudah dalam perawatan

Posisi disc berada pada aliran fluida, tidak cocok untuk aliran full flow atau ketika melakukan pigging

Bagus untuk throttling pada kapasitas tinggiShut off bagus (pada jenis resilient seat)

Kebalikan dari quick opening – bukaan valve yang besar, hanya memberikan penambahan flow rate yang kecil. Digunakan pada proses yang membutuhkan pressure drop yang besar pada valve, seperti temperature dan pressure control.

Dampak kesalahan pemilihan valve dengan karakteristik aliran yang sesuai akan menyebabkan:

1. Gangguan akurasi pada aplikasi metering (untuk jenis flow meter tertentu, seperti: vortex dan turbine.

2. Kontrol proses menjadi tidak stabil.

Klasifikasi Kebocoran (Shut off class)Control valve didesain bergerak secara throttle dan on/off. Ketika dalam posisi menutup, valve diharapkan mempunyai suatu kemampuan untuk membendung fluida (shut-off capability). Kemampuan shut-off ini berbeda-beda berdasarkan:

1. Jenis valve2. Desain seat3. Material seat4. Kekuatan actuator5. Jenis fluida yang melaluinya

Ada 6 kelas kebocoran yang didefinisikan oleh ANSI/FCI 70-2-1976 seperti yang terlihat pada tabel berikut:

Leakage Class

Maximum Leakage

AllowableTest Medium Test Pressure

Testing Procedures Required for Establishing

Ratingx x x No test required

II 0.5% of rated capacity

Air or water at 50 – 125o F(10 – 52oC)

45 – 60 psig or maximum operating

differential whichever is

lower

45 – 60 psig or maximum operating differential whichever is lower

III 0.1% of rated capacity As above As above As above

IV 0.01% of rated capacity As above As above As above

V

0.0005 ml per minute of water per inch of port diameter per psi

differential

Water at 50 to125oF (10 to

52oC)

Maximum service

pressure drop across valve plug not to

exceed ANSI body rating

Maximum service pressure drop across valve plug not to

exceed ANSI body rating

VINot to exceed

amounts shown in the table above

Air or nitrogen at 50 to 125o F (10

to 52oC)

50 psig or max rated

differential pressure across

valve plug whichever is

lower

Actuator should be adjusted to operating conditions

specified with full normal closing thrust applied to

valve plug seat

Yang paling banyak digunakan adalah dua kelas, yaitu: Class IV dan Class VI. Class IV dikenal sebagai “metal-to-metal“, yaitu plug dan seat terbuat dari metal sehingga laju kebocoran (leakage rate) lebih besar, karena tidak dapat menutup dengan sempurna. Class VI juga dikenal sebagai “soft seat”, yaitu valve plug atau seat atau keduanya terbuat dari sejenis material lentur (resilient) seperti teflon.

ACTUATOR

Pada seri sebelumnya kita sudah mengenal jenis-jenis actuator, yaitu: pneumatic (diaphragm & piston), electric, dan hydraulic. Fungsinya adalah memberikan daya dorong untuk menggerakkan valve serta memastikan posisi valve tetap pada posisinya ketika dalam keadaan terbuka atau tertutup (shut off). Berikut akan dibahas lebih detail mengenai masing-masing actuator tersebut.

Pneumatic Diaphragm ActuatorActuator jenis pneumatic diaphragm adalah jenis actuator paling populer dan paling banyak digunakan. Desain yang sederhana, harga murah, dan mudah dalam perawatan membuatnya masih dipakai hingga saat ini.

Pada jenis normally open mudah dikenali dengan supply inlet udara berada di atas diaphragm. Ketika udara masuk, kenaikan tekanan udara pada ruangan ini akan menekan diaphragm. Selanjutnya diaphragm mendorong pegas dan menggerakkan stem ke arah bawah.

Sebaliknya pada jenis normally closed, supply inlet udara berada di bawah diaphragm. Ketika udara masuk, kenaikan tekanan udara akan mendesak diaphragm. Selanjutnya diaphragm mendorong pegas dan menggerakkan stem ke arah atas. Ketika kehilangan tekanan pada diaphragm, pegas akan mendorong stem kembali ke posisi awalnya.

Pneumatic Piston ActuatorKeuntungan Kekurangan

Harga murah Kemampuan dorong (torsi) terbatas

Dapat bekerja throttling tanpa  membutuhkan positioner

Ukuran besar dan bobot yang berat

Menggunakan tekanan supply rendahMudah dalam perawatanFail-safe action yang pasti

Actuator jenis ini mempunyai daya dorong lebih besar dibandingkan pneumatic diaphragm. Komponen utamanya adalah semacam piston yang didorong oleh air supply untuk menggerakkan stem. Pada single acting piston, supply udara dari positioner menekan piston berpegas. Ketika udara dilepaskan, pegas akan mendorong piston kembali ke posisi semula (fail-safe position). Pada double acting piston, tekanan udara dari positioner menggerakkan piston dari kedua arah secara bergantian. Arah gerakan stem mengikuti tekanan yang lebih kecil (unbalanced) diantara kedua ruang bertekanan di belakang piston.

Electric ActuatorDigunakan pada aplikasi dimana tidak tersedia air compressor. Komponen utamanya adalah sebuah motor listrik yang memutar gear maju/mundur agar stem bergerak. Dilengkapi dengan handwheel agar operator dapat membuka/menutup valve secara manual. Pada awalnya electric actuator hanya didesain untuk aplikasi on/off. Namun saat ini sudah dilengkapi dengan kontrol motor yang  lebih maju, sehingga dapat dipakai pada aplikasi throttling, serta dikombinasikan dengan spring (pegas) hingga mempunyai fail-safe mode.

Hydraulic Actuator

Actuator jenis ini paling sedikit aplikasinya di lapangan; digunakan untuk menggerakkan valve berukuran sangat besar yang membutuhkan daya dorong besar (misal: valve pada main steam line). Umumnya bekerja menggunakan spring & piston seperti gambar berikut:

https://ekoharsono.files.wordpress.com/2012/08/hydraulic-actuactor.png