Vanne de commande pneumatique

Vanne de commande pneumatique

La vanne de régulation pneumatique est l'un des dispositifs de contrôle de processus industriels largement utilisés dans l'industrie électrique. Le vanne de régulation haute pression est essentiel dans les systèmes de régulation et constitue un élément important dans la formation des systèmes d’automatisation industrielle.

Principe de fonctionnement :

La vanne de commande pneumatique utilise de l'air comprimé comme source d'alimentation, avec un cylindre comme actionneur, et s'appuie sur des accessoires tels que des positionneurs de vannes électriques, des convertisseurs, des électrovannes et des vannes de maintien de pression pour entraîner la vanne. Elle réalise une régulation marche/arrêt ou proportionnelle en recevant des signaux de commande du système de contrôle d'automatisation industrielle pour réguler divers paramètres de processus du fluide pipeline, tels que le débit, la pression, la température, etc. Les caractéristiques de la vanne de régulation pneumatique sont un contrôle simple, rapide réponse et sécurité inhérente, sans avoir besoin de mesures antidéflagrantes supplémentaires.

Principe de fonctionnement de la vanne de régulation pneumatique (schéma)

La vanne de régulation pneumatique est généralement composée d'un actionneur pneumatique et d'une vanne de régulation, qui sont connectés, installés et débogués ensemble. L'actionneur pneumatique peut être classé en deux types : simple effet et double effet. L'actionneur à simple effet est doté d'un ressort de rappel, contrairement à l'actionneur à double effet. Dans le cas d'un actionneur à simple effet, il peut revenir automatiquement à la position initiale ouverte ou fermée de la vanne en cas de perte d'alimentation électrique ou de panne soudaine.

La vanne de commande pneumatique est classée en deux types en fonction du mode d'action : air pour ouvrir et air pour fermer, également appelés normalement ouvert et normalement fermé. La fonction air d'ouverture ou air de fermeture de la vanne de commande pneumatique est généralement réalisée grâce aux différentes méthodes d'assemblage des actions avant et arrière de l'actionneur et à la conception structurelle de la vanne.

Mode de fonctionnement de la vanne de commande pneumatique

Le type à air pour ouvrir (normalement fermé) fonctionne en augmentant la pression de l'air sur le diaphragme, provoquant le déplacement de la vanne dans le sens d'une ouverture accrue. Lorsque la pression de l'air d'entrée atteint sa limite maximale, la vanne est complètement ouverte. À l'inverse, lorsque la pression de l'air diminue, la vanne se déplace vers la direction de fermeture, et lorsqu'il n'y a pas d'air d'entrée, la vanne est complètement fermée. Par conséquent, nous appelons communément la vanne de régulation de type air-ouvert une vanne à fermeture par défaut.

Le type à air pour fermer (normalement ouvert) fonctionne dans la direction opposée au type à air pour ouvrir. Lorsque la pression de l'air augmente, la vanne se déplace dans le sens de la fermeture. Lorsque la pression de l'air diminue ou qu'il n'y a pas d'air, la vanne se dirige vers l'ouverture ou s'ouvre complètement. Par conséquent, nous appelons communément la vanne de régulation de type air-fermeture une vanne à ouverture manquée.

Le choix de l'air pour ouvrir ou de l'air pour fermer est basé sur la perspective de sécurité du processus de production. Cela dépend si la vanne de régulation doit être en position fermée ou en position ouverte pour des raisons de sécurité lorsque l'alimentation en air est coupée.

Par exemple, dans le contrôle de combustion d'un four de chauffage, la vanne de régulation est installée sur le gazoduc combustible et régule l'alimentation en carburant en fonction de la température dans le four ou de la température du matériau chauffé à la sortie du four. Dans ce cas, il est plus sûr de choisir une vanne air-ouverture, car si l’alimentation en air est interrompue, il est plus approprié que la vanne soit fermée plutôt que complètement ouverte. Si le robinet de carburant est complètement ouvert lorsque l’alimentation en air est coupée, cela pourrait entraîner un échauffement excessif, ce qui est dangereux. De même, pour un échangeur de chaleur refroidi par eau de refroidissement, dans lequel le matériau chaud échange de la chaleur avec l'eau de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur, la vanne de régulation est installée sur la canalisation d'eau de refroidissement et régule le débit d'eau de refroidissement en fonction de la température du matériau après l'échange thermique. En cas d'interruption de l'alimentation en air, il est plus sûr que la vanne de régulation soit en position ouverte, c'est pourquoi une vanne de régulation air-fermeture (FO) est préférable.

Positionneur de vanne

Le positionneur de vanne est un accessoire majeur de la vanne de régulation et est largement utilisé en conjonction avec les vannes de régulation pneumatiques. Il reçoit le signal de sortie du contrôleur et utilise son propre signal de sortie pour contrôler la vanne de commande pneumatique. Après le fonctionnement de la vanne de régulation, le déplacement de la tige de vanne est renvoyé au positionneur de vanne via un dispositif mécanique, et l'état de position de la vanne est transmis au système de niveau supérieur via un signal électrique. Les positionneurs de vannes peuvent être classés en positionneurs de vannes pneumatiques, positionneurs de vannes électropneumatiques et positionneurs de vannes intelligents en fonction de leur structure et de leur principe de fonctionnement.

Le positionneur de vanne peut augmenter la puissance de sortie de la vanne de régulation, réduire le délai de transmission du signal de commande, accélérer la vitesse de déplacement de la tige de vanne, améliorer la linéarité de la vanne, surmonter la force de friction de la tige de vanne et éliminer le effets de forces déséquilibrées, garantissant ainsi le positionnement correct de la vanne de régulation.

Les actionneurs sont classés en actionneurs pneumatiques et actionneurs électriques, de types linéaires et rotatifs. Ils sont utilisés pour ouvrir et fermer automatiquement ou manuellement divers types de vannes, registres et autres équipements.

Principes d'installation des vannes de régulation pneumatique

(1) La vanne de commande pneumatique doit être installée à une certaine hauteur du sol, avec un espace suffisant au-dessus et au-dessous de la vanne pour faciliter le démontage et l'entretien. Pour les vannes de régulation équipées de positionneurs de vanne pneumatiques et de volants, il est essentiel de s'assurer que le fonctionnement, l'observation et le réglage sont pratiques.

(2) La vanne de régulation doit être installée sur une canalisation horizontale et doit être verticale par rapport à la canalisation au-dessus et en dessous. Généralement, un support doit être ajouté sous la valve pour garantir la stabilité et la fiabilité. Dans les cas particuliers où la vanne doit être installée horizontalement sur une canalisation verticale, la vanne doit également être soutenue (sauf pour les vannes de régulation de petit diamètre). Lors de l'installation, il convient de veiller à éviter d'ajouter une contrainte supplémentaire à la vanne.

(3) La température ambiante de fonctionnement de la vanne de régulation doit être comprise entre -30 °C et 60 °C, avec une humidité relative ne dépassant pas 95 %.

(4) Il doit y avoir une section de tuyau droite avant et après la vanne de régulation, d'une longueur au moins 10 fois supérieure au diamètre du tuyau (10D), pour éviter les sections droites courtes qui peuvent affecter les caractéristiques de débit de la vanne.

(5) Si la taille de la vanne diffère de la taille du pipeline, un tuyau de réduction doit être utilisé pour le raccordement. Pour les vannes de régulation de petit diamètre, des raccords filetés peuvent être utilisés. La flèche de sens d'écoulement sur le corps de la vanne doit être cohérente avec le sens d'écoulement du fluide.

(6) Un tuyau de dérivation doit être installé pour faciliter la commutation ou le fonctionnement manuel, permettant la maintenance de la vanne de régulation sans arrêter le système.

(7) Avant l'installation, la vanne de régulation doit être soigneusement nettoyée pour éliminer tout corps étranger présent dans la canalisation, tel que la saleté, les scories de soudage, etc.

Défauts courants et dépannage

1. La vanne de commande ne parvient pas à s'actionner
- Tout d'abord, vérifiez si la pression d'alimentation en air est normale et recherchez tout défaut dans la source d'air. Si la pression d'alimentation en air est normale, vérifiez si l'amplificateur du positionneur ou du convertisseur électropneumatique produit une sortie. S'il n'y a pas de sortie, le trou d'étranglement constant de l'amplificateur peut être bloqué ou de l'humidité dans l'air comprimé peut s'être accumulée à le robinet à bille de l'amplificateur. Utilisez un fil d'acier fin pour dégager le trou d'étranglement et éliminer tous les débris ou nettoyer la source d'air.

- Si tout semble normal et qu'il y a un signal mais aucune action, le problème peut provenir de l'actionneur (comme un dysfonctionnement), de la tige de la vanne pliée ou du clapet de la vanne coincé. Dans ce cas, la vanne doit être démontée pour une inspection plus approfondie.

2. Vanne de régulation grippée ou bloquée
- Si le mouvement alternatif de la tige de vanne est lent, le corps de vanne peut contenir des substances visqueuses, des dépôts de carbone, une pression de garniture excessive ou le vieillissement de la garniture en PTFE (polytétrafluoroéthylène), ou la tige de vanne peut être pliée ou rayée. Le blocage des vannes de régulation se produit généralement dans les systèmes qui viennent d'être mis en service ou peu de temps après des réparations majeures. Il est souvent dû à des scories de soudage, à de la rouille ou à d'autres débris présents dans la canalisation qui obstruent le papillon ou le guidage. pièces, provoquant un mauvais débit du fluide. Cela peut également se produire lors de la maintenance lorsque la garniture est trop serrée, augmentant la friction et conduisant à des situations dans lesquelles de petits signaux ne parviennent pas à s'actionner ou des signaux importants provoquent un mouvement excessif.

Pour résoudre ce problème, essayez d'ouvrir et de fermer rapidement la conduite de dérivation ou la vanne de commande pour permettre aux débris d'être évacués par le fluide. Vous pouvez également utiliser une clé à tube pour serrer la tige de la vanne et, sous une pression de signal supplémentaire, appliquer une force dans les deux sens pour faire tourner la tige et permettre au clapet de la vanne de dépasser l'obstruction. Si cela ne résout pas le problème, augmentez la pression d'alimentation en air ou la puissance motrice et déplacez la tige de valve de haut en bas plusieurs fois pour éliminer le blocage. Si le problème persiste, démontez la vanne. Toutefois, cela nécessite de solides compétences professionnelles et ne doit être effectué qu’avec l’aide d’un personnel qualifié pour éviter des conséquences plus graves.

3. Fuite de vanne

Les fuites des vannes de régulation comprennent généralement les fuites internes, les fuites de garniture et les fuites causées par la déformation du clapet et du siège de la vanne. Vous trouverez ci-dessous les analyses de ces problèmes courants.

(1) Fuite interne

- Cause : La tige de valve est peut-être d'une longueur incorrecte. Dans le cas d'une vanne à air pour ouvrir, si la tige de vanne est trop longue, la distance par rapport à la partie supérieure (ou inférieure) de la tige peut être insuffisante, entraînant un espace entre le clapet et le siège. Cet espace empêche un bon contact et entraîne une fuite interne. De même, pour les vannes à air de fermeture, si la tige est trop courte, il peut également y avoir un espace empêchant un contact complet entre le clapet et le siège, ce qui entraîne une étanchéité insuffisante et une fuite interne.
- Solution : La longueur de la tige de la vanne doit être ajustée en la raccourcissant ou en l'allongeant pour garantir que la vanne de régulation est correctement scellée et qu'aucune fuite interne ne se produit.

(2) Fuite d'emballage

- Cause : Une fois la garniture chargée dans la caisse à garniture, une pression axiale lui est appliquée par le presse-étoupe. En raison de la déformation plastique de la garniture, celle-ci génère une force radiale, la rendant étroitement en contact avec la tige de la vanne. Cependant, ce contact n'est pas uniforme : certaines zones peuvent être lâches, tandis que d'autres sont étroites, et dans certaines zones, il peut n'y avoir aucun contact. Pendant l'utilisation, il se produit un mouvement relatif entre la tige de valve et la garniture, appelé mouvement axial. Au fil du temps, en particulier dans des conditions de température, de pression et de fluides perméables, les fuites de garniture sont un problème courant. La principale cause de fuite de garniture est une fuite d’interface, et pour les garnitures textiles, une fuite peut se produire lorsque du liquide s’infiltre à travers de petits espaces entre les fibres de garniture.

Solution : Pour faciliter l'installation de la garniture, un chanfrein doit être appliqué sur le dessus de la boîte d'emballage et un anneau de protection métallique présentant de petits espaces et résistant à la corrosion doit être placé en bas. Cet anneau de protection ne doit pas être incliné pour éviter que la garniture ne soit poussée vers l'extérieur par la pression du fluide. La surface en contact avec la garniture dans la caisse d'emballage doit être finement usinée pour améliorer la douceur de la surface et réduire l'usure de la garniture. Une garniture flexible en graphite est recommandée en raison de son excellente étanchéité aux gaz, de son faible frottement, de son usure minimale, de son entretien facile et de sa bonne résistance à la pression et à la chaleur. Il résiste également à la corrosion du milieu interne et ne provoque pas de piqûres ou de corrosion des métaux entrant en contact avec la tige de vanne ou la boîte à garniture. Cela garantit la fiabilité du joint d'étanchéité et prolonge sa durée de vie.

(3) Fuite due à la déformation du clapet et du siège de la vanne

Cause : Les fuites dans le clapet et le siège de la vanne sont principalement dues à des défauts de moulage ou de forgeage lors du processus de fabrication de la vanne de régulation, ce qui peut entraîner une corrosion accrue. Le milieu corrosif qui le traverse et l'action de récurage du milieu fluide peuvent également contribuer à la fuite. La corrosion se manifeste principalement sous forme d’érosion ou de cavitation. Lorsqu'un fluide corrosif traverse la vanne de régulation, il érode et impacte les matériaux du clapet et du siège de la vanne, les faisant devenir elliptiques ou prendre d'autres formes déformées. Au fil du temps, cette déformation entraîne une mauvaise étanchéité, entraînant des fuites.

- Solution : Faites attention au choix des matériaux pour le clapet et le siège de la vanne. Résistant à la corrosion
les matériaux doivent être choisis et les produits présentant des défauts tels que des piqûres ou des trous de sable doivent être éliminés. Si la déformation du clapet et du siège de la vanne n'est pas grave, du papier de verre fin peut être utilisé pour polir les zones affectées, éliminant ainsi les traces et améliorant la douceur de la surface d'étanchéité pour améliorer les performances d'étanchéité. Si les dommages sont graves, le clapet et le siège de la vanne doit être remplacé par des pièces neuves.

4. Oscillations

Une oscillation dans la vanne de régulation peut se produire lorsque la rigidité du ressort est insuffisante, provoquant des fluctuations instables et brusques du signal de sortie de la vanne. Cela peut également se produire si la fréquence de la vanne sélectionnée correspond à la fréquence du système ou s'il y a de fortes vibrations dans la canalisation ou la base, provoquant également la vibration de la vanne. Une mauvaise sélection peut également conduire à une oscillation lorsque la vanne fonctionne à de petites ouvertures, où des changements drastiques de résistance à l'écoulement, de débit et de pression se produisent. Lorsque ces changements dépassent la rigidité de la vanne, sa stabilité diminue, provoquant potentiellement une oscillation.

Les causes des oscillations étant multiples, chaque problème doit être analysé spécifiquement. Pour les oscillations mineures, l'augmentation de la rigidité peut éliminer le problème, par exemple en sélectionnant une vanne avec un ressort à rigidité plus élevée ou en passant à une structure d'actionneur à piston. En cas de fortes vibrations dans la canalisation ou dans la base, les interférences vibratoires peuvent être réduites en ajoutant des supports supplémentaires. Si la fréquence de la vanne correspond à celle du système, il est nécessaire de remplacer la vanne par une vanne de conception structurelle différente. L'oscillation provoquée par le fonctionnement à de petites ouvertures de vanne résulte généralement d'une mauvaise sélection de vanne, en particulier en raison du coefficient de débit élevé de la vanne (valeur C). Dans ce cas, la vanne doit être resélectionnée avec une valeur C plus petite, ou un système de commande à plage divisée ou une vanne pilotée (sous-vanne) doit être utilisé pour atténuer les oscillations au niveau des petites ouvertures.

5. Bruit excessif provenant des vannes de régulation

Lorsque le fluide s'écoule à travers une vanne de régulation, s'il existe une différence de pression importante entre l'entrée et la sortie, une cavitation peut se produire au niveau de composants tels que le clapet et le siège de la vanne, provoquant du bruit. Si le coefficient de débit de la vanne sélectionnée est trop grand, la vanne peut fonctionner à de petites ouvertures, générant du bruit. Dans de tels cas, le coefficient de débit de la vanne doit être resélectionné de manière appropriée pour atténuer le bruit provoqué par les petites ouvertures de vanne. Vous trouverez ci-dessous plusieurs méthodes pour réduire ou éliminer le bruit :

(1) Élimination du bruit de résonance

La résonance se produit uniquement lorsque la vanne de régulation vibre, amplifiant l'énergie et produisant un bruit fort (plus de 100 décibels). Certaines vannes peuvent vibrer intensément avec relativement peu de bruit, tandis que d'autres peuvent avoir de faibles vibrations mais un bruit très élevé. Dans certains cas, les vibrations et le bruit sont intenses. Ce bruit produit un son à tonalité unique, généralement dans la plage de fréquences de 3 000 à 7 000 Hz. En clair, éliminer la résonance entraînera naturellement la disparition du bruit.

(2) Élimination du bruit de cavitation

La cavitation est une source majeure de bruit dynamique des fluides. Lorsque la cavitation se produit, l'effondrement des bulles de vapeur produit des impacts à grande vitesse qui provoquent d'intenses turbulences localisées, entraînant un bruit de cavitation. Ce bruit a une large gamme de fréquences et ressemble à un son « semblable à du gravier », semblable au bruit produit par des particules comme le sable dans le fluide. Réduire ou éliminer la cavitation est un moyen efficace de réduire le bruit.

(3) Utilisation de pipelines à parois épaisses

L’utilisation de tuyaux à parois épaisses est une méthode pour traiter le bruit. Les tuyaux à paroi mince peuvent augmenter le bruit de 5 décibels, tandis que les tuyaux à paroi épaisse peuvent réduire le bruit de 0 à 20 décibels. Par exemple, avec un tuyau DN200, l'utilisation de différentes épaisseurs de paroi (6,25, 6,75, 8, 10, 12,5, 15, 18, 20, 21,5 mm) peut réduire le bruit de -3,5, -2 (augmentation), 0, 3, 6. , 8, 11, 13 et 14,5 décibels, respectivement. Cependant, plus le mur est épais, plus le coût est élevé.

(4) Utilisation de matériaux insonorisants

Il s’agit d’une méthode courante et très efficace pour traiter le bruit. Des matériaux insonorisants peuvent être enroulés autour de la source de bruit et de la canalisation en aval de la vanne. Il convient de noter que le bruit se propage sur de longues distances à travers le fluide, de sorte que l’efficacité de l’absorption acoustique s’arrête là où se termine le matériau ou le tuyau à paroi épaisse. Cette méthode convient aux situations où le niveau de bruit n’est pas trop élevé et où le pipeline est relativement court, mais elle peut être coûteuse.

(5) Utilisation de silencieux en ligne

Cette méthode convient pour réduire le bruit aérien. Il peut éliminer efficacement le bruit dans le fluide et supprimer le bruit transmis aux limites solides du système. Cette méthode est la plus efficace et la plus économique dans les endroits présentant des débits massiques élevés ou des chutes de pression importantes à travers la vanne. L’utilisation d’un silencieux en ligne à absorption peut réduire considérablement le bruit. Cependant, d'un point de vue économique, le niveau sonore est généralement réduit d'environ 25 décibels.

(6) Utilisation d’enceintes insonorisées

Les enceintes, pièces ou bâtiments insonorisés peuvent isoler la source de bruit, réduisant ainsi le niveau de bruit dans l'environnement extérieur à un niveau acceptable pour les personnes.

(7) Méthode de limitation en série

Dans les cas où le rapport de pression aux bornes de la vanne de régulation est élevé (△P/P1 ≥ 0,8), la méthode d'étranglement en série est utilisée. Il s'agit de répartir la perte de charge totale entre la vanne de régulation et les composants d'étranglement fixes en aval de la vanne, tels que des diffuseurs ou des limiteurs de débit poreux. C’est l’une des méthodes les plus efficaces pour réduire le bruit. Pour obtenir la meilleure efficacité du diffuseur, la conception du diffuseur (y compris sa forme et sa taille) doit être adaptée à l'installation spécifique, en garantissant que le niveau sonore produit par la vanne correspond au niveau sonore généré par le diffuseur.

(8) Sélection de vannes à faible bruit

Les vannes à faible bruit présentent des chemins d'écoulement tortueux (plusieurs canaux ou rainures poreux) à travers le clapet et le siège de la vanne pour ralentir progressivement l'écoulement du fluide, empêchant ainsi la génération d'un écoulement supersonique à tout moment du chemin. Il existe différentes formes et structures de vannes à faible bruit (certaines conçues pour des systèmes spécifiques). Lorsque le niveau sonore n'est pas excessivement élevé, une vanne à manchon à faible bruit peut réduire le bruit de 10 à 20 décibels, ce qui constitue l'option de vanne à faible bruit la plus économique.

Défauts du positionneur de vanne

Les positionneurs conventionnels fonctionnent sur la base d'un principe d'équilibrage des forces mécaniques, en utilisant une technique de buse et de clapet. Ils présentent les défauts courants suivants :

①. Problèmes d'équilibre des forces mécaniques : Le positionneur comporte de nombreuses pièces mobiles, ce qui le rend sensible aux effets de température et de vibration, qui peuvent provoquer des fluctuations dans la vanne de régulation.

②. Obstruction due à la poussière : La buse, qui a une petite ouverture, peut facilement être obstruée par de la poussière ou des sources d'air impur, empêchant le positionneur de fonctionner correctement.

③. Modifications de l'élasticité du ressort : L'élasticité du ressort dans les positionneurs à équilibre de force peut changer dans des environnements difficiles, entraînant un comportement non linéaire de la vanne de régulation et une qualité de contrôle réduite.

④.Les positionneurs intelligents, composés de composants tels qu'un microprocesseur (CPU), des convertisseurs A/D et D/A, fonctionnent sur la base de signaux électriques plutôt que sur l'équilibre des forces mécaniques. Cela leur permet de surmonter les limites des positionneurs conventionnels. Cependant, dans les situations d'arrêt d'urgence (comme pour les vannes d'arrêt d'urgence ou les vannes de purge d'urgence), ces vannes doivent rester immobiles dans une certaine position et ne se déplacer de manière fiable qu'en cas d'urgence. S'ils restent dans une certaine position pendant une période prolongée, le convertisseur électrique peut perdre le contrôle, entraînant un risque d'absence de mouvement avec de petits signaux. De plus, les capteurs de position (potentiomètres) utilisés dans les vannes peuvent subir des changements de résistance sur le terrain, ce qui entraîne un risque d'absence de mouvement avec de petits signaux ou d'ouverture complète de la vanne avec des signaux importants. Pour garantir la fiabilité et la convivialité des positionneurs intelligents, des tests fréquents sont nécessaires.