Valvola di controllo pneumatica

Valvola di controllo pneumatica

La valvola di controllo pneumatica è uno dei dispositivi di controllo dei processi industriali ampiamente utilizzati nel settore energetico. IL valvola di controllo dell'alta pressione è essenziale nei sistemi di regolazione ed è una componente importante nella realizzazione dei sistemi di automazione industriale.

Principio di funzionamento:

La valvola di controllo pneumatico utilizza aria compressa come fonte di alimentazione, con un cilindro come attuatore, e si affida ad accessori quali posizionatori elettrici di valvole, convertitori, elettrovalvole e valvole di mantenimento della pressione per azionare la valvola. Raggiunge una regolazione on/off o proporzionale ricevendo segnali di controllo dal sistema di controllo dell'automazione industriale per regolare vari parametri di processo del mezzo della tubazione, come flusso, pressione, temperatura, ecc. Le caratteristiche della valvola di controllo pneumatica sono controllo semplice, rapido risposta e sicurezza intrinseca, senza la necessità di ulteriori misure antideflagranti.

Principio di funzionamento della valvola di controllo pneumatica (schema)

La valvola di controllo pneumatica è generalmente composta da un attuatore pneumatico e una valvola di controllo, collegati, installati e sottoposti a debug insieme. L'attuatore pneumatico può essere classificato in due tipologie: a semplice effetto e a doppio effetto. L'attuatore a semplice effetto è dotato di molla di ritorno, mentre l'attuatore a doppio effetto no. Nel caso di un attuatore a semplice effetto, può tornare automaticamente alla posizione iniziale di apertura o chiusura della valvola in caso di interruzione dell'alimentazione elettrica o di guasto improvviso.

La valvola di controllo pneumatica è classificata in due tipi in base alla modalità di azione: aria apre e aria chiude, note anche come normalmente aperta e normalmente chiusa. La funzione aria apre o aria chiude della valvola di controllo pneumatica viene generalmente ottenuta attraverso i diversi metodi di assemblaggio delle azioni avanti e indietro dell'attuatore e il design strutturale della valvola.

Modalità di funzionamento della valvola di controllo pneumatica

Il tipo aria apre (normalmente chiuso) funziona aumentando la pressione dell'aria sulla membrana, facendo sì che la valvola si muova nella direzione di maggiore apertura. Quando la pressione dell'aria in ingresso raggiunge il limite massimo, la valvola è completamente aperta. Al contrario, quando la pressione dell'aria diminuisce, la valvola si sposta verso la direzione di chiusura e quando non c'è aria in ingresso, la valvola è completamente chiusa. Pertanto, ci riferiamo comunemente alla valvola di controllo di tipo aria apre come valvola a chiusura di guasto.

Il tipo aria chiude (normalmente aperto) funziona nella direzione opposta al tipo aria apre. Quando la pressione dell'aria aumenta, la valvola si muove nella direzione di chiusura. Quando la pressione dell'aria diminuisce o non c'è aria, la valvola si muove verso l'apertura o si apre completamente. Pertanto, ci riferiamo comunemente alla valvola di controllo del tipo aria chiude come valvola fail-open.

La scelta tra aria apre o aria chiude si basa sulla prospettiva di sicurezza del processo di produzione. Dipende se la valvola di controllo deve essere in posizione chiusa o aperta per sicurezza quando l'alimentazione dell'aria viene interrotta.

Ad esempio, nel controllo della combustione di un forno di riscaldamento, la valvola di controllo è installata sulla tubazione del gas combustibile e regola l'alimentazione del combustibile in base alla temperatura nel forno o alla temperatura del materiale riscaldato all'uscita del forno. In questo caso è più sicuro scegliere una valvola aria apre, perché se l'alimentazione dell'aria viene interrotta, è più opportuno che la valvola sia chiusa piuttosto che completamente aperta. Se la valvola del carburante è completamente aperta quando viene interrotta l'alimentazione dell'aria, ciò potrebbe causare un riscaldamento eccessivo, il che è pericoloso. Allo stesso modo, per uno scambiatore di calore raffreddato mediante acqua di raffreddamento, in cui il materiale caldo scambia calore con l'acqua di raffreddamento all'interno dello scambiatore, la valvola di controllo è installata sulla tubazione dell'acqua di raffreddamento e regola il flusso dell'acqua di raffreddamento in base alla temperatura del materiale dopo lo scambio di calore. In caso di interruzione dell'alimentazione d'aria, è più sicuro che la valvola di controllo sia in posizione aperta, quindi è preferibile una valvola di controllo aria chiude (FO).

Posizionatore della valvola

Il posizionatore della valvola è un accessorio importante della valvola di controllo ed è ampiamente utilizzato insieme alle valvole di controllo pneumatiche. Riceve il segnale di uscita dal controller e utilizza il proprio segnale di uscita per controllare la valvola di controllo pneumatica. Dopo l'azionamento della valvola di controllo, lo spostamento dello stelo della valvola viene restituito al posizionatore della valvola tramite un dispositivo meccanico e lo stato della posizione della valvola viene trasmesso al sistema di livello superiore tramite un segnale elettrico. I posizionatori della valvola possono essere classificati in posizionatori della valvola pneumatici, posizionatori della valvola elettropneumatici e posizionatori della valvola intelligenti in base alla loro struttura e al principio di funzionamento.

Il posizionatore della valvola può aumentare la potenza di uscita della valvola di controllo, ridurre il ritardo di trasmissione del segnale di controllo, accelerare la velocità di movimento dello stelo della valvola, migliorare la linearità della valvola, superare la forza di attrito dello stelo della valvola ed eliminare il effetti di forze sbilanciate, garantendo così il corretto posizionamento della valvola di controllo.

Gli attuatori si classificano in attuatori pneumatici ed attuatori elettrici, di tipo lineare e rotativo. Vengono utilizzati per aprire e chiudere automaticamente o manualmente vari tipi di valvole, serrande e altre apparecchiature.

Principi di installazione delle valvole di controllo pneumatiche

(1) La valvola di controllo pneumatico deve essere installata ad una certa altezza da terra, con spazio adeguato sopra e sotto la valvola per facilitare lo smontaggio e la manutenzione. Per le valvole di controllo dotate di posizionatori pneumatici e volantini, è essenziale garantire che il funzionamento, l'osservazione e la regolazione siano convenienti.

(2) La valvola di controllo deve essere installata su una tubazione orizzontale e deve essere verticale rispetto alla tubazione sia sopra che sotto. In generale, è necessario aggiungere un supporto sotto la valvola per garantire stabilità e affidabilità. In casi particolari in cui la valvola deve essere installata orizzontalmente su una tubazione verticale, anche la valvola deve essere supportata (ad eccezione delle valvole di controllo di piccolo diametro). Durante l'installazione, è necessario prestare attenzione per evitare di aggiungere ulteriore stress alla valvola.

(3) La temperatura dell'ambiente operativo della valvola di controllo deve essere compresa tra -30°C e 60°C, con un'umidità relativa non superiore al 95%.

(4) Prima e dopo la valvola di controllo deve essere presente un tratto di tubo diritto, con una lunghezza non inferiore a 10 volte il diametro del tubo (10D), per evitare brevi tratti rettilinei che potrebbero influenzare le caratteristiche di flusso della valvola.

(5) Se la dimensione della valvola differisce dalla dimensione della tubazione, per il collegamento è necessario utilizzare un tubo di riduzione. Per le valvole di controllo di piccolo diametro è possibile utilizzare connessioni filettate. La freccia della direzione del flusso sul corpo della valvola deve essere coerente con la direzione del flusso del fluido.

(6) È necessario installare un tubo di bypass per facilitare la commutazione o il funzionamento manuale, consentendo la manutenzione della valvola di controllo senza arrestare il sistema.

(7) Prima dell'installazione, la valvola di controllo deve essere pulita accuratamente per rimuovere eventuali corpi estranei nella tubazione, come sporco, scorie di saldatura, ecc.

Guasti comuni e risoluzione dei problemi

1.La valvola di controllo non si attiva
- Innanzitutto verificare se la pressione di alimentazione dell'aria è normale e verificare la presenza di eventuali guasti nella fonte d'aria. Se la pressione di alimentazione dell'aria è normale, controllare se l'amplificatore del posizionatore o del convertitore elettropneumatico emette un'uscita. Se non c'è alcuna uscita, il foro di strozzamento costante dell'amplificatore potrebbe essere bloccato o potrebbe essersi accumulata umidità nell'aria compressa. la valvola a sfera dell'amplificatore. Utilizzare un filo di acciaio sottile per liberare il foro di strozzamento e rimuovere eventuali detriti o pulire la fonte d'aria.

- Se tutto sembra normale e c'è un segnale ma nessuna azione, il guasto potrebbe essere dovuto all'attuatore (ad esempio un malfunzionamento), allo stelo della valvola piegato o all'otturatore della valvola bloccato. In questo caso, la valvola deve essere smontata per un'ulteriore ispezione.

2. Valvola di controllo bloccata o inceppata
- Se il movimento alternativo dello stelo della valvola è lento, il corpo della valvola potrebbe contenere sostanze viscose, depositi carboniosi, una pressione eccessiva della baderna o l'invecchiamento della baderna in PTFE (politetrafluoroetilene), oppure lo stelo della valvola potrebbe essere piegato o graffiato. L'inceppamento della valvola di controllo si verifica comunemente nei sistemi appena messi in funzione o subito dopo riparazioni importanti. Spesso è dovuto a scorie di saldatura, ruggine o altri detriti nella tubazione che intasano l'acceleratore o le parti di guida, causando uno scarso flusso del fluido si verificano anche durante la manutenzione quando la baderna è troppo stretta, aumentando l'attrito e portando a situazioni in cui i segnali piccoli non riescono ad attivarsi o i segnali grandi causano movimenti eccessivi.

Per risolvere questo problema, provare ad aprire e chiudere rapidamente la linea di bypass o la valvola di controllo per consentire ai detriti di essere eliminati dal mezzo. In alternativa, utilizzare una chiave per tubi per bloccare lo stelo della valvola e, sotto ulteriore pressione del segnale, applicare forza in entrambe le direzioni per ruotare lo stelo e consentire all'otturatore della valvola di superare l'ostruzione. Se ciò non risolve il problema, aumentare la pressione di alimentazione dell'aria o la potenza motrice e spostare lo stelo della valvola su e giù più volte per eliminare l'ostruzione. Se il problema persiste, smontare la valvola. Tuttavia, ciò richiede forti competenze professionali e dovrebbe essere eseguito solo con l’assistenza di personale qualificato per evitare conseguenze più gravi.

3. Perdita della valvola

Le perdite della valvola di controllo generalmente includono perdite interne, perdite della baderna e perdite causate dalla deformazione dell'otturatore e della sede della valvola. Di seguito sono riportate le analisi di questi problemi comuni.

(1) Perdita interna

- Causa: Lo stelo della valvola potrebbe avere una lunghezza errata. Nel caso di una valvola aria apre, se lo stelo della valvola è troppo lungo, la distanza dalla parte superiore (o inferiore) dello stelo potrebbe essere insufficiente, creando uno spazio tra l'otturatore della valvola e la sede. Questo spazio impedisce il corretto contatto e provoca perdite interne. Allo stesso modo, per le valvole aria chiude, se lo stelo è troppo corto, potrebbe esserci uno spazio che impedisce il pieno contatto tra l'otturatore e la sede, con conseguente tenuta inadeguata e perdite interne.
- Soluzione: la lunghezza dello stelo della valvola deve essere regolata accorciandola o estendendola per garantire che la valvola di controllo sia adeguatamente sigillata e non si verifichino perdite interne.

(2) Perdita dell'imballaggio

- Causa: Dopo che la baderna è stata caricata nel premistoppa, ad essa viene applicata una pressione assiale dal premistoppa. A causa della deformazione plastica della baderna, questa genera una forza radiale che la fa aderire strettamente allo stelo della valvola. Tuttavia, questo contatto non è uniforme: alcune aree potrebbero essere allentate, mentre altre sono strette e in alcune aree potrebbe non esserci alcun contatto. Durante l'uso, si verifica un movimento relativo tra lo stelo della valvola e la baderna, noto come movimento assiale. Nel corso del tempo, soprattutto in condizioni di alta temperatura, alta pressione e fluidi permeabili, le perdite delle baderne diventano un problema comune. La causa principale delle perdite della baderna è la perdita dell'interfaccia e, per la baderna tessile, la perdita può verificarsi quando il fluido filtra attraverso piccoli spazi tra le fibre della baderna.

Soluzione: per facilitare l'installazione della baderna, è necessario applicare uno smusso alla parte superiore della scatola della baderna e posizionare un anello protettivo in metallo con piccoli spazi e resistenza alla corrosione nella parte inferiore. Questo anello protettivo non deve essere inclinato per evitare che la baderna venga espulsa dalla pressione del mezzo. La superficie a contatto con la baderna nella scatola di baderna deve essere finemente lavorata per migliorare la levigatezza della superficie e ridurre l'usura della baderna. Si consiglia una baderna flessibile in grafite per la sua eccellente tenuta ai gas, basso attrito, usura minima, facile manutenzione e buona resistenza alla pressione e al calore. È inoltre resistente alla corrosione media interna e non provoca vaiolatura o corrosione dei metalli che entrano in contatto con lo stelo della valvola o il premistoppa. Ciò garantisce l'affidabilità della tenuta della baderna e ne prolunga la durata.

(3) Perdita dovuta alla deformazione dell'otturatore e della sede della valvola

Causa: Le perdite nell'otturatore e nella sede della valvola sono dovute principalmente a difetti di fusione o forgiatura durante il processo di produzione della valvola di controllo, che possono portare ad una maggiore corrosione. Anche il passaggio del mezzo corrosivo e l'azione sgrassante del mezzo fluido possono contribuire alla perdita. La corrosione si manifesta principalmente sotto forma di erosione o cavitazione. Quando un mezzo corrosivo scorre attraverso la valvola di controllo, erode e colpisce i materiali dell'otturatore e della sede della valvola, facendoli diventare ellittici o assumere altre forme deformate. Nel tempo, questa deformazione porta a una tenuta inadeguata, con conseguenti perdite.

- Soluzione: prestare attenzione alla scelta dei materiali per l'otturatore e la sede della valvola. Resistente alla corrosione
dovrebbero essere scelti i materiali e dovrebbero essere eliminati i prodotti che presentano difetti come vaiolature o buchi di sabbia. Se la deformazione dell'otturatore e della sede della valvola non è grave, è possibile utilizzare carta vetrata fine per lucidare le aree interessate, eliminando le tracce e migliorando la levigatezza della superficie di tenuta per migliorare le prestazioni di tenuta. Se il danno è grave, l'otturatore e la sede della valvola dovrebbe essere sostituito con parti nuove.

4. Oscillazione

L'oscillazione nella valvola di controllo può verificarsi quando la rigidità della molla è insufficiente, causando fluttuazioni instabili e brusche nel segnale di uscita della valvola. Può verificarsi anche se la frequenza della valvola selezionata corrisponde alla frequenza del sistema o se sono presenti forti vibrazioni la tubazione o la base, facendo vibrare anche la valvola. Una selezione errata può anche portare a oscillazioni quando la valvola funziona con aperture piccole, dove si verificano cambiamenti drastici nella resistenza al flusso, nella portata e nella pressione. Quando questi cambiamenti superano la rigidità della valvola, la sua stabilità diminuisce, causando potenzialmente oscillazioni.

Poiché le cause dell’oscillazione sono molteplici, ogni questione dovrebbe essere analizzata in modo specifico. Per oscillazioni minori, l'aumento della rigidità può eliminare il problema, ad esempio selezionando una valvola con una molla di rigidità maggiore o passando a una struttura con attuatore a pistone. Se sono presenti forti vibrazioni nella tubazione o nella base, l'interferenza delle vibrazioni può essere ridotta aggiungendo ulteriori supporti. Se la frequenza della valvola corrisponde alla frequenza del sistema, è necessario sostituire la valvola con una di diversa concezione strutturale. L'oscillazione causata dal funzionamento con aperture piccole della valvola deriva generalmente da una selezione errata della valvola, in particolare a causa dell'elevato coefficiente di flusso della valvola (valore C). In questo caso, la valvola deve essere riselezionata con un valore C più piccolo, oppure si deve utilizzare un sistema di controllo a campo frazionato o una valvola pilotata (sottovalvola) per mitigare l'oscillazione in corrispondenza di piccole aperture.

5. Rumore eccessivo dalle valvole di controllo

Quando il fluido scorre attraverso una valvola di controllo, se è presente un ampio differenziale di pressione tra l'ingresso e l'uscita, può verificarsi cavitazione in componenti quali l'otturatore e la sede della valvola, causando rumore. Se il coefficiente di flusso della valvola selezionata è troppo grande, la valvola potrebbe funzionare con aperture piccole, generando rumore. In tali casi, il coefficiente di flusso della valvola deve essere opportunamente riselezionato per mitigare il rumore causato da piccole aperture della valvola. Di seguito sono riportati diversi metodi per ridurre o eliminare il rumore:

(1) Eliminazione del rumore di risonanza

La risonanza si verifica solo quando la valvola di controllo vibra, amplificando l'energia e producendo un forte rumore (oltre 100 decibel). Alcune valvole possono vibrare intensamente con un rumore relativamente basso, mentre altre possono avere vibrazioni deboli ma un rumore molto elevato. In alcuni casi, sia la vibrazione che il rumore sono intensi. Questo rumore produce un suono a tono singolo, tipicamente nell'intervallo di frequenza compreso tra 3.000 e 7.000 Hz. Chiaramente, l'eliminazione della risonanza farà sì che il rumore scompaia naturalmente.

(2) Eliminazione del rumore di cavitazione

La cavitazione è una delle principali fonti di rumore fluidodinamico. Quando si verifica la cavitazione, il collasso delle bolle di vapore produce impatti ad alta velocità che causano un'intensa turbolenza localizzata, con conseguente rumore di cavitazione. Questo rumore ha un'ampia gamma di frequenze e ricorda un suono "simile a quello della ghiaia", simile al rumore prodotto da particelle come la sabbia nel fluido. Ridurre o eliminare la cavitazione è un modo efficace per ridurre il rumore.

(3) Utilizzo di condotte a pareti spesse

L'uso di tubi a pareti spesse è un metodo per trattare il rumore. I tubi a pareti sottili possono aumentare il rumore di 5 decibel, mentre i tubi a pareti spesse possono ridurre il rumore da 0 a 20 decibel. Ad esempio, con un tubo DN200, utilizzando spessori di parete diversi (6,25, 6,75, 8, 10, 12,5, 15, 18, 20, 21,5 mm) è possibile ridurre il rumore di -3,5, -2 (aumento), 0, 3, 6 , 8, 11, 13 e 14,5 decibel rispettivamente. Tuttavia, più il muro è spesso, maggiore sarà il costo.

(4) Utilizzo di materiali fonoassorbenti

Questo è un metodo comune e altamente efficace per il trattamento del rumore. È possibile avvolgere materiali fonoassorbenti attorno alla sorgente di rumore e alla tubazione a valle della valvola. Va notato che il rumore si propaga per lunghe distanze attraverso il fluido, quindi l'efficacia dell'assorbimento acustico si interrompe dove termina il materiale o il tubo a pareti spesse. Questo metodo è adatto per situazioni in cui il livello di rumore non è troppo elevato e la tubazione è relativamente corta, ma può essere costoso.

(5) Utilizzo di silenziatori in linea

Questo metodo è adatto per ridurre il rumore prodotto dall'aria. Può eliminare efficacemente il rumore all'interno del fluido e sopprimere il rumore trasmesso ai confini solidi del sistema. Questo metodo è più efficace ed economico in luoghi con portate di massa elevate o grandi cadute di pressione attraverso la valvola. L'utilizzo di un silenziatore in linea di tipo ad assorbimento può ridurre significativamente il rumore. Tuttavia, dal punto di vista economico, il livello di rumore viene generalmente ridotto di circa 25 decibel.

(6) Utilizzo di cabine insonorizzate

Recinzioni, stanze o edifici insonorizzati possono isolare la fonte di rumore, riducendo il livello di rumore nell'ambiente esterno a un livello accettabile per le persone.

(7) Metodo di limitazione in serie

Nei casi in cui il rapporto di pressione attraverso la valvola di controllo è elevato (△P/P1 ≥ 0,8), viene utilizzato il metodo di strozzamento in serie. Ciò comporta la distribuzione della caduta di pressione totale tra la valvola di controllo e i componenti fissi di strozzamento a valle della valvola, come diffusori o limitatori di flusso porosi. Questo è uno dei metodi più efficaci per ridurre il rumore. Per ottenere la migliore efficienza del diffusore, il design del diffusore (incluse forma e dimensioni) deve essere adattato all'installazione specifica, garantendo che il livello di rumore prodotto dalla valvola corrisponda al livello di rumore generato dal diffusore.

(8) Selezione di valvole a bassa rumorosità

Le valvole a bassa rumorosità presentano percorsi di flusso tortuosi (canali o scanalature porose multiple) attraverso l'otturatore e la sede della valvola per rallentare gradualmente il flusso del fluido, impedendo così la generazione di flusso supersonico in qualsiasi punto del percorso. Sono disponibili varie forme e strutture di valvole a bassa rumorosità (alcune progettate per impianti specifici). Quando il livello di rumore non è eccessivamente elevato, una valvola a manicotto silenziosa può ridurre il rumore di 10–20 decibel, che è l'opzione di valvola silenziosa più economica.

Guasti del posizionatore della valvola

I posizionatori convenzionali funzionano in base al principio di bilanciamento delle forze meccaniche, utilizzando la tecnica dell'ugello-flapper. Hanno i seguenti difetti comuni:

①. Problemi di bilanciamento della forza meccanica: il posizionatore è dotato di molte parti mobili, che lo rendono suscettibile agli effetti della temperatura e delle vibrazioni, che possono causare fluttuazioni nella valvola di controllo.

②. Intasamento dovuto alla polvere: l'ugello, che ha un'apertura piccola, può facilmente essere ostruito da polvere o fonti di aria non pulita, impedendo il corretto funzionamento del posizionatore.

③. Cambiamenti nell'elasticità della molla: l'elasticità della molla nei posizionatori a bilanciamento di forza può cambiare in ambienti difficili, portando a un comportamento non lineare della valvola di controllo e a una ridotta qualità del controllo.

④.I posizionatori intelligenti, costituiti da componenti quali un microprocessore (CPU), convertitori A/D e D/A, funzionano in base a segnali elettrici anziché al bilanciamento della forza meccanica. Ciò consente loro di superare i limiti dei posizionatori convenzionali. Tuttavia, in situazioni di arresto di emergenza (ad esempio per valvole di intercettazione di emergenza o valvole di sfiato di emergenza), queste valvole devono rimanere ferme in una determinata posizione e muoversi in modo affidabile solo durante un'emergenza. Se rimangono in una determinata posizione per un periodo prolungato, il convertitore elettrico potrebbe perdere il controllo, con conseguente rischio di mancato movimento con piccoli segnali. Inoltre, i sensori di posizione (potenziometri) utilizzati nelle valvole possono subire variazioni di resistenza sul campo, con conseguente rischio di mancato movimento con segnali piccoli o di apertura completa della valvola con segnali grandi. Per garantire l'affidabilità e l'usabilità dei posizionatori intelligenti, sono necessari test frequenti.