Teknik Elektro, Universitas Pertamina Jalan Teuku Nyak Arief, Simprug, Kebayoran Lama, Jakarta 12220, (021)

(1)

ANALISIS VALVE THRUST PADA SINGLE PORT GLOBE CONTROL VALVE

Lulu Gemari

1

Teknik Elektro, Universitas Pertamina

Jalan Teuku Nyak Arief, Simprug, Kebayoran Lama, Jakarta 12220, (021)29044308

(lulugemari@gmail.com)

Abstract— in analyzing the valve thrust on a single port globe control valve, things to consider are the forces that affect the thrust of the valve. Valve thrust is something that must be considered by an instrument engineer, because valve thrust will be used to calculate the thrust of actuator where the function of actuator is to open and close the valve. There are 4 forces required to operate the globe valve includes: static unbalance force, seat load force, packing friction force, and additional force. A comparison between different types of globe valve is a must thing to do to analyze the valve thrust. The result of the comparison between different types of globe valves affecting the valve thrust of a control valve.

Intisari— Dalam menganalisis valve thrust pada single port globe control valve, hal yang harus diperhatikan adalah gaya apa yang

mempengaruhi dorongan pada katup. Valve thrust merupakan hal yang harus diperhatikan oleh seorang instrument engineer karena

valve thrust akan digunakan untuk menghitung actuator thrust

dimana fungsi actuator adalah untuk membuka dan menutup katup. Terdapat empat gaya yang dibutuhkan untuk mengoperasi

globe valve yaitu; gaya ketidakseimbangan statis (static unbalance force), gaya beban dudukan (seat load force), gaya gesekan packing (packing friction force), dan gaya tambahan (additional force). Untuk menganalisis valve thrust dilakukan perbandingan

perhitungan terhadap beberapa globe valve yang berbeda tipe. Dari perbandingan tersebut dapat diketahui gaya apa yang sangat berpengaruh terhadap dorongan katup.

Kata Kunci— Control Valve, Valve Thrust.

I. PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi di dunia industri semakin pesat seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi. Dalam hal ini, perkembangan tersebut harus diimbangi dengan sumber daya manusia yang mampu menghadapi persaingan dalam dunia industri. Dalam dunia industri, pabrik pengolahan terdiri dari ratusan atau lebih control loop yang berjaringan untuk menghasilkan produk yang akan ditawarkan untuk dijual. Masing-masing control loop dirancang untuk mengkendalikan proses kritis variable seperti tekanan, aliran, suhu dan sebagainya. Control loop menerima, dan menghasilkan gangguan yang dapat berefek pada varibel proses. Untuk mengurangi efek dari gangguan yang terjadi, sensor dan transmitter menangkap informasi mengenai variabel proses. Controller memproses informasi dan memutuskan apa yang harus dilakukan untuk mendapatkan variabel proses kembali seperti semula setelah terjadi gangguan. Elemen kontrol akhir yang paling umum dalam industri adalah control valve [2].

II. TINJAUAN PUSTAKA

Pabrik pengolahan modern menggunakan jaringan control loop yang luas untuk menghasilkan produk akhir untuk pasar. Control loop ini didesain untuk menyimpan variabel proses seperti tekanan, aliran, level, temperatur dan sebagainya didalam rentang proses yang dibutuhkan untuk mendapatkan produk akhir yang berkualitas. Setiap loop menerima dan menghasilkan gangguan yang berefek merugikan variabel proses. Gambar 1. dibawah merupakan blok diagram dari feedback control loop

Gambar 1. Feedback Control Loop

Untuk mengurangi efek dari gangguan beban, sensor dan transmitter mengirimkan informasi tentang variabel proses. Controller memproses informasi dan memilih apa yang harus diselesaikan untuk mendapatkan variabel proses kembali kepada semula setelah terdapat beban gangguan terjadi. Ketika semua perhitungan, perbandingan dan kalkulasi selesai, beberapa jenis elemen kontrol akhir harus menerapkan strategi yang dipilih oleh controller [3].

Elemen terakhir kontrol yang paling umum digunakan oleh industri adalah Control Valve. Control valve memanipulasi aliran fluida, seperti gas, uap, air, atau komponen kimia untuk mengkompensasi (mengimbangi) gangguan beban dan menetapkan regulasi variabel proses mendekati [3].

Control valve merupakan bagian yang kritis dari control loop dimana kebanyakan orang melihat bagian-bagian dari control valve. Bagian control valve terdiri dari tubuh katup, bagian dalam trim, aktuator untuk menghasilkan kekuatan dalam pengoperasian valve. Aktuator merupakan istilah yang digunakan untuk alat yang mengubah dari aliran fluida (hidrolik atau pneumatic) menjadi sebuah gerakan valve dan beberapa aksesoris seperti, transducers, supply pressure regulators, manual operators, snubbers, atau limit switches[3]. Gambar 2. Berikut merupakan gambar bagian – bagian dari control valve.

(2)

Gambar 2 Bagian Control Valve

Gambar 3. Rangkaian aktuator

Gambar 4. Rangkaian Body Valve

Pada gambar 3 dan 4 diatas merupakan bagian dalam dari actuator dan valve. Berikut merupakan terminologi dari bagian-bagian dalam valve:

• Trim: bagian dalam valve yang memiliki kontak langsung dengan fluida (seat ring, stem, cage, plug)

• Bonnet: bagian dari perakitan body valve dimana stem dan plug valve bergerak dan yang menghubungkan valve dan yoke

• Cage : kurungan/ sarung pada plug valve

• Stem : bagian dari trim valve yang menghubungkan plug dan actuator

• Yoke : bagian dari control valve yang menghubungkan bonnet dan actuator dan berfungsi untuk instalasi positioner, indicator

• Plug: bagian dari trim yang bergerak dan berfungsi membuka dan menutup.

• Seat : bagian dari trim yang bergerak dan terletak berpasangan dengan plug dari suatu control valve • Packing: penutup pada stem untuk menahan agar tidak

terjadi kebocoran fluida yang keluar melalui celah antar lubang bonnet dengan stem

• Gasket : komponen sealing flange III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Menganalisis Perhitungan Valve Thrust pada Jenis

Sliding Stem Globe Valve

Menganalisis perhitungan valve thrust pada Globe control valve bisa dilakukan dengan membaca beberapa literatur seperti membaca data sheets dari vendor, membaca catalog control valve, membaca technical quotation vendor, dan membaca hasil kalkulasi yang diberikan vendor. Valve thrust atau dorongan katup pada control valve merupakan hal yang harus diperhatikan oleh seorang instrument engineer karena valve thrust akan digunakan untuk menghitung actuator thrust dimana fungsi actuator adalah untuk membuka dan menutup valve (katup). Kesalahan perhitungan valve thrust oleh vendor memungkinkan terjadi dan hal tersebut adalah harus dicegah sejak tahap engineering.

1) Menentukan Gaya yang dibutuhkan pada Operasi Globe Valve : Pada Control Valve, terdapat empat gaya (force) yang timbul, yaitu:

• Static Unbalance Force, • Seat Load Force • Packing Friction Force

• Piston Ring Friction / Additional Force

Actuator Valve Body Assembly Control Valve

(3)

Gambar 5. Gaya pada Globe Valve

2) Menganalisis Gaya dan Kalkulasi yang digunakan: Valve Thrust pada control valve harus ditentukan, karena valve thrust akan digunakan untuk menghitung actuator thrust dimana fungsi actuator adalah untuk membuka dan menutup valve (katup). Maka dari itu perhitungan gaya terhadap valve harus ditentukan. Berikut merupakan analisa gaya dan kalkulasi yang digunakan Vendor A

a) Gaya Ketidakseimbangan Statis (Static Unbalance Force)

Gaya ketidakseimbangan statis terjadi karena adanya tekanan fluida pada saat shutoff pressure [3]. Gaya total yang dibutuhkan untuk mencapai ketidakseimbangan statis dapat dicari dengan mengkalikan pressure drop pada saat shutoff, dengan luasan kontak dengan asumsi tidak ada pembatasan downstream, tekanan hilir (Downstream pressure) adalah 0. Dalam menghitung gaya ketidakseimbangan statis diperlukan langkah-langkah seperti point 1 dan 2 dibawah:

1) Mengetahui Konstruksi valve (Balance dan Unbalance Valve): aplikasi balance valve adalah tipe control valve yang berukuran besar dan fluidanya adalah cairan yang tidak bertektur (clear fluid). Sedangkan unbalance valve merupakan tipe control valve berukuran kecil yang fluidanya bertekstur (slurry). 2) Menentukan static unbalance jika valve

memliliki konstruksi pressure tends to open atau pressure tends to close

Gambar 6. Konstruksi Pressure-Tends-To-Open

Pressure-Tends-To-Open terjadi ketika tekanan yang masuk membuat katup terbuka, persamaan yang digunakan untuk menghasilkan unbalance force adalah: • Unbalance Valve Plug

Flow Up (Push Down To Close):

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = [(𝐏1 − 𝐏2)𝐀𝑝𝑜𝑟𝑡 + 𝐏2 𝑨𝑠𝑡𝑒𝑚] (1)

Flow Down (Push Down To Open):

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = [(𝐏1 − 𝐏2)𝐀𝑝𝑜𝑟𝑡 − 𝐏1 𝐀𝑠𝑡𝑒𝑚] (2) 𝐀𝑝𝑜𝑟𝑡 = π𝐝𝑝𝑜𝑟𝑡2

4 (3) • Balance Valve Plug

Flow Down (Push Down To Close)

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = [(𝐏1 − 𝐏2)𝐀𝑢𝑛𝑏 + 𝐏2 𝐀𝑠𝑡𝑒𝑚] (4)

Flow Up (Push Down To Open)

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = [(𝐏1 − 𝐏2)𝐀𝑢𝑛𝑏 − 𝐏2 𝐀𝑠𝑡𝑒𝑚] (5)

Keterangan,

Flow up merupakan aliran fluida berbentuk gas, dimana pada saat fluida masuk alirannya akan bergerak keatas sedangkan flow down merupakan aliran fluida berbentuk liquid yang dimana aliran fluida adalah kebawah.

Packing Friction

Additional Force

Seat Load

(4)

Gambar 7. Konstruksi Pressure-Tends-To-Close

Pressure-Tends-To-Close merupakan konstruksi valve ketika ada tekanan yang masuk dan membuat katup menutup. Berikut persamaan yang digunakan :

• Unbalance Valve Plug

Flow Down (Push Down To Close)

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = −[(𝐏1 − 𝐏2)𝐀port − 𝐏1𝐀stem] (6)

Flow Up (Push Down To Open)

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = −[(𝐏1 − 𝐏2)𝐀port + 𝐏1𝐀stem] (7)

• Balance Valve Plug

Flow Up (Push Down To Close)

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = −[(𝐏1 − 𝐏2)𝐀unb − 𝐏1𝐀stem] (8)

Flow Down(Push Down To Open)

𝑭𝒐𝒓𝒄𝒆 𝑨 = −[(𝐏1 − 𝐏2)𝐀unb + 𝐏1𝐀stem] (9)

Keterangan,

Force A = Gaya untuk mengatasi ketidakseimbangan statis pada plug, lb

P1 = Tekanan Hulu (Upstream Pressure), Psig P2 = Tekanan Hilir (Downstream Pressure), Psig

Aport = Luas Port, inch2 Astem = Luas Stem, inch2

Aunb = Luas Ketidakseimbangan, inch2 * Dalam mencari nilai dari Force A, tekanan yang digunakan dalam perhitungan adalah penurun tekanan pada shutoff, dimana P2 diasumsikan 0.

*Aport digunakan untuk unbalance valve, dapat dihitung melalui persamaan (3)

*Aunb (Area of unbalance) digunakan untuk balance valve dimana pada port balance valve terdapat balancing port agar plug menjadi seimbang.

b) Gaya Beban Dudukan (Seat Load Force) Gaya beban dudukan dapat diketahui dengan mengalikan keliling diameter kontak dudukan valve dengan gaya yang dibutuhkan. Gaya ini disebabkan oleh gaya yang terjadi di port valve dimana pada hal ini harus tidak ada kebocoran yang terjadi.

Gambar 8. Gaya Beban Dudukan

𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒 𝐵 = 𝐶𝑝𝑜𝑟𝑡 × 𝑝𝑜𝑢𝑛𝑑 𝑠𝑒𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒(10)

𝐶𝑝𝑜𝑟𝑡 = 𝜋 × 𝑑𝑝𝑜𝑟𝑡 (11)

Keterangan,

Cport = Keliling port, in2

*Nilai Pound seating force dapat dilihat dari tabel kelas kebocoran (leakage class). Kelas kebocoran adalah klasifikasi yang dikeluarkan oleh ANSI untuk mengkategorikan kelas kebocoran pada valve dengan ukuran yang berbeda dan tempetur tertentu. Tabel 1. Berikut merupakan tabel kelas kebocoran:

Port Diameter

Seat Ring

(5)

Tabel 1. Kelas Kebocoran

Tabel Kelas Kebocoran (Leakage Class) Kelas

Kebocoran Beban Dudukan yang dianjurkan Kelas I seperti yang dipersyaratkan oleh

pelanggan

Kelas II 20 pound per lineal inch dari lingkar port (keliling port)

Kelas III 40 pound per lineal inch dari lingkar port (keliling port)

Kelas IV

Dudukan logam (Metal Seat) - 40 pound per lineal inch dari lingkar port (sampai dengan 4.375 inch dari diameter port)

Dudukan Logam (Metal Seat) - 80 pound per lineal inch dari lingkar port (lebih besar 4.375 inch dari diameter port )

Dudukan Logam dengan trim C-Seal - 150 pound per lineal inch dari lingkar port (sampai dengan 4.375 inch diameter port)

Kelas IV

Dudukan logam dengan C-Seal trim – 190 pound per lineal inch dari lingkar port (diatas 4.375 inch diameter port)

c) Gesekan Packing (Packing Friction)

Dalam pengoperasian control valve, packing friction akan terjadi akibat gaya gesek antara packing dan stem. Vendor A sendiri memliki nilai tersendiri, dimana untuk mencari nilai packing friction dibutuhkan nilai diameter stem dan material packing apa yang digunakan. Jenis fluida yang masuk juga mempengaruh material yang digunakan. Jika jenis fluida semakin berbahaya maka harus digunakan material packing yang sesuai dengan standar keamanan.

d) Gaya Tambahan (Additional Force)

Gaya tambahan dapat dihasilkan untuk spesifikasi atau konstruksi valve tertentu.

B. Menghitung Valve Thrust pada Vendor A

Dalam analisa valve thrust, dibutuhkan perhitungan valve thrust dengan beberapa tag number yang berberda. Berikut merupakan perhitungan valve thrust dari beberapa tag number:

1. Perhitungan Valve Thrust pada Tag Number (221-LV9001-02)

Pada valve dengan tag number (221-LV9001-02), diketahui bahwa tipe valve adalah unbalance dengan tipe Flow Up, dan tipe dorongan PDTC (Push Down To Close). Tabel 2. berikut merupakan tabel data parameter yang dibutuhkan untuk mengetahui nili gaya:

Tabel 2. Nilai Data Parameter - 221-LV9001-02

Dengan diketahuinya nilai data parameter pada tabel 2. Maka valve thrust dapat dihitung. Berikut merupakan nilai perhitungan valve thrust pada valve dengan tag number (221-LV9001-02):

Tabel 3. Nilai Perhitungan Gaya yang Terjadi pada Unbalance Valve

Force (Gaya) _Nilai

Force A (Unbalance Force) Saat keadaan valve tertutup

= 325.59

Force B (Seat Load Force) = 94.247

Force C (Packing Friction) = 170

Force D (additional Force) = 0 Total Dorongan (Total Thrust) = 589.844

Dapat diketahui dalam perhitungan valve thrust pada tag number 221-LV9001-02, presentase gaya yang paling besar adalah Unbalance Force. Besarnya

Nama Variabel Nilai Unit

Valve Body Size 2 in

P1, Inlet Pressure (Shutoff

Pressure) 192.5 psi

P2, Outlet Pressure 0 psi

Dstem, Stem diameter 0.5 in

Astem, Stem Area 0.196 Sq.in

dport, Port Diameter 0.75 in

Cport, Port Circumference 2.356 In

(6)

nilai unbalance force disebabkan oleh diameter port sebuah control valve tersebut.

2. Perhitungan Valve Thrust pada Tag Number – (221-PV9001-01A)

Pada valve dengan tag number (221-PV9001-01A) diketahui bahwa tipe valve adalah balance dengan tipe Flow Down, dan tipe dorongan PDTC (Push Down To Close). Tabel 4 berikut merupakan tabel data parameter yang dibutuhkan untuk mengetahui nili gaya:

Dengan diketahuinya nilai data parameter pada tabel 4 Maka valve thrust dapat dihitung. Berikut merupakan nilai perhitungan valve thrust pada valve dengan tag number (221-LV9001-01A):

Tabel 5. Nilai Perhitungan Gaya yang Terjadi pada Balance Valve

Force (Gaya) Nilai

Force A (Unbalance Force) saat keadaan valve tertutup

= 596.97

Force B (Seat Load Force) = 4586.725 Force C (Packing Friction) = 425 Force D (additional Force) = 0 Total Dorongan(Total Thrust) = 5608.69

Dapat diketahui dalam perhitungan valve thrust pada tag number 2- 221- PV9001-01A. Presentase gaya yang paling besar adalah Seat Load Force, dimana besar nilai seat load force disebabkan oleh gaya untuk menahan

beban pada setiap inch keliling port dimana dalam hal ini kebocoran diharuskan untuk tidak terjadi.

3. Perhitungan Valve Thrust pada Tag Number- (221-LV9002-02)

Pada valve dengan tag number (221-LV9002-02) diketahui bahwa tipe valve adalah unbalance dengan tipe Flow Up, dan tipe dorongan PDTC (Push Down To Close). Tabel 6 berikut merupakan tabel data parameter yang dibutuhkan untuk mengetahui nili gaya:

Tabel 6. Nilai Data Parameter – 221-LV9002-02

Dengan diketahuinya nilai data parameter pada tabel 6 Maka valve thrust dapat dihitung. Berikut merupakan nilai perhitungan valve thrust pada valve dengan tag number (221-LV9002-02):

Tabel 7. Nilai Perhitungan Gaya yang Terjadi pada Unbalance Valve

Force (Gaya) Nilai

Force A (Unbalance Force) saat keadaan valve tertutup

= 85.043

Force B (Seat Load Force) = 94.24 Force C (Packing Friction) = 170 Force D (additional Force) = 0 Total Dorongan (Total Thrust) = 349.29

Nama Variabel Nilai Satuan

Pressure) 737 psi

Aport, Port Area - Sq.in

Aunb, Area of unbalance 0.81 Sq.in

Nama Variabel Nilai Satuan

Pressure) 192.5 psi

Aport, Port Area 0.441 Sq.in

(7)

Dapat diketahui dalam perhitungan valve thrust pada tag number 221-LV9002-02 Presentase gaya yang paling besar adalah packing friction. Besar nilai packing friction disebabkan dengan gaya gesek yang disebabkan oleh permukaan material packing, tinggi packing, dan diameter stem.

C. Perbandingan Kalkulasi Valve Thrust Pada Vendor A Dalam menganalisa valve thrust pada control valve, dilakukan analisa gaya dengan membandingkan presentase masing-masing gaya. Persamaan untuk menghitung presentase gaya adalah sebagai berikut:

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 = 𝐺𝑎𝑦𝑎

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜𝑟𝑜𝑛𝑔𝑎𝑛 (12)

Tabel 8 dibawah merupakan tabel presentase gaya yang dihasilkan dari 3 tag number:

Tabel 8. Perbandingan Presentase Gaya

No Tag Number Presentase Gaya (%) Force A Force B Force C 1 _{221-LV9001-02 55.199} _{15.978 28.821} 2 221- PV9001-01A 10.643 81.778 7.577 3 221-LV9002-02 24.347 26.980 48.670

Dapat disimpulkan bahwa semua gaya pada control valve tidak bisa diabaikan, dimana masing- masing gaya yang ada memiliki nilai yang dapat mempengaruhi pengoperasian dari control valve.

IV. KESIMPULAN

Dari analisis yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa:

1. Pada perhitungan valve thrust pada vendor A, diketahui bahwa presentasegaya pada 3 tag number yang berbeda memiliki perbandingan gaya yang berbeda-beda. 2. Nilai unbalance force dipengaruhi oleh besar port

diameter dan struktur pada control valve, besar nilai seat load force disebabkan oleh gaya untuk menahan beban pada setiap inch keliling port dimana dalam hal ini diharuskan tidak ada kebocoran yang ada. Dan nilai packing friction force dipengaruhi oleh gaya gesek yang disebabkan oleh permukaan material packing, tinggi packing dan diameter stem.

REFERENSI

[1] Basic Operation and Function Of Control Valves. Ellsworth: Cashco.

[2] M. Barker and H. Penner, "[3]M. Barker and H. Penner, "Control

Valve Sizing and Selection in Pulp and Paper - Getting it Right", IEEE, p. 1, 2016. [Accessed 28 September 2019]

[3] Control valve handbook. Marshalltown, Iowa: Fisher Controls